Режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей

Режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей Шабанов А. С.1, Нейман В. Ю.2

1 Шабанов Андрей Сергеевич / Shabanov Andrei Serheevych - магистрант, кафедра электротехнических комплексов;

2Нейман Владимир Юрьевич /Neyman Vladimir Yurevych - доктор технических наук, профессор, кафедра теоретических основ электротехники, факультет мехатроники и автоматизации, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Аннотация: рассмотрены режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей за полный рабочий цикл энергопреобразования. На основе баланса элементарных энергий электромеханической системы дана общая оценка для наиболее характерных режимов.

Ключевые слова: линейный электромагнитный двигатель, режимы работы, рабочий цикл двигателя, процессы энергопреобразования.

Импульсные линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) нашли применение в строительной, горной, легкой и других отраслях промышленности для реализации технологических процессов и производств, требующих большие по величине и кратковременные по времени усилия [1 -6]. Для виброударных технологий практическое применение нашли синхронные электромагнитные машины, созданные на базе ЛЭМД [7-11]. Сложившаяся за последнее время тенденция применения вариантов схем машин с ЛЭМД рассмотрена в работах [12, 13]. Разработанные сегодня методики точного учета конструктивных параметров машин позволяют существенно повысить эффективность их использования [14-24]. Также уделяется особое внимание вопросам нагрева и охлаждения машин [25-33]. Реализация новых рабочих циклов машин и исследование режимов работы позволяет существенно улучшить их силовые и энергетические показатели.

Под режимами работы импульсных ЛЭМД будем понимать процессы энергопреобразования при взаимодействии с источником питания, от которого двигатель получает необходимое количество энергии для обеспечения способности совершать механическую работу в соответствии с заданным рабочим процессом.

Особенностью работы ЛЭМД является цикличный режим энергопреобразования, являющийся совокупностью идентичных, последовательно протекающих электромагнитных, механических и тепловых процессов, происходящих в двигателе и образующих завершенный круговой цикл. Энергетика ЭМД определяется потреблением от источника электрической энергии, преобразованием ее в тепловую энергию и энергию электромагнитного поля и затем в механическую работу. При этом происходящие процессы энергопреобразования могут протекать как одновременно, так и последовательно по времени. В процессе энергопреобразования за полный рабочий цикл, начиная с момента получения электрической энергии и до совершения полезной работы, в замкнутой системе происходят сложные электромеханические процессы, связанные с взаимным преобразованием электрической, магнитной и механической энергии, включая и обратимые процессы. В связи с этим энергетические режимы подразделяются на следующие режимы: двигательный, в котором электрическая энергия из сети потребляется и расходуется на тепловыделение и изменение кинетической энергии якоря с одновременным запасанием магнитной энергии в системе посредством обменной магнитной энергии; генераторный, в котором часть механической энергии может быть преобразована в магнитную, а другая ее часть в электрическую и генерироваться во внешнюю сеть или аккумулироваться в накопительных элементах устройств с возможностью использования в следующем цикле энергопреобразования.

Кроме этого при работе ЛЭМД имеют место режимы, в которых полезное использование составляющих энергии принципиально невозможно. Энергия аккумулируется в элементах устройств, претерпевая многократное преобразование механической энергии в магнитную и обратно. В двигательном режиме процесс превращения магнитной энергии в механическую работу возможен, когда электромагнитное усилие превышает противодействующее. Процесс энергопреобразования изменится на обратный, если внешняя механическая сила будет превышать электромагнитную силу. Механическая энергия, потраченная на преодоление электромагнитного усилия, преобразуется в магнитную энергию и запасается в системе.

В зависимости от направления внешней силы возможны различные процессы энергопреобразования, которые частично рассмотрены в [34-37].

