Спрямований синтез та інноваційний аналіз нових структурних різновидів синхронних електричних машин

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

 «Київський  політехнічний інститут» 

       Кафедра електромеханіки 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Курсова робота інноваційного спрямування

       з дисципліни «Спеціальні електричні машини»

       на  тему:

    «Спрямований синтез та інноваційний аналіз нових структурних різновидів синхронних електричних машин» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Перевірив:        Виконав:

проф. Шинкаренко В.Ф.      студент гр.ЕМ-61           IV курсу, ФЕА

    Іванов Антон

 
 
 
 
 
 

Київ – 2009

 

Реферат 

     В цій курсовій роботі з дисципліни «Спеціальні електричні машини» здійснено патентний пошук, спрямований синтез і візуалізацію споріднених і гомологічних структур синхронних електричних машин. На основі вибраної електричної машини було проведено: опис конструкції та принцип дії; ідентифіковано її генетичний код; визначено видову приналежність, області існування та системний аналіз породжувальних структур досліджуваного класу ЕМ; було синтезовано генетично споріднені структури ЕМ; побудовано дерево мікроеволюції обраного виду електричниї машин, а також був створений генетичний банк даних синтезованих структур.

 

     Зміст 

Вступ….………………………………………………………………………..4 

1. Результати патентного пошуку і аналіз первинної інформації

1.1 Результати патентно-інформаційного пошуку ……………….....5 

1.2 Структура та зміст інформаційної бази даннях …………………5

1.3 Визначення структурного прототипу, опис принципу

його роботи, особливості його конструкції………………………….5

2. Побудова моделі мікроеволюції …………………………………………7

3. Визначення області  існування та аналіз породжувальних структур

   класу дискових електричних машин

     3.1 Короткі теоретичні відомості  про генетичний

           класифікацію і її властивості………………………………………9

     3.2 Ідентифікація генетичного коду обраного прототипу…………..11

     3.3 Область існування породжувальних структур классу

            багатороторних електричних машин. Функції цілі і

           обмеження на область пошуку……………………………………11

     3.4 Аналіз області існування………………………………………….12 

4. Спрямований синтез і аналіз нових структур синхронних

машин з дисковим ротором ..……………………………………………12 

5. Спрямована генерація  і візуалізація  нових структурних 

   різновидів ЕМ

      5.1 Створення структур на основі методів генетичного синтезу .…19

     5.2 Генетичний синтез і аналіз  синтезованих структурних

          різновидів дискових електричних машин виду ТП 0.2у………..20 

6. Рангова структура основних систематичних одиниць

   класу синхронних електричних машин………………………………23 

7. Побудова генетичного  банку даних систематизованих  структур…..23 

Висновоки по роботі………………………………………………………...25 

Список використаної літератури…………………………………………...26 

Додатки   
 
 
 
 
 
 
 
 

Вступ 

     На  сьогодні галузь електромеханіки досить поширена в світі. В цілому будуються або модернізуються багато фірм і підприємств, що застосовують свої методи виробництва. Найголовніші питання, які ставлять перед керівниками і замовниками є перспективність, економічність і екологічність галузі. А також винаходження нових структур, які б задовольняли новим потребам суспільства. Тому такі способи вирішення проблеми не завжди дозволяють обрати найбільш оптимальний шлях і побачити найкращий варіант. Тому для вирішення цих проблем найбільш досконалим підходом є спрямований синтез нових структур з використанням генетичної класифікації.

     Вона  дозволяє розглядати особливості кожної структури як в межах одного класу систем природного походження, так і в межах інших видів і класів. Тому для цього потрібно знати загальносистемні принципи  і закони електромеханічних систем (ЕМС) за допомогою яких можна створювати нові структури, переносячи всі найкращі особливості старих машин на нові види і класи електромеханічних структур.

       Такий метод потребує узагальнення накопичених знань, і застосування їх до кожного виду ЕМ окремо, для подальшого направленого пошуку, генетичного синтезу моделювати нові моделі які за рядом параметрів будуть розбігатися з вихідною моделлю, і матимуть характеристики, необхідні новим вимогам і потребам. Також це дозволить зменшити час і кошти для розробки принципово нових ЕМ.

       Метою даної роботи є засвоєння практичних навичок постановки та розвязання інноваційних задач структурного синтезу та системного аналізу обєктів електромеханіки.

 

     1. Результати патентного пошуку і аналіз первинної інформації 

      1.1 Результати патентно-інформаційного пошуку 

       Першим  з завдань даної роботи було знайти необхідну кількість патентів і взявши однин з них за основний виконати всі поставлені задачі.

       Інформація  для даної теми була знайдена в описах до патентів в Державній науково-технічній бібліотеці України в Патентному відділі а також в бібліотеці НТУУ «КПІ».

       В процесі роботи був здійснений інформаційний пошук вітчизняних патентів а також патентів з території СНГ за роки з 1988 р. по 2005р. Це було подано в табличному вигляді в інформаційій базі даних (додаток 1). Але ця таблиця відображає лише деяку кількість патентів синхронних електричних машин, що були запатентовані у вказаний проміжок часу.  

