CC BY
6
_ ~ !>
Саттаров Р. Р. Sattarov К. R.
доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханика», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Гарафутдинов Д. Р. Garafutdinov D. К.
студент кафедры «Электромеханика», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 62-752.2 DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-3-28-35
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДЕМПФЕРА
В настоящее время для замедления перемещений узлов и механизмов, гашения колебаний широко используются индукционные вихретоковые демпферы, которые имеют длительный срок службы и высокую надежность. Демпфер — это вихретоковые устройства, которые имеют массивную проводящую вторичную часть. Вторичная часть движется в магнитном поле, которое создается катушками с электрическими токами или постоянными магнитами. В ряде областей находят применение индукционные вихретоковые демпферы, тормоза и муфты. Их основное достоинство — бесконтактная передача крутящего момента, что обеспечивает более длительный срок службы. Демпферы и тормоза могут иметь электромагнитное возбуждение или от постоянных магнитов. Электромагнитное возбуждение позволяет легко контролировать крутящий момент и при необходимости включить или выключить тормоз. Изменение крутящего момента достигается путем изменения тока возбуждения в катушках. Это позволяет контролировать скорость вращения, но при этом требуется энергия для поддержания тока в обмотке возбуждения. Магнитное поле необходимо демпферам для создания вихревых токов, которые, в свою очередь, взаимодействуя с магнитным полем источника, производят изменение угловой скорости вторичного элемента. Из-за отсутствия контакта и трения устройство имеет более высокую надежность. В работе проведено моделирование способа управления электромагнитным моментом в магнитоэлектрическом демпфере. Применение постоянных магнитов для возбуждения позволяет сократить затраты энергии практически до нуля. Однако возникают трудности с регулированием электромагнитного момента. В работе исследовано изменение электромагнитного поля и момента при реконфигурации магнитной цепи за счет механических перемещений ее элементов. Приведено общее описание управляемых магнитоэлектрических демпферов. Проведено моделирование поля и получено распределение поля вдоль воздушного зазора. Показано, что диапазон регулирования электромагнитного момента при исследуемом способе — от 5 % до 100 %.
Ключевые слова: индукционный демпфер, постоянный магнит, магнитный поле, регулирование электромагнитного момента, метод конечных элементов, ELCUT.
STUDY OF THE ELECTROMAGNETIC FIELD OF A CONTROLLED MAGNETOELECTRIC DAMPER
Currently, induction eddy current dampers, which have a long service life and high reliability, are widely used to slow down the movement of components and mechanisms, and dampen vibrations. A damper is an eddy current device that has a massive conductive secondary part. The
secondary part moves in a magnetic field that is created by coils with electric currents or permanent magnets. Induction eddy current dampers, brakes, and clutches are used in a number of areas. Their main advantage is the contactless transmission of torque, which provides a longer service life and high reliability. Dampers and brakes can be electrically excited or from permanent magnets. Electromagnetic excitation makes it easy to control the torque and turn the brake on or off if necessary. The change in torque is achieved by changing the excitation current in the coils. This allows you to control the speed of rotation, but it requires energy to maintain the current in the field winding. The magnetic field is necessary for dampers to create eddy currents, which in turn, interacting with the magnetic field of the source, changes the angular velocity of the secondary element. Due to the lack of contact and friction, the device has a long service life and high reliability. In this paper, the method of controlling the electromagnetic moment in a magnetoelectric damper is modeled. The use of permanent magnets for excitation allows you to reduce energy costs to almost zero. However, it is difficult to control the electromagnetic moment. In this paper, the change in the electromagnetic field and moment during reconfiguration of a magnetic circuit due to mechanical movements of its elements is studied. A General description of controlled mag-netoelectric dampers is given. The field is modeled and the field distribution along the air gap is obtained. It is shown that the range of control of the electromagnetic moment in the studied method is from 5 % to 100 %.
Key words: eddy current damper, permanent magnet, magnetic field, electromagnetic torque control, finite element method, ELCUT.
