Содержание к диссертации
Введение
1 . Вопросы перспектив и тенденций развития практического применения силовых линейных электромагнитных машин 23
1.1.Состояния вопроса практического применения импульсных линейных электромагнитных
1.2. Современная тенденция и перспективы развитияэлектромагнитных машин на примере ручных ударных машин сэлектромеханическим преобразованием энергии 35
1.2.1.Современный уровень и тенденции развития ударных машин с электромеханическим преобразованием вращательного движения ротора 36
1.2.2.Современная ситуация в развитии ударных машин прямого действия с ЭМД 41
1.2.3.Сравнение результатов исследований 45
1.3.Основные показатели линейных электромагнитных машин 48
1.4.Взаимное влияние рабочих процессов на выходные показатели электромагнитных машин 62
1.4.1.Взаимосвязь процессов в кратковременных режимах 68
1.4.2.Взаимосвязь процессов при продолжительных режимах 73
1.4.3.Взаимосвязь процессов в повторно-кратковременных режимах... 75
1.5.Конструктивные схемы ударных машин с ЭМД 78
1.5.1.Синхронная электромагнитная машина с однокатушечным ЭМД
1.5.2. Синхронная электромагнитная машина с двухкатушечным ЭМДс постоянным воздействием электромагнитных сил 85
1.5.3. Электромагнитная машина с однокатушечным ЭМД простого и двойного действия 87
1.5.4. Электромагнитная машина с двухкатушечным ЭМД двойногодействия 91
1.5.5. Результаты анализа — 95
Выводы 100
2 Линейные электромагнитные двигатели с повышенными энергетическими показателями101
2.1.Постановка задачи 101
2.2. Интенсификация процессов в режиме аккумулирования электромагнитной энергии в импульсных линейных ЭМД 105
2.3.Конструктивные схемы импульсных линейных ЭМД с аккумулированием магнитной энергии в статическихрежимах 116
2.4.Конструктивные схемы импульсных ЭМД с аккумулированиемэлектромагнитной энергии в динамических режимах 127
Выводы 134
3. Исследование процессов энергопреобра зования рабочих циклов в режиме аккумулирования электромагнитной энергии 136
3.1.Режимы работы ЭМД и задачи исследований 136
3.2.Исследование процессов энергопреобразования в электромагнитных преобразователях при передаче механической мощности 145
3.2.1. Процессы передачи механической мощности и возможностьуправления ими в цикле 148
Экспериментальные исследования особенностей режимовработы при передаче механической мощности 154
Энергопреобразование в однообмоточных ЛЭМД с предварительным аккумулированием магнитной энергии встатических режимах 159
Энергопреобразование в однообмоточных ЛЭМД с предварительным аккумулированием электромагнитной энергиив динамических режимах 171
Энергопреобразование в двухобмоточных ЛЭМД двойного действия с динамическим аккумулированием электромагнитнойэнергии в период холостого хода якоря 178
Выводы 185
Исследование динамических режимов работы импульсных эмд в цикле 186
Задачи исследований 186
Разработка математической модели ЭМД 191
Математическая модель ЭМД. Эквивалентная вариационнаяпостановка задачи 191
Конечноэлементная аппроксимация 196
Расчет силовых характеристик и скорости перемещенияякоря 201
Полезная мощность, тепловые и магнитные потери, балансмощностей 203
Результаты численного моделирования 204
Анализ динамических процессоводнообмоточного ЭМД порезультатам численного моделирования 212
Динамика рабочего процесса неуправляемого ЭМД 212
Динамика управляемого ЭМД с интенсификацией рабочегопроцесса 230
Выводы 239
Вопросы расчета силовых статических характеристик и оптимизация геометрии электромагнитных двигателей 241
Постановка задачи 241
Разработка математической модели ЭМД 246
Математическая модель ЭМД. Эквивалентная вариационная постановка задачи 246
Конечноэлементная аппроксимация 248
Решение нелинейной задачи 250
Расчет силовой характеристики 256
Оптимальные соотношения размеров ЭМД 259
Выбор метода и алгоритма оптимального поиска 262
Взаимосвязь высоты стопа с основными размерами ЭМД и величиной хода якоря 266
Упрощенная методика расчета ЭМД с двумя воздушными рабочими зазорами комбинированным якорем 271
Выводы 279
Исследования предельных режимов работы импульсных эмд и реализация эффективных способов для управления ими в цикле 281
Постановка задачи 281
Максимальная энергия в оптимальном объемеэлектромагнитного преобразователя 283
Реализация способов статического индуктивного накопителямагнитной энергии в импульсных ЛЭМД 295
Реализация способов динамического индуктивного накопителяэлектромагнитной энергии вЭМД 310
Энергетическая эффективность способов управления однообмоточным ЭМД в режимединамического индуктивногонакопителя электромагнитной энергии 315
Сравнительный анализ способов формирования ударныхимпульсов для схем с ЭМД 320Выводы 330
Заключение 332
Список использованных источников 335
- Современная тенденция и перспективы развитияэлектромагнитных машин на примере ручных ударных машин сэлектромеханическим преобразованием энергии
- Интенсификация процессов в режиме аккумулирования электромагнитной энергии в импульсных линейных ЭМД
- Процессы передачи механической мощности и возможностьуправления ими в цикле
- Взаимосвязь высоты стопа с основными размерами ЭМД и величиной хода якоря
Введение к работе
Актуальность проблемы. В ряде отраслей промышленности используются технологические процессы, механизация которых осуществляется устройствами и машинами импульсного действия различных мощностей [1—7]. В качестве технических средств, позволяющих реализовать импульсные технологии, широко используются машины ударного действия с пневмо-, гидро- и электроприводом, для которых современная методология позволила разработать эффективные методы анализа и синтеза, выявить общие вопросы исследования и проектирования таких машин и создать для них единую теорию силовых импульсных систем.
