Введение к работе
Актуальность работ. Последние три десятилетия развития современной электротехники, эле' : оники и электромашиностроения характеризуются широким освоением и применением новых высокоэнергетнческих постоянных магнитов (ПМ) на основе соединений редкоземельных элементов с кобальтом и железом (S1T1C05, Srri2(Co,Fe)i7, NdjFe^B, и др.). Значительный прогресс в совершенствовании технологии производства этих магнитов позволит достичь рекордных значений коэрцитивной силы редкоземельных машито твердых материалов (РЗМ), а также создать принципиально новые магнитное системы со сложными видами криволинейной структуры, что в свою очередь поставило ряд новых задач, связанных с намагничиванием, размагничиванием, регулировкой и контролем параметров таких ПМ. Из наиболее сложных и ответственных эбластей применения РЗМ магнитов являются высокомоментные вентильные электродвигатели, в которых ПМ входят не только в составе магнитной системы ротора, но используются и в других узлах: тахогенераторах, датчиках положения, тормозах. При этом технология производства вентильных электродвигателей этдает предпочтение намагничиванию всех его узлов в собранном виде, что и потребовало создания специального намагничивающего оборудования.
Кроме того чрезвычайно высокий уровень коэрцитивной силы РЗМ магнитов потребовал применения более мощных намагничивающих устройств, причем в количественном отношении это требование оказалось настолько значительным, что большинство ранее разработанной намагничивающей и магнитометрической шпаратуры стало практически непригодным. Вследствие высоких пачепнй напряженности намагничивающих полей устройства с замкнутой мап л ной лепью в ряде случаев оказались мхто эффективными, что привело к необходимости развития методов намагничивания в разомкнутой цепи, т.е. с применением индукторов без магнитопроводов, которые в сочетании с импульсными источниками тока позволили решить целый ряд задач по эсуществлению сложных видов намагничивания как отдельных РЗМ магнитов, гак и в составе изделий на их основе, а также разработать новую современную зысокопроизводитедьную аппаратуру для размагничивания, регулировки и контроля параметров этих магнитов.
Содержание защищаемых работ автора состоит из результатов научных
исследований в области использования импульсных магнитных полей для
намагничивания до насыщения новых высокоэнергетических ПМ в составе
иагнитных систем, а также для полного и частичного размагничивания и
сонтроля параметров этих магнитов. Кроме того, в защищаемых работах
приводятся результаты практической реализации разработанного
намагничивающего импульсного технологического оборудования для магнитных :истем с постоянными магнитами в составе высокомоментных вентильных электродвигателей и других устройств.
Актуальность выполненной автором работы подтверждается также тем, что необходимость разработки методов и оборудования для импульсного
намагничивания, размагничивания и контроля высокоэнергетических ПМ была вызвана требованиями научно-технического прогресса в области регулируемых электроприводов на базе нового поколения вентильных электродвигателей с ПМ для станков с ЧПУ и промышленных роботов, для автоматизированных технологических комплексов и для современной бытовой электротехники. Работа по созданию импульсного намагничивающего оборудования проводилась в обеспечение выполнения программы ГКНТ 0.16.10 и постановлений правительства. За последнее десятилетие по заказам предприятий отечественной промышленности и за рубеж ВНИИРом было разработано под руководством автора и поставлено более 50 единиц оборудования различного специального назначения. Это оборудование не уступает лучшим зарубежным образцам и характеризуется высокой надежностью, большим быстродействием, малым потреблением энергии, позволяет осуществить намагничивание до насыщения РЗМ-кобальтовых, РЗМ -железных и других ПМ практически любых сложных форм, а также производить контроль свойств материалов не только на эталонных образцхк, но и на образцах готовых ПМ, или в промежуточных стадиях технологического процесса их изготовления. Оснащение ряда предприятий электротехнической отрасли намагничивающим оборудованием позволило освоить серийное производство новых высокомоментных вентильных электродвигателей (серии ДВУ, ДВМ, 2ДВМ, 2ДВФ, ЗДВМ, 4ДВМ) для приводоз подачи станков, промышленных роботов и других механизмов. Эти двигатели не уступают по своим свойствам и массогабаритным показателям лучшим зарубежным аналогам.
Работа выполнена автором во ВНИИР в содружестве с другими научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими институтами и предприятиями электротехнической и электронной промышленностей, а также с кафедрой ТОЭ Чувашского госуниверситета. При выполнении работы автор опирался на труды ведущих отечественных ученых в области магнитотвердых материалов и ПМ, средств и методов их испытаний, а также в области их применения в электрических машинах, электрических аппаратах, фокусирующих системах и других устройствах.
Целью представленного доклада является краткое изложение основных научных, теоретических и практических результатов работы автора в перечисленных выше направлениях.
