Дипломная работа Оптимизация геометрических размеров магнитов линейного электродвигателя - файл n1.doc

Дипломная работа Оптимизация геометрических размеров магнитов линейного электродвигателя
скачать (3773.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3774kb.06.11.2012 13:17скачать

n1.doc

  1   2   3


Оптимизация геометрических размеров магнитов линейного электродвигателя

Содержание




Введение

2

Часть 1.

Принцип действия и основные элементы электрической машины переменного тока

4

Часть 2.

Постановка задачи

10

2.1.

Описание физической модели задачи и принятых допущений

11

Часть 3.

Математическая модель поля статора линейной машины

и методика расчета

11

3.1.

Модели для расчета поля уединенного постоянного магнита

11

3.2.

Расчет поля постоянных магнитов в присутствии ферромагнитных масс

13

3.2.1.

Расчет магнитного поля в присутствии идеального ферромагнетика методом зеркальных изображений

13

3.2.2.

Расчет магнитного поля методом магнитных цепей

16

3.2.3.

Расчет поля методом вторичных источников

18

3.2.4.

Численное решение интегрального уравнения Фредгольма 2 рода для плотности вторичных источников

25

Часть 4.

Анализ результатов расчета и оптимизации

27

4.1

Расчет поля с использованием метода вторичных источников

27

4.2

Сравнение результатов расчета поля методом изображений

32

Часть 5.

Правила электробезопасности при работе c электрическими машинами

35




Заключение

37




Литература

38




Приложение 1. Исходные тексты программы расчета поля МИУ

39




Приложение 2. Тексты программы расчета поля методом изображений

47



Введение.

Электрические машины широко используются во всех промышленных и сельскохозяйственных установках, в устройствах автоматики и телемеханики, в вычислительной технике и в бытовых приборах, в автоматических линиях и роботизированных комплексах, на транспорте.

Одним из важнейших показателей качества электрических машин является их эффективность, высокий коэффициент полезного действия, соответствие режимов работы требуемым в конкретных условиях применения. Проверка рабочих свойств машин, их соответствие заданным требованиям, в том числе требованиям надежности, осуществляется на этапе проектирования, а затем - в процессе изготовления и эксплуатации.

История электрических машин начинается с 1821 г. (год создания М. Фарадеем первого прототипа электрического двигателя). С тех пор новые конструкции электрических машин сопровождал расчет их основных характеристик. В основе этих расчетов лежат физические феномены, принципы и законы. Одновременно, экспериментальный поиск и испытания позволяли продвигать вперед и теорию электрических машин (вспомним хотя бы открытый М. Фарадеем закон электромагнитной индукции, открытый Э.Х. Ленцем принцип обратимости электрических машин и др.).

При проектировании и расчете новых электрических машин, а также при оптимизации характеристик существующих, рассматривают и решают задачи, которые можно разделить на следующие группы: уяснение и уточнение физических процессов (электромагнитных, тепловых, механических и др.), происходящих в электрической ма­шине; составление на базе этих представлений исходных математиче­ской и физической моделей этих процессов – создание расчетной методики; разработка конструкции, технологического процесса изготовле­ния и производство машины.

Работа «Оптимизация геометрических размеров линейного электродвигателя» посвящена вопросу автоматизированного расчета параметров синхронного линейного электродвигателя на основе компьютерного моделирования. На сегодняшний день одним из наиболее прогрессивных путей повышения надежности и технико – экономической эффективности электрических машин является использование математических моделей, адекватно отражающих реальные физические процессы. Проводимые для этого расчеты основаны на описании электромагнитных свойств электрических машин переменного тока. Это обуславливает актуальность задачи совершенствования существующих моделей электрических машин в направлении большей их физической обоснованности, а так же создания алгоритмов моделирования.

Цель работы следующая: построить математическую модель поля статора линейного электродвигателя с постоянными магнитами и ферромагнитным сердечником использованием метода вторичных источников.

В работе решены следующие задачи: на основе разработанной модели, реализован численный алгоритм расчета магнитного поля в рабочей области линейной электрической машины, проведена оптимизация геометрических размеров машины из условия максимума потока на полюс.

Работа состоит введения, пяти глав, заключения и списка литературы. В первой главе описаны принципы работы, основные конструктивные элементы и эксплуатационные характеристики электродвигателей. Вторая глава посвящена постановке задачи исследования и описанию физической модели линейной электрической машины. В третьей главе дано описание и расчет трех математических моделей поля машины, основанных на методе зеркальных отображений, методе вторичных источников (интегральных уравнений), методе теории магнитных цепей. В четвертой главе рассмотрены результаты моделирования и оптимизации распределения поля методом последовательного анализа. Заключительная, шестая глава посвящена вопросам электробезопасности.

Часть 1. Принцип действия и основные элементы электрической машины переменного тока.

Электрические машины являются основными элементами электрических установок. Они используются как источники (генераторы) электрической энергии, как двигатели, чтобы приводить в движение самые разнообразные рабочие механизмы на заводах и фабриках, в сельском хозяйстве, на строительных работах и т. д.

Электрическая машина имеет две основные части — вращающуюся, называемую ротором, и неподвижную, называемую статором (рис. 1-1).



Рис. 1-1. Конструктивная схема электрической машины
 1; а - статор; 2; б — ротор; 3; в — подшипники.

