Исследование нестационарного магнитного поля электромагнита с расщепленными полюсами и полюсными наконечниками в пакете elcut

Библиографический список

1. Ильинский, Н. Ф. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Н. Ф. Ильинский, В. В. Москаленко. — М. : Академия, 2008. — 208 с.

2. Гребеников, В. В. Анализ характеристик вентильных электродвигателей с зубцово-пазовой и явнополюсной конфигурацией статора / В. В. Гребеников, М. В. Прыймак. — Режим доступа : http://www.nbuv.gov.ua/old_jrn/natural/Vsntu/ mechan/2012_132/2012_132/132_38.pdf (дата обращения: 10.09.2016).

3. Татевосян, А. А. Моделирование магнитного поля синхронного генератора с постоянными магнитами / А. А. Татевосян, В. С. Мищенко. — Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2016. — № 4 (148). —

С. 90-93.

4. Зубков, Ю. В. Идентификация параметров синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов методом численного моделирования магнитного поля / Ю. В. Зубков, Э. Г. Чеботков // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. — 2015. — №. 3. — С. 136—141.

5. Руководство пользователя ЕЬСИТ. — СПб. : ПК ТОР, 2016. — 292 с.

6. Гребеников, В. В. Электрогенераторы с постоянными магнитами для ветроустановок и микро-ГЭС / В. В. Гребени-ков // Пдроенергетика Украши. — 2011. — № 1. — С. 43 — 48.

7. Проектирование электрических машин : учеб. для вузов / И. П. Копылов [и др.]. — М. : Юрайт, 2011. — 767 с.

ЛЫСЕНКО Олег Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрической техники.

Адрес для переписки: deolas@mail.ru СИМАКОВ Александр Владимирович, магистрант гр. ЭЭм-162 факультета элитного образования и магистратуры.

Адрес для переписки: a_v_simakov@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 11.10.2016 г. © О. А. Лысенко, А. В. Симаков

УДК 621.318.3

А. С. ТАТЕВОСЯН А. В. РАДЧЕНКО

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ

НЕСТАЦИОНАРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА С РАСЩЕПЛЕННЫМИ ПОЛЮСАМИ И ПОЛЮСНЫМИ НАКОНЕЧНИКАМИ В ПАКЕТЕ ЕЮУТ

В статье проводится исследование нестационарного магнитного поля при подключении обмотки электромагнита (ЭМ) с расщепленными полюсами и полюсными н аконечни-ками к источнику постоянного напряжения с целью исследования переходного процесса в цепи при з аданной геометрии м агнитной системы ЭМ, физических с в ойств используемых м а териалов, обмоточных данных и влияния вихревых токов в неших-тованных стальных м агнитопроводах. Специфические особенности конструкции таких ЭМ св язаны с их использованием в качестве подвесных электромагнитных сепараторов, предназначенных для извлечения ферромагнитных предметов из сыпучих ма териалов, транспортируемых ленточными конвейерами. Необходимость исследования переходного процесса в цепи обмотки ЭМ с вязана с определением е го динамических характеристик как сложного объекта управления.

Ключевые слова: электромагнит постоянного тока, межполюсный зазор, полюсные наконечники, расщепленные полюса, нестационарное магнитное поле, пондеро-моторные силы.

Широкое применение на практике во многих отраслях промышленности получили подвесные электромагнитные железоотделители (ЭЖ) постоянного тока, для конструкции которых характерно применение электромагнитов (ЭМ) постоянного тока с наборными полюсами и полюсными наконечниками, отличающиеся от обычных электрических аппаратов автоматики отсутствием подвижного элемента — якоря и предназначенные для извлечения

ферромагнитных предметов из различных сыпучих материалов, транспортируемых ленточными конвейерами. В таких ЭМ значительные пондеромоторные силы, действующие на ферромагнитные предметы, возникают вследствие резкой неоднородности магнитного поля в межполюсном зазоре, затухающего по мере удаления исследуемой точки от плоскости полюсных наконечников по закону, который отличается от экспоненциального [1].

