Научная статья на тему 'Моделирование линейного шагового электромагнитного двигателя'

Моделирование линейного шагового электромагнитного двигателя Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

320
133
Поделиться
Ключевые слова
ЛИНЕЙНЫЙ ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Исмагилов Флюр Рашитович, Хайруллин Ирек Ханифович, Охотников Михаил Валерьевич

Представлены результаты математического моделирования линейного шагового электромагнитного двигателя на базе электромагнита с учетом геометрических особенностей воздушного зазора. На основе результатов моделирования проведен расчет электромагнитных сил и результирующего момента, действующих на подвижный элемент линейного шагового электромагнитного двигателя. Отражены данные сравнительного анализа результатов расчета силы одностороннего магнитного притяжения и результирующего момента.

Похожие темы научных работ по машиностроению , автор научной работы — Исмагилов Флюр Рашитович, Хайруллин Ирек Ханифович, Охотников Михаил Валерьевич,

Simulation of electromagnetic linear stepper motor

The results of mathematical modeling of electromagnetic linear stepper motor based on an electromagnet with the geometric features of the air gap. Based on the simulation results we calculated the electromagnetic force and the resultant moment acting on the movable element of the electromagnetic linear stepper motor. Sets forth the comparative analysis of the results of the calculation of unilateral force of magnetic attraction and the resultant moment.

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

Текст научной работы на тему «Моделирование линейного шагового электромагнитного двигателя»

ЭНЕРГЕТИКА, ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.313

Ф. Р. Исмагилов, И. Х. Хайруллин, М. В. Охотников

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНОГО ШАГОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Представлены результаты математического моделирования линейного шагового электромагнитного двигателя на базе электромагнита с учетом геометрических особенностей воздушного зазора. На основе результатов моделирования проведен расчет электромагнитных сил и результирующего момента, действующих на подвижный элемент линейного шагового электромагнитного двигателя. Отражены данные сравнительного анализа результатов расчета силы одностороннего магнитного притяжения и результирующего момента. Линейный шаговый электромагнитный двигатель

Линейные шаговые двигатели (ЛШД) являются весьма распространенными в качестве приводов подвижных элементов позиционеров, передающих механизмов, раздаточных столов и т. д. Как и у любых двигателей, у ЛШД есть ряд недостатков ограничивающих область их применения.

Рассматриваемая в данной работе конструкция ЛШЭД устраняет один из главных недостатков ЛШД: рабочий момент данного двигателя значительно выше, что обусловлено изменением его конструкции.

Конструктивно ЛШЭД в зависимости от области применения могут быть выполнены в одностороннем и двухстороннем вариантах работы, с продольным или поперечным контуром замыкания основного магнитного потока.

На рис. 1 показано возможное конструктивное исполнения ЛШЭД с внутренним движимым элементом, где корпус неподвижен и жестко закреплен. Возможна также конструкция с внешним опорным элементом, в этом случае перемещаться будет целиком двигатель, опорой для движения будет служить внешний направляющий контур, например труба.

В качестве приводного механизма для ЛШЭД выступает Ш-образный электромагнит с ломаной формой якоря и полюса, обеспечивающей неравномерность зазора. Неравномерность зазора (рис. 2) позволяет сконцентрировать магнитный поток, создаваемый катушкой электромагнита на участке 12, что в свою очередь приводит к значительному увеличению тяговой характеристики и результирующего момента представляемой конструкции электромагнита по сравнению с классическим типом клапанных электромагнитов.

Рис. 1. Конструкция ЛШЭД с внутренним движимым элементом

В виду сложности расчетов, в работе принимаются ряд допущений:

• магнитная проницаемость зазора равна проницаемости вакуума Цо, магнитная проницаемость стали сердечника равна бесконечности Цг = ®;

• потоки выпучивания отсутствуют.

• смещение якоря в горизонтальном положении, по координате х, при отклонении якоря от полюса относительно оси, незначительно.

Погрешность, вызванная принимаемыми допущениями при расчете электротехнических и рабочих характеристик ЛШЭД, может составить до 17% от номинального значения.

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

Расчет характеристик электромагнита с ломаной формой якоря и полюса производится по стандартным формулам [1], но с учетом геометрических особенностей воздушного зазора.

Рис. 2. Схема расчета ломаной формы зазора

Контактная информация: 8(347)273-77-87

Индукция магнитного поля определяется

как

В. =

ыо

(1)

где I - ток катушки электромагнита, w - число витков катушки электромагнита, S - площадь полюса.

Проводимость зазора при учете ломаной формы полюса и якоря

т о ^ .

о=-

(2)

5 ’

ср

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

где 5ср - средняя величина зазора.

