FEMM 5

Часть V · Электрические машины → § 23 · Асинхронные машины

Занятие 23.3

Роторные токи, вытеснение тока и параметры схемы

Цель и задачи

Цель. Оценить вытеснение роторного тока и изменение параметров схемы.

Задачи

  • Оценить глубину проникновения и изменить сетку проводника.
  • Понять происхождение частотно-зависимого сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора с глубокими пазами.
Что нужно вспомнить перед началом

Если одно из понятий незнакомо, вернитесь к предыдущему занятию и воспроизведите его численный пример. После этого переходите к новой постановке.

Место занятия в инженерной методике

Расчётная лабораторная работа · Извлечение параметров ротора и восстановление рабочей характеристики

Инженерный вопрос. Остаётся ли распределение тока одинаковым на двух частотах?

Частотный отклик ротора позволяет определить параметры схемы замещения и затем обосновать момент, потери и рабочую точку по скольжению. Это связывает сечение машины с её механической характеристикой.

Лабораторная работа:

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

Результат получают из наблюдаемых величин и проверяют в условиях данного практикума.

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Обоснуйте связь частоты неподвижного гармонического опыта со скольжением; укажите учёт активной длины, лобовых частей и колец.

  2. Глубина проникновения поля в алюминиевый стержень. Проследите переход от полевого отклика к параметрам схемы замещения и мощности воздушного зазора.

  3. Короткозамкнутая обмотка ротора на двух частотах. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Снимите профиль роторного тока, потери и извлечённые параметры обеих частот.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Сопоставьте частотные точки и режимы с одной принятой схемой замещения; проверьте скольжение и мощность.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Сопоставление профилей и параметров с объяснением скин-эффекта.

Данные именно этого опыта. Снимите профиль роторного тока, потери и извлечённые параметры обеих частот.

Оформление наблюдений. Частота ротора, токи и потери, извлечённые параметры и допущения схемы; при рабочем режиме — скольжение, момент и мощности.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Проверьте интегральные потери, суммарный ток и сеточную чувствительность. Малое совпадение одного профиля не доказывает точность всей клетки.

Независимый контроль. Проверьте параметры на частотах вне определения и энергетическими соотношениями. Условия ХХ, заторможенного ротора и нагрузки проверяйте отдельно.

Критерий выполнения. Проводимость и температура указаны, отсутствует утверждение о вычисленной температуре; сетка проверена по интегральной величине, кольца учтены отдельным основанным параметром.

Точность и расхождения. Отделите ошибку подгонки от ошибки независимого прогноза. Изменение сетки проводящего ротора и неопределённость торцевых сопротивлений не должны скрываться в одном проценте.

Основание сравнения. Используйте частоту ротора, скольжение и энергетические соотношения из занятия. Серия неподвижных гармонических решений требует отдельного обоснования связи с вращающейся машиной.

Вывод для устройства

Поясните, пригодны ли параметры для требуемого диапазона скольжения и что необходимо добавить для прогноза пускового или нагрузочного режима двигателя.

Границы вывода. Неподвижное гармоническое решение само не выполняет вращение и не является опытом пуска. Связь со скольжением, кольцами и лобовыми частями задаётся и проверяется в модели машины.

Дополнительный расчётный метод

Задание 4. Основная ЭДС и намагничивающий параметр асинхронного двигателя

Протокол и таблица пазов определяют возбуждение; пространственный спектр поля и энергетические интегралы дают две сопоставимые оценки индуктивного параметра.

Лабораторные работы по методу: Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле

Получаемые величины. Bp, Eф 1, Eline1; AJ/(3 I_{\mathrm{RMS}}^{2}); f2=s f1; после отдельной AC-серии R'2(f2), L_{\sigma}(f2), T(s)

Страницы источника. PDF1–11; протокол 1; геометрия 2; токи 3–5; поле/FFT7–9; AJ10

Литература по методу

Магнитные поля в электрических машинах — введение (файл Гончарова)

Теория связывает поле с потоком, коэффициентами формы и реакции якоря, рабочей точкой генератора и частотной постановкой асинхронной машины. Каждый переход заканчивается вычисляемым параметром.

Лабораторные работы по методу: Трансформатор от потокосцеплений до схемы замещения и нагрузочной характеристики; Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Генератор с постоянными магнитами от конструкции ротора до ЭДС и нагрузочного напряжения; Выбор обмотки и расчет момента в кольцевом зазоре; Определение коэффициентов поля явнополюсной машины; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле; Синхронный генератор: от полевых параметров к внешней и угловой характеристикам; Потери массивного ротора: частота, гармоники и магнитное смещение; Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении; Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия; Замкнутый стальной виток: проникновение поля, сопротивление и потери; Контрольный опыт: от условия задачи к инженерному выводу; Измерительная рамка: от поля провода к ЭДС; От магнитной цепи к карте \Psi (i,\theta ) и моменту SRM; Зубцовый момент: пусковая помеха и спектр PM-генератора; Нагрузка PM-генератора и рабочая область магнитов

Получаемые величины. \Phi =\Delta Az·depth, B=\Delta Az/\Delta n; L, M; Bp и ошибка обратного восстановления; kf, k_{\Phi}, kd, kq; E0(If), Xd, Xq, U, I,\varphi,\delta; Jротора(f2), T(s), отличие дефектного ротора

Страницы источника. PDF1–75; A_z/поле 1–16; L_{17}–20; FFT20–29; синхронные 30–60; AD60–74

Литература по методу

Hrabovcová, Rafajdus, Makyš. Analysis of Electrical Machines (2020)

Расчёт сопротивлений и индуктивностей по геометрии, уравнения электрических машин в фазных и d/qкоординатах, энергетический метод силы и момента, полевые опыты трансформатора, АД, синхронных и реактивных преобразователей. Параметры поля связываются с напряжением, мощностью и динамикой при явных допущениях модели.