Введение
В ряде областей находят применение индукционные вихретоковые демпферы, тормоза и муфты [1-4]. Использование постоянных магнитов (ПМ) повышает эффективность демпферов, так как в этом случае система возбуждения не потребляет энергию для возбуждения магнитного потока [4-6, 7]. Главным недостатком демпферов с ПМ являются сложности регулирования тормозного крутящего момента в рабочем режиме [7-9]. Одной из возможностей регулирования крутящего момента в демпферах с ПМ является использование механических перемещений элементов для реконфигурации магнитной цепи [6, 10]. Например, тормозной момент может регулироваться путем изменения воздушного зазора за счет скольжения вторичного проводящего элемента, что приводит к изменению индукции магнитного поля [1, 11].
При проектировании и разработке магнитных систем с постоянными магнитами необходимо выбрать геометрию магнитной системы (постоянного магнита, магнитопро-вода, сердечника, ярма, воздушного зазора и т.д.) и определить ее размеры, которые обеспечивают необходимые распределение и величины магнитного поля возбуждения. Расчет поля постоянного магнита наиболее точно ведется по уравнениям электромагнитного поля [7-9, 12, 13]. В настоящее время
наиболее точно и быстро задачу расчета магнитного поля можно решать методом конечных элементов (МКЭ) [14-17]. МКЭ реализуется рядом программных комплексов, например ELCUT [15]. Данный программный комплекс позволяет рассчитывать двухмерные статические и квазистационарные магнитные поля, получать распределение магнитного потока и определять интегральные характеристики поля, что достаточно для анализа магнитоэлектрических демпферов, выбора геометрических размеров преобразователя [19].
Постановка задачи исследования
В качестве объекта исследования целесообразно исследовать двухполупериодную модель управляемого демпфера [6]. Регулирование тормозного электромагнитного момента производится за счет изменения положения продольной оси внутреннего сердечника [10]. Зубчатые магнитные структуры используются в различных электромеханических преобразователях [19, 20].
Для определения влияния углового положения внутреннего сердечника необходимо рассчитать распределение магнитного потока в рабочем воздушном зазоре. В расчетной модели можно выделить следующие области: ферромагнитный явнополюсный внутренний сердечник; постоянные магниты, намагниченные радиально; ферромагнитный
а) б)
1 — полый немагнитный цилиндрический ротор;
2 —постоянные магниты; 3 — индуктор; 4 — явнополюсный сердечник
а) положения внутреннего явнополюсного сердечника, соответствующие максимальному
тормозному моменту;
б) положения внутреннего явнополюсного
сердечника, соответствующие минимальному тормозному моменту
Рисунок 1. Управляемый демпфер внешний магнитопровод и полый немагнитный проводящий ротор (рисунок 1). Применение структуры Холбаха (НаПЬаЛ) для индуктора с ПМ позволяет обойтись без внешнего магнитопровода [1, 2, 4].
Моделирование поля методом конечных элементов
Наиболее быстрый и точный способ исследования магнитных полей в электромеханических преобразователях — использование программных комплексов на основе МКЭ [2, 14, 16]. Программный комплекс ELCUT позволяет рассчитывать двухмерные электромагнитные поля для электромеханических преобразователей [15, 17]. Для компьютерного моделирования магнитной системы
С*!-*- .......
iö
S"
KdlAUKMI üiU h-flhTI
■ - «
f
I I* l: i
\\ \ \ ïï 1
I
w
///
Рисунок 2. Положение внутреннего
явнополюсного сердечника, соответствующего максимальному тормозному моменту
демпфера методом конечных элементов необходимо выполнить следующие шаги:
1. Создание геометрической модели (рисунок 2);
2. Определение параметров областей и граничных условий (рисунок 3, а);
3. Построение сетки конечных элементов (рисунок 3, б);
4. Расчет и определение распределения магнитного поля;
5. Анализ распределения магнитного поля.
При построении сетки использованы стандартные алгоритмы с заданием уменьшения шага сетки в области под полюсами, где плотность магнитных линий возрастает.
Результаты моделирования и их анализ
На рисунке 4 изображено распределение магнитного потока в конструктивных
а)
б)
а) задание параметров б) построение сетки конечных элементов Рисунок 3. Этапы моделирования
- НпЛЛл-шт* |||р|
-..................Ип) 1*1)
111Г
i Г.^
* — положение внутреннего явнополюсного сердечника, соответствующие максимальному
тормозному моменту;
— положения внутреннего явнополюсного сердечника, соответствующие минимальному
тормозному моменту Рисунок 5. Распределение магнитной индукции вдоль воздушного зазора
- 31
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 16, 2020
элементах демпфера, максимальная индукция в воздушном зазоре между ПМ и явно-полюсным сердечников составляет 0,9 Тл (см. также рисунок 5). Распределение индукции носит периодический характер, по мере удаления сердечника от продольной оси (оси намагничивания момента), индукция падает до нуля, а потом меняет свое направление.
