CC BY
1
DOI: 10.47026/1810-1909-2023-2-85-92
УДК 621.318.3 ББК 31.264.36
И.П. ИВАНОВ, Д.В. САМУИЛОВ, ЕЮ. ТРОФИМОВ, ГА. ЧЕРНОВ, Е.Г. ВАСИЛЬЕВ
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ ЯКОРЯ
Ключевые слова: автоматический выключатель, электромеханический расщепитель, поляризованный электромагнит, проектирование, численное моделирование, динамические параметры.
В статье рассматриваются особенности проектирования поляризованных электромагнитов с принудительным включением якоря, вопросы разработки которых в технической литературе отсутствуют. Актуальность темы обусловлена необходимостью создания таких электромагнитов для использования в качестве малогабаритных расщепителей в современных автоматических выключателях отечественного производства. Целью исследования является разработка научно обоснованной методики проектирования нового класса поляризованных электромагнитов с учетом их конструктивных особенностей, определяемых принудительным включением якоря. В статье проанализированы характеристики и отличительные особенности конструкции и принципа работы электромагнита производства фирмы Schneider Electric. Проведены поверочные расчеты с использованием численного моделирования методом конечных элементов. Отмечено, что для обеспечения малых габаритов электромагнита в рабочем состоянии магнитная индукция в элементах магнитопровода близка к индукции насыщения. Сравнение расчетных значений и результатов моделирования с экспериментальными данными показало достаточную для инженерных расчетов точность при использовании предлагаемой методики, что говорит о ее достоверности и возможности применения при проектировании поляризованных электромагнитов с принудительным включением якоря разных конструктивных исполнений.
Введение. В современных автоматических выключателях (далее - AB) широко применяются в качестве электромеханических расцепителей малогабаритные поляризованные электромагниты, в которых якорь включается от элемента ручного управления AB и удерживается за счет сил постоянного магнита, а отключается, т.е. приходит в движение, от сигнала полупроводникового модуля защиты. В результате якорь расцепляет рычаг (шептало, защелку), и AB отключается. Такие электромагниты с внешним (принудительным) включением (далее - ПЭМВ) отличаются от традиционных поляризованных электромагнитов как конструкцией и порядком работы, так и техническими характеристиками: имеют небольшие объемы (менее 10 см3) при больших полезных усилиях в процессе рабочего цикла (до нескольких десятков Н) [1-3]. Вопросы их проектирования с учетом отличий конструкций и порядка работы в технической литературе отсутствуют.
Целью исследования является разработка научно обоснованной методики проектирования нового класса поляризованных электромагнитов с учетом их конструктивных особенностей, определяемых принудительным включением якоря. Особенности проектирования подобных электромагнитов далее будут рассмотрены на примере поверочного расчета существующей конструкции
ПЭМВ AB производства фирмы Schneider Electric, общий вид которого изображен на рис. 1 в масштабе 2:1.
Описание конструкции, принципа работы и характеристик ПЭМВ. Приведенная на рис. 1 конструкция содержит характерные для других типов ПЭМВ, отличающихся конструктивным исполнением, элементы: якорь 1, полюсный наконечник (стоп) 2, постоянный магнит 3, магнитопровод 4, ферромагнитную втулку 5, катушку 6 (обмотку управления), рабочую пружину сжатия 7, пружину демпфирования (пережима) 8 и пластмассовую колодку (упор) 9.
Характеристиками ПЭМВ, определяющими его работу, являются зависимости механической силы рабочей пружины Рпр и силы постоянного магнита Рпм от зазора 5: Рпр = 7(5) и PnM = 7(5), представленные на рис. 2. Следует отметить, что полезную работу, т.е. приведение в действие рычага механизма свободного расцепления AB, совершает рабочая пружина.
Принцип работы ПЭМВ представляет собой некоторый аналог работы ударно-спускового (куркового) механизма. Под кратковременным действием внешней силы Рвн от приводного элемента AB сжимается пружина 7, якорь 1 притягивается к стопу 2 и удерживается в притянутом положении силой постоянного магнита 3. Таким образом происходит «взвод» механизма ПЭМВ, т.е. приведение его в начальное (исходное) положение с максимальной накопленной потенциальной энергией рабочей пружины 7. Так как притяжение и удержание якоря силой постоянного магнита происходят при малых зазорах 5, соответствующие им участки зависимости 1' и 2' (рис. 2) изображены масштабированием оси 5 (ось 5', М10:1), где наглядно показаны характерные параметры: зазор срабатывания 5ср, зазор удержания 5уД и сила удержания Руд.
Методики, применяемые при проектировании ПЭМВ. В зависимости от поставленных задач порядок проектирования может быть различным. Однако методики расчетов и конструирования отдельных элементов (узлов), характерные для ПЭМВ будут одинаковыми.
Предлагается следующий порядок проведения поверочных расчетов:
- расчет параметров рабочей пружины;
- расчет силы постоянного магнита Рпм, построение зависимости Рпм = 7(5) и определение силы удержания Руд;
- расчет магнитодвижущей силы (МДС) срабатывания Fcp катушки (обмотки управления);
- определение динамических параметров.
Параметры рабочей пружины могут быть определены по традиционным методикам, например, по ГОСТ 13765-86, с учетом следующих особенностей:
- сила пружины при предварительной деформации Р1 должна быть не менее (2^2,5) Рзащ (Рзащ - сила противодействия защелки механизма свободного расцепления AB);
- жесткость пружины с должна быть минимальной, что обеспечит оптимальную мощность управления;
- разность сил АР = Р2 - Р1 (Р2 - сила пружины при рабочей деформации, т.е. при 5 = 5уД, по которой определяется кинетическая энергия EK пружины к концу движения и скорость движения и) должна быть достаточной для предотвращения разрушения торцевой части храповика, входящей в зацепление с защелкой (чем больше скорость и, тем меньше вероятность повреждения).
Р, Н 45
Y'
Рис. 1 - Общий вид ПЭМВ: 1 - якорь; 2 - стоп; 3 - постоянный магнит; 4 - магнитопровод; 5 - ферромагнитная втулка; 6 - катушка; 7 - рабочая пружина; 8 - пружина демпфирования; 9 - упор; Pвн - сила принудительного включения
5 8, мм
0,3 0,4 0,5 8', мм
' уд "ср
Рис. 2. Зависимости сил рабочей пружины Pпp = /(8) (линии 1 и 1'), постоянного магнита Pпм = /(8) (линии 2 и 2') и силы противодействияРзащ = /(8) (линия 3) защелки механизма свободного расцепления АВ
На рис. 2 приведены зависимости Рпр = /(5) (прямые 1 и 1'), соответствующие рабочей пружине сжатия со следующими основными параметрами: наружный диаметр пружины 0\ = 12,6 мм; диаметр проволоки = 0,9 мм; длина пружины в свободном состоянии Ьа = 28 мм; длина пружины при предварительной деформации Ь = 16,5 мм; длина пружины при рабочей деформации Ьг = 11,0 мм; число рабочих витков пружины п = 5; Р\ = 12,5 Н; Р2 = 18 Н.
Сила постоянного магнита Рпм определяется методами теории цепей или теории полей по геометрической модели ПЭМВ с предварительно выбранными размерами [4, 5].
На рис. 2 приведена зависимость Рпм =/(5) (кривые 2 и 2% построенная по значениям Рпм для фиксированных значений 5 и рассчитанная методом конечных элементов с помощью программного комплекса СОМБОЬ Multiphysics для расчетной модели ПЭМВ со следующими основными параметрами: - габаритные размеры: ШхВхГ - (17,2x34,8x12,8) мм;
- диаметр и длина (без хвостовика) якоря: ds = 6,0 мм; 4 = 12,8 мм;
- диаметр и высота магнита: dM = 10,8 мм; hM = 1,8 мм;
- материал магнита - неодим-железо-бор (Nd—Fe—B);
- максимальный воздушный зазор (полный ход якоря) S = 5,5 мм [6].
Зависимость Рпм = f(S) (кривая 2') на участке от 0 до 5ср можно описать
уравнением прямой вида Рпм = 39,5 - 90-8ОТн, где 80Тн - безразмерная величина, численно равная зазору S в миллиметрах.
В этом случае сила удержания Руд определяется как
Р = 39 5 _ 90 .§ - р (1)
"'уд ^отн 1 пр • V-1/
При зазоре S = 5уД сила Рпр ~ Р2.