Лабораторные работы по методу: Трансформатор от потокосцеплений до схемы замещения и нагрузочной характеристики; Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Генератор с постоянными магнитами от конструкции ротора до ЭДС и нагрузочного напряжения; Выбор обмотки и расчет момента в кольцевом зазоре; Определение коэффициентов поля явнополюсной машины; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле; Синхронный генератор: от полевых параметров к внешней и угловой характеристикам; Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник; Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении; Сила в пазу: нагрузка меди, стенок и выбор глубины проводника; Опыт Эрстеда: момент стрелки, эквивалентный ток и движение; От магнитной цепи к карте \Psi (i,\theta ) и моменту SRM; Зубцовый момент: пусковая помеха и спектр PM-генератора; Нагрузка PM-генератора и рабочая область магнитов

Получаемые величины. F(g), L(I, g); параметры трансформатора; R'2, L_{\sigma}, T(s); E_{0}, Xd, Xq; ΨPM, Tcog; \Psi (I,\theta ), W'(I,\theta ), T

Страницы источника. PDF21–38: параметры по геометрии; PDF39–120: общая теория, d/q и динамические уравнения; PDF130–136: электромагнит; PDF137–146: трансформатор; PDF147–163: асинхронная машина; PDF164–183: синхронные/PM; PDF184–189: SRM

Литература по методу

Влияние раскрытия пазов на гармоники воздушного зазора

Сравнение гладкого и зубчатого зазоров показывает, как раскрытие пазов изменяет величину и фазу каждой гармоники, отдельно от влияния насыщения.

Лабораторные работы по методу: Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник

Получаемые величины. C\nu = комплексный B\nu, slot/комплексный B\nu, smooth; B_{1} и высшие пространственные гармоники; ошибка аналитической оценки и чувствительность к B(H)

  1. Рассчитываем гладкий зазор с бесконечно узкими пазами и заданной схемой токов.
  2. Воспроизводим реальное раскрытие при тех же токах и граничных условиях.
  3. Находим C\nu по комплексным коэффициентам двух спектров, сохраняя общий угловой ноль и фазу; сравниваем с аналитикой.
  4. Отдельно вводим нелинейную сталь и проверяем сетку.
C_\nu=\frac{\widetilde B_{\nu,\mathrm{паз}}}{\widetilde B_{\nu,\mathrm{глад}}}
Оба комплексных коэффициента берутся при одном начале углов, направлении обхода и нормировке ряда Фурье.
Численный пример применения метода

Для одной гармоники задано: B̃глад=0,020∠30°Тл и B̃паз=0,016∠150°Тл. Это согласованные синтетические спектральные данные для проверки обработки.

  1. Делим модули:0{,}016/0{,}020=0{,}8.
  2. Вычитаем аргументы:150^\circ -30^\circ =120^\circ.
  3. Переходим к декартовой форме:C\nu =-0.400000+j0.692820.

Ответ. C\nu =0{,}8∠120^\circ =-0{,}400000+j0{,}692820. Запись только 0,8 скрыла бы поворот фазы 120^\circ, важный при суммировании гармоник.

Страницы источника. PDF 1: допущения; 2–4: расчётные выражения; 5–6: парные модели; 7: первичная литература

Литература по методу

Проводимость рассеяния по коронкам зубцов

Проводимость зоны коронок позволяет оценить вклад раскрытия паза в рассеяние, параметры короткого замыкания и пусковой ток.

Лабораторные работы по методу: Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении

Получаемые величины. Φкоронок; Λкоронок и безразмерная λкоронок; отклонение от двух аналитических формул

  1. Выделяем поток зоны коронок из полного потока шлица при фиксированном пазовом токе.
  2. Вычитаем вклад условно равномерного участка шлица.
  3. Варьируем глубину шлица и отношение раскрытие/зазор.
  4. Сравниваем формулы и FEM на трёх сетках; объясняем область применимости формулы.

Страницы источника. PDF 1: определение; 2–3: формулы и численные примеры; 4: геометрическая чувствительность; 5: программа

Литература по методу

Асинхронный двигатель: от схемы замещения к проверке поля и момента

Согласование схемы замещения и полевого расчёта позволяет проверить токи, магнитные оси, момент и баланс мощности асинхронного двигателя.

