Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
22
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Поляков Ігор Володимирович
УДК 621.313.17
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ
МАЛОІНЕРЦІЙНОГО ЛІНІЙНОГО ЕЛЕКТРОДВИГУНА
Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 1999
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Харківському державному політехнічному
університеті Міністерства освіти України
|
Науковий керівник - |
доктор технічних наук, доцент Мілих Володимир Іванович, Харківський державний політехнічний університет, професор кафедри загальної електротехніки. |
|
Офіційні опоненти - |
доктор технічних наук, професор Дудник Михайло Захарович, Донецький державний технічний університет, завідувач кафедри електричних машин; |
|
доктор технічних наук, професор Фінкельштейн Володимир Борисович, Харківська державна академія міського господарства, професор кафедри електротехніки. |
|
|
Провідна установа - |
Науково-дослідний, проектно-конструкторський технологічний інститут важкого електромашинобудування НДІ "Електроважмаш" Міністерства промислової політики України, м. Харків. |
Захист дисертації відбудеться “ 18 ” листопада 1999 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.08 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 310002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.
Автореферат розісланий “7” жовтня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Лінійні електродвигуни (ЛЕД) вже знайшли досить широке використання в різних галузях техніки і мають перспективи застосування в транспортних системах. При розгляді нових варіантів впровадження ЛЕД одним із важливих факторів є можливість пристосування їх до конкретних умов об'єктів, що приводяться до руху. Так, пошук подібного по специфіці роботи приводу для стартового прискорення різних об'єктів, у тому числі літальних апаратів, привів до ЛЕД, як однієї з альтернатив. Такий ЛЕД повинний мати малу механічну й електромагнітну інерційність, бути керованим і мати високу перевантажувальну спроможність.
Техніко-економічний аналіз виявив, що зазначеним вимогам може відповідати малоінерційний лінійний двигун постійного струму (ЛДПС) із тиристорною системою комутації обмотки якоря. Можливості ЛЕД такого типу й аспекти їх реалізації ще не були вивчені в достатній степені. Тому виникла задача розробки і дослідження макетного варіанта зазначеного ЛДПС. У рамках такої задачі і виконувалася дисертаційна робота.
У зв'язку з відзначеним, тема дисертаційної роботи, що подана, представляється актуальною і практично значимою.
Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота по темі дисертації виконувалася відповідно до:
– державної науково-технічної програми 5.1.6. "Ресурсозберігаючі електромеханічні системи" по проекту № 18 (№ 5.51.06/219.92) "Дослідження макетного зразка і розробка теорії малоінерційного лінійного двигуна постійного струму";
– державної науково-технічної програми 04.11 "Високоефективні енергозберігаючі електромеханічні та енерготехнологічні системи" по проекту 04.11.05/005 К-95 "Дослідження макетного зразка і розробка теорії малоінерційного лінійного двигуна постійного струму".
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи було - теоретичне й експериментальне дослідження макетного зразка малоінерційного лінійного електродвигуна постійного струму і на цій основі - розробка теорії і загальної концепції конструювання двигунів такого типу.
З цього виходили й основні задачі дисертаційної роботи:
– розробка ряду технічних рішень, зв'язаних із специфікою роботи даного типу лінійного електродвигуна;
– розробка методики електромагнітного перевірочного розрахунку лінійного двигуна;
– аналіз, розробка і програмна реалізація системи методів розрахунку магнітного поля, електромагнітних параметрів та електродинамічних процесів в лінійному електродвигуні;
– розробка методики розрахунку вихрових струмів (ВС) в елементах конструкції системи збудження лінійного електродвигуна на основі коловопольового методу розрахунку;
– проведення експериментальних досліджень лінійного двигуна в пускових і сталих режимах, перевірка експериментальним шляхом цілого ряду електромагнітних параметрів і електродинамічних процесів, отриманих по розробленій методиці розрахунку, а також експериментальне дослідження умов здійснення природної вентильної комутації в малоінерційному ЛЕД.
Наукова новизна одержаних результатів:
– подана модель макетного зразка лінійного двигуна, що має ряд нових конструктивних особливостей;
– подана методика електромагнітного перевірочного розрахунку лінійного електродвигуна;
– розроблені програмні алгоритми для: дослідження електромагнітних параметрів і електродинамічних процесів у різних режимах роботи двигуна; розрахунку індуктивних параметрів і електродинамічних зусиль; розрахунку вихрових струмів в елементах конструкції двигуна;
– подані результати розрахунку індуктивних, електромагнітних параметрів і електродинамічних процесів лінійного електродвигуна при спільному використанні методу кінцевих різниць і методу дзеркальних відображень;
– подані результати розрахунку вихрових струмів в елементах конструкції системи збудження лінійного двигуна в його основних робочих режимах при застосуванні положень теорії коловопольового методу;
– подані результати експериментальних досліджень унікального зразка малоінерційного лінійного електродвигуна з тиристорною системою комутації.
Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність результатів роботи полягає у впровадженні розробленої методики розрахунку при проектуванні і створенні лінійних електродвигунів на базі чисельних розрахунків електромагнітних полів, електромагнітних параметрів і електродинамічних процесів. Результати роботи підтверджено також даними експериментальних досліджень на випробувальному полігоні, змонтованому в НДІ ВО "ХЕМЗ", м. Харків.
Результати дисертаційної роботи можуть бути використані:
– в установках стартового розгону літальних апаратів, особливо в умовах обмеженої довжини розгінних смуг;
– у високошвидкісних і швидкодіючих транспортних засобах;
– на випробувальних полігонах для ресурсних випробувань різних пристроїв, транспортних засобів та ін.
Особистий внесок здобувача. У колективно опублікованих роботах особистий внесок здобувача полягає в: розробці математичної моделі малоінерційного лінійного двигуна; моделюванні електромагнітних полів в лінійному електродвигуні при застосуванні чисельних методів кінцевих різниць та дзеркальних відображень; проведенні порівняльного аналізу експериментальних та розрахункових даних електромагнітних процесів в малоінерційному лінійному електродвигуні при застосуванні коловопольового методу розрахунку; отриманні результатів аналізу розрахунків магнітного поля у поздовжньому перерізі; проведенні розрахунку електродинамічних зусиль у обмотках індуктора ЛЕД; проведенні експериментальних вимірювань та розрахунку індуктивних параметрів системи збудження та електродинамічних процесів при різних початкових умовах роботи лінійного двигуна; розробці пакету прикладних програм для: дослідження електромагнітних параметрів і електродинамічних процесів лінійного електродвигуна; розрахунку вихрових струмів в елементах конструкції двигуна.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на конференціях: "Проблемы нелинейной электротехники": IV научно-техническая конференция. – Институт проблем моделирования в энергетике АН Украины, 1992 г; Международный научно-технический семинар "Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве",– Суздаль, 1993 г.; "Приборостроение и новые информационные технологии": научно-техническая конференция с международным участием, Винница-Николаев, 1993 г; "Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці": 1 Міжнародна науково-технічна конференція, 19-22 вересня, 1995 р., Україна, Львів; "microCAD. Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров`я", м.Харків, 1993 – 1999 рр.
Публікації. За результатами дисертації опубліковано 17 наукових праць, з яких 2 статті в наукових журналах, 4 статті в збірниках наукових праць, 2 депоновані статті, 9 робіт - матеріали міжнародних конференцій.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг роботи складає 226 с., в тому числі: 147 с. основного тексту, 62 ілюстрації на 39 с., 26 таблиць на 4 с., список використаних джерел з 191 найменування на 19 с., додатки на 17 с.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані цілі, поставлені основні задачі, представлені об`єкти дослідження.
У першому розділі проведено огляд конструкцій лінійних електродвигунів різних типів і виконань, областей їх застосування і принципів проектування. Наведені загальні критерії класифікації по топологічних ознаках лінійних асинхронних, синхронних, індукторних і лінійних двигунів постійного струму.
Проведено також порівняльний аналіз енергетичних і масогабаритних показників різних типів і конструкцій лінійних електродвигунів і зроблені висновки щодо доцільності застосування того або іншого типу двигуна при виконанні конкретних задач.
Показано, що одним із шляхів реалізації потужного, керованого, малоінерційного електродинамічного пристрою може стати шлях створення лінійного електродвигуна, який поєднує у собі якості лінійного двигуна постійного струму і лінійного синхронного двигуна. Загальним для цих типів ЛЕД є застосування багатополюсного індуктора, що рухається, з електромагнітним збудженням. Від системи ЛДПС можна запозичити електроживлення постійною регульованою напругою і коло обмотки якоря, що комутується. Від лінійного синхронного двигуна - створення магнітного поля (МП), що біжить, відносно якого синхронно рухається збуджений індуктор. У такому ЛЕД живиться тільки активна ділянка якірної обмотки, що збігається по довжині з індуктором. Цей тип двигуна поєднує у собі кращі якості синхронної машини - її енергетичні показники, і якості машини постійного струму - ефективне і зручне керування роботою електропривода.
Здійснюючи пошук нових ефективних рішень лінійного електропривода, а також з метою підвищення техніко-енергетичних і експлуатаційних параметрів лінійного електродвигуна, кафедрою загальної електротехніки Харківського державного політехнічного університету разом із НДІ ХЕМЗ (Харківський електромеханічний завод) був розроблений і зібраний на випробувальному стенді макетний зразок малоінерційного імпульсного лінійного двигуна.
