Основные энергетические и динамические параметры однообмоточных ЛЭМД с возвратной пружиной Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

отсекаемый касательной ОА, проведенной к кривой нагрева в начале координат, на линии установившегося значения температуры. Можно сказать, что постоянная времени является мерой тепловой инерции: чем она больше, тем медленнее идет нагрев. Это видно из графика. Увеличение Т означает больший наклон кривой нагрева к оси абсцисс, что указывает на замедление процесса нагрева.

Рис. 1. Экспериментальная кривая нагрева катушки при напряжении U=220B

Постоянная времени нагрева зависит от коэффициентов теплоемкости и теплоотдачи. Чем больше теплоемкость тела, тем больше Т и тем медленнее нарастает температура. Увеличение теплоотдачи ведет к ускорению процесса установившегося теплового состояния. Таким образом, постоянная времени нагрева является обобщающим параметром, характеризующим тепловую инерцию сепаратора.

Постоянная времени нагрева сепаратора УСС составляет 73 минуты. Равновесное состояние сепаратора достигается через 7 часов или через 5-6Т.

Проведя анализ теплового режима катушек, можно сделать вывод, что максимальная температура нагрева не превышает допустимую, которую может выдержать изоляция. Следовательно, сепараторы серии УСС не требуют особых охлаждающих устройств, и отведение в них тепла происходит путем естественного соприкосновения нагретых поверхностей обмоток, магнитной системы и продуктопровода с окружающим воздухом.

Список литературы

1. Зуев В.С., Чарыков В.И. Электромагнитные сепараторы: теория,

конструкция. - Курган: Зауралье, 2002. - 178с.

2. Земский А.М., Кукенов Г.А. Тепловые расчеты электрических

аппаратов. - М.: Энергия, 1967. - 382с.

УДК 621.318.3 В.И. Мошкин

Курганский государственный университет

ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОДНООБМОТОЧНЫХ ЛЭМД С ВОЗВРАТНОЙ ПРУЖИНОЙ

Аннотация. На основе соотношений принципа взаимности получены и проанализированы основные энергетические и динамические параметры однообмоточных

ЛЭМД с возвратной пружиной и установлено, что производительность и ударная мощность машины, построенной по такой конструктивной схеме, ограничены продолжительностью холостого хода.

Ключевые слова: линейный электромагнитный двигатель, тяговая характеристика, интегральная работа, якорь.

V.I. Moshkin

Kurgan State University

THE BASIC POWER AND DYNAMIC PARAMETERS OF LEMM WITH ONE ELECTROWINDING WITH THE RETURNABLE SPRING

Annotation. On the basis of parities of a principle of reciprocity the basic power and dynamic parameters LEMM with one electro winding with a returnable spring are received and analysed and is established that productivity and shock capacity of the motor constructed under such constructive scheme, are limited by duration of idling.

Key words: the linear electromagnetic motor, the traction characteristic, integrated work, anchor.

Расчет энергетических и динамических характеристик импульсных ЛЭМД, входящих в состав электромагнитного привода таких машин ударного действия, как электромагнитные молоты, прессы, представляет обычно сложную и трудоемкую задачу, обусловленную необходимостью решения системы нелинейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами [1]. В связи с этим представляет интерес использование для этих целей принципа взаимности, являющегося одним из обобщенных методов научного познания физических процессов в динамических системах [2,3] и позволяющего непосредственно определить энергию удара ЛЭМД по статическим тяговым характеристикам F(dd) при I = const

работе АИ =JFCT (8)d8 .

и интегральной

На основании принципа взаимности для электромеханических систем кинетическая энергия движущихся частей Ак ЛЭМД должна равняться энергии Ае, связанной с противодействующими ЭДС [4]:

(1)

Ак = Ае = 0,5(Аи - Ап ),

где АК - кинетическая энергия, соответствующая площади 1-2-3-5-1 (рис.1); Ае - энергия, связанная с противо-ЭДС и соответствующая площади 5-3-4-1'-5; АИ - интегральная работа, соответствующая площади ddн-1'-4-ddк;

АП = | (8)й?8 - работа по преодолению полезной на-

5„

грузки, соответствующая площади ddн-1-2-ddк.