Из всего многообразия процессов энергопреобразования можно выделить характерные, обладающие общими свойствами. При этом известно, что процесс превращения магнитной энергии в механическую работу может протекать без превращения электрической энергии в магнитную. Механическая работа здесь совершается только за счет ранее запасенной энергии в магнитном поле. Электрическая энергия расходуется только на покрытие тепловых потерь. Качественно отличается от предыдущего процесс энергопреобразования, осуществляющий одновременное превращение магнитной энергии, получаемой от источника, в механическую энергию с различной степенью восстановления обменной электромагнитной энергии. В зависимости от степени восстановления обменной магнитной энергии, процесс её превращения в

механическую работу может протекать с одновременным частичным восстановлением магнитной энергии, постоянной по величине и с увеличением магнитной энергии.

Процесс энергопреобразования за время движения может также протекать при одновременном превращении обменной магнитной энергии и в механическую работу, и в электрическую энергию.

При этом следует акцентировать внимание на процессе движения при убывании тока, в котором энергопреобразование связано с превращением в работу только части энергии и неизбежным возвращением источнику другой части энергии магнитного поля, что объясняется специфической особенностью электромагнитных систем.

Отрыв якоря внешними силами всегда сопровождается генераторным режимом, когда механическая энергия внешних сил переходит в электрическую или магнитную через магнитную энергию во внешние цепи питания. При этом возникающие процессы идентичны двигательному режиму.

Из сказанного выше следует, что энергопреобразование в ЛЭМД сопровождается сложными электромеханическими процессами, которые во многом определяют вид переходной кривой динамической характеристики намагничивания и конфигурацию магнитного цикла в динамическом режиме.

В таблице приведены наиболее характерные режимы энергопреобразования для различных магнитных циклов (для двигательного, режимы № 1-5; для генераторного, режим № 6). В таблице с использованием элементарных энергий приведено также описание механизма энергопреобразования, являющегося следствием баланса энергий в электрических контурах, который, в свою очередь, можно рассматривать как следствие второго закона Кирхгофа, на основании которого при обычных допущениях о пренебрежении вихревыми токами и явлением гистерезиса можно записать:

'У

uidt = i rdt + eidt, т.е. dwc = dq + dw3M,

при этом dW3M = eidt = dAMex + Мм, где e - мгновенное значение электродвижущей силы и, соответственно, элементарные энергии: dwc - источника; dq - тепловых потерь в обмотке с

сопротивлением Г; dw3M - электромагнитной и dw^M - обменной магнитной энергии; dAMex -элементарная механическая работа.

Таблица 1. Режимы энергопреобразования ЛЭМД

№ режима Баланс элементарных энергий Скорость якоря Характеристика процесса

i dwc = dq + Ммех + dwiм v > 0 Щн Щк > 1н <1к

2 щн <щк , i = const

3 Щн <Щк > 1н К

4 dwc = dq + dAмех Щн<Щк, h )h , dw^ = 0

5 Мм = dq + dAмех щ = const, iH )iK, dwo = 0 > Мм = 0

6 dwc + dA.мех = dq + Мм v < 0 Щн <Щк > 1н К

Конечное значение магнитной энергии в процессе электромеханического преобразования энергии может иметь большее или меньшее значение по сравнению с начальным запасом и зависит от характера нагрузки, ее изменения при перемещении, инерционности движущихся частей и формы питающего напряжения.

Таким образом, приращение обменной энергии магнитного поля dw^3M есть величина не всегда

положительная. Физически это означает только то, что механическая работа может также производиться за счет уменьшения магнитной энергии, запасенной в системе на начальном этапе движения. При этом механическая работа, определяемая площадью, ограниченной кривой динамической характеристики

намагничивания в координатах Щ = f (i), которая характеризует интегральную работу, есть величина всегда положительная. Здесь следует уточнить, что выявление наилучших динамических режимов на плоскости Щ = f (i) без учета движения, в ряде случаев приводит к грубым и противоречивым

результатам по сравнению с реальностью. Это объясняется тем, что полный магнитный цикл начинается и заканчивается неподвижным статическим состоянием, и интегральная работа зависит только от координат статических режимов на плоскости веберамперных характеристик, т. е. полный магнитный цикл принципиально не учитывает динамику процесса.

