CC BY
18
УДК 624.313
Доктор техн. наук А.П. ЕПИФАНОВ (СПбГАУ, ешео.]^@уапдех. ги) Ст. преподаватель И.А. АНПИЛОГОВ (gm.anpilogov@yandex.ru) Инженер Д.Б. КРИЛЬ (bruder_dan@mail.ru)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ПОТОКОВ В ЭЛЕМЕНТАХ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ ОДНОСТОРОННЕГО НИЗКОСКОРОСТНОГО ЛИНЕЙНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Линейный асинхронный двигатель, монорельсовая система, магнитные потоки
Работа по исследованию магнитных потоков выполнена на кафедре электроэнергетики и электрооборудования СПбГАУ в рамках НИР по перспективным видам внутреннего транспорта животноводческих комплексов и теплиц
Анализ существующих и перспективных транспортных систем выполнен в работе [1].
В последние годы в сфере АПК и других отраслях промышленности всё большее применение находят электроприводы на основе линейных асинхронных двигателей (ЛАД) [2, 3], отличающихся компоновочной схемой, исполнением индуктора и вторичной структуры, значением параметров [4].
Экспериментальная установка (рис. 1) представляет собой полномасштабный макет монорельсовой транспортной системы с односторонним ЛАД. Питание обмоток осуществляется от преобразователя частоты (ПЧ) из серии МОУ1ТКАС, скорость движения и = (3-8) км/ч, частота питающего тока й = (5-15) Гц.
Рис. 1. Экспериментальная установка:
а - общий вид; б,в - конструктивное исполнение; 1 - индуктор с обмоткой; 2 - реактивная шина; 3 - обратный магнитопровод
Основная особенность такой системы заключается в том, что сам монорельс (двутавр № 20 Ш) является и обратным магнитопроводом, тогда как толщина нижней полки ¿з = 9 мм задана типом монорельса. Известно также [6], что из-за разомкнутости магнитной системы соотношение потоков в зазоре Ф( и в обратном магнитопроводе (ОМ) Фом значительно отличается от такового во вращающейся асинхронной машине, где поток в сердечнике Фсерд = 0,5 Фг. При этом в ОЛАД поток Фом может достигать значений (0,6-0,8) Фг и более (высокоскоростные ЛАД), в зависимости от типа обмотки и числа полюсов.
С другой стороны, размеры элементов магнитопровода ограничивают значения электромагнитных нагрузок по насыщению стальных участков, следовательно и интегральные характеристики: тяговое усилие ¥х, мощности Рэм и Р2, КПД, соя ф. Отсюда следует и основная задача исследований: определить степень насыщения отдельных участков магнитной системы в зависимости от электромагнитных нагрузок (Вг, линейной токовой нагрузки А) и соотношение между Вг, Фг, Фом, В ом, Цом-
Основные характеристики установки:
1. Обмотка индуктора - двухслойная, с полным шагом и полузаполненными пазами в крайних зонах.
2. Число полюсов: 2р = 3, т = 0,108 м.
3. Длина индуктора: ^ = 4-т = 0,432м.
4. Зубцовое деление: = 18 мм, д = 2.
5. Ширина индуктора: 2с = 0,12 м.
6. Ширина полки двутавра и шины: I = 0,15 м.
7. Шина алюминиевая: ¿2 = 4 мм.
Опыты проводились при питании обмоток постоянным током по схемам (рис. 2а, б), когда I, = 1п,
1в = 1с = 0,5 1п (2а) и I в = 1п, 1а = 1с = 0,5 1п (2б).
Рис. 2. Схемы питания обмоток постоянным током:
а - I, = 1п, 1в = 1с = 0,5 1п; б - 1в = 1п, I, = 1с = 0,5 1п
Распределение индукции магнитного поля в зазоре по длине индуктора Вг = f (г) измерялось тесламетром при неподвижном индукторе.
