Теоретические основы совершенствования электромагнитных расчетов электрических машин переменного тока

• Автор: Цыбулевский, Феликс Иванович
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Новочеркасск
• Количество страниц: 281 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ВЫБОР ЗАДАЧ. ХАРАКТЕРИСТИКА СОДЕРЖАНИЯ
2. ТЕОРИЯ СИЛОВЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ В ПРИСУТСТВИИ
НЕЛИНЕЙНЫХ МАГНЕТИКОВ
2.1. Основные условия и допущения. Физикоматематическая
модель магнетика
2.2. Формулы для расчета электромагнитных сил через их плотности
и натяжения
2.3. Аналитическая и экспериментальная проверка справедливости
формул для ЭМ сил в магнетиках
2.4. Расчет электромагнитных сил энергетическим методом
2.5. Анализ критических замечаний к работам автора
по электромагнитным силам
2.6. Ошибочность доказательств первой формулы Максвелла
для плотности электромагнитных сил
2.7. Выводы
3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИЛЫ И ВРАЩАЮЩИЕ МОМЕНТЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
3.1. Расчет и анализ распределения ЭМ сил, действующих на статор
машины беспазовой конструкции
3.2. Приближенный аналитический расчет распределения радиальных
ЭМ сил по сердечнику статора при наличии пазов
3.3. Общие выражения для электромагнитного вращающего момента
и примеры их применения
3.4. Выводы
4. СТРУКТУРА И МАГНИТОДВИЖУЩИЕ СИЛЫ СИММЕТРИЧНЫХ МНОГОФАЗНЫХ ОБМОТОК
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
4.1. Основные условия и допущения. МДС произвольных однофазной
и симметричной многофазной обмоток
4.2. Структура и МДС многофазных регулярных обмоток
4.3. Структура и свойства симметричных многофазных обмоток с равношаговыми разновитковыми катушками и постоянным
числом проводников паза
4.4. Примеры и анализ обмоток для регулирования скорости вращения двигателей изменением порядка следования фаз

питающего напряжения
4.5. Выводы
5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ
И ХАРАКТЕРИСТИК РАБОЧЕГО РЕЖИМА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
5.1. Основные соотношения для Г-образной схемы замещения
5.2. Расчет параметров Т- и Г-образной схем замещения
по данным опытов
5.3. Математическое описание установившегося режима работы короткозамкнутого АД с чередующимися пазами на роторе
5.4. Выводы
6. ДОБАВОЧНЫЕ МОМЕНТЫ КОРОТКОЗАМКНУТЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ОТСУТСТВИИ
НАСЫЩЕНИЯ СЕРДЕЧНИКОВ
6.1. Исходные условия и допущения
6.2. Получение выражений для расчета добавочных моментов
и их анализ
6.3. Физическая постановка задачи расчета индуктивностей обмоток
за счет поля зазора
6.4. Особенности расчета индуктивностей обмоток,
гармоник тока клетки и добавочных моментов
6.5. Расчет токов ротора, электромагнитного вращающего момента и потерь в роторе при учете контакта
клетки с магнитопроводом
6.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Электрические машины индуктивного действия нашли в настоящее время самое широкое применение. Под влиянием технического прогресса и изменяющихся требований к технико-экономическим показателям все чаще приходится разрабатывать новые серии и модификации электрических машин. Затраты времени и средств на разработку новых машин существенно зависят от погрешностей проектирования, что приводит к необходимости более или менее значительных корректировок проектов после изготовления и испытания опытных образцов. В частности, опытные данные могут сильно отличаться от расчетных для уровней вибрации и шума электромагнитного происхождения машин разных типов, для механических характеристик и потерь мощности асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, для рабочих характеристик асинхронных двигателей с чередующейся формой стержней клетки. С другой стороны, существующие расчетные методики и положенные в их основу теоретические разработки страдают неточностями, неоправданными ограничениями и допущениями и далеко не в полной мере используют возможности ЭВМ и численных методов. Поэтому проблема совершенствования методик электромагнитных расчетов электрических машин, решение которой позволит ускорить и удешевить проектирование, а также обеспечить обоснованный поиск оптимальных вариантов новых машин, является, безусловно, актуальной.
Цель работы заключается в получении физически обоснованных, а также строгих в рамках минимума допущений и наиболее рациональных формул и методик для нахождения электромаг нитных показателей, параметров и характеристик электрических машин переменного тока. Поставленная цель достигается решением следующих достаточно важных и общих задач.
1. Разработка теории преобразования энергии и силовых взаимодействий в магнитном поле в присутствии нелинейных безгистерезисных магнетиков.
2. Получение выражений для электромагнитных (ЭМ) сил и вращающих моментов в электрических машинах вращательного движения.
3. Получение и анализ выражений для магнитодвижущих сил (МДС) в виде рядов Фурье и исследование закономерностей структуры многофазных симметричных произвольных и регулярных обмоток электрических машин.
4. Разработка вопросов теории для совершенствования расчетов электромагнитных параметров и характеристик рабочего режима асинхронных двигателей (АД).
5. Разработка теории и методик расчета добавочных моментов и добавочных потерь короткозамкнутых АД при учете пазовости сердечников и токов растекания по сердечнику ротора.
Методы исследований. Основные результаты работы получены посредством аналитических преобразований и исследований, и лишь в нескольких случаях использовались численные методы. Экспериментальные исследования применялись для

