Исследование электромагнитного привода для разрушения и доставки горных пород Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© Е. К. Елыгенов, 2003

УЛК 621.313.33; 622.647.83

ЕЖ. Елыгенов

ИССЛЕЛОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОАА ЛАЯ РАЗРУШЕНИЯ И ЛОСТАВКИ ГОРНЫХ ПОРОЛ

В настоящее время электромагнитные тяговые привода находят все более широкое применение в горнодобывающей промышленности. Они используются при разработке и создании перфораторов, ударных машин для дробления негабаритов, конвейерных поездов для доставки горной массы с глубоких горизонтов при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Использование электромагнитных приводов позволяет снизить энергозатраты, металлоемкость горнодобывающих машин, осуществлять крутонаклонное транспортирование и улучшить экологическую обстановку в зоне действия горнодобывающих предприятий.

При разработке горных машин используются в основном линейные асинхронные двигатели (ЛАД), электромагниты соленоидного типа и с внутренним магнитопроводом.

Тяговые приводы соленоидного типа эффективно используются при создании электроперфоратора и ударных машин, однако использование их для транспортных систем типа «конвейерный поезд» затруднено тем, что здесь существует жесткая зависимость габаритов перевозимого груза от внутренних размеров тягового привода. Линейные асинхронные двигатели (ЛАД) используются для скоростного транспорта и не могут быть использованы при создании горно-транспортных машин, поскольку при низких скоростях движения транспортного средства у таких приводов возникает так называемый «концевой эффект», существенно снижающий мощность привода. Кроме этого, ЛАДы требуют постоянного зазора между первичной и вторичной обмотками, что невозможно обеспечить в условиях горного производства.

В Институте горного дела им. Д.А. Кунаева разработан электромагнитный привод с внутренним магнитопроводом [1, 2], который, обладая достоинствами соленоидного привода, не содержит его недостатки.

В электромагнитах с внутренним магнитопроводом, как в соленоидных и других электромагнитах, действует основное свойство магнитного потока, за-

ключающееся в том, что [3] магнитный поток не имеет ни начала, ни конца (не имеет потоков и стоков), он замкнут сам на себя. Магнитный поток, входящий в объем, ограниченный некоторой поверхностью, всегда равен потоку, выходящему из указанного объема.

Из этого следует, что в соленоидном электромагните (рис. 1, а) сумма магнитных потоков, выходящих из полюса Фп и торцевой поверхности электромагнита Фтэ , должна равняться сумме магнитных потоков Фтя , вытекающему из торца якоря, и Фр - текущему с боковой поверхности, т.е.

Фп + Фтэ = Фтя + Фр .

Аналогично и для электромагнитов с внутренним магнитопроводом (рис. 1, б ) сумма магнитных потоков, выходящих с полюса Фп и с торца электромагнита (индуктора) Фти, должна равняться сумме магнитных потоков, текущих с внутренней поверхности якоря Фвп и торца якоря Фтя , т.е. Фп + Фти = Фвп +

Фтя или Е Ф; = 0, что соответствует известному закону Кирхгофа для магнитной цепи. Таким образом, в электромагнитах с внутренним магнитопроводом на якорь будет действовать весь магнитный поток, текущий с торца, полюсов и наружной поверхности электромагнита.

В электромагнитах с внутренним магнитопроводом источник магнитного поля (индуктор с обмоткой) находится внутри якоря. Покажем, что в этом случае тяговое усилие таких электромагнитов будет выше, чем у соленоидного привода при равных значениях питающего напряжения 0, диаметра d обмоточного провода, удельного электрического сопротивления р провода.

Известно [4], что сила тяги пропорциональна квадрату намагничивающей силы, т.е. Рэ = (1Ш)2 .

Намагничивающая сила равна [5]:

Ар-1

с р

где 1ср - средняя длина витка обмотки индуктора.

Принимая 0, d и р равными для рассматриваемых электромагнитов, отношение намагничивающих сил этих приводов будет равно

()2 = ^

), 1р.2 '

Здесь индексом 1 обозначены параметры для соленоидного электромагнита и индексом 2 - для электромагнита с внутренним магнитопроводом.