     1.2 Структура та зміст  інформаційної бази  даннях  

     В інформаційній базі даних (додаток 1) наведена інформація, яка буде використовуватись у подальшому. Інформаційна база містить наступні дані:

• Номер за порядком.
• Рік винаходу патенту.
• Номер свідоцтва про винахід
• Назва винайденого патенту.
• Завдання, або напрями вдосконалення які автор поставив перед собою і досяг у даному винаході.
• Короткий опис до патенту на винахід.
• Зменшений рисунок.
• Генетичний код (запис генетичної інформації, який взято з генетичної класифікації (ГК)).
• Генетичний оператор.

 
 

   1.3 Визначення структурного прототипу, опис принципу його роботи, особливості його конструкції 

       У результаті патентного пошуку, як структурний прототипу був обраний синхронний електромагнітний двигун з розподіленою обмоткою (№4 в додатку 1), так як домінуючою є кількість патентів з тороїдально-плоскими поверхнями. Номер патенту: UА 79441; назва «Електрична машина». 

     Принцип дії: поверхні магнітних полюсів ротора і статора перпендику-лярні до валу двигуна. Система збудження виконана на постійних магнітах. Магнітні полюси ротора виконані з постійних магнітів і розташовані на одному колі відносно осі обертання в площині, перпендикулярній до валу. Поверхні роторних полюсів також перпендикулярні полюсам системи збудження, останні виконані з моно матеріалу з високою магнітною проникністю і малою коерцитивною силою. Полюси системи збудження з’єднані разом і закріплені на валу двигуна за допомогою немагнітних елементів.

     Пропускаючи струм по розподіленим обмоткам статорів наприклад лівого (див. рисунок 1), які лежать в тороїдальному магнітопроводі створюємо осьовий робочий магнітний потік, який проходить через торцевий робочий проміжок і через постійний магніт диска ротора. Проходячи вздовж нього зі сторони протилежної полярності через другий робочий повітряний проміжок ротора попадає на магнітопровід правого диска статора і замикається по магнітопроводу. Це призводить до того, що ротор даного двигуна обертається без таких комутуючих елементів, як щітки і  кільця, що дозволяє використовувати такий двигун в вибухонебезпечних зонах (наприклад в шахтах). 

     Особливості будови: синхронний магнітоелектричний двигун;

                         обертовий;

                         явновиражені магнітні полюси;

                         дві активні поверхні з розподіленими обмотками. 

     Галузі  практичного застосування: в патенті вказано, що такий двигун може застосовуватися в автоматичних системах управління і на вибухонебез-печних  виробництвах. 

Рисунок 1 – Синхронна машина з розподіленою обмоткою 

де  1 – статор;

      2 – ротор;

      3 – розподілена обмотка статора;

      4 – постійний магніт ротора. 
 
 

    2. Побудова моделі мікроеволюції тороїдально-плоских

        електричних машин 

    Поняття мікроеволюції - це напрям структурної еволюції ЕМ систем, що відбувається в межах конкретного виду електричних машин. Мікроеволюція збирає в собі процеси генетичного формування популяцій та їх вдосконален-ня. В основі моделей мікроеволюції лежать інформаційні процеси. Роль вихідної інформації для побудови таких моделей виконують результати патентно-інформаційних досліджень.

    Моделювання мікроеволюційних процесів складається  з двох характерних етапів. На першому  визначається безліч породжвальних структур, які визначають генофонд виду. З огляду на генетичну будову виду, розвиток його популяційної структури можна вважати результатом спрямованого відбору в межах можливого хромосомного набору, який визначається комбінаційними варіантами електромагнітних хромосом і генетичними мутаціями.

     Моделі  мікроеволюції відображають реальні процеси внутрішньовидових генотипних змін та напрямки удосконалення структурної організації ЕМПЕ на рівні окремих підвидів і популяцій. Вони дозволяють здійснювати аналіз ефективності інновацій та підставу побудови алгоритмів генетичного синтезу електромеханічних об'єктів з поліпшеними показниками якості.

     Для побудови моделі мікроеволюції виконаємо наступні кроки:

• Проведемо пошук вихідної інформації з патентої бази данних;
• Візьмемо за домінуючий вид електричні машини з тороїдально-плоскою конструкцією і цільові функції що були покладені в основу винаходу;
• Побудуємо еволюційне дерево вздовж осі часу.

 

Рисунок 2 – Модель мікроеволюції електричних машин тороїдально-плоского виду 

     На  рисунку 2 показано генетичне дерево мікроеволюції класу електродвигунів з дисковим ротором. Патентний пошук був проведений на 17 років (1988-2005). Для побудови діаграми по вісі абсцис зазначимо декілька умов (цілей), які б вказували на мету покращення патенту:

     F1ц-підвищення енергетичних показників, а саме ККД (4,6)

     F2ц-розширення експлуатаційних можливостей (2,7,9)

     F3ц-спрощення конструкції (5).