CC BY
93
УДК 621.313.33
Г.М. Голенков, М. Аббасиан
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ КОАКСИАЛЬНО-ЛИНЕЙНОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С АКСИАЛЬНЫМ И РАДИАЛЬНЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ НАМАГНИЧИВАНИЯ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ НА БЕГУНЕ
Представлено результати теоретичних та експериментальних досліджень розподілу магнітної індукції е повітряному проміжку коаксіально-лінійного синхронного двигуна зворотно-поступального руху в межах полюсного ділення з аксіальним та радіальним напрямом намагнічування постійних магнітів.
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований распределения магнитной индукции в воздушном зазоре коаксиально-линейного синхронного двигателя возвратно-поступательного движения в пределах полюсного деления с аксиальным ирадиальным направлением намагничивания постоянных магнитов.
ВВЕДЕНИЕ
В строительном производстве и других технологических процессах, связанных с перемещением, уплотнением, разрушением и так далее, применяются различные типы вибрационных машин [1]. Чаще всего в качестве возбудителя колебаний рабочего органа вибратора используются асинхронные двигатели с дебалансными системами возмущающих усилий [2]. Эти двигатели с дебалансным расположением возмущающих усилий имеют следующие недостатки: малую надежность работы вибраторов, большую энергоемкость, недостаточную эргономичность и автоматизацию систем управления.
В работе [3] предложен вибратор (рис. 1), приводом рабочего органа которого является коаксиально-линейный синхронный двигатель с постоянными магнитами, намагничивание которых аксиально совпадает с осью бегуна [КЛСД-ПМ-А].
Рис. 1. Общий видвибратора КЛСД-ПМ-А
Вибратор КЛСД-ПМ-А (рис.1) состоит из: статора (индуктора) - 1; магнитопровода статора - 2; обмотки статора - 3; бегуна - 4; постоянных магнитов (ЫФеВ)
- 5; пружин - 6; концентраторов магнитного потока -7; стержня бегуна - 8; дополнительной массы - 9; основания вибратора - 10.
Магнит с аксиальным направлением намагничивания коаксиально-линейного синхронного двигателя изображен на рис. 2.
Рис. 2. Магнит с аксиальным направлением намагничивания
При поступлении на обмотку статора (3) от преобразователя частоты тока переменной полярности возникает электромагнитная сила, которая выводит из равновесия колебательную систему вибратора. Перемещение бегуна (4) и связанной с ним дополнительной массы (9) приводит к деформации пружин (6). При изменении направления прохождения тока в обмотках статора бегун перемещается в противоположную сторону под действием электромагнитной силы и накопленной в пружинах энергии, в результате чего возникает колебательное движение бегуна, которое передается на рабочий орган машины.
В строительном производстве, в частности, при погружении свай, шпунтов и других строительных изделий в грунт, используют вибропогружатели мощностью более 30 кВт [2] .Мощность вибропогружателя КЛСД-ПМ-А установки для погружения свай виб-ростатическим способом [4], разработанного в КНУБА, соответствовала 4,8 кВт. При этом диаметр магнитов составляет 110 мм.
Изготовление вибраторов большой мощности связано с большими размерами магнитов цилиндрической формы. Предельные размеры магнитов цилиндрической формы при существующих технологиях составляют в диаметре 250 мм [ 5].
Для увеличения мощности КЛСД-ПМ была предложена конструкция двигателя [6], где концентратор магнитного потока с радиальным направлением намагничивания постоянных магнитов изображен на рис. 3.
Концентратор (см. рис.3) состоит из постоянных магнитов с радиальным направлением намагничивания - 1 и установленного на поверхности магнитопровода - 2.
© Голенков Г.М., Аббасиан М.
Рис. З. Концентратор магнитного потока с радиальным направлением намагничивания постоянных магнитов
Такая конструкция концентратора магнитного потока позволит увеличить диаметр бегуна, а, следовательно, и мощность двигателя.