Магнитные потоки в зазоре Фг и в ОМ Фом - милливеберметром с помощью рамок, размещённых на ОМ; при этом индуктор перемещался на длину ¡¡= 4-т через определённые интервалы.
Реактивная шина на период проведения опытов была демонтирована, зазор между индуктором и ОМ составил г 2 3 мм.
Рис. 3. Распределение индукции в зазоре вдоль индуктора:
а - над зубцами (1) и пазами (2); б - над зубцами при различных схемах питания обмотки: 3 - по схеме рис. 2а и 4 - по схеме рис. 2б
Пересчёт постоянного тока (1п на рис. 2) на эквивалентный переменный производится по [5]
как:
1п 42 • А • т • кобм1 /экв = 42; МДС * = -^
где А = 2 ™к !,к" - линейная токовая нагрузка; - число витков в катушке обмотки (2 -£1
двухслойная обмотка); г^ - зубцовое деление.
На рис. 3а, б приведены кривые распределения индукции в зазоре вдоль индуктора (по зубцам и по пазам (рис. 3а) ) для схемы включения по рис. 2а при 1п = 30 А. Заштрихованная область представляет зубцовые пульсации, выраженные достаточно сильно по причине малого зазора (3 2 3 мм) и отсутствия реакции реактивной шины (постоянный ток). Основная особенность такой обмотки - три магнитных полюса, следствием чего является наличие пульсирующего магнитного поля (рис. 3а и 3б).
При этом 1экв = 21,28 А, А = 33096 А/м ( wk = 14), МДС по (1) Р = 1605 А. Расчётное значение Взу = ^ = 0,58 Тл (из опыта Взу = 0,6 Тл, рис. 3б).
На рис. 4а, б представлены распределения потоков в зазоре и ОМ по длине индуктора для схем питания по рис. 2а (рис. 4а) и 2б (рис. 4б).
а 1
номер :П I|м !Г: >■. \
6) » I—
Номер измерения. N
Рис. 4. Распределение потоков в зазоре и ОМ:
а - с учётом знака; б - абсолютные значения для двух схем питания обмоток: 1 - поток в зазоре;
2 - поток в ОМ
Опыты показали, что для таких ЛАД наибольший магнитный поток в ОМ Фом практически равен потоку в зазоре на полюс, т.е. Фом = Фг, что является одной из основных особенностей таких машин. Указанное соотношение магнитных потоков объясняется разомкнутостью магнитной системы. Для тока 1п = 30 А (/экв = 21,28 А) магнитный поток
Фом 2,9 ■ 10-3 5„ _ 1500 ■ 10-
Ф
: 2,9 мВб, Во,
■ 2 1,9 Тл, что находится в зоне насыщения стали (рис. 5), при
этом = — 2 (25 — 50) (рис. 6) Здесь 5„ = 1500 • 10
м - площадь поперечного сечения полки двутавра.
Рис. 5. Кривая намагничивания стали (прокат)
Рис. 6. Зависимость относительной магнитной проницаемости стали (прокат) от магнитной индукции
Насыщение магнитной цепи подтвердили опыты по определению индукции Вз = /(2) (рис. 7а) и магнитных потоков Фз и Фом (рис. 7б) в зависимости от тока 1п . Наиболее слабым звеном в магнитном отношении является обратный магнитопровод (полка двутавра).
Рис. 7. Зависимость магнитной индукции в зазоре (а) и потоков Фб и Фом (б) от величины тока 1п
(схема по рис. 2б):
1 - поток в зазоре, Фб ; 2 - поток в ОМ, Фом
Для дополнительной оценки влияния магнитной проницаемости ОМ на интегральные характеристики были выполнены расчёты ОЛАД на основе трёхмерной расчётной модели при цг = 50, 100, 200 и 2р = 3 и 2р = 6. Результаты расчётов показали, что при значениях = 100 и 25 величины тягового усилия и КПД отличаются ~ в 1,5 раза.
