Учебное пособие 800617

переменных стандартными значениями. Далее происходит выборка нужных значений для передачи их в последующую форму, в которой проводятся необходимые расчёты, а также процедуры проверки на ввод некорректных значений в текстовые поля ввода.

Вследующем модуле производится заполнение начальными значениями нужных параметров, расположенных на форме текстовых полей, в которые пользователь вводит допустимые значения. Далее идёт программирование соответствующей кнопки, которая позволяет увеличивать введённое значение или уменьшать его до минимально возможного параметра из допустимых. Также реализована система различного рода проверок, не позволяющих ввести в эти поля некорректные значения.

Втретьем модуле располагаются компоненты, в которые будут вноситься данные о расчётах, производиться вывод на экран подсказок. В левой части формы расположены сетки и метки, в которые будет происходить вывод данных, полученных в ходе выполнения работы программы. Подробно расписана система измерения полученных параметров. В левой части формы расположены теоретические сведения, которые позволяют помочь пользователю в процессе выполнения лабораторной работы.

Программный модуль позволяет минимизировать время генерации параметров электрических машин постоянного тока и упростить отладку уже произведённых расчётов, что заметно сократит материальные и физические расходы при проектировании.

Информационное обеспечение программного модуля включает локальные базы данных, содержащие сведения справочного характера о параметрах магнитных, проводниковых и электроизоляционных материалов. Кроме того, организованы базы данных для хранения и передачи из этапа в этап полученных результатов расчета, что позволяет осуществлять итерационный процесс проектирования и осуществлять корректировку и локальную оптимизацию параметров. В данном программном модуле реализовано взаимодействие между базами данных.

Данные, хранимые в базах данных, можно разделить на два основных раздела – архив и рабочий массив.

Архив – это область нормативно-справочных данных и типовых проектных решений. Этот раздел включает характеристики материалов, входящих в конструкцию объекта проектирования, обмоточные данные проводов, технологические и

11

конструктивные коэффициенты, учитывающие современный уровень производства, правила и ограничения, регламентируемые стандартами и нормалями, физические константы, типовые графические изображения и т. п. Данные этого раздела определяют ограничения, которым должен следовать пользователь системы при поиске проектных решений.

Рабочий массив – это информационная модель объекта проектирования, которая формируется из данных, описывающих его в рамках отдельных программных модулей, соответствующих конкретным локальным этапам расчетного проектирования. Описание объекта, получаемое на каждом предыдущем локальном этапе проектирования, включает данные, необходимые для обеспечения функционирования программных модулей последующих этапов. По окончании проектирования данные, составляющие информационную модель объекта проектирования могут быть переданы в архив. Рабочий массив базы данных состоит из нескольких подразделов (по числу основных этапов расчетного проектирования). Каждый подраздел в свою очередь разделен на две части: область статических данных и область динамических данных. Статические данные используются только при реализации конкретного программного модуля и не меняются в процессе проектирования. Динамические данные формируются на выходе программного модуля и осуществляют информационное обеспечение работы других программных модулей.

Основой методического обеспечения являются учебные пособия по проектированию электрических машин постоянного тока [1, 2]. В процессе проектирования выполняются обучающие дидактические функции с приведением необходимых теоретических пояснений, что отражается на экране монитора. В случае ошибки при введении данных или получении некорректного результата расчета в расчетном окне появляются соответствующие директивы.

Технология реализации программного модуля синтеза вариантов активной части двигателя постоянного тока включает выполнение следующих процедур:

-изучение теоретических основ и практических рекомендаций соответствующих этапов проектирования;

-выполнение соответствующих «ручных» расчетов в рамках выполнения курсового проектирования;

12

-отчет об усвоенных знаниях;

-работа с программным модулем;

-получение результатов расчетов (анализ результатов расчетов).

При первом сеансе работы с программным модулем от пользователя запрашиваются следующие данные: фамилия, имя, отчество, курс, группа.

После запуска файла Project1.exe происходит запуск стартового окна, изображённого на рисунке.

Стартовое окно программного модуля

Далее в стартовом окне программного модуля вводятся данные технического задания на проектирование двигателя постоянного тока: номинальная мощность, номинальное напряжение, номинальная частота вращения, исполнение по степени защиты и способу охлаждения, класс нагревостойкости изоляции, тип возбуждения, ориентировочная высота оси вращения.

13

Далее последовательно реализуются расчетные этапы программного модуля синтеза и анализа вариантов активной части двигателя постоянного тока:

-выбор главных размеров и расчет параметров якоря;

-расчет магнитной системы;

-расчет системы возбуждения;

-оценка коммутационных параметров;

-определение потерь мощности;

-расчет рабочих характеристик.