Величина зазора 5уД зависит, в основном, от толщины немагнитного покрытия полюсов, способа механической обработки торцов (полюсов) и плотности их прилегания. На основе эксплуатационных данных можно принять 5уД = (0,05^0,15) мм. В случае, если известно или задано значение Руд, как, например, для рассматриваемого образца (Руд « 10 Н), то по (1) можно установить расчетное значение зазора 5уД.
По известным значениям 5уД (или Руд) и Рпм можно определить графоаналитическим методом величину Fcp. Для этого рассчитывается действующая на якорь результирующая сила РЕ = Рпм + Рк , состоящая из силы, создаваемой постоянным магнитом Рпм, и силы, создаваемой катушкой Рк, при фиксированных значениях зазора S в интервале, охватывающем величины 5уД и 5ср. Далее строятся нагрузочные характеристики вида Рх = fFK), где FK - МДС катушки.
Результаты моделирования и определение результирующей силы PЪ Для рассматриваемого ПЭМВ расчет силы Рх, как и при определении силы постоянного магнита, проводился путем численного моделирования в программном комплексе COMSOL Multiphysics. Некоторые особенности этих вычислений:
1) так как геометрическая модель ПЭМВ имеет явно выраженные плоскости симметрии X-X' и Y-Y' (разрез А-А, рис. 1), моделирование выполнено на четверти исходной модели с ограничением внешней расчетной области дополнительными слоями Infinite Element Domain;
2) размеры элементов расчетной конечно-элементной сетки: максимальные - 0,5 мм; минимальные - 0,05 мм;
3) для описания физических процессов использован физический интерфейс Magnetic Fields; магнитные свойства элементов ПЭМВ задаются при помощи узла Ampere's Law, в частности - параметром Magnetization Model:
- для ферромагнитных участков магнитопровода, выполненных из электротехнической стали марки 10895, используется модель B-H curve;
- для постоянного магнита используется модель Magnetization; направление магнитного поля - вдоль оси Z (оси симметрии);
4) магнитный поток, создаваемый МДС катушки, задается при помощи Coil и имеет встречное направление по отношению к магнитному потоку, создаваемому МДС постоянного магнита;
5) моделирование произведено по типу Stationary c использованием линейной дискретизации интерфейса в комбинации с прямым решателем и условием Gauge Fixing for A-Field.
Результаты расчетов результирующей силы Рх представлены на рис. 3 в виде нагрузочных характеристик Рх = ДЛк) при различных значениях зазора 5. По этим зависимостям при заданных (известных) значениях сил пружины Рпр и зазора удержания 5уД можно определить значение МДС срабатывания катушки Лср. Так, при Рпр = 18 Н и 5уД = 0,1 мм, МДС Лср составит 180 А, что незначительно отличается от опытных данных (Лср.0Пыт = 175 А).
Здесь представляет интерес определение участков насыщения, т.е. распределения магнитной индукции, в магнитной системе при суммарном действии магнита и катушки. Пример получаемого при моделировании распределения магнитной индукции в ПЭМВ приведен на рис. 4. Как следует из рис. 4, индукции в якоре и на изгибе магнитопровода близки к индукции насыщения (В ~ 1,61 Тл), что неэффективно с точки зрения мощности намагничивающих элементов, но имеющие сечения магнитных участков обеспечивают минимальные размеры ПЭМВ.
