Розробка методів для адаптації параметрів просторових торцевих частин обмоток в 2D коло-польових моделях асинхронно-синхронних електричних машин

Abstract

За останній час набули розвитку теорія спеціального класу каскадних тихохідних безконтактних асинхронно-синхронних електричних машин (АСЕМ) та отримана принципова нова її конструкція, за допомогою якої одержано поєднання позитивних властивостей від звичайних асинхронних та синхронних електричних машин. Проблема. Відсутність колових та польових моделей АСЕМ накладає обмеження щодо подальшого дослідження електромагнітних, механічних та енергетичних процесів, в перехідних та квазіусталеному режимах її роботи. Мета. Розробка 3D та адаптованої 2D коло-польових моделей АСЕМ, методів декомпозиції і динамічного синтезу з адаптацією умов сполучення електромагнітних параметрів на границях розрахованих підобластей АСЕМ. Методологія. Просторові елементи конструкції АСЕМ представляються просторовими окремими розрахунковими підобластями. Для кожній із цих підобластей ставиться у відповідність протікання електромагнітних процесів, які утворені цілісною розрахунковою областю. За нев’язкою енергії магнітного поля окремих підобластей з цілісною розрахунковою зоною визначаються дія крайових ефектів в торцевих зонах та параметри лобових частин обмоток АСЕМ. Ці параметри з врахуванням крайових ефектів відображаються як елементи кола для 2D коло-польової моделі АСЕМ. Результати. Отримана комбінація методів декомпозиції 3D області АСЕМ і динамічного синтезу з адаптацією умов сполучення електромагнітних параметрів на границях його розрахованих підобластей, яка дозволяє забезпечити чисельну реалізацію 3D коло-польового моделювання електромагнітних полів в окремих електричних та магнітних контурах складної просторової конструкції АСЕМ, а також визначити вплив крайових ефектів в торцевих зонах лобових частин АСЕМ за нев’язкою енергії магнітного поля. Запропонована методика щодо визначення активних та індуктивних опорів лобових частин обмоток АСЕМ з врахуванням дії крайових ефектів. Точність та ефективність запропонованих методів підтверджується результатами експериментального дослідження. Наукова новизна. Розроблена адаптована динамічна 2D коло-польова модель нестаціонарних взаємопов’язаних електромагнітних та електромеханічних процесів АСЕМ, яка дозволяє врахувати в перехідних режимах роботи параметри лобових частин його обмоток через її схемну реалізацію, нелінійність магнітних та електрофізичних властивостей активних матеріалів, поверхневі і крайові ефекти торцевих зон його активної частини. Практична цінність. Запропоновані методи можуть бути використані для різних типів електричних машин.

Recently, the theory of a special class of cascade slow-speed non-contact induction-synchronous electrical machines (ISEM) has been developed. This allowed to obtain a combination of positive properties from conventional induction and synchronous electric machines. Problem. The lack of circuit and field models of ISEM imposes restrictions on further research of electromagnetic, mechanical and energy processes, in transient and quasi-steady modes of its operation. Goal. Development of 3D and adapted 2D circuit-field models of ISEM, decomposition methods, and dynamic synthesis with adaptation of electromagnetic parameter coupling conditions at the boundaries of calculated subdomains of ISEM. Methodology. Spatial elements of ISEM design are represented by separate spatial calculation subareas. The conditions of compliance with electromagnetic processes, which are formed by a complete calculation area and separate spatial calculation subareas of ISEM, are accepted. The influence of end effects and the parameters of the frontal parts of ISEM windings are determined by the inequality of the magnetic field energy of separate calculation subareas. These parameters, including end effects, are displayed as circuit elements in the 2D circuit-field model. Results. The obtained combination of 3D area decomposition methods and dynamic synthesis with adaptation of electromagnetic parameters coupling conditions at the boundaries of its calculated ISEM’s subdomains. The proposed technique for determining the resistance and inductive resistances of the frontal parts of the ISEM windings, taking into account edge effects. The accuracy and effectiveness of the proposed methods is confirmed by the results of an experimental study. Originality. An adapted dynamic 2D circuit-field model of transient processes of ISEM has been developed, which allows taking into account parameters of the frontal parts of its windings.