Диевский В.А., Зеленин А.Н. Магнитное поле индукторов без ферромагнитопровода 1. Введение Настоящая работа посвящена построению способа расчета магнитного поля индукторов постоянного тока и индукторов бегущего поля для моделей вращающихся электрических машин, в которых отсутствуют ферромагнитные части (например, сверхпроводящих), а для переменного магнитного поля – также и проводящие экраны. Модель индуктора (набор из секций) представляет собой полый цилиндр, внутренний радиус которого R1 , а внешний – R2 . Он состоит из трех частей: средней, активной части длиной 2 L , в которой протекают токи, направленные вдоль образующих цилиндра, и двух крайних, лобовых частей длиной l каждая, в которых токи текут по дугам окружностей, замыкая токи активных частей. Как частный случай рассматриваются модели с бесконечно-короткими лобовыми частями и бесконечно-тонкий индуктор радиусом R . Определение магнитного поля может быть произведено на основе закона Био–Савара, который в дифференциальной форме имеет вид: dB I dr0 r r0 , 3 4 r r0 (1.1) где I – ток в элементе проводника dr0 , r0 – радиус-вектор элемента проводника, r – радиус-вектор точки наблюдения. Интегрированием соотношения (1) может быть произведен расчет поля реальных индукторов с конечными размерами. 2. Поле рамки из квазилинейных проводников 2.1. Поле отрезка Пусть (в цилиндрической системе координат) координаты точки наблюдения: r , , z , а положение отрезка проводника с током, параллельного оси z , характеризуется координатами R, , L h L ; 2 L – длина отрезка. Тогда могут быть написаны векторные равенства: r rer ze z ; r0 Rcos er Rsin e he z , (2-1) где единичный вектор e r выбран лежащим в общей плоскости оси z и точки наблюдения. Из (1) следует dr0 dhe z , и dr0 r r0 R sin er r R cos e dh ; r r0 R 2 2Rr cos r 2 z h . 2 а также: (2-2) Подставляя полученные выше выражения в формулу (1-1), и интегрируя по h в пределах от L до L , можно получить соотношения для составляющих индукции магнитного поля рассмотренного отрезка с током в виде: Br B I Rh z sin 4 F1 I h z r R cos 4 F1 hL ; h L hL ; h L (2-3) Bz 0 – далее не пишется. Запись hL имеет смысл обычных подстановок, а выражение h L F1 R 2 2Rr cos r 2 . 2.2. Поле дуги Параметрическое уравнение дуги окружности радиусом R , лежащей в плоскости z h , перпендикулярной оси z , и с центром на оси имеет вид: r0 R cos er Rsin e he z ; 0 1 2 2 . Тогда: dr0 sin er cos e Rd ; dr0 r r0 z h cos er z h sin e R r cos e z R d . Подставляя последние соотношения в выражение (1-1), и интегрируя по в пределах от 1 до 2 , можно найти формулы для определения составляющих индукции магнитного поля описанной дуги: 2 IRh z cos Br d ; 3 4 1 2 IRh z sin B d ; 3 4 (2-4) 1 2 IR R r cos Bz d . 4 3 1 2.3. Поле рамки Магнитное поле замкнутой рамки, составленной из квазилинейных проводников, может быть получено как алгебраическая сумма полей составляющих ее двух прямолинейных отрезков и двух дуг (3) и (4). С учетом направлений токов, это означает, что в формулах (4) для полей дуг следует сделать подстановку вида: hL h L hL , а в формулах (3) для полей отрезков – подстановку: h L 2 . 