Спрямований синтез та інноваційний аналіз нових структурних різновидів синхронних електричних машин

     На  рисунку 7 зображено візуалізовану структуру синтезу прототипу тороїдального плоского виду в сферичний. Тут структура вже має опуклу шароподібну форму в порівнянні з попередніми плоскими. Має конструкцію мало розповсюдженої форми.

Рисунок 7 – синтезована структура синхронної машини з сферичним

ротором з явновновираженими магнітними полюсами.

 Представник  виду 2СФ 0.2у 

На рисунку 7 позначені наступні елементи:

1 – обмотка  внутрішнього і зовнішнього статорів;

2 – статор;

3 – ротор  з явно вираженими полюсами 

     На  рисунку 8 маємо перетворення синхронної машини-прототипу тороїдального плоского типу в тороїдальну циліндричну. Ця машина матиме такий генетичний код: 2 ТЦ 0.2 у. Слід звернутим увагу на те, що машина не має підшипників, а працює за допомогою магнітного підвісу.

Рисунок 8 – синтезована структура синхронної машини з тороїдально-циліндричним ротором з явновновираженими магнітними полюсами.

 Представник виду 2СФ 0.2у 
 
 
 
 

На рисунку  8 позначені наступні елементи:

1 – обмотка  внутрішнього і зовнішнього статорів;

2 – статор;

3 – ротор  з явно вираженими полюсами 

     Перетворення синхронної машини-прототипу тороїдального плоского типу в циліндричну з іншою геометричною симетрією відносно рисунка 2 маємо на рисунку 9. Статор отриманої машини є не циліндричний, а напівциліндричним, що говорить про асиметрію за напрямком розповсюдження хвилі поля.

Рисунок 9 – синтезована структура синхронної машини з циліндричним

ротором з явновновираженими магнітними полюсами.

 Представник  виду 2ЦЛ 2.2у 

На рисунку  9 позначені наступні елементи:

1 – обмотка  внутрішнього і зовнішнього статорів;

2 – статор;

3 – ротор  з явно вираженими полюсами 
 

     Синтезована структура синхронної машини-прототипу тороїдального плоского типу в конічний на  рисунку 10 відрізняється від попереднього зміною кута нахилу статора відносно осі, тобто має іншу геометричну симетрію. За напрямком розповсюдження хвилі поля вже відноситься до асиметричних джерел.

Рисунок 10 – синтезована структура синхронної машини з конічним ротором з явновновираженими магнітними полюсами. Представник виду 2КН 2.2у 

На рисунку 10 позначені наступні елементи:

1 – обмотка  внутрішнього і зовнішнього статорів;

2 – статор;

3 – ротор з явно вираженими полюсами 

     На  рисунку 11 показана синтезована структура синхронної машини – прототипу тороїдно плоскої формиа але з іншою геометричною асиметрією, як за напрямком розповсюдження хвилі поля так і за ортогональним напрямком.

Рисунок 11 – синтезована структура синхронної машини з дисковим ротором з явновновираженими магнітними полюсами. Представник виду 2ТП 2.2у

На рисунку  11 позначені наступні елементи:

1 – обмотка  внутрішнього і зовнішнього статорів;

2 – статор;

3 – ротор  з явно вираженими полюсами 

     На  рисунку 12 показано результат синтезу синхронної машини з дисковим ротором в сферичну з геометричною асиметрією як за напрямком розповсюдження хвилі поля так і за ортогональним напрямком

Рисунок 12 – синтезована структура синхронної машини з сферичним

ротором з явновновираженими магнітними полюсами.

 Представник  виду 2СФ 2.2у 

На рисунку  12 позначені наступні елементи:

1 – обмотка  внутрішнього і зовнішнього статорів;

2 – статор;

3 – ротор  з явно вираженими полюсами 

     Перетворення синхронної машини-прототипу тороїдального плоского типу в тороїдально-циліндричну з іншою геометричною симетрією відносно рисунку 6 маємо на рисунку 13. Тут вже і за напрямком хвилі поля і за ортогональним напрямом маємо асиметричну структуру.

Рисунок 13 – синтезована структура синхронної машини з тороїдально-циліндричним ротором з явновновираженими магнітними полюсами.

 Представник  виду 2ТЦ 2.2у 

На рисунку 13 позначені наступні елементи:

1 – обмотка  внутрішнього і зовнішнього статорів;

2 – статор;

3 – ротор з явно вираженими полюсами 
 
 
 

     5. Генетичний синтез і аналіз нових структурних різновидів

          двостаторних синхронних електричних машин з розподіленою

         обмоткою 

     5.1 Створення структур на основі методів генетичного

         синтезу  

     Генерація структурних варіантів електромеханічних систем в задачах генетичного синтезу здійснюється за допомогою генетичних операторів. Аналіз хромосомних наборів відомих класів, електромеханічних перетворювачів енергії, електричних апаратів та електротехнічних пристроях свідчить, що в задачах генетичного синтезу структур найбільш використовуються оператори реплікації, схрещування, Кросинговер та інверсії.

     Оператор  реплікації моделює процедуру розмноження вихідної структури зі зберіганням відповідної сукупності її генетичних ознак. На хромосомному рівні при здійсненні процедури реплікації роль вихідної структури виконують хромосоми-станції. Відповідно заданій кількості елементів, в результаті реплікації первинного джерела поля виходить два, три або більшу кількість ідентичних джерел, відносна орієнтація яких в просторовій структурі електромагнітної хромосоми конкретизується за допомогою відповідних симетричних перетворень (паралельного перенесення, повороту, дзеркального відображення її комбінації).

     Оператор  схрещування один з найбільш поширених генетичних операторів в задачах генетичного синтезу, який моделює механізми структуроутворення електромеханічних систем зі змішаною генетичною інформацією. Під схрещуванням розуміють процедуру структуроутворення (ускладнення) з використанням двох або декількох геометрично-родинних первинних джерел поля з різною геометричній інформацією, первинних джерел Процедури схрещування застосовуються як на рівні синтезу споріднених хромосом, так і хромосом поля, які відрізняються генетичною інформацією. Роль вихідних структур при схрещуванні виконує довільна пара родинних генетичних ознак.

     Оператор  інверсії створює один з найбільш розповсюджених механізмів генетичних мутацій в електромеханічних системах. Інверсні структури зустрічаються на різних етапах генетичного розвитку електромеханічних систем від структур елементарних провідників і елементів обмоток до просторових структур на рівні електромеханічного перетворення енергії. Поняття інверсії безпосередньо пов'язано зі структурною будовою складного об'єкта і заданим просторовим розміщенням (орієнтацією) його складових частин. В основі інверсії лежить відповідний вид симетрії. Симетрична природа інверсії перевизначають дві можливі різновиди в електромагнітних структурах - просторовий і електромагнітний.

     Просторова  інверсія обумовлена зміною порядку  просторового розміщення (орієнтації) частин (елементів) на зворотну по відношенню до певних інваріанта структур. Роль таких  інваріантів, як правило, виконують  елементи просторової симетрії (осі, площини, особливі точки) електромеханічної структури.

     Поняття електромагнітна інверсія пов'язана  з відносним зміною просторової  орієнтації відповідних електромагнітних величин. Електромагнітна інверсія виникає як на рівні хромосомних  композицій (хромосомна інверсія), так і функціонально визначених електромеханічних систем і режимів їх функціонування (структурна, параметрична або функціональна інверсія). Генетичні оператори інверсії в задачах спрямованого синтезу моделюються відповідними геометричними перетвореннями відносного просторового повороту, або застосування процедури вивертання фігури ззовні.  

     Кросинговер - генетичний оператор, який моделює обмін окремих ділянок електромагнітних генів на хромосомному і об'єктному рівнях розвитку електромагнітної структури. Необхідними умовами реалізації цього механізму є наявність хоча б пари

хромосом, які  наділені дискретними генетичними  ділянками, між якими можливий обмін  генетичною інформацією. Дискретність хромосомного набору може бути обумовлена різницею в активному або індуктивному опорах окремих ділянках обмоток, родом чи напрямком струму, порядком і чергуванням фаз, і ін Як правило, процедура Кросинговер використовується в комбінації з іншими генетичними операторами (схрещування, реплікації і інверсії).

       Мутація - це генетичний оператор, який моделює зміну в структурі електромагнітних хромосом, що не враховуються генетичними операторами реплікації, схрещування і Кросинговер. Оскільки генетична інформація породжують джерел поля безпосередньо пов'язана зі структурними ознаками електромеханічних перетворювачів енергії, мутації дозволяють отримати нові властивості електромагнітної структури, які можуть успадковуватися в наступних поколіннях. Подвійна природа генетичного коду структур показує, що генетичні мутації можуть виникати як наслідок комбінованих змін просторової структури (просторової мутації) і як результат можливих змін просторової орієнтації контурів замикання магнітного потоку або електромагнітної хвилі поля (електромагнітні мутації). Очевидно, що вказані різновиди генетичних мутацій взаємопов'язані. 
 
 
 

     5.2 Генетичний синтез і аналіз синтезованих

         структурних різновидів дискових електричних

         машин виду ТП 0.2у 

     Здійснимо нашу задачу за допомогою моделі видоутворення, яка відображає процес формування у  часі структури популяцій тобто процес удосконалення ЕМ, які мають спільну генетичну природу. 
 
 
 
 
 

       
 
 
 
 
 
 
 
 

       
 
 
 

     Рисунок 14 - Дерево популяцій електричних машин класу ТП 

     П0, П01, П02 – популяції;

     2, 4, 5, 6, 9 – номери патентів що були взяті з додатку 1;

     s0, s1 (2ТП02у), s2 (4ТП02у) – нові структури популяції. 

     Нова  структура буде утворювати свою популяцію  нових електричних машин (П01, П02). До популяції П0 не увійшов жоден патент з додатку 1. До популяцій П01, П02 відносяться патенти, які наведені в додатку 1. 

    Наведемо  приклад синтезу генетичної структури  типу ТП 0.2у, де

    S0-базова  структура з генетичним кодом  ТП 0.2у. (див. рисунок 14). Структура S1 утворена оператором реплікації по статору. В отриману структуру увійшли машини під номерами 2,4,6,9. Структура S2 також утворена оператором реплікації, але вже від структури S1. Цій структурі відповідає машина з патенту під номером 5.      

Рисунок 15 – синхронна електрична машина з явнополюсним ротором і розподіленою обмоткою на статорі з генетичним кодом

 ТП 0.2у. Відповідає базовій структурі S0 

     На  рисунку 16 структура S1 (2ТП 0.2у) це є структура обраного прототипу

     

     Рисунок 16 – синхронна машина-прототип з розподіленою обмоткою і явновираженими магнітними полюсами на роторі з генетичним кодом

   2ТП 0.2у. Відповідає структурі S1