CC BY
18
магнитных механизмов, при котором активные потери на омическом сопротивлении будут отсутствовать". Такая постановка задачи некорректна, так как не существует режимов, при которых такие потери отсутствуют и поэтому теоретические и экспериментальные исследования, проводимые в этом направлении, лишены смысла. Однако, несмотря на это, автор находит условия, при которых обеспечивается "полная компенсация потерь энергии на омическом сопротивлении в электромагнитном механизме". Для этого намагничивающие обмотки должны питаться неизменным напряжением и якорь электромагнита необходимо выводить по определенному закону х = f(t). Генераторный режим, в котором начинает работать в этом случае электромагнитный механизм, характеризующийся возрастанием тока и электромагнитной силы, противодействующей внешней силе, не устраняет потерь энергии в обмотке механизма, которые ктому же возрастут из-за дополнительной кинетической энергии, полученной электронами и потраченной затем на возбуждение колебаний решетки при столкновении с её узлами-атомами [2].
В [1] не проведен анализ возможности практической реализации предложенных условий оптимального энергопреобразования.
Изложенное в настоящей статье позволяет сделать вывод о том, что при выполнении условий U=const, i=const реальные электромагниты нельзя использовать в качестве преобразователей электрической энергии в механическую работу.
Список литературы
1. Смелягин А.И. Синтез и исследование машин и механизмов с
электромагнитным приводом. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 1991. -248с.
2. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. — М.: Высш. шк,
1983. - 273с.
Дмитриенко A.B. Саратовский государственный технический университет, г. Саратов Данилов A.A.
Курганский государственный университет, г. Курган
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ ЛЭМД С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОЛЕМ И КОЛЬЦЕОБРАЗНЫМ ЯКОРЕМ НА ЕГО ТЯГОВУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ
Проанализированы статические тяговые характеристики ЛЭМД различных магнитных систем поперечного поля с кольцеобразным якорем с целью их согласования с механической характеристикой терморезания при электродуговой наплавке металла и выбраны рациональные геометрические размеры якоря двигателя
Броневой цилиндрический линейный электромагнитный двигатель (ЛЭМД) с поперечным магнитным полем и кольцеобразным якорем [1] нашёл эффективное применение в приводе режущего инструмента при формообразовании наплавляемого металла благодаря фор-
ме тяговой характеристики и совокупности показателей (силовых и энергетических), отвечающих требованиям данной электротехнологии [2].
Изменение магнитного потока в рабочем воздушном зазоре, согласно анализу тяговых характеристик ЛЭМД, оказывает существенное влияние на их форму. Для адаптации тяговых (электромеханических) характеристик ЛЭМД с поперечным магнитным полем и кольцеобразным якорем к изменяющимся силам сопротивления металлов различных марок терморезанию, исследовались возможности изменения форм тяговых характеристик за счёт изменения геометрических параметров магнитопро-вода. С этой целью была разработана базовая конструкция ЛЭМД (рис. 1, а), на которой были проведены эти исследования. Форма, параметры якоря и магнитных полюсов представлены на рис. 1, б, е.
Тяговые характеристики, снятые для этих физических моделей при значениях питающего тока 10, 20 и 30 А, представлены на рис. 2.
Процесс формирования экспериментальных кривых статических тяговых характеристик базовой магнитной системы (рис. 1, а) можно представить следующим образом.
Рис. 1. Конструкции цилиндрического ЛЭМД с кольцеобразным якорем: а - базовая конструкция (с
цилиндрическим полюсом и якорем: <х = 0° ); б -принципиальная схема магнитной системы ЛЭМД с конусно-усечённым полюсом и якорем (а » 0° )
При подключении обмотки возбуждения двигателя к источнику тока в статоре появляется магнитный поток, большая часть которого в начальном положении якоря шунтирована в межполюсном промежутке. В связи с этим начальное усилие двигателя мало, однако достаточно для разгона якоря (рис. 2, а).
По мере приближения якоря к магнитным полюсам наблюдается резкое нарастание фронта тягового усилия, максимум которого соответствует такому положению якоря ЛЭМД, когда нижний торец кольцеобразной его части и верхний торец статора располагаются в одной плоскости. В этом случае 8 = 8^
При дальнейшем движении якоря в межполюсном воздушном промежутке высотой 8^ , где имеет место преобладание паразитной проводимости над проводимостью полезной, происходит резкое снижение тягового усилия. При этом нулевому значению силы соответствует по-
ложение якоря, когда кольцеобразная его часть полностью втянута в межполюсный промежуток статора.
