Научная статья на тему 'Исследование динамических характеристик магнитоэлектрического генератора многоразового действия'

Исследование динамических характеристик магнитоэлектрического генератора многоразового действия Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
182
38
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИМПУЛЬСНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР / СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ / УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ / ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ / PULSE MAGNETOELECTRIC GENERATOR / EQUIVALENT CIRCUIT / EQUATIONS OF MOTION / TRANSIENT PROCESSES

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Илюхина Наталья Сергеевна, Панков Александр Петрович

Рассматриваются вопросы построения математического описания физических процессов импульсного магнитоэлектрического генератора многоразового действия и исследования его характеристик.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Илюхина Наталья Сергеевна, Панков Александр Петрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

RESEARCH OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE MAGNETOELECTRIC GENERATOR REUSABLE

The problems of construction the mathematical description of physical processes in the pulse magnetoelectric generator of reusable operating and optimizations of his characteristics with the help a computer are esteemed.

Текст научной работы на тему «Исследование динамических характеристик магнитоэлектрического генератора многоразового действия»

INFORMATION AND MEASURING SYSTEMS OF TRACE OF THE MOVEMENT A.Yu. Androsov, D. V. Bogdanov, T.R. Kuznetsova

The question of definition of a trajectory of the movement of the operator, assessment of parameters of his movement is investigated. Perspective systems of trace of the movement of the trained operator are defined.

Key words: electromagnetic radiation, sensor, TV module, dot source, spatial coordinates, marker.

Androsov Alexey Yurievich, postgranduate., elarkin@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State university,

Bogdanov Dmitry Viktorovich, worker of Academy, magic2006@rambler.ru, Russia, Orel, Academy FSO Russia,

Kuznetsova Tatyana Rudolfovna, candidate of technic al science, docent, rudik64@mail.ru, Russia, Tula, Tula State university

УДК 621.313.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА МНОГОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ

Н.С. Илюхина, А.П. Панков

Рассматриваются вопросы построения математического описания физических процессов импульсного магнитоэлектрического генератора многоразового действия и исследования его характеристик.

Ключевые слова: импульсный магнитоэлектрический генератор, схемы замещения, уравнения движения, переходные процессы.

Импульсный магнитоэлектрический генератор (ИМЭГ) многоразового действия предназначен для создания мощных запускающих импульсов напряжения в выходной обмотке при перебросе якоря с одной пары полюсов статора на другую. Особенностью функционирования устройств этого типа является работа магнитной подсистемы в зоне стабилизированных характеристик постоянного магнита. Конструкция генератора приведена на рис.1.

Генератор является достаточно сложным электромеханическим устройством, в состав которого входят механическая, магнитная и электрическая подсистемы. Механическая подсистема включает в себя статор 2, рабочую 5 и возвратную 4 пружины, якорь 7 и механизм преобразования 3

поступательного движения рабочей пружины во вращательное движение якоря. Магнитная подсистема образует мостовую схему, потоки возбуждения в которой создаются постоянными магнитами 1. В электрическую подсистему входят выходная обмотка 6 и цепи нагрузки.

Рис.1. Конструкция генератора многоразового действия: 1-постоянный магнит; 2-статор; 3-механизм преобразования движения; 4-пружина возвратная 5-пружина рабочая; 6-генераторная

катушка; 7-якорь

Математическая модель генератора построена с использованием общей теории электромеханического преобразования энергии [1, 2]. При этом учитываются следующие явления, характерные для данного устройства:

- наличие потоков рассеяния, соизмеримых с рабочими потоками;

- насыщение материала магнитопровода;

- наличие вихревых токов, возникающих в нешихтованном магни-топроводе, длительность которых соизмерима с длительностью переходных процессов в электрических цепях.

