Кафедра Электромеханики МЭИ, 2010                                                                                  Содержание

Применение полевых методов

в электромагнитных расчетах электрических машин

За последние 30-40 лет окружающий нас мир разительно переменился. Благодаря созданию и широкому внедрению персональных компьютеров и компьютерных технологий перед человечеством открылись такие возможности, о которых прежде можно было только мечтать. В полной мере и прежде всего это относится к сфере научных и инженерных исследований.

Возьмем в качестве примера такую близкую и достаточно хорошо знакомую инженерам-электромеханикам область, как электрические машины. В начале построения теории этих замечательных устройств, при объяснении принципов их работы, мы оперируем понятиями теории поля: мы говорим об интенсивности поля, о характере его распределения, о явлении электромагнитной индукции, открытом Майклом Фарадеем, о системе дифференциальных уравнений Джеймса Клерка Максвелла, являющейся математической моделью нашей Электромагнитной Вселенной. Но как только дело доходит до построения работоспособной инженерной модели, мы переходим к методам теории цепей (заметим кстати, что первым ученым, предложившим рассматривать электрическую машину как некоторую электрическую цепь, был как раз Дж.К. Максвелл (доклад Королевскому Обществу в 1867 г.)). При этом единое магнитное поле машины мы стремимся представить как совокупность достаточно простых локальных полей, простых настолько, что они допускают аналитические решения связанных с ними задач. И именно с этими полями мы связываем понятия индуктивных параметров машины. Вообще говоря, и активные параметры (активные сопротивления), в тех случаях, когда становится необходимым учитывать неравномерное распределение токов по проводникам, мы также определяем с помощью решения локальных полевых задач.

Естественно, что такое представление единого общего поля электрической машины в виде совокупности локальных полей предполагает принятие ряда упрощающих допущений и, таким образом, модели электрической машины на основе теории цепей по сути своей являются приближенными. Какова степень приближения, сколь велика ошибка до последнего времени это выяснялось путем проведения физического эксперимента, подчас весьма сложного, на опытных образцах проектируемых машин, пилотных образцах серий, на физических моделях.

Компьютерная революция последней трети прошлого века решительно изменила роль вычислительных средств в общей стратегии научных исследований. Фантастическое быстродействие и колоссальная оперативная память современных персональных ЭВМ позволяют каждому расчетчику рассчитывать не только общее магнитное поле машины, не разделяя его на локальные составляющие, но и решать связанные полевые задачи, т.е. на одной модели пространственной структуры рассчитывать поля различной физической природы (электромагнитное, тепловое, поле механических напряжений) в их взаимодействии. Появилась возможность замены физического эксперимента численным экспериментом. Стоимость и сроки разработки новых электрических машин сократились во много раз. Более того, при численном эксперименте появилась возможность наблюдать такие явления и проводить такие измерения, которые невозможно наблюдать при обычном физическом эксперименте на реальной опытной машине.

Трудность, однако, заключается в том, что для решения сложных полевых задач требуется, как правило, и сложное математическое обеспечение программы, пакеты программ, программные комплексы. И дело не только в том, что стоимость такого матобеспечения обычно высока, поскольку разрабатывалось оно в течение длительного времени большими коллективами высококвалифицированных специалистов, но и в том, что освоение этих программ требует значительных усилий и времени.

В этой связи весьма привлекательными для начинающих исследователей, в особенности для студентов-электромехаников, являются относительно простые в освоении и использовании программы для решения полевых задач методом конечных элементов. Эти программы, не реализуя в полной мере всех возможностей современной вычислительной техники, в то же время позволяют добиться очень хороших результатов как в процессе изучения общей теории электрических машин, так и при решении практических задач. К числу таких программ относится разработанная профессором Дэвидом Микером (David Meeker), США, и доступная для обычного пользователя программа FEMM.

Приводимая ниже публикация представляет собой несколько дополненную средствами компьютерных технологий кандидатскую диссертацию Тейн Наинг Туна (Союз Мьянмы), подготовленную на кафедре Электромеханики МЭИ под руководством В.И.Гончарова и защищенную в июне 2010 г. В диссертации продемонстрированы возможности применения программы FEMM для электромагнитных расчетов электрических машин.

 Cодержание