Введение

С увеличением единичных мощностей электрических машин, естественно, растут их размеры и одновременно степень использования активных материалов: электротехнической стали и обмоточной меди, т.е. растут удельные энергетические показатели. Это обеспечивается большей концентрацией энергии магнитного поля, что достигается увеличением плотности тока в обмотках и индукции в магнитопроводе. Все это приводит к увеличению потерь энергии, а значит и проблемам отвода тепла. Последний фактор является главным ограничителем роста единичной мощности электрических машин. Один из перспективных путей преодоления его – использование сверхпроводящих обмоток. В этом направлении давно ведутся интенсивные исследования и разработки, но до сих пор широкое практическое применение таких обмоток связано с проблемами технологии и большими затратами.

Ограничением степени использования магнитной системы является насыщение стали. Для электрических машин учет нелинейности кривой намагничивания весьма актуален, так как наличие в них малого воздушного зазора и зубчатости сердечников приводит к сильному насыщению коронок зубцов, т.е. части зубцового слоя, прилегающей к воздушному зазору. Насыщение зубцового слоя возникает даже тогда, когда в целом магнитная система остается практически ненасыщенной. Такое насыщение зубцов оказывает существенное влияние на характер изменения токов в обмотках и электромагнитного момента машины. В связи с этим детальный учет данного явления становится особенно важным.

Успешное решение задач крупного электромашиностроения может быть достигнуто только на основе надежных и доскональных знаний о распределении электромагнитного поля в проектируемых электрических машинах. Однако достоверные знания о распределении электромагнитного поля важны не только в электрических машинах предельно больших мощностей, но и в микромашинах, работающих в различных системах автоматики.

В последнее время начинают появляться “умные”, самонастраивающиеся электрические машины. Такие машины – плод тесного взаимодействия устройств электроники и электромеханики. Для того чтобы правильно и точно управлять такой машиной, необходимо на стадии проектирования с высокой точностью рассчитать ее параметры и характеристики. А это невозможно без расчета электромагнитного поля.

Более того, сложные механизмы в своем большинстве работают в режимах частых пусков, остановов и реверсов. Это утяжеляет работу современных электромашин, приводит к увеличению их тепловых и механических нагрузок. В связи с этим на стадии проектирования таких машин необходимо оценивать не только распределение электромагнитного поля, но и учитывать взаимное влияние объемного распределения электромагнитного поля, тепла и механических деформаций. Это приводит к необходимости решения на ЭВМ объемной взаимосвязанной задачи изменяющихся во времени электромагнитных, тепловых полей и поля механических деформаций. Решение этой задачи, ввиду ее чрезвычайной трудоемкости, остается пока еще проблемой будущего.

Таким образом, чтобы хорошо спроектировать электрическую машину или другое электромеханическое устройство, необходимо знать распределение в ней электромагнитного поля. Особенно это важно при проектировании машин новых нетрадиционных конструкций, для которых накопленный опыт проектирования неприемлем. Ведь для того, чтобы правильно рассчитать геометрию и размеры магнитопровода, выбрать тип обмотки и ее число витков, получить возможно меньшие их массы и возможно больший КПД, необходимо знать поле в машине. Поэтому расчет электромагнитного поля, образованного токами обмоток, представляет собой одну из наиболее важных задач теории электромеханики. Эта задача в простейшем случае состоит в нахождении в поперечном сечении машины распределения индукции магнитного поля по заданным плотностям токов обмоток. В общем виде эта задача может быть решена на основе уравнений Максвелла.

В большинстве случаев аналитическое решение этой системы уравнений оказывается невозможным. Это связано главным образом со сложной формой границ области расчета и с нелинейностью свойств магнитных материалов в зависимости от индукции или напряженности магнитного поля.

В то время, когда вычислительная техника еще не получила такого как сейчас высокого уровня развития, при решении полевых задач принимались серьезные упрощающие допущения, позволяющие получать аналитическое решение, но точность этого решения во многих случаях была недостаточной. Тем не менее, эти решения, скорректированные с помощью эмпирических поправок, позволяли исследователям довольно просто осуществлять анализ работы самых разнообразных электромеханических устройств. В этом состоит основное достоинство аналитических методов расчета.

Наиболее подходящими методами для учета перечисленных выше факторов, а также учета нелинейности ферромагнитных свойств являются численные методы расчета магнитного поля. Численное решение уравнений поля, т.е. расчет поля на ЭВМ с помощью различных вычислительных программ, основанных, например, на методах конечных разностей (МКР), конечных элементов (МКЭ) и других, позволяет практически без каких-либо упрощающих допущений с высокой точностью рассчитать распределение поля в любом электромеханическом устройстве. Для выполнения таких расчетов, конечно, нет необходимости владеть названными численными методами, но это не значит, что выполнить удовлетворительно такой расчет легко. Чтобы получить хороший результат, необходимо правильно выбрать границы расчетной области, задать граничные условия, свойства материалов, оптимально наложить сетку на область расчета.

Все это квалифицированно сможет сделать только специалист по расчетам полей, но простую задачу может решить каждый. Для этого, прежде всего, необходимо изучить правила работы с используемой программой, т.е. освоить ее интерфейс.

Есть очень простые полевые программы с предельно дружественным интерфейсом, освоение которых не представляет большого труда. Это, прежде всего, программы ELCUT и QuickField, а также программа FEMME, учебные версии которых можно свободно найти в интернете. Есть и более серьезные профессиональные программы, например, ANSYS, Flux 2D, Flux 3D, обладающие большими возможностями, но требующие больших усилий по их освоению. Однако, это гораздо меньшие проблемы, чем те, что стояли перед специалистами-электромеханиками на заре развития электронной вычислительной техники.

В данном учебном пособии предлагается для изучения конечно-элементный пакет ELCUT (а также QuickField), разработанный НПКК “ТОР”, г. Санкт-Петербург. Данный пакет имеет хорошо развитый и простой в освоении интерфейс, высокое быстродействие, практически не зависящее от числа узлов расчетной сетки, а также разнообразные постпроцессорные средства, позволяющие выполнять детальный анализ полученных результатов. Число узлов расчетной сетки полной версии программы может быть достаточно большим и ограничивается только размером оперативной памяти компьютера.