CC BY
14
УДК 621.318.3 ББК 3264.36-052
ВН. ПЕТРОВ, Н.В. РУССОВА, Д.В. САМУИЛОВ, Г.П. СВИНЦОВ
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ, СОРАЗМЕРНОСТЕЙ, УСЛОВИЙ ПИТАНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДВУХОБМОТОЧНОГО КЛАПАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА МИНИМИЗИРОВАННУЮ МАССУ ЕГО АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: клапанный электромагнит, форсированное управление, методика проектного расчета, срабатывание, возврат, нагрев, нагрузочная характеристика, механическая характеристика, диаметр сердечника.
При расчетах оптимизированного электромагнита по критериям «объем активных материалов» и «масса активных материалов» установлены соответствующие совпадения его размеров ($с, Но, А0, Ано, ^п, с) и параметров (Во.ср, Во.отп, Ве.отп, Рср, Ротп, Рп, Руд, вно, 0во, п) с расхождением, не превышающим 2-5%. Это позволяет с использованием упомянутых размеров и параметров, рассчитанных при минимизации критерия «объем активных материалов», определить оптимальную массу активных материалов по исходной аналитической формуле.
Попутно установлено, что при увеличении критического значения рабочего зазора Зкр от 4 до 10 мм необходимая высота обмотки Ноопт уменьшается на 30%; необходимые ширина окна обмотки А0.опт, ширина окна низкоомной обмотки Аноопт, диаметр полюсного наконечника dп.опт, расстояние сопт от оси сердечника до Г-образной скобы магнитопровода увеличиваются на 38, 37,7, 35,2 и 42,1%, соответственно; масса активных материалов электромагнита увеличивается на 91,2%; наблюдаются уменьшение магнитной индукции Воотп на 27,9%, увеличение магнитодвижущей силы срабатывания ¥ср на 57,6%, уменьшение магнитодвижущей силы отпускания Ротп на 27,9%, увеличение потребляемой электромагнитом мощности при включении Рп на 243%.
Показано, что при увеличении механического усилия при критическом значении рабочего воздушного зазора Рмхкр от 20 до 60 Н необходимый диаметр сердечника dc.0nm, высота обмотки Ноопт, ширина окна обмотки Ааопт, ширина окна низкоомной обмотки Ано опт, диаметр полюсного наконечника dn.опт и расстояние сопт от оси сердечника до скобы магнитопровода увеличиваются на 43,1, 28,2, 52,2, 93,5, 42,9, 42,3%, соответственно; масса активных материалов увеличивается на 191%; увеличиваются индукции Воотп, В^.отп на 21,1 и 21,8%, соответственно, магнитодвижущие силы Еср, Ротп на 28,4 и 26,4%, соответственно, потребляемая электромагнитом мощность в режиме удержания Руд на 64,2%; уменьшается потребляемая электромагнитом мощность при включении Рп на 39,3%. Расчетами проиллюстрировано, что с увеличением конечного значения электромагнитной силы Рмхк от 120 до 360 Н необходимые оптимальные Ноопт, Воотп, В$.от„, Ротп, Руд, Ма увеличились, соответственно, на 83,5, 80, 81,4, 94, 80 и 20,9%, при этом Рп, п уменьшились на 48 и 47,2%, соответственно.
Клапанные электромагниты постоянного напряжения широко используются в качестве приводных в реле, контакторах и других электротехнических устройствах. Форсированное управление ими и их оптимизация позволяют улучшить массогабаритные показатели, увеличить ресурсо- и энергосбережение [2, 3 и др.].
Конструктору приходиться корректировать первоначально принятые размеры, соразмерности, коэффициенты, характеризующие условия питания и функционирования [1, 5].
Эскиз клапанного форсированного двухобмоточного электромагнита с обозначением его основных размеров, размещением обмоток и схема управления обмотками, соединенными последовательно, изображен на рис. 1.