Аналогично может быть определено поле для случая поперечного расположения внутреннего сердечника (рисунки 6 и 7).
На рисунке 7 изображено распределение магнитного потока в конструктивных элементах демпфера, в этом случае максимальная индукция в воздушном зазоре между ПМ и явнополюсным сердечником составляет 0,33 Тл.
Таким образом, при повороте внутреннего явнополюсного сердечника максимальное значение индукции магнитного поля изменяется от 0,9 до 0,33 Тл (рисунок 5). Так как
максимальное значение электромагнитного момента пропорционально квадрату максимальной индукции, то за счет изменения положения сердечника возможна регулировка максимального момента от его макси-
Рисунок 6. Положение внутреннего явнополюсного сердечника, соответствующее минимальному тормозному моменту
Рисунок 7. Распределение магнитного потока при положении внутреннего явнополюсного сердечника, соответствующем минимальному тормозному моменту
мального значения (100 %) до минимального (13 %). Для увеличения (или уменьшения) диапазона регулирования возможно оптимизировать геометрию и размеры внутреннего сердечника. В общем случае можно считать, что использование такого способа регулирования позволяет добиться диапазона регулирования электромагнитного момента от 5 % до 100 %.
Выводы
В данной работе обоснована возможность регулирования электромагнитного момента
в индукционных тормозах, демпферах и муфтах. Таким образом, магнитоэлектрические индукционные устройства могут использоваться в автономных системах, где использование электромагнитного возбуждения не рационально из-за расхода энергии на возбуждение этих устройств. Другое применение магнитоэлектрических тормозов с регулируемым моментом может быть найдено в системах, где требуется автоматически регулировать момент в соответствии с изменением скорости или нагрузки.
Список литературы
1. Ebrahimi B., Khamesee M.B., Golnaraghi F. Permanent Magnet Configuration in Design of an Eddy Current Damper // Microsystem Technologies. 2010. Vol. 16, No.
1-2. P. 19-24.
2. He R., Liu X., Liu C. Brake Performance Analysis of ABS for Eddy Current and Electrohydraulic Hybrid Brake System // Mathematical Problems in Engineering. 2013. Vol. 2013.
3. Саттаров Р.Р., Еременко В.В. Замедление объектов с помощью управляемого электромагнитного демпфера // Актуальные проблемы электроэнергетики: сб. науч.-техн. ст. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, 2019. С. 114-120.
4. Sodano H., Bae J.S., Inman D.J., Belvin W.K. Improved Concept and Model of Current Damper // Journal of Vibration and Acoustic. ASME. 2006. Vol. 128, No. 3. P. 294-302.
5. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1988.
6. Sattarov R.R. The Controllable Eddy Current Brakes with Permanent Magnets: Basic Concept // 2018 10th International Conference on Electrical Power Drive Systems, ICEPDS 2018 — Conference Proceedings. IEEE, 2018. P. 1-5.
7. Саттаров Р.Р., Исмагилов Ф.Р. Переходные процессы в электромагнитных демпферах с распределенной вторичной системой сложной геометрии // Электричество. 2014. № 3. С. 43-48.
8. Tonoli A. Dynamic Characteristics of Eddy Current Dampers and Couplers // Journal of Sound and Vibration. 2007. Vol. 301. No. 3-5. P. 576-591.
9. Shin H.-J., Choi J.-Y., Cho H.-W., Jang S.-M. Analytical Torque Calculations and Experimental Testing of Permanent Magnet Axial Eddy Current Brake // IEEE Transactions on Magnetics. 2013. Vol. 49, No. 7. P. 4152-4155.
10. Пат. 2365022 РФ. Управляемый магнитоэлектрический тормоз / Р.Р. Саттаров, И.А. Огуречникова, М.Б. Гумерова; Заявлено 03.03.2008; Опубл. 20.08.2009. Бюл. № 19.