Средняя длина витка равна [5]

ср.1

Рис. 1. Схема распределения магнитного потока в элек-тромагнтах соленоидного типа (а) и с внутренним магнитопроводом (б): 1 - якорь; 2 - электромагнит

где dвн.э, dн.э - внутренний и наружный диаметры соленоидного электромагнита; dвн.и, dн.и - внутренний и наружный диаметр индуктора привода с внутренним магнитопроводом.

Так как dвн.и, dн.и<dвн.э, dн.э, то 1ср.1 > 1ср.2, и, следовательно, (^)2>(1Ш)^ Последнее означает, что значение тягового усилия у электромагнитов с внутренним магнитопроводом при одинаковом питающем напряжении будет выше, чем у соленоидных электромагнитов.

Вес медного провода, идущего на создание электромагнитов, равен [6]

Ом.1 = П 1э.п. Ьн ^вн.э + Ьн) кз рм ;

^м.2 = п 1э.п. Ьн (dвн.и + Ьн) кз рм ,

где Ом1, Ом2 - соответственно, вес медного провода, идущего на создание электромагнитов соленоидного типа и с внутренним магнитопроводом; 1э.п. - длина электромагнита; Ьн - высота намотки обмоточным проводом; кз - коэффициент заполнения обмоточным проводом окна катушки; рм - плотность меди.

При равенстве значений для длины электромагнита, высоты намотки, коэффициента заполнения разница в весе меди будет определяться внутренним диаметром. Следовательно, поскольку dвн.и < dвн.э , то и расход меди на создание электромагнита с внутренним магнитопроводом будет меньше, чем на соленоидный электромагнит.

Электромагниты с внутренним магнитопроводом конструктивно отличаются от электромагнитов соленоидного типа, имеют существенные отличия по протеканию магнитного потока и требуют детального изучения.

Магнитный поток изменяется по длине внутреннего магнитопровода электромагнита из-за наличия потоков рассеяния, замыкающихся через воздушное пространство, окружающее сердечник.

Рассмотрим магнитную систему электромагнита с внутренним магнитопроводом (рис. 2).

Выделим двумя плоскостями ав и а1в1 , перпендикулярными плоскости чертежа, бесконечно малый элемент магнитной цепи длиной dx. Обозначим поток, проходящий через сечение ав через Фх , тогда через сечение а1в1 будет проходить поток

дФ Ф, +-^ Сх ' д '

Следовательно, поток рассеяния с элемента dx будет равен

дФ дФ

с ф > = ф > - ( ф > + —>- Сх) =-------------->- Сх

д> д>

С другой стороны известно /6/,что гіФх = Смх gdx или

дФ > и

- =-и ,

д>

(1)

где д - магнитная проводимость потоков рассеяния на единицу длины магнитной цепи; 0мх - магнитное напряжение в сечении а-в.

Магнитное напряжение в сечении а1 - в1 будет равно

дФ

и.., +-------^ Сх

' д> •

Приращение магнитного напряжения на dx равно

ди^ ди..

си., = и.., - (и.., +д) д

д> д>

На основании второго закона Кирхгофа:

м

■Сх.

(2)

Сх - Ф ЯСх + Си = 0

I

или, используя (2),

м ФЯ_-ди^=0,

I > • д, ■ (3)

где ІШ - намагничивающая сила, создаваемая обмоткой; ^ - магнитное сопротивление единицы длины магнитопровода; 1 - длина сердечника.

Из (3) находим:

ди.., М ^ _

Ф Л с ■ (4)

I

Дифференцируя уравнения (1), (4) по х и переходя от частных производных к общим, учитывая, что функции Фх и 0х в нашем случае являются функциями одного аргумента х, получим:

си ... 8

С 2 Ф

Сх

С 2 и„ Сх 2

Я

Сх С Ф Сх

Подставляя вместо

Си.. > СФ ;

Сх Сх

их значения,

найдем:

С 2Ф

Сх

I

и

С 2и« Сх2

^-и«я с & = о.

