Анализ режимов работы линейных электромагнитных двигателей

Анализ режимов работы линейных электромагнитных двигателей Шабанов А. С.1, Хуан А. П.2, Нейман В. Ю.3

1 Шабанов Андрей Сергеевич /Shabanov Andrei Serheevych - магистрант, кафедра электротехнических комплексов;

2Хуан Александр Павлович /Huan Alexander Pavlovich - аспирант;

3Нейман Владимир Юрьевич /Neyman Vladimir Yurevych - доктор технических наук, профессор, кафедра теоретических основ электротехники, факультет мехатроники и автоматизации,

Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Аннотация: выполнен анализ режимов работы импульсных линейных электромагнитных двигателей. На примере элементарных магнитных циклов рассмотрены особенности процесса преобразования энергии в электромеханической системе.

Ключевые слова: линейный электромагнитный двигатель, режимы работы, элементарный магнитный цикл, процессы энергопреобразования.

Линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) являются основным структурным звеном многих энергетических систем, предназначенных для генерирования механических колебаний исполнительных органов разнообразных по конструктивному исполнению машин и механизмов [1-4]. Особенный интерес представляют синхронные электромагнитные машины и механизмы, для которых частота колебаний равна или кратна частоте питающего источника [5-9].

Возросшие требования к повышению удельных силовых и энергетических показателей машин, созданных на основе ЛЭМД, свидетельствуют о необходимости поиска вариантов технического решения данной проблемы [10-13].

Вместе с тем, исследование рабочих процессов ЛЭМД показывает, что их энергетические показатели во многом определяются конфигурацией магнитных циклов. Использование элементарных магнитных циклов для исследования динамики электромагнитных двигателей требует знания величины обменной электромагнитной энергии в начале и конце элементарного цикла, а их практическое использование возможно только при отождествлении величины обменной электромагнитной энергии с магнитной, что строго выполняется только для статических режимов. Однако величина ошибки, при заключении о значениях энергии магнитного поля в рамках теории стационарности в некоторых случаях, может оказаться вполне приемлемой, что определяется скоростью процесса.

Приводимые результаты по анализу режимов работы на основе элементарных магнитных циклов являются продолжением исследований авторов, представленных в работе [14].

В общем случае практическая реализация идеальных элементарных циклов возможна только с использованием специальных средств регулирования. В реальных технических устройствах за время движения якоря возникновение того или иного процесса энергопреобразования во многом определяется, как это уже было отмечено в [15-19], внешними условиями, от которых будут зависеть изменения во времени потокосцепления, тока и их производных. Исследования динамических характеристик i = f (t) и у = f (t) нерегулируемых ЭМД позволяет считать, что рассматриваемые элементарные циклы являются переходными. Исключение составляют магнитные циклы при увеличивающемся токе - i и потокосцеплении - у и при уменьшающемся токе и увеличивающемся потокосцеплении, которые занимают основное время в процессе энергопреобразования при движении якоря. Разделяющими (граничными) для этих циклов является режим энергопреобразования при i = const.

Из приведенных в работе [14] магнитных циклов для двигательных режимов принципиально отличаются режимы № 4 и № 5 (см. таблица). Особенностью энергопреобразования в режиме № 4 является отсутствие

приращения обменной энергии магнитного поля dw^m = 0, т. е. вся электромагнитная энергия системы, преобразованная из электрической, полностью преобразуется в механическую работу dw3U = йИмех . В режиме № 5 работа совершается только за счет изменения обменной энергии, запасенной в магнитном поле

на начальном этапе движения, так как энергия из сети не поступает dwэм = 0. Техническая реализация

данного режима осложнена тем, что управление процессом через цепи питания двигателя исключено.

Кроме указанных режимов преобразования электромагнитной или обменной электромагнитной энергии в механическую работу, в электромагнитную энергию может быть преобразована энергия, переданная внешними механическими силами, которые направлены встречно электромагнитным (например, режим противовключения), что соответствует генераторному режиму № 6 [14]. Для генераторного режима в зависимости от интенсивности внешнего воздействия процесс энергопреобразования может развиваться по двум основным направлениям. В первом случае механическая энергия, потраченная на преодоление электромагнитного усилия при перемещении якоря, будет превращаться в электромагнитную с одновременным превращением электрической энергии источника также в электромагнитную энергию. Во

втором случае механическая энергия якоря преобразуется в электромагнитную с последующим преобразованием в электрическую.

При работе ЛЭМД следует выделить динамический и статический режимы. Статический режим при неподвижном якоре характеризуется увеличением тока в обмотке до величины тока трогания, увеличением магнитной энергии и электромагнитного усилия. Наибольшее проявление данный режим имеет место, когда противодействующее усилие в момент трогания обеспечивает 2...5 кратное превышение тока трогания относительно номинального [20-21].