Данный программный модуль имеет ряд преимуществ:

пользователь имеет возможность вводить в программу именно те значения, которые нужны в ходе расчётов. Если использующий программу человек не может вспомнить необходимые формулы или ему неясен принцип расчёта программы, то он может в любой момент посмотреть необходимые данные в соответствующем разделе программы;

так как программа написана без использования объёмных библиотек, то обращение к данным происходит со значительно меньшей скоростью, чем в вышеописанных программных продуктах. Также в разрабатываемой системе отсутствуют модули, отвечающие за расчёт стороннего оборудования, данная программа является узконаправленной, что облегчает работу инженеров;

в данной программе разработана система составления отчётов, с помощью которых можно проводить сравнение полученных результатов, анализировать рассчитанные показатели и, впоследствии, усовершенствовать модель.

Литература

1.Проектирование электрических машин: учебник для бакалавров / под ред. И.П. Копылова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательство Юрайт, 2014. – 767с. Серия : Бакалавр. Углубленный курс.

2.Проектирование электрических машин постоянного тока: учеб. пособие / Т.А. Бурковская. 2-ое изд., перераб. и доп. - Воронеж: Издательство «Научная книга», 2008. – 128 с. Учебная серия «Открытое образование».

Воронежский государственный технический университет

14

УДК 621.313

А.А. Агапов, Т.Е. Черных

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ САПР ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Рассматривается способы использования 3D-моделей для моделирования обмоток электрических машин

На сегодняшний день ни одна передовая отрасль производства не обходится без различного рода моделирования. Моделирование позволяет без особых затрат понять практически все процессы, которые будут происходить с будущим изделием. Однако прежде чем оценивать результаты необходимо построить саму модель. В 21 веке в этом нет особых проблем, на рынке представлено огромное количество различных систем автоматизированного проектирования (САПР) по созданию 3Dмоделей.

И несомненно, как и в других областях 3D-моделирование проникло и прочно закрепилось в электромеханике. И, казалось бы, теперь мы увидим поразительно детализированную электрическую машину. Отчасти это так. Нет труда найти модель подшипникового щита, вала, корпуса или даже самой обычной втулки, однако найти трехмерную модель обмотки практически невозможно. Так с чем же это связано?

Как ни парадоксально 3D-модель в электромеханике по большей части предназначена только для создания по ней реальной детали. Обмотка в данном случае является сборочной единицей, а изготовить её, используя модель, даже на самом современном намоточном станке зачастую является невероятно сложной и даже невыполнимой задачей.

Однако не стоит забывать о таком важном аспекте в проектировании электрических машин, как моделирование полей. Но и в данной области не многие инженеры пользуются 3D-моделями. И это очень просто объяснить.

Львиную долю всех представленных на рынке электрических машин составляют машины цилиндрического исполнения. Что говорить, если не менее 80% всех электродвигателей, которые

15

выпускаются промышленностью составляют асинхронные двигатели именно цилиндрического исполнения (рис. 1).

Рис. 1. Статор асинхронной машины

Для моделирования электрических машин используются различные программные пакеты такие как ELCUT, Maxwell, ANSYS и другие, все они основаны на методе конечных элементов (МКЭ), который дает поразительную точность расчета. Данные системы позволяют использовать геометрические модели 3-х типов: плоская, осесимметричная и трехмерная модель изображенная на рис. 2.

Из теории моделирования электрических машин известно, что для того, чтобы получить все необходимые данные о проектируемой цилиндрической машине необязательно строить трехмерную модель, для решения задачи достаточно получить результаты из плоской задачи, а далее согласно принципу трансляции, пересчитать результат на требуемую длину.

Так почему же такие «гиганты», как Maxwell и ANSYS во главу угла ставят возможность объемного анализа машины, хотя, казалось бы, особой надобности в этом нет?

Такой подход в корне является неверным, несомненно двухмерные задачи в вопросе моделирования цилиндрических машин по своей точности не уступают пространственным моделям, однако никогда такая модель не даст ответы на такие вопросы, как определение полей рассеяния в торцах магнитопровода, определение индуктивности лобовых или определение нагрева лобовой части обмотки.

16

Конечно можно возразить что существуют аналитические методы по расчету полей рассеяния или индуктивности, но при этом не стоит забывать, что такие расчеты возможны только с использованием дробления магнитного потока на элементарные потоки.

В дальнейшем расчёт магнитной цепи ведется с помощью классической теории магнитных цепей, но достаточно сделать более сложную схему обмотки или форму лобовых и эти формулы вовсе потеряют весь смысл. Так же, как, если придать магнитопроводу форму хоть немного отличную от приведенной в теории, то все выше перечисленные методы расчета становятся бесполезными.

