Спрямований синтез та інноваційний аналіз нових структурних різновидів синхронних електричних машин

     З генетичного дерева видно, що найбільш прогресивним напрямком удосконалення  електродвигунів з тороїдально-плоскою поверхнею первин-ного джерела поля є підвищення ККД, а потім розширення експлуатаційних можливостей і спрощення конструкції в однаковому відношенні. 

     3. Визначення області  існування та аналіз  породжувальних структур класу синхронних електричних машин 

     3.1 Короткі теоретичні відомості про генетичний класифікацію і її властивості 

     Виникають певні завдання при проведенні системних досліджень нових типів електричних машин, при необхідності побудови інформаційних та навчальних баз даних та баз знань, а також при пошуковому проектуванні нетрадиційних типів ЕМ-об'єктів. Нові типи ЕМ класифікуються так, що б задовольняти ряду вимог, що визначаються фундаментальними принципами електромеханічним перетворенням енергії та принципами побудови класифікацій складних технічних об'єктів.

     З точки зору використання базової  класифікації для здійснення спрямованого синтезу структур ЕМ-об'єктів, і структуру  необхідно подати у вигляді двовимірної  області, утвореної ортогональними осями базових класифікаційних  ознак, значення яких однозначно визначають координати базових властивостей багатьох об'єктів, які класифікуються. З урахуванням цільового призначення такої класифікації можливості використання апарату безпосереднього геометричного моделювання, основною формою подання та обробки інформації може бути графічна інформація. Це дає можливість безпосередньо використовувати графічні образи базових об'єктів в якості вихідних примітивів для здійснення процедур спрямованої генерації множин потенційно можливих структур об'єктів у межах координатного простору базових ознак.

     Для кожного виду машин генетична  інформація включає в себе перелік  базових елементів машин, які  характерні тільки для даного виду і є відмінною ознакою цього  виду.

     Цільовою  функцією пошуку буде область існування породжують структур класу ЕМ.

     Область існування знаходиться за допомогою  генетичної класифікації первинних  джерел електромагнітного поля.

     Генетична класифікація первинних джерел електромагнітного  поля – це системна модель для пізнання принципів структурної організації і розвитку ЕМ систем. Вона упорядковує первинні (породжувальні) елементи, які наділені генетичною інформацією, яка зберігається, або перетворюється відповідно до певних законів спадковості при синтезі систем більш високого рівня складності.

     Під первинним джерелом поля будемо розуміти просторову струмонесучу поверхню, на якій задано вид і закон розподілу поля (стаціонарний, хвильовий, пульсуючий та ін.). 

Ця генетична  класифікація структурно визначається двома поняттями.

• Перше – просторова геометрія первинних джерел поля.

 Існують такі види просторової геометрії:

     ЦЛ  – циліндричний;   КН - конічний;

     ПЛ - плоский;   ТП – тороїдальний плоский;

     СФ  – сферичний;   ТЦ – тороїдальний циліндричний

• Друге поняття– електромагнітна симетрія джерела поля. Вона характеризує властивість електромагнітної хвилі поля зберігати свою періодичність за напрямком її розповсюдження, або за ортогональним напрямком.

0.0 – джерело  поля симетричне за x та y напрямками; 
0.2 – джерело поля симетричне за напрямком розповсюдження хвилі і асиметричне за ортогональним напрямком (х – асиметрія; у – симетрія);

2.0 – клас  джерел поля асиметричних за  напрямком розповсюдження хвилі  і симетричні за ортогональним  напрямком (х – симетрія; у  – асиметрія);

2.2 – асиметричні  за x та y напрямками.

     Перша цифра означає симетрію (0), або  асиметрію (2) джерел поля за напрямком  розповсюдження хвилі поля. Друга  цифра – показує симетрію, або  асиметрію за ортогональним напрямком  відносно напрямку розповсюдження хвилі  поля.

     Однак на підставі закону гомологічних рядів електромеханічних систем паралельні ряди генетично споріднених структур з такою точністю дозволяють визначити вид споріднених об'єктів, що знаючи властивості і ознаки структури одного виду, можна визначити родинні структури інших видів цього ряду, утворюючи тільки ті структури, які синтезовані на первинних джерелах поля, що належать до одного ряду генетичної класифікації. 
 

     3.2 Ідентифікація генетичного коду двостаторної синхронної машини з розподіленою обмоткою 

     Для ідентифікації генетичного коду обраного прототипу необхідно розглянути просторову геометричну форму первинного джерела поля (ПДП), під яким будемо розуміти просторову струмонесучу поверхню, на якій задано вид і закон розподілу поля.

       Візьмемо за ПДП геометричне  розтшування обмотки електричної машини. Вона має тороїдально – плоску форму з хвильовим законом розподілу поля (скорочено ТП). Так як в машині присутні дві незалежні обмотки, то перед літерним кодом можна поставити цифру 2 (2ТП). За напрямком розповсюдження цього поля машина має електромагнітну симетрію джерела поля (0) а за ортогональним напрямком асиметрію (2). Так як ця машина є обертовою то маємо літеру (у).

    Отже  тепер можна сказати, що генетичний код цієї машини буде виглядати так: 2 ТП 0.2 у. 

    3.3 Область існування породжувальних структур двостаторних синхронних електричних машин. Функції цілі і обмеження на область пошуку 

     Область існування – це упорядкована сукупність породжувальних структур, яку визначають видовий склад класу електромеханічної  системи в пошуковому просторі системної моделі.

     Визначення  області існування здійснюється на основі періодичної структури  генетичної класифікації. Теоретичною  основою, яка забезпечує відповідність  інформації на рівні джерел поля і  реальних функціональних класів є принцип збереження генетичної інформації. Він пояснює, що довільна структура в процесі еволюції зберігає свою інваріантну частину, яка визначається генетичною інформацією відповідної електромагнітної хромосоми.

     Цей принцип дозволяє здійснювати спрямований  синтез нових різновидів генетично модифікованих електричних машин; здійснювати моделювання внутрішньої структури довільного виду електричних машин; здійснювати постановку і розв’язання задач по визначенню геному (виду) і його розшифровці.

     Суть  принципу засновано в послідовному перенесенні суттєвих ознак, які визначають цільові функції структури та перевірки суміщеного генетичної структури із заданими ознаками. До таких ознак можна віднести: просторовий вид обмоток, характер рухомої частини, просторову форму активної поверхні, і т.п.

     Для обраного прототипу виділимо такі цільові функції:

     1. В основу першої функції покладемо наявність обертального

         руху;

     2. Дві активні поверхні на статорі (наприклад зліва і справа) з

              розподіленими обмотками;

     3. Ротором з явновираженими магнітними полюсами.

     При пошуку повинні бути прийняті до уваги  ще деякі обмеження:

               1. Пошук здійснюється лише в межах першого великого періоду;

     2. Дві активні поверхні на статорі  з розподіленими обмотками

               3. Ротором з явновираженими магнітними полюсами.  

     На прикладі покажемо, що маючи тороїдально плоску первинну поверхню синхронної машини-прототипа з розподіленою обмоткою ми можемо отримати машини різних форм з такими генетично-спорідненими ознаками, як та сама розподілена обмотка і обертальний рух (рисунок 3). 

 

     Рисунок 3 – перетворення форм ПДП за допомогою  метода перенесення 

     Таким чином за обраними ознаками і роду руху отримана область існування, яка показана в таблиці 1. 

    Таблиця 1

 
 

     3.4 Аналіз області існування 

     В таблиці 1 показана область існування  досліджуваного класу де кожен з  об’єктів цього класу був отриманий за допомогою принципу збереження генетичної інформації, в основі якої закладена визначена раніше цільова функція. Тобто ми можемо сказати, що в даному випадку маємо дві області існування окремих рядів:

     Q1 (2ЦЛ 0.2у, 2КН 0.2у, 2ТП 0.2у, 2СФ 0.2у, 2ТЦ 0.2у);

     Q2 (2ЦЛ 2.2у, 2КН 2.2у, 2ТП 2.2у, 2СФ 2.2у, 2ТЦ 2.2у).

     Жирним  шрифтом позначений код машини-прототипу, на основі якої і була сформульована  цільова функція пошуку (2ТП 0.2 y). Вся область існування налічує дев’ять нових об’єктів.

     В групах 0.0 і 2.0 об’єктів цього класу існувати не може через те, що в групі 0.0 обмотки повинні бути кільцеві (кінцеві ефекти відсутні), а в групі 2.0 – існують об’єкти тільки з поступальним рухом, так само як і не можуть існувати досліджувані машини у вигляді плоских машин. 

      4. Спрямований синтез і аналіз нових структур синхронної машини з дисковим ротором 

     Користуючись  законом гомологічних рядів електромеханічних  систем синтезуємо генетично споріднені об’єкти класу двостаторних електричних синхронних машин з розподіленою обмоткою, що були визначені в області існування завдяки методу просторових деформацій щодо структури-прототипу.

      За  допомогою спрямованого синтезу з одної машини можна отримати декілька нових, застосовуючи при цьому обраний метод.

     Наведемо  приклад, коли маючи, наприклад, одну структуру з циліндричним ПДП за допомогою метода деформації можна отримати іншу генетично-споріднену з конічним ПДП. Тобто рівномірно стиснувши (деформувавши) праву частину циліндричного ПДП по всій поверхні, отримємо конічний ПДП (рисунок 4).

Циліндричний  ПДП   Конічний ПДП 

   Рисунок 4 – приклад перетворення форми ПДП за методом деформації 

      Таким чином  за допомогою метода деформації синтезуємо всі необхідні структури. 

      За  допомогою просторових деформацій синхронної машини-прототипу тороїдального-плоского типу отримаємо синхронну циліндричну (див. рисунок 5). Вона може застосовуватися для різноманітних цілей, так як має вид стандартної циліндричної машини. Але вона має складну форму щодо вкладення обмотки в статор.

Рисунок 5 – синтезована структура синхронної машини з циліндричним ротором з явновновираженими магнітними полюсами.

Представник виду 2ЦЛ 0.2у 
 
 

На рисунку 5 позначені наступні елементи:

1 – обмотка  внутрішнього і зовнішнього статорів;

2 – статор;

3 – ротор  з явно вираженими полюсами. 

     Результатом синтезу синхронної машини-прототипу тороїдального-плоского типу в конічну є рисунок 6. Різниця з попередньою машиною полягає в тому, що кут між віссю обертання ротора і одним з кінців магнітопроводу статора був збільшений. Така машина має менш розповсюджену конструкцію за попередню, однак має досить розширену плоску поверхню з протилежного кінця валу, яка може застосовуватися для закріплення машини.

 

Рисунок 6 – синтезована структура синхронної машини з циліндричним ротором з явновновираженими магнітними полюсами.

 Представник  виду 2КН 0.2у 

На рисунку 6 позначені наступні елементи:

1 – обмотка  внутрішнього і зовнішнього статорів;

2 – статор;

3 – ротор  з явно вираженими полюсами.