CC BY
16УДК 621.317.7
ОБОБЩЕННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ИХ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
THE GENERALISED PHYSICAL MODEL OF THE ELECTROMAGNETIC MOVEMENT TRANSDUCERS AND THEIR MAGNETIC CYCLE SPECIALITIES
©Сейдалиев И. М.
канд. техн. наук
Азербайджанский государственный экономический университет г. Баку, Азербайджан, [email protected]
©Seydaliyev I.
PhD, Azerbaijan State Economic University Baku, Azerbaijan, [email protected]
Аннотация. В работе рассматриваются основные этапы, важные задачи разработки электромагнитных преобразователей перемещения, приведена блок-схема и принцип работы таких преобразователей. Составлена обобщенная физическая модель электромагнитных преобразователей перемещения и указаны ее конструктивные элементы. Приведена также картина распределения магнитных потоков в двухобмоточной магнитной системе и схема магнитной цепи исследуемой физической модели.
Abstract. The main stages and important issues of the processing of electromagnetic movement transducers have discussed and the block scheme and principle of operation of such converters have given in the topic. The generalised physical model of the electromagnetic movement transducers have complied and its constructive parts have shown. In the topic the form of the distribution of the magnetic fluxes in the two winding magnetic system and the magnetic cycle scheme of the physical model have given also.
Ключевые слова: электромагнитный преобразователь, физическая модель, магнитный поток, левитация, магнитопровод, магнитная система, индуктивность.
Keywords: electromagnetic transducer, physical model, magnetic flux, levitation, magnetic transducer, magnetic system, inductance.
Разработка любого электромагнитного преобразователя состоит из следующих этапов:
1. Разработка обобщенных физических и математических моделей преобразователя, позволяющих учитывать основные физические процессы и описать взаимосвязь между главными параметрами преобразователя.
2. Расчет магнитной цепи и определение электрических сопротивлений обмоток.
3. Определение потокосцепления измерительных обмоток и расчет характеристики выход-вход преобразователя.
4. Расчет метрологических характеристик преобразователя.
5. Расчет динамических характеристик преобразователя.
Необходимость в названных этапах расчета четко видно из блок-схемы электромагнитного преобразователя толщины, приведенной на Рисунке 1. По мере намотки изоляции на оправу (контролируемый объект) толщина 5из возрастает и ролик (первичный преобразователь), упирающийся в поверхность изоляции, перемещается вниз на расстояние х = £яз, в результате чего измерительная обмотка (или левитационный экран) перемещается на такое же расстояние. При этом изменяется потокосцепление с этой обмоткой, которое является функцией координаты х. Поток взаимоиндукции фи, создающий э.д.с. в измерительной обмотке, возбуждается обмоткой возбуждения и зависит от перемещения измерительной обмотки.
Обмотка возбуждения питается от источника переменного напряжения ~ и и помимо основного потока Ф12 создает потоки рассеяния Ф15 и переменный поток ф, являющийся функцией перемещения измерительной обмотки. Таким образом, преобразование неэлектрической величины 8из в электрическую ~ и с происходит через магнитные потоки ф, ф, без точных определений которых нельзя разработать электромагнитный преобразователь перемещения для более точных измерений.
Рисунок 1. Блок-схема электромагнитных преобразователей перемещения.
Определение закона распределения магнитных потоков вдоль магнитопровода, расчет индуктивностей и электрических сопротивлений обмоток с учетом магнитных сопротивлений стальных участков и распределенного характера обмоток являются важными задачами при разработке электромагнитных преобразователей перемещения. Для решения этих задач в первую очередь надо создать обобщенную физическую модель исследуемых преобразователей и выявить характерные особенности распределения магнитных потоков при произвольном расположении распределенных обмоток. Лишь после этого можно обосновать выбранный метод расчета распределения магнитных потоков. Между тем расчету магнитных цепей с распределенными параметрами посвящены работы [1, 2, 4, 5], но в этих работах названный подход не использован.
Из описания разнообразных конструктивных схем электромагнитных преобразователей толщины изоляции [3] с трехстержневыми магнитопроводами видно, что они содержат одинаковые конструктивные элементы, что позволяет составить их обобщенные физические модели, которые имеют следующие составные части (Рисунок 2): трехстержневой магнитопровод 3 с длиной стержней — /с , толщиной пакета стали — Ь , шириной центрального стержня — 2а, расстоянием между стержнями — с; обмотка возбуждения 1 с числом витков — W, высотой — \; подвижная измерительная обмотка 2 (Рисунок 2, а) или левитационный экран 2 (Рисунок 2, б), имеющие число витков — W2, высоту — Н2 и расположенную на центральном стержне магнитопровода 3 на расстоянии — у от обмотки возбуждения 1.
Рисунок 2. Физические модели магнитных систем электромагнитных преобразователей перемещений для измерения толщины изоляции оправ: а — с подвижной измерительной обмоткой; б — с левитационной короткозамкнутой обмоткой (или экраном).
С целью упрощения расчетных формул математических моделей в физических моделях (Рисунок 2) приняты прямые, а не ступенчатые магнитопроводы. Для таких магнитопроводов, как следует из формул (1)-(4), коэффициент пх = 1.
Л = 2j тсае, Л' = 2ju0 т'са[
где
тс =-
b
c
т„ = —
1 2,92, а = 1 ч--ln
m.
