FEMM 5Поиск
ФормулыФайлы

Часть V · Электрические машины → § 42 · ТВВ-320-2. Несимметрия и силовые процессы

Занятие 42.4

Статический эксцентриситет

Перед началом

Что нужно вспомнить перед началом

Место занятия в инженерной методике

Расчётная лабораторная работа · Восстановление электрических характеристик синхронного генератора

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

От геометрии и обмоток переходят к потокосцеплениям и ЭДС, затем к характеристикам ХХ, КЗ, нагрузки и регулирования. Эти характеристики определяют требуемое возбуждение и допустимый электрический режим.

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

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Для характеристики запишите, что фиксировано: скорость, возбуждение, напряжение, нагрузка или мощность. Скоростная ЭДС восстанавливается из пространственного потокосцепления.

  2. Разбор учебного результата. Проверьте уравнение выбранного генераторного режима и знаки мощности до построения серии.

  3. Статический эксцентриситет. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Эксцентриситет — в разработке. Серия из 48 положений рассчитана; критерии пульсаций не пройдены, трёхсеточная проверка смещённого варианта ещё требуется. Перенос момента к оси ротора объяснён отдельно.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Сопоставьте контрольные величины, входы, версии и допуски.

Что включить в отчёт

Оформление наблюдений. Возбуждение, скорость, фазные потокосцепления, ЭДС и согласованные токи/напряжения в объёме конкретного опыта; независимые условия каждой строки.

Как обосновать результат

Точность и расхождения. Уточняйте шаг возбуждения или угла отдельно от сетки. При КЗ оценивайте абсолютное остаточное напряжение и его отношение к ненулевому масштабу режима.

Вывод для устройства

Свяжите полученную характеристику с выбором возбуждения, регулированием напряжения или допустимым режимом; укажите, какие проверки нужны для полной машины.

Границы вывода. Каждая характеристика требует своих независимых условий и скорости. Двумерный срез, заданные токи и статическое поле не подтверждают автоматически режим на сеть, устойчивость и полную мощность реального генератора.

Теория и вывод формул

Как смещение оси меняет зазор, результирующую силу и точку отсчёта момента?

Обозначения и единицы

Нормировки, общие обозначения и единицы курса. Обозначения конкретной задачи приведены рядом с формулами.

Указатель формул этого занятия
  1. (42.17) · Геометрия исследуемого варианта
  2. (42.18) · Геометрия исследуемого варианта
  3. (42.19) · Геометрия исследуемого варианта

Модель и обозначения

Занятие 29 из 36 в цикле ТВВ-320-2.

Документированная учебная модель; заводская точность не заявляется. Новых полевых расчётов при подготовке публикации не выполнялось.

Общие обозначения цикла ТВВ-320
Таблица 42.7. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
θm; θeМеханический и электрический углы; \theta e=p\theta mрад
pЧисло пар полюсов; для ТВВ-320-2 p=11
ULL; IЛинейное напряжение и фазный ток RMS основной симметричной составляющейВ; А
id; iq; IfАмплитудные токи d–q и постоянный ток возбужденияА
λd; λq; λfПотокосцепления в согласованной нормировкеВб·виток
Pg; Qg; TОтдаваемые активная и реактивная мощности; момент против часовой стрелкиВт; вар; Н·м

Геометрия исследуемого варианта

Смещение +5 мм вдоль x — выбранный исследовательский вариант, а не обнаруженный дефект машины. Номинальный радиальный зазор учебной геометрии 95 мм; минимальный и максимальный зазоры становятся 90 и 100 мм.

build_study.py сначала строит собственную центрированную модель при заданном \theta, затем выделяет группы 10 и 11 и переносит их через mi_movetranslate. Статор, его цепи и наружная граница остаются в неподвижной системе. При каждом угле одинаковое смещение прикладывается после поворота ротора.

Сравнение выполняется с balanced при тех же i_d,i_q,If и той же сеточной политике. Изменение силы нельзя приписывать одному смещению, если одновременно поменялись токи или возбуждение. Магнитная сила не равна отклонению вала: для последнего нужны упругость, опоры и механическая модель.

