Научная статья на тему 'Режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей'

Режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
276
78
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ / РЕЖИМЫ РАБОТЫ / РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ / ПРОЦЕССЫ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Шабанов Андрей Сергеевич, Нейман Владимир Юрьевич

Рассмотрены режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей за полный рабочий цикл энергопреобразования. На основе баланса элементарных энергий электромеханической системы дана общая оценка для наиболее характерных режимов

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Шабанов Андрей Сергеевич, Нейман Владимир Юрьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей»

Режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей Шабанов А. С.1, Нейман В. Ю.2

1 Шабанов Андрей Сергеевич / Shabanov Andrei Serheevych - магистрант, кафедра электротехнических комплексов;

2Нейман Владимир Юрьевич /Neyman Vladimir Yurevych - доктор технических наук, профессор, кафедра теоретических основ электротехники, факультет мехатроники и автоматизации, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Аннотация: рассмотрены режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей за полный рабочий цикл энергопреобразования. На основе баланса элементарных энергий электромеханической системы дана общая оценка для наиболее характерных режимов.

Ключевые слова: линейный электромагнитный двигатель, режимы работы, рабочий цикл двигателя, процессы энергопреобразования.

Импульсные линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) нашли применение в строительной, горной, легкой и других отраслях промышленности для реализации технологических процессов и производств, требующих большие по величине и кратковременные по времени усилия [1 -6]. Для виброударных технологий практическое применение нашли синхронные электромагнитные машины, созданные на базе ЛЭМД [7-11]. Сложившаяся за последнее время тенденция применения вариантов схем машин с ЛЭМД рассмотрена в работах [12, 13]. Разработанные сегодня методики точного учета конструктивных параметров машин позволяют существенно повысить эффективность их использования [14-24]. Также уделяется особое внимание вопросам нагрева и охлаждения машин [25-33]. Реализация новых рабочих циклов машин и исследование режимов работы позволяет существенно улучшить их силовые и энергетические показатели.

Под режимами работы импульсных ЛЭМД будем понимать процессы энергопреобразования при взаимодействии с источником питания, от которого двигатель получает необходимое количество энергии для обеспечения способности совершать механическую работу в соответствии с заданным рабочим процессом.

Особенностью работы ЛЭМД является цикличный режим энергопреобразования, являющийся совокупностью идентичных, последовательно протекающих электромагнитных, механических и тепловых процессов, происходящих в двигателе и образующих завершенный круговой цикл. Энергетика ЭМД определяется потреблением от источника электрической энергии, преобразованием ее в тепловую энергию и энергию электромагнитного поля и затем в механическую работу. При этом происходящие процессы энергопреобразования могут протекать как одновременно, так и последовательно по времени. В процессе энергопреобразования за полный рабочий цикл, начиная с момента получения электрической энергии и до совершения полезной работы, в замкнутой системе происходят сложные электромеханические процессы, связанные с взаимным преобразованием электрической, магнитной и механической энергии, включая и обратимые процессы. В связи с этим энергетические режимы подразделяются на следующие режимы: двигательный, в котором электрическая энергия из сети потребляется и расходуется на тепловыделение и изменение кинетической энергии якоря с одновременным запасанием магнитной энергии в системе посредством обменной магнитной энергии; генераторный, в котором часть механической энергии может быть преобразована в магнитную, а другая ее часть в электрическую и генерироваться во внешнюю сеть или аккумулироваться в накопительных элементах устройств с возможностью использования в следующем цикле энергопреобразования.

Кроме этого при работе ЛЭМД имеют место режимы, в которых полезное использование составляющих энергии принципиально невозможно. Энергия аккумулируется в элементах устройств, претерпевая многократное преобразование механической энергии в магнитную и обратно. В двигательном режиме процесс превращения магнитной энергии в механическую работу возможен, когда электромагнитное усилие превышает противодействующее. Процесс энергопреобразования изменится на обратный, если внешняя механическая сила будет превышать электромагнитную силу. Механическая энергия, потраченная на преодоление электромагнитного усилия, преобразуется в магнитную энергию и запасается в системе.

