Исследование магнитного поля и расчет параметров пазов статора асинхронной машины

Актуальность темы

В настоящее время ОАО ЭЛСИБ (г. Новосибирск) и другими электромашиностроительными предприятиями России выпускаются электрические машины, особенности конструкции которых требуют существенных уточнений, а в ряде случаев разработки новых методик их электромагнитного расчета, что предопределяет актуальность постановки и решения новых теоретических и научно-исследовательских задач. На современном этапе развития электрических машин, как показывает анализ научно-технической литературы, к содержанию и форме представления результатов решения таких задача предъявляется комплекс требований, в частности:

— на основе современного знания и с использованием современных инструментальных средств отражать электромагнитные процессы;

— обладать наглядностью и возможностью установления связей с традиционными для классической теории электрических машин формами представления аналитических выражений и приемами моделирования;

— достаточно легко состыковываться с другими моделями, которые широко используются при проектировании электрических машин.

Рассмотренная в диссертационной работе задача исследования магнитного поля сформулирована в контексте проблемы совершенствования методов электромагнитного расчета асинхронных машин. Классическая теория электрических машин использует одно из основополагающих понятий «индуктивность пазового рассеяния». При определении этого базового параметра обычно исходят из расчета стационарного одномерного магнитного поля в пазах с допущением об идеализации магнитопровода и с последующим уточнением результатов, учитывающим эффекты искажения поля в областях пазов, прилегающих к воздушному зазору. Во всех случаях энергетическое состояние паза (а следовательно, и индуктивность пазового рассеяния) традиционно характеризуется единственной составляющей энергии магнитного поля, которая определяется путем интегрирования удельной энергии по объему. Представление об энергетическом состоянии паза со сторонними токами может быть расширено и практически использовано за счет введения понятия о составляющих магнитной энергии паза, имеющих наглядный физический смысл. Тема диссертационной работы сформулирована в рамках исследований, проводимых в Новосибирском государственном техническом университете в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ (тема 1.23.97Д).

Цель работы. Математическое моделирование стационарного магнитного поля паза статора асинхронной машины при различных граничных условиях с целью определения и анализа параметров паза — индуктивности, коэффициента магнитной проводимости.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

— исследовать магнитное поле в локальной области активного объема электрической машины «занятая током часть паза — шлицевая зона — воздушный зазор» в пределах зубцового деления статора численным методом и определить приближенные граничные условия для занятой током части паза с целью решения уравнения Пуассона аналитическим методом;

— решить уравнение Пуассона для расчетной модели паза статора аналитическим методом при различных граничных условиях в области шлицевой зоны, на основе которого определить расчетные формулы магнитной энергии, индуктивности, коэффициента магнитной проводимости;

— выбрав в качестве критерия оценки значения магнитной энергии, определенные на основе численного и аналитического методов, установить диапазоны соотношений геометрических размеров расчетных моделей, при которых приближенные аналитические выражения обеспечивают высокую точность количественного определения параметров пазов;

— определить закономерность влияния относительного открытия на коэффициент магнитной проводимости пазов различной конфигурации, обеспечив физически наглядную интерпретацию с помощью картин магнитного поляобеспечить систему компьютерной поддержки электромагнитного расчета, базирующегося на использовании каскадной схемы замещения трехфазного короткозамкнутого асинхронного двигателя, параметры которой учитывают двумерный характер магнитного поля паза статора.

Научная новизна работы.

1. На основе исследования магнитного поля в локальной области активного объема электрической машины «занятая током часть паза — шлицевая зонавоздушный зазор» в пределах зубцового деления статора методом конечных элементов определены допущения, принимаемые при формировании приближенных граничных условий для занятой током части паза при решении уравнения Пуассона аналитическим методом.

2. Получено аналитическое решение уравнения Пуассона для расчетной модели паза статора при различных граничных условиях в области шлицевой зоны, на основе которого определены расчетные формулы магнитной энергии, индуктивности и коэффициента магнитной проводимости.

3. По результатам исследования стационарного магнитного поля аналитическим и численным методами определены условия, при которых приближенные аналитические выражения магнитной энергии обеспечивают высокую точность количественного определения индуктивности и коэффициента магнитной проводимости паза. Исследовано влияние относительного открытия на коэффициент магнитной проводимости пазов различной геометрической формы.

Практическая ценность работы.

1. В функции ряда переменных определены семейства зависимостей, устанавливающих характер распределения касательной и нормальной составляющих, модуля магнитной напряженности по линии разграничения занятой током области паза и шлицевой зонызависимости магнитной энергии занятой током части паза, соответствующие различным граничным условиям.

2. Получены семейства зависимостей коэффициента магнитной проводимости пазов различной геометрической формы, его составляющих и их отношения в функции определяющих факторов. Характерные тенденции зависимостей физически наглядно интерпретированы картинами магнитных полей, представленных в виде линий равного уровня векторного магнитного потенциала и его составляющих.

3. Усовершенствована методика и программное обеспечение электромагнитного расчета трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей, базирующегося на использовании каскадной схемы замещения.

Первая глава содержит краткий обзор и анализ методов исследования электромагнитных процессов электрических машин, характеристику основных конструктивных модификаций трехфазных короткозамкнутых асинхронных двигателей, в ней рассмотрены специфические признаки влияния конструктивных факторов и насыщения магнитопровода на характер распределения магнитного поля в активном объеме асинхронной машины.

Вторая глава содержит результаты исследования стационарного магнитного поля в локальной области активного объема электрической машины «занятая током область паза — шлицевая зона — воздушный зазор» в пределах зубцово-го деления статора методом конечных элементов. Цель численного эксперимента заключается в определении допущений, которые должны быть приняты во внимание при формировании приближенных граничных условий для занятой током части паза при решении уравнения Пуассона аналитическим методом. Она также содержит принципиальную схему и результат аналитического решения уравнения Пуассона для расчетной модели паза при различных граничных условиях в области шлицевой зоны, на основе которого определены расчетные формулы магнитной энергии, индуктивности и коэффициента магнитной проводимости паза.

В третьей главе исследовано влияние характера распределения касательной составляющей напряженности магнитного поля в области шлицевой зоны 7 расчетной модели на значения магнитной энергииисследовано влияние относительной величины открытия на коэффициент магнитной проводимости пазов различной геометрической формыприведены картины магнитных полей в виде линий равного уровня векторного магнитного потенциала и его составляющих.

Четвертая глава посвящена вопросам формирования эквивалентных схем замещения трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателейадаптации полученных во 2-ой и 3-ей главах результатов к методике электромагнитного расчета, базирующегося на использовании каскадных схем замещения. В ней представлены результаты расчета конкретных асинхронных двигателей.