Генератор с постоянными магнитами от конструкции ротора до ЭДС и нагрузочного напряжения
Цель. Определить число витков по требуемой основной гармонике ЭДС, исследовать спектр ЭДС и зубцовый момент. Построить нагрузочную характеристику по основной гармонике и оценить рабочее состояние магнитов в заданной выборке точек.
Связь с проектированием. Изменением размеров и расположения магнитов выбирают напряжение на заданной скорости и ограничивают пульсации, ток и риск размагничивания. Геометрическая возможность заменить ротор ещё не подтверждает пригодность всей машины.
Задачи
Проверить геометрию статора, PM-ротора и обмоточную таблицу; согласовать материал и радиальное направление намагничивания.
Выполнить угловую серию холостого хода, получить потокосцепление, ЭДС и гармоники.
Разделить зубцовый и нагрузочный моменты и проверить сходимость углового прохода.
Получить согласованный нагрузочный режим и проверить напряжение и энергетические знаки.
Исходные данные и условия опыта
Используйте модель генератора с постоянными магнитами на основе статора 4 А. Задайте размеры ротора, воздушный зазор, полюсное перекрытие магнитов и обмоточную таблицу статора.
Зафиксируйте число пар полюсов, активную длину, температуру и характеристику магнита, схему обмотки, скорость и определения положительного угла и напряжения. При ХХ токи статора равны нулю.
Поле в отдельных положениях решается магнитостатически. ЭДС от вращения восстанавливается по производной потокосцепления; напряжение неподвижной цепи само по себе её не содержит.
Исходная задача задаётся характеристикой устройства: напряжением, моментом, силой, потерями либо параметром схемы замещения. Поле является промежуточным результатом. Сначала выбирают контрольную величину и нормировку, затем физическую область, источник и граничные условия; только после этого — геометрию и сетку.
Один и тот же рисунок поля может соответствовать разным активным длинам и числам витков. Поэтому каждое сравнение сопровождается единицами, направлением обхода и указанием, являются ли ток и напряжение амплитудными, действующими либо мгновенными. Простой аналитический предел проверяет масштаб результата до расчёта сложного устройства.
В магнитоквазистатической постановке закон полного тока связывает поле с заданным током, а отсутствие магнитных зарядов требует непрерывности нормального магнитного потока. В плоской модели эти условия удобно выполнить через единственную составляющую векторного потенциала A_z. Скалярная магнитная проницаемость либо нелинейная зависимость H(B) замыкает систему.
На границе материалов сохраняется нормальная составляющая B; тангенциальная H непрерывна при отсутствии поверхностного свободного тока. Внешняя граница и симметрия являются физическими условиями задачи. Их изменение проверяется отдельно от уменьшения конечных элементов: сходимость внутри неверной области не устраняет ошибку постановки.
Параметрическая серия и независимые оси погрешности
Автоматизация сохраняет одинаковую последовательность построения, решения и извлечения для каждого набора параметров. Перед серией фиксируют единицы, признаки материалов и обмоток, точку измерения и требуемую характеристику. Программа должна повторно открывать сохранённую модель, чтобы расчёт относился к записанному варианту.
Изменение сетки, внешней границы, углового шага, числа гармоник и шага времени отвечает на разные вопросы. Сначала получают ряд по одной оси при фиксированных остальных условиях, затем проверяют независимый аналитический или энергетический критерий. Скрипт переносит методику в серию; сам по себе он не заменяет физического обоснования.
Обмоточная функция и восстановление ЭДС двумя способами
Пространственная гармоника поля и обмоточная функция совместно определяют потокосцепление. Знаки, число витков и шаг катушек берутся из фактической обмоточной таблицы. Для распределённой обмотки основной коэффициент показывает одновременно снижение основной ЭДС и подавление выбранных высших гармоник.
Первый путь вычисления ЭДС использует основную гармонику B и эффективное число витков. Второй непосредственно обрабатывает потокосцепление реальной обмотки. Для искажённого профиля требуется полный угловой ряд; две проекции восстанавливают лишь предполагаемый синусоидальный вектор. Сравнение двух путей отделяет ошибку описания обмотки от ошибки извлечения поля.