В работе [7] представлены математические модели, определяющие параметры электромеханических характеристик КЛСД-ПМ. Однако в ней недостаточно полно отображены результаты экспериментальных и теоретических исследований распределения магнитной индукции в воздушном зазоре коаксиальнолинейного синхронного двигателя как с аксиальным, так и с радиальным направлением намагничивания постоянных магнитов. Не представлены их сравнительные характеристики по распределению магнитной индукции в воздушном зазоре между индуктором и бегуном исследуемых двигателей. Поэтому данная работа является актуальной.
Целью работы является разработка методики экспериментального исследования характеристик В = f(x) распределения магнитной индукции в воздушном зазоре КЛСД-ПМ с аксиальным и радиальным
направлениями намагничивания постоянных магнитов. Их сравнение с компьютерным моделированием, а также сравнение характеристик В = f(x) двигателей с аксиальным и радиальным направлением
намагничивания постоянных магнитов.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛСД-ПМ (ПМ-А И ПМ-Р) ПРИ ОТСУТВИЕ ТОКА В ОБМОТКАХ ИНДУКТОРА
Общий вид исследуемого коаксиально-
линейного синхронного двигателя, состоящего из статора цилиндрической формы с индуктором - 1; пружинами - 2; подвижной частью КЛСД-ПМ бегуна с дополнительной массой - З, представлен на рис. 4.
і
Рис. 4. Общий вид коаксиально-линейного синхронного двигателя
Длина активной части магнитопровода составляет 164 мм; активная длина бегуна 112 мм; диаметр бегуна 60 мм; масса постоянных магнитов 0,51 кг; воздушный зазор между индуктором и бегуном со-
ставляет 3 мм; немагнитный зазор 7 мм; толщина токового слоя индуктора составляет 5 мм; сечение провода обмотки индуктора 0,635 м2; толщина магнитопровода индуктора 10 мм.
Магнитопровод индуктора выполнен из стальной проволоки диаметром 1 мм, уложенной на поверхности токового слоя (обмоток) индуктора с коэффициентом заполнения ^=0,32.
На рис. 5 изображены: а - бегун КЛСД-ПМ с аксиальным направлением намагничивания постоянных магнитов (ПМ-А); б - бегун КЛСД-ПМ с радиальным направлением намагничивания постоянных магнитов (ПМ-Р). Бегун (ПМ-А) (рис 5,а) состоит из:
постоянных магнитов - 1; концентраторов магнитного потока - 2; металлического стерженя - 3
(немагнитный материал). Бегун (ПМ-Р) (рис 5,6) состоит из: постоянных магнитов - 1; концентраторов
- 2; металлического стержня - 3.
Рис. З. Бегуны КЛСД-ПМ
Моделирование распределения магнитной индукции в зазоре между индуктором и бегуном
КЛСД-ПМ-А. Для исследования компьютерного моделирования предложена модель коаксиальнолинейного синхронного двигателя с аксиальным направлением намагничивания постоянных магнитов в программном пакете С0М80Ь МиШрЬузюз (рис. 6), где: корпус статора - 1; обмотка статора - 2; магнитопровод статора - 3; бегун - 4; металлический стержень (немагнитный материал) - 5; постоянные магниты (ПМ) - 6; концентраторы магнитных потоков
- 7; воздушная среда - 8.
о
Рис. 6. Модель КЛСД-ПМ-А в программе COMSOL Multiphysics
Предложенная модель (рис. 6) КЛСД-ПМ-А имеет следующие параметры сред:
- относительная магнитная проницаемость для воздушной среды - 8: цг =1,0 Гн /м;
- относительная магнитная проницаемость для бегуна центральной части (стержня) - 5: цг=1,0 Гн /м;
-для магнитопровода индуктора - 3 выбран материал из библиотеки Soft Iron магнитомягкая сталь;
- для постоянных магнитов - 6: цг =1,06 Гн /м;
- остаточная индукция магнитов 5r=1,20 Тл (знак индукции чередуется по формуле SN).
