Plazer-don.ru

Сварочное оборудование
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как автоматизировать проектирование обмоток в электрических машинах с использованием приложения

Как автоматизировать проектирование обмоток в электрических машинах с использованием приложения

Author Image

Если не учитывать тип обмотки (концентрированная или распределённая), методика проектирования электрических машин, в целом, очень похожа, так как основана на построении векторных диаграмм. На основе верификационной модели асинхронного двигателя с концентрированной обмоткой, мы покажем вам, как создавать геометрические выборки (selections) в COMSOL Multiphysics® для упрощения работы, связанной с проектированием обмоток. Затем вы увидите, как можно еще больше усовершенствовать и автоматизировать свою модель, используя Среду разработки приложений.

Исходная модель асинхронного двигателя

Режимы работы и виды электрических машин определяются способом подключения их обмоток. Их главный принцип работы основан на создании напряжений и растекании токов, протекающих через эти обмотки. Независимо от вида машины, обмотки можно разделить на концентрированные или распределенные, с разбиением на подкатегории с дробным или целым числом пазов.

В концентрированных обмотках, как следует из названия, каждый полюс машины будет иметь набор проводников, проходящих через один и тот же паз. С другой стороны, для распределенных обмоток количество пазов будет больше, чем количество полюсов, поэтому проводники каждого полюса будут распределяться между пазами. Стоит отметить, что разбор преимуществ и недостатков каждого из указанных типов обмоток — отдельная тема, которая выходит за рамки данной заметки.

В тестовой модели асинхронного двигателя каждый полюс смещён на 60° относительно предыдущего (шаг полюсов составляет 60°). Следовательно, пазы в статоре также смещены на 60°. Чтобы создать однородное магнитное поле, обеспечить индукцию в роторе и создать вращающую силу, между пазами статора должен быть небольшой воздушный зазор. Во многих конфигурациях ротора этот зазор заполняется зубцами статора. Однако, в этом примере, данный зазор заполним сектором воздуха с углом раскрытия 15°. Суммарно полюс статора и его паз будут охватывать 60°.

Читайте так же:
Выключенный счетчик электроэнергии мотает

Геометрия модели трёхфазного асинхронного двигателя

Схема трехфазного асинхронного двигателя с изображением размеров и конфигурацией фаз исходной модели.

Всё то, что мы только что рассказали, может показаться сложным. Однако, не спешите отчаиваться, всё достаточно просто! Как мы уже упоминали ранее, обмоток в электрических машинах проектируют на основе построения векторных диаграмм. На рисунке ниже синими линиями изображены фазы, а оранжевыми — их отрицательные составляющие.

3-фазная векторная диаграмма.

Трехфазная векторная диаграмма.

Асинхронный двигатель, используемый в этом примере, представляет собой трёхфазную двухполюсную машину, которую можно описать векторной диаграмой, где 60° — угол между полюсами статора. Обратите внимание, что данное распределение углов будет работать только в случае двухполюсной машины. Нам нужно установить связь между электрическими углами, изображёнными на векторной диаграмме, которые описывают вращательное движение ротора, и механическим углом, который описывает положение каждого паза статора. Электрический угол описывается следующим уравнением:

Создание геометрических выборок в COMSOL Multiphysics®

В узле Definitions (Определения) можно создать выборку, то есть сгруппировать геометрические объекты, такие как домены, границы, рёбра и точки. Для двухполюсной машины создадим две выборки: для паза статора, соответствующего каждой фазе, и для задания направления тока (от нас или на нас в двухмерном случае). Обратите внимание, что способов выполнения тех или иных операций автоматизации может быть несколько. В данном примере мы лишь показываем, как вы можете использовать функцию выборки для упрощения ваших моделей.

На рисунке ниже показано создание круговой выборки (ball selection) и её параметризация таким образом, чтобы можно было всегда выбирать середину каждой фазы статора. Как упоминалось ранее, фазы статора смещены друг относительно друга на 45º. Так как геометрия в модели имеет форму круга, легко параметризовать xy-координаты, чтобы задать положение каждой катушки:

Читайте так же:
Однофазные счетчики электроэнергии ник 2102

На скриншоте показано, как создавать параметризованные круговые выборки в COMSOL Multiphysics.

Создание параметризованной круговой выборки в COMSOL Multiphysics.

Посмотрите на скриншот, изображённый выше. Круговой выборкой Ball 1 задаётся фаза –A, а Ball 2 — фаза A. Используя операцию Union (Объединение) обе этих выборки были объединены в одну. Это позволяет нам легко их выбирать в различных физических интерфейсах, к примеру, в узле Coil (Катушка).

На скриншоте показано, как объединить несколько выборок в одну, используя функцию Union (Объединение).

Настройка узла Coil 1: Для фазы A указываем выборку Union 1, а в подузле Reversed Current Direction (Обратное направление тока) для Ball 1.

