Решение задачи рационального выбора электромагнитного привода энергосберегающей виброударной установки

Решение задачи рационального выбора электромагнитного привода энергосберегающей виброударной установки Нейман Л.А.

Нейман Людмила Андреевна / Neyman Lyudmila Andreevna - кандидат технических наук, доцент, кафедра электротехнических комплексов, факультет мехатроники и автоматизации, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Аннотация: рассмотрено решение задачи влияния профиля магнитной цепи на выходные характеристики электромагнитного двигателя, полученные с помощью конечно-элементного моделирования магнитного поля. Из условия экономичности показаны различия в эффективности использования сравниваемых структур электромагнитных двигателей одного габарита и веса.

Abstract: it has been considered how magnetic circuit profile influences on electromagnetic motor output characteristics found by magnetic field finite-element simulation. Several electromagnetic motor structures have been compared to show efficiency differences between motors of the same dimensions and weight.

Ключевые слова: электромагнитный двигатель, рациональная структура магнитной цепи, магнитное поле, конечно-элементное моделирование.

Keywords: electromagnetic motor, electromagnetic motor parameters, magnetic circuit structure, magnetic field, finite-element simulation.

В различных технологических процессах и производствах широкое практическое применение, как менее энергоемкие, находят вибрационные и виброударные устройства, использующие для возбуждения колебаний линейный электромагнитный привод [1-3]. Среди машин данного класса следует выделить низкочастотный синхронный электромагнитный привод ударного действия [4-10]. Основу электропривода, как правило, составляют силовые электромагниты цилиндрической структуры, обладающие высокими силовыми и энергетическими показателями [11-14]. Основы их рационального конструирования, а также совершенствование инженерных методик по их расчету по-прежнему сохраняют свою актуальность в задачах проектирования [15-23].

В проводимых исследованиях выполнен сравнительный анализ цилиндрических электромагнитов одного габарита и веса и показано влияние профиля магнитной цепи через широко используемые в практике выходные показатели, полученные с помощью конечно-элементного моделирования магнитного поля [24]. Структурированные в объеме базовой конструкции электромагнита типовые профили магнитной цепи в виде расчетных моделей подробно представлены в [25]. Здесь также рассмотрены результаты построения картин поля в виде линий магнитного потока, полученные по результатам численного расчета активного объема наиболее распространенных структур электромагнитов с использованием конечно-элементного моделирования в программе FEMM [26].

По результатам численного эксперимента на рис. 1 приведены кривые относительных значений тяговых усилий, определяемых через отношение абсолютных значений тяговых усилий к тяговому усилию электромагнита такого же объема с наибольшим значением тягового усилия в конце рабочего хода якоря.

Величины ходов якоря представлены через относительный параметр Е = , равный отношению величины рабочего воздушного зазора х к диаметру якоря йя.

Из полученных кривых, соответствующих максимальным значениям отношения f * = f J, можно получить предельные величины ходов якоря для каждого профиля электромагнита. Как это следует из рис. 1, на интервале величины ходов якоря = 0,005... 0,052 по максимальным значениям тягового усилия преобладают электромагниты с одним из профилей магнитной цепи соответствующим характеристике (прямая 8). С увеличением величины рабочего воздушного зазора на интервале = 0,052.. .0,093 по максимальным значениям тягового усилия преобладают электромагниты с конструктивной формой магнитной цепи, соответствующей характеристике (кривая 9), а на интервале Е, > 0,093 преобладают электромагниты, с профилем соответствующие характеристике (кривая 5).

Рис. 1. Кривые относительных тяговых усилий электромагнитов с различным профилем магнитной цепи

Для фиксированных положений якоря в заданном интервале относительных значений = 0,005...0,18, как это следует из рис. 1, тяговые усилия электромагнитов с различными профилями магнитной цепи могут отличаться в 2.. .10 и более раз.

Для количественной оценки сравниваемых типов электромагнитов между собой использовались общепринятые показатели, наиболее полно отражающие тенденции преимущественного применения.