Численный расчет магнитного поля выполнялся методом конечных элементов. Задача решалась как осесимметричная в цилиндрической системе координат (гвг). Расчет параметров магнитной индукции в зазоре между бегуном и индуктором проводился без следующих конструктивных элементов статора, а именно поз. 1-3 (см. рис.6.). Результаты расчетов распределения магнитной индукции в воздушном зазоре между индуктором и бегуном с аксиальным направлением намагничивания постоянных магнитов показаны на рис. 9.
Моделирование распределения магнитной индукции в зазоре между индуктором и бегуном КЛСД-ПМ-Р. Для исследования компьютерного моделирования была разработана модель коаксиальнолинейного синхронного двигателя с радиальным направлением намагничивания постоянных магнитов в программном пакете СОМБОЬ МиШрИуБЮБ (рис. 7), где: корпус статора - 1; обмотка статора - 2; магнитопровод статора - 3; бегун - 4; металлический стержень (немагнитный материал) - 5; постоянные магниты (ПМ) - 6; концентраторы магнитных потоков
- 7; воздушная среда - 8.
1 2 3 6 7 4 8 5
Рис. 7. Модель КЛСД-ПМ-Р в программе СОМБОЬ МиШрЬу8Ю8
Предложенная модель (рис. 7) КЛСД-ПМ-Р имеет такие же параметры сред, как и в случае для модели КЛСД-ПМ-А.
Численный расчет магнитного поля для КЛСД-ПМ-Р, как и для двигателя для КЛСД-ПМ-А, выполнялся методом конечных элементов.
Результаты расчетов распределения магнитной индукции в воздушном зазоре между индуктором и бегуном с радиально направленным намагничиванием постоянных магнитов показаны на рис. 10.
Экспериментальные исследования распреде-ления магнитной индукции в зазоре КЛСД-ПМ. Для проведения экспериментальных исследований коаксиально-линейного синхронного двигателя возвратнопоступательного движения КЛСД-ПМ-А и КЛСД-ПМ-Р разработан стенд (рис. 8). Стенд включает: коаксиально-линейный синхронный двигатель - 1; статор (магнитопровод индуктора) - 2; бегун КЛСД - 3; измерительный прибор магнитной индукции (Ш1-8) - 4; щуп (датчик) - 5.
Измерение магнитной индукции КЛСД-ПМ проводилось при помощи измерительного прибора Ш1-8 путем перемещения щупа в зазоре между индуктором и бегуном с шагом Дх= 2,5 мм по всей активной длине магнитопровода индуктора (рис. 9). Опыты проводились при различных положениях бегуна по отношению к индуктору в пределах полюсного деления т, что соответствует максимальному значению амплитуды колебания X подвижной части двигателя.
Рис. 8. Стенд для исследования магнитной индукции в зазоре КЛСД-ПМ
На рис. 9 представлены характеристики распределения магнитной индукции В = У(х) в воздушном зазоре коаксиально-линейного синхронного двигателя с аксиальным направлением намагничивания постоянных магнитов.
КЛСД-ПМ-А
1 .....
L 0 1 1 О
N п г N S S
“І
] В,Т.ч В«р=0.14 Тл
/Л \ і а б і В=f(х) і Х,м
.0-00 0.05 0.10
Рис. 9. Характеристики распределения магнитной индукции В = fx) в зазоре двигателя КЛСД-ПМ-А: а - кривая распределения магнитной индукции В = fx) в воздушном зазоре двигателя, полученная в результате компьютерного моделирования; б - кривая В = fx), полученная эксперименталным путем
Расхождение максимального значения индукции в зазоре между результатом, полученным в ходе компьютерного моделирования (Bs = 0,1 б Тл),и результатом, полученным в ходе экспериментального исследования (Bs = 0,20 Тл), составляет 20 %.
