The analytical approaches to calculation of electric machines on the basis of the annular domains boundary problems solution by the method of Fourier variables separation

The air gap, with double-sided stairstep jaggies being two-downlink area, can be conformally imaged as circular ring. Traditionally this procedure executes approximately with the help of Carter factors. Cross sections of the stator and rotor cores also have the form of rings. The rotating magnetic field in the locations of conductors (in slots, windows between poles) can be presented by the sum of potential and some adding (easily calculated) fields. The localisation of an adding field in the location of conductors requires arrangement on a part of boundary of each slot (at the bottom or in the wedge part) infinitely thin current layers, the joint currents of them are equal to full currents of slots. Usage of scalar magnetic potentials (SMP) of current layers allows to receive the analytical solution of Dirichlet problem for circular rings of three mentioned environments (air gap, magnetic stator core and rotor) assuming its magnetic permeabilities are constant. For the sake of greater generality of the problem we assume that the core of the rotor is performed from massive steel. The selection of this material does the mathematical model more universal, as at transition to high enough values of magnetic permeability and resistivity the massive environment gains properties of laminated steel. SMP of current layers of stator windings and rotor are submitted by Fourier series. The parameters of an electromagnetic field in a solid rotor (radial and tangential component of flux density, current density and power loss) are obtained on the basis of the analytical solution of Bessel differential equation for a vector magnetic potential by a method of variables separation and are submitted by appropriate Bessel and Kelvin functions. With reference to an asynchronous motor with a solid rotor the performance data are calculated and compared with the test results. The changes of magnetic permeability in steel of a rotor are taken into account by splitting it on concentric rings, in each of which the permeability is constant.

Szczelina powietrzna obustronnie uzębiona, będąca obszarem przejścia, może być konformalnie odwzorowana jako pierścień kołowy; tradycyjnie tę procedurę przeprowadza się w przybliżeniu przy pomocy współczynników Cartera. Przekroje poprzeczne rdzeni stojana i wirnika mają również kształt pierścieni. Wirujące pole magnetyczne w obszarach przewodów (w żłobkach, w oknach między biegunami) może być przedstawione przez sumę pól potencjału i pewnego dodatkowego (łatwego do obliczenia) pola. Umieszczenie dodatkowego pola w miejscu, gdzie są przewody wymaga rozmieszczenia w brzegowej części żłobka (w części przy dnie lub klinie) nieskończenie cienkich warstw prądu tak, aby łączne prądy były równe pełnym prądom żłobków. Użycie skalarnych magnetycznych potencjałów (SMP) warstw prądu pozwala otrzymać analityczne rozwiązanie problemu Dirichleta dla kołowych pierścieni wspomnianych trzech obszarów (szczelina powietrzna, rdzeń magnetyczny stojana i wirnika) przy założeniu, że przenikalności magnetyczne są stałe. Dla uzyskania lepszego uogólnienia problemu zakładamy, że rdzeń wirnika jest wykonany z litej stali. Wybranie tego materiału czyni model matematyczny bardziej uniwersalnym, gdyż przy przejściu do wysokich wartości przenikalności magnetycznej i rezystywności, materiał lity uzyskuje własności stali blachowanej. SMP warstw prądu uzwojeń statora i wirnika przedstawia się za pomocą szeregów Fouriera. Parametry pola elektromagnetycznego w litym wirniku (promieniowa i styczna składowa indukcji, gęstość prądu i straty mocy) otrzymuje się na podstawie analitycznego rozwiązania różniczkowych równań Bessela dla wektorowego potencjału magnetycznego metodą rozdziału zmiennych i przedstawia się je przez odpowiednie funkcje Bessela i Kelvina. Obliczone dane dla silnika asynchronicznego z litym wirnikiem porównano z wynikami prób. Zmiany przenikalności magnetycznej w stali wirnika uwzględniono przez podzielenie go na współosiowe pierścienie o stałej przenikalności w każdym z nich.