В зависимости от направления внешней силы возможны различные процессы энергопреобразования, которые частично рассмотрены в [34-37].

Из всего многообразия процессов энергопреобразования можно выделить характерные, обладающие общими свойствами. При этом известно, что процесс превращения магнитной энергии в механическую работу может протекать без превращения электрической энергии в магнитную. Механическая работа здесь совершается только за счет ранее запасенной энергии в магнитном поле. Электрическая энергия расходуется только на покрытие тепловых потерь. Качественно отличается от предыдущего процесс энергопреобразования, осуществляющий одновременное превращение магнитной энергии, получаемой от источника, в механическую энергию с различной степенью восстановления обменной электромагнитной энергии. В зависимости от степени восстановления обменной магнитной энергии, процесс её превращения в

механическую работу может протекать с одновременным частичным восстановлением магнитной энергии, постоянной по величине и с увеличением магнитной энергии.

Процесс энергопреобразования за время движения может также протекать при одновременном превращении обменной магнитной энергии и в механическую работу, и в электрическую энергию.

При этом следует акцентировать внимание на процессе движения при убывании тока, в котором энергопреобразование связано с превращением в работу только части энергии и неизбежным возвращением источнику другой части энергии магнитного поля, что объясняется специфической особенностью электромагнитных систем.

Отрыв якоря внешними силами всегда сопровождается генераторным режимом, когда механическая энергия внешних сил переходит в электрическую или магнитную через магнитную энергию во внешние цепи питания. При этом возникающие процессы идентичны двигательному режиму.

Из сказанного выше следует, что энергопреобразование в ЛЭМД сопровождается сложными электромеханическими процессами, которые во многом определяют вид переходной кривой динамической характеристики намагничивания и конфигурацию магнитного цикла в динамическом режиме.

В таблице приведены наиболее характерные режимы энергопреобразования для различных магнитных циклов (для двигательного, режимы № 1-5; для генераторного, режим № 6). В таблице с использованием элементарных энергий приведено также описание механизма энергопреобразования, являющегося следствием баланса энергий в электрических контурах, который, в свою очередь, можно рассматривать как следствие второго закона Кирхгофа, на основании которого при обычных допущениях о пренебрежении вихревыми токами и явлением гистерезиса можно записать:

uidt = i rdt + eidt, т.е. dwc = dq + dw3M,

при этом dW3M = eidt = dAMex + Мм, где e - мгновенное значение электродвижущей силы и, соответственно, элементарные энергии: dwc - источника; dq - тепловых потерь в обмотке с

сопротивлением Г; dw3M - электромагнитной и dw^M - обменной магнитной энергии; dAMex -элементарная механическая работа.

Таблица 1. Режимы энергопреобразования ЛЭМД

№ режима Баланс элементарных энергий Скорость якоря Характеристика процесса

i dwc = dq + Ммех + dwiм v > 0 Щн Щк > 1н <1к

2 щн <щк , i = const

3 Щн <Щк > 1н К

4 dwc = dq + dAмех Щн<Щк, h )h , dw^ = 0

5 Мм = dq + dAмех щ = const, iH )iK, dwo = 0 > Мм = 0

6 dwc + dA.мех = dq + Мм v < 0 Щн <Щк > 1н К

Конечное значение магнитной энергии в процессе электромеханического преобразования энергии может иметь большее или меньшее значение по сравнению с начальным запасом и зависит от характера нагрузки, ее изменения при перемещении, инерционности движущихся частей и формы питающего напряжения.

Таким образом, приращение обменной энергии магнитного поля dw^3M есть величина не всегда

положительная. Физически это означает только то, что механическая работа может также производиться за счет уменьшения магнитной энергии, запасенной в системе на начальном этапе движения. При этом механическая работа, определяемая площадью, ограниченной кривой динамической характеристики

намагничивания в координатах Щ = f (i), которая характеризует интегральную работу, есть величина всегда положительная. Здесь следует уточнить, что выявление наилучших динамических режимов на плоскости Щ = f (i) без учета движения, в ряде случаев приводит к грубым и противоречивым

результатам по сравнению с реальностью. Это объясняется тем, что полный магнитный цикл начинается и заканчивается неподвижным статическим состоянием, и интегральная работа зависит только от координат статических режимов на плоскости веберамперных характеристик, т. е. полный магнитный цикл принципиально не учитывает динамику процесса.