Лабораторные работы по методу: Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле

Получаемые величины. I1, I2, фазовые углы и пазовые токи; B_{\delta}1, B зубцов, B ярма; T, P\delta, P мех; ошибки эквивалентного гладкого зазора

  1. Проверяем переход от Г- к Т-образной схеме и базовые единицы.
  2. Восстанавливаем мгновенные токи статора и ротора при выбранном скольжении.
  3. Согласуем магнитные оси отдельными расчётами; получаем нагрузочный режим.
  4. Сравниваем подробную геометрию с гладкой при \delta, k\delta \delta и k\delta k\mu \delta.
  5. Проверяем активную длину, заполнение, кольца, лобовые части и потери перед выводом о мощности на валу.

Страницы источника. PDF 1–10: схема; 11–18: токи и оси; 19–20: мощность; 20–26: упрощённые модели; 26–29: программа и входы; 30–34: Lua

Литература по методу

Чётное и нечётное поля паза: Картер и разностная проводимость

Разложение на чётное и нечётное поля объясняет, как паз одновременно изменяет главный поток и создаёт рассеяние.

Лабораторные работы по методу: Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник; Сила в пазу: нагрузка меди, стенок и выбор глубины проводника

Получаемые величины. \beta _s(x), \beta _c(x); поток полузубцового деления; разностная проводимость \theta; коэффициент Картера k\delta

  1. При одинаковой геометрии решить нечётное поле тока паза.
  2. Заменяем распределённый ток тонким слоем, сохранив полный ток.
  3. Рассчитываем чётное поле с согласованной опорной индукцией.
  4. Вычисляем проводимость и k\delta, сопоставляем с аналитическим эталоном.

Страницы источника. PDF 1: смысл разложения; 2–3: варианты, интегралы, k\delta и проверка

Литература по методу

Нечётное поле паза как аналитический эталон рассеяния

Нечётное поле служит эталоном собственного потока паза и позволяет проверить точность расчёта рассеяния в зоне раскрытия.

Лабораторные работы по методу: Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник

Получаемые величины. A и \Phi в сходственных точках/участках; H в заданной точке; ошибка усечения области и сетки

  1. Строим глубокий паз с сохранённым полным током.
  2. Вычисляем отображённые координаты и локально сгущённую сетку.
  3. Сравниваем потенциалы, потоки и H с аналитикой.
  4. Проверяем влияние глубины паза, ширины зубца и удалённой границы.

Страницы источника. PDF 1–3: постановка и формула; 4–7: модели и сохранение величин; 7–8: программа

Литература по методу

Транспонированный стержень: выбор числа элементарных проводов

Сравнение массивного и составного стержней позволяет выбрать число элементарных проводов по потерям и коэффициенту увеличения сопротивления.

Лабораторные работы по методу: Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия

Получаемые величины. Rac/Rdc; Z стержня и P меди; J(y); влияние числа элементарных проводов и температуры

  1. Задаём геометрию меди и изоляции, \sigma при 120°C, частоту и явное peak/RMS соглашение.
  2. Для идеальной транспозиции наложить равенство токов: I э=I ст/(2n).
  3. Сопоставляем поля массивного и составного стержней при одном полном токе.
  4. Вычисляем потери и сопротивление, проверяем аналитикой и сеткой по skin-depth.
\begin{aligned}N&=2n,\\\widehat I_{\mathrm{эл}}&=\frac{\widehat I_{\mathrm{ст}}}{N},\\I_{\mathrm{эл,rms}}&=\frac{\widehat I_{\mathrm{эл}}}{\sqrt{2}}.\end{aligned}
При идеальной транспозиции каждый из N элементарных параллельных проводов несёт одинаковый ток. В 2D условие равенства можно задавать Series-цепью с током одного элементарного провода.
Численный пример применения метода

Синусоидальный ток стержня имеет амплитуду 6000 А. По высоте 24 провода, по ширине 2; идеальная транспозиция. Для отдельной проверки DC-потерь сопротивление каждого провода задано равным 2 мОм.

  1. Получаем N=2\cdot 24=48 проводов.
  2. Амплитуда тока каждого провода 6000/48=125.000 А.
  3. Действующий ток каждого провода 88.388 А; сумма равных мгновенных токов восстанавливает полный ток.
  4. Потери отдельных проводов: P=NI_{\text{эл,д}}^2R_{\text{эл}}=750\,\text{Вт}.
  5. Проверка по эквивалентной цепи: P=I_{\text{ст,д}}^2(R_{\text{эл}}/N)=750\,\text{Вт}.

Ответ. В FEMM-условие равных токов передаём 125 А на элемент при амплитудной нормировке. Полный ток остаётся 6000 А; вычисленные DC-потери 750 Вт служат отдельным аналитическим эталоном.

Страницы источника. PDF 1: физика; 2–3: цепь и расчётные соотношения; 4–5: измерения и варианты

Литература по методу

Расчёты вихревых полей в электромеханике

Аналитические коэффициенты вытеснения проверяют сопротивление прямоугольного стержня. По результатам выбирают дробление, транспозицию и форму проводника с учётом ограничений конструкции.