Литература

1. Аксютин В. А. Прессовое оборудование с линейным электромагнитным приводом для механизации технологических процессов ударной сборки и штамповки мелких изделий. / В. А. Аксютин, Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман, А. А. Скотников. // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2 С. 220224.

2. Угаров Г. Г. Анализ показателей электромагнитных ударных машин. / Г. Г. Угаров, В. Ю.Нейман. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1996. № 2. С. 72-80.

3. Нейман В. Ю. Интегрированные линейные электромагнитные двигатели для импульсных технологий. // Электротехника. 2003. № 9. С. 25-30.

4. Нейман В. Ю. Способы повышения энергетических показателей однообмоточных импульсных устройств с электромагнитным возбуждением. / В. Ю. Нейман, Д. М. Евреинов, Л. А. Нейман, А. А. Скотников, Ю. Б. Смирнова. // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ, 2010. № 8. С. 29-31.

5. Нейман Л. А. Низкочастотные ударные электромагнитные машины и технологии. / Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман. // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2014. - № 1 - С. 256-259.

6. Малинин Л. И., Нейман В. Ю. Предельные силовые характеристики электромагнитных двигателей постоянного тока. // Электротехника. 2009. № 12. С. 61-67.

7. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Линейные синхронные электромагнитные машины для низкочастотных ударных технологий. // Электротехника. 2014. № 12. С. 45-49.

8. Нейман Л. А. Синхронный электромагнитный механизм для виброударного технологического оборудования. // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № 6 (207). С. 17-19.

9. Нейман Л. А. Исследование двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка. / Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман. // Современные проблемы теории машин. 2014. № 2. С. 109-110.

10. Нейман Л. А. Новые конструктивные решения проблемы точной синхронизации возвратнопоступательного движения бойка неуправляемой электромагнитной машины ударного действия. / Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман. // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2 С. 280-285.

11. Нейман В. Ю., Скотников А. А., Нейман Л. А. Структурный анализ синхронных электромагнитных машин ударного действия// Автоматизированные электромеханические системы: сб. науч. тр. Под общ. ред. В. Н. Аносова. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. С. 106-120.

12. Угаров Г. Г., Нейман В. Ю. Тенденции развития и применения ручных ударных машин с электромеханическим преобразованием энергии. // Известия вузов. Электромеханика. 2002. № 2. С. 3743.

13. Нейман В. Ю., Скотников А. А., Нейман Л. А. Тенденции в развитии конструкций синхронных двухобмоточных электромагнитых машин для импульсных технологий. // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы II междунар. науч.-практ. конф. Саратов: ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ. 2011. С. 209-211.

14. Нейман Л. А., Рогова О. В. К исследованию тяговых характеристик электромагнитных приводов с учетом зубчатости элементов магнитопровода. // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2013. № 1 (20). С. 100-108.

15. Нейман Л. А., Петрова А. А., Нейман В. Ю. К оценке выбора типа электромагнита по значению конструктивного фактора. // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 62-64.

16. Нейман В. Ю. К вопросу учета главных размеров при выборе типа электромагнита по значению конструктивного фактора. / В. Ю. Нейман, Л. А. Нейман, А. А. Петрова, А. А. Скотников, О. В. Рогова. // Электротехника. 2011. № 6. С. 50а-53.

17. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. О методике к выбору типа электромагнита по значениям конструктивного фактора. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. № 2. С. 310-313.

18. Нейман Л. А . Применение метода проводимостей для учета силы одностороннего магнитного притяжения асимметричного электромагнита. / Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман. // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 2 (97) С. 214-218.

19. Нейман В. Ю. Сравнение способов форсировки импульсных линейных электромагнитных двигателей. / В. Ю. Нейман, А. А. Петрова. // Электротехника. 2007. № 9. С. 47a-50.