2-4 с.
11. Choi J.-Y., Shin H.-J., Park Y.-S., Jang S.-M. Torque Analysis of Axial Flux PM Type Eddy Current Brake Based on Analytical Field Computations // Electrical Machines and Systems (ICEMS), International Conference. 2011. P. 1-5.
12. Jin Y., Kou B., Li L., Li C., Pan D., Song K. Analytical Model for a Permanent Magnet Eddy-Current Brake with Transverse Edge Effect // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 1-1.
13. Li Z. e.a. Analytical Modeling and Analysis of Magnetic Field and Torque for Novel Axial Flux Eddy Current Couplers with PM Excitation // AIP Advances. 2017. Vol. 7. No. 10. P. 105303.
14. Татевосян А.А., Мищенко В.С. Моделирование магнитного поля синхронного генератора с постоянными магнитами // Омский научный вестник. 2016. № 4 (148).
15. Потапов Л.А., Максимцев Е.И. Полевой подход к расчету электромеханических устройств с немагнитными роторами // Электротехника. 2000. № 8. С. 8-10.
16. Андреева Е.Г., Семина И.А., Татевосян А.А. Исследование поля магнитной системы открытого типа с помощью программного пакета ANSYS // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 1.
17. Андреева Е.Г., Плеханова В.С. Исследование магнитного поля, его силовых характеристик, свойств материалов электротехнических устройств с незамкнутой магнитной системой // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160).
18. Sattarov R.R. 2D Model of Axial-Flux Eddy Current Brakes with Slotted Conductive Disk Rotor // 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Astana, Kazakhstan: IEEE, 2017. С. 1-6.
19. Нейман Л.А., Рогова О.В., Нейман В.Ю. Новые типы магнитных систем электромагнитных двигателей с зубчатыми элементами магнитопровода // Актуальные проблемы энергетики АПК: матер. IV Междунар. науч.-практ. конф. / Под ред. А.В. Павлова. 2013. С. 227-229.
20. Lawrenson P.J., Stephenson J.M., Blenkinsop P.T., Corda J., Fulton N.N. Variable-Speed Switched Reluctance Motors // IEE Proceedings B (Electric Power Applications). 1980. Vol. 127, No. 4. P. 253-265.
References
1. Ebrahimi B., Khamesee M.B., Golnaraghi F. Permanent Magnet Configura-tion in Design of an Eddy Current Damper. Microsystem Technologies, 2010, Vol. 16, No. 1-2, pp. 19-24.
2. He R., Liu X., Liu C. Brake Performance Analysis of ABS for Eddy Current and Electrohydraulic Hybrid Brake System. Mathematical Problems in Engineering, 2013, Vol. 2013.
3. Sattarov R.R., Eremenko V.V. Zamedlenie ob"ektov s pomoshch'yu upravlya-emogo elektromagnitnogo dempfera [Deceleration of Objects Using a Controlled Electromagnetic Damper]. Sbornik nauchno-tekhnicheskikh statei «Aktual'nyeproblemy ele-ktroenergetiki» [Collection of Scientific and Technical Articles «Actual Problems of Electric Power Industry»]. Nizhnii Novgorod, Izd-vo Nizhegorodskogo gosudarstvennogo tekhnich-eskogo universiteta im. R.E. Alekseeva, 2019, pp. 114-120. [in Russian].
4. Sodano H., Bae J.S., Inman D.J., Belvin W.K. Improved Concept and Model of Current Damper. Journal of Vibration and Acoustic. ASME, 2006, Vol. 128, No. 3, pp. 294-302.
5. Balagurov V. A., Galteev F. F. Elektriche-skie generatory s postoyannymi magnitami [Electric Generators with Permanent Magnets] Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988. [in Russian].
6. Sattarov R.R. The Controllable Eddy Current Brakes with Permanent Magnets: Basic Concept. 10th International Conference on Electrical Power Drive Systems, ICEPDS 2018 — Conference Proceedings. IEEE, 2018, pp. 1-5.
7. Sattarov R.R., Ismagilov F.R. Perekhodnye protsessy v elektromagnitnykh dempferakh s raspredelennoi vtorichnoi siste-moi slozhnoi geometrii [Transients in Electromagnetic Dampers with a Distributed Secondary System of Complex Geometry]. Elektrichestvo — Electricity, 2014, No. 3, pp. 43-48. [in Russian].
