Повышение динамической эффективности импульсных машин с электромагнитным приводом

2. Лежнюк П. Д., Никиторович А. В., Жан-Пьер Нгома Компенсация реактивной мощности асинхронных генераторов на малых гидроэлектростанциях // Науковi пращ ВХТУ. - Харьков, 2008. - № 2. - С. 3-9.

3. Сафарян В. С., Геворгян С. Г. Исследование режимов автономного асинхронного генератора с учетом характеристик первичного двигателя // Вестник ГИУА (Политехник). Сер. «Энергетика, Электротехника».- 2013. - Вып. 16, № 1. - С. 91-100.

4. Попов В. П., Турлюн И. Н. Автономный асинхронный генератор с переменной скоростью вращения // Энергетика. - 2007. - С. 1-3.

5. Каримов А. Х., Хо Тхань Хиен О параметрическом самовозбуждении асинхронного генератора // Электротехника. - 1992. - № 6-7. - С. 5-7.

6. Кицис С. И. Режимы установившегося самовозбуждения асинхронного генератора // Электричество. - 2004. - № 2.- С. 64-67.

Повышение динамической эффективности импульсных машин

с электромагнитным приводом Шабанов А. С.1, Аксютин В. А.2, Лаппи Ф. Э.3, Петренко Ю. В.4

1Шабанов Андрей Сергеевич / Shabanov Andrei Serheevych - аспирант;

2Аксютин Валерий Аркадьевич /Aksyutin Valéry Arkad'evich - кандидат технических наук,

доцент;

3Лаппи Феликс Эдуардович /Lappi Felix Ehduardovich - кандидат технических наук, доцент; 4Петренко Юрий Васильевич /Petrenko Yuri Vasilevich - кандидат технических наук, доцент, кафедра теоретических основ электротехники, факультет мехатроники и автоматизации, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Аннотация: представлен обзор вариантов импульсных ЛЭМД, обеспечивающих повышение динамической эффективности за счет увеличения удельной энергии удара.

Ключевые слова: импульсные электромагнитные двигатели, накопитель магнитной энергии, динамическая эффективность.

Машины и устройства, созданные на базе электромагнитного привода широко используются в промышленности для реализации различных виброударных технологий и производств [1—4]. Расширение областей их использования непосредственно связано с увеличением удельной энергии удара и КПД машин [5-10].

Методы расчета, проектирования и конструктивного совершенствования электромагнитных машин по-прежнему остаются в приоритете [11-16]. В особенности это касается вопросов нагрева и охлаждения электромагнитных машин вследствие их относительно низкого КПД [17-22].

В качестве электропривода таких машин используется линейный электромагнитный двигатель (ЛЭМД).

Для повышения динамической эффективности и энергии удара импульсных ЛЭМД применяется несколько вариантов устройств удержания якоря противодействующим усилием на начальном этапе его перемещения [23]. Принцип действия большинства вариантов основан на удержании якоря, что обеспечивает увеличение тока трогания и накапливаемой в индуктивностях системы магнитной энергии к началу рабочего хода. Анализ рабочих процессов в ЛЭМД, повышающих динамическую эффективность за счет устройств удержания, предъявляет к устройствам определенные требования. В первую очередь, обеспечение значительных усилий сопротивления движению в начале хода при малом сопротивлении движению на остальной части хода.

Реализация удержания якоря может быть наиболее просто осуществлена на основе специального устройства, которое включает источник питания, блок формирования управляющих импульсов и ЛЭМД. Устройство удержания якоря может быть выполнено на основе постоянного электромагнита с внешним притягивающимся якорем. Принцип работы ЛЭМД в режиме удержания заключается в повышении начального значения тока трогания якоря до значения близкого к установившемуся значению. Для этого при подаче импульса напряжения на обмотку двигателя якорь искусственно удерживается в неподвижном положении автономным устройством. За счет этого повышается ток трогания и обеспечивается управление начальным запасом магнитной энергии, что приводит к увеличению на выходе устройства предударной скорости и энергии удара и тем самым повышает динамическую эффективность за счет увеличения предударной скорости якоря. В соответствии с рабочим циклом, работа ЛЭМД осуществляется в два этапа. Первый этап работы характеризуется статически неподвижным якорем за счет противодействующего усилия электромагнита и нарастающим током в катушке. Второй этап характеризуется отрывом якоря и ускоренным его движением при более интенсивном потреблении электрической энергии. По завершению рабочего хода возврат якоря осуществляется, например, под действием усилия возвратной пружины. При помощи удержания якоря можно изменять динамические и улучшать энергетические характеристики импульсных ЛЭМД. К недостаткам данного варианта удержания следует отнести использование специального электромагнита.