Рис. 1. Эскиз магнитной системы (слева) и внешний вид ЭМ (справа): 1 — полюсные наконечники; 2, 3 — обмотка, состоящая из двух идентичных последовательно соединенных катушек; 4 — наборные полюса; 5 — ярмо; 26 — межполюсный зазор, Ь — ширина полюсного наконечника

Рис. 2. Схема установки для исследования переходного процесса в электрической цепи: 1 — выпрямитель; 2 — электромагнит; К — ключ

Особенности питания намагничивающих обмоток электромагнитных железоотделителей постоянным током исключают необходимость использования шихтованного магнитопровода. Составные части магнитопровода (наборные полюса, ярмо и полюсные наконечники) изготавливаются в виде цельнометаллических стальных плит, закрепленных между собой болтовыми соединениями.

Сложная конфигурация элементов магнитной системы и большие массогабаритные параметры намагничивающих обмоток, существенно превосходящие параметры электромагнитных катушек аппаратов электроавтоматики, ставят перед разработчиками сложные задачи, связанные с расчетами магнитного и теплового полей. Результатом расчета магнитного поля является определение напряженности магнитного поля и пондеромоторных сил во всех точках межполюсного зазора и за его пределами, а теплового поля — распределение температуры в объемах, занятых током.

При экспериментальном исследовании и расчете магнитного поля электромагнита постоянного тока с расщепленными полюсами и полюсными наконечниками в комплексе программ БЬСиТ 6.0 [1] удалось установить максимальное значение магнитной силы, которая не зависит от формы, размеров и природы извлекаемого тела, а характеризует только свойства магнитного поля и критерий качества разрабатываемой конструкции электромагнитного железоотде-лителя.

Результаты расчета теплового поля железоотдели-теля позволяют установить среднюю температуру перегрева намагничивающих обмоток. Однако математическая сложность решения этой задачи ведет к упрощенным подходам с использованием эмпирических формул [2, 3].

Наряду с исследованием рабочего режима, в котором по обмоткам электромагнитного железоотдели-теля проходит постоянный ток, значительный научный и практический интерес у разработчиков вызывает задача исследования динамических характе-

ристик электромагнитного железоотделителя, то есть работа ЭМ как объекта управления в переходных режимах.

В данной статье проводится исследование нестационарного магнитного поля при подключении обмотки электромагнита (ЭМ) с расщепленными полюсами и полюсными наконечниками к источнику постоянного напряжения с целью исследования переходного процесса в цепи при заданной геометрии магнитной системы ЭМ, физических свойств используемых материалов, обмоточных данных и влияния вихревых токов в нешихтованных стальных магнито-проводах. Конструкция ЭМ соответствует конструкции электромагнитного железоотделителя [4, 5].

Ниже приводится пример решения задачи с использованием профессиональной версии комплекса программ БЬСиТ 6.0 [6].

Эскиз магнитной системы и внешний вид ЭМ приведен на рис. 1. Электрическая схема подключения обмотки ЭМ к источнику постоянного напряжения показана на рис. 2.

Исходными данными для решения задачи являются геометрия магнитной системы электромагнита с полным числом витков обмотки 'ш= 1100, активным сопротивлением катушек, расположенных на полюсах, Я1= Л2 = 7,6 Ом. Напряжение источника питания равно ¡7=28 В. Магнитопровод, изготовленный из горячекатаной стали марки Ст. 20, имеет ярмо сердечника размерами 376 х 140 х 20мм, шесть наборных полюсов размерами 20 х 140 х 140 мм, два полюсных наконечника размерами 160 х 140 х 20мм. Толщина катушки 20 мм, высота катушки 140 мм, зазор между наборными полюсами 20 мм, толщина стенок каркаса катушек 5 мм.

Физические свойства используемых сред: относительные магнитные проницаемости стали тС = 2000 и воздуха т'В = 1, электропроводность стали уС = = 8 • 106Ом • м, электропроводность медного обмоточного провода уМ = 56 • 106 Ом • м .

Нестационарное магнитное поле ЭМ с расщепленными полюсами и полюсными наконечниками

Рис. 3. Присоединенная электрическая цепь, содержащая пассивные элементы, источник постоянного напряжения и массивные стальные проводники, находящиеся в магнитном поле

Рис. 4. Окно программы на этапе построения геометрии модели

моделируется в пакете ЕЬСиТ совместно с присоединенной электрической цепью, показанной на рис. 3.