8. Tonoli A. Dynamic Characteristics of Eddy Current Dampers and Couplers. Journal of Sound and Vibration, 2007, Vol. 301, No. 3-5, pp. 576-591.
9. Shin H.-J., Choi J.-Y., Cho H.-W., Jang S.-M. Analytical Torque Calculations and Experimental Testing of Permanent Magnet
Axial Eddy Current Brake. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, Vol. 49, No. 7, pp. 4152-4155.
10. Sattarov R.R., Ogurechnikova I.A., Gumerova M.B. Upravlyaemyi magnitoelek-tricheskii tormoz [Controlled Magnetoelectric Brake]. Patent RF, No. 2365022. 2009. [in Russian].
11. Choi J.-Y., Shin H.-J., Park Y.-S., Jang S.-M. Torque Analysis of Axial Flux PM Type Eddy Current Brake Based on Analytical Field Computations. Electrical Machines and Systems (ICEMS), International Conference, 2011, pp. 1-5.
12. Jin Y, Kou B., Li L., Li C., Pan D., Song K. Analytical Model for a Permanent Magnet Eddy-Current Brake with Transverse Edge Effect. IEEE Access, 2019, Vol. 7, pp. 1-1.
13. Li Z. e.a. Analytical Modeling and Analysis of Magnetic Field and Torque for Novel Axial Flux Eddy Current Couplers with PM Excitation. AIP Advances, 2017, Vol. 7, No. 10, pp. 105303.
14. Tatevosyan A.A., Mishchenko V.S. Modelirovanie magnitnogo polya sinkhronnogo generatora s postoyannymi magnitami [Modeling of the Magnetic Field of a Synchronous Generator with Permanent Magnets]. Omskii nauchnyi vestnik — Omsk Scientific Bulletin, 2016, No. 4 (148). [in Russian].
15. Potapov L.A., Maksimtsev E.I. Polevoi podkhod k raschetu elektromekhanicheskikh ustroistv s nemagnitnymi rotorami [Field Approach to the Calculation ofElectromechanical Devices with Non-Magnetic Rotors]. Elektrotekhnika — Electrotechnics, 2000, No. 8, pp. 8-10. [in Russian].
16. Andreeva E.G., Semina I.A., Tatevosyan A.A. Issledovanie polya magnitnoi sistemy otkrytogo tipa s pomoshch'yu programmnogo paketa ANSYS [Investigation of the Field of an Open-Type Magnetic System using the ANSYS Software Package]. Dinamika sistem, mekhaniz-mov i mashin — Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines, 2014, No. 1. [in Russian].
17. Andreeva E.G., Plekhanova V.S. Issledovanie magnitnogo polya, ego silovykh kharakteristik, svoistv materialov elektrotekh-nicheskikh ustroistv s nezamknutoi magnitnoi sis-temoi [Investigation of the Magnetic Field, Its
Power Characteristics, and Material Properties of Electrical Devices with an Open Magnetic System]. Omskii nauchnyi vestnik — Omsk Scientific Bulletin, 2018, No. 4 (160). [in Russian].
18. Sattarov RR. 2D Model of Axial-Flux Eddy Current Brakes with Slotted Conductive Disk Rotor. 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Astana, Kazakhstan, 2017, pp. 1-6.
19. Neiman L.A., Rogova O.V., Neiman V.Yu. Novye tipy magnitnykh sistem elektromagnit-nykh dvigatelei s zubchatymi elementami mag-nitoprovoda [New Types of Magnetic Systems
of Electromagnetic Motors with Gear Elements of a Magnetic Circuit]. Materialy IV Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konfer-entsii «Aktual 'nye problemy energetiki APK» [Materials of the IV International Scientific and Practical Conference «Current Problems of Agricultural Energy Complex»]. 2013, pp. 227229. [in Russian].
20. Lawrenson P.J., Stephenson J.M., Blenkinsop P.T., Corda J., Fulton N.N. VariableSpeed Switched Reluctance Motors. IEE Proceedings B (Electric Power Applications), 1980, Vol. 127, No. 4, pp. 253-265.
