Введение к работе
Актуальность проблемы.
МСС представляют собой наиболее распространенный класс магнитных систем, широко применяемый в электронном приборостроении и других отраслях науки и техники. Важнейшими характеристиками таких систем являются величины получаемых с их помощью механических усилий. Однако конструктивно-технологические возможности улучшения их характеристик реализуются далеко не полностью. Одной из причин этого является несовершенство существующих математических представлений и методов расчета МСС.
При математическом моделировании магнитных систем реализуют обычно следующие основные способы их представления: 1) в виде эквивалентной электрической цепи (схемные модели), 2) в виде совокупности заряженных поверхностей (зарядовые модели), 3) в виде совокупности токовых контуров (токовые модели).
Разработки первого способа моделирования начались еще в начале прошлого века (работы В.Грэмпа, Н. Кальдервуда, Р. Пику), а усовершенствования продолжаются и в настоящее время. Способы зарядового моделирования детально рассмотрены, например, в работах К. Бина и П.Лауренсона. Широкое внедрение ЭВМ позволило разработать на их основе высокоточные методы и программы расчета широкого класса магнитных систем, известные как методы вторичных источников. Широко применяются и методы токового моделирования магнитов и магнитных систем, описанные, например, В.В. Коген-Далиным, Е.В. Комаровым и Ю.М. Пятиным. Их широкое применение в расчетах также стало возможным лишь с широким внедрением ЭВМ.
Однако все эти способы моделирования и основанные на них методы расчета отработаны, как правило, лишь для расчетов распределений магнитного поля магнитных систем, но не для решения задач по расчету механических усилий. В технологии изготовления не всегда учитываются особенности современных магнитотвердых материалов, главным образом по структурно-фазовому составу. Все это затрудняет расчет и оптимизацию конструкций и технологий изготовления силовых магнитных систем, поэтому совершенствование методов их моделирЬв^^яд,$адщг|^ігте*нр-логий изготовления является важной и актуальной зада^ЙЙЛМОТЕкд і
Цель диссертационной работы.
Целью работы является создание математического обеспечения разработок и оптимизации конструкций и технологий изготовления МСС.
Направление исследований.
Направлением исследований является разработка методов математического моделирования и расчета МСС с использованием современных магнитотвердых материалов, позволяющих существенно улучшить конструктивно-технологические параметры МСС.
Методы исследований.
В теоретической части работы используются фундаментальные соотношения электротехники и теории электромагнитного поля и современные методы расчета с ЭВМ. Проведена экспериментальная проверка полученных математических соотношений. В технической части приведены описания разработанных конструкций и технологий изготовления МСС, даны результаты измерений их параметров и сравнение с существующими конструкциями и технологиями изготовления. Описаны применяемые при этом методы и средства измерений.
Достоверность и обоснованность.
Предложенные математические модели базируются на фундаментальных соотношениях электромагнитного поля. Кроме того, достоверность полученных соотношений подтверждена результатами экспериментов и сравнением с данными других авторов в описанных частных случаях.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:
-
Комбинированное применение зарядовой и токовой математических моделей позволяет рассчитывать механические усилия при взаимодействии магнитных систем и постоянных магнитов разных форм между собой и с магнитомягкими элементами, выявить функциональные связи сил взаимодействия с коэффициентами размагничивания магнитов и параметрами токовых моделей и функциональные связи баллистического и магнитометрического коэффициентов размагничивания, вывести принципы масштабирования и оптимального моделирования магнитных силовых систем.
-
Разработанные критерии выбора магнитотвердого материала, основанные на использовании многокоэрцитивной математической модели, и
методика экспериментального определения содержания высококоэрцитивных включений обеспечивают оценку применимости материалов (и, в частности, магнитопластов (МП)) для изготовления постоянных магнитов со сложными распределениями намагниченности.
-
Разработанный на основе многокоэрцитивной математической модели двухэтапный процесс намагничивания магнитов с комбинированным воздействием мапштного поля и температуры расширяет возможности применения современных магнитотвердых материалов и улучшает характеристики магнитов со сложными распределениями намагниченности.
-
Разработанные новые конструкции магнитных систем с комбинированными распределениями направлений намагниченности магнитов обеспечивают значительное увеличение силовых воздействий, позволяют создать системы с отталкивающими магнитомягкие частицы рабочими поверхностями.
Научная новизна заключается в том, что впервые:
-
С помощью комбинированного применения зарядовых и токовых математических моделей получены соотношения, позволяющие с большей точностью рассчитывать силовые взаимодействия магнитных систем, постоянных магнитов с полем токовых контуров и магнитомягкими поверхностями, выявить функциональные связи сил взаимодействия с геометрическими размерами МСС, параметрами электрических моделей и коэффициентами размагничивания магнитов, предложить эффективные критерии оценки качества магнитных ловушек, сепараторов и фильтров.
-
На основе многокоэрцитивной модели разработаны критерии применимости материалов для изготовления магнитов со сложными направлениями намагниченности, способы их экспериментального определения, комбинированный двухэтапный процесс намагничивания таких магнитов, улучшающий их магнитные параметры и расширяющий возможности применения в них современных магнитотвердых материалов.
3) Разработаны эффективные конструкции магнитных систем с комбини
рованными распределениями направлений намагниченности магнитов,
в том числе системы с отталкивающими магнитомягкие частицы рабо
чими поверхностями Обеспечено улучшение технических и массогаба-
ритных характеристик таких магнитных систем. Техническая новизна
устройств подтверждена патентами РФ.
Практическая полезность.
Получены более точные соотношения для расчетов силовых взаимодействий магнитов и ряда широко применяемых типов МСС. Разработано несколько оригинальных конструкций таких систем с улучшенными техническими и массогабаритными характеристиками.
Предложен двухэтапный технологический процесс намагничивания магнитов из высококоэрцитивных материалов, обеспечивающий улучшение магнитных параметров магнитов со сложными распределениями намагниченности и расширяющий возможности применения в них современных магнитотвердых материалов. Выведены критерии применимости материалов в таких магнитах.
Разработан комплекс программ для расчета силовых взаимодействий в наиболее распространенных типах МСС.
Реализация результатов.
Разработанные математические соотношения использованы для расчетов конструкций магнитных ловушек, фрезеров-ловителей магнитных, устройств предотвращения отложений для нефтегазовой промышленности, электродинамических силовых приводов возвратно-поступательного движения.
Разработанные конструкции и технологии реализованы в магнитных ловушках и фильтрах шести разных типов, двух конструкциях магнитных систем электродвигателей, двух конструкциях фрезеров-ловителей магнитных, в трех устройствах предупреждения отложений для нефтегазовой промышленности, в электродинамическом приводе возвратно-поступательного движения и при изготовлении трех типов малогабаритных многополюсных ПМ.
Апробация работы и публикации.
Внедрение разработанных технологий и конструкций проведено на предприятиях: НПЦ "ЭлМа-Т" СГТУ, ЗАО "Композит", ЗАО "СЭПО-ЗЭМ", ОАО "Саратовнефтегаз", ОАО "Восход", ФГУП "НЛП "Контакт", ОАО "Нелидовский завод пластмасс" и еще более, чем на десяти предприятиях г. Сарагова, Саратовской области и других регионов РФ.
По тематике работы опубликовано 20 печатных работ, в том числе 15 статей, 4 патента. 1 книга, сделано 6 докладов на международных научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации.