  1. Это геометрические значения для двух смещённых окружностей.

    \varepsilon=\frac e{g_0}=\frac5{95}\approx0.052632,\quad g_{min}=90\ \mathrm{mm},\quad g_{max}=100\ \mathrm{mm}
    (42.17)
  2. Линейное приближение полезно для понимания направления магнитного притяжения; точная геометрия в FEMM строится без этого приближения.

    g(\alpha)\approx g_0-e\cos\alpha
    (42.18)
  3. Для смещения вдоль x метры обязательны. Силы и оба момента сохранены отдельно в каждом результате.

    T_R=T_O-0{,}005F_y
    (42.19)

Ограничения и происхождение методики

Учебная модель; нет заводской аттестации.

Вычислены все 48 положений. Критерий сходимости пульсаций не пройден; пространственная сходимость вариантов также не подтверждена. Раздел публикуется как материал в разработке; пульсации имеют предварительный статус.

Собственная геометрия и новые полные серии. Чужие модели, характеристики и расчётные карты не использованы.

Реестр формул и библиография в файлах занятия отделяют собственные выводы от доступных первоисточников. Недоступные тексты и текстовое распознавание PDF не объявлены полной визуальной проверкой.

Разобранный численный пример

Разбор учебного результата

Дано. ТВВ-320-2; документированные входы и точные версии программ из файлов занятия.

  1. Сверьте сумму фазных токов, токи ветвей после повторного открытия, энергетическое тождество и полный набор \theta =0…352{,}5^\circ без повторения 360^\circ.

Ответ: Полная серия из 48 решений с токами, полями, силами и контролем углового усреднения.

Проверка: Учебная модель; нет заводской аттестации. Вычислены все 48 положений. Критерий сходимости пульсаций не пройден; пространственная сходимость вариантов также не подтверждена. Раздел публикуется как материал в разработке; пульсации имеют предварительный статус.

Практикум в FEMM 5

Статический эксцентриситет

Таблица 42.8. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
RMS фаз A,B,C[3536, 3536, 3536]А
Средний момент-447400Н·м
Средние F_x,F_y[121100, 4,426]Н
  1. Прочитайте study-plan.json: задаются положительная и отрицательная последовательности, их фазы, возбуждение и смещение. Условия сравнения — одинаковые положительная последовательность и If, а не одинаковая выходная мощность.
  2. В чистой папке задайте TVV_ROOT, TVV_STUDY="eccentric" и выполните run_studies.py. Каждый угол создаёт собственные FEM/ANS/JSON.
  3. Сверьте сумму фазных токов, токи ветвей после повторного открытия, энергетическое тождество и полный набор \theta =0…352{,}5^\circ без повторения 360^\circ.
  4. В angular-check.json сопоставьте среднее, размах и RMS пульсаций для 48 и 24 отсчётов. Текущие серии не прошли общий критерий 2% для пульсаций; более густой цикл пока не выполнен. Средние и размахи оценивайте по отдельным строкам, не подменяя одно другим.
  5. Перед окончательным использованием сил выполните отдельное сгущение пространственной сетки именно этого варианта; текущая серия не заменяет такую проверку.

Ожидаемый результат. Полная серия из 48 решений с токами, полями, силами и контролем углового усреднения.

Как проверить. Учебная модель; нет заводской аттестации. Вычислены все 48 положений. Критерий сходимости пульсаций не пройден; пространственная сходимость вариантов также не подтверждена. Раздел публикуется как материал в разработке; пульсации имеют предварительный статус.

Обработка и анализ результатов

Как смещение оси меняет зазор, результирующую силу и точку отсчёта момента?

  1. Сопоставьте контрольные величины, входы, версии и допуски.

Полная программа: run_studies.py

Встроенный Python FEMM 5. Зависимости, входы и точные снимки программ доступны в файлах занятия.