Створення такого типу ЛЕД є логічним продовженням робіт, орієнтованих надалі на виробництво повномасштабного зразка швидкодіючих лінійних електродвигунів.
У другому розділі подано вихідні передумови проектування й умови моделювання малоінерційного ЛЕД потужністю 400 кВт. Приведено методику розрахунку основних параметрів ЛЕД. Так у попередньому розрахунку, зокрема, проводяться обчислення: часу розгону ЛЕД; прискорення при розгоні; необхідної сили тяги, що віддається лінійним двигуном; максимального лінійного струмового навантаження двигуна; його максимальної електромагнітної потужності; струму якоря; механічної енергії, що віддається двигуном при пуску; середнього лінійного струмового навантаження смуги гальмування й інших необхідних для подальших розрахунків величин. Наведено методики розрахунку обмотки якоря, індуктора, комутаційних параметрів. Подано також результати розрахунку втрат потужності і результати оцінного розрахунку теплового стану обмоток і елементів конструкції ЛЕД.
Всі приведені методики складають основу єдиної суцільної методики розрахунку основних параметрів лінійних двигунів подібного типу.
Надано опис електромагнітної системи і конструкції малоінерційного ЛЕД, що зображено на рис. 1, наведені його основні розміри, а також описані конструктивні особливості двигуна.
Відмінними рисами двигуна є: відносно великий зазор , що приводить до зниження індуктивності обмоток; відсутність феромагнітних мас в індукторі, що забезпечує мінімум сил інерції; обмотка якоря, що винесена в основний зазор ; короткочасний характер роботи, який дозволяє вибрати підвищену щільність струму в обмотках. Все перелічене дозволяє досягти високої швидкості спрацьовування ЛЕД (у практично імпульсному режимі) і, таким чином, ефективного стартового прискорення.
За результатами проведених розрахунків зроблено ряд висновків. Зокрема про те, що через специфіку імпульсного режиму роботи ЛЕД виявляється можливим використання великої щільності струму в обмотках якоря 90 А/мм2 і індуктора 80 А/мм2, тому що перевірочні розрахунки, а в наслідок і результати експериментів на натурному зразку показали, що має місце припустиме перевищення температури обмоток і елементів конструкції двигуна над температурою навколишнього середовища.
У третьому розділі проведено теоретичний огляд і надано порівняльний аналіз застосування різних математичних методів для розрахунку магнітних полів у лінійних електродвигунах.
Розроблено і надано математичну модель малоінерційного лінійного електродвигуна, а також надано методику і результати розрахунку електромагнітних полів у даному лінійному двигуні в статичних і пускових режимах при спільному використанні чисельних методів кінцевих різниць (МКР) і дзеркальних відображень (МДВ).
Так аналіз розрахунків показав, що через значну протяжність області, яка вимагає відповідної кількості ліній сітки, розрахунок МКР сходиться досить повільно. Зате поле одержується відразу у всій області і необхідні електромагнітні параметри можуть бути отримані вже практично без додаткових витрат. МДВ більш швидкий, тому що розрахунок проводиться тільки в конкретних точках. Тому попередній аналіз поля й електромагнітних параметрів краще проводити МДВ, а підсумкові результати обраного варіанта - МКР.
При розв'язанні польових задач чисельними методами може бути використана та частина рівнянь системи Максвела, яка описує електромагнітне поле і частіше застосовується для розрахунку параметрів і процесів в електричних машинах:
(1)
При опису магнітного поля при цьому використовується рівняння
, (2)
де – векторний магнітний потенціал (ВМП), уведений співвідношеннями
. (3)
– питомий магнітний опір.
При цьому рівняння плоскопаралельного поля в прямокутній системі координат (х, у) виглядає так
. (4)
Для методу кінцевих різниць модуль В та складові магнітної індукції (МІ) Вх, Ву і їх кінцево-різницеві аналоги в комірці сітки (j,i) при плоскопаралельному полі в прямокутній системі мають вигляд
;
; (5)
.
Що стосується МДВ, він як метод чисельного розрахунку (приклад розрахункової моделі показаний на рис. 2), був обраний виходячи із специфіки реальної фізичної моделі, а також на підставі результатів експериментів, які підтвердили, що витиснення поля за межі феромагнітних екранів практично відсутнє.
Так на рис. 2 показано двостороннє феромагнітне осердя статора - 1, основний повітряний зазор , система відображень струмів , отримана від реальних елементарних струмів і , виділених у котушках індуктора - 2, вектор магнітної індукції і його складові і , знайдені в точці простору на відстані R від відображення елементарного струму .