На рис.10 представлены характеристики распределения магнитной индукции В = fx) в воздушном зазоре коаксиально-линейного синхронного двигателя с радиальным направлением намагничивания постоянных магнитов.
Расхождение максимального значения индукции в зазоре между результатом, полученным в ходе компьютерного моделирования (Bs = 0,211 Тл), и результатом, полученным в ходе экспериментального исследования (Bs = 0,21 б Тл), составляет 2,3 %.
На рис. 11. представлены характеристики распределения магнитной индукции В = fx) в воздушном зазоре коаксиально-линейного синхронного двигателя с аксиальным и радиальным направлением намагничивания постоянных магнитов.
Расхождение максимального значения индукции (см. рис. 11) в воздушном зазоре двигателей с аксиальным (B5 = 0,21 Тл) , и радиальным (B = 0,1 б Тл), направлением намагничивания постоянных магнитов составляет 23 %.
Рис. 10. Характеристики распределения магнитной индукции В = Дх) в зазоре двигателя КЛСД-ПМ-Р: а - кривая распределения магнитной индукции В = Дх) в воздушном зазоре двигателя, полученная в результате компьютерного моделирования; б - кривая В = Дх), полученная эксперименталным путем
Рис. 11. Характеристики распределения магнитной индукции В = Дх) в зазоре двигателя КЛСД-ПМ (кривые распределения магнитной индукции В = Дх) в воздушном зазоре двигателя с аксиальным (а) и радиальным (б) направлениями намагничивания постоянных магнитов)
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛСД-ПМ (ПМ-А И ПМ-Р) ПРИ НАЛИЧИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ОБМОТКАХ ИНДУКТОРА Исследования показали, что модели двигателя КЛСД-ПМ, связанные с распределением магнитной индукции в воздушном зазоре между индуктором и бегуном при наличии тока в обмотке индуктора, идентичны моделям, представленным на рис. 6, 7, а параметры сред отличаются только показаниями остаточной индукции магнитов, то есть Вг=0.
Численный расчет магнитного поля для КЛСД-ПМ-Р, как и для двигателя для КЛСД-ПМ-А, выполнялся методом конечных элементов в программном пакете COMSOL Multiphysics.
Результаты расчетов распределения магнитной индукции в воздушном зазоре для двигателей КЛСД -ПМ-А и КЛСД-ПМ-Р показаны соответственно на рис. 13, 14.
На рис. 12 изображены: а - стенд для исследования распределения магнитной индукции в воздушном зазоре коаксиально-линейного синхронного двигателя с постоянными магнитами с ПМ-А, ПМ-Р при наличии тока в обмотках индуктора; б - принципиальная электрическая схема стенда.
Стенд для исследования распределения магнит -ной индукции КЛСД-ПМ (рис. 11) включает:
индуктор с обмоткой (ОИ) - 1; бегун КЛСД-ПМ - 2; индуктивный датчик (ИД) - 3; амперметр РА1 - 4; осциллограф OSC - 5; автотрансформатор - Тр.
Рис.12. Стенд для исследования распределения магнитной индукции в воздушном зазоре КЛСД-ПМ
Экспериментальные исследования по определению значений магнитной индукции в воздушном зазоре между индуктором и бегуном КЛСД-ПМ проводились следующим образом: на обмотку индуктора ОИ (рис. 12,б) через автотрансформатор Тр подается переменное напряжение с частотой / = 50 Гц , плотность тока в обмотке индуктора при этом составило J = 3 А/мм2.
Опыты проводились при различных положениях датчика ИД в зазоре КЛСД-ПМ с шагом Ах = 2,5 мм по всей длине магнитнопровода индуктора.
Индуктивный датчик ИД магнитной индукции протарирован согласно [8, 9], а также с применением некоторых положений из [9] по определению магнитной индукции в воздушном зазоре двигателя.
