CC BY
0УДК 621.318.2 Оганесян А. Т., Енокян К.Р.
Оганесян А.Т.
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Национальный политехнический университет Армении (г. Ереван, Армения)
Енокян К.Р.
младший научный сотрудник Национальный политехнический университет Армении (г. Ереван, Армения)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕВОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ С СИСТЕМОЙ «ПОСТОЯННЫЙ МАГНИТ-АСИММЕТРИЧНЫЙ ГЕРКОН»
Аннотация: в работе рассмотрен из электрических аппаратов путевой выключатель (ПВ), состоящий из цилиндрического постоянного магнита (ПМ) и асимметричного геркона, реализующего автоматизацию и управление в производственно-технологических процессах. Представлены графоаналитическая методика определения функциональных параметров (координаты срабатывания и отпускания, дифференциал хода, зона срабатывания) и математический аппарат расчётов. Функциональные параметры ПВ определяются с помощью графического построения, взяв за основу величины индукции срабатывания и отпускания геркона, используя соответствующие магнитодвижущие силы. Математический аппарат включает в себя выражения для расчётов: основные магнитные параметры ПМ, индукции магнитного поля на оси симметрии за пределами магнита, функциональные индукция асимметричного геркона в обмотке. Исследования проводились с использованием двух видов асимметричного герконов в ПВ. Причём один из герконов -широко используемый асимметрично-переключающий КЭМ-3А. Сравнение и анализ теоретических и экспериментальных результатов подтверждают достаточную точность и простоту применения предлагаемой методики и аппарата математических расчетов. Они применимы в процессах проектирования и исследования ПВ.
1580
Ключевые слова: путевой выключатель, постоянный магнит, асимметричный геркон, срабатывание, отпускание, координата, зона срабатывания.
Введение
Автоматизация и управление производственно-технологическими процессами осуществляются с помощью электрических аппаратов. Для этой цели широко применяются герконовые аппарати, и в частности путевые выключатели (ПВ) с герконом, отличающиеся разнообразием управления, например, постоянным магнитом (ПМ), ферромагнитным экраном, ферромагнитным шунтом и т.п. [1-9].
Расчет функциональных параметров (координаты срабатывания Хср и отпускания Хот, АХ дифференциал хода) герконового ПВ, управляемого ПМ, несмотря на простоту конструкции, затруднен из-за отсутствие магнитопроводов (открытая магнитная система).
С помощью графоаналитической методики и математического аппарата расчета, с разработанной нами, системой «Постоянный магнит-симметричный геркон» [10], была предпринята попытка определения функциональных параметров ПВ с применением асимметричного геркона (АГ).
В настоящей работе приведены методика определения функциональных параметров (Хср, Хот, АХ) и математический аппарат ПВ с цилиндрической ПМ-АГ, а также результаты исследований ПВ. В основу методики определения функциональных параметров положена логика результатов моделирования магнитных полей. То есть ферромагнитная система геркона одинаково влияет на ту составляющую магнитного поля обмотки и ПМ, благодаря которой геркон срабатывает [10-13].
Функциональные параметры симметричных и асимметричных герконов, в частности магнитодвижущие силы (МДС) срабатывания ^раб и отпускания рабочий ресурс и т.п. определяются испытаниями на заводе-изготовителе в стандартной обмотке, размещая геркон 1 в обмотке 2 с совпадающими осями симметрии. Однако особенностью асимметричного геркона является то, что
1581
центр перекрытия а контактных-деталей (КД) 3 и 4 геркона отклонен на А от оси симметрии (рис. 1). На рисунке 1об - длина обмотки, а Ясоб - средний радиус.
4
Рис. 1. Размещённый в обмотке асимметричный геркон
Из-за разницы в длине КД асимметричного геркона расстояние Х центра перекрытия а КД от полюса ПМ в ПВ разные. Это может повлиять на функциональные параметры ПВ (рис. 2).
а. б.
Рис. 2. ПВ с разными позициями КД в системе ПМ-АГ
1582
Представленные задачи
1. Разработать графоаналитическую методику определения функциональных параметров системы ПМ-АГ и соответствующий математический аппарат для расчета.
2. Подтвердить точность, применимость и доступность методики и математического аппарата путем экспериментального исследования.
Математические выражения расчёта ПВ с системой ПМ-АГ
Функциональные значения индукции магнитного поля Ва в обмотке на расстояние А от оси симметрии в точке а (рис. 1) (при отсутствии АГ) обусловлены соответствующими значениями МДС геркона и определяются известным выражением:
В а _ ^0 ТТ"
21об
1об-Д 1об+Д
2 2
Лс.об2 + (£2б-А)2 >с.об2 + (1Г+Л)2
■ (1)
Из справочника выписываются следующие параметры ПМ по типу: коэрцитивная сила по индукции НсВ, остаточная индукция Вг, произведение по максимальной энергии (ВН) т.