1 3. Общее выражение для поля бесконечно-тонкого индуктора 3.1. Переход к рамке, распределенной по углу Выражения для составляющих индукции магнитного поля рамки, распределенной по углу 0 можно получить из формул (2-3) и (2-4) с соответствующими подстановками, если заменить в них 1 на 1 , 2 на 2 и про- интегрировать эти соотношения по с весом 1 0 в пределах от 0 до 0 . При этом удобно использовать формулы, справедливые для любых достаточно гладких функций f и F : 0 1 2 2 d f d ~ f d , 0 0 1 (3-1) 0 где 0 1 ; 0 , 1 0 ~ 1 , 1 0 2 0 1, 1 0 1 1 0 ; 2 , (3-2) 2 0 2 ; 2 2 ; 0, и где 1 0 0 0 d F 2 1 2 F d , (3-3) 0 ~ . Выполнив указанную выше подстановку и интегрирование с использованием формул (1) – (3), получим для поля рамки, распределенной по углу, а именно для поля дуг (лобовых частей) и для поля активных частей: IRh z Br 4 2 IRh z B 4 2 IR Bz 4 2 0 ~ cos 0 d 3 ~ sin d 3 0 ~ R r cos 3 d (0); (0); (0); (3-4) IRh z 2 sin d Br 4 F1 0 (0); I h z 2 r R cos d B 4 F1 0 (0), где подстановка (0) имеет вид: (0) = (3-5) hL . h L 3.2. Переход к рамке, распределенной по высоте Выражения для составляющих индукции магнитного поля рамки, распределенной также и по высоте на расстояние l могут быть получены из формул (4) и (5), если заменить в них L на L , L на L и проинтегрировать по с весом 1 в пределах от 0 до l . l При этом удобно воспользоваться следующим соотношением, справедливым для любой достаточно гладкой функции g h : l d g h 0 где h L h L l h L l , = Gh h L h L hL (3-6) G h g h . Произведя указанные действия с использованием соотно- шения (6), для составляющих индукции магнитного поля двумерной рамки можно получить следующие выражения, а именно для поля лобовых частей и для поля активных частей: 2 Br B1 R ~ cos 0 2 B B1 R ; d ~ sin 0 2 B z B1 Rh z 0 ; d ~ R r cos F1 d ; (3-7) 2 sin 0 F1 Br B1R 2 B B1 r R cos F1 0 где величина B1 ; d d , (3-8) I ; символом обозначена подстановка: 4l h L l h L l . h L h L = (3-9) 3.3. Индуктор, как совокупность рамок Реальный индуктор с симметричными лобовыми частями, рассматриваемый как бесконечно-тонкий в радиальном направлении, представляет собой совокупность рамок. Соответственно этому, в силу суперпозиции полей, магнитное поле индуктора может быть найдено как алгебраическая сумма полей составляющих его рамок. Выражения для составляющих индукции магнитного поля рамки линейны относительно функций и ~ , которые характеризуют положение ра- мок на цилиндре индуктора. Следовательно, для определения поля индуктора можно пользоваться выражениями (7) и (8), если в последних заменить и ~ на алгебраическую сумму этих функций, в которой каждое слагаемое будет характеризовать отдельную рамку индуктора. Решение последней задачи значительно упростится, если заметить, что величина I R J представляет собой для рамки линейную плотность тока осевого направления в активных частях. Таким образом, для получения магнитного поля индуктора следует записать выражение линейной плотности токов осевого направления в активных частях составляющих его рамок по углу J , затем найти , как: J R I , и ~ d , после чего выражения для и 0 ~ подставить в соотношения (7) и (8). 