CC BY
62
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Марков Алексей Витальевич, аспирант (e-mail: slen@ngs.ru) Жердев Олег Викторович, студент
(e-mail: slen@ngs.ru) Камышев Илья Сергеевич, студент (e-mail: slen@ngs.ru) Нейман Владимир Юрьевич, д.т.н., профессор (e-mail:nv.nstu@ngs.ru ) Новосибирский государственный технический университет,
г. Новосибирск, Россия
Рассматривается способ управления импульсным линейным электромагнитным двигателем, который обеспечивает увеличение конечной скорости якоря и энергии удара. С помощью уравнения баланса энергий электромеханической системы рассмотрен процесс энергопреобразования за полный рабочий цикл электромагнитного двигателя.
Ключевые слова: электромагнитный двигатель, режим динамического аккумулирования, баланс энергии электромеханической системы, способ управления
Линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) возвратно-поступательного движения широко применяются в промышленности для механизации различных технологических процессов и производств [1-8].
Несмотря на то, что устройства и машины, созданные на базе ЛЭМД, давно уже существуют, методы по их расчету и оптимальному проектированию по-прежнему востребованы [9-14].
Также совершенствуются методы для расчета и проектирования ЛЭМД в динамических режимах [15-23].
Исследования приводов с ЛЭМД свидетельствует о большом многообразии конструктивных схем машин, отличающихся способом реализации возвратно-поступательного движения ударной массы бойка, режимами их работы и т.д. [24-31].
В однообмоточных ЭМД и ЛЭМД ударных машин потери энергии в рабочем цикле составляют до 60...70%. Экспериментально установлено, что возвратная пружина ЛЭМД аккумулирует до 25% энергии в цикле. Поэтому одним из путей повышения энергетических показателей ЛЭМД является частичное использование запасенной возвратной пружиной потенциальной энергии в период рабочего хода.
Энергетический баланс рабочего цикла импульсного ЛЭМД может быть представлен уравнениями на соответствующих интервалах рабочего и холостого хода [2]. В период рабочего хода при вертикальном расположении ЛЭМД:
т
* (
хкон хнач
1 рх 1 рх
■2,
V кон
)+ | (и/-/ г)& = | РрХУрХЖ + | Гпёх + | /ёV , (1)
0 0 хнач "Унач
где ы,/,ЕрХ, Гп ,УрХ - мгновенные значения напряжения, тока, силы, действующей на якорь, усилие пружины и скорость якоря в период рабочего хода; ¡рХ - время рабочего хода; хнач, хкон - начальная и конечная коорди-
ната положения якоря; Vнач, Vкон - начальное и конечное потокосцепле-ние; т - масса якоря; * - ускорение свободного падения.
В период холостого хода, при возврате якоря в исходное положение,
*-нач
| ^ёх = т* (хнач хкон )+ | ГххУххё ■.
(2)
хкон 1рх
где Гхх,УХХ - значения силы и скорости якоря при холостом ходе; ц - время полного цикла.
Для полного рабочего цикла, представляющего единичное срабатывание якоря и возврата его в исходное положение, можно записать:
Грх = Гэм + т* - Гп, (3)
Гхх = Гп - т* , (4)
где Гэм - электромагнитная сила.
В период холостого хода ЛЭМД (рис. 1), в соответствии с уравнениями (2) и (4), энергия пружины преобразуется в потенциальную энергию возвращенного в исходное состояние якоря
Жп
т
* (
хнач хкон
)
и частично в механиче-
■ яач
скую Жк =| ГххУххёг. Энергетические показатели импульсных ЛЭМД целесообразно улучшить за счет рационального аккумулирования магнитной энергии в системе на заключительном этапе холостого хода.
Для использования составляющей энергии Жк на интервале холостого хода Ххх = гц -1рХ
необходимо до завершения возврата якоря в момент времени 1 < 1ХХ подать напряжение питания на обмотку ЛЭМД. Энергетический баланс ЛЭМД в этом случае соответствует уравнению
1- магнитопровод; 2- катушка; 3- якорь; 4- пружгша
Рисунок 1 - Линейный электромагнитный двигатель
тр
тр
утр
| ГххУххё + I (и/-/ г= I V , 1=0 1=0 0
(5)
где Гхх = кх-т* - Гэм; к - коэффициент жест-
кон
I
ц
кости пружины; Ухх = Ук = dx|dt; ку = У - коэффициент восстановления скорости якоря; У? - абсолютные величины скоростей до и после
удара; х - координата положения якоря; t = 0 - момент подачи питающего импульса напряжения на обмотку на интервале холостого хода при координате якоря
х < хнач и скорости Ухх ф 0; tтp - момент изменения направления скоро -
сти якоря под действием электромагнитной силы в период рабочего хода; утр - потоко сцепление ЛЭМД в момент tтp. При этом предполагается, что
хкон < х < хнач, а кинетической энергии отскока недостаточно для возврата якоря в начальное положение хнач.