Коэффициент выпуклости материала ПМ определяется в виде:
_ _ 2 I НсВвг _ НсвВг
"вьш _ 1 (вн)т (ВН)т . Коэффициент проницаемости тп формы ПМ в случае значений цилиндрического ПМ в диапазоне 0,1^10 при отношении определяется
1ПМ
следующим выражением
-1,32
т„ _ 2,46 (¿ПМ)
^ПМ 1
а при соотношении — _ 1, принимаем
1ПМ
тп _ 3,
где 1ПМ - длина ПМ, йПМ - диаметр.
1583
Магнитная индукция и напряженность магнитного поля ПМ в нейтральном сечении 00 определяются следующим образом:
fee ' ^
Во =-г--, Яо =
fee 2- 4^о ГВЪ1ПтппНсБВг Во
2/вып Цо™П
где к о =(Бг+^отпнсв).
Величина магнитной индукции В^ в полюсе ПМ определяется в виде
1ПМ
Bn = (^о + Во)
41ПМ2+^ПМ
Величина индукции Ва на расстоянии X от полюса ПМ в точке а, определяется (при отсутствии АГ)
Ва = (VoHo + BN)
ПМ
+Х X
4(1пм+^)2+^ПМ J4x2+d^M
• (2)
Инструменты исследования и подготовка
Для исследования выбрана ПМ маркой N38, размеры: €пм=10мм, dПм=30мм. Параметры: НСВ=836^103А/м, Вг=1,22Тл, (БИ)т=219Л0ъДж/м3 [12, 14].
При определении значений Х использовались цифровой штангенциркуль марки HARDENED и миллиметровая бумага.
Результаты исследований
1. Параметры асимметричного геркона (марка неизвестна): длина КД1 - 47мм, длина КД2 - 36мм, Д~4мм.
Параметры обмотки: 1об =54мм, w=3160 (количество витков). Ясоб=9мм.
Путём исследований были определены функциональные параметры АГ в обмотке: F;p=231A, FOT=171A, Кв=0,74 (коэффициент возврата).
Согласно выражению (1) и соответственно F^ и FOT были расчитаны индукции магнитного поля в точке а: Ва.ср=5,08мТл, Ваот=3,76мТл.
Согласно выражению (2) было рассчитано магнитное поле вдоль X и построен график Ва = f(X). По значениям Васр и Ваот были получены Хср~54,8мм, Хот~61,7мм, ДХ=Хот-Хср=6,9мм (рис. 3).
1584
По данным экспериментального исследования ПВ были получены следующие результаты: в случае рис. 2.а - Хср~59мм, Хот~67мм, АХ=8мм, в случае рис. 2.б - Хср~55мм, Хот^63мм, АХ=8мм.
Относительное максимальное отклонение результатов Хср и Хот, полученных с помощью графоаналитического метода и экспериментальных измерений, в случае рис. 2.а - не превышает 9%, а в случае варианта рис. 2.б -3%. В обоих случаях разность АХ увеличилась примерно на 15%.
Положение АГ в ПВ по КД оказывает определенное влияние на функциональные параметры Хср и Хот. Максимальное относительное отклонение составляет около 11%.
2. Геркон марки КЭМ-3А, характер: асимметрично-переключающий, паспортные данные ^р=(42^66)А, Кв=0,3^0,9 [6]. В результате измерений А~3,5мм (рис. 4).
Параметры обмотки: 1об=12,8мм, ^=10000, Л>соб=7мм.
1585
ю о
о?
у
А
1об
Рис. 4. Геркон КЭМ-3А в обмотке
Согласно выражению (1) диапазон индукции срабатывания магнитного поля геркона КЭМ-3А следующий: Баср=(2,54^4,02)мТл. По графику Ва = f(X) были определены пределы зоны срабатывания ПВ: Хср~(60^71)мм (рис. 5).
Рис. 5. Зона срабатывания и функциональные параметры геркона КЭМ-3А в ПВ
Для экспериментального исследования случайным образом были выбраны четыре геркона. Расчетные и измеренные данные были проанализированы для всех. Логика и вывод полученных результатов те же, поэтому приводим только данные геркона №1: ^р=53,7А, ^т=29А, Кв=0,53.
1586
Индукции магнитного поля по выражению (1): Васр=3,16мТл, Ваот=1,7мТл. Их соответствуют Хср~65,6мм, Хот-82мм, ДХ=16,4мм (рис. 5).
Б-
-м
3|
X
0
Б— --м
0
—^
X
отпускание срабатывание
т
-> отпускание срабатывание
а. б.
Рис. 6. Геркон КЭМ-3А в ПВ с разными расположениями КД
Экспериментальные функциональные параметры ПВ следующие: в варианте рис. 6.а - Хср~72мм, Хот~88мм, ДХ=16мм, в варианте рис. 6.б -Хср~76мм, Хот~90мм, ДХ=14мм.
Относительное максимальное отклонение результатов Хср и Хот, полученных с помощью графоаналитического метода и экспериментальных измерений, в случае варианта показаного на рис. 6.а, не превышает 10%, а в случае варианта рис. 6.б - 16%. В случае варианта рис. 6.б ДХ уменьшается примерно на 17%.
