Об оптимальных условиях энергопреобразования в электромагнитных приводах

Мошкин В. И.

Курганский государственный университет г. Курган Егоров A.A., Угаров Г.Г. Саратовский государственный технический университет, г. Саратов

ОБ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИВОДАХ

Показана невозможность реализации оптимальных условий энергопреобразования в описанных в литературе электромагнитных приводах, которые получают питание при условии постоянства напряжения и тока в обмотке электромагнита и не имеют при этом дополнительных устройств для изменения его тяговой и противодействующей характеристик.

Современная наука и практика выявили большую эффективность интенсификации ряда технологических процессов за счет импульсного, вибрационного и волнового воздействия машин на обрабатываемую среду.

Среди машин, реализующих указанные технологии в горном деле, строительстве, машиностроении, все большую роль начинают играть силовые электромагнитные импульсные системы, включающие в качестве основных структур линейный электромагнитный двигатель (ЛЭМД), преобразователь электрической энергии и рабочую машину или ее рабочий орган. Дальнейшее расширение области применения электромагнитного привода связано с повышением его силовых и энергетических показателей на основе определения основных связей и закономерностей процессов электромеханического преобразования энергии. В связи с этим публикации, посвященные этим вопросам, вызывают интерес у специалистов, занимающихся исследованием, разработкой и созданием машин и механизмов с электромагнитным приводом.

В работе [1] рассмотрены оптимальные условия энергопреобразования в электромагнитных молотках, молотах, виброперемешивающихустройствах, насосах, согласно которым указанные электромагнитные приводы получают питание при постоянстве напряжения и тока. Отсюда должно обязательно вытекать постоянство скорости изменения энергии магнитного поля и постоянство скорости преобразования энергии магнитного поля в механическую работу, при которых произведение тягового усилия электромагнита на скорость перемещения якоря остается постоянным в течение процесса.

Исходя из этого предложено выражение для тягового усилия:

Тх

где Ап - полезная работа; у - время соверше ния полезной работы.

Произведение • х в этом случае является посто янной величиной

• _ Ап_

ного процесса. Действительно из (2) вытекает, что в начале движения якоря при большом воздушном зазоре скорость якоря д. = 0 и потокосцепление Ш= 0, тяговое усилие рэ = с0> а в К0НЧе перемещения при минимальном

воздушном зазоре, максимальных скорости и потокос-цеплении тяговое усилие должно быть минимальным. Таким образом, условия постоянства напряжения и тока во время процесса движения обуславливают противоречивые требования к нему и не только не являются условиями оптимального преобразования энергии, но и не позволяют использовать без дополнительных устройств и источников энергии реальные электромагниты в качестве электромеханических преобразователей электрической энергии в кинетическую энергию якоря. Это объясняется следующим. Для реальных электромагнитов с ненасыщенным магнитопроводом рассмотрим два вида зависимостей индуктивности от перемещения якоря х: об-ратнопропорциональную величине рабочего воздушного зазора Ьг = А/х и пропорциональную площади рабочего воздушного зазора Ь2 = а + В  X, соответствующих электромагнитам продольного и поперечного магнитного поля. Выражения для тяговых усилий этих электромагнитов можно записать в виде:

РЭ1 = 0,5 • /2 • А/х2; РЭ2 = 0,5 • /2 • В.

Так как для выполнения условий и=сопз(, ¡=сопз( необходимо условие

то

R-x = const,

F31 -Xj = 0.5-i2 • A-—j- = const x

F32-x2 = 0.5-i2 -B-x2 = const ,

откуда

A, =

i1-A

Xj = Aj x"

= const

X2 = const.

Использование выражения (1) для тягового усилия электромагнита некорректно, так как не отражает реаль-

Из (3) и (4) следует, что для выполнения условий и=соп¡=сопз( требуется дополнительный источник энергии, чтобы обеспечить получение начальных скоростей движения хш, х2Н и тормозное устройство для

снижения скорости пропорционально квадрату величины рабочего воздушного зазора для электромагнитов с продольным полем и для обеспечения постоянства скорости при постоянной действующей силе на якорь для электромагнитов с поперечным магнитным полем.

Рассмотренные в [1] электромагнитные приводы различных линейных машин не имеют указанных дополнительных устройств и элементов и, следовательно, не могут осуществлять электромеханическое преобразование энергии при условии и=сопз(, ¡=сопз(, т. е. не являются работоспособными.