Полная механическая работа Ап определялась как площадь, ограниченная соответствующей кривой тяговой характеристики и осью абсцисс в пределах перемещения якоря. Под максимальной условной полезной работой Ау понималось максимальное значение произведения электромагнитной силы на

величину хода якоря, соответствующего данной силе. Оптимальная величина рабочего воздушного зазора определялась по максимальной условной полезной работе. Этой же величине рабочего воздушного зазора

соответствует оптимальная для получения максимальной работы сила . Полезная механическая работа

при оптимальном ходе Ам определялась соответствующей площадью, ограниченной тяговой

характеристикой и осью абсцисс в пределах установленного хода якоря.

Для сравнительной оценки в отношении расхода активных (конструкционных) материалов использовался показатель добротности Д(х), определяемый как отношение веса электромагнита к

максимальной условной полезной работе [27, 28]. Значение конструктивного фактора - КФ определялось как отношение корня квадратного из оптимальной силы к величине оптимального рабочего хода [29-31]

В исследованиях установлено, что приводимые показатели рассматриваемых профилей магнитной цепи электромагнитов при условии одинакового габарита, веса и нагрева могут существенно отличаться друг от друга по абсолютным значениям. Электромагниты имеют различия не только в максимальной условной

полезной работе, которая может изменяться в пределах Ау = 2,32...11 Дж , но и в полной механической

работе Ап = 7,89...22,06 Дж. Также следует, что для электромагнитов с фиксацией якоря в конце рабочего хода полезная механическая работа для оптимального хода превышает условную полезную работу Ам/Ау = 1,32. ..2,1. Для электромагнитов, имеющих свободный выбег якоря, это отношение находится в

пределах значений Ам^Ау = 0,63...0,68. Последнее свидетельствует о том, что условная полезная

работа для систем электромагнитов со свободным выбегом якоря всегда превышает потенциальную механическую работу, что объясняется видом тяговой характеристики.

Существенно отличаются исследуемые электромагниты по показателю добротности, который изменяется в пределах Д(х) = 1,0...4,74 кг/Дж, что может быть объяснено только не оптимальной геометрией магнитной цепи при заданных габаритах.

Для определения значений конструктивных факторов, соответствующих максимально возможным тяговым усилиям, расчет электромагнитов с заданным профилем магнитной цепи по описанной методике следует проводить для ряда вариантов с произвольно выбранными геометрическими параметрами, из которых затем может быть определен наилучший вариант с точки зрения минимального веса активных материалов или минимальной добротности.

Результаты исследований показывают целесообразность определения областей рационального использования электромагнитов из анализа расчетных статических тяговых характеристик, полученных с помощью конечно-элементного моделирования магнитного поля.

Литература

1. Мошкин В.И., Нейман В.Ю., Угаров Г.Г. Импульсные линейные электромагнитные двигатели. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010, 220 с.

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

3. Угаров Г.Г., Нейман В.Ю. Тенденции развития и применения ручных ударных машин с электромеханическим преобразованием энергии // Известия вузов. Электромеханика. 2002. № 2. С. 37-43.

4. 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.

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

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

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

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

9. 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.

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

11. 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.

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

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

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

15. 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.

16. 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.

17. 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.

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

19. Нейман ЛА., Скотников АА. Анализ процесса нагрева электромагнитного двигателя работающего в импульсном режиме // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2012. № 2. С. 319-322.

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

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

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

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. Neyman V.Yu., Neyman L.A., Petrova A.A. Calculation of efficiency of DC electromagnet for mechanotronbic systems // IFOST 2008: Proceedings of the 3d International Forum on Strategic Technology, June 23-29, 2008, Novosibirsk: Tomsk. P. 452-454.

28. Нейман В.Ю., Нейман ЛА., 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.

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

30. 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.

31. Нейман В.Ю., Нейман Л.А., Петрова АА. О методике к выбору типа электромагнита по значениям конструктивного фактора // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. № 2. С. 310313.