Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой

В статье рассматривается вопрос математического моделирования динамических процессов, происходящих в электромагнитном механизме с магнитной защёлкой и форсированной катушкой. Приведены динамические характеристики срабатывания электромагнитного механизма. Даны количественные и качественные оценки пол...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автор:	Байда, Е.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2010
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні машини та апарати
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143311
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой / Е.И. Байда // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 2. — С. 3-5. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-143311
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1433112018-10-29T01:23:11Z Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой Байда, Е.И. Електричні машини та апарати В статье рассматривается вопрос математического моделирования динамических процессов, происходящих в электромагнитном механизме с магнитной защёлкой и форсированной катушкой. Приведены динамические характеристики срабатывания электромагнитного механизма. Даны количественные и качественные оценки полученных результатов. У статі розглянуто питання математичного моделювання динамічних процесів, що відбуваються у електромагнітному механізмі з магнітною клямкою та форсированою котушкою. Наведено динамічні характеристики спрацьовування електромагнітного механізму. Дані якісні та кількісні оцінки отриманих результатів. The paper considers a problem of mathematical modeling of dynamical processes in an electromagnetic mechanism with a magnetic latch and coil forcing. Dynamic characteristics of the electromagnetic mechanism operation are presented. Quantitative and qualitative estimations of obtained results are given. 2010 Article Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой / Е.И. Байда // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 2. — С. 3-5. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143311 621.318 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Байда, Е.И. Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой Електротехніка і електромеханіка
description	В статье рассматривается вопрос математического моделирования динамических процессов, происходящих в электромагнитном механизме с магнитной защёлкой и форсированной катушкой. Приведены динамические характеристики срабатывания электромагнитного механизма. Даны количественные и качественные оценки полученных результатов.
format	Article
author	Байда, Е.И.
author_facet	Байда, Е.И.
author_sort	Байда, Е.И.
title	Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой
title_short	Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой
title_full	Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой
title_fullStr	Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой
title_full_unstemmed	Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой
title_sort	моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143311
citation_txt	Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой / Е.И. Байда // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 2. — С. 3-5. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT bajdaei modelirovaniedinamičeskihharakteristikélektromagnitnyhmehanizmovpostoânnogotokasmagnitnojzaŝëlkoj
first_indexed	2025-07-10T16:53:13Z
last_indexed	2025-07-10T16:53:13Z
_version_	1837279630849998848
fulltext	Електричні машини та апарати Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №2 3 УДК 621.318 Е.И. Байда МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА С МАГНИТНОЙ ЗАЩЁЛКОЙ У статі розглянуто питання математичного моделювання динамічних процесів, що відбуваються у електромагніт- ному механізмі з магнітною клямкою та форсированою котушкою. Наведено динамічні характеристики спрацьову- вання електромагнітного механізму. Дані якісні та кількісні оцінки отриманих результатів. В статье рассматривается вопрос математического моделирования динамических процессов, происходящих в электро- магнитном механизме с магнитной защёлкой и форсированной катушкой. Приведены динамические характеристики срабатывания электромагнитного механизма. Даны количественные и качественные оценки полученных результатов. ВВЕДЕНИЕ Появление в последние годы высококоэрцитив- ных постоянных магнитов привело к существенному изменению в конструкциях электромагнитных приво- дов. Все большее количество зарубежных производи- телей (например, ABB) в качестве привода использу- ют электромагнитные механизмы с магнитной защёл- кой. Аналогичные тенденции имеют место и в Украи- не [1-3]. Основными элементами конструкции таких приводов являются: катушка, работающая кратковре- менно в форсированном режиме; магнитная система, закрепленная на немагнитном основании; высококо- эрцитивные постоянные магниты. Преимущество таких электромагнитных систем заключается в следующем: катушка электромагнита находится под напряжением доли