Лабораторные работы по методу: Потери массивного ротора: частота, гармоники и магнитное смещение; Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия

Получаемые величины. kR и kX; плотность тока по высоте паза; потери в проводнике; сила в проводящей среде при оговорённой модели

  1. Задать прямоугольный стержень и режим, сопоставимый с аналитическим.
  2. Получить напряжение, фазу, ток и мощность.
  3. Восстановить Rас и индуктивную составляющую; сравнить коэффициенты со слабополевым пределом.
  4. Изменить форму клетки или разбивку проводников при одном токе и частоте.
  5. Объяснить, какие изменения нужны для вращающегося двигателя или движущейся среды.

Страницы источника. PDF 1–8 полностью: 1–3 транспозиция и добавочные потери; 3–6 клетка и вытеснение; 6–8 перемешиватель и источник расчётов.

Литература по методу

Разделение переменных: поле плоского и кольцевого зазора

Затухание пространственных гармоник зависит от ширины зазора и радиусов. Расчёт связывает геометрию машины с полезной основной гармоникой и подавлением высших.

Лабораторные работы по методу: Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Генератор с постоянными магнитами от конструкции ротора до ЭДС и нагрузочного напряжения; Выбор обмотки и расчет момента в кольцевом зазоре; Определение коэффициентов поля явнополюсной машины; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле; Синхронный генератор: от полевых параметров к внешней и угловой характеристикам; Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник; Аналогии полей: проводимость, дуальная сеть и диффузия

Получаемые величины. B\nu (y) и отношение потоков на двух сердечниках; затухание гармоники при \delta /\tau \nu; ошибка замены кольцевого зазора плоским

  1. Задать одну гармонику МДС и её период.
  2. Решить плоский и кольцевой зазоры с одинаковой МДС и согласованным масштабом.
  3. Проверить амплитуды на обеих границах и поток.
  4. Сравнить с FEMM и вычислить ошибку по основной и выбранным высшим гармоникам отдельно.

Страницы источника. PDF 1–33 полностью: 1–11 плоский зазор; 12–21 кольцевой и открытые области; 22–24 погрешности плоского приближения; 25–33 потоковая функция и комплексный потенциал.

Литература по методу

Конформные преобразования и комплексная потенциальная функция

Кольцевой зазор даёт аналитический эталон потока. При преобразовании геометрии важно различать сохранение потенциала и потока и изменение локального поля.

Лабораторные работы по методу: Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник; Сила в пазу: нагрузка меди, стенок и выбор глубины проводника; Аналогии полей: проводимость, дуальная сеть и диффузия

Получаемые величины. поток между соответствующими линиями; локальная H через производную отображения; погрешность плоского приближения

  1. Выбрать аналитическое однозначное отображение и соответствие границ.
  2. Сохранить значения потенциала и потоковой функции в сходственных точках.
  3. Перенести локальное поле через производную преобразования.
  4. Проверить поток и поле в нескольких точках независимым аналитическим способом и FEMM.

Страницы источника. PDF 1–30 полностью: 1–7 аналитические функции и ортогональность; 8–17 преобразования; 18–25 кольцевой зазор; 26–30 поля линейных токов.

Литература по методу

Преобразование Шварца–Кристоффеля

Отображение Шварца–Кристоффеля даёт углублённый пазовый эталон. Его результат позволяет оценить влияние раскрытия паза на поле без полного аналитического вывода в начальной работе.

Лабораторные работы по методу: Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник; Сила в пазу: нагрузка меди, стенок и выбор глубины проводника; Аналогии полей: проводимость, дуальная сеть и диффузия

Получаемые величины. коэффициенты отображения и соответствие вершин; поле у кромки и поток; ошибка аналитического пазового эталона

  1. Составить таблицу вершин и внутренних/дополнительных углов.
  2. Определить ветви степеней и постоянные по границам.
  3. Проверить отображение геометрии перед переносом поля.
  4. Сравнить интегральный поток и поле на физически заданном удалении от кромки с FEMM.

Страницы источника. PDF 1–13 полностью: 1–6 уравнение и пример; 7–13 определение постоянных и вырожденные многоугольники.

Литература по методу

Зубчатость зазора, Картер и зубцовые контуры

Сравнение пазов по проводимости и гармоникам позволяет оценить зубчатость. Коэффициент Картера описывает эквивалентирование полного потока при той же МДС; локальные пики поля проверяют отдельно.

Лабораторные работы по методу: Определение коэффициентов поля явнополюсной машины; Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник; Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении; Сила в пазу: нагрузка меди, стенок и выбор глубины проводника; Зубцовый момент: пусковая помеха и спектр PM-генератора

Получаемые величины. \Lambda зубцового деления и k\delta; \beta c(x), \beta s(x); разностная проводимость; B\nu и ошибка гладкого эквивалента

  1. Проверить условия изолированного прямоугольного паза и большой \mu.
  2. Рассчитать гладкий эталон и пазовый вариант при одинаковой МДС.
  3. Из потока определить эквивалентный зазор и коэффициент Картера.
  4. Сравнить пространственный профиль и гармоники; отдельно ослабить допущения и уточнить сетку.
  5. Для зубцового контура проверить особые граничные условия перед переносом его проводимости.