Выражение (1) справедливо, если пренебречь потерями от перемагничивания и вихревых токов, а также потерями энергии, связанными с преодолением сил трения, то есть считать, что избыточная сила целиком участвует в ускорении движущихся частей ЛЭМД.

Энергия Ае, определяемая разностью между механической энергией АИ, соответствующей статической характеристике FС7(d), и механической энергией, соответ-

ствующей динамической характеристике FД(d), представляет собой ту энергию, которая могла быть использована при бесконечно медленном перемещении якоря и выражается площадью 5341'5. В этом случае развиваемая двигателем механическая энергия подсчитывалась бы в виде интегральной работы АИ. В реальных условиях энергия Ае не поступает в электромеханическую систему из источника питания из-за противодействия ЭДС движения, возникающей в процессе перемещения якоря и связанных с ним частей. На характеристиках намагничивания (рис.2) величине энергии Ае соответствует площадь 1-2-3-4-5-1.

Рис. 1. Статическая FCT , динамическая F и противодействующая Fn характеристики импульсного ЛЭМД

Ф

4

Ж

зр

JA и-А

кой силы тяги, времени рабочего и холостого хода, частоты ходов и ударной мощности. Будем считать, что начальная скорость движения якоря массой та равна нулю и противодействующее усилие пружины FПР пропорционально перемещению 8 , жёсткость с пружины постоянна на всём перемещении якоря, ЛЭМД расположен вертикально.

Рис. 3. Конструктивная схема однообмоточного ЛЭМД с возвратной пружиной

Применяя выражение (1) к данной конструктивной схеме и пренебрегая отскоком якоря ЛЭМД при ударе, получим выражение для энергии

Ay = Ак = 0,5(Fct-S + mag-5-АПр), (2)

5к

5к

где АПР = | РПР( 8 ^8=1 сЫ&=0,5е& 2 - потенци-

8н 8н

альная энергия, запасаемая в пружине при её деформации на величину перемещения якоря под действием электромагнитного усилия.

Пусть в исходном состоянии начальное усилие пружины Р° С , развиваемое ею в случае начального под-жатия 80, равно весу якоря, то есть F0=G=ma д. Тогда (2) примет вид:

■ 0,5(FCT - 5- 0,5c5 2 ) .

(3)

Представим выражение (3) в относительной форме

О !щ /у /

Рис. 2. Характеристики намагничивания импульсного ЛЭМД

Применим принцип взаимности и выражение (1) для исследования и расчёта машин ударного действия с приводом от ЛЭМД на примере одной из их конструктивных схем.

Будем считать, что в используемых в приводе ударных машин импульсных ЛЭМД их статические тяговые характеристики неизменны на большей части перемещения якоря, электромагнитное усилие возникает после включения обмотки двигателя без запаздывания [4].

Проанализируем работу однообмоточного импульсного ЛЭМД в приводе ударной машины, холостой ход которой совершается под действием возвратной пружины, а рабочий - за счёт электромагнитного усилия двигателя (рис. 3). Машины с такой конструктивной схемой наиболее часто используются в приводе прессового и штамповочного оборудования. Получим для периода рабочего хода машины выражения энергии удара, динамичес-

Ay = Ay /( mag5 ) = 0,5( FCT - 0,5 c )

(4)

жины;

где c = c/(m g/5) - относительная жесткость пру-

Fr

CT

= FOT/( ma 9 ).

Для нахождения динамической силы тяги FД ЛЭМД представим энергию удара в виде суммы двух слагаемых

Ay = Fд-5-А

1ПР'

(5)

первое из которых характеризует вклад обмотки ЛЭМД в создание энергии удара, второе - уменьшение ее за счет пружины. Из выражения (5) с учетом (2) получим выражение динамической силы тяги

рд = 0,5т^(Рст + 0,5с). (6)

Представим выражение (6) в относительной форме

Рд = Рд/(т^) = 0,5(РСТ + 0,5 с;. (7)

* * *

На рис. 4 показаны зависимости относительных энер-

гии удара (штрихпунктирные линии) и динамической

силы РД (сплошные линии) от относительных статичес-

РсТ ~ ^

кой силы тяги * и жесткости возвратной пружины с .