С развитием технических средств расширяются области применения основных элементов импульсных систем и одновременно повышаются требования к обеспечению необходимых режимов работы, надежности, снижению энергопотребления, массогабаритных и стоимостных показателей, обеспечению простоты управления и удобства в эксплуатации обслуживающим персоналом. Решение этих вопросов непосредственно связано с участием в технологических процессах самих машин, для которых необходимо обеспечить оптимальные режимы работы с целью повышения производительности труда и снижения себестоимости выпускаемой продукции, а также ограничения воздействия на окружающую среду. Наиболее полно обеспечивают выполнение данных требований силовые электрические импульсные системы, осуществляющие непосредственное, без промежуточных звеньев, преобразование электроэнергии в механическую работу, что обуславливает возможность существенного упрощения кинематической схемы, снижение массогабаритных показателей машин, улучшение экологической обстановки, повышение надежности и экономичности данных устройств.
К настоящему времени накоплен большой опыт в решении вопросов теории энергопреобразования, проектирования и практической реализации линейных электрических машин, позволяющих повысить эффективность использования электрической энергии. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли А.И. Москвитин, О.Д. Алимов, П.М. Алабужев, Н.П. Ряшенцев, А.В. Фролов, В.К. Манжесов, Ф.Н. Сарапулов, О.Н. Веселовский, В.В. Ивашин, И.А. Милорадов, А.А. Афонин, Е.М. Тимошенко, А.Т. Малов, Г.Г. Угаров, Ю.З. Ковалев, Б.Ф. Симонов, В.И. Малинин, В.Н. Гурницкий, А.П. Малахов, А.П. Тронов, Г.В. Берозашвили, А.Н. Мирошниченко, В.Н. Федонин и другие специалисты. В известных работах [5, 8, 10,12, 13,15, 26, 31, 33, 39, 49, 55, 70, 122, 123, 132, 136, 162, 208, 237] отражены результаты исследования линейных электроприводов, в том числе ударного действия, и их практическая реализация.
Разработанные конструкции асинхронных, электродинамических, индукционно-динамических и электромагнитных линейных машин, включая машины ударного действия, нашли широкое использование в народном хозяйстве.
Процесс дальнейшего развития и совершенствования ударных машин выявил перспективность использования силовых электромагнитных импульсных систем (СЭМИС) на основе линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД). Электромагнитные двигатели (ЭМД), по сравнению с другими типами линейных двигателей, наиболее пригодны для привода машин импульсного (ударного) и прессового действия, наилучшим образом совмещая приводной двигатель и рабочий орган машины.
Сегодня имеется большой опыт использования, молотков, перфораторов, насосов, прессового оборудования, переносных ударных комплексов и различного технологического оборудования бытового назначения, созданных на основе импульсных ЭМД, а также налажено серийное производство части из них.
Попытка наилучшим образом использовать импульсные ЛЭМД выявила возможность применения их в строительстве, горной, нефтяной и газовой промышленности, машиностроении, водном хозяйстве, криогенной технике, медицине и т.д. [1-45, 49, 50, 58, 60, 63, 66, 70, 72-75,140, 141, 148, 163, 212, 236], где они обеспечивают значения ударной энергии в диапазоне от 0,1 до 104 Дж при массогабаритных показателях до 1,5 104 кг. Однако значение такого показателя, как удельная энергия удара, у лучших в своем классе электромагнитных машин сегодня не превышает 5 Дж/кг, что почти в три раза ниже, чем у аналогичных по назначению устройств с пневмоприводом. Возрастающая необходимость дальнейшего повышения удельных силовых и энергетических показателей требует поиска новых путей, позволяющих получить желаемый результат, и технических возможностей.
Обширность области применения машин, работающих в импульсном режиме очевидна, поскольку около половины серийных электродвигателей используется в приводе машин с линейной траекторией рабочих органов при наличии редукторных передач.
Актуальность исследований в области линейных электродвигателей неоднократно отражалась в решениях Всесоюзных и Международных конференциях по электроприводу (1968-1998 г.г.).
В настоящей работе автором уделено особое внимание изучению и обобщению материалов, посвященных анализу практического применения устройств и машин с ЭМД, выполненных в различное время представителями ряда научных школ, что впоследствии, при создании ЭМД с качественно новыми свойствами, позволило сосредоточить внимание на решении ряда технических задач, давших положительные результаты.
Как правило, реализация любого нового технического предложения неотъемлемо связана с решением широкого круга вопросов общего и частного характера. Это, прежде всего, вопросы, связанные с поиском путей
совершенствования импульсных линейных ЭМД и их рабочих процессов с
целью рационализации и выявления возможностей создания
высокоэкономичных конструкций, наиболее полно удовлетворяющих современным требованиям, предъявляемым к импульсным силовым устройствам, включая решение вопросов технической реализации эффективных способов управления ими, и многое другое.
Решению этой научной проблемы посвящена данная диссертационная работа.
Диссертация выполнена в Новосибирском государственном техническом университете Министерства образования и науки РФ и обобщает результаты научных исследований и практических разработок автора в период с 1986 по 2004 годы. Настоящая работа является продолжением комплекса работ по созданию импульсных линейных электромагнитных двигателей и машин с улучшенными технико-экономическими показателями, предназначенных для средств механизации трудоемких технологических процессов, проводимых в соответствии с планом НИР и внедрения Института горного дела СО РАН в рамках проблемы машиностроения 1.11.1 «Теория машин и систем машин», согласно координационному плану работ научного совета по проблемам машиностроения, а также по техническим заданиям хоздоговорных работ.
Цель работы и задачи исследования. Цель работы состоит в разработке и создании научно обоснованных методов и технических средств, направленных на повышение энергетических показателей импульсных линейных электромагнитных двигателей, построенных на основе новых инженерно-технических решений.
Для достижения цели поставлены следующие основные задачи: 1. Провести классификационный анализ машин с импульсными ЭМД, в рамках общепринятых энергетических критериев установить современный технический уровень, сформулировать пути дальнейшего повышения энергетических показателей.