4. Магнитное поле некоторых типов индукторов 4.1. Индуктор постоянного тока Для индуктора постоянного тока, имеющего p пар полюсов (период 2 p ), выражение линейной плотности токов осевого направления в активных частях его имеет вид: Iw , R 0 Iw , R 0 J 0, при при 2p 2p 0 0 2p 2p 0 , 0 , (4-1) при остальных ; где w – число витков в катушке, 2p ; функция J R I . Для удобства расчета составляющих индукции по соотношениям (3-7) и (3-8), последние следует преобразовать с тем, чтобы выделить из них явную зависимость от угла наблюдения . С этой целью функции и ~ необходимо представить в виде раз- ложений их в ряд Фурье. Эти разложения имеют вид: 4w 1 sin2n 1 p 0 cos2n 1 p ; 0 n0 2n 1 4w 1 ~ sin2n 1 p 0 sin2n 1 p . 0 p n0 (2n 1) 2 (4-2) (4-3) После подстановки разложений (2) и (3) в выражения (3-7) и (3-8), и ряда преобразований, можно получить следующие соотношения для определения составляющих индукции суммарного магнитного поля активных и лобовых частей индуктора постоянного тока: sin Np 0 sin N p N N 1,3,5.. R rx Br B2 x Np 1 x, Np 1 x, S Np 1 x S Np 1 x Np R rx B 4 B2 sin Np 0 cos Np N N 1,3,5.. (4-4) DNp x signr R 1 Np x, Bz ; ; sin Np 0 2 x B2 signh z 1 sin Np p N 1,3,5.. N 2 S Np x signr R 1 Np x, где введены величины: B2 x Iw ; 2 l 0 4R r R r 2 ; h z ; 2 4 Rr R r 2 , (4-5) а функции: 2 S n x 1 n 0 cos 2nt dt 1 x sin 2 t ; 0 2 Tn x, 1 n 0 n x, 1 n cos 2nt dt 1 sin t 1 x sin 1 x sin 2 t dt cos 2nt 2 1 sin t 0 2 2 Dn x 1 cos 2nt 1 x sin 2 t d t ; n 2 2 t ; описаны в работе 1. 4.2. Индуктор бегущего магнитного поля В случае трехфазного индуктора бегущего магнитного поля с р парами полюсов токи в фазах изменяются во времени по закону: 2 ib I cost , 3 ia I cos t , 2 ic I cost . 3 (4-6) Если число пазов на полюс и фазу обозначить q , а пазовый угол – 0 , то линейная плотность тока осевого направления фазы a в активных частях на промежутке 0, может быть записана, как: p w ia , при 0 j 1 0 ; R 0 2 3 p 6 pq 3 pq 2 J a 0 , при остальных ; j 1, 2, , q . (4-7) Аналогично записываются линейные плотности тока фаз b и c . Разлагая эти выражения в ряды Фурье и суммируя, можно получить следующую формулу для линейной плотности тока индуктора бегущего магнитного поля: 3wI J R 0 где N N N sin Np t ; n 0 принимает все значения выражений 6n 5 (нижний знак), N (4-8) 6n 1 (верхний знак) и sin N 6q sin N 6q – обмоточные коэффициенты гармоник; (4-9) 3 pq 0 (4-10) – коэффициент заполнения окружности индуктора пазами; R – радиус индуктора; w – число витков в секции. Тогда: N N sin Np t ; (4-11) 3w N 2 cos Np t . p 0 n0 N (4-12) ~ 3w 0 n 0 После подстановки формул (11) и (12) в выражения (3-7) и (3-8) и преобразований, можно получить следующие выражения для составляющих индукции магнитного поля: 3 R Br B2 4 rx N N cosNp t n 0 x Np 1 x, Np 1 x, S Np 1 x S Np 1 x ; Np B 3B2 R rx N N sinNp t n 0 DNp x signr R 1 Np x, ; (4-13) 3 x N Bz B2 signh z 