CC BY
15
УДК 621.313.292
И. П. Попов, В. И. Чарыков, А. И. Пильников
СТЕРЖНЕВАЯ ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
Рассматривается конструкция и принцип действия стержневой линейной электрической машины. Ее аналогом среди машин вращательного действия является машина постоянного тока. Определяются высота бегуна и магнитодвижущие силы обмоток возбуждения.
Ключевые слова: бегун, магнитодвижущая сила, возбуждение.
We consider the design and operation of a bar linear electrical machine. Its analogue among rotational machine of a DC machine. Determined by the height of the runner and the magnetomotive force field windings.
Keywords: runner, magnetomotive force, excitement.
Игорь Павлович Попов
Департамент экономического развития, торговли и труда Курганской области E-mail: popov_ip@kuiganobl.ru
Александр Иванович Пильников
ОАО «Курганский электромеханический завод» E-mail: kemz@kurgan-elmz.ru
К линейным электрическим машинам, используемым в приводе различных механизмов, зачастую предъявляются такие требования, как длинный ход, значительное тяговое усилие, надежность, экономичное регулирование скорости перемещения бегуна, тягового усилия, высокий КПД, малый ток намагничивания, заданный вид механической характеристики и др.
В определенной степени этим требованиям удовлетворяет стержневая линейная электрическая машина (СЛЭМ) [1]. На рисунке показана магнитная система СЛЭМ.
Статор машины состоит из двух продольных круглых стержней 1 с якорной обмоткой и поперечного стержня 2 с обмоткой возбуждения, а бегун выполнен в виде двух цилиндров 3 с круглыми отверстиями 4, соединенных пе-
Виктор Иванович Чарыков
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т. С. Мальцева»
ремычкой 5. Оси отверстий 4 смещены относительно осей цилиндров 3 к периферии бегуна. Это обеспечивает изменение площади сечения участков цилиндров, в которых локализован магнитный поток, в соответствии с изменением концентрации магнитного потока, что обусловливает равномерное насыщение этих участков.
Рисунок - Магнитная система СЛЭМ
По окружности продольных стержней 1 выполнены поперечные пазы и зубцы для размещения в пазах витков якорной обмотки, а по образующей выполнен продольный паз для соединения витков, расположенных в соседних поперечных пазах. Суммарная площадь осно-
ваний зубцов, находящихся под полюсом бегуна, равна площади поперечного сечения продольного стержня 1 в районе паза и равна площади сечения поперечного стержня 2 и перемычки 5. Машина может быть оснащена вторым поперечным стержнем с размещенной на нем обмоткой возбуждения. При этом магнитные потоки в поперечных стержнях направлены встречно друг другу, а в бегуне они складываются. Поперечные стержни могут быть выполнены с прямоугольным или круглым сечением. Второй поперечный стержень изготавливается из магнитного или немагнитного материала. Бегун может быть сплошным или шихтованным. Статор машины содержит два направляющих немагнитных штока. На статоре установлены ограничители хода бегуна с эластичными накладками.
Машина работает следующим образом.
Обмотка возбуждения создает магнитный поток, который локализуется в поперечном стержне 2, первом продольном стержне 1, рабочем воздушном зазоре между первым продольным стержнем 1 и цилиндром 3, цилиндре 3, перемычке 5, втором цилиндре, рабочем воздушном зазоре между вторым цилиндром и вторым продольным стержнем и втором продольном стержне. Магнитный поток в рабочих воздушных зазорах взаимодействует с током якорной обмотки, в результате чего в соответствии с законом Ампера возникает тяговое усилие F (Н):
где В - магнитная индукция в рабочих воздушных зазорах, Тл;
1а - якорный ток, А;
¡а - длина провода якорной обмотки, м;
п - число пазов (зубцов) под полюсом бегуна;
N - число пазов на продольных стержнях.
Магнитный поток в рабочих зазорах распределен равномерно вдоль окружности продольных стержней, поэтому все участки якорной обмотки, находящейся под полюсом, используются для создания тягового усилия.
Аналогом СЛЭМ среди машин вращательного действия является машина постоянного тока. Этим обстоятельством определяются такие качества СЛЭМ, как значительное тяговое усилие и экономичное регулирование усилия и скорости бегуна. Расположение обмоток возбуждения на статоре позволяет обойтись без скользящих контактов, а также без использования хрупких постоянных магнитов, что значительно упрощает конструкцию и повышает надежность, допуская, в частности, использование СЛЭМ в приводах механизмов виброу-дарного действия [2-5]. Ток намагничивания, определяемый малой величиной воздушного зазора в магнитопроводе машины, достигает невысоких значений, что обусловливает высокий КПД. В специальных случаях для изменения вида электромеханических и механических характеристик воздушный зазор может выполняться неравномерным по ходу бегуна.
Для того, чтобы насыщение зубцов происходило не раньше насыщения других частей магнитопровода и тем самым достигалась минимальная величина его магнитного сопротивления, для машины с одним поперечным ферромагнитным стержнем должно выполняться следующее соотношение:
где £пб - площадь проекции бегуна на цилиндрическую поверхность, совдающую с основаниями зубцов, м2;
- минимальная площадь продольного стержня, м2;
О0 - диаметр продольного стержня по пазам, м;
Нб - высота бегуна, м;
р - ширина паза, м;
z - ширина зубца, м.