Рис. 2. Статические тяговые характеристики ЛЭМД: а-при а = 0° ; б-при а =15° ; в - при а =30°
После замены цилиндрического якорного кольца на конусно-усечённое с углом наклона образующей а =15°.
при соответствующей замене центрального полюсного наконечника был получен ЛЭМД с продольно-поперечным магнитным полем (рис. 1, б), характеристики которого представлены на рис. 2, б.
Согласно кривым (рис. 2, б) можно констатировать, что изменение угла образующей усеченного конуса значительно изменяет форму тяговой характеристики двигателя. При этом с увеличением угла конусности до 15° начальная сила тяги снижается почти в 2 раза, а максимум характеристики (при величине хода
8 = 82 = 20 ММ ), обусловленный преобладающим
действием поперечного магнитного поля, снижается в 3,2 раза. Данное обстоятельство объясняется шунтированием поперечного магнитного поля продольным полем,
однако уже при зазоре <5=14 ММ происходит новое
нарастание фронта тягового усилия, которое характеризуется преобладающим действием продольного магнитного поля, линии магнитной индукции которого проходят через боковую поверхность усечённых конусов якоря и полюсного наконечника. При этом второй пик тягового усилия статической характеристики имеет более пологую форму, что объясняется некоторым уравновешиванием нарастающей силы продольного поля с убывающей силой поперечного поля.
Дальнейшее уменьшение воздушного зазора характеризуется снижением тягового усилия по причине пре-
обладания паразитной проводимости воздушного зазора над полезной проводимостью. Однако при величине
рабочего хода 8 = 2 ММ и до самого его конца происходит резкий скачёктягового усилия, обусловленный действием однородного магнитного поля в малом воздушном промежутке между конусно-усеченными параллельными боковыми поверхностями якоря и центрального полюсного наконечника.
При увеличении угла конусности якоря и центрального полюса до 30° статические тяговые характеристики (рис. 2, в) имеют резко отличительный (от ранее рассмотренных кривых) вид, что объясняется соответствующей картиной магнитного поля в воздушном зазоре, площадь поперечного сечения которого стала ещё больше. Начальное тяговое усилие при этом снижается практически до нуля.
Первый максимум характеристики (при величине зазора 8 = 82= 20 ММ ) имеет значение в 9 раз меньшее, чем аналогичный максимум базовой магнитной системы. Стабильное нарастание тягового усилия
начинается лишь при зазоре 8 =17 ММ и продолжается до значения хода 8 = 2... 2,5 ММ , где и наблюдается его второй максимум.
Анализ статических тяговых характеристик, рассмотренных магнитных систем с кольцеобразным якорем привёл к выводу о том, что наиболее желаемый вид тяговой характеристики для технологии электродуговой наплавки металла, совмещённой с его механической обработкой терморезанием, имеет лишь двигатель базовой конструкции (рис. 1, а), который также обладает большим максимальным тяговым усилием (рис. 2, а).
Анализ статических тяговых характеристик ЛЭМД базовой конструкции показал, что их максимумы соответствуют положению якоря, при котором нижний торец кольцеобразной его части и верхний торец статора располагаются в одной плоскости, то есть при условии
8 = 82. Так как 8 = 8^ + 82, то появляется возможность регулирования расположением максимума тяговой силы по длине рабочего хода двигателя, не меняя при этом величины 8 > путём изменения отношения
8г/82.
Эксперимент проводился на ЭВМ с помощью математической модели расчёта магнитной системы цилиндрического ЛЭМД с поперечным магнитным полем и кольцеобразным якорем. При этом расчёт статических тяговых характеристик осуществлялся для базовой магнитной системы. Начальные условия для расчёта соответствовали основным параметрам магнитной системы экспериментального образца ЛЭМД:
- величина рабочего хода двигателя 8 = 30 ММ ;
- радиус центрального полюса ^ = 26,5 ММ;
- внутренний радиус внешнего полюса =40 ММ;
радиус
внешнего
полюса
- внешнии
Я3 = 47,5 мм;
- длина обмотки /0 = 45,5 ММ ;
- высота ярма /?Яр = 12,5 ММ ;
- радиус отверстия в магнитопроводе под стержень якоря = 7 ММ ;
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1
241
- ширина паразитного зазора 6 = 0,35 ММ ;
- материал магнитопровода и кольцеобразного якоря - сталь Ст.З;
- ширина уплотнительного кольца обмотки с учётом
запаса по длине хода якоря 8 = 2 ММ ;
- фактическая МДС обмотки (при токе / = 30 А)
0оф=6ОООА;
- относительная высота кольцеобразного якоря
№ = 1;
- интервал изменения отношения
8х182= 0...1.