Python · FEMM 5
"""Полные циклы несимметрии и статического эксцентриситета, без тепловой модели."""
import sys,json,math
ROOT=globals().get('TVV_ROOT','')
if ROOT in sys.path:sys.path.remove(ROOT)
sys.path.insert(0,ROOT)
for module in ('build_study','build_series','study_physics'):sys.modules.pop(module,None)
from build_study import build
from study_physics import sequence_currents,torque_about_rotor,spatial_components,cycle_summary
from physics import abc_to_dq0
from run_record import start,finish,save_json,sha
family=globals().get('TVV_STUDY','balanced')
names=['run_studies.py','build_study.py','build_series.py','geometry.py','physics.py','study_physics.py','run_record.py','machine.json','winding.json','rotor-bh.json','stator-bh.json','study-plan.json','model-scope.json']
resume=globals().get('TVV_RESUME_DIR','')
if resume:
    folder=resume
    with open(folder+'/receipt.json') as f:record=json.loads(f.read())
    if record['family']!=family:raise ValueError('Другая серия')
    for name,digest in record['inputs_and_programs'].items():
        if sha(ROOT+'/'+name)!=digest or sha(folder+'/snapshot/'+name)!=digest:raise ValueError('Изменены входы')
else:
    folder,record=start(ROOT,globals().get('TVV_OUTPUT_ROOT',ROOT+'/runs'),'study',names,'full angular cycles; imposed currents; no rotor heating claim')
    record.update(family=family,points={})
def load(name):
    with open(folder+'/snapshot/'+name+'.json') as f:return json.loads(f.read())
plan=load('study-plan');case=plan['cases'][family];machine=load('machine');winding=load('winding')['rows']
materials={'rotor':load('rotor-bh'),'stator':load('stator-bh')};rows=[]
try:
    for k in range(case['angles']):
        stem='angle-%03d'%k
        if stem in record['points']:
            for name,digest in record['points'][stem].items():
                if sha(folder+'/'+name)!=digest:raise ValueError('Повреждена точка серии')
            with open(folder+'/'+stem+'.json') as f:rows.append(json.loads(f.read()))
            continue
        theta=2*math.pi*k/case['angles'];degrees=360*k/case['angles']
        phase=sequence_currents(theta,case['positive_peak_A'],case['negative_peak_A'],case['positive_phase_rad'],case['negative_phase_rad'])
        if abs(sum(phase))>1e-7:raise ValueError('Токи не согласованы с изолированной нейтралью')
        dq=abc_to_dq0(phase,theta);ecc=case['eccentricity_mm'];path=folder+'/'+stem+'.fem'
        build(globals(),machine,winding,materials,path,case['mesh'],degrees,[dq[0],dq[1],case['If_A']],ecc)
        mi_close();opendocument(path);mi_analyze(1);mi_loadsolution();mo_smooth('off')
        names_c=[p+str(b)+' — ветвь статора' for p in 'ABC' for b in (1,2)]+['F — возбуждение ротора']
        circuits=[list(mo_getcircuitproperties(n)) for n in names_c]
        expected=[phase[j//2]/2 for j in range(6)]+[case['If_A']]
        if max(abs(a[0]-b) for a,b in zip(circuits,expected))>1e-7:raise ValueError('Неверный ток цепи')
        fluxabc=[(circuits[2*j][2]+circuits[2*j+1][2])/2 for j in range(3)]
        mo_groupselectblock();energy=mo_blockintegral(2);coenergy=mo_blockintegral(17);mo_clearblock()
        identity=abs(energy+coenergy-sum(v[0]*v[2] for v in circuits))/max(1.,abs(energy+coenergy))
        if identity>1e-5:raise ValueError('Энергетическое тождество')
        mo_groupselectblock(10);mo_groupselectblock(11);fx=mo_blockintegral(18);fy=mo_blockintegral(19);torque=mo_blockintegral(22);mo_clearblock()
        # Same air circle, two explicitly different observation frames.
        radius=machine['geometry']['rotor_body_diameter_mm']/2+machine['geometry']['air_gap_mm']/2
        samples=[]
        for j in range(plan['spatial_samples']):
            alpha=2*math.pi*j/plan['spatial_samples'];field=mo_getpointvalues(radius*math.cos(alpha),radius*math.sin(alpha))
            shifted=alpha+theta;rotorfield=mo_getpointvalues(ecc+radius*math.cos(shifted),radius*math.sin(shifted))
            samples.append({'alpha_deg':360*j/plan['spatial_samples'],'stator_BrBt_T':spatial_components(field[1],field[2],alpha),
                            'rotating_observer_BrBt_T':spatial_components(rotorfield[1],rotorfield[2],shifted)})
        row={'theta_deg':degrees,'currents_abc_A':phase,'currents_dqf_A':[dq[0],dq[1],case['If_A']],
             'lambda_abc_Wb':fluxabc,'lambda_dq0_Wb':abc_to_dq0(fluxabc,theta),'lambda_f_Wb':circuits[-1][2],
             'Fx_N':fx,'Fy_N':fy,'torque_origin_Nm':torque,'torque_rotor_Nm':torque_about_rotor(torque,fx,fy,ecc/1000),
             'energy_J':energy,'coenergy_J':coenergy,'energy_identity_error':identity,'samples':samples,'elements':mo_numelements()}
        mo_close();mi_close();save_json(folder+'/'+stem+'.json',row);rows.append(row)
        record['points'][stem]={stem+ext:sha(folder+'/'+stem+ext) for ext in ('.json','.fem','.ans')}
        save_json(folder+'/receipt.json',record);save_json(folder+'/results.json',rows);print('TVV_STUDY_POINT',family,k)
    full=cycle_summary(rows);halfrows=[dict(r,theta_deg=360*j/(len(rows)//2)) for j,r in enumerate(rows[::2])];half=cycle_summary(halfrows)
    checks={key:{stat:abs(full[key][stat]-half[key][stat])/max(abs(full[key][stat]),plan['absolute_scale']) for stat in full[key]} for key in full}
    save_json(folder+'/angular-check.json',{'full':full,'half':half,'scaled_errors':checks})
    if max(v for item in checks.values() for v in item.values())>plan['force_torque_relative']:
        raise ValueError('Средние/пульсации не сошлись по углу: нужна более густая полная серия')
    finish(folder,record,'passed_full_cycle_and_angular_check_pending_mesh_comparison')
except Exception as error:record['error']=str(error);finish(folder,record,'failed');raise
print('TVV_STUDY_RESULT',folder)