Научная новизна выполненных автором работ состоит в следующем:
-
Предложен и теоретически обоснован новый эффективный и высокопроизводительный метод получения сложных видов намагничивания высококоэрцитивных постоянных магнитов, таких как реверсивное многополюсное намагничивание плиточных и кольцевых ПМ с осевой и радиальной текстурой, намагничивание цельных роторов со скошенными полюсами, намагничивание ПМ в составе магнитной цепи готовых изделии. Осуществление сложных видов намагничивания оказалось возможным благодаря сочетанию мощных импульсных конденсаторных источников я одновитковых индукторов специальной геометрии. Конструкции многих индукторов защищены авторскими свидетельствами на изобретения.
-
Разработана методика расчета и проектирования импульсного трансформаторного и бестрансформаторного намагничивающего оборудования и отдельных его узлов (индукторных систем разомкнутого типа и с
магнитопроводом, импульсных согласующих трансформаторов, емкостных накопителей и зарядных устройств). Получены аналитические выражения для индуктивных параметров импульсного согласующего трансформатора специальной конструкции повышенной прочности и для электрических параметров намагничивающих индукторов сложных форм. Предложен новый метод расчета магнитны:; полей индукторов с учетом нелинейности магнитопровода и лаизотропии материала ПМ, основанный на разбиении исходной области на совокупность кусснооднородных элементарных областей с использованием конформных отображений и интеграла Шварца, позволявших осуществить деформацию анизотропного пространства ПМ в целях сведения его к изотропному.
3. Предложена методика определения оптимальных параметров
намагничивающего импульса с учетом крутизны переднего фронта,
обеспечивающих полное намагничивание до насыщения РЗМ-кобальтовых ПМ
заданных размеров. Получены номограммы, позволяющие с достаточной для
практических целей точностью определить требования к указанным параметрам
импульса напряженности намагничивающего поля.
-
Проведено сравнительное исследование физических процессов в схемах двух типов импульсных намагничивающих установок с емкостными накопителями энергии: без согласующего трансформатора (И НУ) и с согласующим трансформатором (ИТНУ). Выявлены важные преимущества ИТНУ в отношении получения сложных видов намагничивания, проанализировано влияние параметров схемы на характер переходного процесса, найдены способы уменьшения амплитуды обратного (размагничивающего) импульса.
-
На основе расчета магнитных полей в рабочей зоне намагничивающих. индукторов проведен сравнительный анализ энергетической эфф-ктивности применения различных типов таких индукторов.
6. Разработан комбинированный метод . полного термомаг-читного
размагничивания РЗМ-кобальтовых ПМ, заключающийся в одновременном
воздействии на образец нагрева и знакопеременного импульсного магнитного
поля затухающей амплитуды. В основе комбинированного метода полного
размагничивания лежит известное яатение обратимого уменьшения
коэрцитивной силы материала с увеличением температуры. Показано, что при
одновременном воздействии нагрева и размагничивающего импульсного поля
полное размагничивание РЗМ-кобальтовых ПМ достигается при относительно
невысоких значениях температуры и начальной амплитуды напряженности
знакопеременного магнитного поля; найдены оптимальные соотношения этих
параметров.
7. Предложен и исследован новый способ получения заданного уровня
размагничивания высокоэнергетических постоянных магнитов, заключающийся в
воздействии на испытуемый образец ПМ серий импульсов магнитного пазя с
амплитудой напряженности импульса, возрастающей по определенному закону.
Предложенный способ обеспечивает высокое быстродействие и гарантированную
в пределах погрешности прибора точность достижения заданного уровня
размагничивания ПМ.
8. Исследован и получил дальнейшее развитие метод контроля гистерезисных
свойств РЗМ магнитов в разомкнутой цепи с применением импульсных
магнитных полей. Разработано и испытано новое высокопроизводительное
автоматизированное оборудование для производственного и технологического контроля свойств высококоэриитивных магнитогвердых материалов на готовых образцах ПМ сложных форм. Предложены формулы для практических расчетов значений динамической погрешности индукционных измерителей импульсных магнитных полей. Разработаны специальные индукторные системы со встроенными индукционными преобразователями импульсных магнитных полей для контроля ПМ сложных форм.
Практическая ценность результатов научных работ автора состоит в разработке и промышленном освоении комплекса импульсного технологического оборудования, позволившего подготовить и освоить производство нового поколения вентильных электродвигателей с высокоэнергетическими ПМ, а также осуществить принципиально новые сложные виды намагничивания РЗМ магнитов в целях их эффективного использования в электромеханике, электронной технике, в приборостроении и других сферах применения.
Решены также сложные технологические проблемы, связанные с созданием нового высокопроизводительного и эффективного оборудования для полного размагничивания, регулировки и контроля РЗМ-магнитов в импульсных магнитных полях.
Созданное под руководством автора и при его непосредственном участии импульсное намагничивающее оборудование по своим рабочим характеристикам не уступает, а по удельным массо-габаритным показателям превосходит лучшие образцы аналогичного оборудования ведущих зарубежных фирм (Magnet Phvsik. Геомания- I DJ.CUJA).