нием

Р

СТ

линейно растут, а с ростом с динамическая

сила РД также линейно растёт, а энергия А - линейно

ля определим из (9) с учетом FH = сд, FK = 0. Тогда получим

гхх =

(12)

Анализ этих зависимостей показывает, что они с увеличе- форме

та .П

I с ' 2 .

Представим для удобства анализа выражения (11), (12) и время цикла ЛЭМД tЦ = + tХХ в относительной

г -

1рх

*рх Т1

2 с

(

П

--агсвт

2

2с

V

1--*-

Р + 0,5 с

V * ст *

(13)

падает.

г -

1ХХ

*хх Т1 2

1

2(с-1)

(14)

о е.

3 6

2 4

1 __ 2

1. О

* / / А/ /

/ г»/ у /

9, У

5. С<3> /' / /V /' / / /

Е

ст

5 7 9

--------тАи

о.е

Рис. 4. Зависимости энергии Ау и усилия Рп от параметров

Р ,.с

та'—у = РН -с-8 ,

йг

(8)

где FH - начальное значение силы, движущей якорь. Используя решение уравнения (8), найденное нами в работе [5], запишем выражение для времени движения якоря

г -

П

--атсБт-

Л

2

Р

н У

(9)

где F К - конечное значение силы, движущей якорь. Время движения якоря при рабочем ходе двигателя определим из (9) с учетом FH = FД и FK = FД - сд. Тогда получим

п Рд - с8 --атсзт-

2

Р

Д

(10)

С учетом с ~ * ё/8 и выражения (6) формула (10) примет вид

( _ У 1 —

грх -

К

_8_ ёс

П

--arcsm

2

2 с

РСТ + 0,5 с

\

Время движения якоря при холостом ходе двигате-

г - г + г

*ц *рх *хх 1 2 с

П

--атсят

2

2с

1 —

Р + 0,5с

* СТ *,

0,5п , ¡2с-1)'

(15)

где Т = ■\I2sTg - время свободного падения якоря с высоты 8.

На рис.5 приведены зависимости относительных времен холостого (сплошная линия) и рабочего (пунктирные линии) ходов ЛЭМД в приводе машины с рассматриваемой конструктивной схемой от относительных значений жесткости пружины и статической силы тяги ЛЭМД.

ё

Для определения динамических характеристик ЛЭМД с возвратной пружиной составим дифференциальное уравнение движения его якоря

Рис. 5. Влияние параметров р СТ и с на времена г и

Анализ этих кривых показывает, что с ростом жесткости пружины время холостого хода г , которое по данным работы [6] составляет 30-45% времени цикла, падает, причем резко на интервале изменений с от 1,5 до 5,

стремясь в пределе к нулю. Время рабочего хода г

* рх '

с < 2 Р

как следует из анализа (13) при условии с* < 2Рст, практически не зависит от жёсткости с и уменьшается с рос-

(11)

том

Р

* ст

, также стремясь в пределе к нулю. По экспериментальным данным [6] время рабочего хода невелико и составляет 10-20% от времени цикла. Это свидетель-

71

+

грх -

ствует о необходимости и важности мер по уменьшению ^ с целью увеличения производительности оборудования с импульсными ЛЭМД.

Относительная частота ходов в минуту якоря двигателя исследуемой машины равна

60 t

* ц

60

2 ■ 2( c-1)

п

--arcsin

2

2c

1 —

F + 0,5 с

* ст *

(16)

На рис. 6 приведены зависимости, построенные по выражению (16), из которых следует, что с ростом параметров С и р частота ходов якоря П растет. При этом одну и ту же частоту ходов можно получить при опреде-С Р

лённых сочетаниях * и* ст и наоборот. Для конкретных рекомендаций по выбору рациональных значений С Р

* и * сТ необходимо привлечь дополнительные критерии, например, постоянство энергии удара, ограничение кинетической энергии якоря на холостом ходе и др.