Р-ъ Н
35
30
25
20
15
10
5 = 0,05 мм 5 = 0,10 мм 5 = 0,15 мм
6 = 0,20 мм
\
\ Р пр
1 1
100 200 300 400 А
I '
Fcp = 180 А
Рис. 3. Нагрузочные характеристики ПЭМВ
Ре = /Л) и пример определения МДС срабатывания Лср при величине РПр = 18 Н
и Зуц = 0,1 мм
Рис. 4. Распределение магнитной индукции в ПЭМВ для 8 = 0,1 мм и Л = 200 А по результатам расчета ПК СОМБОЬ МиШр]гув1св (внутри постоянного магнита и катушки распределение не показано)
5
Оценка динамических параметров ПЭМВ. Если пренебречь усилием постоянного магнита Рпм при больших зазорах и силой противодействия Рзащ, то, согласно условию сохранения энергии механической системы, сумма изменений потенциальной ДЕП и кинетической ДЕК энергий пружины при переходе из сжатого (рабочего) состояния с деформацией Х2 в конечное положение с отпущенным якорем при деформации х\ будет равна нулю:
ДЕП + ДЕК = 0
или с учетом неподвижности подвижных частей в начальный момент времени (и2 = 0 м/с)
2 ( 2 2^ С ■ \х2 - Х1 )
2 2
2
(2)
где — кинетическая энергия при деформации Х1; т - масса подвижных
частей (якоря, втулки, пружины), кг; "ш - скорость движения якоря (подвиж-
Р - Р
ных частей) при деформации XI, м/с, с = —-- - жесткость пружины, Н/м;
¿1 - ¿2
х1 = ¿0 _ ¿1 ; Х2 = ¿0 _ ¿2 •
Из равенства (2) определяется скорость движения и1 якоря. Время движения *дв определяется как
*ДВ =(х2 - х1 )Л>1-
Для рассматриваемого ПЭМВ: Х1 = 11,5 мм; Х2 = 17,0 мм; т = 4,3 • 10 3 кг. Результаты расчетов:
18,0 -12,5 з №
1) жесткость пружины с = -.-т-- = 1 • 10 Н/м;
(16,5 -11,0)-10"3
2) скорость движения якоря и1 =
1 • 103 -(17,02 -11,52 )• 10
3 ¡1 п п2 1 1 «2 1 1 п-6
= 6,0 м/с;
4,3 • 10~3
3) время движения *дв = (17,0 -11,5)- 10"7б,0 = 0,92 • 103 с.
Влияние на динамические параметры силы постоянного магнита Рпм и противодействия защелки Рзащ можно учесть при проектных расчетах через коэффициент снижения Ке потенциальной энергии, т.е.
ЛЕП .расч Ке'АЕп,
где Ке = 0,8-0,9.
Полученные динамические параметры рекомендуется использовать при проектировании механизма свободного расцепления АВ.
Выводы. Таким образом, результаты поверочных расчетов по предложенной методике подтверждают работоспособность малогабаритного поляризованного электромагнита с принудительным (внешним) включением и эффективность его применения в современных АВ. Изложенная методика может быть использована также при проектировании других видов ПЭМВ с аналогичным принципом действия.
Литература
1. Гордон А.В., Сливинская А.Г. Поляризованные электромагниты. М.; Л.: Энергия, 1964.
120 с.
2. Иванов И.П., Сагарадзе Е.В., Свинцов Г.П. Вопросы общей теории и практики проектирования поляризованных электромагнитов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2017. № 2. С. 44-50.
3. Иванов И.П., Митрофанов О.Н., Свинцов Г.П. Особенности проектирования магнитных систем перспективных сильноточных поляризованных реле // Проблемы и перспективы развития
энергетики, электротехники и энергоэффективности: материалы I междунар. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2017. С. 160-166.
4. Основы теории электрических аппаратов / Б.К. Буль, Г.В. Буткееич, А.Г. Годжелло и др.; под ред. Г.В. Буткевича. М.: Высш. шк., 1970. 600 с.
5. Основы теории электрических аппаратов / под ред. П.А. Курбатова. 5-е изд., перераб. И доп. СПб.: Лань, 2015. 592 с.
6. COMSOL Multiphysics - программное обеспечение для мультифизического моделирования [Электронный ресурс]. URL: http://www.comsol.ru (дата обращения 12.12.2022).
ИВАНОВ ИВАН ПЕТРОВИЧ - кандидат технических наук, главный научный сотрудник, АО «ВНИИР-Прогресс», Россия, Чебоксары ([email protected]).
САМУИЛОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - научный сотрудник, АО «ВНИИР-Прогресс», Россия, Чебоксары ([email protected]).
ТРОФИМОВ ЕВГЕНИИ ЮРЬЕВИЧ - начальник отдела автоматических выключателей, АО «ВНИИР-Прогресс», Россия, Чебоксары ([email protected]).
ЧЕРНОВ ГЕННАДИЙ АНДРЕЕВИЧ - инженер-конструктор, АО «ВНИИР-Про-гресс»; магистрант кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
ВАСИЛЬЕВ ЕВГЕНИЙ ГЕОРГИЕВИЧ - старший научный сотрудник, АО «ВНИИР-Прогресс», Россия, Чебоксары ([email protected]).