Таким образом, на основании проведённых экспериментов и обработки полученных результатов можно сделать следующий вывод: при разработке ОЛАД монорельсовых систем, когда
толщина полки двутавра ОМ задана, алгоритм выбора наиболее рациональных значений параметров должен сопровождаться проверкой ОМ по условиям насыщения.
Л и т е р а т у р а
1. Епифанов А.П., Малайчук Л.М., Самсонов Ю.А. Монорельсовый внутренний транспорт животноводческих комплексов и тепличных хозяйств с линейным асинхронным электроприводом // Известия Санкт - Петербургского государственного аграрного университета - 2010. - № 18.
2. Веселовский О.Н. Низкоскоростные линейные электродвигатели: Дис... доктора техн. наук, Новосибирск, 1979. - 366 с.
3. Аипов Р. С. Линейные электрические машины и приводы на их основе. - Уфа: Изд БГАУ, 2003. - 110 с.
4. Епифанов А.П., Епифанов Г.А. Линейные асинхронные двигатели в низкоскоростных транспортных системах // Известия Санкт - Петербургского государственного аграрного университета - 2014. - № 37.
5. Епифанов А.П. Электрические машины. - СПб.: Лань, 2006.
6. Талья И.И. Исследование и расчёт магнитных потоков в сердечнике индуктора и вне активной зоны линейной индукционной машины: Дис. канд. техн. наук - Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина, 1980.
УДК 62-976 Канд. техн. наук Д.С. АГАПОВ
(СПбГАУ, different76@list.ru)
ПРИМЕНЕНИЕ ПИНЧ-АНАЛИЗА К СТРУКТУРНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ДВС
Пинч-анализ, интеграция тепловых процессов, структурная оптимизация, ДВС
Применение пинч-анализа для структурной оптимизации такой небольшой систем, как тепловой двигатель, весьма затруднительно в силу малого количества тепловых потоков и сложности организации теплообмена между потоками. Однако технически это возможно, и в случае удачного применения позволяет получить эффективные технические решения по совершенствованию конструкции как двигателя, так и системы, внутри которой он функционирует. Вначале необходимо произвести экстракцию данных о тепловых потоках технической системы — то есть двигателя. Рассмотрим общий случай функционирования транспортного ДВС, установленного на автомобиле. К холодным потокам в данном случае будут относиться следующие позиции, а именно: основной подвод теплоты к рабочему телу в цилиндре и подвод теплоты к воздуху салона для отопления. Это, безусловно, холодные потоки, требующие нагрева. Следующий поток может быть как горячим, так и холодным. Так в случае бензинового ДВС осуществляется предварительный подогрев свежего заряда, и этот поток будет холодным. Для турбированного дизеля в интеркулере осуществляется промежуточное охлаждение воздушного заряда и тогда этот поток будет горячим. Остальные потоки, а именно: отвод теплоты в атмосферу от охлаждающей жидкости двигателя, смазки, отработавщих газов и нагретых деталей являются горячими. В частных случаях отдельные позиции могут отсутствовать или менять знак на противоположный. Кроме того, необходимо отметить, что теплоту, рассеиваемую нагретыми деталями, собрать и использовать весьма затруднительно, следовательно её можно не включать в список потоков для анализа [1].
В качестве примера рассмотрим бензиновый ДВС, установленный на автомобиле ВАЗ-21112. Данные о тепловых потоках, снятых непосредственно с рассматриваемой системы (т.е. автомобиля) в процессе его работы в течение 1 часа на участке пути 70 км, представлены в работе [2].
Температуры в цилиндре в начале и конце сгорания определялись из индикаторной диаграммы аналогичного двигателя, установленного на стенде, а подводимая при этом теплота находилась из низшей теплотворной способности топлива с учётом неполноты сгорания. Теплота подогрева воздуха на впуске рассчитывалась исходя из данных о расходе воздуха и температурах на впуске и окружающей среды. Аналогичным образом определялись теплоты в других системах — как произведение расхода на теплоёмкость и разность температур.