Правая часть уравнения (5) представляет собой энергию, аккумулируемую в магнитной системе ЛЭМД к началу очередного рабочего хода. Сравнение (1) и (5) показывает, что к началу следующего рабочего цикла уровень магнитной энергии в двигателе, благодаря ее рекуперации из механической системы при возврате якоря, возрастает.
В режиме динамического накопителя магнитной энергии, удовлетворяющего балансу (5), состояние ЛЭМД задается координатами У, х, t = 0.
При этом скорость Ухх определяет запас механической энергии, координата х - объем рабочего воздушного зазора, время t - момент подачи импульса
х < х
нач
напряжения при Ухх ф 0, на интервале
Следует учитывать, что скорость якоря У является не только функцией координаты х , но зависит и от коэффициента восстановления скорости якоря ку и, следовательно, может меняться от цикла к циклу.
Из (5) можно определить условие, при котором механическая энергия по завершению возврата якоря будет израсходована на увеличение запаса магнитной энергии ЛЭМД:
?ххУхх = 0 рэм = кхн - т§ . (6)
Выполнение условий (5) и (6) можно добиться управлением ЛЭМД по координате положения [29], т.е. в автоколебательном режиме. При таком способе управления включение и отключение обмотки ЛЭМД от источника наиболее просто может осуществляться, например, датчиками верхнего и нижнего положения якоря.
Функциональная схема устройства, обеспечивающая режим динамического индуктивного накопителя (ДИН), рассмотрена в [5, 29].
В исходном состоянии якорь ЛЭМД под действием усилия возвратной пружины зафиксирован в крайнем верхнем положении (рис. 1). Работа ЛЭМД в режиме ДИН осуществляется подачей сигнала с блока управления, питающего катушку 2, и её включение под напряжение на интервале холостого хода. По мере нарастания тока в катушке до значения, близкого к установившемуся току, происходит смена знака скорости якоря 3 на противоположный и его ускоренное перемещение на интервале рабочего хода.
Таким образом, реализация в смежных циклах в электромеханической автоколебательной системе с ЛЭМД режима динамического индуктивного накопителя увеличивает запас магнитной энергии в рабочих зазорах к началу рабочего хода якоря двигателя и повышает эффективность энергопреобразования и показатели машины.
Список литературы
1. Ряшенцев Н.П., Тимошенко Е.М., Фролов А.В. Теория, расчет и конструирование электромагнитных машин ударного действия. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1970. - 260 с.
2. Ряшенцев Н.П., Ряшенцев В.Н. Электромагнитный привод линейных машин. -Новосибирск: Наука, 1985. - 153 с.
3. Нейман Л. А., Нейман В.Ю. Низкочастотные ударные электромагнитные машины и технологии // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2014. - №1. - С. 256-259.
4. Мошкин В.И., Нейман В.Ю., Угаров Г.Г. Импульсные линейные электромагнитные двигатели. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010. - 220 с.
5. Нейман В.Ю. Интегрированные линейные электромагнитные двигатели для импульсных технологий // Электротехника. - 2003. - №9. - С. 25-30.
6. Малинин Л.И., Нейман В.Ю. Предельные силовые характеристики электромагнитных двигателей постоянного тока // Электротехника. - 2009. - № 12. - С. 61-67.
7. Малинин Л.И., Нейман В.Ю. Определение напряжения преобразования энергии и электромагнитных сил в электромеханических системах // Электричество. - 2008. -№ 6. - С. 57-62.
8. 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.
9. Neyman V.Yu., Neyman L.A., Petrova A.A. Calculation of efficiency of DC electromagnet for mechanotronic systems // Proceedings of IF0ST-2008 e 3d International Forum on Strategic Technology, June 23-29, 2008, Novosibirsk, Tomsk. - P. 452-454.
10. 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.
11. Нейман В.Ю. Петрова А.А. Сравнение способов форсировки импульсных линейных электромагнитных двигателей // Электротехника. - 2007. - № 9. - С. 47a-50.
12. 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.
13. Нейман В.Ю., Нейман Л.А., Петрова А.А. Влияние соотношений главных размеров электромагнитов на значения конструктивного фактора и показателя экономичности // Автоматизированные электромеханические системы: [сб. науч. тр.]. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - С. 177-187.
14. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Повышение точности аналитического расчета радиальных сил одностороннего магнитного притяжения некоаксиальных элементов магни-топровода // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. - 2015. - № 1 (58). - С. 246-256.
15. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Моделирование динамических процессов в электромагнитных преобразователях энергии для систем генерирования силовых воздействий и низкочастотных вибраций // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов - 2015. - Т. 326. - № 4. - С. 154-162.