Страницы источника. PDF 1–54 полностью: 1–10 зубцовая зона и допущения; 11–20 чётное/нечётное поле; 21–33 преобразования; 34–42 проводимость и Картер; 43–54 разностная проводимость и зубцовый контур.

Литература по методу

Электродинамические поля и проникновение в проводящий массив

Глубина проникновения, фаза и вихревые потери позволяют оценить проводящий массив и шихтовку. Сравнение выполняют при одном физическом условии: поверхностном поле, средней индукции или полном потоке.

Лабораторные работы по методу: Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле; Потери массивного ротора: частота, гармоники и магнитное смещение; Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия; Замкнутый стальной виток: проникновение поля, сопротивление и потери; Аналогии полей: проводимость, дуальная сеть и диффузия

Получаемые величины. \Delta=√(2/(\omega \mu \sigma )); комплексные B(z), J(z) и фаза; Вт/м³ и Вт вихревых потерь; отношение потерь сплошной и шихтованной области

  1. Объявить постоянные \mu,\sigma и амплитудную нормировку.
  2. Проверить экспоненциальное затухание и фазу в полупространстве.
  3. Для пластины задать одинаковые условия на обеих сторонах и сравнить профиль.
  4. Вычислить потери с множителем 1/2 для амплитуд и сопоставить при одном фиксированном поле/потоке.
  5. Сравнить сплошной и шихтованный варианты, сохраняя фактическую среднюю индукцию и геометрию.

Страницы источника. PDF 1–42 полностью: 1–8 уравнения и энергия; 9–18 полупространство; 19–23 интегральные величины; 24–33 пластина; 34–42 потери и шихтовка.

Литература по методу

Переменное поле в прямоугольном проводнике паза

По сопротивлению и потерям выбирают число элементарных проводников при ограниченной высоте паза и заданной изоляции. Эталон глубокого стержня объясняет частотное изменение параметров ротора.

Лабораторные работы по методу: Потери массивного ротора: частота, гармоники и магнитное смещение; Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия

Получаемые величины. J(z) и вытеснение тока; kR=Rас/Rdc; потери при частоте и температуре; число проводников n при минимуме Rас

  1. Задать прямоугольный паз, суммарный ток и фактическую площадь меди.
  2. Проверить однопроводный профиль и коэффициент сопротивления по аналитическому пределу.
  3. Изменять число элементарных проводников, пересчитывая высоту меди и изоляцию при неизменной высоте паза.
  4. Указать соединение и идеальность транспозиции; сравнить температуры и частоты.
  5. Пересчитать выбранный минимум FEMM с независимым уточнением сетки.

Страницы источника. PDF 1–21 полностью: 1–7 массивный провод и Rас/Rdc; 8–13 многослойная обмотка; 14–19 оптимальное дробление; 20–21 влияние частоты и температуры.

Литература по методу

Интегральные величины при резко выраженном поверхностном эффекте

Поверхностное приближение даёт быстрый независимый контроль тока, комплексного сопротивления и потерь массивной детали. Разные способы возбуждения сравнивают при одинаковом физическом условии.

Лабораторные работы по методу: Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле; Потери массивного ротора: частота, гармоники и магнитное смещение; Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия; Замкнутый стальной виток: проникновение поля, сопротивление и потери

Получаемые величины. комплексные I, \Phi, Zэл и магнитное сопротивление; поверхностная глубина и потери; ошибка поверхностного предела относительно объёмной модели

  1. Проверить, что глубина проникновения мала относительно толщины и радиуса кривизны.
  2. Определить периметры и длины, соответствующие току и потоку.
  3. Вычислить интегралы с комплексной нормировкой.
  4. Сравнить объёмную модель, поверхностное условие и аналитический предел при одном возбуждении.
  5. Изменить толщину или частоту и показать область выхода из поверхностного приближения.

Страницы источника. PDF 1–15 полностью: 1–7 сильный поверхностный эффект и интегралы; 8–9 замкнутый виток; 10–15 стальной тороид и способы FEMM.

Литература по методу

Теория и вывод формул

Вытеснение тока в стержнях ротора зависит от их размеров, проводимости и частоты. Оценка глубины проникновения направляет выбор сетки, а достаточность её разрешения проверяется по сходимости потерь и параметров схемы замещения.