П

09

80 60 iO 20

РСТ.ш г / гw ^ 50

//уУ

■3 -'5

- 2

р

Рис. 6. Влияние параметров * ст и якоря ЛЭМД

9 ое

c на частоту ходов

Из рис.7, построенного по (4), виден линейный ха-

рактер уменьшения энергии удара

с ростом жестко-

сти возвратной пружины С и увеличения A с ростом

' CT

статического тягового усилия р

Из анализа зависимостей, изображенных на рис. 6 и рис. 7, следует вывод о существовании предельной частоты ходов рассматриваемой конструктивной схемы

машины при заданных значениях энергии удара

A

уси-

лия

F

' CT

и жесткости С. Дальнейшее повышение часто-

ты ходов, например, за счет увеличения частоты следования питающих обмотку ЛЭМД импульсов напряжения источника, приведет при вышеназванных условиях к снижению энергии удара 4у, что наблюдалось в ходе экспериментов.

Используя (4) и (16), получим выражение относи-

Р

тельной ударной мощности * у ЛЭМД для исследуемой

конструктивной схемы:

P =А ■n=-

* У * У *

30( F + 0,5 с)

* СТ *

2 • 2( с- 1)

п

--arcsin

2

2c

1-

F + 0,5с

* СТ *

и представим его в виде семейства кривых в функции па-

раметров

OS 3

F

■ CT

на рис. 8.

А*

Fa-9 *

7

5

sj JN

13 5 7 Рис. 7. Зависимости энергии удара

и с

A

от параметров

F

* CT

ое

W

120 SO iO О

Fcr* *

7

\ 3 \ S

1

Рис. 8 . Зависимости ударной мощности

P

параметров

F

c

' CT' *

Анализ этих зависимостей показывает, что для фиксированных значений статического тягового усилия

Р - —.........„и ............,с = 1

' CT

■ const) и жесткости возвратной пружины (* = const)

существует максимум значения ударной мощности, при котором частота ходов ЛЭМД равна предельной. С ростом усилия максимумы ударной мощности смещаются в сторону больших значений жесткости пружины.

Заключение

На основе соотношений принципа взаимности получены и проанализированы основные энергетические и динамические параметры однообмоточных ЛЭМД с возвратной пружиной. Установлено, что производительность и ударная мощность машины, построенной по такой конструктивной схеме, в большей степени зависят от времени холостого хода. При заданных энергии удара, тяговом усилии и жесткости возвратной пружины существует предельная частота ходов якоря ЛЭМД и соответ-

п

+

ж

+

и

ствующий ей максимум ударной мощности машины. Дальнейшее повышение частоты ходов влечет за собой снижение энергии удара.

Список литературы

1. Гриченков В.П., Ершов Ю.К. Метод расчета динамических характери-

стик электромагнитов с массивным магнитопроводом//Изв.вузов. Электромеханика.-1989.- N 8.- С. 61-68.

2. Милях А.Н., Шидловский А.К. Принцип взаимности и обратимость

явлений в электротехнике. - Киев: Наукова думка, 1967. - 316 с.

3. Угаров Г.Г., Федонин В.Н., Малов А.Т.Приближённый расчёт

параметров длинноходового электромагнитного двигателя ударного действия //Исследование электрических силовых импульсных систем. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР,1974. -С.50-57.

4. Мошкин В.И., Угаров Г.Г. Использование принципа взаимности при

исследовании и расчёте энергетических характеристик линейных электромагнитных двигателей //Задачи динамики электрических машин. - Омск: Изд. ОмПИ,1988. - С.120-128.

5. Мошкин В.И., Угаров Г.Г. О рациональной форме движущих сил,

заданных как функции перемещения /Курган. машиност. ин-т. -Курган,1984. - 15 с. - Деп.в Информэлектро, N 318эт - 84Деп.

6. Ряшенцев Н.П., Угаров Г.Г., Львицын А.В. Электромагнитные прессы.

- Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. - 160 с.