Установить взаимосвязь показателей рабочих процессов и выходных характеристик с учетом определяющих факторов, оказывающих влияние на режимы работы импульсных ЭМД.
Установить влияние начального уровня магнитной энергии в системе на характеристики движения, выполнить математическое описание энергопреобразовательных процессов на основе энергетического баланса системы.
Разработать и обосновать принципы построения импульсных ЭМД, сформировать и синтезировать их структуры, обеспечивающие высокие динамические и энергетические характеристики.
Выполнить анализ импульсных ЭМД в нестационарных режимах, определить условия реализации максимального к.п.д. и энергии удара, выработать рекомендации, позволяющие наиболее эффективно использовать новые технические решения.
Установить закономерность влияния определяющих входных параметров на предельную энергию в объеме ЭМД.
Обосновать и технически реализовать эффективные способы управления импульсными ЭМД в цикле.
Методы исследований выбирались исходя из постановок решаемых задач. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений электродинамики и теории электрических цепей. Поиск количественных соотношений между исследуемыми параметрами осуществлялся с помощью аналитических методов математического анализа. При создании универсального программного комплекса для анализа динамических процессов использовались методы математического моделирования, методы расчета магнитных полей, численные методы решения дифференциальных уравнений. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялся специализированный пакет программ Mathcad 2000.
Достоверность полученных результатов исследования определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых математических моделей, а также степенью совпадения теоретических и практических результатов, полученных экспериментально на реальных моделях импульсных линейных электромагнитных двигателей в лабораторных и производственных условиях с использованием специально разработанных стендов и методик.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими положениями.
Разработана методика расчетов низкочастотных электромагнитных машин, устанавливающая взаимную связь показателей рабочих процессов и выходных характеристик машин, которая, в отличие от известных, позволяет оптимизировать соотношение, выражающее связь между энергией и количеством одиночных рабочих циклов.
Развит подход к осуществлению эффективных энергопреобразовательных процессов в импульсных ЭМД, который заключается в использовании режима индуктивного накопителя магнитной энергии, и установлено влияние степени запаса магнитной энергии на характеристики движения.
Разработаны принципы построения новых типов управляемых по механическому каналу ЭМД, интегрированных с устройствами нагружения якоря, отличающиеся от известных объединением магнитопроводов и источников намагничивающих сил, что обеспечивает повышение удельных энергетических показателей.
Разработан способ динамического аккумулирования электромагнитной энергии, обеспечивающий при циклично-ударной нагрузке одновременное увеличение к.п.д. и энергии удара, представлено математическое описание энергопреобразовательных процессов.
Разработана структурная динамическая модель электромагнитного двигателя. На основании процессов энергопреобразования в предложенной модели ЭМД сформулированы условия получения управляемого процесса движения и движения при повышенной мощности.
Определены условия реализации максимального к.п.д. и энергии удара ЭМД при вариации начального уровня магнитной энергии.
Предложена методика расчета энергии удара в объеме ЭМД и выполнен анализ входных параметров, оказывающих влияние на предельные показатели в нестационарных режимах.
Теоретически обоснованы и осуществлены новые способы управления ЭМД, новизна которых подтверждается патентами на изобретения.
Основные положения, выносимые на защиту:
Взаимосвязь показателей рабочих процессов с выходными характеристиками ЭМД, позволяющая оптимизировать соотношение между энергией удара и количеством циклов.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов аккумулирования магнитной энергии в ЭМД и ее влияния на характеристики движения.
Разработанные структуры и технические решения по реализации интегрированных ЭМД, построенных по принципу объединения магнитопроводов и источников намагничивающих сил.
Разработанные способы управления, обеспечивающие изменение в рабочем цикле начального уровня электромагнитной энергии с широким диапазоном регулирования энергии удара.
Условия реализации максимального к.п.д. и энергии удара при вариации начального уровня магнитной энергии.
Предложенная структурная динамическая модель импульсного ЭМД и результаты ее анализа.
7. Результаты исследований предельных характеристик импульсных линейных ЭМД.
Практическая ценность работы заключается в решении научно-технической проблемы повышения энергетических показателей импульсных ЭМД, создании технических средств и способов управления, обеспечивающих повышение использования электрической энергии в рабочем цикле, направленных на снижение массогабаритных показателей и энергопотребления в технологическом процессе. В разработке и реализации принципиально новых конструкций линейных импульсных ЭМД и созданных на их основе машин, соответствующих лучшим мировым образцам, что подтверждается патентами РФ. В совокупности полученных теоретических и практических результатов, моделирующего программного комплекса, позволяющих адекватно реальным условиям отражать процессы в статических и динамических режимах функционирования, уточнять параметры и повышать точность расчетов, создавать инженерные методы расчета, расширять функциональные возможности и область применения ЭМД.