Соглашения об обозначениях и единицах
  • \(i(t)\), \(u(t)\) — мгновенные значения; \(\widehat I\), \(\widehat U\) — комплексные амплитуды; \(\underline I_{\text{д}}\), \(\underline U_{\text{д}}\) — комплексные действующие значения. Для синусоиды \(\widehat I=\sqrt{2}\,\underline I_{\text{д}}\); действующее значение тока равно \(|\underline I_{\text{д}}|\). Нормировка обязательно учитывается в формулах мощности.
  • \(\Phi=\int_S\mathbf B\cdot\mathrm d\mathbf S\) — поток через ориентированную поверхность; \(\Psi=\sum_k\oint_{C_k}\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l\) — потокосцепление последовательных витков с согласованными замкнутыми контурами. Только при одинаковом сцепленном потоке каждого витка \(\Psi=N\Phi\). Обе величины измеряются в веберах: число витков безразмерно. Запись «Вб·виток» подчёркивает суммирование.
  • \(\theta_{\text{м}}\), \(\Omega\) (также \(\omega_{\text{мех}}\)) — механические угол и угловая скорость. Для основной гармоники \(\theta_{\text{э}}=p\theta_{\text{м}}\), \(\omega_{\text{э}}=p\Omega\), где \(p\) — число пар полюсов. Геометрический период зубцов задаётся отдельно. В производных по углу используйте радианы.
  • Статическая индуктивность \(L_{\text{ст}}=\Psi/i\) — наклон секущей из начала координат; это определение используется при \(\Psi(0)=0\) и \(i\ne0\). Динамическая индуктивность \(L_{\text{дин}}=\partial\Psi/\partial i\) — наклон касательной (дифференциальная, инкрементальная); положение и остальные токи фиксированы. Для линейной характеристики без смещения обе равны одной индуктивности \(L\). При постоянных магнитах и взаимном возбуждении сначала учитывают ненулевое смещение потокосцепления.
  • Положительные направления, оси и специальные индексы определяются в конкретной задаче. Единицу берите из условия или заголовка таблицы; перед подстановкой в формулу СИ переводите миллиметры в метры, миллигенри в генри и градусы в радианы.
  • Численные результаты обычно показаны с четырьмя значащими цифрами; для сравнения близких значений в таблицах сходимости сохранено больше цифр. Полные значения остаются в исходных расчётных данных. Малые остатки вычисления координат на осях показаны как ноль; малые физические величины сохраняются в показательной записи.
Указатель формул этого занятия
  1. (23.7) · Проникновение поля в проводник
  2. (23.8) · Сетка, температура и кольца

Проникновение поля в проводник

В проводящей среде переменное поле создаёт вихревые токи, которые противодействуют проникновению поля внутрь. Для однородного полупространства решение диффузионного уравнения экспоненциально затухает; глубина, на которой модуль падает в e раз, равна \delta. В алюминии магнитная проницаемость близка к \mu_{0}, поэтому частота и проводимость задают первый масштаб распределения тока.

Реальный стержень имеет конечное сечение, окружён зубцами и может быть глубоким. Его распределение определяется геометрией и соседними проводниками; формула полупространства — ориентир, а не точный коэффициент сопротивления. При значительном вытеснении ток концентрируется ближе к поверхности, эффективное активное сопротивление растёт, а эквивалентное рассеяние меняется.

\delta=\sqrt{\frac{2}{\omega_2\mu\sigma}},\qquad P_{\text{провод}}=\frac12\int_V\frac{|\widehat{\mathbf J}|^2}{\sigma}\,dV
(23.7)
Мощность записана через амплитудную плотность тока. При действующем представлении множитель 1/2 отсутствует.

Сетка, температура и кольца

Начальный размер элемента около поверхности можно выбрать существенно меньше \delta и глубины стержня. Затем проверяют потери и распределение на нескольких сетках. Если \delta больше всех размеров стержня, тонкий поверхностный слой не возникает; тем не менее углы и соседство зубцов могут требовать локального сгущения.

Сопротивление металла растёт с температурой. В этом электромагнитном курсе температура задаётся как исходный параметр: мы не утверждаем, что она получена тепловым расчётом. Торцевые кольца добавляют сопротивление и рассеяние вне активного сечения. Для короткой машины их вклад может быть особенно заметен. Выделение этих поправок необходимо перед переносом полевых параметров в рабочую схему.

К странице приложена одна фактически рассчитанная точка на 1 \,\text{Гц} исходной четверти Meeker-модели. Табличная частотная серия, температурные изменения и работа на скорости являются учебными заданиями и отдельными аналитическими проверками. Их нельзя считать уже выполненными по этой единственной карте поля. Полное фазное потокосцепление и момент требуют выведенного секторного восстановления.

R(T)=R(T_0)[1+\alpha(T-T_0)],\qquad R_{\text{р,итог}}=R_{\text{стержни}}+R_{\text{кольца}}
(23.8)
Линейный температурный закон применяется в указанном диапазоне и для конкретного материала; сопротивления предварительно приводятся к одной схеме и стороне.

Потери ротора и разрешение поверхностного слоя

В гармонике локальная плотность тока комплексная и амплитудная. Проводимость должна соответствовать принятой температуре.

  1. По закону Джоуля — Ленца мгновенная объёмная плотность мощности потерь равна квадрату плотности тока, делённому на удельную электрическую проводимость. Усреднение для синусоидального тока вносит множитель одной второй при использовании амплитудных значений.

  2. Оцените глубину проникновения и обеспечьте несколько элементов по области существенного затухания. Затем уточняйте сетку по сходимости интегральных потерь, а не только по внешнему виду распределения.

  3. Добавьте сопротивление колец к приведённой схеме так, чтобы оно соответствовало тому же току и той же стороне приведения. Температурную поправку применяйте ко всем реально нагревающимся участкам.

Таблица 23.7. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
JПлотность электрического токаА/м²
\sigmaУдельная электрическая проводимостьСм/м
RАктивное электрическое сопротивлениеОм
PСредняя активная мощностьВт
\deltaГлубина проникновения полям

Границы применимости. Изменение частоты влияет на вытеснение и эффективные параметры. Постоянное сопротивление стержня пригодно только в диапазоне, где его частотная зависимость мала или уже учтена идентификацией.

