Влияние предыстории импульсного намагничивания магнитной системы линейного электромагнитного двигателя на энергетические показатели привода

УДК 621.318.3

А.А. Егоров, Г.Г. Угаров, Д.А. Вырыханов ВЛИЯНИЕ ПРЕДЫСТОРИИ ИМПУЛЬСНОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРИВОДА

Рассмотрено влияние предыстории импульсного намагничивания магнитной системы линейного электромагнитного двигателя на энергетические показатели привода. Предложенная методика позволяет обеспечить стабильность энергии удара с высокой эффективностью энергопреобразования. Приведены теоретические выводы и экспериментальные исследования.

A.A. Egorov, G.G. Ugarov, D.A. Vyrykhanov ELECTROMECHANICAL CONVERSION OF THE PULSED LINEAR ELECTROMAGNETIC ENGINE CAUSED BY THE INFLUENCE OF MAGNETIC HYSTERESIS

This paper sets forth the results of theoretical and experimental study into the electromechanical conversion of the pulsed linear electromagnetic engine caused by the influence of magnetic hysteresis. The offered technique allows providing stability of the impact energy and high efficiency of electromechanical conversion.

Широкое применение линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД) в различных отраслях промышленности [1] ставит перед теорией целый ряд задач, часть из которых в настоящее время пока не имеет удовлетворительного решения. Одной из таких задач является разработка математического аппарата, адекватного динамическим процессам, протекающим в нелинейной цепи ЛЭМД.

Обычно в расчетах силовых электромагнитных импульсных систем не учитывают остаточный магнетизм, который связан с явлением гистерезиса в магнитной системе (МС) [2]. Однако при экспериментальном исследовании

энергетических показателей привода при питании от емкостных накопителей энергии (ЕНЭ) было установлено, что параметры энергии удара существенно зависят от предыстории импульсного намагничивания МС ЛЭМД [3]. Поэтому в устройствах с линейными электромагнитными приводами допущение о пренебрежении предысторией намагничивания МС приводит к существенным разбросам величины энергии удара, что является недопустимым, например, при использовании импульсного ЛЭМД в технологических операциях маркирования и клеймения, динамического испытания материалов и других случаях, требующих стабильных значений энергии воздействия.

В настоящей работе рассматривается вопрос о влиянии предыстории импульсного намагничивания магнитной системы ЛЭМД на значение энергии удара и обосновывается рабочий цикл, при котором обеспечивается стабильность энергии удара с высокой эффективностью энергопреобразования.

Рассмотрим процесс намагничивания МС импульсного ЛЭМД последовательностью униполярных импульсов со скважностью, достаточной для того, чтобы ток намагничивания успевал спадать до нуля к приходу следующего импульса. На данном этапе влияние вихревых токов, потоков рассеяния и размагничивающее действие воздушного зазора не учитываются. Их влияние будет учтено ниже.

При импульсном питании ЛЭМД магнитное состояние материала изменяется по частным динамическим циклам. На рисунке показан переход к установившемуся частному гистерезисному циклу (АВГ) из исходного размагниченного состояния МС (Н=0, В=0) при подаче на обмотку возбуждения ЛЭМД ряда последовательных однополярных и одинаковых по величине импульсов напряжения. Выше точки Вг индукция подняться не может, так как эта точка лежит на пересечении предельной петли гистерезиса с осью координат. В рассматриваемом процессе характерным является то обстоятельство, что величина остаточной индукции с каждым импульсом возрастает, и каждый раз во время действия очередного импульса индукция увеличивается от уровня остаточной на величину ДВ=сош1:. Более подробно процесс перехода МС к установившемуся циклу из исходного размагниченного состояния рассмотрен в [4].

При импульсном намагничивании свойства ферромагнитной системы характеризуются средней проницаемостью на частном цикле [5]:

ДВ

^=дн- (1>

где ДН, ДВ - приращения напряженности и индукции импульсного магнитного поля соответственно. Из формулы (1) следует, что средняя проницаемость зависит от приращения напряженности ДН и приращения магнитной индукции ДВ, зависящей от предыстории намагничивания, т.е. от того, в каком магнитном состоянии находилась МС к моменту появления намагничивающего импульса.