Прямоугольная форма элементов магнитопровода и катушек позволяет принять допущение о плоскопараллельном характере поля ЭМ. В окне описания решаемой задачи заданы параметры, такие как свойства материалов, источники поля и граничные условия. Определен тип задачи — нестационарное магнитное поле. Класс модели — плоскопараллельная модель магнитного поля. Единицы длины — миллиметры. Координаты — декартовы. Расчет — обычный. Симметрия магнитной системы позволяет выполнить моделирование нестационарного магнитного поля ЭМ на половине расчетной области. Этап построения геометрии модели с присвоением меток блокам в контекстном меню пакета ЕЬСиТ показан на рис. 4. За пределами расчетной области магнитное поле отсутствует, поэтому на метке ребра «Граница» в модели значение векторного магнитного потенциала принимается равным нулю. На метке ребра «Симметрия» касательная составляющая напряженности магнитного поля равна нулю. Метки блоков «Обмотка 1» и «Обмотка 2» моделируют одну катушку ЭМ, представленную из 550 витков, соединенных последовательно (рис. 5).

В контекстном меню настройки временных параметров задачи (рис. 5) период времени интегрирования (переходного процесса) определен 0,1 с, шаг

интегрирования 0,001 с, расчет переходного процесса начинается с момента времени ноль.

Перед решением задачи область моделирования покрывается сеткой конечных элементов. При использовании автоматического шага дискретизации (разбиения) расчетной области сетка конечных элементов состоит из 4437 узлов. Машинное время решения задачи нестационарного магнитного поля в профессиональной версии пакета ЕЬСиТ 6.0 составило 11505 с.

Результаты расчета нестационарного магнитного поля ЭМ с расщепленными полюсами и полюсными наконечниками с учетом влияния вихревых токов в стали показаны на рис. 6 и 7.

Тепловыделение в обмотке с током по результатам расчета нестационарного магнитного поля ЭМ в конце времени интегрирования, определенное с помощью интегрального калькулятора пакета ЕЬСИТ, составляет 2190 Вт/м3.

На рис. 6 (справа) приведена временная зависимость тока в обмотке ЭМ, рассчитанная в профессиональной версии пакета ЕЬСИТ 6.0, но без учета влияния вихревых токов в стальных деталях магнито-провода (ярмо, наборные полюса, полюсные наконечники).

Сравнительный анализ полученных в ходе расчета в пакете ЕЬСИТ временных зависимостей тока в обмотке ЭМ с учетом и без учета влияния вихревых токов в стали (рис. 6) показывает, что вихревые

Рис. 5. Контекстное меню пакета ЕЬСиТ для задания свойств метки блока — обмотки 1

Рис. 6. Временные зависимости тока в обмотке ЭМ при переходном процессе с учетом влияния вихревых токов в стали

Рис. 7. Цветная картина магнитного поля ЭМ, полученная по окончании времени интегрирования

токи оказывают существенное влияние на динамические характеристики ЭМ.

Выводы.

1. Установлено существенное влияние вихревых токов в стали магнитопроводов на характер переходного процесса в цепи обмотки ЭМ при подключении ее к источнику постоянного напряжения.

2. Анализ временных зависимостей тока в обмотке ЭМ показывает, что при переходном процессе влияние вихревых токов в стали заметно сказывается на пандеромоторной силе в межполюсном зазоре в сторону их увеличения вследствие снижения индуктивности обмотки и уменьшения, соответственно, постоянной времени переходного процесса.

3. Численная модель нестационарного магнитного отделителя / М. В. Загирняк [и др.] // Известия вузов. Электрополя, построенная в комплексе программ ELCUT 6.0 механика. — 1992. — № 3. — С. 62 — 65. (профессиональная версия), соответствует физиче- 4. Сумцов, В. Ф. Электромагнитные железоотделители /

ской картине проявления вихревых токов в стали В. Ф. Сумцов. — М. : Машиностроение, 1978. — 174 с. на полученную временную зависимость тока в об- 5. Магнитные сепараторы — многообразие конструкций /

мотке ЭМ. A. C. Мищенко, A. M. Тишин. — Режим доступа : http://

www.amtc.ru/publications/articles/2053 (дата обращения: Библиографический список 10.05.2016).