и
во
но
I
I I
-1 I J I
_____I
а б
Рис. 1. Эскиз клапанного электромагнита (а) с обозначением основных размеров, размещением низкоомной (НО) и высокоомной (ВО) обмоток и схема управления (б) с форсировочным контактом (5ф)
Методика синтеза построена на основе экспериментальной обобщенной нагрузочной [1] характеристики, условия возврата и уравнения нагрева [1, 4].
Таким образом, на этапе проектного расчета при принятых соразмерностях в электромагните, работающем в продолжительном режиме, путем преобразований уравнения срабатывания, отпускания, нагрева сводятся к нелинейному уравнению. Последнее решается численным методом относительно диаметра сердечника (ёс). Это равносильно определению всех размеров электромагнита. Исходные данные расчета и их фиксированные значения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения исходных данных проектирования
5КВ, мм Р Н 1 мх.кр -1--1- Р Н 1 мх.к -1--1- То, °С доп? ^ Ктах Кз.но Кз.во К 5кр, мм
7 40 240 55 130 1,5 0,5 0,37 0,3 0,25
На втором этапе проводится двухразовое сканирование области факторного пространства, представленные неравенствами, в пределах которых были описаны уравнения проектирования. После каждого решения проектной задачи рассчитывается значение функции качества, которое сравнивается с предыдущим значением. Меньшее из них значение запоминается в качестве оптимального. При этом запоминаются также текущие размеры и параметры электромагнита, соответствующие оптимальному значению функции качества.
В частности, контролировались и запоминались следующие:
а) оптимальные размеры электромагнита: а?с.опт - диаметр сердечника; ^о.опт - высота окна обмоток; Лоопт - ширина окна; Лноопт - ширина окна низ-коомной обмотки; ^попт - диаметр полюсного наконечника; сопт - расстояние от оси сердечника до скобы магнитопровода,
б) оптимальные соразмерности электромагнита: 5кр.опт* - относительное критическое значение рабочего воздушного зазора (5кр.опт* = 5кропт/й?сопт); Но опт* - относительная высота обмотки (Но опт* = Но.опт/^с.опт); Лоопт* - относительная ширина окна обмотки (Лоопт* = Ло.опт/а?сопт); Лноопт* - относительная ширина окна низкоомной обмотки (Лноопт* = Лноопт/Лоопт); ^попт* - относительный диаметр полюсного наконечника (а?п.опт* = ^попт/^сопт); сопт* - относительное расстояние от оси сердечника до скобы магнитопровода (сопт* = сопт/^сопт);
в) параметры электромагнита:
- усредненная магнитная индукция в поперечном сечении основания сердечника при срабатывании электромагнита (Во.ср, Тл);
- усредненная магнитная индукция в поперечном сечении основания сердечника при возврате (отпускании) электромагнита (Во.отп, Тл);
- усредненная магнитная индукция в рабочем воздушном зазоре при отпускании электромагнита (В5отп, Тл);
- магнитодвижущая сила низкоомной обмотки при срабатывании электромагнита (^ср, А);
- магнитодвижущая сила обмоток при отпускании электромагнита (^оТп, А);
- пусковая мощность, потребляемая низкоомной обмоткой при включении электромагнита (Рп, Вт);
- мощность, потребляемая электромагнитом в режиме удержания (Руд, Вт);
- среднеобъемная температура нагрева низкоомной обмотки (9но, °С);
- среднеобъемная температура нагрева высокоомной обмотки (9во, °С);
- кратность числа витков высокоомной обмотки в долях низкоомной (п).
При расчете оптимальных электромагнитов по критериям «объем активных материалов» и «масса активных материалов» наблюдались практически одинаковые оптимальные размеры, соразмерности и параметры электромагнитов. Расхождения составляли от 2 до 5%. Это позволяет провести анализ минимизированных масс активных материалов электромагнитов при известных оптимальных размерах и соразмерностях, минимизирующих объем активных материалов. При этом оптимальную массу можно рассчитать по исходному выражению:
Ма = 7800 • (УЯк + Г + ¥Ск + Г) + 8900 • ^ + Г^), (1)
где
Гяк = а як • Ьяк • (аск + с + 0,5^п) - объем якоря;
Гск = аск • ьск • (ап + (Но + 2«к) + 2 • 0,5аСк + с + (гс + «в + + Л + )) - объем скобы магнитопровода;
7 • й 2
V = —• (Н 0 + 2ак) - объем сердечника;
= 7 йп • ап - объем полюсного наконечника;
п 4 п
Кмно = Ан0 • Н0 • /срн0 • Кзн0 - объем меди низкоомной обмотки; Уыво = Ав0 • Н0 • 1срв0 • Кзв0 - объем меди высокоомной обмотки; 1ср н0 = 7 • (йс + 2ак + 2ав + Ан0) - средняя длина витков низкоомной обмотки; I в0 = 7 • (йс + 2ак + 2ав + Ан0 + А0) - средняя длина витков высокоомной обмотки.
Влияние исходных данных проектирования, а именно: критического значения рабочего воздушного зазора 5кр, механического усилия при критическом значении рабочего воздушного зазора Рмх.кр, конечного значения механического усилия Рмх.к на геометрические размеры, соразмерности и параметры клапанного электромагнита представлено в виде кривых на рис. 2-4. Соответствие номеров кривых на рисунках размерам, соразмерностям и параметрам клапанного электромагнита следующее: 1 - йсопт; 2 - Но.опт; 3- Ао.опт;
4 Ано.опт; 5 йп.опт; 6 сопт; 7 Во.ср; 8 Во.отп; 9 В5.отп; 10 11 П; 12
^ср; 13 - ^отп; 14 - рш 15 - руд; 16 - 9Но; 17 - 9во.
С увеличением 5кр значительно изменяются йс.опт, Но.опт, йпопт, сопт; Воотп, Вз.от, ^ср, ^отп, Рп, п, Ма. Вместе с тем, как показывают расчеты, практически не изменяются Во.ср, Руд, 9но, 9во в узком диапазоне 0,552 < Аоопт* < 0,584, 1,62 < йпопт* < 1,69, 1,65 < сопт* < 1,75 при заметном изменении массы активных материалов.
При увеличении Рмх.кр от 20 до 60 Н возрастают йс.опт, Но.опт, Ао.опт, Ано.опт,
йп .опт, ^опт?- Во.отп,> В5 .отп, ^ср, ^отп, Руд, Ано.опт*. Монотонно уменьшаются П и Зкр.опт*.
Практически не изменяются 9но, 9во, Ноопт*, Аоопт*, йпопт*, сопт*.
В исследованном диапазоне варьирования Рмх.к почти вдвое возрастают высота обмотки (Ноопт), индукции Воотп, В5отп, мощность Руд, магнитодвижущая сила ^отп; уменьшаются мощность Рп, ширина окна Аоопт; практически не изменяются йс.опт, Зкр.опт; Ао.опт, Ао.опт*; йп.опт, йп.опт*; Сопт, Сопт*; монотонно увеличивается масса активных материалов Ма.
Влияние температуры окружающей среды Т0 иллюстрируют данные табл. 2. Существенно изменяются
-^Но.опт, -^Но.опт*,
Ма, Рп. Практически не изменяются йс.опт, ^кр.опт; Aо.опт, Ао.опт*; Во ср, Bо.отп, В5.отш ^ср; 9но, 9во, йп.опт, йп.опт*; ^ош^ Сопт*.
Изменение допустимой температуры нагрева ©доп от 110 до 150 °С приводит: а) к уменьшению Ноопт, Ноопт*, Ма; б) несущественному изменению
^.ош^ ^кр.опт*; Aо.опт, Ао.опт*; ^пют^ йп.опт*; ^ош^ сопт*; Bо.ср, Bо.отп, В5.отп; Fср, ^отп;
в) значительному увеличению Рп, 9но, 9во; г) экстремальному характеру изменения Ано.опт, Ано.опт*; Руд, п (табл. 3).
3000
2800
2600
2400
н 2200
си 2000
-а. 1800
< 1600
с 1400
1200
с. 1000
Ьч" 800
600
400
200
4 5
10 11
150 140 130 120 110 100 и
90 \ 80 0° 70 5
К
60 о 50 40 30 20 10 0
30 28 26 24 22 20
18 н
Нбш
■14 дВ
-10 8 6 4 -2 О
5кр, мм
Рис. 2. Влияние критического значения рабочего воздушного зазора 5кр на геометрические размеры, соразмерности и параметры клапанного электромагнита
в
3000
2800
2600
2400
н 2200
а 2000
а. 1800
< 1600
к 1400
1200
1000
Ь,' 800
600
400
200
О
,12
— ■ 17
'16
'15
АЗ
44
15 20 25 30 35 40 Р
45
н
150 Г30
140 -28
130 -26
120 -24
110 -22
100о -20
90 ° -18 н
»0 а?
70 V
60 о" -12
50 -10
40 -8
30 - 6
20 -4
10 -2
0 - 0
50 55 60 65
Рис. 3. Влияние механического усилия при критическом значении рабочего воздушного зазора Рмккр на геометрические размеры, соразмерности и параметры клапанного электромагнита
в
3000
2800
2600
2400
и ??00
си 2000
а. 1800
< 1600
1400
1200
С- 1000
ь." 800
600
400
200
12
'17
225 -45
210 -42
195 -39
180 -36
165 -33
150 -30
135 ^ -27 н
120 5
105 ° -18
90 § о 75
-15
60 - 12
45 - 9
30 - 6
15 - 3
0 - 0
в
Рис. 4. Влияние механического усилия при конечном положении якоря Рмх.к на геометрические размеры, соразмерности и параметры клапанного электромагнита
Таблица 2
Зависимости оптимальных геометрических размеров и параметров клапанного электромагнита при различных исходных данных проектирования 8кр = 7-10-3 м, 8к = 0,25-10-3 м, Рмх.кр = 40 Н, Рмх.к = 240 Н, Ктах = 1,5, К = 0,3, Кзно = 0,5, Кзво = 0,37, 0доп = 130 °С при изменении Т0 от 25 до 85 °С
Параметры Т0, °С
25 35 45 55 65 75 85
^с.опт 10 27,8 27,7 27,2 27,1 27,3 27,3 27,1
Но.опт10 35,5 38,3 49,1 48,9 49,3 55,0 66,1
А -1П-3 о.опт 15,4 15,3 15,0 15,0 15,9 15,9 15,0
А -10-3 -^но.опт А — 4,60 4,59 10,5 6,08 4,78 4,78 4,69
^п.опт'10 45,1 44,9 44,1 43,9 46,1 46,1 43,9
с -10-3 опт 48,5 47,1 47,2 47,3 46,4 45,0 46,0
^ко.опт* 0,252 0,253 0,257 0,258 0,256 0,256 0,258
Но.опт* 1,276 1,381 1,804 1,804 1,804 2,015 2,438
Ао.опт* 0,552 0,552 0,552 0,552 0,584 0,584 0,552
Ано.опт* 0,300 0,300 0,700 0,407 0,300 0,300 0,313
^п.опт* 1,62 1,62 1,62 1,62 1,69 1,69 1,62
