CC BY
94
621.313.13
РАСЧЕТ МАГНИТОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В АКСИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ ИЗМЕЛЬЧАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ПЛАТФОРМЕ ANSOFTMAXWELL
Б.Х. ГАИТОВ, И.Н. АВТАИКИН, A.M. КВОН
Кубанский государственный технологических университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: glubokovodnik@yandex.ru
Рассмотрены основные этапы расчета трехмерного магнитостатического поля в аксиальных асинхронных электродвигателях с массивным ротором на платформе Ansoft Maxwell.
Ключевые слова: асинхронный электродвигатель, аксиальный, дезинтегратор, размельчитель.
Измельчение сыпучих материалов - важный технологический процесс в пищевой промышленности при измельчении и помоле зерна, переработке пищевого сырья, производстве комбикормов. Промышленностью сегодня выпускается широкий ассортимент дезинтеграторов, приводом которых является традиционная радиальная конструкция асинхронного двигателя (АД). Такая компоновка дискового измельчителя с радиальным АД предполагает наличие промежуточного редуктора и соединительной муфты. Это ведет к удорожанию и увеличению массо-габаритных размеров конструкции. В значительной мере решение существующей проблемы может быть реализовано слиянием измельчителя с аксиальным электродвигателем, ротор которого является одновременно рабочим устройством. Такие конструкции принято называть двигателем-машиной аксиального типа с массивным ротором [1, 2]. В России серийный выпуск подобных машин не налажен, а теория расчета недостаточна разработана. С целью анализа работы таких машин наиболее рационально использовать современные математические численные методы совместно с вычислительной техникой.
Магнитные поля в электрической машине протекают в трехмерном пространстве, поэтому в общем случае математические модели должны быть построены на основе решения задачи расчета магнитного поля в трехмерной постановке. В основе анализа магнитных полей в электрических машинах лежат уравнения Максвелла [3]. Нахождение аналитического решения очень трудоемкий процесс, поэтому для решения полевых за-
Рис. 1
дач рационально использовать численные методы, которые успешно реализованы в современных системах автоматизации инженерных расчетов. Одним из наиболее популярных программных продуктов, реализующим численные методы, является система Ansoft Maxwell. Пакет Ansoft Maxwell представляет собой совокупность программных кодов, построенных по методу конечных элементов для решения большого круга инженерных задач [3]. Однако для решения ряда практических проблем электромеханики можно ограничиться полевой моделью электрической машины в нелинейной магнитостатической постановке.
Основные этапы расчета стационарного магнитного поля в электрических машинах:
1. Построение геометрии магнитопровода и обмоток.
2. Ввод свойств материалов.
3. Задание граничных условий.
4. Задание величины тока в обмотках.
5. Генерация сетки конечных элементов и проведение расчета.
6. Визуализация и анализ результатов.
Рассмотрим методику подготовки исходных данных и расчета магнитного поля на примере аксиального асинхронного электродвигателя с массивным ротором (ААД-МР). Так как геометрия аксиальной конструкции имеет форму дисков, то возможность представления ее в 2D виде отсутствует. Поэтому расчет будем проводить в 3D постановке.
Этап 1. Формирование геометрии в Ansoft Maxwell наиболее трудоемкий этап моделирования, не зависящий от возможностей вычислительной техники. От правильного выбора стратегии ее создания зависит полное время прохождения всех этапов, размер модели и точность расчета. По нашему мнению, геометрию ААД-МР целесообразнее осуществлять элементами системной библиотеки RMxprt, включающей набор магнитных цепей и обмоток для достаточно большого перечня электрических машин. На рис. 1 показаны маг-нитопровод статора предполагаемой конфигурации с количеством пазов Z = 12 и двухслойной обмоткой с числом пар полюсовр = 2. В свойствах каждого из приведенных элементов можно изменять параметры. Одними из таких параметров являются величины наружного Core_outer_diameter = 100 мм и внутреннего Core_inner_diameter = 70 мм диаметров ААД-МР. От-
Рис. 2
метим, что в Ansoft Maxwell при создании обмотки нет такого параметра, как количество пазов на полюс и фазу q. Этот параметр учитывается в процессе задания нагрузки в обмотках машины.
