Проектирование быстродействующих поляризованных электромагнитных приводов

УДК 621.3

ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИВОДОВ

© 2013 г. В.П. Гринченкое, Е.В. Шевченко, ИА. Большенко, И.Б. Подберезная

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Рассмотрены особенности работы и методы проектирования быстродействующих поляризованных электромагнитных приводов. Предложена методика оптимального проектирования электромагнитных приводов. Приведены результаты расчетов.

Ключевые слова: электромагнитный привод; постоянные магниты; магнитный поток; методика проектирования.

The article discusses the features of the work and methods of designing high-speed polarized electromagnetic actuators. The technique of optimal design of electromagnetic actuators is proposed. The results of the calculations is presented

Keywords: electromagnetic actuator; permanent magnets; magnetic flux; technique of designing.

Электромагнитные приводы (ЭМП), основу которых составляет исполнительный электромагнит, широко используются в конструкциях электромеханических и гибридных электрических аппаратов, а также в устройствах управления клапанами и распределителями систем гидро- и пневмоавтоматики. Управление исполнительным электромагнитом (ЭМ) может осуществляться постоянным, переменным или импульсным током.

Для снижения мощности, потребляемой ЭМП, в конструкции ЭМ часто применяют постоянные магниты (ПМ). Анализ режимов работы и методов проектирования магнитных систем с ПМ достаточно подробно изложены в работах [1, 2]. Ниже рассматриваются особенности работы и проектирование быстродействующих, поляризованных ЭМП. Подобные приводы особенно эффективны при управлении двухпозиционными механизмами с нормированным временем переключения.

Оригинальная конструкция такого привода приведена, например, в патенте [3]. Для обеспечения требуемого времени переключения в приводе используется резонансно-маятниковый принцип действия, в котором время переключения составляет половину периода собственной частоты пружинно-массовой системы [4].

В отличие от подобных конструкций в приводе, представленном на рис. 1, разделены магнитный поток поляризации, создаваемый ПМ и обеспечивающий удержание якоря в крайних положениях, и поток единственной обмотки управления, с помощью которой осуществляется управление ЭМ. Это значительно снижает мощность, необходимую для управления приводом, и упрощает схему и алгоритм управления по сравнению с двухобмоточными приводами.

а б

Рис. 1. Однокатушечный быстродействующий поляризованный ЭМП с прямоходовым якорем: а - общий вид; б - конструкция: 1 - магнитопровод; 2 - якорь; 3 - обмотка управления; 4 - постоянный магнит; 5 - пружина; 6 - крепежная пластина с направляющими для перемещения якоря; 7 - шток, связывающий ЭМ с исполнительным

механизмом

2

Кроме того, в данной конструкции на ПМ не передаются ударные воздействия якоря при переключении, а для увеличения электромагнитного усилия можно увеличивать его размер по оси Z при нормируемом размере по оси X.

Привод работает следующим образом: в исходном положении Н-образный якорь 2 притянут, например, к верхним полюсам шихтованного магнитопровода 1, сжимая пружины 5, и удерживается в этом положении под действием силы, создаваемой постоянными магнитами 4.

При подаче на обмотку управления 3 напряжения определенной полярности она создает в рабочих зазорах магнитный поток, направленный встречно потоку постоянных магнитов 4, что уменьшает усилие, действующее на якорь 2. Последний отрывается от верхних полюсов и под действием пружин 5 движется к нижним полюсам шихтованного магнитопровода 1, сжимая через шток 7 пружину, которая является составной частью исполнительного механизма, управляемого приводом (на рисунке не показана).

При смене полярности напряжения на обмотке управления 3 магнитные потоки поляризующих постоянных магнитов 4 и обмотки управления 3 складываются, обеспечивая надежный подхват и удержание якоря 2 при приближении его к нижним полюсам шихтованного магнитопровода 1. Таким образом, изменяя сигнал управления, можно не только обеспечивать переключение привода, но и, например, управлять скоростью якоря при его подходе к полюсам шихтованного магнитопровода 1. Переход якоря 2 от нижних полюсов магнитопровода 1 к верхним происходит аналогично. Для установки якоря 2 из среднего положения в исходное используется или форсировка тока в обмотке управления 3, или резонансная раскачка якоря 2.

Анализ отечественной и зарубежной литературы не выявил методик проектирования прямоходового поляризованного электромагнита с Н-образным якорем. Ниже предлагается следующая методика проектирования подобного привода. При решении поставленной задачи дополнительно предполагаем, что существует ограничение на горизонтальный размер (по оси Х) проектируемого привода.

В резонансной пружинно-массовой системе время переключения привода 4 с общей массой подвижных частей привода и исполнительного механизма т и жесткостью переключающих пружин С связаны известным соотношением: tп = %*]т / С .

Зная ход якоря от нейтрального до конечного положения, можно определит усилие, которое должен обеспечивать ПМ в конечном положении якоря РЭМ.