сопт* 1,75 1,70 1,74 1,75 1,70 1,65 1,70
•о.ср, Тл 1,64 1,64 1,62 1,65 1,60 1,62 1,65
•о.отп Тл 1,00 1,00 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02
•з.отш Тл 0,61 0,62 0,63 0,63 0,60 0,60 0,63
А 2488 2507 2389 2494 2303 2395 2540
V А 1 отп 308 310 320 321 315 317 328
Рп, Вт 516 487 172 292 307 298 283
Руд, Вт 13,1 13,1 15,7 13,4 12,0 11,6 11,5
0но, °С 118 119 122 122 122 124 125
9во, °С 123 124 126 125 125 126 127
п 6,86 6,65 1,53 4,04 5,47 5,48 5,24
Ма, кг 1,590 1,613 1,788 1,731 1,790 1,882 2,004
Таблица 3
Зависимости оптимальных геометрических размеров и параметров клапанного электромагнита при различных исходных данных проектирования 8кр = 710-3 м, 8к = 0,2510-3 м, Р„х.кр = 40 Н, Рмх к = 240 Н, Ктах = 1,5, К = 0,3, Кз.но = 0,5, Кзво = 0,37, Т0 = 55 °С при изменении 0доп от 110 до 150 °С
Параметры 0 °С '-'лот ^
110 120 130 140 150
^с.опт 10 27,1 27,2 27,1 27,1 27,7
Но.опт10 54,6 49,1 48,9 48,9 38,3
А -10-3 о. опт 15,8 15,9 15,0 15,8 16,2
А -10-3 ^но.опт 1 — 4,75 4,77 6,08 10,23 4,85
^п.опт 10 45,7 45,9 43,9 43,9 44,6
с -10-3 опт 46,0 46,2 47,3 46,0 47,0
^кр.опт* 0,258 0,257 0,258 0,258 0,253
Но.опт* 2,015 1,804 1,804 1,804 1,381
Ао.опт* 0,584 0,584 0,552 0,584 0,584
Ано.опт* 0,300 0,300 0,407 0,647 0,300
^п.опт* 1,69 1,69 1,62 1,62 1,61
сопт* 1,70 1,70 1,75 1,70 1,70
•о.ср, Тл 1,63 1,63 1,65 1,65 1,62
•о.отп Тл 1,02 1,02 1,02 1,02 1,00
•а.отш Тл 0,61 0,60 0,63 0,63 0,62
Окончание табл. 3
Параметры 0 °С "дот ^
110 120 130 140 150
Fm, A 2387 2384 2494 2512 2425
F A 1 отп 319 316 323 323 311
Рп, Вт 281 320 292 200 458
Руд, Вт 11,0 11,7 13,4 15,4 13,8
0но, °С 104 112 122 132 139
9во, °С 106 115 125 136 144
n 5,47 5,66 4,03 1,88 6,25
M, кг 1,852 1,770 1,731 1,789 1,640
Расчеты показывают, что изменение кратности максимального напряжения питания к напряжению срабатывания Kmax от 1,30 до 1,70 приводит:
а) к уменьшению: Ано.опт от 7,28 до 4,69 мм; Ано.опт* от 0,487 до 0,313;
б) увеличению Рп от 189 до 489 Вт;
в) сохранению на неизменном уровне остальных размеров, соразмерностей и параметров (табл. 4).