Статический гистерезисный цикл намагничивания МС ЛЭМД

Определим среднюю импульсную магнитную проницаемость и сравним приращения магнитной индукции для получения магнитного поля с магнитной индукцией насыщения Вз при трех различных состояниях МС ЛЭМД (рисунок):

- МС намагничена, и точка, характеризующая магнитное состояние стали до момента действия импульса, определялась координатами (0; Вг); индукция изменяется в пределах от Вг до Вз при изменении напряженности магнитного поля от нуля до Нт

ДВ1 Вз - Вг

»д ' =иН=^нг ;

- МС размагничена, и состояние до момента действия импульса определялось координатами (Н=0; В=0); индукция изменяется в пределах от нуля до Вз при изменении напряженности ДН

ДВп В„

»дп =~ГтТ=~^;

AH H

m

- МС намагничена, и состояние до момента действия импульса определялось координатами (0; -Вг); индукция изменяется в пределах от -Вг до —S при изменении напряженности AH

АВШ BS + Вг

"а - -ш=-'и—

m

Импульсные проницаемости и приращения магнитных индукций на частных гистерезисных циклах для рассмотренных случаев между собой соотносятся

"aiii > "AJI > "а/ ; АВш > AB/j > AB/ .

Из соотношений (2)-(4) следует, что значения приращения индукции при изменении напряженности магнитного поля от нуля до Нт тем меньше, чем выше начальное значение индукции в якоре ЛЭМД, наибольшей величиной которой является остаточная индукция предельного цикла -г.

Обычно в ЛЭМД с импульсным питанием детали магнитной системы выполняются по технологическим и конструктивным соображениям из массивной стальной поковки (Ст10, Ст20). Массивный якорь имеет большое преимущество перед шихтованным в прочности, в результате чего в ЛЭМД достигается удельная энергия удара до 10 Дж/кг. Применение массивной МС приводит дополнительно к увеличенным потерям на вихревые токи по сравнению с шихтованной МС. Поэтому в реальных условиях магнитная проницаемость будет еще меньше значения "A, определяемого формулой (1). Объясняется это размагничивающим действием воздушного зазора и вихревых токов. Учтем это введением кажущейся магнитной проницаемости "к, при этом соотношения (5) не изменятся. Магнитный поток во вторичном короткозамкнутом контуре МС ЛЭМД за время импульса tu индуцирует ЭДС ек:

do, е dH0 _ A-

еК =-WK—JT = -WK -"к • S-—Г C0S V*-W« • ,

dt dt tu

где wK - приведенное число витков вторичного контура МС; в - угол между осью МС и вектором напряженности магнитного поля. Будем вначале полагать, что ЭДС наводится лишь основным магнитным потоком Ф0, проходящим через рабочий воздушный зазор, под действием которой в короткозамкнутом контуре появляется ток iк=ек/гк, где гк -приведенное активное сопротивление вторичного контура.

Вследствие сложности определения и разграничения потерь в МС оценим потери приближенно.

Потери мощности на гистерезис [4]:

где V - объем МС.

Потери мощности на вихревые токи, с учетом (6):

Рв =1 А..

йгк г • к

С учетом (7), (8) запишем для суммарных потерь мощности в МС:

Р,= Рв + Рг + Рд„ - 1~ АН -АВ + ^ + Рдоп .

^ гк • к

где Рдоп - дополнительные потери, включающие потери на магнитную вязкость и другие потери, не учитываемые аналитическим путем.

Из выражения (9) следует, что потери в стали прямо пропорциональны приращению магнитной индукции, и, учитывая соотношение (5), запишем

ръш > ръп > ри ,

т. е. из рассмотренных выше трех магнитных состояний минимальные потери мощности в МС при работе ЛЭМД будут для первого случая, когда остаточная магнитная индукция Вг униполярна по отношению к намагничивающим импульсам. Следовательно, для первого случая за время действия импульса tu больше энергии заряда Ес ЕНЭ перейдет в полезную энергию удара Еу, и коэффициент эффективности энергопреобразования п=Еу/Ес будет выше. С учетом (10) запишем для трех магнитных состояний:

Еу

Для проверки влияния предыстории намагничивания МС на энергетические показатели ЛЭМД (Еу и п) проведено экспериментальное исследование ЛЭМД при питании от ЕНЭ для рассмотренных выше состояний МС. Основные параметры исследуемого ЛЭМД с комбинированным якорем и стопом [1]: диаметр якоря йЯ=31 мм, магнитная система выполнена из конструкционной углеродистой стали Ст20, обмотка возбуждения содержит 250 витков медного провода. Результаты экспериментов представлены в табл. 1.

Из полученных экспериментальных данных следует, что энергия удара Еу и эффективность энергопреобразования п при питании от ЕНЭ с фиксированными параметрами для первоначально намагниченного состояния I (Вг > 0) больше, чем при питании для размагниченного состояния II (Вг = 0), и тем более, когда первоначальное состояние МС намагничено противоположно направлению поля намагничивающего импульса III (Вг < 0). Следует отметить, что в рассматриваемых режимах при питании от ЕНЭ соблюдалась апериодическая форма разряда, но при импульсном питании от ЕНЭ могут возникнуть колебания тока в цепи, в результате чего ток в обратном направлении может достигнуть величины, достаточной для размагничивания МС, а следовательно, привести к понижению Еу и ц.