с v
1 + ^ т
с > c
b
т = —
a
a
2 92 а=i+292 in
т
с v
т
a J
(1)
(2) (3)
b
c
Коэффициент кратности удельных проводимостей:
л m &
n = — = —^-t. > 1. (4)
л ПГ г г V /
л m &
Переход к ступенчатым магнитопроводам в расчетах индуктивностей и магнитных
потоков нетрудно осуществить, если принять п = !/.,> 1.
1 /а
Наличие распределенных обмоток, удаленных друг от друга на конечное расстояние, приводит к возникновению значительных потоков рассеяния в рассматриваемой магнитной системе. Здесь под потоком рассеяния понимается тот поток, который не создает э.д.с. взаимной индукции в обмотках. Для анализа распределения магнитных потоков была получена картина магнитного поля физическим моделированием магнитного поля силовых линий в воздушном пространстве вокруг стержней магнитопровода. На основе этого исследования составлена картина распределения магнитных потоков в двухобмоточной магнитной системе, которая приведена на Рисунок 3.
Рисунок 3. Схемы распределения магнитных потоков выпучивания ф (а) и основного потока в зазоре Ф (б), составленные физическим моделированием магнитного поля.
Здесь потоки выпучивания обозначены через ф, а основной поток через ф. Линия магнитной нейтрали т - т разделяет магнитные потоки, создаваемые обмоткой возбуждения 1 и короткозамкнутой обмоткой 2. Силовые линии основного магнитного потока ф проходят
между стержнями магнитопровода в равномерных и плоскопараллельных плоскостях, перпендикулярных продольной оси магнитной системы. Исключение составляют области вблизи обмоток, где силовые линии магнитного потока ф огибают обмотки, выпучиваясь на значительное расстояние от магнитопровода (Рисунок 3, а).
Проводимость воздушного промежутка на пути этого потока ф намного меньше проводимости воздушного промежутка между стержнями магнитопровода (Рисунок 3, б). Поэтому часто в расчетах электрических и магнитных параметров можно не учитывать этот
поток. На основе полученной схемы распределения потоков на Рисуноке 4 приведена схема магнитной цепи исследуемой физической модели.
Рисунок 4. К определению потоков взаимоиндукций и потоков рассеяния (а), результирующего
потока (б), и эпюра потоков.
Согласно этой схеме обмотка возбуждения 1 создает потоки ф и ф, а короткозамкнутая обмотка 2 — Ф21 и Ф2Х. Здесь Ф1г и Ф21 — потоки взаимной индукции, которые определяются при разомкнутой вторичной и первичной обмотке, а Ф1Х и Ф2Х — потоки рассеяния обмоток. Согласно принятому определению потоков рассеяния и принципу наложения, э.д.с. самоиндукции обмотки возбуждения создается потоками Ф12, Ф21 и ф, а для э.д.с.
самоиндукции короткозамкнутой обмотки — Ф21Фи и Ф2Х. Для того, чтобы определить искомые параметры магнитной и электрической цепей, необходимо найти законы распределения этих потоков вдоль магнитопровода. Это необходимо также для определения подъемной силы левитационного экрана при проектировании электромагнитных преобразователей перемещения.
Список литературы:
1. Абдуллаев Я. Р. Теория магнитных систем с электромагнитными экранами. М.: Наука, 2000. 300 с.
2. Абдуллаев Я. Р. Теория и применения многофункциональных линейных индукционных подвесов. Баку: Военное издательство, 1996. 283 с.
3. Сейдалиев И. М. Сравнительный анализ параметров электромагнитных преобразователей толщины намотки изоляции на вращающиеся оправы // Бюллетень науки и практики. Электрон. журн. 2016. №5 (6). С. 75-81. DOI: 10.5281/zenodo.54829. Режим доступа: http://www.bulletennauki.com/#!seydaliyev/sdfj8 (дата обращения 12.06.2016).
4. Зарипов М. Ф., Ураксеев М. А. Расчет электромеханических счетно-решающих преобразователей. М.: Наука, 1976. 103 с.
5. Зарипов М. Ф., Ураксеев М. А. Функциональные преобразователи перемещений. М.: Машиностроение, 1976. 133 с.
References:
1. Abdullaev Ya. R. Teoriya magnitnykh sistem s elektromagnitnymi ekranami. Moscow, Nauka, 2000, 300 p.
2. Abdullaev Ya. R. Teoriya i primeneniya mnogofunktsional'nykh lineinykh induktsionnykh podvesov. Baku, Voennoe izdatel'stvo, 1996, 283 p.
3. Seydaliyev I. The comparative analysis of the parameters of electromagnetic transducers of thickness of the winding isolation on the rotating frames. Bulletin of Science and Practice, Electronic Journal, 2016, no. 5 (6), pp. 75-81. DOI: 10.5281/zenodo.54829. Available at: http://www.bulletennauki.com/#!seydaliyev/sdfj8, accessed 12.06.2016.
4. Zaripov M. F., Urakseev M. A. Raschet elektromekhanicheskikh schetno-reshayushchikh preobrazovatelei. Moscow, Nauka, 1976. 103 p.
5. Zaripov M. F., Urakseev M. A. Funktsional'nye preobrazovateli peremeshchenii. Moscow, Mashinostroenie, 1976. 133 p.
Работа поступила Принята к публикации
в редакцию 20.05.2016 г. 22.05.2016 г.