Самостоятельная работа

Проверьте минимальный зазор по координатам, токи и число сторон. Сопоставьте средние F_x,F_y с центрированным случаем и независимо пересчитайте перенос момента в каждой точке.

Критерий выполнения: Соблюдены определения, единицы, условия и критерии занятия. Учебная модель; нет заводской аттестации. Вычислены все 48 положений. Критерий сходимости пульсаций не пройден; пространственная сходимость вариантов также не подтверждена. Раздел публикуется как материал в разработке; пульсации имеют предварительный статус.

Литература

Полные библиографические описания

Пояснения и типичные ошибки
Какие ограничения необходимо сохранить в выводе?

Учебная модель; нет заводской аттестации. Вычислены все 48 положений. Критерий сходимости пульсаций не пройден; пространственная сходимость вариантов также не подтверждена. Раздел публикуется как материал в разработке; пульсации имеют предварительный статус.

На что обратить внимание

  • Сдвинуть также статор и получить ту же центрированную машину.
  • Переместить узлы ротора, оставив метки материалов на месте.
  • Принять момент относительно O за момент относительно оси ротора.
НИУ «МЭИ» · Кафедра ЭМЭЭА · Учебное пособие по FEMM 5 · Теория, вычислительный эксперимент и проверка результата.

Файлы занятия

Статус, проверки и источники

Поиск по пособию

    Разделы

    На этой странице