1 cos( Np t ) 4p n 0 N 2 signr R 1 Np x, S Np x 4.3. . Приведение формул к расчетному виду Введем новые обозначения: Iw – линейная плотность тока; R 0 ~ L L ; l l ; l l l ; r ; z ; h . R R L R L L L (4-14) Во введенных обозначениях: x 4 ; 2 1 2 L2 При использовании соотношений 1: 1 n x, S n x 1 n x, 1 1 k 1 4 1 2 . (4-15) k S k n x S k n x ; D x k D x D x ; n k n k n k 1 (где знак "+" соответствует случаю 1, знак "–" – случаю 1), формулы (4) поля индуктора постоянного тока приводятся к виду, удобному для расчетов при значениях не близких к единице: Bz B31 Br 4 B32 n0 p B 4 B32 x sin Np 0 N 2 sin Np S k k Np x S k Np x ; k 10 sin Np 0 cos Np k 1 Dk Np x Dk Np x ; x n 0 N k 10 sin Np 0 sin Np x n 0 N (4-16) x S Np 1 x S Np 1 x k 1 Dk Np x Dk Np x ; k 1 4 Np где B31 ; ; в формулах следует сделать подстановки по : B 32 2~ 2 l l ~ 1 l 1 ~ 1 l 1 . (4-17) В соотношениях (16): N 2n 1 , верхние знаки и пределы суммирования соответствуют случаю 1 , нижние – 1. При значениях , близких к единице, более удобным становится расчет полей индукторов по соотношениям (4) и (13) с использованием разложений функций S n ( x), Dn ( x), n ( x, ), n ( x, ) в ряды, приведенные в работе 1. Формулы, справедливые для индукторов переменного тока (бегущего магнитного поля – 4.2), можно получить из (16), если в них произвести следующие изменения: 1) домножить формулы (16) на 3/4; 2) под N подразумевать N 6n 1 и N 6n 5 ; 3) sin Np 0 заменить на N ; 4) cos Np и sin Np заменить соответственно на cos(Np t ) и sin( Np t ) (здесь знак "+" для N 6n 5 и знак "–" для N 6n 1 ). 5. Индукторы с бесконечно-короткими лобовыми частями Вычисление по формулам (4-16), содержащим подстановки (4-17), стано- ~ вится неудобным при l 1, поскольку оказывается связанным с погрешностью из-за наличия разности близких величин. В этом случае гораздо удобнее вести расчеты индукции магнитного поля для моделей индукторов с бесконечно-короткими в аксиальном направлении лобовыми частями. Соответствующие формулы можно получить двумя путями: а) перейти в соотношениях (4-4) и (4-13) к пределу при l 0 ; б) произвести вывод формул, аналогичный приведенному в главах 3 и 4, не выполняя переход к рамке распределенной по высоте. Произведя преобразования любым из этих путей, можно получить следующие соотношения: Br h z B pr sin Np 0 sin Np 4 N n 0 Np 4N 2 p 2 1 2 x S Np x DNp x TNp 1 x, TNp 1 x, ; 2 1 x 4 sin Np 0 2h z B B4 cos Np r N n 0 S Np x signR r 1 TNp x, (5-1) ; sin Np 0 2 B z B4 sin Np 2 p n 0 N 4 N 2 p 2 1 2r rx xR S Np x DNp x 2 r 1 x Здесь N 2n 1; подстановки имеют вид: () . hL ,а h L B4 R 2 R r 2 h z 2 . Если перейти к безразмерным величинам, то формулы (1) можно переписать в виде, удобном для расчета при не близких к единице: Br L B p 5 sin Np 0 n 0 N 2 sin Np 4N 2 p 2 1 2 x Np S k Np x S k Np x S Np x D Np x 2 1 x k 1 k ; B L B 5 S k k Np sin Np 0 cos Np N n 0 x S k Np x ; (5-2) k 10 sin Np 0 1 B z B5 sin Np 2 p N n 0 2 x x 2 2 4 N p 1 S Np x DNp x 2 1 x Здесь B5 2 x . ; подстановка имеет вид: 1 ; верхние знаки и 1 пределы суммирования соответствуют случаю 1, нижние – случаю 1. При значениях , близких к единице, удобнее пользоваться формулами (1) и соответствующими разложениями функций S n ( x ), Dn ( x) и Tn ( x, ) в ряды, описанные в работе 1. 