Реализация результатов работы.
Разработанное под руководством и при непосредственном участии автора импульсное технологическое оборудование доведено до практической реализации и внедрено на предприятиях электромашиностроительной промышленности ( ДЭМЗ-г.Днепропетровск, завод Электроаппарат-г.Уфа, ВНИИ ЭЛЕКТРОМАШ-г.С-Петербург, НИИ ЭЛЕКТРОМАШ-г'.Ереван. ПО -УКРЭЛЕКТРОМАШ-г.Харьков, НПО МАГНЕТОН и ВНИПТИЭМ-г.Владимир, завод НВА, завод МАШИНОАППАРАТ, ВНИЭМ-г.Москва, ВНИИР и ЧЭАЗ-г.Чебоксары, завод НВА-г.Тверь, Электрогенераторный завод-г.Сарапул), а также на многих предприятиях друтих отраслей отечественной промышленности ( НПО ИСТОК-г.Фрязино, НИИ ВОЛНА -г.Саратов, КБСМ-г.Москва и яр. )
Использование этого оборудования позволило отечественным предприятиям освоить для станкостроения, робототехники новые вентильные электродвигатели серий ДВУДВМЛБМ,2ДВМ,4ДВМ на базе высокоэнергетических феррит-стронциевых и РЗМ магнитов, а также вентильные микродвигатели для бытовой электротехники.
Разработанное под руководством и при непосредственном участии автора импульсное контролирующее оборудование для РЗМ и ферритовых ПМ и с управлением от микроЭВМ демонстрировалось в 1990г. на международной промышленной выставке в г.Познани, где было приобретено институтом электротехники (г.Варшава). Аналогичное оборудование типа ТКМГП-2 и ТКМГП-4 внедрено в производство на ряде предприятий отечественной промышленности, производящих современные высокоэнергетические ПМ: КБСМ
*7
(г.Москва), завод Полиметаллов (г.Москва),ВНИИЭМ (г.Москва), НИИ ВОЛНА (г.Саратов), НПО МАГНЕТОН (г.Владимир), НИИ Полимеров (г.Гомель). Посташіяемое контролирующее оборудование снабжено управляющими программами, обеспечивающими автоматизированную подачу испытуемых образцов в измерительный намагничивающий соленоид, заряд и разряд емкостного накопителя энергии, обработку сигналов от измерительных индукционных преобг-рэвателей, вычисление контролируемых параметров и протоколирование результатов испытаний
Основные положения, которые выносятся на защиту.
1. Принципы построения электрооборудования для получения сложных видов
намагничивания высокоэнергетических постоянных магнитов и магнитных
:истем на их основе.
-
Новые технические решения по созданию одновитковых индукторных :истем для получения сложных видов намагничивания.
-
Методика расчета импульсных процессов намагничивания в индукторах с разомкнутой цепью и с нелинейным магнитопроводом, а также расчета и проектирования импульсного намагничивающего оборудования и отдельных его
|ОЯОВ.
4. Комбинированный метод полного термомагнитного размагничивания РЗМ-
шбальтовых ПМ и сто практическая реализация.
5. Новый способ получения заданного уровня размагничивания
зысокоэнергетических ПМ в импульсных магнитных полях и его практическая
технизация.
-
Результаты исследований в области разработки метода контроля -истерезисных свойств высокоэнергетических постоянных магнитов в эазомкнутой цепи с применением импульсных магнитных полей.
-
Результаты разработки алгоритмов, обеспечивающих автоматизацию іроцессов частичного размагничивания ПМ импульсными полями до заданного /ровня, а также процесса контроля высокоэнергетических ПМ в импульсном магнитном поле.
8. Практическая реализация работ автора в области создания комплекса
імпульсного технологического оборудования для испытания и намагничивании
іьісоко'знергетических ПМ, обеспечившая выполнение программы ГКНТ 0.16.10
то освоению нового поколения вентильных электродвигателей для
,'Лектроприводов подачи станков и промышленных роботов. Результаты
>азработки отрезков серий таких электродвигателей.
Публикация и апробация. Из печатных работ автора к теме доклада относятся »0, в том числе 1 монография, 2 брошюры, 15 научных статей в центральных куриалах, 35 авторских свидетельств на изобретения. Ссылки на работы, імеюшие теоретический и методолошческий или принципиальный характер, фиведены в тексте доклала.
Основные положения и практические результаты диссертационной работы втора докладывались на ряде Всесоюзных и Всероссийских конференций и іежлуиароднмх симпозиумах по постоянным магнитам, магнитным системам и лектрическим машинам.
Оборудование, разработанное при непосредственном участии и под руководством автора, экспонировалось на 2ДНХ и международной промышленной выставке в г.Познани. Автор награжден серебряной медалью ВДНХ.
