Верификация расчета процесса магнитного притяжения некоаксиальных цилиндрических ферромагнитных элементов в программном комплексе FEMM

Верификация расчета процесса магнитного притяжения некоаксиальных цилиндрических ферромагнитных элементов в программном комплексе FEMM Нейман Л.А.1, Шабанов А.С.2

1Нейман Людмила Андреевна /Neyman Lyudmila Andreyevna - кандидат технических наук, доцент;

2Шабанов Андрей Сергеевич / Shabanov Andrey Sergeevich - магистрант, кафедра электротехнических комплексов, факультет мехатроники и автоматизации, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Аннотация: на основе численного эксперимента в программе FEMM дана оценка точности используемых на практике формул для расчета сил возникающих при сопряжении поверхностей некоаксиальных цилиндрических ферромагнитных элементов магнитопровода.

Abstract: the simulation in FEMM has given accuracy estimation ofpractically used formulas for calculating forces generated by conjugation of magnetic core non-coaxial cylinder ferromagnetic elements

Ключевые слова: силы одностороннего магнитного притяжения, электромагнитный двигатель, некоаксиальные элементы магнитопровода, конечно элементное моделирование.

Key words: oneside magnetic attraction, electromagnetic motor, magnetic core non-coaxial elements, finite-element simulation.

При реализации импульсных технологий широкое практическое применение получили электромагнитные машины ударного действия [1-7]. Среди данного класса машин следует выделить низкочастотные синхронные электромагнитные машины ударного действия [8-13]. Тенденция преимущественного применения вариантов схем электромагнитных машин рассмотрена в [14-16]. Основы их рационального конструирования, а также совершенствование инженерных методик по их расчету по-прежнему остаются актуальными вопросами при создании данных машин [17-25]. В качестве силового исполнительного элемента таких машин используются цилиндрические электромагнитные двигатели, имеющие конструктивную особенность некоаксиального расположения взаимодействующих ферромагнитных элементов магнитопровода. Эксцентричное расположение цилиндрического якоря в отверстии полюса, выполненного большим диаметром, неизбежно приводит к появлению радиально направленной силы одностороннего магнитного притяжения. Для расчета данной силы широкое распространение получила приближенная формула А.В. Гордона и А.Г. Сливинской [26]. Появление этой силы обусловлено неравномерностью магнитного поля, сосредоточенного в области нерабочего зазора свободного от объема пространства.

Целью данной работы является исследование погрешности расчета используемых на практике расчетных формул [26] на основе численного эксперимента в программе FEMM [27, 28].

В качестве объекта исследования рассматривается область нерабочего воздушного зазора, образованного между цилиндрической поверхностью якоря (^ = 28,8 мм) и охватывающей его поверхностью отверстия

неподвижного полюса (^ = 30,2 мм), с высотой цилиндров ha = 7,5 мм в заданном диапазоне изменения эксцентриситета s = 0,1K 0,6 мм. При выполнении численного эксперимента, из-за сложности реализации при построении модели рассматривался только ее альтернативный вариант, ограниченный только областью нерабочего зазора и образующих его торцевых цилиндрических поверхностей якоря и неподвижного полюса (рис. 1). Для создания лучших условий равномерного распределения поля предварительный анализ показал, что увеличение числа двухполюсных зон больше, чем 36 нецелесообразен. Картина поля линий магнитного потока расчетной области модели, после запуска программы показана на рис. 2.

У

У

Coil

х

Рис. 1. Расчетная область исследуемой модели

Рис. 2. Картина поля линий магнитного потока модели

в FEMM

На первом этапе исследований производилась оценка распределения индукции в нерабочем зазоре, и определялось ее среднеквадратичное значение. Расчет силы одностороннего притяжения для различных

положений сердечника якоря осуществлялся через интегральные характеристики поля в режиме параметров блока.

Результаты аналитического расчета радиального усилия с использованием формулы [26] и численного эксперимента приведены в табл. 1.

Таблица 1 Результаты исследований

Эксцентриситет м -10 3 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Радиальное усилие, Н (расчет) 7,27 14,9 23,9 35,1 51,4 83,9

Радиальное усилие, Н (численный эксперимент) 6,97 14,6 23,7 35,7 52,6 78,1

Относительная погрешность вычислений, о.е. 0,041 0,02 0,008 0,017 0,023 0,069

Выводы

Расчет силы одностороннего магнитного притяжения по имеющим место приближенным формулам [26]

имеет относительно высокую точность в ограниченной области соотношений размеров некоаксиальных

цилиндрических элементов магнитопровода.

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. 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.

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

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

6. Патент № 2127017 РФ, МКИ Н02К 33/02. Способ управления однообмоточным линейным электромагнитным двигателем ударного действия / Г.Г. Угаров, В.Ю. Нейман, К.М. Усанов; опубл. 27.02.99, Бюл. № 6.

7. Патент № 2472243 РФ, МКИ Н02К 33/12. Способ управления двухкатушечным электромагнитным двигателем ударного действия / В.Ю. Нейман, А.А. Скотников, Л.А. Нейман, Ю.Б. Смирнова; опубл. 10.01.2013, Бюл. № 1.

8. 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, Т323. С. 112-116.

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

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

11. Патент № 2508980 РФ, МКИ В25D 13/00 Синхронная электромагнитная машина ударного действия / Л.А. Нейман, В.Ю. Нейман, Е.Ю. Артебякина; опубл. 10.03.2014, Бюл. № 7.

12. Патент № 2496214 РФ, МКИ Н02К 33/12 Синхронный электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения / Нейман Л.А., Нейман В.Ю., Скотников А.А.; опубл. 20.10.2013, Бюл. № 29.

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

14. Нейман В.Ю., Скотников А.А., Неман 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.

15. Нейман В.Ю., Скотников А.А., Неман 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.

16. 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.

17. Нейман В.Ю., Нейман ЛА., Петрова А.А. О методике к выбору типа электромагнита по значениям конструктивного фактора // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. N° 2. С. 310-313.

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. 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.

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. 184190.

21. 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.

22. 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.

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

24. Нейман В.Ю., Нейман ЛА., Петрова АА. 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.

25. 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.

26. ГордонА.В., СливинскаяА.Г. Электромагниты постоянного тока. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960, 447 с.

27. 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.

28. Neyman V.Yu., NeymanL.A., PetrovaA.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, 2008. P. 452-454.