6. Поле индуктора конечной толщины с лобовыми частями конечной длины 6.1. Общие выражения В некоторых случаях расчета индукции магнитного поля, особенно вблизи поверхности индуктора, а тем более в его теле, возникает необходимость учета конечности толщины индуктора. Выражения для составляющих индукции магнитного поля цилиндрических индукторов конечной толщины можно получить, если воспользоваться выражениями для поля бесконечно-тонкого индуктора (формулы (3-7) – (3-9)) и провести в последних интегрирование по R в пределах от R1 до R2 с весом 1 R2 R1 . Для индуктора постоянного тока после проведения ряда преобразований, аналогичных использованным в главе 4, можно получить следующие выражения для составляющих индукции магнитного поля: для лобовых частей: 2 1 sin Np 0 Br B6 sin Np 1 p 1 cos 2 Npt cos 2t rF2 cos 2t dt ; 2 p n 0 N 0 2 sin Np 0 1 p 1 sin 2 Npt sin 2t rF2 cos 2t dt ; B B6 cos Np 1 2 p n 0 N 0 sin Np 0 1 B z B6 sin Np p n 0 N2 1 p (6-1) 2 r cos 2 Npt h z F2 F3 cos 2t rF4 sin 2t dt ; 2 0 для активных частей: 2 sin Np 0 p 1 sin 2 Npt Br B6 sin Np 1 N n 0 0 r 1 sin 2t F2 sin 4t h z F4 cos 2t F3 sin 2t dt 2 2 (6-2) 2 sin Np 0 B B6 cos Np cos 2 Npt N n 0 0 1 cos 2t rF2 sin 2 2t h z F4 sin 2t F3 cos 2t dt . 2 Здесь: B6 4 j Rср 2l R1 R2 – средний радиус индуктора; 2 ; Rср Iw R2 R1 Rср 0 j (6-3) – плотность тока осевого направления; в формулах (1) и (2) следует сделать подстановки вида: R R2 R R1 x h L l h L l h L h L , а введенные выражения равны: F2 lnR r cos 2t ; F3 ln F4 arctg (6-4) h z ; h z R r cos 2t h z . r sin 2t 6.2. Переход к безразмерному виду Преобразуем произведения тригонометрических функций в суммы, переходя к безразмерным параметрам с помощью соотношений (4-14), в которых: L L Rср ; l l Rср ; R2 R1 2 Rср ; r R ; 0 R R (6-5) ср ср Далее появляются выражения: 2 0 cos 2t n Ln 1 cos 2nt ln dt ; cos 2 t 0 0 2 L n Ln 1 cos 2nt ln dt , L 0 (6-6) где 0 2 2 0 cos 2t 2 L2 2 . Эти выражения сводятся к функциям, описанным в работе 1: 1 x sin 2 t 1 x 2 l n x, y 1 cos 2nt ln n 1 x sin t 1 x 2 0 соотношениями: x 0 4 0 2 y2 y1 ; 2 L 2 2 1 1 L 1 1 L ; 2 2 2 (6-7) y 2 ; y3 2 2 dt , Ln ln x, y3 , (6-8) Ln ln x, y1 sign 2 L2 2 02 ln x, y2 ; где: y 40 0 2 (6-9) 2 . (6-10) Кроме того, появляется выражение: 2 An 1 sin 2nt arctg n 0 L 0 cos 2t dt . sin 2t (6-11) Это выражение сводится к функциям, описанным в работе 1: 2 Qn x, y 1n 0 y 2 cos 2nt dt 2 Pn x, 1 cos 2nt n 0 sin 2t 1 x sin t 2 2 1 x sin 2 t y sin 2t 2 2 ; (6-12) dt . соотношениями: An n 40 0 y x 0 2 P x, y 1 Qn x, y x n 4n 0 x Sn x sign 0 1 n x, y ; (6-13) An n y x 0 2 Qn 1 x, y Qn 1 x, y 2 1 y Qn x, y 4n 0 Sn x sign 0 1 n x, y ; n 1n 1 где 4n sign 1 1n sign 0 ; y (6-14) L . Формулы (1) и (2) можно преобразовать и получить выражения для составляющих индукции суммарного магнитного поля активных и лобовых частей