Разобранный численный пример

Глубина проникновения поля в алюминиевый стержень

Дано. \sigma = 34{,}45 \,\text{МСм}/\text{м}, \mu = \mu_{0}. Сравниваем 3 и 50 \,\text{Гц}; глубина стержня 12 \,\text{мм}.

  1. При 3 \,\text{Гц} \delta = 49{,}507 \,\text{мм} — значительно больше глубины стержня.

  2. При 50 \,\text{Гц} \delta = 12{,}127 \,\text{мм} — сопоставима с его глубиной. Однородное распределение становится менее надёжным ориентиром.

  3. При нагреве от 20 до 80 \,{}^\circ\text{C} и учебном \alpha = 0{,}004 1/{}^\circ\text{C} сопротивление увеличивается в 1,24 раза. Если сопротивление стержней 2 \,\text{Ом} и приведённое сопротивление колец 0{,}3 \,\text{Ом} при 20 \,{}^\circ\text{C}, итог при 80 \,{}^\circ\text{C} равен 2{,}852 \,\text{Ом}.

Ответ: Частотная серия малого скольжения и заторможенный ротор могут требовать разных моделей частотного сопротивления.

Проверка: Размерность выражения под корнем — \text{м}^2. Отдельно проверить, что температурная поправка не применена второй раз к значению удельной электрической проводимости, уже приведённому к рабочей температуре.

Практикум в FEMM 5

Короткозамкнутая обмотка ротора на двух частотах

Таблица 23.8. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
Число пар полюсов21
Пазы статора / стержни ротора36 / 281
Диаметр ротора80мм
Радиальный зазор0,375мм
Активная длина100мм
Удельная электрическая проводимость алюминия при исходной температуре34,45МСм/м
  1. Откройте учебную модель Асинхронный-двигатель-09-Готовая-модель.fem из официального набора Induction Motor Example. Сохраните новую копию и проверьте распознавание всех материалов, цепей, знаков витков и граничных свойств в FEMM 5; перенос старого файла не считается выполненным расчётом.
  2. Проверьте плоскую постановку, миллиметры и глубину 100 \,\text{мм}. Исходная модель описывает четверть машины: восстановление результата зависит от величины, а не от единого множителя для всех полей.
  3. Назначьте комплексные амплитуды сохранённой модели: A = 1 \,\text{А}, B = -0{,}5 + j0{,}866025 А, C = -0{,}5 - j0{,}866025 А (углы 0^\circ, +120^\circ, -120^\circ). В линейном учебном варианте оставьте проводимость статора нулевой, а алюминиевые стержни проводящими.
  4. Сравните частотную постановку с графическим отображением материалов: проверьте, что именно стержни создают наведённые токи и принят путь их замыкания. Сохраните журнал параметров каждого ручного расчёта.
  5. Сравните расчёты на 3 и 50 \,\text{Гц} при одинаковом токе. В проводящих стержнях постройте распределение плотности тока и получите интегральные потери.
  6. Выберите характерный центральный стержень; снимите профиль |J| по глубине. Сетка должна разрешать и поверхность, и тонкие геометрические участки.
  7. Повторите каждый опыт на двух более мелких сетках, меняя только сетку. Сопоставьте потери и потокосцепление.
  8. В отдельной копии уменьшите удельную электрическую проводимость алюминия в 1,24 раза, задавая условные 80 \,{}^\circ\text{C}. Получите новую частотную точку, сохранив геометрию.
  9. Добавьте объявленное сопротивление колец только в схему замещения. Не пытайтесь имитировать его произвольным уменьшением глубины активной модели.

Ожидаемый результат. На более высокой частоте распределение тока неоднороднее; температурная поправка изменяет параметры и должна быть отделена от геометрического изменения.

Как проверить. Проверьте интегральные потери, суммарный ток и сеточную чувствительность. Малое совпадение одного профиля не доказывает точность всей клетки.

Обработка и анализ результатов

Остаётся ли распределение тока одинаковым на двух частотах?

  1. Снимите профиль роторного тока, потери и извлечённые параметры обеих частот.
  2. Сопоставьте частотные точки и режимы с одной принятой схемой замещения; проверьте скольжение и мощность.

С чем сравнить. Используйте частоту ротора, скольжение и энергетические соотношения из занятия. Серия неподвижных гармонических решений требует отдельного обоснования связи с вращающейся машиной.

Итог работы. Сопоставление профилей и параметров с объяснением скин-эффекта.

Пошаговая настройка расчётного примера

Откройте отдельную страницу с последовательными действиями, точными параметрами, накопительными файлами этапов и программами с русскими комментариями.

Все расчётные примеры курса

Расчётный образец FEMM 5

Откройте модель, воспроизведите указанный режим и сопоставьте свои измерения с таблицей результатов.