секунды, нагрев её незначителен, поэтому габариты невелики; при при- тянутом якоре система не потребляет энергии от электрической цепи; за счет форсировки катушки, быстродействие такого привода достаточно велико; общие габариты электромагнита определяются только индукцией насыщения, а не размерами катушки. Статический расчет такой системы не вызывает особых сложностей и может быть проведен различ- ными программными комплексами, например FEMM. Но наибольший интерес представляет расчет динами- ки таких систем для определения быстродействия электромагнитного привода. Попытка решения дан- ной задачи приближенными методами дает неточный результат и не может считаться успешной. В резуль- тате обзора литературы по данному вопросу было установлено полное отсутствие данных по более- менее точному расчету динамических характеристик таких систем. Поэтому, решение данной задачи актуально, так как позволяет определить динамические характеристи- ки приводного электромагнита с магнитной защёлкой, влияющие на надежность работы аппарата в целом. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Постановка задачи заключается в проведении расчета динамики включения электромагнитного ме- ханизма с магнитной защёлкой, катушка которого включается на импульсное напряжение с учетом про- водимости и нелинейных свойств материала магнито- провода. Рассчитываемый электромагнит планирова- лось использовать в качестве привода проектируемо- го электротехнического объекта. Цель данной статьи – получить динамические характеристики спроекти- рованного электромагнита. Решаемые для достижения поставленной цели задачи: провести расчет электро- магнитного поля в нелинейной и неоднородной среде с учетом проводимости материала магнитопровода; провести расчет электрической цепи с учетом изме- няющегося магнитного поля; провести расчет движе- ния якоря электромагнита. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ Вид электромагнита показан на рис. 1. Области D1 – D3 – ферромагнетик; D4 – катушка; D5 – посто- янный магнит; D6 – окружающее пространство. Такое положение магнита выбрано в связи с большей на- глядностью получаемых результатов (направление движения и значения электромагнитной силы имеют положительное значение). Данная задача решается на деформируемой сетке, причем, величина и скорость деформации сетки вокруг якоря определяется пара- метрами движения якоря. Рис. 1. Расчетная модель электромагнита Уравнения электромагнитного поля для задачи с осевой симметрией без учета токов смещения можно записать через векторный магнитный потенциал для каждой из рассматриваемых областей: D6.Dесли,0)( D5;Dесли,0))(( D4;Dесли,)( D3;D2,D1,Dесли,0)( 1 1 1 1 ∈=×∇×∇⋅ ∈=−×∇⋅×∇ ∈=×∇×∇⋅ ∈=×∇⋅×∇+ ∂ ∂ ⋅ − − − − ϕ ϕ ϕϕ ϕ ϕ μ μ μ μσ A BA JA A t A r (1) В (1) предполагается, что электрическая прово- димость σ постоянного магнита, катушки (ток рас- пределен равномерно по сечению) и окружающего пространства практически равны нулю. Свойства по- стоянного магнита задаются остаточной индукцией Br и относительной магнитной проницаемостью, опреде- ляемой на основании Br и Hc. В (1) плотность тока катушки Jϕ определяется на основании уравнения для электрической цепи. Так как катушка намотана рав- номерно распределенным по сечению проводом, то пренебрегая неравномерностью тока в отдельном проводящем витке для электрической цепи можно 4 Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №2 записать уравнение: )()( tUdV t A S wtiR V =⋅ ∂ ∂ ⋅+⋅ ∫∫∫ ϕ , (2) где R, w, S, V – активное сопротивление, число витков, площадь поперечного сечения и объем катушки соот- ветственно; i(t) – ток катушки; U(t) – напряжение на катушке, имеющее форму, показанную на рис 2. U t tf = 40 мс 200 В Рис. 2. Вид напряжения, приложенного к катушке электромагнита Полученная система уравнений (1, 2) должна быть дополнена уравнением движения якоря: ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ = −=⋅ )()( )()()( tv dt tdz zPtQ dt tdvm . (3) Уравнение (3) представляет собой уравнение движения тела с постоянной массой, где m – масса якоря и движущихся с ним тел; v(t) – скорость; Q(t) – электромагнитная сила; P(z) – противодействующая сила; z(t) – координата положения якоря. Электромагнитная сила определяется выражени- ем на основании тензора Максвелла в цилиндриче- ской системе координат: ,))(( )(5,0( ∫∫ ∫∫ ⋅⋅⋅+⋅+ +⋅⋅⋅+⋅⋅−= pov pov S povzzr S povzzrr dSBHH dSBHBHQ zr z nn n (4) где n – вектора внешней нормали к поверхности якоря Spov. Система (1-4) должна быть дополнена началь- ными условиями, которые для уравнений (2, 3) будут нулевыми. Начальное условие для (1) запишется так: ),(),,0( zrfzrA =ϕ , (5) где f(r, z) – распределение магнитного потенциала в расчетных областях при обесточенной катушке, полу- ченное на основании решения стационарной задачи для векторного магнитного потенциала (система урав- нений 6) при наличии в системе постоянного магнита. D6.Dесли,0)( D5;Dесли,0))(( D4;Dесли,0)( D3;D2,D1,Dесли,0)( 1 1 1 1 ∈=×∇×∇⋅ ∈=−×∇⋅×∇ ∈=×∇×∇⋅ ∈=×∇⋅×∇ − − − − ϕ ϕ ϕ ϕ μ μ μ μ A BA A A r (6) Уравнения (1, 6) должны быть дополнены гра- ничными условиями, задающими значение магнитно- го потенциала на внешней границе рассматриваемой области и на оси симметрии. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА В качестве основных исходных данных были за- даны: значение и форма напряжения электрической цепи; число витков катушки; начальная противодейст- вующая сила; массы движущихся тел; активное сопро- тивление катушки; параметры постоянного магнита. Для ферромагнитного сердечника и якоря задавалось значение относительной магнитной проницаемости в функции модуля магнитной индукции (рис. 3). Расчеты динамики проводились для электрической проводимо- сти материала электромагнита равной 20 МS/m. Это значение соответствует проводимости конструкцион- ных сталей, таких как Ст3, Ст10, Ст20. Рис. 3. Кривая относительной магнитной проницаемости РЕШЕНИЕ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ Решение задачи проводилось численными мето- дами (метод конечных элементов) в нестационарном режиме на деформируемой сетке решателем с автома- тическим (в зависимости от получаемого результата) выбором временного шага для временного интервала (0-0,1) с. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА Результаты решения представлены в виде графи- ков. На рис. 4 показаны графики временной зависи- мости тока катушки при включении ее на импульсное напряжение. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1t c I_k A Рис. 4. Временная зависимость тока катушки времени Расчеты показывают, что предварительное под- магничивание системы постоянным магнитным пото- ком уменьшает время срабатывания электромагнитно- го механизма. Данный результат можно объяснить уменьшением начальной эквивалентной индуктивно- сти системы за счет потока подмагничивания системы. На рис. 5 показано значение электромагнитной силы, действующей на якорь. Из рис. 5 видно, что электромагнитная сила начинается с некоторого не- нулевого значения и спадает до значения, определяе- мого параметрами постоянного магнита, значением Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №2 5 эквивалентного конечного зазора и сечением магни- топровода. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1t c Q N Рис. 5. Временная зависимость электромагнитной силы На рис. 6 показано изменение модуля магнитно- го потока в сердечнике. 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E-04 6,00E-04 7,00E-04 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1t c F Wb Рис. 6. Временная зависимость магнитного потока На рис. 7 приведен график противо - ЭДС ка- тушки, имеющий довольно сложную форму. На рис. 8 показана временная зависимость наве- денных в сердечнике вихревых токов, которые могут достигать значений в сотни ампер, а на рис. 9 показа- на зависимость хода якоря от времени, позволяющая определить моменты трогания якоря и его остановки. -100 -50 0 50 100 150 200 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1t c E V Рис.7. Временная зависимость противоЭДС катушки -1000 -800 -600 -400 -200 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1t c I_v A Рис.8. Временная зависимость вихревого тока в сердечнике 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 5,00E-04 0,0205 0,0405 0,0605 0,0805 t c S m 0 Рис. 9. Зависимость хода якоря от времени ВЫВОДЫ Разработана математическая модель динамики включения электромагнита постоянного тока с маг- нитной защелкой, позволяющая проводить точные расчеты (в пределах точности входных параметров) таких систем на основании решения мультифизиче- ской задачи, базирующейся на решении уравнений электромагнитного поля. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Клименко Б.В., Бугайчук В.М., Гречко А.М. Электромаг- нитные приводы вакуумных выключателей средних напря- жений // Вестник Национального технического университе- та "Харьковский политехнический институт". – Харьков: НТУ "ХПИ", 2004. – № 42. – С. 73-80. 2. Клименко Б.В., Бугайчук В.М., Гречко А.М. Опытный образец двухпозиционного привода вакуумного выключа- теля среднего напряжения // Электротехника и электроме- ханика – Харьков, 2005. – №2. С. 23-27. 3. Клименко Б.В., Бугайчук В.М., Гречко А.М., Выровец С.В. Быстродействующий электромагнитный привод с вы- теснением магнитного поля для вакуумного выключателя среднего напряжения // Электротехника и электромеханика – Харьков, 2006. – №4. С. 22-26. Поступила 20.09.2009 Байда Евгений Иванович, к.т.н., доц. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21 НТУ "ХПИ", кафедра "Электрические аппараты" тел. (057) 707-69-76 E.I. Bayda Modeling of dynamic characteristics of DC electromagnetic mechanisms with a magnetic latch. The paper considers a problem of mathematical modeling of dy- namical processes in an electromagnetic mechanism with a mag- netic latch and coil forcing. Dynamic characteristics of the elec- tromagnetic mechanism operation are presented. Quantitative and qualitative estimations of obtained results are given. Key words - DC electromagnetic mechanism. dynamic characteristics, mathematical modeling.

Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защёлкой

Репозитарії

Схожі ресурси