Реализация результатов работы. Основные результаты были получены в ходе работ, проводимых в соответствии с планом НИР и внедрения Института горного дела СО РАН в рамках проблемы машиностроения 1.11.1 «Теория машин и систем машин»; согласно координационному плану работ научного совета по проблемам машиностроения и технологических процессов АН СССР на 1986-1990 г.г., утвержденному постановлением Президиума АН СССР №11000-494-1216 по теме «Разработка методов создания горных и строительных импульсных машин и механизмов на основе исследования рабочих процессов»; в соответствии с «Решением Координационного совета по научно-техническому сотрудничеству институтов СО АН СССР и предприятий Главных управлений» от 23.06.87 №30-21-01/307 по теме «Оценка возможности применения электромагнитных
машин возвратно-поступательного действия в технологических процессах штамповки порошковых материалов и проката тонкостенных изделий». В ходе госбюджетной НИР, проводимой в НГТУ по теме 1.15.00Д, и хоздоговорных НИР, выполняемых по заказам предприятий и организаций, заинтересованных в разработке средств механизации трудоемких технологических процессов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании по проблеме «Силовые импульсные системы» (Новосибирск, 1987 г.); объединенных научно-технических семинарах Института горного дела СО РАН (Новосибирск, 1989 г., 1992 г.); семинаре «Горные строительные вибрационные машины и процессы» (Новосибирск, 1988 г.); Республиканском научно-техническом семинаре «Ударные процессы в технике» (Фрунзе, 1988 г.); второй Международной конференции «Механизмы переменной структуры и виброударные машины» (Бишкек, 1995 г.); научно-технической конференции «Строительные материалы и технологии» (Новосибирск, 1997 г.); одиннадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (Россия, Екатеринбург, 1998 г.); пятой, шестой международных конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2000, АПЭП-2002; (The 5, 6 - International scientific-technical conference «Actual Problems of electronic instrument engineering», APEIE-2000, Россия, Новосибирск, 2000> APEIE-2002, Россия, Новосибирск, 2002); 40-ой научно-технической конференции «Челябинскому агроинженерному университету 70 лет» (Челябинск, 2001г.); Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (Россия, Томск, 2001 г.); шестом Российско-Корейском международном симпозиуме «Наука и технологии» (The 6-th Russia-Korea Intern. Simp, on Science and Technology - KORUS-2002, Россия, Новосибирск, 2002); Международной научно-технической конференции
"Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы" (Россия, Томск, 2003 г.); пятой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (Крым, Алушта, 2003 г.)
Отдельные результаты работы экспонировались на пятой юбилейной Международной выставке «Машиностроение - 2003», Международной выставке «Ретекмаш - 2003», «Машкомп - 2003», «Интехмаш - 2003», «Метрмаш - 2003», «Элекмаш - 2003», проходивших в рамках Международной промышленной недели в выставочном комплексе «Сокольники» (Москва, 2003 г.)
Публикации. Основные результаты теоретических и
экспериментальных исследований опубликованы в 43 печатных работах, в числе которых 3 авторских свидетельства и 6 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 266 наименований и 4 приложений. Основной объем диссертации 365 страниц текста, включая 102 рисунка и 15 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена научная проблема, актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.
В первой главе подробно изложено состояние вопроса практического применения импульсных линейных электромагнитных двигателей. Приведен краткий обзор истории развития электромагнитного привода в нашей стране и за рубежом, свидетельствующий о сложности и противоречивости этого процесса. Выявлена современная тенденция и перспектива развития электромагнитных машин на примере ручных ударных машин прямого
действия с электромагнитным приводом и с электромеханическим преобразованием вращательного движения ротора в возвратно-поступательное движение ударника при помощи промежуточных передач.
В главе дан анализ основных показателей линейных машин с ЭМД. С помощью анализа характеристик электромагнитных машин, проведенного в соответствии с системой общепринятых энергетических критериев, отражен достигнутый уровень основных выходных показателей и тенденция их изменения. Здесь же рассмотрены перспективные направления решения задач, связанных с повышением удельных силовых и энергетических показателей электромагнитных ударных машин. Показана взаимосвязь рабочих процессов и выходных показателей в различных режимах с учетом влияния тепловых нагрузок. Выполнен анализ структур импульсных ЭМД и выявлены особенности их работы в динамических процессах при взаимодействии с составными частями электромеханической системы в цикле, являющемся совокупностью последовательно протекающих электромагнитных и механических процессов, идентично повторяющихся во времени.
Во второй главе изложены и обоснованы принципы построения новых
структур управляемых ЭМД, обеспечивающих повышение энергетических
показателей по сравнению с показателями существующих
электромагнитных импульсных устройств. При построении предлагаемых структур используется принцип аккумулирования начального запаса магнитной энергии в индуктивностях системы в различных режимах. С помощью уравнения баланса сил теоретически показано влияние противодействующего усилия на характеристики ЭМД. Показана предпочтительность осуществления способа форсировки за счет аккумулирования магнитной энергии по отношению к способу, для которого необходим источник питания с повышенным напряжением. Сформированы основные требования, предъявляемые к устройствам, обеспечивающим
совместно с ЛЭМД увеличение полезной мощности, передаваемой в
механическую подсистему, и улучшение энергетики происходящих
процессов. Здесь же показана техническая реализация способа статического
индуктивного накопителя магнитной энергии. Предложена новая концепция
построения электромагнитных двигателей, управляемых по механическому
каналу и интегрированных с устройствами нагружения якоря по принципу
объединения с общим магнитопроводом и с общим источником
магнитодвижущих сил, которые по сравнению ЭМД с автономным
нагружением имеют более высокие технические показатели. Для
осуществления принципов построения интегрированных ЭМД применен
способ формирования магнитной системы двигателя, использующий его
пространственную геометрию, т.е. взаимное расположение
взаимодействующих элементов (участков магнитопровода), реализованный автором ранее при формировании периодических дискретно-однородных структур.
В главе показана реализация способа динамического аккумулирования магнитной энергии, не требующего использования специальных устройств, где накопление магнитной энергии осуществляется непосредственно в рабочем цикле в период холостого хода якоря, что также обеспечивает существенное повышение энергетических показателей электромагнитных машин.
В третьей главе рассмотрены процессы энергопреобразования в рабочих
циклах в режиме аккумулирования магнитной энергии. Предварительно
приведены различные рабочие режимы неуправляемых ЭМД в зависимости
от характера воздействия противодействующего усилия. Уделено особое
внимание исследованию и анализу процессов при передаче механической
мощности и возможности управления ими в цикле. Предложена на уровне
структурной схемы модель электромагнитного преобразователя,
отличающегося от известных наличием внутреннего источника
электромагнитной энергии с включением дополнительного канала передачи мощности из магнитной в механическую подсистему. Показаны принципиальная возможность и условия реализации режима, в котором имеет место превышение механической мощности на выходе по отношению к мощности источника на входе, что было подтверждено экспериментально.