20. Нейман Л. А. К решению задачи рационального выбора электромагнитного двигателя заданного габарита и веса на основе численного эксперимента. // Научный вестник НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. № 4. С. 184-190.

21. Соловейчик Ю. Г. Оптимизация геометрии линейных электромагнитных двигателей с использованием конечноэлементного моделирования магнитного поля. / Ю. Г. Соловейчик, В. Ю. Нейман, М. Г. Персова, М. Э. Рояк, Ю. Б. Смирнова, Р. В. Петров. // Известия вузов. Электромеханика. 2005. № 2. С. 24-28.

22. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Расчет показателя экономичности силового электромагнита постоянного тока с помощью моделирования магнитного поля. // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ, 2008. № 6. С. 21-24.

23. Петрова А. А., Нейман В. Ю. Моделирование в FEMM магнитного поля для расчета тяговых характеристик электромагнитных двигателей постоянного тока. // Сборник научных трудов Новосибирского государственного технического университета. 2008. № 2. С. 101-108.

24. Нейман В. Ю. Расчет показателя экономичности силового электромагнита постоянного тока с помощью моделирования магнитного поля. / В. Ю. Нейман, Л. А. Нейман, А. А. Петрова. // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ. 2008. № 6. С. 21-24.

25. Нейман Л. А. Оценка конструктивного совершенства систем охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия. // Научный вестник НГТУ. 2013. № 4. С. 177-183.

26. Нейман В. Ю. Оценка конструктивного совершенства систем принудительного охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия. / В. Ю. Нейман, Л. А. Нейман. // Журнал Сибирского Федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2015. № 2, Т. 8. С. 166-175.

27. Нейман Л. А. Исследование перегрузочной способности цикличного электромагнитного привода в зависимости от начального превышения температуры в переходных тепловых режимах. // Электротехника. 2014. № 7. С. 7-12.

28. Нейман Л. А. Приближенный расчет цикличного электромагнитного привода с учтенным начальным превышением температуры в переходном тепловом процессе нагрева. // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2014. № 1 (22). С. 113-122.

29. Нейман Л. А. Оценка перегрузочной способности ударного электромагнитного привода по средней температуре перегрева в переходных режимах. // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. С. 58-61.

30. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Сравнение геометрически подобных систем электромагнитов по условию постоянства теплового критерия. // Электротехника. 2011. № 12. С. 14а-16.

31. Нейман Л. А., Скотников А. А. Анализ процесса нагрева электромагнитного двигателя, работающего в импульсном режиме. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2012. № 2. С. 319— 322.

32. Нейман Л. А., Скотников А. А., Нейман В. Ю. Исследование нагрева электромагнитного двигателя в переходных режимах. // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 50-54.

33. Нейман Л. А, Нейман В. Ю. Шабанов А. С. Упрощенный расчет электромагнитного ударного привода в повторно-кратковременном режиме работы. // Электротехника. 2014. № 12. С. 50-53.

34. Нейман В. Ю. Анализ процессов энергопреобразования линейных электромагнитных машин с предварительным аккумулированием магнитной энергии в динамических режимах. // Электротехника. 2003. № 2. С. 30-36.

35. Нейман Л. А . Анализ процессов энергопреобразования в однокатушечной синхронной электромагнитной машине с двухсторонним выбегом бойка. // Известия Томского политехнического университета. Томск. Изд-во ТПУ, 2013. № 4, Т. 323. С. 112-116.

36. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Рабочий цикл двухкатушечной синхронной электромагнитной машины со свободным выбегом бойка. // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. 48-52.

37. Нейман Л. А. Анализ процессов энергопреобразования в двухкатушечной синхронной электромагнитной машине с инерционным реверсом бойка. // Известия Томского политехнического университета. Томск. Изд-во ТПУ, 2014. № 4, Т. 325. С. 157-163.

38. Малинин Л. И. Определение напряжения преобразования энергии и электромагнитных сил в электромеханических системах. / Л. И. Малинин, В. Ю. Нейман. // Электричество. 2008. № 6. С. 57-62.