Задание токов в геометрии определяет один полевой режим. Питание от напряжения и работа на нагрузку требуют отдельного выполнения уравнений выводов. В линейной гармонической модели напряжение содержит сопротивление меди и производную потокосцепления; фазорная невязка проверяется для каждой обмотки.
Сопротивления рассчитывают по полной длине проводника и температуре. Лобовые части, кольца ротора и добавочные внешние индуктивности, отсутствующие в плоском сечении, входят в схему отдельными элементами. В насыщенном режиме потокосцепление зависит от состояния, и постоянная матрица L становится локальным приближением.
Сила на заданном токе вычисляется объёмным интегралом J\times B. Для тела с намагниченным материалом удобен интеграл магнитных напряжений по окружающему воздуху. Производная коэнергии при фиксированном токе даёт третий способ, использующий соседние положения геометрии.
Каждый способ имеет собственный численный контроль: разрешение проводящей области, сетку и расположение воздушного контура либо шаг угловой/линейной производной. Расхождение методов сначала относят к этим контролям, а не к изменению свойств материала. Локальное напряжение у острого угла не является устойчивой характеристикой, тогда как суммарная сила может сходиться.
Две оси и энергетически согласованная динамическая модель
После преобразования трёх фаз в две вращающиеся оси производная базиса добавляет перекрёстные скоростные слагаемые. Здесь выбрано амплитудно-инвариантное преобразование: токи d/q имеют размер амплитуды, а мощность содержит множитель 3/2. Положительный ток направлен в статор.
У генератора с резистивной нагрузкой напряжение выводов равно минус сопротивление нагрузки, умноженное на ток с принятой ориентацией. Полевые L_d, L_q и потокосцепление возбуждения задают линейную редуцированную модель. Внешний привод поддерживает скорость; его мощность обязана покрывать мощность нагрузки, потери меди и изменение энергии поля. Так проверяется физический смысл временного интегрирования, а не только совпадение конечной точки.
Генератор с постоянными магнитами: выбор числа витков
Четыре полюса; активная длина 130 мм; воздушный зазор 0,3 мм. Холостой ход при 1500 об/мин, основная частота 50 Гц. Цель — основная фазная ЭДС 220 В действующего значения.
Форма фазной и линейной ЭДС при выбранной обмотке; выбор 24 витков на катушку по основной фазной ЭДС при 1500 об/мин. Открыть графикРезультаты расчёта
Величина
Результат
Единица
Витки одной катушки
24
1
Последовательные витки фазы
144
1
Фаза A · основная ЭДС
221
В
Фаза A · THD, гармоники 2–23
11,47
%
Фаза B · основная ЭДС
221
В
Фаза B · THD, гармоники 2–23
11,47
%
Фаза C · основная ЭДС
221
В
Фаза C · THD, гармоники 2–23
11,48
%
Линейная ЭДС A–B, основная гармоника
382,7
В
Линейный THD A–B, гармоники 2–23
5,518
%
Зубцовый момент PM-генератора
Четыре полюса, 36 пазов; зазор 0,3 мм; активная длина 130 мм; нулевые токи фаз. Период 10^\circ механических. Две сетки и независимая проверка углового шага.
Зависимость зубцового момента от угла на 10-градусном периоде; две сетки показаны отдельно. Открыть графикРезультаты расчёта
Величина
Результат
Единица
Средний момент за период
-0,04008
Н·м
Размах момента
10,05
Н·м
Амплитуда36-й гармоники
2,895
Н·м
Изменение гармоники при уточнении сетки
0,3002
%
Изменение гармоники при уточнении угла
0,02088
%
Частота зубцовой составляющей при1500об/мин
900
Гц
PM-генератор: внешняя характеристика и поле в магнитах
Нелинейный магнитопровод M-43; 1500 об/мин; 24 витка катушки. Синусоидальные токи согласованы с основной гармоникой активной нагрузки; Rф=1 Ом задано отдельно. B\parallel и Hrec определяются в 180 внутренних точках каждого положения; это выборочная оценка обратимой рабочей области.