В главе уделено особое внимание разделу, касающемуся интенсификации рабочих процессов в режиме аккумулирования электромагнитной энергии. Рассмотрены энерго преобразовательные процессы и выполнено их математическое описание в течение полного цикла в режиме статического и динамического индуктивного накопителя энергии, в основу которого положен баланс энергий электромеханической системы, учитывающий баланс элементарных энергий.
Четвертая глава посвящена исследованию динамических режимов работы импульсных ЭМД в цикле, выполненных с помощью анализа и расчета электромагнитных полей. В соответствии с поставленными задачами исследования разработан метод расчета ЭМД, в основу которого положены конечно-элементное моделирование электромагнитного поля и метод Ньютона, позволяющий обеспечить достаточно высокую скорость сходимости процесса при решении нелинейной системы конечноэлементных уравнений. Предложенный метод позволил без всякого рода допущений, упрощающих решение задачи, получить характеристики электромагнитного поля с учетом геометрии двигателя, движения его конструктивных элементов, влияния вихревых токов и насыщения магнитной системы. Полный учет нелинейных эффектов, связанных с зависимостью магнитной проницаемости от индукции магнитного поля, а также учет влияния вихревых токов позволил получить практически полное совпадение расчетных данных с экспериментами.
Разработанный вычислительный аппарат и реализующий его программный комплекс позволил получить максимальные показатели в
нестационарных режимах и выполнить оптимизацию параметров Л ЭМД, имеющего нетрадиционную форму элементов активной зоны магнитопровода, как на этапе проектирования машины, путем задания различных магнитных и электрических свойств железа, геометрических размеров и конструктивных элементов двигателя, входящих в состав электромеханической системы, так и в процессе эксплуатации, за счет подбора оптимальной формы входного напряжения, начального уровня энергии запасаемой в магнитном поле системы.
В пятой главе рассмотрены вопросы расчета статических
характеристик и оптимизации геометрических размеров электромагнитных
двигателей и их отдельных элементов. В соответствии с поставленной
задачей исследований разработана математическая модель
электромагнитного двигателя с изменяемой архитектурой активной зоны, описываемая системой уравнений Максвелла, решение которой выполнено при двухмерной постановке задачи в цилиндрических координатах. С помощью разработанного программного комплекса получены достоверные силовые статические тяговые характеристики ЭМД, проверенные экспериментально, что позволило установить степень влияния геометрических параметров основных элементов магнитной цепи на форму тяговых характеристик. При использовании достоверных статических характеристик решена задача оптимизации отдельных конструктивных элементов магнитной системы ЭМД. В частности, получены практические рекомендации, устанавливающие взаимосвязь высоты стопа с основными размерами и величиной хода, необходимые для проектирования. Предложена методика инженерного расчета статических тяговых характеристик ЭМД с двумя рабочими зазорами и комбинированным якорем при относительно больших воздушных зазорах.
Шестая глава посвящена исследованию предельных режимов работы импульсных ЭМД и реализации эффективных способов управления ими в цикле.
Исходя из максимума электромагнитного усилия, выполнена оценка максимальной скорости механического движения якоря и энергии в оптимальном объеме ЭМД. На примере низкочастотных ударных устройств рассмотрена практическая реализация способов эффективного управления ЭМД в цикле при работе последнего в режиме статического и динамического аккумулирования магнитной энергии.
С помощью энергобаланса механической системы проведен анализ энергетической эффективности способов управления однообмоточными ЭМД в режиме динамического индуктивного накопителя энергии. На основании сравнительного анализа способов формирования ударных импульсов для схем ЭМД, у которых в одном случае рабочий ход осуществляется только под действием пружины, а в другом под действием электромагнитной силы, установлена рациональная область их использования.
Заключение содержит характеристику основных результатов проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований.
Настоящая диссертационная работа выполнялась в Новосибирском государственном техническом университете, и содержит результаты исследований, полученные при непосредственном участии автора за период с 1986 по 2004 годы. Работа соответствует Приоритетным направлениям науки и техники (от 21.07.96, №2727п-П8) и Критическим технологиям федерального уровня (от 21.07.96, №2728п-П8) по разделу «Энергосберегающие технологии межотраслевого применения».
На протяжении большей части периода проведения научной работы автор настоящего исследования трудился в составе научных коллективов ИГД СО РАН под руководством д.т.н., проф. Ряшенцева Н.П. и д.т.н., проф.
Угарова Г.Г., оказавших помощь в решении научных и практических вопросов. Автор признателен д.т.н., проф. кафедры прикладной математики Соловейчику Ю.Г. за совместное сотрудничество при решении ряда вопросов, что способствовало улучшению качества работы. Автор также выражает благодарность сотрудникам кафедры д.т.н., проф. Инкину А.И. и д.т.н., проф. Малинину Л.И. за оказанную поддержку и полезные замечания, которые были учтены в процессе выполнения диссертации.
Современная тенденция и перспективы развитияэлектромагнитных машин на примере ручных ударных машин сэлектромеханическим преобразованием энергии
Производство ручных ударных машин с электромагнитным импульсным приводом составляет значительную часть от всего объема производимых сегодня в России и за рубежом линейных машин ударного действия [5, 26, 63]. В тоже время количество производимых ручных ударных электромашин прямого действия составляет незначительную долю (менее 0Д%) от количества аналогичных по назначению машин с электромеханическим приводом вращательного действия. Однако уровень этого показателя, несмотря на свою «экзотичность», не сдерживает процесс продолжающегося совершенствования ручных ударных машин с электромагнитным приводом импульсного действия. Достаточно отметить, что в начале 90-х годов на внутреннем рынке появилось пять новых типоразмеров электромагнитных машин ударного действия, производимых рядом предприятий России, а также единственным в СССР заводом электроинструментов в г. Даугавпилсе, реорганизованным в настоящее время в Государственную фирму «DauER» Латвийской республики.
Проанализируем современный уровень и тенденции развития ручных ударных машин с электромеханическим преобразованием при помощи промежуточных механических передач вращательного движения ротора в возвратно-поступательное движение ударника и машин прямого действия с линейным электромагнитным приводом.