Таблица 4
Зависимости оптимальных геометрических размеров и параметров клапанного электромагнита при различных исходных данных проектирования 8Кр = 710-3 м, 8К = 0,2510-3 м, Рмх.кр = 40 Н, Рмх.к = 240 Н, K = 0,3, K,TO = 0,5, Кз.во = 0,37, 0доп = 130 °С, T0 = 55 °С при изменении Kmax от 1,30 до 1,70
Параметры Kmax
1,30 1,40 1,50 1,60 1,70
^с.опт 10 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1
^о.опт*10 48,9 48,9 48,9 48,9 48,9
A -10-3 ^о.опт iyJ 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0
A -10-3 ^но.опт ±u 7,28 6,08 6,08 4,69 4,69
^п.опт 10 43,9 43,9 43,9 43,9 43,9
с -10-3 опт 47,3 47,3 47,3 47,3 47,3
^кр.опт* 0,258 0,258 0,258 0,258 0,258
Но.опт* 1,804 1,804 1,804 1,804 1,804
Ао.опт* 0,552 0,552 0,552 0,552 0,552
Ано.опт* 0,487 0,407 0,407 0,313 0,313
^п.опт* 1,62 1,62 1,62 1,62 1,62
сопт* 1,75 1,75 1,75 1,75 1,75
•Во.сБ, Тл 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65
Во.отш Тл 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02
В5.отго Тл 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63
Fob, A 2494 2494 2494 2494 2494
F A отп 321 321 321 321 321
Рп, Вт 189 255 292 416 469
Руд, Вт 13,5 13,1 13,4 12,7 12,9
9но, °С 123 122 122 122 122
9во, °С 126 125 125 125 125
n 2,72 3,79 4,03 6,07 6,41
Mi, кг 1,741 1,731 1,731 1,720 1,720
Расчеты также свидетельствуют, что рост коэффициента заполнения низкоомной обмотки Кз.но от 0,40 до 0,60 приводит к уменьшению пусковой мощности от 457 до 185 Вт и необходимости увеличения ^но.опт от 4,69 до 8,48 мм и, соответственно, ^ноопт* от 0,313 до 0,567. При этом практически
неизменными сохраняются йсопт (27,1 мм) и 5кр.опт* (0,258); Но.опт (48,9 мм) и Яо.опт* (1,804); ¿п.опт (43,9 мм), йп.опт* (1,62).
При увеличении коэффициента заполнения высокоомной обмотки Кзво от 0,30 до 0,44 существенно изменяются Аноопт (от 4,54 до 9,67 мм), Аноопт* (от 0,300 до 0,647), Рп (от 475 до 200 Вт), а также массаМа (от 1,014 до 1,792 кг). Причем отношение чисел витков п имеет экстремальный характер. Остальные размеры соразмерности и параметры остаются практически на неизменном уровне: йсопт=27,1 мм, Ноопт=48,9 мм, Аоопт=15,0 мм, йпопт =43,9 мм, Сопт=47,3 мм, Ао.опт*=0,552, йп.опт*=1,621, Сопт*=1,746, Во.ср=1,65 Тл, Во.отп,=1,02 Тл, Д,отп=0,63, ^=2494 А, ^=321 А, Руд=13,0 Вт, 0Ю=122 °С, 0во=125 °С.
Выводы. 1. С увеличением 5кр значительно изменяются йсопт, Но.опт, йпопт, В5 отп, ^ср, ротп, Рп, п, Ма; практически не изменяются Воср, Руд, 0но, 0во в узком диапазоне 0,552 < Аоопт* < 0,584, 1,62 < йпопт* < 1,69, 1,65 < сопт* < 1,75 при заметном изменении массы активных материалов.
2. При увеличении Рмх.кр возрастают йс.опт, Но
.опт, Aо.опт, Aно.опт, йп .опт, ^пт^
Bо.отп, В5 .отп, ^Ср, ^отп, Руд, АНо.опт*; монотонно уменьшаются П и Зкр.опт*; практически не изменяются 0но, 0во, Ноопт*, Аоопт*, йпопт*, сопт*.
3. Изменение механического усилия при конечном положении якоря Рмх.к от 120 до 360 Н приводит к уменьшению мощности Рп, ширины окна обмотки Аоопт, почти двукратному увеличению высоты обмотки (Ноопт), индукций Воотп и В5отп, мощности Руд, магнитодвижущей силы ^отп. Причем практически не изменяются йс.опт, 8кр.опт; ^.ош^ Ао.опт*; йп.опт, йп.опт*; Сопь Сош* а масса активных материалов Ма увеличивается монотонно.
4. Изменение температуры окружающей среды Т0 от 25 до 85 °С вызывает существенное изменение Ноопт, Ноопт*, Ма, Рп и практически не оказывает влияния на йс.опт, ^кр.опт; Aо.опт, Ао.опт*; Во ср, Во.отш B5.отп, Рср; 0но, 0во, ^.опь йп.опт*; сопт*.