Положение АГ в ПВ по КД оказывает определенное влияние на функциональные параметры Хср и Хот. Максимальное относительное отклонение не более 6%. Изменение ДХ составляет около 14%.
Относительное максимальное отклонение Хср по зону срабатывания, полученное экспериментальными измерениями, составляет около 7%.
0
а
0
а
1587
Заключение
1. Из результатов экспериментальных исследований следует, что влияние асимметрия геркона имеет определенное влияние на функциональные параметры, связанные с положением КД по отношению к ПМ в ПВ.
2. Предложенная методика и математический аппарат расчета, с учетом открытости магнитной системы, обеспечивают достаточную точность, просты с точки зрения применения и доступны в процессах исследования и проектирования ПВ с системой ПМ-АГ.
Благодарность
Работа проводилась в базовой научной лаборатории «Автоматизация и электромагнитные системы», финансируемой Министерством образования, науки, культуры и спорта Республики Армения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Гуревич В.И. Высоковольтные устройства автоматики на герконах. Хайфа, 2000. 368 с;
2. Гуревич В.И. Гибридные герконо-полупроводниковое реле. Новое поколение устройств релейной защиты // Электрические комплексы и системы управления. 2007. №6. С. 27-34;
3. Карабанов С.М., Баскаков И.А., Сажин Б.Н., Майзельс Р.М. Герконы -современный взгляд на перспективы развития направления // Электронная промышленность. 2003. № 4. С. 18-27;
4. Коробков Ю.С. Расчет и проектирование устройств на герконах: Герконовые реле.- М.: iElectro, 2010. 52 с;
5. Харазов К.И. Переключатели с магнитоуправляемыми контактами. М.: Энергия, 1978. 80 с;
6. Шоффа В.Н. Герконы и герконовые аппараты: Справочник. М.: Изд.-во МЭИ, 1993. 288 с;
1588
7. Герконы и герконовые реле. http://electricalschool.info/main/drugoe/ 164-gerkony-i-gerkonovye-rele.html (дата обращения: 05.06.2022);
8. Герконовые реле. http://rmcip.ru/catalogue/category/id/9 (дата обращения: 15.10. 2023);
9. Vanderhallen L. High and low sensitivity reed switches // Electronic Engineering Design. Oct. 2002, vol. 74, Issue 909, pp. 15-17;
10. Оганесян А.Т., Енокян К.Р. Исследование путевого выключателя с системой "Постоянный магнит-геркон"// Инновационные научные исследования. 2023. № 10-1(33). C. 4-16. doi.org/10.5281/zenodo.10184963;
11. Hovhannisyan A.T. Mathematical apparatus for calculating a cylindrical permanent magnet magnetized along the length based on usecase // Инновационные научные исследования. 2023. № 6-2(30). C. 62-72. doi.org/10.5281/zenodo. 8128234;
12. Hovhannisyan A.T., Yenokyan K.R. Approaches to the selection of initial magnetic parameters for the calculation of a permanent magnet and evaluation of calculation websites // Инновационные научные исследования. 2023. № 8-1(31). C. 34-40. doi.org/10.5281/zenodo.8395597;
13. www. femm. info/wiki/HomePage;
14. Постоянные магниты. www.technomagproduct.nethouse.ru (дата обращения: 08.01.2024)
1589
Hovhannisyan A. T., Yenokyan K.R.
Hovhannisyan A.T.
National Polytechnic University of Armenia (Yerevan, Armenia)
Yenokyan K.R.
National Polytechnic University of Armenia (Yerevan, Armenia)
RESEARCH OF TRAVEL SWITCH WITH SYSTEM «PERMANENT MAGNET-ASYMMETRICAL REED SWITCH»
Abstract: the work considers a travel switch (TS) among electrical apparatus, consisting of a cylindrical permanent magnet (PM) and an asymmetric reed switch, which implements automation and management in production and technological processes. A graphic-analytical method for determining functional parameters of a TS (actuation and release coordinates, travel differential, actuation zone) and a mathematical calculation apparatus are presented. The functional parameters of the TS are determined using a graphical construction, taking as a basis the values of the induction of actuation and release of the reed switch, using the corresponding magnetomotive forces. The mathematical apparatus includes the expressions for calculating the main magnetic parameters of the PM, the magnetic field induction on the axis of symmetry outside the magnet, the functional induction of an asymmetric reed switch in the winding. The research were carried out using two types of asymmetric reed switches in the TS. Moreover, one of the reed switches is the widely used asymmetric switching K3.MSA. Comparison and analysis of theoretical and experimental results confirm the sufficient accuracy and ease of application of the proposed methodology and mathematical calculation apparatus. They are applicable in the design and research processes of TS.
Keywords: travel switch, permanent magnet, asymmetrical reed switch, actuation, release, coordinate, actuation zone.
1590