В более мощных электромеханических ударных машинах, в основном промышленного применения, для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательнное движение бойка используется, как правило, кривошипно-шатунный механизм и компрессионно-вакуумная связь между подвижным элементом привода и ударником [69, 71]. Как правило, дорогостоящие электромеханические машины с компрессионно-вакуумной связью обладают достаточно высокой надежностью. В этих машинах поршень и боек упруго связаны сжатым воздухом. Образующаяся при работе воздушная подушка между поршнем и бойком передает энергию привода в рабочий орган.
В ударных электромеханических машинах малой мощности для воспроизведения удара используется более простая кинематическая связь между двигателем и ударником, обеспечивающая непосредственное, без дополнительных промежуточных передач, механическое преобразование вращательного движения ротора в ударные импульсы. К данному типу машин следует отнести сверлильные машины ударно-вращательного действия. От обычной дрели эти машины отличаются наличием ударного механизма, обеспечивающего дополнительную функцию долбления в режиме сверления. По сравнению с дорогостоящими компрессионно-вакуумными ударными машинами ударные дрели имеют сравнительно низкую энергию удара и значительно большую частоту ударов (до 50000 ударов в минуту) при сравнительно невысокой стоимости. Электромеханические машины с таким ударным механизмом составляют основную массу производимых в мире ручных машин ударно-вращательного действия и предназначены в основном для бытовых нужд.
Первая промышленная партия электромеханических молотков была выпущена в 1930 г. немецкой фирмой Siemens-Schukkert За рубежом почти весь объем ручных машин ударного и ударно-вращательного действия составляют электромеханические машины, преимущественно использующие привод с коллекторными двигателями, таких известных фирм, как BOSCH, AEG, МЕТАВО (Германия), KANGO (Англия), Black & Decker (США), HILTI (Лихтенштейн), HITACHI, МАКЛТА (Япония), SKIL (Нидерланды), SIMBI (Италия), DeWALT (Австрия).
В СССР разработкой ручных ударных электромеханических машин занимались НПО «ВНИИСМИ» (Москва) и завод «Электроинструмент» (Даугавпилс). Разработанные и производимые электромеханические ручные ударные машины предприятиями СССР были предназначены главным образом для удовлетворения производственных нужд предприятий. В конструктивных схемах таких машин использовался в основном асинхронный привод нормальной и повышенной частоты, реже коллекторный, и при относительно высокой энергии удара (10...20 Дж) они обладали достаточно большой массой [71]. Сравнение отечественных и аналогичных им машин зарубежных фирм (табл. 1.2 и табл. 1.3) показывает, что отечественные машины имеют более низкие показатели по удельной энергии удара и удельной ударной мощности.
За более чем вековую историю развития электромеханических ручных ударных машин были определены наиболее рациональные принципы построения этих машин, их конструктивные схемы, оптимальные параметры и режимы работы. Современное производство электромеханическихударных машин ориентировано сегодня на использованиевысокоскоростного регулируемого привода на базе коллекторных двигателей переменного тока, полностью вытеснившего нерегулируемый асинхронный привод ввиду его бесперспективности.
Интенсификация процессов в режиме аккумулирования электромагнитной энергии в импульсных линейных ЭМД
Из приведенных в табл.3.1 магнитных циклов для двигательных режимов принципиально отличаются режимы №4 и №5. Особенностью энергопреобразования в режиме №4 является отсутствие приращенияобменной энергии магнитного поля dW3M =0, т.е. вся электромагнитная энергия системы, преобразованная из электрической, полностью преобразуется в механическую работу dW3M = dAMex В режиме №5 работа совершается только за счет изменения обменной энергии, запасенной в магнитном поле на начальном этапе движения, так как энергия из сети не поступает. Техническая реализация данного режима осложнена тем, что управление процессом через цепи питания исключено.
Кроме указанных режимов преобразования электромагнитной или обменной электромагнитной энергии в механическую работу, в электромагнитную энергию может быть преобразована энергия, переданная внешними механическими силами, которые направлены встречно электромагнитным (например, режим противовключения), что соответствует генераторному режиму. Для генераторного режима №6 в зависимости от интенсивности внешнего воздействия процесс энергопреобразования может развиваться по двум основным направлениям. В первом варианте механическая энергия, потраченная на преодоление электромагнитного усилия при перемещении якоря, будет превращаться в электромагнитную с одновременным превращением электрической энергии источника также в электромагнитную энергию. Во втором варианте механическая энергия якоряпреобразуется в электромагнитную с последующим преобразованием в электрическую.
При работе ЛЭМД следует выделить динамический и статический режимы. Статический режим при неподвижном якоре характеризуется увеличением тока в обмотке до величины тока трогания, увеличением магнитной энергии и электромагнитного усилия. Наибольшее проявление данный режим имеет место, когда противодействующее усилие в момент трогания обеспечивает 2...5 кратное превышение тока трогания относительно номинального Очевидно также, что при фиксированном положении якоря, работа не совершается (dAMex=0), следовательно, вся поступающая из сети электромагнитная энергия запасается в магнитном поле:
Причем следует еще раз подчеркнуть, что только при отсутствии движения, энергия электромагнитного поля преобразуется в магнитную, что также характеризуется численным равенством дифференциалов энергии электромагнитного (dW3M) и магнитного (dWM) поля при сопоставлении (3.1) и (3.2):
Для процесса движения эти дифференциалы всегда различны dW3M dWM. Данное обстоятельство было ранее отмечено в [133, 134] и не нуждается в дополнительном уточнении.