Рис. 2. Модели систем МКЭ а – плоская, б – осесимметричная, в – трехмерная

Дробление магнитного потока на элементарные потоки (трубочки), в пределах которых свойства потока постоянны задача невероятно сложная, при таком разбиении необходимо быть точно уверенным, что свойства не изменятся иначе расчет будет ошибочным. При этом также учитывается взаимное влияние элементарных потоков друг на друга. И выходит так, что даже самая простая задача такого рода является довольно объемной и имеет смысл только при решении в системах компьютерной алгебры. Так, если плоский тип задачи не дает ответ на

17

поставленные вопросы, возможно выходом станет использование двухмерной осесимметричной задачи?

К сожалению, это не так. Осесимметричные модели используются только для решения очень узкого круга задач, таких, к примеру, как моделирование электромагнитов. Так же они позволяют производить анализ тепловых процессов в машинах беспазового исполнения.

Что касается тепловых расчетов аналитические методы лишь частично дают представление о процессах, происходящих п внутри машины. Двухмерная модель несомненно будет гораздо точнее аналитики, однако, как и в случае с электромагнитным расчетом не дает точного представления о том, что происходит в лобовой части. Как минимум тот факт, что при моделировании обмотки в какойлибо из плоскостей, вдоль которой она идет коэффициент теплоотдачи будет постоянным, однако при изменении направлении хода обмотки коэффициент теплоотдачи изменится, как именно предсказать не сможет абсолютно никто.

Стоит так же заметить, что моделирование торцевых машин невозможно произвести с использованием плоской или осесимметричной модели.

Так как же создать данную модель?

При создании 3D-моделей обмоток есть 2 основных правила: постоянство сечения и отсутствие пересечений. Также не стоит забывать и о технологическом аспекте вопроса (рис. 3).

Рис. 3. Принцип создания 3D-моделей для систем МКЭ

Из всего выше перечисленного становится ясно, что только трехмерное моделирование позволит в полном объеме оценить все параметры машины и ответить на все поставленные вопросы.

Воронежский государственный технический университет

18

УДК 621.313.821

А.А. Агапов, Ю.В. Писаревский

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕТРАДИЦИОННОЙ ОРТОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБМОТКИ ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ БЕСКОНТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассматривается возможность применения ортоциклических обмоток с нетрадиционнам способом намотки для бесконтактных двигателей постоянного тока беспазового исполнения мелкосерийного производства

Жизнь современного человека неразрывно связана с электричеством и немалую роль, как не странно, в ней играет электромеханика. Говоря об электрических машинах кажется, что обычный человек невероятно далек от всего этого. Однако это, не так, в быту нас окружает огромное количество микромашин, которые мы даже не замечаем. Это и является их главным достоинством. В 21 веке нет места неоправданно большим размерам, все стремится к компактности, легкости и мобильности. Те же тенденции прослеживаются и в области создания электрических микромашин, где в стремлении снизить габариты борьба идет «буквально» за каждую долю миллиметра.

На сегодняшний день действительно очень остро стоит проблема снижения массогабаритных параметров при сохранении электромагнитных показателей. Не стоит забывать и о тепловых параметрах работы машины, ведь как известно, значительная часть микромашин способна работать лишь в кратковременном режиме из-за повышенного нагрева активных частей в ходе работы.

Довольно смелым решением в свое время стало создание беспазового микродвигателя, отказавшись от пазового магнитопровода разработчики смогли снизить габариты, сохранив при этом показатели машины, однако столкнулись с проблемой перегрева и повышенным сопротивлением для прохождения магнитного поля через воздушный зазор.

Беспазовая конструкция несомненно несет в себе определенные недостатки, связанные с прохождением магнитного поля сквозь воздушный зазор, к которому относится и часть

19

машины занятая под обмотку, однако применение такого типа обмотки является единственным выходом, если требуется создать микродвигатель с относительно небольшой номинальной частотой вращения.

В связи с этим немалый интерес представляют исследования обмоток. Достаточно интересным решением в этом вопросе является возможность использования ортоциклических обмоток

(рис. 1).

Рис. 1. Ортоциклическая обмотка

Вся суть ортоциклической обмотки заключается в том, что она наматывается в одной плоскости виток к витку, после чего не претерпевает никаких пространственных видоизменений кроме формовки для создания сегмента окружности. Однако исследуя данный вопрос были найдены недостатки в классической ортоциклической намотке. Серьезным недостатком стало то, что выводной конец, находящийся внутри такой обмотки при выводе дает утолщение в лобовой части величиной в один проводник, из-за чего значительно ограничивается возможность её применения.

В связи с этим было принято решение разработать абсолютно новый тип ортоциклической обмотки, которая представлена ниже (рисунок 2). Её создание сводится к формированию 2-х полусекций, после чего обе части соединяются одна поверх другой.

20