Некорректной является постановка и решение задачи динамики электромагнитного механизма, работающего в режиме компенсации потерь энергии. В [1] ставится задача исследования такого режима работы электро-

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1

239

магнитных механизмов, при котором активные потери на омическом сопротивлении будут отсутствовать". Такая постановка задачи некорректна, так как не существует режимов, при которых такие потери отсутствуют и поэтому теоретические и экспериментальные исследования, проводимые в этом направлении, лишены смысла. Однако, несмотря на это, автор находит условия, при которых обеспечивается "полная компенсация потерь энергии на омическом сопротивлении в электромагнитном механизме". Для этого намагничивающие обмотки должны питаться неизменным напряжением и якорь электромагнита необходимо выводить по определенному закону х = f(t). Генераторный режим, в котором начинает работать в этом случае электромагнитный механизм, характеризующийся возрастанием тока и электромагнитной силы, противодействующей внешней силе, не устраняет потерь энергии в обмотке механизма, которые ктому же возрастут из-за дополнительной кинетической энергии, полученной электронами и потраченной затем на возбуждение колебаний решетки при столкновении с её узлами-атомами [2].

В [1] не проведен анализ возможности практической реализации предложенных условий оптимального энергопреобразования.

Изложенное в настоящей статье позволяет сделать вывод о том, что при выполнении условий U=const, i=const реальные электромагниты нельзя использовать в качестве преобразователей электрической энергии в механическую работу.

Список литературы

1. Смелягин А.И. Синтез и исследование машин и механизмов с

электромагнитным приводом. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 1991. -248с.

2. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. — М.: Высш. шк,

1983. - 273с.

Дмитриенко A.B. Саратовский государственный технический университет, г. Саратов Данилов A.A.

Курганский государственный университет, г. Курган

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ ЛЭМД С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОЛЕМ И КОЛЬЦЕОБРАЗНЫМ ЯКОРЕМ НА ЕГО ТЯГОВУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ

Проанализированы статические тяговые характеристики ЛЭМД различных магнитных систем поперечного поля с кольцеобразным якорем с целью их согласования с механической характеристикой терморезания при электродуговой наплавке металла и выбраны рациональные геометрические размеры якоря двигателя

Броневой цилиндрический линейный электромагнитный двигатель (ЛЭМД) с поперечным магнитным полем и кольцеобразным якорем [1] нашёл эффективное применение в приводе режущего инструмента при формообразовании наплавляемого металла благодаря фор-

ме тяговой характеристики и совокупности показателей (силовых и энергетических), отвечающих требованиям данной электротехнологии [2].

Изменение магнитного потока в рабочем воздушном зазоре, согласно анализу тяговых характеристик ЛЭМД, оказывает существенное влияние на их форму. Для адаптации тяговых (электромеханических) характеристик ЛЭМД с поперечным магнитным полем и кольцеобразным якорем к изменяющимся силам сопротивления металлов различных марок терморезанию, исследовались возможности изменения форм тяговых характеристик за счёт изменения геометрических параметров магнитопро-вода. С этой целью была разработана базовая конструкция ЛЭМД (рис. 1, а), на которой были проведены эти исследования. Форма, параметры якоря и магнитных полюсов представлены на рис. 1, б, е.

Тяговые характеристики, снятые для этих физических моделей при значениях питающего тока 10, 20 и 30 А, представлены на рис. 2.

Процесс формирования экспериментальных кривых статических тяговых характеристик базовой магнитной системы (рис. 1, а) можно представить следующим образом.

Рис. 1. Конструкции цилиндрического ЛЭМД с кольцеобразным якорем: а - базовая конструкция (с

цилиндрическим полюсом и якорем: <х = 0° ); б -принципиальная схема магнитной системы ЛЭМД с конусно-усечённым полюсом и якорем

При подключении обмотки возбуждения двигателя к источнику тока в статоре появляется магнитный поток, большая часть которого в начальном положении якоря шунтирована в межполюсном промежутке. В связи с этим начальное усилие двигателя мало, однако достаточно для разгона якоря (рис. 2, а).

По мере приближения якоря к магнитным полюсам наблюдается резкое нарастание фронта тягового усилия, максимум которого соответствует такому положению якоря ЛЭМД, когда нижний торец кольцеобразной его части и верхний торец статора располагаются в одной плоскости. В этом случае 8 = 8^

При дальнейшем движении якоря в межполюсном воздушном промежутке высотой 8^ , где имеет место преобладание паразитной проводимости над проводимостью полезной, происходит резкое снижение тягового усилия. При этом нулевому значению силы соответствует по-

240

ВЕСТНИК КГУ, 2005. №2.