При установившемся токе в обмотке энергия, потребляемая из сети, расходуется только на покрытие тепловых потерь в обмотке. Питание от источника энергии обеспечивает только сохранение магнитной энергии в системе. Для ряда устройств, используемых в коммутационной аппаратуре, работа в заторможенном состоянии является основным режимом [126, 128..Л31], в отличие от ЛЭМД, совершающих полезную работу только засчет движения. При этом электрическая энергия в электромагнитную непреобразуется, и необходимость использования данного режима, какправило, сводится к минимуму [26, 28].К другому предельному случаю динамического режима следует отнестирежим, для которого характерно отсутствие противодействующей силы наинтервале всего рабочего хода. Наличие противодействующей нагрузкиобусловлено только силами естественного механического сопротивлениятрением. За счет максимального значения ЭДС движения е = ,вызванного изменением тока и индуктивностью системы, ток даже в концепроцесса энергопреобразования будет минимальным. Для этого режимахарактерен самый низкий уровень преобразования полезной механическоймощности.В зависимости от характера изменения противодействующего усилия на фиксированных интервалах между начальным и конечным положениями якоря ЭМД может находиться в различных режимах (см. табл. 3.1).
Одним из важных факторов в процессе работы, оказывающих существенное влияние на режимы энергопреобразования ЛЭМД, являются начальные условия. В п.1.5 была отмечена степень их влияния в цикле в зависимости от исполнения конструктивной схемы и положения ее в пространстве. Использование начальных условий следует оценивать как интенсификацию энергопреобразовательных процессов, обеспечивающую более эффективную и экономичную работу силовых ЭМД. При этом происходит предварительное накопление количества энергии с последующим ее использованием для совершения механической работы с потреблением энергии от источника питания. Как правило, подобные схемы достаточно громоздки (см. п. 1.5). Реализация форсировки в режиме статического и динамического индуктивного накопителя в большей степени зависит от количества аккумулируемой энергии к началу рабочего хода. Возможны и другие режимы, которые являются частными случаями приведенных или их комбинацией. Задачей дальнейших исследований является оценка эффективности процессов энергопреобразования при различных режимах
Процессы передачи механической мощности и возможностьуправления ими в цикле
Анализ энергетических процессов при электромеханическом преобразовании энергии в течение полного рабочего цикла ЛЭМД показывает достаточно сложную картину происходящих явлений. Это относится, прежде всего, к процессам передачи и циркуляции мощности в индуктивностях системы в динамических режимах, которые оказывают влияние на характер изменения тока и конфигурацию магнитного цикла, анализу которых посвящена данная работа.
При получении мощностных соотношений использовался подход, изложенный в [122, 123, 127], связанный с анализом режимов работы электромагнитных двигателей с линейной магнитной системой на основании баланса элементарных энергий. Это позволило при обычных допущениях о пренебрежении вихревыми токами и явлениями гистерезиса получить достаточно простые для анализа соотношения. В отношении принятых допущений, следует отметить, что в основном они не отличаются от общепринятых, применяемых в расчетах подобного рода. В исследованиях также было положено, что на участках движения обменная электромагнитная энергия определяется величиной магнитной энергии, что позволяет использовать для анализа элементарные магнитные циклы. Поэтому на данном этапе исследований полагаем, что основная функция силовой электромеханической системы состоит в получении механической работы, которая на фиксированном участке движения может быть представлена в виде приращений, выраженных через интегральные значения. Далее установим соотношения между различными формами энергии, выражая их через входные величины при относительно малых изменениях состояния системы.
По аналогии с [122, 123], определяя вид переходной кривой динамической характеристики намагничивания) в виде элементарных
магнитных циклов, ограничимся в исследованиях наиболее характерными режимами движения (табл. 3.1): движением при нарастании тока и потокосцепления (Ч/Н кї ід ік) движением при постоянном токе и увеличивающемся потокосцеплении ( H IO і = const), режиме при уменьшающемся токе и увеличивающемся потокосцеплении Далее использование понятия линейности магнитной системы, как одного из главных допущений, а также понятия элементарного цикла [123, 127] позволяет определить дифференциал магнитной энергии (dWM) в виде приращений полных дифференциалов для потокосцепления (d4P ) и для тока (di).
При относительно малом изменении координаты положения якоря дифференциал энергии магнитного поля будет определяться как
Соотношение (3.3) и уравнение элементарного баланса энергии позволяет осуществить выделение механической мощности из электромагнитной:
В общем случае качественный процесс циркуляции мощности в цикле можно оценить через отношение мгновенных мощностейкоторое характеризует степень преобразования электромагнитной энергии в механическую работу. Следовательно, при малых приращениях dx « Дх отношение мощностей может быть представлено в виде отношения элементарных энергий, выраженных в виде площадей, соответствующих участков элементарных магнитных циклов Для первого режима работы при относительно малом перемещении якоря Дх будем иметь приращения для потокосцеплений энергопреобразования приращение механической энергии через конечные приращения потокосцеплении и токов определится как Приращение электромагнитной энергии за тот же период времени равно Выделенные через разностные приращения4 составляющие элементарного баланса механической (3.5) и электромагнитной (3.6) энергии позволяют представить уравнение которое следует считать основным в исследованиях подобного рода Для сопоставления режимов соответствующих циклов выведем обобщенную зависимость для (3.4), удовлетворяющую любому режиму энергопреобразования. Вводя в (3.7) относительные безразмерные нормированные величины для токов и потокосцеплении, позволяющих учесть через соотношения особенности идеализированного цикла, окончательно получим
Учесть все особенности процессов в элементарном цикле по обобщенной зависимости (3.8 позволяют принятые интервалы изменения численных значений безразмерных относительных величин . Исследования проводились в диапазонах кратности изменения значений, близких к реальным, т.е. т=[0,1...Ю] и п=[0,1...0,99]. Например, при 0,1 т 1 процесс соответствует движению при увеличивающемся токе, а при т 1 режиму движения при его уменьшении. Диапазон кратности изменения для п в исследованиях был ограничен только процессом движения при увеличивающемся потокосцеплении. Соотношение (3.8), показывающее степень преобразования электромагнитной энергии в механическую работу, использовалось в расчетах для количественного анализа долевого участия составляющих энергий при передаче механической мощности из магнитной подсистемы в механическую. представлены графики зависимости мех = f (п) для некоторых Рэм произвольных фиксированных значений т. Зависимости, приведенные на отражают процесс передачи мощности за время движения. Рис. 3.2. Зависимости циркуляции мощности за цикл энергопреобразования для различных режимов работы
Из зависимостей на рис.3.2 следует, что при передачи мощности из магнитной в механическую подсистему и преобразовании ее в механическую работу доля участия составляющих электромагнитной и магнитной мощности различна. Заштрихованная область (рис.3.2) характеризует процесс передачи электромагнитной энергии источника в механическую подсистему и в магнитную, запасаемую в поле. Область без штриховки определяет одновременный процесс передачи электромагнитной и магнитной энергии в механическую подсистему. При движении в данной области магнитная энергия в системе уменьшается, переходя в энергию механического движения. В режиме, в котором х si, т.е. при работа производится только за счет поступающей в механическую подсистему электромагнитной энергии, получаемой от источника при постоянстве магнитной энергии.