Схемы замещения магнитной (рис.2) и электрической (рис.3) цепей составлены с учетом ряда допущений. Постоянные магниты представлены в виде источника м.д.с. с соответствующей фиктивной магнитодвижущей силой и внутренним сопротивлением. Магнитодвижущая сила генераторной обмотки считается сосредоточенной; действие потоков рассеяния учитывается с помощью эквивалентного сопротивления рассеяния. Материал магнитопровода статора и якоря учитывается с помощью эквивалентных магнитных сопротивлений, вихревые токи, распределенные по магнито-проводу, заменяются токами, сосредоточенными в короткозамкнутых витках с эквивалентными сопротивлениями путей вихревых токов. Враща-тельно-поступательное движение якоря представляется вращательным вокруг оси, проходящей через центр катушки. Процессы, возникающие в

системе при достижении якорем упоров, носят характер неупругих ударов. Влияние гистерезиса магнитомягких материалов на характеристики системы не учитывается, параметры магнитной и электрической цепей считаются независимыми от температуры.

Уравнения движения механической подсистемы составляются с использованием принципа Даламбера, уравнения движения для электрической и магнитной подсистем записываются на основании законов Кирхго-

Рис. 2. Схема замещения магнитной цепи ИМЭГ

а б

Рис. 3. Схемы замещения электрических цепей ИМЭГ: а - контур обмотки; б - контур вихревых токов

Уравнение движения механической подсистемы до столкновения якоря со штоком имеет вид:

Т -2 а

л -¡¡г = мпр — мм , где Ля - приведенный момент инерции якоря; а - текущий угол поворота якоря; Мпр - момент, развиваемый сжатой рабочей пружиной; Мм - механический момент электромагнитного происхождения.

Уравнение движения механической подсистемы генератора в момент столкновения якоря со штоком имеет вид:

Л я0 = (Л я + )'®0

я —и \ я ш / 0 э

где - приведенный момент инерции штока; - мгновенная угловая

скорость якоря до момента удара; (®0 - мгновенная угловая скорость якоря

со штоком в момент удара.

Уравнение движения механической подсистемы после столкновения якоря со штоком:

(+*ш )=мм - к в,

где мпр_в - момент, развиваемый сжатой возвратной пружиной.

Уравнения электрических цепей:

dt dVt

— + i-(rk + r, ) = 0. dt yk lJ

dt

+ ie ■ re = 0

Уравнения связи, описывающие процессы в магнитной подсистеме генератора, и устанавливающие связь между переменными электрической и магнитной подсистем:

Ем1

E „- E ,( R, + R„ - h Л

м 2 м1

R

М 2 V

'31 ' ""3 2 1 + h

- iw

( R3 2 R31 + R3 2 • h Л

(1 + h )• k

RM1 +

( R31 + R 2 • h

1 + h

1+

R

М1

R

Ф = Ф Rm1

R

Ем 2 Em1

R

M 2 J

Ф1 + Ф2

IW

Ф =

Ф

M 2 ± VM 2

IW

3 2

+ ф31 • h , фя = ф

(1 + h)

31 Ф3 2

где Л = р / к; р = Я + Я,; к = Я + Я 2; Я 2 = Я + Я;

1 ^^ я зР я з 2' м 2 м с'

Яз1 = 1/ при угле поворота якоря а;

Яз2 = 1/&(2в-а) при угле поворота якоря 20-а, (0-угол скоса

полюсов статора).

Уравнение, связывающее величину линейного перемещения штока с угловым перемещением якоря, запишется в виде:

1ПЯ sin а

п

sin I —+ в - а 12

Потокосцепления генераторной катушки и контура эквивалентного вихревого тока:

¥ = , ¥в =Фя .

Механический момент электромагнитного происхождения:

Мм = ФЯ ■ М '^яМо). Момент Мпр , развиваемый сжатой рабочей пружиной:

М = I С (х — х )

пр пя пр \ нп я у ?

где 1пя — плечо давления рабочей пружины на якорь; Спр — коэффициент жесткости рабочей пружины; хнп — координата начального поджатия пружины; хя — ход якоря.

Момент Мпр_в , развиваемый сжатой возвратной пружиной: М = 1С (х + х)

пр _ в пя пр _ в\ нп _ в я/ 5

где Спр в — коэффициент жесткости возвратной пружины; хнп в — координата начального поджатия возвратной пружины.