6. Программа ELCUT. Руководство пользователя. — СПб. : 1. Экспериментальное исследование и расчет магнитного ООО «Тор», 2012. - 356 с. - Режим доступа : http://www. поля электромагнита постоянного тока с расщепленными elcut.ru/free_doc_r.htm (дата обращения: 12.01.2016). полюсами и полюсными наконечниками в комплексе программ ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

БЮТТ / А. С. Татевосян [и др.] // Известия Томского ТАТЕВОСЯН Александр Сергеевич, кандидат техни-

политехнического ун-та. Инжиниринг георесурсов. - 2016. - ческих наук, доцент (Россия), доцент кафедры тео-

Т. З27, № 2. — С. 133 —14°. ретической и общей электротехники.

2. Проектирование электромагнитных систем шкивных РАДЧЕНКО Анна Викторовна, ассистент кафедры сепараторов / М. В. Загирняк [и др.] // Вюник Кременчуцького теоретической и общей электротехники. нацюнального ушверситету ¡меш Михайла Остроградського. - Адрес для переписки: mechta7102@mail.ru

2015. - Вип. 3. - С. 9-14.

3. Приближенная формула напряженности магнитного поля Статья поступила в редакцию 07.10.2016 г. над серединой зазора двухполюсного магнитного железо- © а. С. Татевосян, А. В. Радченко

Книжная полка

Бажов, В. Техника высоких напряжений : учеб. / В. Бажов, В. Лавринович. - М. : ИНФРА-М, 2016. - 264 с. - ISBN 978-5-16-010565-9.

Изложены основы техники высоких напряжений применительно к электроэнергетике. Освещены физические аспекты электроразрядных процессов в газообразных, жидких, твердых и комбинированных диэлектриках. Описаны конструкции внешней изоляции линий электропередачи и подстанций; рассмотрены основные принципы построения изоляции оборудования высокого напряжения (силовых трансформаторов, высоковольтных конденсаторов, кабелей, электрических машин, коммутационных аппаратов); кратко освещены вопросы назначения и построения высоковольтных испытательных установок, испытания и измерения, а также описаны внутренние и атмосферные перенапряжения в электрических системах, меры и средства защиты от них. Предназначен для студентов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика», также может быть полезен инженерно-техническим работникам предприятий, энергосистем и проектных институтов.

Борисевич, А. В. Энергосберегающее векторное управление асинхронными электродвигателями: обзор состояния и новые результаты : моногр. / А. В. Борисевич. - М. : ИНФРА-М, 2016. - 102 с.

Монография посвящена методам повышения энергоэффективности векторного управления асинхронными электродвигателями. Рассмотрена модель асинхронного электродвигателя и описан принцип векторного управления. Дан краткий обзор существующих методов минимизации мощности потерь при векторном управлении. Приведены новые методы минимизации мощности потерь на основе численного поиска, а также на основе модели электродвигателя. Отдельно рассмотрен вопрос минимизации энергии потерь при ступенчатом изменении механической нагрузки. Все разработанные методы проверены с помощью моделирования и в результате экспериментов. Для инженеров, научных работников, аспирантов и студентов высших учебных заведений, интересующихся вопросами энергосбережения и электропривода.

Кудинов, А. А. Энергосбережение в котельных установках ТЭС и систем теплоснабжения : моногр. / А. А. Кудинов, С. К. Зиганшина. - М. : ИНФРА-М, 2016. - 319 с.

Рассмотрены вопросы энергосбережения в теплоэнергетических установках. Представлены результаты экспериментальных исследований, математические модели тепло- и массообменных процессов, методики теплотехнических расчетов теплообменников различного назначения. Обобщены данные экспериментально-теоретических разработок в области создания новых тепловых схем котельных установок, конструкций вращающихся регенеративных воздухоподогревателей и вакуумных деаэраторов, совершенствования тепломеханического оборудования паротурбинных ТЭС. Предназначена для преподавателей, аспирантов и студентов теплоэнергетических специальностей вузов, будет полезна инженерно-техническим работникам

т энергетической промышленности. <