Действующее значение ЭДС в индуктивном датчике ИД определяется согласно выражению:
Е = 4,44/1-•И'вд-Фтах, (1)
где /1 - частота сети, Гц; м'ид - число витков индуктивного датчика; Фтах - максимальное значение магнитного потока, Вб.
Значение магнитной индукции вычисляется по формуле:
(2)
где ЬБид - площадь катушки индуктивного датчика ИД (АБид = 25-10"6), м2.
На рис.13 представлены характеристики распределения магнитной индукции В = /х) в воздушном зазоре двигателя КЛСД-ПМ-А.
Рис. 13. Характеристики распределения магнитной индукции В = Дх) в зазоре двигателя КЛСД-ПМ-А: а - кривая распределения магнитной индукции В = Дх) в воздушном зазоре двигателя, полученная в результате компьютерного моделирования; б - кривая В = Дх), полученная эксперименталным путем
Расхождение максимального значения индукции в зазоре между результатом, полученным в ходе компьютерного моделирования (В5 = 0,032 Тл), и результатом, полученным в ходе экспериментального исследования (В5 = 0,026 Тл), составляет 18 %.
На рис. 14 представлены характеристики распределения магнитной индукции В = Дх) в воздушном зазоре двигателя КЛСД-ПМ-Р.
! КЛСД-ПМ-Р
-H
о о
0.1 о.
0.1 0.0 0.1 0.0<
О 0.05 0.1 0.15
Рис. 14. Характеристики распределения магнитной индукции В =Дх) в зазоре двигателя КЛСД-ПМ-Р: а - кривая распределения магнитной индукции В = Дх) в воздушном зазоре двигателя, полученная в результате компьютерного моделирования; б - кривая В = Дх), полученная эксперименталным путем
Расхождение максимального значения индукции в зазоре между результатом, полученным в ходе компьютерного моделирования (В5 = 0,029 Тл), и результатом, полученным в ходе экспериментального исследования (В5 = 0,028 Тл),составляет 3,4 %.
ВЫВОДЫ
В результате компьютерного моделирования и экспериментального исследования распределения магнитной индукции в воздушном зазоре между индуктором и бегуном двигателей КЛСД-ПМ при различных направлениях намагничивания постоянных магнитов (аксиально ПМ-А и радиально ПМ-Р), можно сделать следующие выводы.
Расхождение параметров магнитной индукции между результатами, полученными в ходе
компьютерного моделирования, и результатами, полученными в ходе экспериментального исследования, составило от 3 до 15 %, что удовлетворяет требованиям при проектировании данного типа машин.
Сравнивая результаты исследований по распределению магнитной индукции в зазоре двигателей КЛСД-ПМ с радиальным ПМ-Р и аксиальным ПМ-А , более эффективным при одной и той же массе магнитов является применение магнитов для двигателей с радиальным направлением намагничивания. Так как расхождение максимальных значений индукции В5 в воздушном зазоре исследуемых двигателей составляет 2 3%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Блехман И.И. Что может вибрация? О "вибрационной механике" и вибрационной технике. - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат.лит.,1988. - 208 с.
2. Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. Учебное пособие для студентов строительных и автомобильно-дорожных вузов. М.: Высш. шк., 1977. - 255 с.
3. Патент на корисну модель № 24757 Вибровозбудитель. E02D7/10(2007.01).E02D7/18(2007.01).E02D7/20(2007.01).Eo гаенко М.В., Голенков Г.М, Голуб В.П., Попков B.C., Пархоменко Д.И. 10.07.2007, Бюл № 10.
4. Патент на корисну модель № 57744. Пристрш для занурювання бущвельних елемент1в, МПК, EO2D 7/20(2006.01), Богаенко М.В, Голенков Г.М, Голуб В.П, Попков В.С, Сидра А.М , Ср1бний В.О, 10.30.2011, Бюл. № 5.
5. www.vltar.ru,www.neomagnetics.com.