5. Варьирование допустимой температуры нагрева ©доп от 110 до 150 °С приводит: а) к уменьшению Ноопт, Ноопт*, Ма; б) несущественному изменению
^.от^ ^кр.опт*; Aо.опт, Ао.опт*; йп.опт, йп.опт*; ^пь сопт*; Bо.ср, Bо.отп, В5.отп; FСр, Ротп;
в) значительному увеличению Рп, 0но, 0во; г) экстремальному характеру изменения ^ноющь Ано.опт*; Pуд, п.
6. Расчеты размеров, соразмерностей, параметров, минимизирующих массу обмоточной меди и ферромагнитной стали, используемых в конструкции форсированного двухобмоточного электромагнита постоянного напряжения с коаксиально размещенными, последовательно и согласно соединенными обмотками, могут быть выполнены с использованием приведенных результатов, минимизирующих объем активных материалов.
7. Представление результатов оптимизационных расчетов форсированных электромагнитов в виде размерных зависимостей предпочтительно при необходимости корректировки, выборе окончательных размеров и значений параметров.
8. Приведенные результаты оптимизационного исследования в виде графических зависимостей наглядны при решении задач анализа и могут быть использованы для обеспечения легкого интерпретирования, восприятия информации на минимальном пространстве. Табличное изображение результатов расчета электромагнита удобно для их аппроксимации и интерполирования.
Литература
1. Зайцев Ю.М., Петров В.Н., Руссова Н.В., Свинцов Г.П. Методика синтеза форсированного клапанного электромагнита постоянного напряжения в схеме с балластным резистором // Вестник Чувашского университета. 2017. № 1. С. 103-112.
2. Кадыков В.К. Потокораспределение в клапанных электромагнитных системах постоянного тока с сегментными полюсными наконечниками // Вестник Чувашского университета. 2006. № 2. С. 236-243.
3. Клименко Б.В. Форсированные электромагнитные системы. М.: Энергоатомиздат, 1989. 160 с.
4. Основы теории электрических аппаратов / Б.К. Буль, Г.В. Буткевич, А.Г. Годжело и др.; под. ред. Г.В. Буткевича. М.: Высшая школа, 1970. 600 с.
5. Руссова Н.В. Математическое моделирование тепловых параметров электромагнитов постоянного тока и напряжения // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: материалы IV Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2002. С. 145-149.
ПЕТРОВ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ - аспирант кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (viktor912012@yandex.ru).
РУССОВА НАТАЛИЯ ВАЛЕРЬЕВНА - кандидат технических наук, начальник научно-исследовательского отдела, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары.
САМУИЛОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - магистрант кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары.
СВИНЦОВ ГЕННАДИИ ПЕТРОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (eea_chuvsu@mail.ru).
V. PETROV, N. RUSSOVA, D. SAMUILOV, G. SVINTSOV
INFLUENCE OF DIMENSIONS, PROPORTIONS, POWER CONDITIONS AND OPERATION OF TWO-WINDING VALVED DC ELECTROMAGNET ON MINIMIZED MASS OF ITS ACTIVE MATERIALS
Key words: valved electromagnet, forced control, design calculation method, operation, return, heating, load characteristic, mechanical characteristic, core diameter.
In the calculations of an optimized electromagnet, according to the criteria "volume of active materials" and "mass of active materials", corresponding coincidences of its dimensions (d„ H^ A„m dw c) and parameters (Sq ^ B o.omm BS.omm Fcp Pom™ Pm Pуд, ^но,
&eo, n) with a discrepancy not exceeding 2-5% are established. This makes it possible to determine the optimum mass of active materials from the initial analytical formula using the dimensions and parameters calculated with the minimization of the criterion "volume of active materials".