Предлагаемая методика проектирования подобных систем состоит в определении оптимальных соотношений между размерами ПМ и магнитной системы (МС), при которых ЭМ обеспечит требуемое усилие РЭМ. Определенная таким образом суммарная МДС, создаваемая ПМ, позволит затем рассчитать параметры обмотки управления.

Задача проектирования разбивается на два этапа. На первом - определяется оптимальная толщина ПМ (размер по оси Х), обеспечивающая требуемое усилие РЭМ при минимальном объеме ПМ. Для известной индукции магнитного поля в области воздушных зазоров В5 площадь магнитопровода может быть рассчитана по формуле

2н-о рэм

SMn

В2

Если не учитывать падение МДС в стали магни-топровода, то для одной половины МС можно записать:

В,5

—, (1) М- о

LnMHПМ _ "

где LПМ - толщина постоянного магнита; НПМ - напряженность магнитного поля постоянного магнита; 5 - суммарный технологический зазор в магнитной системе.

Полагаем, что в конструкции используются высококоэрцитивные ПМ, аппроксимируем его характеристику размагничивания линейной функцией

. TT BnM TT

Hr--Hr

C Br

где НС, Вг - соответственно коэрцитивная сила и остаточная индукция ПМ; НПМ, ВПМ - текущие значения напряженности магнитного поля и индукции, создаваемые ПМ.

Учитываем, что соотношение между площадями ПМ и магнитопровода можно представить в виде

Ks =-

sn

Bs Hr

Sy.

B„

Hr -

SBs

Цо Цпм

Подставляя (2) в выражение (1) и умножая обе части на объем ПМ, получим

L

ПМ

HrVnM

Bs SMn HCLnM

Br

=

Ц 0

Преобразуя выражение (3), найдем в явном виде зависимость объема постоянного магнита от его длины:

VnM

Bs S МП HCLnM

Br I LnM Hr

M Цо

Дифференцируя последнее выражение по LПМ, определим оптимальную толщину ПМ:

LnM _

2BsS Цо Hr

В ЭМ суммарный технологический воздушный зазор 5 складывается из остаточного зазора между якорем и полюсом, а также зазоров между ПМ, маг-

нитопроводом и якорем. Например, полагая, что сумма 5 = 0,610-3 м, а ПМ из NdFeB 40 должен обеспечить индукцию в рабочем зазоре В5 = 1,8 Тл, получим:

^ПМ

2-1,8 • 0,6-10 _3 1,256-10"6 - 979-103

= 1,75 -10"3 м.

На втором этапе задаем базовыми размерами МС, через которые можно определить остальные параметры магнитной системы. Полагаем, что основными размерами МС являются: /1 - толщина горизонтального участка верхней и нижней частей полюса магнито-провода; /2 - ширина одного полюса Н-образного якоря; /3 - размер магнитопровода в направлении оси ^ /4 - толщина арматуры под обмоткой управления; /5 - высота ПМ.

С учетом равенства поляризующего магнитного потока толщины горизонтальной и вертикальной частей магнитопровода определяются отношением магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре и стали магнитопровода. Чтобы обеспечить эффективное использование МДС ПМ, высота якоря должна на 4-5 мм превышать половину высоты ПМ. Воздушные зазоры между горизонтальными частями полюсов магнитопровода должны быть в 5^10 раз больше суммарного технологического зазора, чтобы избежать шунтирования рабочего магнитного потока.

Размер перемычки в Н-образном якоре должен обеспечивать установку штока. При этом суммарный размер двух вертикальных частей магнитопровода, двух полюсов якоря и перемычки между ними, а также четырех технологических воздушных зазоров между якорем и магнитопроводом не должен превышать установленного ограничения на размер ЭМ по оси Х.

Для предварительной оценки оптимальных соотношений в параметрах МС построена электрическая схема магнитной цепи электромагнита (рис. 2).

Параметры элементов этой схемы вычисляются через геометрические размеры отдельных участков магнитной цепи и значения их магнитной проницаемости. На основании законов Киргофа устанавливается связь между МДС ПМ и распределением магнитных потоков в магнитопроводе. Методом деформированного многогранника, реализованном в программе [5], определяются параметры МС, которые для требуемого значения РЭМ обеспечивают минимальный объем ЭМП. Электромагнитная сила вычисляется по

формуле Рэм = \ 1 (Ф^ + Ф^), где Ф13, Фи (или

2Ц0/2/3 К '

Ф2 и Ф6) - магнитные потоки, созданные в рабочих воздушных зазорах при верхнем или нижнем положении якоря.

К о ф

Rsj

-Ф-

«¿4

21

Ф

Р Л

20 т1°

й

mS

К 7

Ф

ф

16

фп 1м.

д

V №

г17

"0

19

\!Ф

15

Ü

Ф

тб

R - El

13 А

61 ^ml

4,

El R

_ 0'*" , fr ж ü'"' ч

Ф2 Д

Ф0к

*тз

1

ЛФ10

УФ6

-ф

R

Si

"¿8

R ¿6 —

&

SS

тЗ

¡\ф9

Рис. 2. Схема замещения магнитной цепи ЭМП

Спроектированный таким образом ЭМ имеет следующие базовые размеры: ^ = 5,7 мм, 12 = 5 мм, 13 = 60 мм, 14 = 4 мм, 15 = 18,6 мм. Общий объем ЭМП составил 128502 мм3, при ограниченном размере по оси Х, равном 33 мм.