Расчётная статическая тяговая характеристика, построенная для значения отношения 8^/ 8-, = 0,5 (рис. 3), удовлетворительно совпадает с аналогичной экспериментальной кривой (расхождение расчётных и экспериментальных данных в максимально отклонённых точках рабочего диапазона не превышает 16 %).
К> Н 800
600 400 200
0,7 Kl
0,5 i \! 7 \\ \\ \
ÖI-8. Ч f \
0 2 4 6 8 10 12 14 16 L8 20 22 24 26 28 S, мм
Рис. 3. Статические тяговые характеристики ЛЭМД с поперечным магнитным полем и кольцеобразным якорем при различных значениях отношения
8г/82
эксперимент,
расчёт
соответствующего изменения относительной высоты кольцеобразного якоря /?я/<50 (рис. 1, а; рис. 4).
, Н
70 60 50 40 30 20 10
1 з 1,5 /
1,1 h "Ca /
= 1
0 0,5 1.0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 5, мм
Рис. 4. Зависимости конечного тягового усилия ЛЭМД с поперечным магнитным полем от относительной высоты
кольцеобразного якоря /?я/8\
Статические тяговые характеристики при З^/Зо =1 и различных значениях отношения /?я/<50 построены лишь для шестимиллиметрового отрезка рабочего хода двигателя (рис. 4), поскольку на остальном участке воздушного зазора они практически совпадали с аналогичной кривой, изображённой на рис. 3.
Согласно проделанным расчётам, значительное увеличение конечного тягового усилия ЛЭМД происходило уже при значении /?я /8^ = 1,1, а при Ия /80 = 1,5 данное усилие достигало максимального значения. Даль-
не оказывало
Расчётные статические характеристики, представленные на рис. 3, своим видом раскрывают возможность изменения расположения максимума тягового усилия двигателя и ряд зависимостей, характеризующихся варьированием отношения 5\/§2 ■ ® частности> по мере увеличения значения отношения 8^/82 , наблюдается снижение начального тягового усилия, характеризуемого соответствующим увеличением воздушного зазора между нижним торцом кольцеобразного якоря и верхним торцом статора. При этом, по мере уменьшения высоты полюсных наконечников магнитных полюсов статора 82 , потоки рассеяния, действующие в межполюсном воздушном промежутке, снижаются пропорционально этому уменьшению, что приводит к росту максимальной силы тяги двигателя.
На участке хода 82 , по мере увеличения отношения 3^/82 , наблюдается заметный рост фронта тягового усилия, связанный с соответствующим смещением максимума, однако увеличения конечной силы тяги двигателя при этом не происходит.
Дальнейшие исследования влияния геометрических параметров элементов магнитной цепи ЛЭМД на его электромеханическую характеристику выявили возможность увеличения конечного тягового усилия двигателя путём
неишее увеличение отношения никакого влияния на изменение формы тяговой характеристики.
Таким образом, установлено, что на интервале значений отношения 3Х/32 = 0...1 для магнитной цепи
экспериментального образца ЛЭМД поперечного поля происходит увеличение максимального тягового усилия
= 679...857,7 Н и уменьшение начальной
силы тяги
R =857,7...10,6 Н
при неизменной
о
R = 0...35,8 Н
которую можно увеличить -i'3 -u...jj,oii путем соответствующего изменения относительной высоты кольцеобразного якоря h^jS2 = 1... 1,5 .
Список литературы
1. Угаров Г.Г. Импульсные линейные электромагнитные двигатели с
повышенными силовыми и энергетическими показателями: Дис.... д-ра техн. наук. - Новосибирск, 1992. - 492 с.
2. Дмитриенко A.B. Элекгротехнологическое обеспечение безотходного
формообразования деталей в наплавочных процессах: Дис. ... канд. техн. наук. - Саратов: СГТУ, 2004. - 183 с.