(5)

(6)

Общее решение уравнения (6) имеет вид:

Рис. 2. К расчету магнитного потока: 1 - электромагнит; 2 - якорь

и.. > = с ■ яИ(^Л[—Яс) + С2 • сКхл[8Яс),

(7)

где с! , с2 - постоянные интегрирования.

Дифференцируя выражение (7) по х и учитывая (4), найдем:

си,„

Сх

■ = с,

ХтЩСё ■ сИ(хл[к§ ) + С2л1к§ ■ яИ(хл[к§ )

ш

— Ф. я„

откуда

Ф > =---------------С1

■ 1 ■ Яс Ч

— ■ сИ(х^яс —)

Яс

— Сп

1

— ■ (хт[Щ—). Я

(8)

Если пренебречь магнитным сопротивлением К между сердечником и полюсом, то при х = 0

0мх = Ф° -К° = ° ,

тогда с2 = 0, и при х = 1 магнитное напряжение будет равно

0м1 = Ф1 - Кв ,

где Ф| - магнитный поток в рабочем зазоре; К - магнитное сопротивление воздушного зазора.

Подставив в (7) 0мх = 0м1 , получим

С, =

Ф 1 ■ Я%

яИ (1 у/ Я с • Я )

Подставляя в (7) и (8) значения постоянных интегрирования, находим

яИ(х-л1 Яс • — )

и> = Ф1 ■ Я%

яИ(1 VЯс • — )

Ф =Ж.—Ф, ■ я I8■ СИ(х■'Я~—)

1 ■ я

Яс яК1 ■4Я~—)

(9)

(10)

Тогда поток при х = 1 будет равен

ш

Ф1 =

1 ■ Я с + Я%

' —

Ч с =

(1 ■у/Я с ■ Я)

Обозначив

1 VЯ с • —

& ( I ■у/Я с • Я )

выражение для магнитного потока в рабочем зазоре будет иметь вид:

Ф1 =

ш

1 ■ Я с + Ч с ■ Я

%

Подставляя в (10) вместо Ф1 его значение, получим общее выражение для магнитного потока электромагнита с внутренним магнитопроводом

Чс • Я%п СИ(х■у!яс • — ),

Ф =■

ш

1 ■ Яс + — ■

-[1+-

1 ■ Яс

-(1—

яИ(1 ^Яс • —)

)].

(11)

Разлагая гиперболические функции в ряд и пренебрегая членами со степенью выше второй, получим

Ф =

1 ■ Я с + Ч1 ■ Я%

•[1 +

— ■ Я% (12 — х2)]

2 ■ 1

(12)

где

Ч1 = 1 +

12 —Я 3

Анализ выражения (12) показывает, что магнитный поток снижается с увеличением длины внутреннего магнитопровода, Кроме этого, с увеличением этой длины повышается значение магнитного сопротивления Кж , что также ведет к уменьшению магнитного потока, в связи с чем, индуктор целесообразно выполнять из отдельных секций с длиной соизмеримой с поперечными габаритами.

1

с

и

1. А.С. № 723731 СССР. Линейный электропривод. // Едыгенов Е.К., Калашников А.А., Джансугуров С.И. и др. Опубл. 25.03.80.

2. Патент РК № 1981. Линейный электропривод. //Едыгенов Е.К. Опубл. 30.11.93.

3.Нестеренко А.Д. Введение в теоретическую электротехнику. - Киев: Наукова думка, 1969. - 351 с.

4. Основы теории электрических аппаратов. // Под редакцией Г.В. Буткевича. - М.: Высшая школа, 1970 - 600 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Слпвпнская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. - М.: Энергия, 1972. - 248 с.

6. Витенберг М.И. Расчет электромагнитных реле. - М.-Л.: Госэнер-гоиздат, 1961. - 704 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Едыгенов Ерик Казтаевич - доктор технических наук, зам. директора Института горного дела им. Д. Кунаева по научной работе.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

ЕДЫГЕНОВ

G:\№ работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB8_03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm Едыгенов Е

Едыгенов Ерик Казтаевич

30.06.2003 11:18:00 6

30.06.2003 11:27:00 Гитис Л.Х.

10 мин.

09.11.2008 0:39:00

3

1 495 (прибл.)

8 526 (прибл.)