В некоторых случаях геометрию машины целесообразнее импортировать из CAD программ или вычерчивать с помощью геометрических примитивов встроенных в Ansoft Maxwell.
Этап 2. Ввод свойств материалов осуществляется с помощью модуля Assign material. Он содержит базу данных свойств различных материалов, в том числе кривые намагничивания электротехнических сталей. Эта база может дополняться и модифицироваться пользователем. Магнитопроводы статора и ротора ААД-МР изготавливаются из электротехнической стали 1010, свойства которой присутствует в исходной базе.
Этап 3. От правильного формирования граничных условий (Boundaries) зависит размерность расчетной области (число расчетных точек и конечных элементов) и возможность получения реального, с физической точки зрения, решения. При трехмерном моделировании наибольшее применение получило граничное условие, применяемое по умолчанию - магнитные силовые линии параллельны границе (Tangential H Field). Для проводников изолированных относительно магнитной цепи применяется условие insulating.
Для описания граничных условий первоначально необходимо ограничить расчетную область с помощью команды Create region. Если для геометрии модели прямоугольная форма ограничивающей области не применима, то, как и для случая ААД-МР, вычерчивают подходящую область, применив к ней свойства материала vacuum.
Этап 4. Для задания магнитодвижущей силы (МДС) в катушках необходимо перейти на Excitations в дереве
б
проекта Project Manager Window, в ниспадающем меню выделить пункт Assign - Current, предварительно выбрав поперечное сечение проводника. В окне Current Excitation необходимо задать амплитуду МДС катушки. Для остальных катушек поступают аналогично, учитывая направление в них токов. Следует отметить, что в Ansoft Maxwell величина Value равнозначна для двух случаев: катушка с числом витков W = 1 и током I = 300 А, катушка с число витков W = 300 и током I = 1 А.
Этап 5. Генерация сетки конечных элементов и проведение расчета состоит из следующих шагов:
Ansoft Maxwell генерирует начальную сеть, которая включает установки аппроксимации;
если требуется уплотнение сетки разбиения, Ansoft Maxwell выполняет это, используя рассчитанные в материале параметры;
задается режим разбиения и степень уплотнения сетки;
используя полученную сетку разбиения, Ansoft Maxwell вычисляет методом конечных элементов электромагнитные поля, которые существуют внутри структуры; тетраэдры в этом режиме имеют меньшие размеры (рис. 2);
Ansoft Maxwell генерирует другое решение, используя уплотненную сетку;
Ansoft Maxwell повторно вычисляет ошибку, и итеративный процесс (решение - анализ ошибок - адаптивное усовершенствование) повторяется, пока критерии сходимости не удовлетворены или не выполнено максимальное число адаптивных проходов.
Чтобы добавить установку на решение проекта необходимо определить тип анализа, настройки анализа и настройки сходимости.
Этап 6. После того как анализ закончен, доступны следующие результаты вычислений:
матрица индуктивностей катушек фаз; осевая сила притяжения ротора к статору; электромагнитный момент относительно оси Z. Ansoft Maxwell предлагает широкий набор инструментов визуализации результатов расчета магнитного поля. Например, распределение магнитной индукции на поверхности и в сечениях ААД-МР можно отразить с помощью контурных зон (рис. 3, а), а распределение магнитного потока в виде силовых линий (рис. 3, б).
Рис. 3
Рис. 4
Численную информацию о величине рассматривае- ЛИТЕрАТурА
мого параметра в точкe, иёи вдоёь какой Либо ЛиНии 1. Пат. 2109568. Дезинтегратор / Б.Х. Гайтов, Л.Е. Копеле-
можно получить в виде графика зависимости (рис. 4). вич л-м- Гайтова и др. // БИПМ. - 27.04.1998.
^ тт л ,гтл 2. Пат. 2124858. Бытовая кофемолка / Б.Х. Гайтов, А.А.
Дёя представленной к°Нструкции ААД-МР, ис- Сапьян, В.А. Пешков и др. // БИПМ. - 20.01.1999. пользуя встроенный калькулятор, можно вычислить 3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники:
магнитный поток через любое сечение, МДС катушки, Элжтр^агатнте поёе. - М.: Высш. шк., 1978. - 231 с.
электрические потери в обмотках. Поступила 04.04.11 г.
CALCULATION OF THE MAGNETOSTATIC FIELD IN AXIAL ELECTRIC MOTORS OF CRUSHING DEVICES ON PLATFORM ANSOFT MAXWELL
B.KH. GAYTOV, I.N. AVTAYKIN, A.M. KVON
Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: glubokovodnik@yandex.ru
The basic stages of calculation of a three-dimensional magnetostatic field in axial asynchronous electric motors with a massive rotor on platform Ansoft Maxwell are considered.
Key words: asynchronous electric motor, axial, disintegrator, crusher.
ДИССЕРТАЦИОННЫЕ РАБОТЫ
Разработка технологии безалкогольных профилактических напитков из дикорастущих плодов, ягод и минеральных вод Республики Северная Осе-тия-Алания: Дис. ... канд. техн. наук (спец. 05.18.01)/
Э.Н. Царахова; КубГТУ. - 10.12.09 г.
Научно обоснована технология конструирования безалкогольных профилактических напитков из растительных компонентов, профилактическое действие которых усиливается слабоминерализованными минеральными водами Республики Северная Осетия-Ала-ния (РСО-Алания).
Разработаны технология и рецептуры новых безалкогольных профилактических напитков из дикорастущих плодов, ягод и минеральных вод РСО-Алания с применением натуральных растительных ингредиентов и консервантов; разработана установка для производства брикетов льда из смеси минеральной воды и натурального сока, полученного из дикорастущих плодов и ягод, позволяющая транспортировать напитки на далекие расстояния; разработана техническая документация «Напитки безалкогольные, профилактические, низкокалорийные из дикорастущих плодов и ягод на минеральной воде».
Опытно-промышленные испытания технологии и рецептур разработанных напитков апробированы в консервном цехе агрофирмы «Казбек» (РСО-Алания). Расчетный экономический эффект составляет 1,4 тыс. р. на 100 дал готовой продукции.
Новизна технических решений подтверждена 3 патентами РФ. Результаты диссертационных исследований рекомендованы к внедрению на безалкогольных предприятиях РСО-Алания и других регионов РФ.
Работа выполнена в соответствии с НТП Минобрнауки РФ «Научные исследования высшей школы по
приоритетным направлениям науки и техники» (№ госрегистрации 01200109253).
Обоснование и разработка технологии курительных изделий повышенной безопасности: Дис. ... канд. техн. наук (спец. 05.18.10) / О.Ю. Каширина; КубГТУ - 24.12.09 г.
Впервые установлено изменение химических характеристик пектинового комплекса табака под влиянием СО2-обработки под высоким давлением при получении объемного табака; установлено повышение активности ферментов табачного сырья, в том числе пектинэстеразы, под влиянием замораживания-размораживания табачного сырья при СО2-обработке, а также снижение содержания никотина в табачном дыме, что позволяет получить курительные изделия повышенной безопасности.
Разработана технология получения объемного ароматизированного табака методом СО2-обработки для производства курительных изделий повышенной безопасности.
Технологические решения апробированы в условиях цеха экстракции ООО «Компания Караван» и на ООО «Армавирская табачная фабрика». Разработан проект технической документации на объемный ароматизированный табак.
Экономический эффект от применения предложенной технологии создания сигарет с заданными показателями безопасности составит 253 тыс. р. в год на 1 т обработанного табака.
Новизна технических решений подтверждена 5 патентами РФ. Результаты исследований рекомендуются к внедрению на предприятиях табачной отрасли РФ и стран СНГ.
Работа выполнена в соответствии с тематическими планами НИР КубГТУ (№ госрегистрации 1.4.06-10).
