Специальность: 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты.
Одна из главных задач электромеханики - создание таких методов исследования электромеханических систем, которые были бы адекватны современным требованиям, предъявляемых! к преобразователям энергии. Вместе с тем, за последние десятилетия требования эти чрезвычайно ужесточились. Это неизбежное следствие технического прогресса поставило современную электромеханику, если и не в критическое, то во всяком случае, в весьма затруднительное положение. Отсутствие новых методов исследования особенно заметно при создании таких типов электрических машин, в которых неправомерно использование обычных допущений, характерных для классической теории.
Положения классической теории электрических машин часто не обеспечивают той точности описания физических процессов, которая необходима в инженерной практике. Эта проблема всегда была актуальной для электромеханики. Например, в 1972 г. в докладе на сессии общего собрания Академии наук Латвийской ССР [3] известный ученый академик В. В. Апсит говорил о том, что классическая теория электрических машин базируется на теории гладкого якоря, гармоническом анализе МДС обмоток и методе удельной магнитной проводимости. Эти три основных положения определены на основе упрощенной модели, характеризующейся гладким статором и ротором, равномерным зазором и ненасыщенной магнитной системой, и только в этом идеализированном случае вышеназванные положения приводят к правильным результатам.
Известны также и более резкие суждения по этому поводу одного из ос-новоположников электромеханики Б. Хэга, писавшего еще в 1934 г. [94], что теория гармонических МДС является лишь первым приближением в моделировании электрической машины, ведущем к физически неправильному взгляду на истинную природу магнитного поля.
Совершенно очевидно, что решение проблемы может быть получено в два этапа: на первом этапе должна быть решена задача о расчете единого магнитного поля во всем активном объеме машины, второй же этап - это выработка новых допущений и критериев для уточнения существующей классической теории. Эти две задачи тесно связаны между собой и имеют давнюю историю в теории электрических машин.
Как и вся теоретическая электротехника, теория электрических машин с самого начала развивалась в двух направлениях: в основе одного из них лежала теория электрических цепей, в основе другого - теория электромагнитного поля. Причем исторически методы теории цепей начли использоваться для анализа и расчета электрических машин раньше методов теории электромагнитного поля. Объяснить это можно тем, что теория электрических цепей не требовала применения в расчетах уравнений Максвелла и свойственного им специфического математического аппарата.
Одним из ярких достижений первого направления по праву можно считать общую теорию электромеханического преобразования энергии, часто называемую обобщенной или матричной теорией. Последнее подразумевает, что в ее изложении используется математический аппарат дифференциальной геометрии многомерных пространств, тензорного анализа и матричной алгебры.
В обобщенной теории любая электрическая машина рассматривается как совокупность взаимно перемещающихся, связанных магнитно электрических цепей с сосредоточенными параметрами. В допущениях обычно пренебрегают такими физическими явлениями, как насыщение, гистерезис, магнитные потери, высшие гармоники. Это оправдано, если рассматриваются динамические режимы, в особенности, когда электрическая машина работает в сложной электромеханической или энергетической системе.
Ключевым понятием обобщенной теории является так называемая обобщенная электрическая машина [59] - математическая модель электрических машин практически всех типов, ее дифференциальные уравнения и их
координатные преобразования. Дифференциальные уравнения дают более универсальное описание электрических машин, чем алгебраические: они содержат мгновенные значения переменных и справедливы как для переходных, так и для установившихся режимов. Развивая идею обобщенной электрической машины, И. П. Копылов в 1963 г. предложил математическую модель обобщенного электромеханического преобразователя, которая описывается дифференциальными уравнениями для нссинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, при учете любого числа контуров обмоток на статоре и роторе, для симметричных и несимметричных машин с учетом нелинейного изменения их параметров [60].
Значительный вклад в развитие обобщенной теории и ее использование для анализа переходных и установившихся режимов работы электрических машин, устойчивости электромеханических и энергетических систем внесли отечественные исследователи: Д. А. Бут, А. И. Важное, В. А. Веников, И. А. Глебов, А. В. Иванов-Смоленский, И. П. Копылов, Р. А. Лютер, Л. Г. Мамикопяиц, С. В. Страхов, И. И. Трещсв, И. Д. Урусов, Н. Н. Щедрин, Ф. М. Юферов, А. А. Янко-Триницкий и др. [20-25, 28, 38-40,59, 60, 63-65, 88, 91,93,99,103,104].
