CC BY
169
УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Ж s-
УДК 62-347, 62-33
А.В.Байбузов, Ф.И.Букашев
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КЛАПАНОВ С ФОРСИРОВАННЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ
Институт электронных и информационных систем НовГУ, bukaschew@novline.ru
The paper describes shut-off valves with forced solenoid actuator. The current density in a coil wire is proposed as a criterion for design. Two control devices for forced solenoid actuator are developed. High cost-efficiency when using these valves is shown.
Ключевые слова: магнитодвижущая сила, форсированые электромагниты, клапаны
Клапаны с электромагнитным приводом для управления потоком газообразной или жидкой рабочей среды находят широчайшее применение в энергетике, нефтяной, химической, пищевой, фармацевтической промышленности и в других областях техники. Одним из способов повышения технических характеристик и потребительских качеств электромагнитного клапана является форсирование магнитодвижущей силы (МДС) электромагнитной системы клапана [1].
Принцип форсирования магнитодвижущей силы
Принцип форсирования МДС заключается в следующем. Тяговое усилие Q электромагнитов с втяжным якорем и равномерным по площади якоря эквивалентным зазором приблизительно описывается формулой
Q = -
F • ^0 'SC 2kCT • 8Heq
где Q — тяговое усилие, Н; F — магнитодвижущая сила, А; ^ — абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; SС — площадь якоря, м2; /СТ — коэффициент, учитывающий падение МДС в магнитопроводе и нерабочих зазорах; 5Нщ — эквивалентный рабочий зазор, м.
Рассмотрим механическую характеристику
электромагнитного клапана. Противодействующая сила на затворе клапана равна сумме силы гидростатического давления на площадь прохода и силы реакции сжатой возвратной пружины (пружин). Сила гидростатического давления, оставаясь вначале постоянной, при критическом зазоре 5кр скачком уменьшается до нуля. Сила реакции возвратной пружины монотонно возрастает от начального значения при максимальном зазоре до конечного значения при минимальном рабочем зазоре. Тяговое усилие электромагнита при неизменной МДС нарастает приблизительно по квадратичной гиперболе. Сравнение силовых характеристик показывает, что при притянутом якоре всегда имеется значительный запас по МДС, который характеризуется коэффициентом возврата /в = 0,1^0,3.
Это означает, что в притянутом положении затрачиваемый на удержание ток может быть снижен на 70-90%, а мощность — соответственно на 91-99%. Форсированный электромагнит характеризуется коэффициентом форсирования Кр, равным отношению МДС (или среднего по сечению окна обмотки значения тока обмотки) при форсировании и удержании.
Критерий количественной оценки характеристики форсированных электромагнитов
На этапе проектирования форсированных электромагнитов могут и должны быть сделаны конкретные численные оценки их характеристик — размеров, мощности потребления, времени трогания. Авторами предлагается расчетный параметр — плотность тока в обмоточном проводе ] (А/мм2). Плотность тока характеризует тепловой режим провода в широком диапазоне сечений и размеров обмотки и является универсальным критерием при проектировании электромагнита. Для медного обмоточного провода допустимая максимальная плотность тока составляет 6-8 А/мм2.
Размеры
В общем случае МДС электромагнита выражается через плотность тока и площадь окна намотки:
р =]•^ ^
где ] — плотность тока, А/мм2; 5С — площадь окна намотки, мм2; ку — коэффициент укладки провода по сечению жилы, безразмерная величина меньше единицы.
Коэффициент укладки провода по сечению жилы определяется в основном способом намотки и слабо зависит от диаметра провода. Отсюда следует, что площадь сечения окна намотки форсированного электромагнита может быть снижена в Кр раз по сравнению с нефорсированным электромагнитом.
Мощность
Удельная тепловая мощность обмоточного провода также может быть выражена через плотность тока:
п -2 РУ = ] • P,
где Ру — удельная тепловая мощность, Вт/мм3; ] — плотность тока, А/мм2, р — удельное сопротивление материала провода, Ом мм (для меди при нормальных условиях 17,5-Ш-6 Ом мм).
При равном объеме электромагнита среднее удельное тепловыделение обмотки и мощность электромагнита может быть снижена в Кр2 раз по сравнению с нефорсированным электромагнитом, либо во столько же раз может быть снижен объем электромагнита при равной мощности.
Время трогания
Время трогания может быть определено как время, по истечении которого после подачи на электромагнит питания МДС достигает такого значения, при котором начинается движение якоря. Расчеты показывают, что время трогания пропорционально электрической постоянной времени обмотки электромагнита. Анализ этой величины сложен и включает рассмотрение разных вариантов форсирования. В результате установлено, что время трогания форсированного электромагнита всегда не больше, чем время трогания нефорсированного электромагнита.
Практические результаты
Авторами разработаны и внедрены в серийное производство два устройства форсирования включения электромагнитных клапанов.
Первое устройство предназначено для однообмоточных электромагнитов. При его использовании при питании от сети переменного тока среднее значение напряжения на электромагните повышается на 35-40% [2].
Второе устройство предназначено для использования совместно с двухобмоточными электромагнитами, обмотки которых соединены параллельно. В момент включения напряжение прикладывается к пусковой и удерживающей обмоткам. По завершении времени включения пусковая обмотка отключается, удерживающая обмотка остается включенной. Особенностью данного устройства является коммутация пусковой обмотки с одновременным повышением ее среднего напряжения [3].
Применение форсированных электромагнитных клапанов дает заметный экономический эффект. Во-первых, меньшая материалоемкость позволяет снизить
себестоимость клапана. Основное снижение себестоимости связано со снижением массы обмоточного медного провода форсированного электромагнита и составляет 5-10%. Во-вторых, достигается снижение эксплуатационных расходов за счет снижения энергопотребления клапана, обусловленного форсированием электромагнитной системы. По нашим оценкам, только за счет снижения потребления электроэнергии форсированный клапан за 12 лет эксплуатации даст потребителю экономию, равную стоимости клапана.
Заключение
По итогам работы можно сделать следующие выводы.
1. Авторами рассмотрены принципы форсирования электромагнитов клапанов. Разработаны основы метода расчета форсированых электромагнитов клапанов. В основе данного метода положен параметр плотности тока в обмоточном проводе, а также введено понятие коэффициента укладки по сечению жилы. Показано, что параметр плотности тока универсален, слабо зависит от абсолютных размеров и пропорций катушки и, что важно, позволяет задавать граничные значения МДС и мощности на начальном этапе проектирования.
2. С использованием данного метода получены выражения для расчета МДС и тепловой мощности форсированных электромагнитов, показаны преимущества последних в сравнении с нефорсированными.
3. Разработаны два устройства форсирования однообмоточных и двухобмоточных электромагнитов клапанов. Показана высокая технико-экономическая эффективность технических решений.
1. Коц Б.Э. Электромагниты постоянного тока с форсировкой. М.: Энергия, 1973. 78 с.
2. Свидетельство на полезную модель 29978 РФ. МПК7 F16K31/02. Устройство форсированного включения электромагнитного клапана / А.В.Байбузов, Ф.И.Букашев, А.Ю.Смирнов. Заявл. 18.11.2002. Опубл. 10.06.2003. Бюл. №16. 6 с.: ил.
3. Патент на полезную модель 41827 РФ. МПК7 F16K31/02. Устройство коммутации двухобмоточного электромагнитного клапана / А.В.Байбузов, Ф.И.Букашев, А.Ю.Смирнов. Заявл. 03.08.2004. Опубл. 10.11.2004. Бюл. №31. 6 с.: ил.