индуктора постоянного тока в виде: B7 sin Np 0 Br sin Np 2 2 n 0 N 4F5 1 Np DNp 1x 1 Np DNp 1x p1 Np LNp 2 2 LNp 1 Np LNp 2 2L Np LNp 1 LNp 1 2 ANp 1 ANp 1 B7 sin Np 0 B cos Np 2 n 0 N2 4F5 1 Np DNp 1x 1 Np DNp 1x p1 Np LNp 2 2 NpLNp 1 Np LNp 2 2L Np LNp 1 LNp 1 2 ANp 1 ANp 1 xx ; (6-15) xx ; sin Np 0 sin Np 2 N n 0 2L LNp p LNp 1 LNp 1 2 pANp 1 ANp 1 B z B7 xx ; где подстановки имеют вид: xx F5 0 1 0 1 1 ~l 1 ~l , 1 1 0 2 L2 2 , а B7 jRср lp 2 (6-16) . Для конкретных расчетов удобно пользоваться разложениями функций в ряды, приведенными в работе 1. 7. Некоторые результаты расчетов С целью проверки методики был проведен ряд расчетов. Основная проверка производилась сравнением расчетных результатов с результатами экспериментального исследования модели индуктора, приведенными в работе 2 (с.103). Ее параметры: R 0,125 м , L 0,125 м , l 0,125 м , p 1 , при условии, что высшие гармоники распределения линейной плотности активных токов отсутствуют, амплитуда линейной плотности 6360 а ли в обозначениях настоящей работы: м ~ L l l 1; . Для такой моде- 0 2 ; 4995 а м ; в суммах по n следует ограничиваться первым членом ( n 0, N 1). Радиальная и азимутальная составляющие индукции магнит- ного поля такого индуктора внутри него по результатам измерений 2 практически не зависят от и , причем значения их равны приближенно 43 Гс , а расчет по методу авторов 2 (для бесконечно-тонких индукторов) дает 40 Гс . Расчеты, приведенные по соотношениям (4-4) и (4-16), подтвердили слабую зависимость составляющих индукции Br и B от и внутри индуктора, а также позволили получить расчетные их значения, более близкие к экспериментальным, а именно: при 0 при 0,5 0,5 ; Br B 41,4 Гс ; 0; Br B 43,3 Гс ; 2; Br B 6,55 Гс ; 1; Br B 35,3 Гс 0; B 41,4 Гс ; при 0,99 0; Br 40,3 Гс ; 0,5 ; Br 41,6 Гс . Все приведенные выше результаты хорошо согласуются с графиками экспериментальных результатов, приведенными в 2, что подтверждает правильность разработанной выше методики. Если заменить описанный реальный индуктор более простой моделью с бесконечно-короткими лобовыми частями, расположенными в середине реальных, то величины составляющих индукции могут быть найдены из более простых соотношений (5-1) и (5-2) при L 1,5 . При этом внутри индуктора значения составляющих индукции близки к указанным выше, в частности, при 0,5 ; 0; Br B 43,5 Гс . Это подтверждает справедливость методики главы 5. Для перехода к расчету по формулам индукторов конечной толщины следует ввести некоторую толщину и, сохраняя средний радиус, заменить ли- нейную плотность тока на плотность тока j по формуле j . В этом 2Rср случае расчет по соотношениям (6-15) дает для поля в центре: при 0,1 Br B 43,4 Гс ; при 0,01 Br B 43,3 Гс ; что очень хорошо соответствует как результатам расчета по бесконечно-тонкой модели, так и результатам измерений. Литература 1. Диевский В.А., Зеленин А.Н. Исследование некоторых специальных функций. – в печати. 2. Титко А.И., Счастливый Г.Г. Математическое и физическое моделирование электромагнитных полей. Киев, «Наукова думка», 1976.