Литература

1. Аксютин В. А. Прессовое оборудование с линейным электромагнитным приводом для механизации технологических процессов ударной сборки и штамповки мелких изделий. / В. А. Аксютин, Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман, А. А. Скотников. // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2 С. 220224.

2. Угаров Г. Г. Анализ показателей электромагнитных ударных машин. / Г. Г. Угаров, В. Ю.Нейман. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1996. № 2. С. 72-80.

3. Нейман В. Ю. Интегрированные линейные электромагнитные двигатели для импульсных технологий. // Электротехника. 2003. № 9. С. 25-30.

4. Нейман В. Ю. Способы повышения энергетических показателей однообмоточных импульсных устройств с электромагнитным возбуждением. / В. Ю. Нейман, Д. М. Евреинов, Л. А. Нейман, А. А. Скотников, Ю. Б. Смирнова. // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ, 2010. № 8. С. 29-31.

5. Нейман Л. А. Низкочастотные ударные электромагнитные машины и технологии. / Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман. // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2014. - № 1 - С. 256-259.

6. Малинин Л. И., Нейман В. Ю. Предельные силовые характеристики электромагнитных двигателей постоянного тока. // Электротехника. 2009. № 12. С. 61-67.

7. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Линейные синхронные электромагнитные машины для низкочастотных ударных технологий. // Электротехника. 2014. № 12. С. 45-49.

8. Нейман Л. А. Синхронный электромагнитный механизм для виброударного технологического оборудования. // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № 6 (207). С. 17-19.

9. Нейман Л. А. Исследование двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка. / Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман. // Современные проблемы теории машин. 2014. № 2. С. 109-110.

10. Нейман Л. А. Новые конструктивные решения проблемы точной синхронизации возвратнопоступательного движения бойка неуправляемой электромагнитной машины ударного действия. / Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман. // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2 С. 280-285.

11. Нейман В. Ю., Скотников А. А., Нейман Л. А. Структурный анализ синхронных электромагнитных машин ударного действия// Автоматизированные электромеханические системы: сб. науч. тр. Под общ. ред. В. Н. Аносова. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. С. 106-120.

12. Угаров Г. Г., Нейман В. Ю. Тенденции развития и применения ручных ударных машин с электромеханическим преобразованием энергии. // Известия вузов. Электромеханика. 2002. № 2. С. 3743.

13. Нейман В. Ю., Скотников А. А., Нейман Л. А. Тенденции в развитии конструкций синхронных двухобмоточных электромагнитых машин для импульсных технологий. // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы II междунар. науч.-практ. конф. Саратов: ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ. 2011. С. 209-211.

14. Нейман Л. А., Рогова О. В. К исследованию тяговых характеристик электромагнитных приводов с учетом зубчатости элементов магнитопровода. // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2013. № 1 (20). С. 100-108.

15. Нейман Л. А., Петрова А. А., Нейман В. Ю. К оценке выбора типа электромагнита по значению конструктивного фактора. // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 62-64.

16. Нейман В. Ю. К вопросу учета главных размеров при выборе типа электромагнита по значению конструктивного фактора. / В. Ю. Нейман, Л. А. Нейман, А. А. Петрова, А. А. Скотников, О. В. Рогова. // Электротехника. 2011. № 6. С. 50а-53.

17. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. О методике к выбору типа электромагнита по значениям конструктивного фактора. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. № 2. С. 310-313.

18. Нейман Л. А . Применение метода проводимостей для учета силы одностороннего магнитного притяжения асимметричного электромагнита. / Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман. // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 2 (97) С. 214-218.

19. Нейман В. Ю. Сравнение способов форсировки импульсных линейных электромагнитных двигателей. / В. Ю. Нейман, А. А. Петрова. // Электротехника. 2007. № 9. С. 47a-50.