Таблица 23.9. Результаты расчётного образца
ВеличинаРезультатЕдиница
Частота1Гц
Активная длина100мм
Ток цепи Фаза А1 + j0А
Потокосцепление цепи Фаза А0{,}0421 - j0{,}03968Вб
Ток цепи Фаза С-0{,}5 - j0{,}866А
Потокосцепление цепи Фаза С-0{,}05517 - j0{,}01806Вб
Ток цепи Фаза В-0{,}5 + j0{,}866А
Потокосцепление цепи Фаза В0{,}01251 + j0{,}05637Вб
Средняя энергия поля0,03197Дж
Норма комплексных амплитуд B в контрольной точке0,4584Тл
Координаты контрольной точки (x, y)50; 0мм
Визуализация численных данных FEMM 5: Асинхронный двигатель: сектор модели. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.
Рисунок 23.8. Визуализация численных данных FEMM 5: Асинхронный двигатель: сектор модели. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.

Учебная модель по Meeker 2horse. Частота — частота тока ротора в данном неподвижном опыте. Геометрия представляет четверть машины; результаты приведены без дополнительного множителя 4, который выводят отдельно. Пуск рассматривается в отдельном расчётном опыте. Комплексные токи и потокосцепления заданы амплитудными значениями; они отличаются от действующих значений источника.

Ориентиры в интерфейсе
Геометрия: адаптированная модель Meeker: 36 пазов статора, 28 стержней, неподвижный AC-опыт
Рисунок 23.9. Геометрия: адаптированная модель Meeker: 36 пазов статора, 28 стержней, неподвижный AC-опыт Открыть в полном размере
Распределение магнитной индукции: адаптированная модель Meeker: 36 пазов статора, 28 стержней, неподвижный AC-опыт
Рисунок 23.10. Распределение магнитной индукции: адаптированная модель Meeker: 36 пазов статора, 28 стержней, неподвижный AC-опыт Открыть в полном размере

Расчётные исследования по теме

Изучите физическую постановку, выполните программу во встроенном Python FEMM 5 и проверьте результаты по сохранённым моделям и независимым критериям.

Все темы учебного практикума

Окна FEMM 5

Снимки интерфейса FEMM показывают геометрию, настройки и работу с результатами в FEMM 5. Откройте изображение, чтобы рассмотреть подписи и значения в полном размере.

Тепловая геометрия связанной модели индукционного нагрева, разделённая на подобласти назначения источников тепла. Зелёные точки — метки областей; длинные текстовые подписи скрыты в отображении.
Тепловая геометрия связанной модели индукционного нагрева, разделённая на подобласти назначения источников тепла. Зелёные точки — метки областей; длинные текстовые подписи скрыты в отображении. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Индукционный нагрев: переходное тепловое поле и температурная обратная связь». Температура T, К, на сохранённом шаге связанного индукционного нагрева. Прямоугольные подобласти служат назначению распределённых источников тепла; изотермы скрыты.
Сохранённое решение «Индукционный нагрев: переходное тепловое поле и температурная обратная связь». Температура T, К, на сохранённом шаге связанного индукционного нагрева. Прямоугольные подобласти служат назначению распределённых источников тепла; изотермы скрыты. Открыть в полном размере
Асинхронная машина: расчётный сектор 90° со статорными пазами, воздушным зазором и стержнями ротора. Подписи скрыты для читаемости.
Асинхронная машина: расчётный сектор 90° со статорными пазами, воздушным зазором и стержнями ротора. Подписи скрыты для читаемости. Открыть в полном размере
Асинхронная машина: поле расчётного сектора при частоте скольжения 2 Гц. Норма комплексной амплитуды магнитной индукции B, Т; контуры A скрыты.
Асинхронная машина: поле расчётного сектора при частоте скольжения 2 Гц. Норма комплексной амплитуды магнитной индукции B, Т; контуры A скрыты. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Составьте таблицу влияния частоты и заданной температуры на потери и потокосцепление; отдельно внесите поправку колец.

Критерий выполнения: Проводимость и температура указаны, отсутствует утверждение о вычисленной температуре; сетка проверена по интегральной величине, кольца учтены отдельным основанным параметром.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 24–39; 45–52
  2. [39] — Разделы Model Formulation, Identification и Determination of Operating Point; исходная модель FEMM 4, перенос проверяется отдельно
  3. Скачанный оригинал Induction Motor Example — 10–14: поправки и ограничения
  4. Carbonieri, Bianchi. Rapid Procedure for Squirrel Cage Induction Machine Finite Element Analysis — 1–16: дополнительный методический источник по геометрии и режимам; при ручном выполнении расчёта внешний код MATLAB не требуется
Пояснения и типичные ошибки
Можно ли принять размер элемента равным \delta и считать точность доказанной?

Нет. \delta только физический масштаб. Точность определяется сходимостью интересующей величины и разрешением геометрии.

Почему сопротивление колец нельзя прибавить без приведения?

Сопротивления должны относиться к одной роторной схеме, числу ветвей и стороне приведения; иначе сравниваются разные токи.

На что обратить внимание

  • Формула \delta для магнитного железа с постоянной \mu вместо реального нелинейного материала.
  • Приписывание реальной температуры одному магнитному решению.
  • Активная длина скрыто изменена ради совпадения с сопротивлением колец.