6. Патент на винахщ № 93168 Лшшний електродвигун зворотно-поступального руху, МПК (2011.01) HD2K33/00 H02K41/025, Богаенко М.В., Голенков Г.М, Голуб В.П., Попков B.C. 10.01.2011, Бюл № 1.
7. Голенков Г.М., Бондарь Р.П., Макогон С.А., Богаенко М.В., Попков B.C. Моделирование работы электрического вибратора с коаксиально-линейным двигателем при разных законах регуляции // Техническая электродинамика. - 2007.
- № 2. - С. 54-59.
8. Шимони К. Теоретическая электротехника. Мир, 1964. - 774 с.
9. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ч. 2. - Машины переменного тока. Учебник для студентов высших техн. учеб. заведений. Изд. 3-е перераб. Л.: Энергия, 1973. - 648 с.
Bibliography (transliterated): 1. Blehman I.I. Chto mozhet vibraciya? O "vibracionnoj mehanike" i vibracionnoj tehnike. - M.: Nauka. Gl. red. Fiz.-mat.lit.,1988. - 208 s. 2. Bauman V.A., Byhovskij I.I. Vibracionnye mashiny i processy v stroitel'stve. Uchebnoe posobie dlya studentov stroitel'nyh i avtomobil'no-dorozhnyh vuzov. M.: Vyssh. shk., 1977. -255 c. 3. Patent na korisnu model' № 24757 Vibrovozbuditel'. E02D7/10(2007.01).E02D7/18(2007.01).E02D7/20(2007.01).Bogaenko M.V., Golenkov G.M, Golub V.P., Popkov V.S., Parhomenko D.I. 10.07.2007, Byul № 10. 4. Patent na korisnu model' № 57744. Pristrij dlya zanuryuvannya budivel'nih elementiv, MPK, EO2D 7/20(2006.01), Bogaenko M.V, Golenkov G.M, Golub V.P, Popkov V.S, Sidra A.M , Sribnij V.O, 10.30.2011, Byul. № 5. 5. www.vltar.ru,
www.neomagnetics.com. 6. Patent na vinahid № 93168 Linijnij elektrodvigun zvorotno-postupal'nogo ruhu, MPK (2011.01) HD2K33/00 H02K41/025, Bogaenko M.V., Golenkov G.M, Golub V.P., Popkov V.S. 10.01.2011, Byul № 1. 7. Golenkov G.M., Bondar' R.P., Makogon S.A., Bogaenko M.V., Popkov V.S. Modelirovanie raboty 'elektricheskogo vibratora s koaksial'no-linejnym dvigatelem pri raznyh zakonah regulyacii // Tehnicheskaya 'elektrodinamika. - 2007. - № 2. -S. 54-59. 8. Shimoni K Teoreticheskaya 'elektrotehnika. Mir, 1964. - 774 s. 9. Kostenko M.P., Piotrovskij L.M. 'Elektricheskie mashiny. Ch. 2. -Mashiny peremennogo toka. Uchebnik dlya studentov vysshih tehn. ucheb. zavedenij. Izd. 3-e pererab. L.: 'Energiya, 1973. - 648 s.
Поступила 24.10.2012
Голенков Геннадий Михайлович, к.тн., доц.,
АббасянМохсен
Киевский национальный университет строительства и архитектуры 03680, Киев, Воздухофлотский проспект, 31 e-mail: [email protected]
Golenkov G.M., AbbasianMohsen
Airgap magnetic induction distribution in a coaxially-linear synchronous motor with axial and radial direction of the runner permanent magnets magnetization.
Results of theoretical and experimental research on magnetic induction distribution in the air gap of a coaxially-linear synchronous motor with reciprocal motion within the pole pitch and axial and radial direction of the permanent magnets magnetization are presented.
Key words - magnetic induction, airgap distribution, coaxially-linear synchronous motor, permanent magnets.