20. Нейман Л. А. К решению задачи рационального выбора электромагнитного двигателя заданного габарита и веса на основе численного эксперимента. // Научный вестник НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. № 4. С. 184-190.

21. Соловейчик Ю. Г. Оптимизация геометрии линейных электромагнитных двигателей с использованием конечноэлементного моделирования магнитного поля. / Ю. Г. Соловейчик, В. Ю. Нейман, М. Г. Персова, М. Э. Рояк, Ю. Б. Смирнова, Р. В. Петров. // Известия вузов. Электромеханика. 2005. № 2. С. 24-28.

22. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Расчет показателя экономичности силового электромагнита постоянного тока с помощью моделирования магнитного поля. // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ, 2008. № 6. С. 21-24.

23. Петрова А. А., Нейман В. Ю. Моделирование в FEMM магнитного поля для расчета тяговых характеристик электромагнитных двигателей постоянного тока. // Сборник научных трудов Новосибирского государственного технического университета. 2008. № 2. С. 101-108.

24. Нейман В. Ю. Расчет показателя экономичности силового электромагнита постоянного тока с помощью моделирования магнитного поля. / В. Ю. Нейман, Л. А. Нейман, А. А. Петрова. // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ. 2008. № 6. С. 21-24.

25. Нейман Л. А. Оценка конструктивного совершенства систем охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия. // Научный вестник НГТУ. 2013. № 4. С. 177-183.

26. Нейман В. Ю. Оценка конструктивного совершенства систем принудительного охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия. / В. Ю. Нейман, Л. А. Нейман. // Журнал Сибирского Федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2015. № 2, Т. 8. С. 166-175.

27. Нейман Л. А. Исследование перегрузочной способности цикличного электромагнитного привода в зависимости от начального превышения температуры в переходных тепловых режимах. // Электротехника. 2014. № 7. С. 7-12.

28. Нейман Л. А. Приближенный расчет цикличного электромагнитного привода с учтенным начальным превышением температуры в переходном тепловом процессе нагрева. // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2014. № 1 (22). С. 113-122.

29. Нейман Л. А. Оценка перегрузочной способности ударного электромагнитного привода по средней температуре перегрева в переходных режимах. // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. С. 58-61.

30. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Сравнение геометрически подобных систем электромагнитов по условию постоянства теплового критерия. // Электротехника. 2011. № 12. С. 14а-16.

31. Нейман Л. А., Скотников А. А. Анализ процесса нагрева электромагнитного двигателя, работающего в импульсном режиме. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2012. № 2. С. 319— 322.

32. Нейман Л. А., Скотников А. А., Нейман В. Ю. Исследование нагрева электромагнитного двигателя в переходных режимах. // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 50-54.

33. Нейман Л. А, Нейман В. Ю. Шабанов А. С. Упрощенный расчет электромагнитного ударного привода в повторно-кратковременном режиме работы. // Электротехника. 2014. № 12. С. 50-53.

34. Нейман В. Ю. Анализ процессов энергопреобразования линейных электромагнитных машин с предварительным аккумулированием магнитной энергии в динамических режимах. // Электротехника. 2003. № 2. С. 30-36.

35. Нейман Л. А . Анализ процессов энергопреобразования в однокатушечной синхронной электромагнитной машине с двухсторонним выбегом бойка. // Известия Томского политехнического университета. Томск. Изд-во ТПУ, 2013. № 4, Т. 323. С. 112-116.

36. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Рабочий цикл двухкатушечной синхронной электромагнитной машины со свободным выбегом бойка. // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. 48-52.

37. Нейман Л. А. Анализ процессов энергопреобразования в двухкатушечной синхронной электромагнитной машине с инерционным реверсом бойка. // Известия Томского политехнического университета. Томск. Изд-во ТПУ, 2014. № 4, Т. 325. С. 157-163.

38. Малинин Л. И. Определение напряжения преобразования энергии и электромагнитных сил в электромеханических системах. / Л. И. Малинин, В. Ю. Нейман. // Электричество. 2008. № 6. С. 57-62.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.