Второе направление в теоретической электромеханике, основанное на теории электромагнитного поля, появилось на несколько десятилетий позже первого. Так, если первой публикацией по теории электрических машин принято считать работу Э. Арнольда, вышедшую в 1891 г., то одна из первых статей по электромеханике, посвященная расчету поля в асинхронной машине (это была статья И. С. Брука в журнале «Вестник теоретической и экспериментальной электротехники»), появилась лишь в 1928 г. [54], когда уже достаточно глубоко была разработана теория установившихся режимов электрических машин. Однако, начиная с 30-х годов XX в., это направление в теории электрических машин стремительно развивается. Причиной тому не только появление новых математических методов, а в дальнейшем - и появление новой вычислительной техники, но и возросшие требования к электрическим маши
нам. Только глубокое понимание физической природы электромагнитных процессов может стать основой для создания принципиально новых электромеханических устройств. Такое глубокое понимание дает теория электромагнитного поля.
Решающее значение в области приложения теории электромагнитного поля к электромеханике имели труды Л. Р. Неймана, А. И. Вольдска, К. С. Демирчяна, В. В. Апсита, А. В. Иванова-Смоленского, Я. Б. Даниловича, Б. С. Зечихина, В. М. Юринова, Г. А. Сипайлова, О. Н. Веселовского, В. М. Казанского, А. И. Инкина и др. [71-73, 27,101,33, 2, 3,100, 38-40, 31, 96, 36,37,102,84,85,26,56,41-46,51-53].
Современная теория электромагнитного поля физически объясняет все электромагнитные процессы, протекающие в электрических цепях, и служит основой для расчета интегральных параметров цепей. И с этой точки зрения использование теории электромагнитного поля для исследования электрических машин имеет более фундаментальный характер, нежели применение теории цепей, однако в большинстве случаев задачи на основе теории поля намного сложнее задач теории цепей. Именно это обстоятельство определило область применения теории электромагнитного поля: ес использование необходимо тогда, когда перестают работать допущения, введенные на основе теории цепей. Чрезвычайную важность также имеет задача синтеза схем замещения электрических машин на основе расчета электромагнитного поля. В этой задаче пересекается теория поля и теория цепей.
Синтезу схем замещения электрических машин посвящены работы
A. И. Вольдека, В. М. Юринова, В. М. Казанского, Ю. Г. Бухгольца,
B. Н. Родыгина, А. И. Инкина, 3. С. Темляковой, Б. В. Литвинова [27, 102, 56, 45,46,51-53].
Выдающимся достижением в области синтеза схем замещения электрических машин на основе расчета электромагнитного поля является метод зубцовых контуров, разработанный под руководством А. В. Иванова-Смоленского [39,92].
Только на основе теории электромагнитного поля возможно выработать критерии для уточнения и дополнения классической теории электрических машин, поэтому исследования в этой области являются как никогда актуальными в настоящее время.
Большой вклад в разработку теории электромагнитного поля в электромеханике внес А. И. Инкин. Известны его работы, посвященные исследованию электромагнитного поля и синтезу схем замещения явнополюсных и неявнополюсных электрических машин, а также машин с составными активными объемами [26,41-53].
Данная диссертационная работа являет собой развитие идей А. И. Инкина в области аналитического моделирования магнитного поля в активном объеме явнополюсных машин на базе слоистых расчетных моделей. Результатом работы стал новый метод аналитического расчета магнитного поля явнополюсных машин.
Явиополюсные машины - это очень распространенный тип электрических машин. Явнополюсными выполняются крупные тихоходные машины (например, гидрогенераторы), также явнополюсными могут быть машины постоянного тока, коллекторные машины переменного тока и асинхронные машины с фазным ротором [59].
Явнополюсные машины отличает ярко выраженная неравномерность магнитного поля в рабочем объеме. Очевидно, такая неравномерность сказывается на работе машины в целом и затрудняет ее проектирование, так как в случае строгого рассмотрения явнополюсной машины с позиций классической теории к ней нельзя применить исходную гипотезу о синусоидальном распределении на полюсном делении МДС и поля реакции якоря. Как известно, с целью устранения этого противоречия в классической теории электрических машин применяется метод двух реакций, предложенный в 1895 г. А. Блондслем [54], а реальное распределение магнитного поля заменяется синусоидальным. Так как синусоидальное распределение кривой поля более предпочтительно,
реальную кривую стараются приблизить к синусоиде, применяя для этого спе-циальные конструкции полюсов и полюсных наконечников [19, 83].
Все вышесказанное означает, что применительно к явнополюсным электрическим машинам задачу об исследовании магнитного поля следует считать одной из самых насущно необходимых. |