Таблица 1

Влияние предыстории намагничивания на энергию удара и КПД ЛЭМД

Состояние МС Еу, Дж П, % к1)

1) С=6,4 мФ и =50 В Ес=8 Дж 00 V 0) 2,43 30,4 1

II (Вг = 0) 1,9 23,8 0,78

III (Вг < 0) 1,4 17,5 0,57

2) С=1,12 мФ и=150В Ес=12,6 Дж V 0) 1,78 14,1 1

II в = 0) 1,4 11,1 0,79

III (Вг < 0) 1,1 8,7 0,62

3) С=1,12 мФ и=250 В Ес=35Дж 00 V 0) 5,3 15,1 1

II (Вг = 0) 4,5 12,9 0,85

III (Вг < 0) 3,5 10 0,66

4) С=2,2мФ и=200 В Ес=44 Дж V 0) 6,5 14,8 1

0) = £ 4,9 11,14 0,75

III {Вг < 0) 4,0 9,1 0,61

^ к=Еу/Еу(Г) - показатель, характеризующий отношение энергий удара для данного магнитного состояния к намагниченному состоянию I (Вг > 0) при питании от ЕНЭ с одинаковыми параметрами заряда С и и.

Анализ экспериментальных данных показывает, что в зависимости от предыстории намагничивания ЛЭМД величина энергии удара Еу изменяется в достаточно широких пределах, и, соответственно, изменяется показатель эффективности энергопреобразования П. Запишем пределы изменений параметров энергии удара в рассматриваемых магнитных состояниях по отношению к энергии удара в намагниченном состоянии на установившемся частном гистерезисном цикле Еу^.

Еу(д)=(0,75 - 0,85)-Еу(1) - для размагниченного состояния МС II (Вг = 0);

Еу(Ш)=(0,55 - 0,65)Еу(1) - для намагниченного состояния МС III (Вг < 0).

Очевидно, что пренебрегать таким разбросом выходных параметров в ЛЭМД, использующих дозированную энергию удара, нельзя.

Экспериментально было также установлено, что энергия удара стабилизируется после подачи на обмотку ЛЭМД последовательных двух-четырех однополярных импульсов. В табл. 2 приведены данные процесса установления стабилизации энергии удара при первоначально размагниченной МС ЛЭМД; питание производилось от ЕНЭ емкостью С=2,2 мФ, напряжением 200 В.

Таблица 2

Установление стабильности энергии удара и повышение энергетических показателей при питании униполярными импульсами от ЕНЭ

Номер импульса 1 2 3 4 5 6

Еу, Дж 4,92 5,93 6,41 6,50 6,52 6,50

п, % 11,18 13,48 14,57 14,77 14,82 14,77

Значение остаточной магнитной индукции Размагниченное состояние Вг = 0 Промежуточные намагниченные состояния 0 < Вг < Вг

Анализ данных табл. 2 показывает, что, начиная с четвертого импульса, МС переходит в установившееся намагниченное состояние с некоторым предельным значением остаточной магнитной индукции ВГ(тах) для данного намагничивающего импульса, сопровождаемое стабилизацией и незначительным разбросом энергии удара Еу. Стабильность энергетических параметров после многократного намагничивания униполярными импульсами обусловлена стабилизацией средней проницаемости в верхнем слое намагниченной МС.

Экспериментальные исследования подтверждают теоретические выводы о влиянии предыстории намагничивания на стабильность энергетических показателей ЛЭМД: энергию удара Еу и эффективность энергопреобразования п.

Пренебрежение предысторией магнитного состояния МС ЛЭМД недопустимо в устройствах, использующих дозированную энергию удара. Влияние предыстории намагничивания должно учитываться при разработке новых методов расчета и моделирования динамических режимов ЛЭМД с массивной МС.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ряшенцев Н.П. Электромагнитные прессы / Н.П. Ряшенцев, Г.Г. Угаров, А.В. Львицын. Новосибирск: Наука, 1989. 216 с.

2. Ряшенцев Н.П. Введение в теорию энергопреобразования электромагнитных машин / Н.П. Ряшенцев, А.Н. Мирошниченко. Новосибирск: Наука, 1987. 160 с.

3. Егоров А.А. Экспериментальное исследование линейного электромагнитного двигателя при питании от емкостного накопителя / А. А. Егоров, Д. А. Вырыханов // Электротехнические комплексы и силовая электроника: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2005. С. 4-8.

4. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов / С.С. Вдовин. Л.: Энергия, 1991. 206 с.

5. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов / И.И. Кифер. М.: Энергия, 1969. 360 с.

Егоров Андрей Александрович -

ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»

Саратовского государственного технического университета

Угаров Геннадий Григорьевич -

доктор технических наук,

профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»

Саратовского государственного технического университета

Вырыханов Денис Александрович -

аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»

Саратовского государственного технического университета