получили признания. Выражения (2.26) найдены И.Е.Таммом для внутренней области постоянного магнита с проницаемостью juq не позднее, чем в третьем издании книги [12], вышедшем в 1944 г. Там же указана и возможность получения выражения для поверхностной плотности ЭМ силы на основе (2.8). Однако автор [12] считал, что формулы (2.26) пригодны лишь для вычисления равнодействующей и результирующего момента, приложенных к магниту, но вовсе нельзя быть уверенным, что распределение ЭМ сил по (2.26) соответствует действительности. Основанием для такого заключения послужил вывод в [12] формулы (2.26) посредством распространения на объем магнита выражения для натяжений, которое, по мнению автора [12], справедливо лишь для внешней неферромагнитной среды. Поэтому в [12] отмечается, что действительное распределение ЭМ “сил по объему магнита может быть получено только путем гораздо более углубленного анализа всей проблемы в целом”. Вообще в [12] не даются выражения для плотностей ЭМ сил в ферромагнетике, которые И.Е.Тамм охарактеризовал бы как достаточно строгие.
Плотность ЭМ сил (2.26) приведена также в [13] (первое издание вьгшло в 1922 г., четвертое, переработанное, - в 1949 г.), однако указано, что она принята по определению и что можно рассматривать как плотность ЭМ сил и нетождественное (2.26) выражение.
Формулы (2.26)-(2.31), (2.33), (2.34), (2.38) или эквивалентные им были записаны и в [14] с использованием результатов [215]. При этом прямое преобразование (2.31) в (2.34) было выполнено в [14], по-видимому, впервые, хотя оно следует и из формул [12] для постоянного магнита при условии /л = //q
Однако автор [14] в своей другой работе [16] отмечает, что поскольку при J = 0 и ju = const плотность сил /у обращается в нуль, то “макроскопическая модель, следовательно, не дает представлений об истинном распределении сил по объему магнетика”. Соответственно, в [15-18, 194] считается, что формула (2.31) пригодна, как уже указывалось, лишь для всего объема магнитного тела, а для записи формулы (2.32) вообще нет оснований. Отметим, что ошибочность приведенного высказывания из [16] следует из предыдущего параграфа, согласно которому макроскопическая плотность ЭМ сил для условий J = 0, rotM=0 обращается в нуль вполне закономерно.
Ключевые выражения (2.26), (2.28), (2.34), (2.38) в [16] были названы формулами Стреттона-Львова. Но поскольку они соответствуют математической модели магнетика по Амперу, применению затем закона Ампера к токам намагниченности и тензорному преобразованию, выполненному Максвеллом[10, 15], то формулы (2.28), (2.30)—(2.32), по-видимому, целесообразно было бы назвать формулами Ампера, а формулы (2.34), (2.36), (2.37) и тензор с элементами (2.38) - соответственно формулами и тензором Ампера-Максвелла.
Плотность ЭМ сил (2.28) принята и в [24]. Однако при получении окончательных выражений в [24] использовано физически необоснованное положение о возмож-