Затем, для найденных размеров МС была построена модель, на которой проводилось численное моделирование магнитного поля с использованием программного комплекса FEMM. Такой подход позволяет уточнить значение электромагнитной силы за счет возможности учета насыщения стали магнито-провода и оценить влияние на нее малых вариаций параметров МС относительно установленных расчетом по схеме замещения.

В расчетах предполагалось, что магнитное поле ЭМ плоскопараллельно. Автоматизация вычислений проводилась при помощи Lua-скриптов. Некоторые результаты моделирования ЭМП, обеспечивающего время переключения 4 мс для исполнительного механизма, имеющего общую массу подвижных частей 0,14 кг при ходе якоря 8 мм, приведены ниже.

Полученные результаты показывают, что имеется оптимальное соотношение между параметрами МС, позволяющее получить максимальное усилие при притянутом якоре.

Как видно из представленного выше рисунка, при увеличении высоты ПМ происходит увеличение тяго-

вого усилия (рис. 3 а), но при этом растет объем ПМ и габариты привода. Увеличение зазора 5: под обмоткой управления ведет к росту тягового усилия (рис. 3 б), но это также увеличивает МДС обмотки управления. При зазоре 52, между полюсами магнитопровода (рис. 3 в), равном 5 мм, тяговое усилие принимает максимальное значение. Уменьшение длины перемычки якоря увеличивает силу тяги ЭМП, но одновременно увеличивает массу якоря, что ведет к увеличению времени переключения, кроме того, ее размер должен быть достаточен для установки штока.

Определены также тяговые характеристики ЭМП при различных значениях МДС обмотки управления (рис. 4). Из них видно, что для переключения ЭМП необходимо снизить электромагнитную силу на 10 %, создав в обмотке управления МДС, равную 1500 А.

Приведенная двухэтапная методика проектирования быстродействующего электромагнитного привода с поляризованной магнитной системой позволяет за счет использования на первом этапе эквивалентной электрической схемы замещения МС уменьшить время при оптимизации параметров магнитной системы. Уточнение интегральных характеристик привода осуществляется на втором этапе полевым методом.

750 -

1 1 1 1

20

а

1 1 I 1 1 1 ! . . . 1 I 1 1 1 1 I . . .

l5, мм

10 15

б

§ь мм

§2, мм

g, мм

Рис. 3. Зависимости тягового усилия при притянутом якоре при вариациях в размерах магнитопровода: а - от высоты ПМ; б - от величины зазора под обмоткой управления; в - от величины зазора между полюсами магнитопровода (от ширины

полюсов Н-образного якоря); г - от длины перемычки якоря

г

800 700 600 500 400 300 200 100 0

4

/3

2 W\

\ \ \

/ч -----s

0,5 1,0 1,5

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Перемещение якоря, мм

Рис. 4. Статическая тяговая характеристика ЭМП: 1 - МСД-3000 А; 2 - МСД-1500 А; 3 - МСД0 А; 4 - МСД3000 А

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.1500.

Литература

1. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. М., 1972. 248 с.

2. Коген-Далин В.В., Комаров Е.В. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами. М., 1977. 248 с.

3. Патент 2374545 Российская Федерация МПК F 16 К 31/08. Однокатушечный быстродействующий поляризованный электромагнитный привод с прямоходовым якорем.

4. Elsäber A., Schilling W., Schmidt I., Kallenbach E., Beyer F. Schnelle maqnetische Aktoren für die Impulsaufladung von Hubkolbenmotoren // 47 Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universität Ilmenau. Ilmenau, 23-26 September, 2002.

5. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2011615508 Российская Федерация «Параметрическая оптимизация методом деформированного многогранника динамических параметров электромагнита».

Р Н

L эм? -LJ-

Поступила в редакцию 24 декабря 2012 г.

Гринченков Валерий Петрович - канд. техн. наук, профессор, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-51-13. E-mail: grinvp@yandex.ru

Шевченко Екатерина Викторовна - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-51-13. E-mail: katyatyan01@gmail.com

Большенко Ирина Александровна - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-51-13. E-mail: irenka84@mail.ru

Подберезная Ирина Борисовна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-51-13. E-mail: podbereznayaib@mail.ru

Grinchenkov Valery Petrovich - Candidate of Technical Sciences, professor, department «Electric and Electronic Devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-51-13. E-mail: grinvp@yandex.ru

Shevchenko Ekaterina Viktorovna - post-graduate student, department «Electric and Electronic Devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-51-13. E-mail: katyatyan01@gmail.com

Bolshenko Irina Alexandrovna - post-graduate student, department «Electric and Electronic Devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-51-13. E-mail: irenka84@mail.ru

Podbereznaya Irina Borisovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electric and Electronic Devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-51-13. E-mail: podbereznayaib@mail.ru