На скриншоте выше показано, как можно использовать геометрические выборки при настройке узла или граничного условия в физическом интерфейсе. Зелёной рамкой выделена выборка Union, а синей — Ball 1. Последняя из них нужна, чтобы переопределить направление тока в обмотке фазы -A.

Порядок фаз будет определять направление движения ротора. Поэтому мы будем использовать ту же последовательность, что и в исходном примере — начиная с фазы –A. Теперь рассмотрим четырёхполюсную машину и опишем электрический и механический углы, а также распределение фаз и направление протекания тока. В следующей таблице представлены данные для этих элементов.

Связь между распределением фаз, протеканием тока, электрическим и механическим углами для четырёхполюсной машины.

Если всё это задавать вручную, то задача может стать довольно утомительной и занять много времени. Для этого нужно будет создать двенадцать круговых выборок (ball selections) и сгруппировать их тремя выборками Union, а затем переопределить обратное направление тока. Теперь представьте, как вы будете вручную задавать каждую выборку, например, для восьми- или десятиполюсных машин. В следующем разделе мы покажем. как можно использовать Среду разработки приложений для упрощения данной задачи.

Использование скриптов для создания динамических выборок в Среде разработки приложений

С помощью Среды разработки приложений вы можете создать индивидуальный пользовательский интерфейс, который будет отвечать конкретно вашим потребностям. В данном примере мы параметризовали модель, чтобы записать функцию, которая зависит от шага полюсов статора и механического угла и может использоваться для эффективного моделирования трёхфазной асинхронной машины с несколькими полюсами. Как мы упоминали ранее, существует множество способов для автоматизации данного процесса. В данной заметке наша задача продемонстрировать возможности и преимущества использования функционала геометрических выборок и Среды разработки приложений для этого.

Читайте так же:
Условия проверки счетчиков электроэнергии

Функции, задающие координаты x и y для круговых выборок, могут быть описаны следующими выражениями:

где θs — шаг обмотки катушки и n — целое число от нуля до количества катушек в модели.

Так как в модели три фазы и два направления протекания тока, можно воспользоваться функцией возврата остатка от деления (Mod (%)), чтобы задать два главных параметра катушки: фазу и направление тока. Если начать нумеровать катушки, начиная с фазы –A, до тех пор, пока механический угол не опишет полный оборот (360 градусов), для четырёхполюсной машины мы получим следующую таблицу.

Описание алгоритма задания каждой фазы и изменения направления протекания тока.

Здесь, номер катушки (i) 0 представляет фазу –A, номер катушки 1 представляет фазу B и так далее. Используя функцию i%3, мы можем легко задать фазу A — 0, фазу B — 1 и фазу C — 2. Кроме того, для каждой фазы, начиная с фазы –A, мы видим, что отрицательное направление тока определяется как 1, а положительное — 0.

Чтобы осознать, как это работает, давайте взглянем на часть кода, созданного с помощью Редактора методов (Method Editor) в Среде разработки приложений.

Код, созданный с помощью Редактора методов (Method Editor) в Среде разработки приложений для автоматической генерации круговых выборок.

Скрипт, автоматически генерирующий круговые выборки для каждой катушки. Скрипт написан с использованием Method Editor (Редактора методов).

На рисунке выше показано, как создать выборку для фазы A. Здесь мы используем три счетчика: i — текущей номер катушки (от 0 до 11 в случае четырёхполюсной машины). Если i%3 имеет значение «true», то мы говорим, что это — фаза A, и сохраняем эти выборки в массиве phaseA. Затем необходимо проверить направление протекания тока. Если i%2 равно 0, то направление тока отрицательно, и мы сохраняем эти выборки в другом массиве — phaseArev.

До этого момента мы создавали только круговые выборки, но также необходимо создать выборки union. Это довольно легко сделать, так как в нашем случае всегда будет шесть таких узлов: фаза A, фаза B, фаза C и ещё три для задания обратного протекания тока.

Читайте так же:
Пломбиратор для счетчиков электроэнергии

Скриншот кода для создания объединения геометрических выборок.

Создание выборок union с помощью Редактора методов для каждой фазы.

Также необходимо убедиться, что каждая выборка union соответствует нужному узлу в физическом интерфейсе.

Скриншот кода для связи выборок с узлами в физическом интерфейсе.

Связка узлов физического интерфейса и выборок с использованием Редактора методов.

На этом этапе мы завершили создание выборок, которые зависят от количества полюсов, определенного в качестве входного параметра пользователем в приложении. При наличии желания и времени, вы можете еще больше расширить функционал данного приложения с помощью Редактора форм (Form Editor). Этот инструмент даёт возможность редактировать приложения под свои нужды, например, определять свойства материалов, переключать тип исследования (переходное или гармоническое), а также автоматизировать процесс обработки результатов. Данные функции показаны на скриншоте ниже.

Пример приложения, которое разработано для автоматизации проектирования обмоток в электрических машинах.

Приложение, основанное на исходной модели асинхронного двигателя. Оно автоматически создаёт и отображает выборки в зависимости от соотношения между электрическим и механическим углами.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector