К применению трехмерного конечно-элементного анализа при разработке автоматизированных электромеханических систем с торцовыми асинхронными двигателями (80

К ПРИМЕНЕНИЮ ТРЕХМЕРНОГО КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА ПРИ РАЗРАБОТКЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ТОРЦОВЫМИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Загрядцкий В.И., Худотёплов П.А. Россия, г. Орел, ОрелГТУ

В статье рассматривается новый подход к расчету магнитной системы торцовых асинхронных двигателей, основанный на применении конечно-элементного анализа.

The new approach to a calculation of the magnetic system of disc (axial) asynchronous electric motor, based on finite-element analyses is considered.

Для сокращения сроков и затрат на проектирование и изготовление, а также повышение качества электрических машин, необходим переход на современные технологии расчета и проектирования, а именно - моделирование основных физических процессов с использованием трехмерных численных моделей. Учитывая сложность электромеханического оборудования, его высокую стоимость, а также высокую конкуренцию на этом рынке, можно сказать, что использование современных систем трехмерного моделирования является практически единственным способом достоверно оценить рабочие, технологические и энергетические характеристики установки еще на стадии концептуального проектирования. Широко используемые приближенные методы расчета, хотя в большинстве случаев и дают приемлемую для инженерных расчетов точность, они не учитывают конструктивные особенности реальной установки и взаимосвязь большого количества физических явлений. Тем более, они не учитывают динамический характер всех процессов, что делает их неприменимыми для анализа протекания технологического процесса, а это является ключевым фактором при проектировании технологической установки.

Высокие требования к точности расчета магнитного поля определяют не­ обходимость учета широкого круга факторов, влияющих на распределение поля, а следовательно, и выходные характеристики машины. Это возможно при трехмерной постановке задачи, ранее не применявшейся в торцовых конструкциях. Существующие аналитические методы не могут обеспечить точного решения этой задачи.

Для повышения технико-экономических показателей создаваемых электрических машин торцовой конструкции предлагается при их проектировании использовать пакет конечно-элементного анализа ANSYS.

Фрагменты активной части торцового асинхронного двигателя (ТАД), воссозданные в пакете ANSYS WORKBENCH, а также конечно-элементное разбиение

представлены

а) б)

Рис.1. а - трехмерная модель ротора ТАД; б - конечно-элементное разбиение магнитной системы ТАД

94

На рисунке 2 проиллюстрирован анализ распределения магнитного поля в модели одной из катушечных групп фазы обмотки статора, воссозданной в пакете ANSYS. При построении данной модели было допущено одно упрощение: катушечная группа фазы статора имеет прямоугольную форму. В настоящее время ведется работа по созданию трехмерной модели катушечной группы, имеющей форму части кругового кольца или трапецеидальную форму.

r^WMimetrvX'vV::'^xi-:->;^PrntFtei^.A?.g^ytPry/w^/ | (%

Совместно с конечно-элементным моделированием авторами были проведены экспериментальные исследования распределения магнитной индукции в воздушном зазоре ТАД. Распределение нормальной составляющей вектора магнитной индукции в воздушном зазоре исследуемой магнитной системы, полученное экспериментальным путем, показано на рис.3.

Распределение индукции магнитного поля позволяет провести анализ эффективного использования стали магнитопровода и определения зон с сильным насыщением. Наличие зон с крайне низким значением магнитной индукции показывает зоны магнитопровода, которые можно конструктивно убрать, тем самым уменьшить массу двигателя.

Анализ распределения магнитной индукции подтверждает теоретическое заключение о том, что большая часть поля вытесняется к краям полюсного деления, а так же к внутреннему и внешнему краям магнитопровода в радиальном направлении.

Кроме того, при дальнейшем изучении результаты программного моделирования позволят определить зависимости изменения параметров ТАД во времени при моделировании режимов установившегося короткого замыкания, идеального холостого хода и номинального и получить дифференциальные (В, Н) и интегральные характеристики (токи роторной обмотки, момент, силы, действующие на ротор).

При программном подходе к разработке и проектированию новых типов торцовых электрических машин значительно уменьшаются затраты при разработке новых изделий, существенно облегчается и сокращается процесс создания вновь разрабатываемых конструкций электрических машин, а также автоматизированных электромеханических систем на их базе.

Загрядцкий Владимир Иванович, д.т.н., профессор кафедры «Электрооборудование и энергосбережение» Орел ГТУ, заслуженный деятель науки. Тел.(4862) 419830, e-mail: zagr@ostu.ru.

Худотёплов Павел Анатольевич, аспирант кафедры «Электрооборудование и энергосбережение» Орел ГТУ

95