Мгновенная скорость якоря ®0 после соударения якоря со штоком:

а)о =■

Ля '®-0

(( + Л У

Магнитопровод имеет сложную конфигурацию, поэтому аналитический расчёт магнитных проводимостей рабочих зазоров затруднен. Вследствие этого для определения проводимостей воздушных зазоров используется метод вероятных путей магнитных потоков: в рассматриваемом поле выделяются вероятные пути потоков, которые представляют собой простые геометрические тела, а проводимость каждого тела находится как отношение средней площади поперечного сечения к средней длине силовой линии.

Анализ соотношений конструктивных параметров генератора показал, что наличие направляющих отверстий для штока существенно уменьшает площадь поперечного сечения отдельных участков магнитопровода. Возникает необходимость введения в схему замещения дополнительного сопротивления стали, которое учитывает влияние отверстия на распределение магнитных потоков в статоре.

Разработанная математическая модель использовалась для расчета и анализа статических и динамических характеристик генератора. При этом нелинейные характеристики магнитомягких и магнитотвердых материалов участков магнитопровода задавались таблично. Учитывая погрешности задания кривых намагничивания и кривых размагничивания, погрешности методов, применяемых для расчета магнитных проводимостей, можно сказать, что точность расчета статических характеристик составляет ~ 10...15

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

%. Погрешность вычисления времени срабатывания, вызванная неизбежными ошибками интегрирования разрывной функции при достижении упора, не превышает размера шага интегрирования.

Для подтверждения адекватности результатов проведенных расчетов процессам, протекающим в реальном генераторе, были проведены экспериментальные исследования по определению параметров математической модели и динамических характеристик генератора, которые включали:

- исследование изменения магнитной индукции в рабочих зазорах генератора при изменении угла поворота якоря;

- исследование переходных процессов по перемещению якоря и напряжению генераторной катушки.

Результаты экспериментальных исследований переходных процессов в обмотке генератора по величине импульса напряжения и переходных процессов механического перемещения подвижных частей генератора представлены на осциллограмме (рис. 4, а).

Расчет характеристик ИМЭГ проводился с использованием разработанной математической модели, результаты численного эксперимента представлены на рис. 4, б.

а

б

Рис.4. Переходные экспериментальные (а) и расчетные (б) характеристики генератора: 1- напряжение на сопротивлении нагрузки; 2- угол поворота якоря

Программное обеспечение для расчета переходных характеристик реализованное в среде объектно-ориентированного программирования Delphi, позволило создать наглядный и удобный для пользователя интерфейс приложения.

Сравнение данных расчета и эксперимента подтверждает адекватность математической модели, с достаточной степенью точности, устанавливающей связь характеристик генератора с его конструктивными и эксплуатационными параметрами. Программное приложение позволяет на этапе анализа генератора выявить параметры магнитной, электрической и механической цепей, оказывающих наиболее существенное влияние на

статические и динамические характеристики, и дать рекомендации по их выбору для решения задач проектирования ИМЭГ.

Разработанная математическая модель и программное обеспечение могут быть использованы для анализа функционирования при проектировании устройств рассматриваемого класса.

Список литературы

1. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф., Ларионов А.М. Электрические машины с постоянными магнитами. М.: Энергия. 1964 г.

2. Илюхина Н.С., Панков А.П., Калинин Е.А. Разработка математического описания магнитоэлектрического генератора многоразового действия и программного обеспечения для анализа его функционирования. // Известия ТулГУ. Вычислительная техника. Автоматика. Управление. Т. 3. Вып.3. Тула : Изд-во ТулГУ, 2001г.

Илюхина Наталья Сергеевна, канд. техн. наук, доц., проф. каф. САУ, nsi-il@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Панков Александр Петрович, канд. техн. наук, доц., проф. каф. САУ, nsi-il@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

RESEARCH OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE MAGNETOELECTRIC

GENERATOR REUSABLE

N.S. Ilyukhina, A.P. Pankov

The problems of construction the mathematical description of physical processes in the pulse magnetoelectric generator of reusable operating and optimizations of his characteristics with the help a computer are esteemed.

Key words: pulse magnetoelectric generator, the equivalent circuit, the equations of motion, transient processes.

Ilyukhina Natalia Sergeevna, Ph. D., professor nsi-il@yandex.ru , Russia, Tula , Tula State University,

Pankov Aleksandr Petovich, Ph. D., professor nsi-il@yandex.ru , Russia, Tula , Tula State University

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.