Основная гармоника внешней характеристики и выборочная рабочая область магнитов. Для каждого угла показан минимум Hrec по 180 внутреннимточкам. Открыть графикРезультаты расчёта
Величина
Результат
Единица
Фазное напряжение при100Ом
218,7
В
Фазный ток при100Ом
2,188
А
Мощность нагрузки
1436
Вт
Средняя нагрузочная составляющая момента
-9,302
Н·м
Изменение момента24→48положений
0,7746
%
Минимум Hrec среди контрольных точек
-427,4
кА/м
Последовательное решение
1 · Конструкция и рабочая точка магнита
Замена ротора изменяет источник поля и механическую конструкцию; материал и вектор намагниченности должны соответствовать каждому полюсу.
Составьте эскиз статора, зазора и PM-ротора. Согласуйте число магнитных полюсов с обмоткой статора.
Задайте марку или оговорённый учебный материал, температуру и согласованные параметры возвратной ветви. В линейном приближении B_r=\mu _{0}\mu_{\text{возв}}H_c: эти три величины не независимы; FEMM задаёт проницаемость и H_c. Для радиальной ориентации проверяйте угол намагниченности по положению каждого магнита.
Проверьте сетку зазора, целостность областей и независимость группы ротора от статора. Русские имена и числовые группы внесите в протокол.
Записать в протокол. Геометрия PM-ротора, материал, температура, направления полюсов и условие механического движения.
Производная усиливает высшие гармоники; малый гармонический поток может дать заметное искажение напряжения.
Вычислите производную потокосцепления по механическому углу в радианах и умножьте на механическую скорость с выбранным знаком Фарадея.
Для каждой гармоники используйте соответствующую кратность электрической частоты. Рассчитайте фазное и линейное напряжения по схеме соединения, не применяя √3 к произвольному несинусоидальному профилю.
Укажите основную ЭДС, действующее значение полного профиля и THD в объявленной полосе. Сравните удвоенный угловой шаг и его половину.
По выбранному фазному напряжению получите число последовательных витков N^\star=N_0E_{\mathrm{треб}}/E_0 для той же геометрии и режима ХХ. Округлите до числа, совместимого с катушками и параллельными ветвями. Задайте новую обмотку и повторно проверьте ЭДС, заполнение паза и сопротивление; напряжение под нагрузкой найдите на следующем этапе.
Безтоковое взаимодействие магнитов с пазами и момент при нагрузке — разные характеристики.
Отдельно получите момент холостого хода при нулевых токах: выполните работу «Зубцовый момент» на периоде 10^\circ.
Для нагрузки используйте согласованную сериюосновной гармоники. Из полного момента вычтите парный момент холостого хода при тех же положениях.
Сопоставьте нагрузочную составляющую с электрической мощностью и сравните 24/48 положений. Сходимость зубцового момента по сетке и углу рассматривается отдельно.
Записать в протокол. Mзубц(\theta), M_{\text{наг}} (\theta ), среднее и размах; сеточные и угловые изменения.
5 · Внешняя характеристика и пригодность конструкции
Заданные токи дают поле рабочей точки; потребитель требует согласования токов с напряжением и нагрузкой.
Зафиксируйте 1500 об/мин, Rф=1 Ом и характеристики материалов. Выполните новую серию нагрузок 400, 200, 100 Ом на фазу со встроенной программой работы «Нагрузка PM-генератора».
По усреднённым потокосцеплениям d/q согласуйте обе компоненты u+Rнi для основной гармоники. Постройте Uф(Iф), Pнаг и среднюю токовую составляющую момента.
Исследуйте 180 внутренних точек каждого положения. Найдите диапазоны B\parallel и Hrec и координаты наихудшей найденной точки; окончательный вывод о размагничивании требует характеристики Hk(T) реального материала.