Полные результаты исследований представлены в виде столбчатой диаграммы (рис.3.3), отражающей количественный показатель участия составляющих электромагнитной энергии, получаемой от источника питания, и магнитной энергии, запасаемой в поле магнитной подсистемы на этапе движения при преобразовании их в механическую работу в зависимости от кратности изменения указанных величин за полный рабочий цикл. Анализ полученных зависимостей в полной мере раскрывает качественную сторону процессов за полный цикл и показывает количественную долю участия составляющих элементарных энергий вэнергопреобразовании.
Взаимосвязь высоты стопа с основными размерами ЭМД и величиной хода якоря
Практическое использование силовых ЭМД броневой цилиндрической структуры с двумя рабочими зазорами и комбинированным якорем показало, что наряду с основными геометрическими размерами, важным параметром оказывающим существенное влияние на удельные показатели, является высота стопа.
Известные из [209, 243] рекомендации по выбору данного параметра, полученные экспериментально, не позволяют в полной мере удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к ЭМД. В особенности это несоответствие проявляется при совершении механической работы с относительно небольшим по отношению к максимальному ходу перемещением рабочих органов, для таких операций, как клеймение, безударное прессование. Особенность данных операций состоит в сочетании максимальной механической работы и усилия и осуществляется на конечном участке тяговой характеристики, когда в значительной степени сказывается насыщение магнитопровода.
Для детального уточнения взаимосвязи высоты стопа с основными размерами ЭМД и влияния на них величины хода якоря были выполнены углубленные исследования, с привлечением математической модели двухзазорного ЭМД с комбинированным якорем по алгоритму п.5.3.1. В основу алгоритма положен расчет статической тяговой характеристики, по которой производился расчет интегральной работоспособности, позволяющей судить о возможности сообщения якорю кинетической энергии для совершения механической работы.
Для упрощения дальнейшего сравнения результатов исследований предельная работоспособность определялась в одном диапазоне хода якоря 5 = 25мм, что составляло примерно третью часть от максимального хода. Частично результаты расчета статических тяговых характеристик одного из вариантов ЭМД, оформленные в виде таблиц, приведены в приложении П.2 (см. табл. П.2.1 — 2.4) с выводом всех параметров.
Результаты обработки статических характеристик представлены в виде графиков (рис.5.3...5.6), которые позволяют получить рекомендации для рационального проектирования ЭМД. В процессе моделирования постоянство величины рабочего хода с изменением высоты стопа компенсировалось за счет изменения длины якоря, что гарантировало условие сохранения массы. увеличения отношения —-, и при произвольном выборе высоты стопа в диапазоне значений (0...1,0)lK длины катушки в самом худшем варианте работоспособность может снизиться на 10% от ее максимального значения. Зависимости относительной Рис.5.4. Зависимости относительной интегральной работоспособности от интегральной работоспособности от относительной высоты стопа при относительной высоты стопа приненасыщенных участках насыщении участков магнитопроводамагнитопровода
С целью определения влияния степени насыщения на оптимальную высоту стопа на рис.5.4 представлены зависимости аналогичные варианту исследований, приведенного на рис.5.3, отличающиеся повышенным значением МДС обмотки более чем в семь раз.
Из сравнения рис,5.3 и рис.5.4 видно, что с насыщением участков магнитопровода наблюдается смещение максимумов в сторону увеличения и отношения ——, причем произвольный выбор высоты стопа в диапазоне к значений (O.„l,0)lK длины катушек может понизить работоспособность на 30% относительно оптимального варианта. Таким образом, для насыщенных ЭМД выбор оптимальной высоты стопа является более критичным.
С целью выработки рекомендаций для проектирования представлены зависимости для выбора высоты стопа, обеспечивающие максимальную работоспособность ЭМД в зависимости от величины рабочего хода. hc
Область рекомендуемых относительных значений высоты стопа по отношению к величине рабочего хода из условия получения максимальной работоспособность Зависимости представлены с областью разброса 1% относительно максимума работоспособности для слабонасыщенных (кривая 1) и сильнонасыщенных (кривая 2) магнитных систем.
В процессе моделирования также исследовано влияние радиальных размеров магнитной системы на оптимальные размеры стопа, для которых отношение диаметра якоря к диаметру обмотки определено в диапазоне значений х = 0,5...0,75. Установлено, что в диапазоне рекомендуемых значений отношения —- варьирование параметра х = —— не приводит к 1К исущественному изменению показателя, однако наибольший максимум наблюдается для области значений представлены зависимости максимального и начального тягового усилия от высоты стопа, однако, несмотря на наличие выраженных максимумов, все они достаточно хорошо согласуются с рекомендуемой при проектировании областью значений (рис.5.5). .Зависимости максимального и начального к усилия от относительной высоты стопа
Таким образом, в процессе исследования удалось установить, существование некоторых оптимальных значений высот стопа, зависящих не только от величины хода и основных соотношений размеров, но и от степени насыщения стальных участков магнитопровода.