Ivan P. IVANOV, Dmitriy V. SAMUILOV, Evgeniy Yu. TROFIMOV, Gennadiy A. CHERNOV, Evgeniy G. VASILYEV FEATURES OF DESIGNING POLARIZED ELECTROMAGNETS WITH POSITIVE ENGAGEMENT OF THE ARMATURE
Key words: circuit breaker, electromechanical release, polarized electromagnet, design, numerical modeling, dynamic parameters.
The article considers the features of designing polarized electromagnets with positive engagement of the armature, these issues being insufficiently studied in the technical literature. The relevance of the topic is due to the need to create such electromagnets to use as small-sized electromechanical release devices in modern circuit breakers of internal production.
The aim of the study is to develop a scientifically based methodology for designing a new class of polarized electromagnets, taking into account their design features determined by the positive engagement of the armature. The article analyzes the characteristics and distinctive features of the design and the operating principle of the electromagnet manufactured by Schneider Electric. Verification calculations were carried out using numerical modeling by the finite element method. It is noted that in order to ensure the small dimensions of the electromagnet in the working state, the magnetic induction in the magnetic circuit elements is close to saturation induction.
Comparison of the calculated values and simulation results with experimental data showed sufficient accuracy for engineering calculations when using the proposed technique, which indicates its reliability and the possibility of using it in the design ofpolarized electromagnets with positive engagement of armature of different designs.
References
1. Gordon A.V., Slivinskaya A.G. Polyarizovannye elektromagnity [Polarized electromagnets]. Moscow, Leningrad, Energiya Publ., 1964. 120 p.
2. Ivanov I.P., Sagaradze E.V., Svintsov G.P. Voprosy obshchei teorii ipraktikiproektirovaniya polyarizovannykh elektromagnitov [Questions of the general theory and practice of designing polarized electromagnets]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika, 2017, no. 2, pp. 44-50.
3. Ivanov I.P., Mitrofanov O.N., Svintsov G.P. Osobennosti proektirovaniya magnitnykh sistem perspektivnykh sil'notochnykh polyarizovannykh rele [Features of designing magnetic systems of promising high-current polarized relays]. Problemy i perspektivy razvitiya energetiki, elektrotekhniki i energoeffektivnosti: materialy Imezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Proc. of I Int. Sci. Conf. «Problems and prospects of development of power engineering, electrical engineering and energy efficiency»]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2017, pp. 160-166.
4. Butkevich G.V. ed.; Bul' B.K., Butkevich G.V., Godzhello A.G. et. al. Osnovy teorii elektri-cheskikh apparatov [Fundamentals of the theory of electrical devices]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1970, 600 p.
5. Kurbatov P.A., ed. Osnovy teorii elektricheskikh apparatov. 5-e izd., pererab. i dop. [Fundamentals of the theory of electrical devices. 5th ed.]. St. Petersburg, Lan' Publ., 2015, 592 p.
6. COMSOLMultiphysics -programmnoe obespechenie dlya mul'tifizicheskogo modelirovaniya [COMSOL Multiphysics - software for multiphysical modeling]. Available at: http://www.comsol.ru (Accessed Date 2022, Dec. 12).
IVAN P. IVANOV - Candidate of Technical Sciences, Chief Researcher, JSC «VNIIR-Pro-gress», Russia, Cheboksary ([email protected]).
DMITRIY V. SAMUILOV - Researcher, JSC «VNIIR-Progress», Russia, Cheboksary ([email protected]).
EVGENIY Yu. TROFIMOV - Head of Department of Automatic Switches, JSC «VNIIR-Progress», Russia, Cheboksary ([email protected]).
GENNADIY A. CHERNOV - Design Engineer, JSC «VNIIR-Progress»; Master's Program Student of Electrical and Electronic Apparatus Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
EVGENIY G. VASILYEV - Senior Researcher, JSC «VNIIR-Progress», Russia, Cheboksary ([email protected]).
Формат цитирования: Иванов И.П., Самуилов Д.В., Трофимов Е.Ю., Чернов Г.А., Васильев Е.Г. Особенности проектирования поляризованных электромагнитов с принудительным включением якоря // Вестник Чувашского университета. - 2023. - № 2. - С. 85-92. Б01: 10.47026/1810-1909-2023-2-85-92.