Очевидно также, что при фиксированном положении якоря работа не совершается (dA]мех = 0), следовательно, вся поступающая из сети электромагнитная энергия запасается в магнитном поле:

dwc = dq + dwm .

Причем следует еще раз подчеркнуть, что только при отсутствии движения энергия электромагнитного поля преобразуется в магнитную, что также характеризуется численным равенством дифференциалов энергии электромагнитного (dw,^) и магнитного (dwm ) поля при сопоставлении (3.1) и (3.2):

dwэм = W.

Для процесса движения эти дифференциалы всегда различны dw^ Ф dwм.

При установившемся токе в обмотке двигателя энергия, потребляемая из сети, расходуется только на покрытие тепловых потерь в обмотке. Питание от источника энергии обеспечивает только сохранение магнитной энергии в системе. Для ряда устройств, используемых в коммутационной аппаратуре, работа в заторможенном состоянии является основным режимом, в отличие от ЛЭМД, совершающих полезную работу только за счет движения. При этом электрическая энергия в электромагнитную не преобразуется, и необходимость использования данного режима, как правило, сводится к минимуму.

К другому предельному случаю динамического режима следует отнести режим, для которого характерно отсутствие противодействующей силы на интервале всего рабочего хода. Наличие противодействующей нагрузки обусловлено только силами естественного механического сопротивления трением. За счет

d у

максимального значения ЭДС движения e =----, вызванного изменением тока и индуктивностью системы,

dt

ток даже в конце процесса энергопреобразования будет минимальным. Для этого режима характерен самый низкий уровень преобразования полезной механической мощности.

В зависимости от характера изменения противодействующего усилия на фиксированных интервалах между начальным и конечным положениями якоря ЭМД может находиться в различных режимах [14].

Одним из важных факторов в процессе работы, оказывающих существенное влияние на режимы энергопреобразования ЛЭМД, являются начальные условия. Использование начальных условий следует оценивать как интенсификацию энергопреобразовательных процессов, обеспечивающую более эффективную и экономичную работу силовых ЭМД [22]. При этом происходит предварительное накопление количества энергии с последующим ее использованием для совершения механической работы с потреблением энергии от источника питания. Реализация форсировки в режиме статического и динамического индуктивного накопителя в большей степени зависит от количества аккумулируемой энергии к началу рабочего хода. Возможны и другие режимы, которые являются частными случаями приведенных или их комбинацией.

Таким образом, задачей дальнейших исследований является оценка эффективности процессов энергопреобразования, при различных режимах работы учитывающих реальную динамику процесса движения якоря электромагнитного двигателя.

Также следует указать, что повышение удельных силовых и энергетических показателей связано с вопросами их рационального проектирования и совершенствования методик по их расчету [23-32].

Особенно актуально решение вопросов, связанных с нагревом и охлаждением ЛЭМД, по причине относительно низкого КПД [33-40].

Литература

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

2. 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. 220224.

3. Угаров Г. Г., Нейман В. Ю. Тенденции развития и применения ручных ударных машин с электромеханическим преобразованием энергии. // Известия вузов. Электромеханика. 2002. № 2. С. 3743.

4. 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.

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

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

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

8. 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.

9. Нейман В. Ю., Скотников А. А., Нейман 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.

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

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 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.

14. Шабанов А. С., Нейман В. Ю. Режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей. // Наука, техника и образование. 2015, № 5 (11). С. 21 -26.

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

16. Нейман Л. А. Анализ процессов энергопреобразования в однокатушечной синхронной электромагнитной машине с двухсторонним выбегом бойка. // Известия Томского политехнического университета. 2013. № 4, Т323. С. 112-116.

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

18. Нейман Л. А. Анализ процессов энергопреобразования в двухкатушечной синхронной электромагнитной машине с инерционным реверсом бойка. // Известия Томского политехнического университета. 2014. № 4, Т. 325. С. 157-163.

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

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

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

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

23. 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.

24. 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.

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

26. 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.

27. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. О методике к выбору типа электромагнита по значениям конструктивного фактора. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. № 2. С. 310-313.

28. 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.

29. Нейман Л. А. К решению задачи рационального выбора электромагнитного двигателя заданного габарита и веса на основе численного эксперимента. // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета 2013. № 4. С. 184-190.

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. Нейман Л. А. Оценка конструктивного совершенства систем охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия. // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета.

2013. № 4. С. 177-183.

34. 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.

35. 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.

36. 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.

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

38. 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.

39. Нейман Л. А., Скотников А. А. Анализ процесса нагрева электромагнитного двигателя, работающего в импульсном режиме. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2012. № 2. С. 319322.

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