Incidentally, it was established that with increasing the critical value of the working gapSKp from 4 to 10 mm the required winding height Ho orm decreases by 30%; the required winding window width Aaorm the window width of the low-resistance winding AHaolm,, the diameter of the pole piece dnorm distance corm from the core axis increase to the L-shaped bracket of a magnetic circuit by 38, 37,7, 35,2, 42,1% respectively; the mass of active materials of the electromagnet increases by 91,2%; a reduction of magnetic induction Baomm by 27,9%, an increase magneto motive force of operation Fcp by 57,6%, a reduction of magneto motive force of return Fomrr by 27,9%, an increase in the power consumed by the electromagnet when on Pnis switched on by 243% are observed.
It is shown that when the mechanical force is increased at a critical value of the working air gap PMX.Kp from 20 to 60 N the required diameter of the coredcorm, the winding height Ho.orm, winding window width Aaorm, window width of low-resistance winding AH0 0rm, the
diameter of a polar piecednonm and the distance conm from the core axis to the magnetic core bracket increase by 43,1, 28,2, 52,2, 93,5, 42,9, 42,3% respectively; the mass of active materials increases by 191%;the inductions Boomn, B^omn increase by 21,1 and 21,8% respectively, the magneto motive forces by Fcp, Fomn by 28,4 and 26,4% respectively, the power consumed by an electromagnet in the holding mode Pyd by 64,2%; the power consumed by an electromagnet decreases by 39,3% when Pnis switched on. Calculations show that with the increase in the final value of the electro-magnetic force Pmx.k from 120 to 360 N the required optimal values Ho.onm, Bo.omn, Bg.omn, Fomn, Pyd, Ma have increased by 83,5, 80, 81,4, 94, 80, 20,9% respectively, while Pn, n have decreased by 48 and 47,2% respectively.
References
1. Zaitsev Yu. M., Petrov V.N., Russova N.V., Svintsov G.P. Metodika sinteza forsirovannogo klapannogo elektromagnita postoyannogo napryazheniya v skheme s ballastnym rezistorom [Method of synthesis of forced valved dc electromagnets in circuit with ballast resistor]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2017, no. 1, pp. 103-112.
2. Kadykov V.K. Potokoraspredelenie v klapannykh elektromagnitnykh sistemakh postoyannogo toka s segmentnymi polyusnymi nakonechnikami [Flow distribution in valve electromagnetic direct current systems with segmented pole pieces]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2006, no. 2, pp. 236-243.
3. Klimenko B.V. Forsirovannye elektromagnitnye sistemy [Forced electromagnetic system]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989, 160 p.
4. Bul' B.K., Butkevich G.V., Godzhelo A.G. et al. Osnovy teorii elektricheskikh apparatov [Fundamentals of the theory of electrical apparatuses]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1970, 600 p.
5. Russova N.V. Matematicheskoe modelirovanie teplovykh parametrov elektromagnitov postoyannogo toka i napryazheniya [Mathematical modeling of thermal parameters of DC and voltage electromagnets]. Informatsionnye tekhnologii v elektrotekhnike i elektroenergetike: materialy IV Vseros. nauch.-tekhn. konf. [Proc. of 4th Rus. Sci. Conf. «Information technology in electric and electric power engineering»]. Cheboksary, Chuvash University Publ., 2002. pp. 145-149.
PETROV VIKTOR - Post-Graduate Student of Electrical and Electronic Apparatus Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
RUSSOVA NATALIYA - Candidate of Technical Sciences, Head of Research and Development Division, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
SAMUILOV DMITRY - Master's Program Student of Electrical and Electronic Apparatus Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
SVINTSOV GENNADIY - Doctor of Technical Sciences, Professor, Electric and Electronic Apparatus Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
Формат цитирования: Петров В.Н., Руссова Н.В., Самуилов Д.В., Свинцов Г.П. Влияние размеров, соразмерностей, условий питания и функционирования двухобмоточного клапанного электромагнита постоянного напряжения на минимизированную массу его активных материалов // Вестник Чувашского университета. - 2018. - № 3. - С. 114-125.
