Определение коэффициентов поля явнополюсной машины
Цель. При индукции B на оси полюса 0.85 Тл определить коэффициенты kf, kPhi, alpha_delta, kd, kq и оценить увеличение требуемой МДС статора вследствие насыщения.
Связь с проектированием. Оценить форму полюсного поля и различие реакций по d/q для последующего расчета синхронного генератора.
Задачи
Откалибровать ток возбуждения по осевой индукции.
Интегрировать полный и основной полюсный потоки.
Сравнить d/q с гладким эталоном при одинаковой первой гармонике МДС.
Разложить МДС на зазор, зубцы иярмо.
Исходные данные и условия опыта
Четыре явных полюса: радиус ротора 60 мм, расточки статора 63 мм, глубина 100 мм. Первичный эталон линейный, \mu _{r}=10000; гладкий ротор для нормировки имеет минимальный зазор 3 мм.
Нелинейный вариант: 36 пазов статора, B(H) M-43 только в статоре. Ротор остается линейным. B_r измеряется на r=61.5 мм; ток возбуждения подбирается для осевой индукции 0.85 Тл.
Осевая индукция и амплитуда первой гармоники различаются: поле у краев полюса и межполюсная область влияют наполный поток. Поэтому коэффициент формы может быть больше единицы.
В авторских определениях kf=B_{\delta}1m/Bδaxis, kPhi=Φpole/Φ1pole, alpha_delta=Bavgpole/Bδaxis. При интегрировании берется одна полюсная дуга−45..45 механических градусов и одна и та же окружность r_{61}.5 мм.
Одна и та же синусоидальная МДС якоря направляется пооси d или q. Межполюсный путь имеет меньшую магнитную проводимость, поэтому первая гармоника реакции q обычно меньше.
Нормировка kd и kq выполняется на гладкий ротор с минимальным зазором 3 мм при той же амплитуде МДС. Это именно коэффициенты авторского опыта, а индуктивности L_d/L_q дополнительно учитывают конкретную нормировку обмотки и потоки рассеяния.
В пазовом варианте только статор имеет B(H)M-43; ротор остается линейным. Интеграл Hdl по замкнутому пути разделен назазор, зубцы иярмо.
При увеличении возбуждения нелинейное сопротивление ярма возрастает и доля падения МДС взазоре уменьшается. Коэффициент kz характеризует выбранный магнитный путь и данный статор, а не универсальную поправку для любых геометрий.
k_z=\frac{F_\delta+F_z+F_a}{F_\delta},\qquad F=\int\mathbf H\cdot d\mathbf l
Путь проходит по осям соседних полюсов через зазор, зубцы и ярмо r_{84} мм.
В свободном от токов линейном зазоре потенциал удовлетворяет уравнению Лапласа. Представление по пространственным гармоникам превращает двумерную задачу в независимые уравнения для каждого порядка. В плоском зазоре появляются экспоненты или гиперболические функции, в кольцевом — степени радиуса.
Коэффициенты определяются по тем же источникам и граничным условиям, что и в конечных элементах. Нулевая гармоника рассматривается отдельно. Плоское приближение проверяют относительно кольцевого при фактическом отношении зазора к радиусу; совпадение на одном радиусе не гарантирует совпадения энергии и момента.
A_k(x,y)=(c_ke^{ky}+d_ke^{-ky})e^{jkx}
Плоская гармоника при k\ne 0; реальные поля получают действительной частью.
A_\nu(r,\theta)=(a_\nu r^\nu+b_\nu r^{-\nu})e^{j\nu\theta},\qquad A_0=a_0+b_0\ln r
Кольцевой линейный зазор; коэффициенты следуют из заданных условий на двух радиусах.
Чётное и нечётное поле: от зубцовой зоны к Картеру
В линейной зубцовой зоне удобно разделить возбуждение поперечным потоком и собственным током паза. Они имеют различную симметрию и различные контрольные величины. Суперпозиция проверяется на поле и на потоке; энергия общего поля включает взаимный член.
Эффективный зазор определяется по интегральному потоку или энергии при явно фиксированной МДС либо фиксированном потоке. Коэффициент Картера связывает реальную зубцовую область с гладкой моделью. Он не служит множителем для любого локального пика B. Конечная проницаемость, ширина раскрытия и сетка варьируются раздельно.
Разность A_z даёт поток на единицу активной длины. После умножения на фактическую длину получают веберы. Потокосцепление реальной обмотки определяется суммой вкладов всех её сторон с их знаками и числами витков; одна контрольная линия потока не заменяет эту сумму при рассеянии.
Сначала выполняют независимое возбуждение цепей. В линейной системе полученные столбцы образуют матрицу индуктивностей. Взаимность проверяет согласованность ориентации сторон и численного извлечения; положительность энергии проверяет физическую допустимость матрицы. При насыщении разделяют секущую и дифференциальную индуктивности.
Электрическая работа при неподвижной геометрии равна интегралу тока по изменению потокосцепления. Если независимой переменной выбран ток, удобнее коэнергия — площадь под зависимостью \Psi (i). Сумма двух площадей равна i\Psi. Это равенство остаётся полезной проверкой при нелинейной, однозначной кривой намагничивания.
Равенство W=W'=i\Psi /2 требует линейности и отсутствия независимого возбуждения в рассматриваемой однопортовой задаче. Для нескольких обмоток энергетическое тождество содержит сумму токов на потокосцепления всех независимых портов. При постоянном возбуждении генератора динамический баланс использует отдельно энергию переменных токов по формуле блока d/q и мощность преобразования. Для насыщенной стали интегрируют фактическую характеристику. Сила определяется частной производной при фиксированных токах, а не производной вдоль нагруженной траектории с меняющимся током.