УДК 621.313.17.008.8

В.И. Мошкин, В.Ю. Помялов, А.А. Трофимов Курганский государственный университет

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ОТ ПРОМЫШЛЕННОЙ СЕТИ

Аннотация. На основе анализа способов регулирования выходных параметров импульсного линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД) предложен и проанализирован способ его питания, обеспечивающий стабильность длительности импульса питающего напряжения и высокий коэффициент мощности выпрямителя.

Ключевые слова: линейный электромагнитный двигатель, устройство питания и управления, тяговое усилие, импульс напряжения.

V.I. Moshkin, V.Y. Pomyalov, A.A. Trofimov Kurgan State University

FEATURES OF SUPPLY EQUIPMENTS CONSTRUCTION AND IMPULSIVE ELECTROMAGNETIC ENGINE MANAGEMENT FROM THE INDUSTRIAL NETWORK

Annotation. On the basis of the analysis of ways of regulation of target parameters of pulse linearly the electromagnetic engine (LEME) its way power supply, providing stability of duration of an impulse of feeding pressure and high rectifier power factor is offered and analysed.

Keywords: the linear electromagnetic engine, the supply equipment and managements, traction effort, pressure impulse.

Введение

Работоспособность импульсных линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД) возможна при питании их обмоток электрическими импульсами определённой амплитуды, формы и длительности. Для этой цели в состав электромагнитного привода, который осуществляет управляемое электромеханическое преобразование энергии, входят устройства питания и управления (УПУ), которые преобразуют напряжение источника питания в импульсы напряжения необходимой амплитуды, формы, длительности и частоты. В результате создается требуемое изменение электромагнитного тягового усилия ЛЭМд при рабочем ходе.

Многообразие технологических процессов и оборудования вызывает необходимость не только разработки различных конструкций импульсных ЛЭМД, отличающихся соотношениями их геометрических размеров, формой тяговых характеристик, величиной интегральной работы и т.д., но и создания УПУ, которые бы электрическими способами смогли обеспечить требуемые технологические режимы (одиночные ходы, серии ходов и т.д.), возможность регулирования выходных параметров ЛЭМД, а также повышение их удельных энергетических показателей. В результате расширяются технологические возможности оборудования с ЛЭМД, и оно становится более универсальным [1-4].

1. Способы регулирования выходных параметров ЛЭМД

Особенности построения УПУ для ручных электромагнитных машин (с частотой ходов до 3000 мин-1) и для мощных электромагнитных молотов (с энергией удара до 30 кДж) не позволяют использовать их для целей регулирования выходных параметров ЛЭМД.

В настоящей статье рассмотрены вопросы построения УПУ для импульсных ЛЭМД, используемых в приводе технологического оборудования и выполненных по конструктивной схеме с одной обмоткой и возвратной пружиной при средней потребляемой мощности до 10 кВт, с частотой ходов до 600 мин-1 (10 Гц). Приведенный в работе [1] анализ электромагнитных прессов, сравнение их характеристик показывает, что выходные параметры, надежность и производительность такого оборудования, а также энергетические показатели ЛЭМД и всего привода в значительной мере определяются УПУ

Первые разработанные УПУ для прессового оборудования (ПО) обеспечивали единичное срабатывание пресса при каждом нажатии на педаль управления, а также автоматическое включение его с фиксированной частотой ходов, были просты и питались от промышленной сети. Отсутствие или узкий диапазон регулирования длительности импульса тока при ее невысокой точности приводили к нестабильности энергии рабочего хода ЛЭМД, браку при выполнении технологических операций и снижали технический уровень привода.

Электромагнитные прессы, рассмотренные в работах [1,5-7], оснащены более совершенными УПУ, что позволило эффективнее использовать ЛЭМД в приводе ПО. Так, для разработанной гаммы ЛЭМД с усилием в конце хода от 1 до 10 кН, созданы УПУ, позволяющие при питании привода от однофазной промышленной сети регулировать энергию удара ЛЭМД. Поскольку для питания мощных двигателей с усилием свыше 10кН, обладающих значительными электромеханическими и электромагнитными постоянными времени, требуется трехфазная промышленная сеть, то применительно к ней были созданы УПУ, регулирующие длительность импульса напряжения на обмотке двигателя дискретно с шагом, равным Т/т,