Цель — ЭДС основной гармоники фазы 220 В при 1500 об/мин, 4 полюса, соединение Y.
Выбраны 24 витка катушки и 144 витка фазы. Среднее значение основной фазной ЭДС по трём фазам составляет 220,972 В.
При 100 Ом/фазу получены Iф=2,18776 А, Uф=218,734 В иPнаг=1435,89 Вт.
Полевая нагрузочная составляющая момента −9,30212 Н·м; её 24/48 угловая проверка изменяет среднее на 0,774638%.
ХХ, зубцовый момент и нагрузка имеют отдельные расчётные серии и проверки. Нагрузка согласована по основной гармонике; поле магнитов исследовано выборочно.
Согласованные нагрузки основной гармоники
Rн, Ом/фазу
Iф, А
Uф, В
Pнаг, Вт
Tнаг, Н·м
B∥min, Тл
Hrec, min, кА/м
400
0,5511
220,4
364,4
-2,349
0,6334
-419,9
200
1,099
219,9
725,2
-4,681
0,631
-421,8
100
2,188
218,7
1436
-9,302
0,6236
-427,4
Электрические значения действующие. Поле — минимум среди 180 внутренних точек на каждом положении, не минимум всей области магнита. Момент — средняя токовая добавка относительно парных полей ХХ.
Количественные результаты и их проверка
Заполните таблицу собственными значениями; каждому числу сопоставьте режим и файл решения.
Величина
Единица
Что определяет
\Psi \nu и E\nu
Вб, В
Потребное число витков и напряжение при скорости
THD и фазовый баланс
%, {}^\circ
Форма напряжения и симметрия
Средний момент и пульсации
Н·м, %
Нагрузка привода и плавность вращения
U(I), P и коэффициент мощности
В, Вт, 1
Работа на выбранного потребителя
H вдоль намагниченности
А/м
Выборочная рабочая область магнита; данные для сопоставления с температурной характеристикой Hk(T)
Проверьте период и трёхфазные сдвиги; производная должна использовать радианы, а электрический угол — число пар полюсов.
Сравните ЭДС по ДПФ потокосцепления и по согласованной численной производной. Используйте одинаковые периоды и нормировки.
Разделите сходимость ЭДС, зубцового и нагрузочного моментов: хорошая сходимость одного не подтверждает остальные.
Проверяйте уравнения внешней цепи и энергетические знаки; токовая карта с произвольным фазовым углом не является автоматически рабочей точкой генератора.
Итоговый вывод. Укажите, достигается ли требуемое напряжение при заданной скорости, какие пульсации и нагрузочные ограничения получены и какие конструктивные расчёты остаются до применения устройства.
Границы применения результата
Для PM-ротора регулируемыми проектными величинами являются геометрия и материал магнитов, число витков и скорость; ток возбуждения отсутствует.
Механическое удержание магнитов, вихретоковый нагрев и торцевые эффекты рассчитываются отдельно.
Критерий необратимого размагничивания использует температурную характеристику материала и составляющую H вдоль намагниченности.
Литература
Моделирование синхронного генератора с постоянными магнитами : задание 5. — 5 с.
Магнитные поля в электрических машинах — введение. — 75 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].
Введение. — 13 с.
Простейшая электрическая машина. Раздел 1. — 30 с.
Рымша В. В., Процына З. П., Якимец А. М. Расчёт магнитных систем электромагнитов классическим и численным методом : методические указания. — Одесса : ОНПУ, 2010. — 48 с.
Уравнения Максвелла. Раздел 2. — 20 с.
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.
Составление скриптов на языке Lua. — 30 с.
Выражение энергии магнитного поля через векторный магнитный потенциал. Раздел 4. — 30 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.
Иванов-Смоленский А. В., Гончаров В. И., Тейн Наинг Тун. Применение конечно-элементных моделей при учебном проектировании синхронных машин. — 14 с.
Электромагнитный момент и силы тяжения. Раздел 6. — 6 с.
Электромагнитные силы в магнитном поле. Раздел 12. — 15 с.