Полюсные коэффициенты являются отношениями величин, поэтому их смысл зависит от общего контура измерения, геометрии зазора и нормировки возбуждения. Отдельное описание линейного эталона и нелинейного статора задаёт условия последующих сравнений. Такой протокол позволяет отнести различия коэффициентов к форме полюсов или насыщению выбранного участка магнитопровода.
Зафиксируйте геометрию, глубину, число полюсов и нормировку токов.
Для каждого опыта укажите материал, частоту, измеряемый контур и физическую величину результата.
Записать в протокол. параметры модели, RMS/амплитуда, режим и допущения
Осевая индукция задаёт одну точку профиля, тогда как первая гармоника и полный полюсный поток характеризуют распределение поля на всём полюсном делении. Спектральное разложение и интегрирование одного ряда B_r дают величины для разных коэффициентов без смешения их определений. Они связывают форму полюса с основной ЭДС и полным потоком, которые нужны при выборе обмотки и сечений магнитопровода.
Запустите poles/reproduce.py.
По 512 точкам B_r вычислите первую гармонику; интегрируйте полюсный поток и проверьте определения коэффициентов.
Записать в протокол. Baxis, B_{1},Φpole, kf, kPhi, alpha_delta
Одна и та же основная МДС якоря встречает разные магнитные проводимости вдоль полюса и между полюсами. Нормировка обеих реакций на общий гладкий эталон выделяет это различие в коэффициентах d и q. Уточнение токового слоя и проверка большой проницаемости показывают устойчивость коэффициентов перед их использованием в расчёте генератора.
Сравните гладкий ротор, d и q при 10 А амплитуды.
Проверьте изменения при 192 участках и \mu _{r20000}.
Интеграл Hdl по каждому участку показывает, какая часть необходимой МДС расходуется в зазоре, зубцах и ярме при данном уровне возбуждения. С ростом индукции нелинейная сталь требует дополнительной МДС, поэтому сравнение участков выявляет ограничивающее сечение статора. Результат указывает, где в следующем варианте конструкции следует рассматривать изменение сечения и как учитывать насыщение при выборе возбуждения.
Для трех уровней возбуждения интегрируйте Hdl по указанным участкам.
Объясните, какой участок определяет рост необходимой МДС.
Осевая индукция 0.85 Тл; одна полюсная дуга от −45 до 45 механических градусов.
Основная гармоника B_{1}=1.02008125 Тл; kf=B_{1}/0.85=1.20009558.
Полный полюсный поток 0.00651122 Вб и основной 0.00627350 Вб дают kPhi=1,038.
Нормировка на гладкий эталон дает kd=0,9829, kq=0,6549.
Поперечная реакция имеет меньшую магнитную проводимость; при насыщении растет прежде всего требуемая МДС ярма.
Коэффициенты полюсного поля
Величина
Значение
Индукция на оси полюса, Тл
0,85
Основная гармоника B_{1}, Тл
1,02
kf
1,2
kPhi
1,038
alpha_delta
0,793
kd
0,9829
kq
0,6549
Все коэффициенты вычислены на одном контуре и при согласованной нормировке МДС.
Рост МДС при насыщении статора
Масштаб возбуждения
F_{\delta}, А·вит
Fзубцов, А·вит
Fярма, А·вит
kz
1
3280
4,228
788,5
1,242
2
4217
12,79
4011
1,954
3
4859
73,99
7438
2,546
Ротор линейный; рост требуемой МДС определяется прежде всего насыщением ярма статора.
Количественные результаты и их проверка
Заполните таблицу собственными значениями; каждому числу сопоставьте режим и файл решения.
Величина
Единица
Что определяет
Baxis, B_{1}
Тл
Форма поля под полюсом
kf, kPhi, alpha_delta
1
Переход от осевой индукции к основной гармонике и полюсному потоку
kd, kq
1
Различие продольной и поперечной реакции
F_{\delta}, Fz, Fa, kz
А·вит; 1
Необходимая МДС и вклад насыщения магнитной цепи
Уточнение основной гармоники менее 0.2%.
Удвоение большой проницаемости меняет основную гармонику менее 0.5%.
d/q нормируются наодинаковуюМДС и один гладкий эталон.
Итоговый вывод. kf=1.20010, kPhi=1.03789, alpha_delta=0.79296;kd=0.98292, kq=0.65486. kz возрастает от 1.242 до 2.546.
Границы применения результата
Учебная явнополюсная геометрия; не геометрия конкретной промышленной машины.
Нелинейность учитывается в статоре; 2D не включает торцевые потоки, потери стали и нагрев.
Литература
Коэффициенты поля возбуждения явнополюсного генератора. — 5 с.
Продольная и поперечная проводимости явнополюсной машины. — 6 с.
Аналитические методы исследования поля в электрической машине. Общие положения. Раздел 7. — 19 с.
Аналитические методы исследования поля в электрической машине. Метод разделения переменных. Поле в плоском и кольцевом зазоре. Поверхностный ток как источник поверхностного потенциала. Раздел 8. — 33 с.
Магнитное поле в зазоре электрической машины с учётом зубчатости сердечников. Раздел 11. — 54 с.
Hrabovcová V., Rafajdus P., Makyš P. Analysis of Electrical Machines. — London : IntechOpen, 2020. — ISBN 978-1-83880-207-3. — DOI: 10.5772/intechopen.90135. Главы 1–3 распространяются по лицензии CC BY 3.0 [13].
Основные понятия векторной алгебры, используемые при описании электромагнитного поля. Векторный магнитный потенциал. Раздел 3. — 31 с.
Математическое описание электромагнитного поля в электрической машине. Раздел 5. — 15 с.
Магнитные поля в электрических машинах — введение. — 75 с.
Выражение энергии магнитного поля через векторный магнитный потенциал. Раздел 4. — 30 с.