16. Нейман В.Ю. Режимы форсированного аккумулирования магнитной энергии в импульсных линейных электромагнитных двигателях // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. - 2003. - № 1. - С. 105-112.
17. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Математическая модель электромеханической системы колебательного движения с упругими связями // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2015. - № 6. - С. 35-40.
18. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Моделирование процессов в электромагнитном вибрационном преобразователе с потерями энергии в магнитопроводе // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2016. - Т. 19. - № 1. - С. 73-78.
19. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Динамическая модель электромагнитного привода колебательного движения для систем генерирования низкочастотных вибраций // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. - 2015. - № 3(28). - С. 75-87.
20. Нейман Л. А., Нейман В.Ю. Математическая модель динамики электромагнитного ударного узла с упругими связями // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. - 2016. - № 2 (31). - С. 94-107.
21. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Математическая модель динамики двухкатушечной синхронной электромагнитной машины ударного действия со свободным выбегом бойка // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2016. - №
5. - С. 32-40.
22. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Расчет динамики электромагнитного привода колебательного движения с однополупериодным выпрямителем // Вестник МЭИ. - 2016. - №
6. - С. 64-71.
23. Нейман Л. А., Нейман В.Ю. Математическая модель динамики однокатушечной синхронной электромагнитной машины ударного действия с двухсторонним выбегом бойка // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. - 2016. - № 3 (32). - С. 98-114.
24. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Исследование двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка // Современные проблемы теории машин. - 2014. - № 2. - С. 109-110.
25. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Линейные синхронные электромагнитные машины для низкочастотных ударных технологий // Электротехника. - 2014. - № 12. - С. 45-49.
26. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Новые конструктивные решения проблемы точной синхронизации возвратно-поступательного движения бойка неуправляемой электромагнитной машины ударного действия // Актуальные проблемы в машиностроении. -2015. - №2. - С. 280-285.
27. Нейман В.Ю. К вопросу о рационализации рабочих процессов и выбора конструктивных схем электромагнитных ударных машин // Автоматизированные электромеханические системы: Коллективная монография / Новосиб. гос. техн. ун-т; Под ред. В Н. Аносова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - С. 155-169.
28. 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. 271-277.
29. Нейман В.Ю. Анализ процессов энергопреобразования линейных электромагнитных машин с предварительным аккумулированием магнитной энергии в динамических режимах // Электротехника. - 2003. - № 2. - С. 30-36.
30. Нейман В. Ю., Нейман Л.А. Оценка конструктивного совершенства систем принудительного охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия //
Журнал Сибирского Федерального университета. Серия: Техника и технологии. - 2015. - Т.8. - № 2. - С. 166-175.
31. Аксютин В. А., Нейман Л. А., Нейман В.Ю., Скотников А. А. Прессовое оборудование с линейным электромагнитным приводом для механизации технологических процессов ударной сборки и штамповки мелких изделий // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2015. - №2. - С. 220-224.
Markov Aleksey Vitalyevich, graduate student (e-mail:slen@ngs.ru)
Novosibirsk State Technical University,Novosibirsk, Russia Zherdev Oleg Viktorovich, student (e-mail:slen@ngs.ru)
Novosibirsk State Technical University,Novosibirsk, Russia Kamyshev Ilya Sergeevich, student (e-mail:slen@ngs.ru)
Novosibirsk State Technical University,Novosibirsk, Russia Neyman Vladimir Yurievich, Doc.Tech.Sci., professor (e-mail:nv.nstu@ngsl.ru )
Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
METHOD OF CONTROLLING A PULSE LINEAR ELECTROMAGNETIC ENGINE Abstract. We consider a method for controlling a pulsed linear electro-magnetic motor, which provides an increase in the final velocity of the armature and the impact energy. With the help of the energy balance equation of the electromechanical system, the process of energy conversion for the full operating cycle of an electromagnetic motor is considered.
Key words: electromagnetic motor, dynamic accumulation mode, energy balance of the electromechanical system, control method
УДК 621.9.02
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КАСАТЕЛЬНЫХ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗУБОРЕЗНЫХ
ДОЛБЯКОВ
Савельев Сергей Валерьевич, магистрант (e-mail: savelevvv19992@mail.ru; тел: +7-920-107-03-68) Волков Дмитрий Иванович, д.т.н. профессор (e-mail: savelevvv19992@mail.ru)
Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева, г. Рыбинск, Россия
В статье раскрывается проблема выбора величины положительного исходного расстояния зуборезного долбяка исходя из ограничения толщины зуба на окружности вершин, и предлагается алгоритм решения данной задачи.
Ключевые слова: Положительное исходное расстояние долбяка, ограничение толщины вершины зуба, метод касательных, метод Ньютона, алгоритм автоматизированного проектирования.