Принцип действия электрической машины основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Согласно указанным законам, а также законам Ома, Джоуля-Ленца и магнитной цепи можно получить основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс машины. В магнитном поле между полюсами (рис. 1-2) помещен проводник, сечение которого изображено кружком.



Рис. 1-2. К объяснению принципа действия электрических машин.

При перемещении проводника, например, слева направо, в нем согласно закону электромагнитной индукции возникнет э.д.с.

,          (1-1)

где В — индукция в месте, где находится проводник; l — активная длина проводника, т. е. та его часть, которая находится в магнитном поле;
v —скорость движения проводника относительно поля.

 Направление наведенной э. д. с. определяется по правилу правой руки, причем следует иметь в виду, что это правило дается для определения направления э. д. с. в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля (рис. 1-3).



Рис. 1-3. Правило правой руки. Рис. 1-4. Правило левой руки

 Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по нему пойдет ток, имеющий такое же направление, как и э.д.с. Это направление (от нас) указано крестиком на рис. 1-2. В результате взаимодействия тока i в проводнике и поля возникнет электромагнитная сила

, (1-2)

направление которой определяется по правилу левой руки (рис. 1-4). При работе электрической машины происходит относительное перемещение проводников и магнитного поля. Такое перемещение в обычных машинах осуществляется путем вращательного движения.

Эта же элементарная машина может работать двигателем, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическую: при подведении к проводнику напряжения u в нем возникает ток i. При этом возникнет электромагнитная сила, которая согласно правилу левой руки заставит проводник передвигаться влево (если направление тока такое же, как на рис. 1-2).

Электрическая машина обратима, т. е. может работать и генератором и двигателем; принцип обратимости электрических машин был установлен русским академиком Э. X. Ленцем в 1833 г.

Таким образом, мы видим, что наличие магнитного поля и проводников, по которым проходит ток, является необходимым условием для работы любой электрической машины. Для усиления магнитного поля применяются ферромагнитные материалы в виде сталей.

В последнее время в энергетике, транспортной отрасли, машиностроении, в устройствах автоматики, управляющих механизмах стал применяться т.н. прямой привод с линейными машинами. В отличие от машин с вращающимися деталями, машина прямого привода - это электрическая машина с непосредственным преобразованием электромагнитной энергии в линейное или поворотное перемещение. Следует отметить, что во многом свойства линейной машины схожи со свойствами машины круговой.

Линейный двигатель — электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую бегущее магнитное поле, а другой - взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя. Т.о. с инженерной точки зрения двигатель прямого привода представляет собой развернутую в декартовой системе координат электромагнитную систему кругового двигателя.

Рис. 1-5. Принципиальная схема линейного

двигателя с трехфазной обмоткой на статоре

Токи статора линейной машины создают бегущее поле. В результате взаимодействия поля статора и токов ротора возникает электромагнитный тяговый момент, поскольку бегущее поле статора «увлекает» в движение подвижную часть машины - ротор. В соответствии с принципом электромеханики, преобразование энергии в электромеханических системах осуществляется неподвижными друг относительно друга полями, т.е. роторная обмотка будет перемещаться в рабочей области так, чтобы поля статора и токов роторной обмотки оставались неподвижными.

Другой конструкцией линейной машины является система с неподвижными постоянными магнитами, установленными на сердечнике статора, и питаемой переменным (не обязательно - синусоидальным) током роторной обмоткой т.н. магнитная дорога (рис.1-6).



Рис. 1-6. Принципиальная схема линейного двигателя с постоянными магнитами на статоре

В нем бегущее поле создают токи обмотки ротора (якоря). Силовое усилие обусловлено взаимодействием переменного поля токов якоря со статическим полем статора. В соответствии с принципом электромеханики о неподвижности полей при преобразовании энергии в машине, ротор с питающей обмоткой придет в движение. В машиностроении сегодня применяются преимущественно синхронные линейные и поворотные двигатели на редкоземельных магнитах. Эти машины называют синхронными, поскольку перемещение якоря в них определяется частотой изменения питающего напряжения.

В 1911 году Б. П. Вайнберг, профессор Томского технологического института, сконструировал поезд на магнитной подушке, который приводился в движение синхронным линейным электродвигателем. В том же году профессор Вайнберг построил и экспериментальную стендовую модель с макетом вагона весом 10 кг. Опыты, проведенные в России и во Франции в 1911-1913 годах, оказались успешными и доказали практическую возможность использования линейных двигателей в транспортных системах, при том что силовой полупроводниковой электроники в те времена еще не существовало.

Новый этап в истории создания линейных двигателей связан с открытиями в области физики твердого тела, порошковой металлургии и других отраслей знаний, когда стало возможно производство высококоэрцитивных магнитов с плотностью магнитного потока, достигающего 1.3 Тл. Эффективная технология производства таких магнитов сделала экономически оправданным серийное производство синхронных роторных и линейных двигателей и позволила вплотную подойти к созданию платформы для технического перевооружения всей современной промышленности.

По цене прямой привод уже практически сравнялся с прецизионным приводом на шарико-винтовых парах, но при этом значительно превосходит его по скорости перемещения и ряду других параметров, а в сравнении с зубчатой передачей двигатели прямого привода имеют преимущество в точности, повторяемости и сроке службы.

Поэтому для современного высокотехнологичного предприятия самым эффективным решением на сегодняшний день является применение систем прямого привода.
  1   2   3


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации