РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Научная статья

Андросов Н.Н.¹, Низовой А.Н.²

^{1, 2}НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий», Воронеж, Россия

 

Аннотация

В статье рассматривается задача математического расчета электромагнитного поля бесконтактного двигателя с постоянными магнитами (БДПМ) методом конечных элементов, представлен порядок создания и реализации конечно-элементных моделей. Использование предложенного подхода к проектированию сокращает затраты времени и позволяет решить задачу без создания и испытаний большого количества разных образцов БДПМ, а также сократить затраты на изготовление технологической оснастки.

Ключевые слова: метод конечных элементов , проектирование.

Key words: method final element , designing.

В основе расчета электромагнитного поля бесконтактного двигателя с постоянными магнитами (БДПМ) методом конечных элементов (МКЭ) лежит система уравнений Максвелла. В ходе решения МКЭ эти уравнения реализуются численно, при этом операции над величинами в процессе расчетов производятся с матрицами, соответственно этому и записаны все выражения:

В соответствии с последним выражением, для того, чтобы рассчитать картину электромагнитного поля, в качестве нагрузки следует задавать плотность тока, а точнее – плотность тока проводимости Js.

Уравнения (1)-(4) дополняются выражениями, которые описывают электромагнитные свойства материалов. Для всех материалов, кроме постоянных магнитов, характеристики намагничивания описывается зависимостями вида:

,                                                                                

Решение  уравнений магнитного поля в общем случае достигается с использованием потенциальных функций. Различают две формулировки задачи с использованием потенциальных функций: на основе понятия магнитного векторного потенциала (MVP formulation), либо на основе магнитного скалярного потенциала (MSP formulation). Применять то или другое зависит от характера изменения поля во времени, рассмотрения задачи в двумерной (2D) или трехмерной (3D) постановке, того, как задаются источники тока, от размеров рассматриваемой области и степени дискретизации. Подход, основанный на использовании магнитного скалярного потенциала, используется только в случае трехмерного анализа (3D).

Подход, основанный на использовании магнитного векторного потенциала, применяется как при двумерном, так и при трехмерном анализе. В данной работе используется двумерный анализ.

При составлении уравнений электромагнитного поля для электрической машины, как правило, делаются следующие допущения [1,2, 3,4]:

1. Величина ЭДС электромагнитной индукции несоизмеримо больше любых других ЭДС, например: контактной, Холла, Томпсона и т. д., в связи с чем, последними пренебрегают.
2. Пренебрежимо малы по сравнению с токами проводимости в проводниках: а) токи проводимости в диэлектриках; б) конвекционные токи, возникающие при движении зарядов вместе со средой, в связи с чем последними пренебрегаем.

Так как токи проводимости, смещения и конвекционные в диэлектрике, заполняющем зазор между частями статора и ротора, не учитываются, скорость перемещения диэлектрика (газа или жидкости) в зазоре не оказывает влияния на электромагнитное поле.

3. Пренебрежимо малы токи смещения и запаздывание в распространении электромагнитных волн в пределах области поля, что позволяет считать электромагнитное поле в машине квазистационарным (в [1] А. В. Иванов-Смоленский показал, что условия квазистационарности электромагнитного поля в электрической машине соблюдаются).
4. При рассмотрении поля в неферромагнитной среде относительная магнитная проницаемость этой среды принимается равной единице.

С учетом приведенных допущений, а также отсутствием свободных зарядов, уравнения  (1)-(4) принимают вид:

Решение может быть найдено, если ввести понятие векторного магнитного потенциала, который позволяет описать магнитное поле (B) и электрическое (E) в виде выражений:

Таким образом, получены выражения, представляющие собой систему проектирования бесконтактных двигателей с постоянными магнитами (БДПМ) методом конечных элементов, предложенный подход к проектированию сокращает затраты времени и позволяет решить задачу без создания и испытаний большого количества разных образцов БДПМ, а также сократить затраты на изготовление технологической оснастки.

Список литературы / References

1. Иванов-Смоленский, А. В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование / А. В. Иванов-Смоленский. – М. : Энергия, 1969. – 304 с.
2. Андросов, Н. Н. Использование конечно-элементного моделирования для поиска наиболее рациональной конструкции бесконтактного двигателя с постоянными магнитами / Н. Н. Андросов // XXXVII Гагаринские чтения : сб. науч. тр. Международной молодежной научной конференции, т. 5, 5-8 апреля 2011. – М. : МАТИ. –  2011. – С. 57-59.
3. Низовой, А. Н. Бесконтактный двигатель для привода центрифуги автомата литографии / А. Н. Низовой, С. Ю. Кобзистый, Н. Н. Андросов // Электротехнические комплексы и системы управления. – 2009. – №  3. – С. 29-33.
4. Сипайлов, Г. А. Электрические машины (спец. курс): Учеб. для вузов по спец. “Электрические машины” / Г. А Сипайлов, Е. В. Кононенко, К. А. Хорьков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1987. – 287 с.