5 = . 5 = /2(х) . (3)

ср,;1 2 ’ ср,;2 2 ’ ' '

где /1(х) и /2(х) - функции, описывающие зазор, образующийся между якорем и полюсом электромагнита соответственно на участках 11 и 12.

2 ■ Г а

2 X 81ПІ —

/1(х) = (11 — х)1ап(180 — Р) +---------^2 ; (4)

008

(Р)

/2(х) = 5 . ,+

2 00П8?, ї

008

(Р)

(5)

где 11 - длина участка /1; в - угол, образующийся между полюсом на участке 11 и якорем электромагнита, неизменный; а - угол, образующийся при отклонении якоря относительно оси, от исходного положения; 5С0ПЙ, I - постоянный зазор, сохраняемый на участке 12, при исходном положении якоря (притянутом).

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

С учетом (2) и (3) выражение (1) принимает

вид

3^т 0

В =•

(6)

/Д х) + /2( х)

Тяговое усилие электромагнита [2], характеризующееся индукцией на элементарном участке ёх (рис. 2)

В2 = -хС®.

то

(7)

Интегрируя данное выражение, с учетом уравнения (6)

I ^^

з/^т0 „ /ї(х) то

з/^т0 „ /2 (Х) то

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

-с®, (8)

определяются характеристики тягового усилия электромагнита с прямой с ломаной формой якоря и полюса (рис. 3), относительно различных соотношений прямого 11 и наклонного 12 участков полюса. Значение участка 11 указано в процентном соотношении относительно общей ширины электромагнита, где 11 = 100%, график характеризующий тяговую силу электромагнита с прямой формой якоря и полюса.

Рис. 3. Распределение тягового усилия по ширине полюса

Момент [3], действующий на элементарный участок Сх якоря, определится из выражения:

СМ = ЕСх. (10)

Интегрируя данное уравнение, определяется суммарный момент электромагнита с ломаной формой якоря и полюса

I м = |

Сх. (12)

[/1(х )]2 0 [/2(х)]2

С учетом вышеизложенного, путем численного расчета результирующего момента относительно различных соотношений прямого ї1 и наклонного ї2 участков полюса, определяется величина суммарного момента (рис. 4).

В качестве сравнения приведена характеристика момента электромагнита без ломаной части, с шириной полюса равной величине участка ї1 = 100% от х.

Анализ электромагнита с ломаной формой якоря и полюса показал, что электромагнит, имеющий геометрические особенности воздушного зазора, имеет гораздо большую тяговую силу, чем электромагнит, имеющий классическую форму якоря и полюса. Появляется возможность добиться существенного увеличения

2

2

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

х

0

х

Ф. Р. Исмагилов, И. Х. Хайруллин, М. В. Охотников • Моделирование линейного шагового электромагнитного... 149

результирующего момента электромагнита за счет варьирования геометрическими соотношениями участков ^ и 12.

Например, исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что при создании наклонного участка 12 (рис. 2), на полюсе электромагнита, имеющего длину, равную 50% от общей ширины полюса, наблюдается увеличение результирующего момента в 2 раза.

Ширина полюса (м)

Рис. 4. Результирующий момент по ширине полюса

На основе полученных данных можно сделать вывод о целесообразности использования электромагнита со сложной геометрией воздушного зазора в качестве приводного механизма для ЛТТТЭД.

Полученные результаты могут служить в дальнейшем основой при проектировании

электромагнитных систем автоматики и силовой электроники.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сливинская А. Г. Электромагниты и постоянные магниты. М.: Энергия, 1972. 248 с.

2. Байда Е. И. Расчет электромагнитных систем с поперечным движением якоря и ферромагнитными шунтами в рабочих зазорах // Электротехника и электромеханика. 2003. № 3. С. 7-12.

3. Чепелюк А. А. Экспериментальное исследование влияния формы рабочего зазора на тяговые усилия в электромагните с поперечным движением якоря // Электротехника и электромеханика. 2002. № 1. С. 77-80.

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

ОБ АВТОРАХ

Исмагилов Флюр Рашитович, проф., зав. каф. электромеханики, проректор УГАТУ. Дипл. инженер-электромеханик (УАИ, 1973). Д-р техн. наук по элементам и устройствам управления (УГАТУ, 1998). Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.

Хайруллин Ирек Ханифович, проф. той же каф. Дипл. инженер-электромеханик (Ивановск. энерг. ин-т, 1963). Д-р техн. наук по элементам и устр. упр. (УАИ, 1981). Иссл. в обл. электромех. преобр. энергии.

Охотников Михаил Валерьевич, асп. той же каф. Дипл. инженер-электромеханик (УГАТУ, 2010).

Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.