При этом сумма площадей поперечных сечений оснований зубцов, расположенных под полюсом бегуна,
Таким образом, высота бегуна
Dq p + z
(4)
Для машины с двумя поперечными ферромагнитными стержнями сумма площадей поперечных сечений оснований зубцов и высота бегуна, соответственно,
I nnD0z = 2 ^= 2Sn
Dq p + Z
(5)
(6)
речного стержня должна быть включена одна группа обмоток возбуждения первого поперечного стержня с магнитодвижущей силой Е и обе группы обмоток возбуждения второго поперечного стержня и наоборот. При этом суммарная МДС со стороны первого поперечного стержня
Е\ Ет і + Ета ,
La
(8)
суммарная МДС со стороны второго поперечного стержня
При наличии в машине двух поперечных ферромагнитных стержней могут возникать нежелательные режимы. Например, если обмотки возбуждения первого стержня включены согласно с якорной обмоткой, а обмотки возбуждения второго - ей навстречу, и при этом намагничивающие силы всех трех равны друг другу, а бегун находится в крайнем положении рядом с первым поперечным стержнем, то магнитный поток в бегуне и, соответственно, тяговое усилие будут близки к нулю, т.к. суммарная магнитодвижущая сила (МДС), создаваемая вторым стержнем и продольными стержнями, равна нулю, и эта часть магнитопровода будет шунтировать бегун. Для исключения подобных ситуаций один из поперечных стержней может быть выполнен неферромагнитным.
При этом при перемещении бегуна магнитный поток через него и, соответственно, тяговое усилие будут возрастать, т.к. будет возрастать МДС:
^2 ~ Е>п1 + Ет2 Ета '
(7)
Л
' - Ет\ + Ета (9)
La
Таким образом, при любом положении бегуна значения МДС с обеих сторон от него равны между собой и шунтирование бегуна исключается. При перемещении бегуна магнитный поток через него и, соответственно, тяговое усилие будут возрастать быстрее, чем в машине с одним поперечным ферромагнитным стержнем, т.к.
+ Е^ — 2Emi + 2 Ета ■
(10)
где Етв - МДС обмоток возбуждения, А;
Ema - МДС якорной обмотки, А; x - перемещение бегуна, м;
La - длина активной зоны продольных стержней, м.
Кроме того, расположенные на каждом поперечном ферромагнитном стержне обмотки возбуждения могут быть выполнены в виде двух групп обмоток с равными магнитодвижущими силами Е, и Е . = Е . При перемеще-
mi m2 ma А А
нии бегуна, например, в сторону второго попе-
Таким образом, выбором того или иного конструктивного варианта машины можно менять ее механические характеристики.
Применение в машине шунтовых, сериес-ных, независимых, секционированных обмоток в их различных комбинациях с возможностью изменения числа подключаемых секций позволяет в широком диапазоне регулировать ее характеристики.
Можно изменять вид характеристик машины, применяя секционированный бегун. При этом должны выполняться следующие соотношения:
Нп < Нбс < L,
(11)
где H - высота секционированного бегу-
где h, - высота секции, м; n - число секций.
Очевидные простота, надежность, хоро- 3
шие энергетические и регулировочные качества стержневой линейной электрической машины делают ее перспективной при создании электроприводов исполнительных механизмов.
Список литературы
1 Патент 2038680 RU, МПК6 Н 02 К 41/035. Электрическая машина / И. П. Попов,
Д. П. Попов (Россия). - № 93015412; заявл. 24.03.93; опубл. 27.06.95, Бюл. № 18.
2 А. с. 1810963 SU, МПК5 Н 02 К 33/02. Электромагнитный двигатель / Э. Ф. Маер,
А. Г. Баталов, В. И. Мошкин, И. П. Попов (Россия). - № 4840826; заявл. 19.06.1990; опубл. 23.04.1993, Бюл. № 15.
Патент 2018652 RU, МПК5 Е 21 С 3/16. Электрический молот / Э. Ф. Маер, В. И. Мошкин, И. П. Попов (Россия). -№ 4712733; заявл. 03.07.1989; опубл. 30.08.1994, Бюл. № 16.
4 Патент 2025277 RU, МПК5 В 30 В 1/42, В 21 J 7/30. Электромагнитный пресс / Э. Ф. Маер, В. И. Мошкин, В. Ф. Мошкина, И. П. Попов (Россия). - № 4872907; заявл. 19.06.1990; опубл. 30.12.1994, Бюл. № 24.
5 Патент 2026792 RU, МПК6 В 30 В 1/42, В 21 J 7/30. Электромагнитный пресс / Э. Ф. Маер, А. Г. Баталов, В.И. Мошкин, И. П. Попов (Россия). - № 4872878; заявл. 19.06.1990; опубл. 20.01.1995, Бюл. № 2.