Для устранения недостатков известны варианты схем с ЛЭМД, объединенные с устройствами удержания якоря. Один из таких вариантов схем представляет собой электромагнитный двигатель, содержащий общий с устройством удержания магнитопровод. Относительное расположение электромагнита и магнитопровода ЛЭМД обеспечивает при любом изменении координаты положения якоря замкнутую магнитную цепь. В исходном состоянии якорь поджат усилием возвратной пружины. Работа ЛЭМД в режиме удержания якоря осуществляется аналогично с вариантом, выполненным по схеме с отдельным электромагнитом.

Также известны конструкции ЛЭМД, выполненные по принципу объединения с общим источником МДС. Уровень запасаемой магнитной энергии в индуктивностях системы при неподвижном якоре обеспечивается за счет основного источника МДС обмотки возбуждения ЛЭМД. Работа ЛЭМД в режиме накопителя магнитной энергии осуществляется за счет перераспределения основного магнитного потока, созданного МДС обмотки возбуждения. На этапе трогания часть магнитного потока замыкается через магнитопроводящий корпус, обеспечивая этим электромагнитное взаимодействие с внешней дисковой частью якоря.

По аналогичному принципу объединения для реализации режима статического магнитного накопителя используется однокатушечный вариант ЛЭМД цилиндрической структуры с одним рабочим воздушным зазором в магнитной цепи. Работа в режиме накопителя магнитной энергии обеспечивается за счет частичного перераспределения основного магнитного потока от МДС обмотки возбуждения. При подаче импульса напряжения на обмотку возбуждения поток, проходящий через магнитопровод, замыкается через боковую и частично торцевую поверхности якоря, что сопровождается на момент трогания якоря частичным его залипанием. Возврат якоря в исходное состояние осуществляется усилием возвратной пружины после завершения рабочего хода. Функционирование двигателя в режиме статического индуктивного накопителя может быть также просто осуществлено в режиме цикличной ударной нагрузки при питании ЛЭМД импульсами напряжения, синхронизированными с частотой питающей сети, например, при питании от однофазной сети с однополупериодным выпрямлением.

Рассмотренные варианты ЛЭМД позволяют повысить динамическую эффективность импульсных ЛЭМД, нашедших применение в различных машинах и механизмах ударного действия. Варианты машин с ЛЭМД, сконструированные и изготовленные при непосредственном участии сотрудников кафедры ТОЭ НГТУ, неоднократно экспонировались на выставках различного уровня [24].

Литература

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

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

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

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

5. Нейман В. Ю. Режимы форсированного аккумулирования магнитной энергии в импульсных линейных электромагнитных двигателях // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2003. № 1. С. 105-112.

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

7. Нейман В. Ю. К вопросу о рационализации рабочих процессов и выбора конструктивных схем электромагнитных ударных машин // Автоматизированные электромеханические системы: Коллективная монография / Новосиб. гос. техн. унт; Под ред. В. Н. Аносова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. С. 155-170.

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

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

10. Нейман Л. А. Анализ процессов энергопреобразования в однокатушечной синхронной электромагнитной машине с двухсторонним выбегом бойка // Известия Томского политехнического университета. 2013. Том 323. № 4. С. 112-116.

11. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Математическая модель электромеханической системы колебательного движения с упругими связями // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2015. № 6. С. 35-40.

12. 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.

13. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Моделирование динамических процессов в электромагнитных преобразователях энергии для систем генерирования силовых воздействий и низкочастотных вибраций // Известия Томского политехнического университета. 2015. Том 326. № 4. С. 154-162.

14. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Динамическая модель электромагнитного привода колебательного движения для систем генерирования низкочастотных вибраций // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2015. № 3 (28). С. 75-87.

15. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Повышение точности аналитического расчета радиальных сил одностороннего магнитного притяжения некоаксиальных элементов магнитопровода // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2015. № 1 (58). С. 246-256.

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

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

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

19. 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.

20. 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.

21. 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.

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

23. 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.

24. 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. 220-224.