При припущенні рівномірної щільності струму в переризі котушок на елемент із розмірами припадає струм
, (6)
де - число витків котушки, - площа поперечного перерізу сторони котушки, - струм даної котушки.
По координатах реального елемента струму одержуємо структуру його відображень, яка характеризується координатами
; , (7)
де при k=0 одержують реальний струм і перше відображення, а кожне наступне значення k=1, 2, ... дає четвірку чергових відображень.
Кожне відображення струмів проводилося по формулі:
, (8)
де - магнітні проникності екранів і повітря.
У точці (х,у) модуль вектора магнітної індукції (див. рис. 2) від відображення струму , що має координати центру (хi,ур), визначається у виді , якщо , і , якщо ,
де ; , - радіус вписаної окружності елементарної площини зі струмом .
Складові цього вектору:
; . (9)
Обчислюється також складова векторного магнітного потенціалу по осі z
, (10)
де - видалення від , на якому можна зневажити величиною МП.
Результуючі складові магнітної індукції і ВМП утворюються підсумовуванням
, ,, (11)
де G - число котушок; N - число елементів у переризі їх сторін; К - кількість циклів відображень.
За допомогою МКР були проведені також двомірні розрахунки поля в поздовжньому переризі ЛЕД. Поряд із наочним уявленням поля, розрахунок у поздовжньому переризі дозволяє визначити активну довжину обмоток . Так для моделі на рис. 3 отримане значення м при довжині бічних сторін обмоток =0,324 м.
Розрахунок поля, який проведено на моделі із суцільним сердечником без міжпакетних каналів, проявив їх роль для активної довжини: вона збільшилася до 0,311 м.
На рис.3,4 показані результати порівняльного аналізу експериментальних і розрахункових досліджень форми і розміру поля в ЛЕД. На рисунку показані , - складові вектора МІ, отримані, відповідно, розрахунковим і експериментальним шляхом при роботі котушок індуктора. , - складові вектора МІ, отримані розрахунковим шляхом при спільній роботі обмоток якоря й індуктора.
Проведене зіставлення розрахункового й вимірювального розподілів показало близький їх збіг, що підтверджує правильність обраної методики розрахунку.
Внизу на рис. 4 для наочності зображені сторони котушок індуктора і лініями Az=const картина їхнього магнітного поля (вона отримана за допомогою МКР). Силові лінії проведені через 0,05 в.о. при нормуванні потенціалу його максимальним значенням Az,max=0,130 Вб/м.
На основі розрахунків магнітного поля можуть бути також знайдені силові взаємодії обмоток, їхні індуктивності і параметри, що забезпечують аналіз комутаційного процесу в обмотці якоря.
У четвертому розділі описано методику розрахунку електромагнітних параметрів ЛЕД, таких наприклад, як:
складові електродинамічних зусиль (ЕДЗ), зокрема, які доводяться на комірку сітки j, i (МКР) при плоскопаралельній задачі в прямокутних координатах
, (12)
,
де – щільність струму в комірці з координатами j,i;
потокозчеплення , (13)
де - число витків котушки, - площа поперечного перерізу витків котушки, - активна довжина бічних сторін контуру, Аj,i - середнє значення ВМП в комірці площею ;
індуктивних параметрів обмоток системи збудження ЛЕД
, (14)
де - покоміркові середні значення ВМП поля, що створено котушкою n, а - струми котушки m, що припадають на комірки, по перерізах сторін якої проводиться підсумовування.
На рис. 5 показані криві Fx,л, Fx,п, Fу,п, Fу,л, що представляють розподіл ЕДЗ по обмотковому шару якоря в межах двох полюсних ділень - ширини силових котушок індуктора. Індекси п и л відповідають правій і лівій сторонам обмоткового шару якоря, якщо дивитись по ходу руху індуктора. Внизу на рис. 5 показані вектори ЕДЗ, що діють на сторони силових котушок індуктора.
Запропонований програмний алгоритм, застосований у даній роботі для розрахунку індуктивних параметрів і електродинамічних зусиль ЛЕД, за допомогою розробленої методики спільного розрахунку чисельними методами МДВ і МКР, може бути застосований при проектуванні ЛЕД подібних типів.
Проведено експериментальні дослідження індуктивних параметрів обмоток малоінерційного ЛЕД. Результати досліджень підтвердили отримані раніш розрахункові дані.
У п`ятому розділі наведено порівняльний аналіз методів розрахунку перехідних процесів у лінійних електричних двигунах. Описано методику розрахунку ВС в елементах конструкції системи збудження лінійного двигуна в перехідних режимах роботи останнього. Подано модель ЛЕД і відповідну їй електричну схему заміщення (рис. 6,7).
На рис. 6 зображені: 1 - обмотка індуктора ЛЕД; 2 - каркаси котушок; 3 - обжимна планка; 4 - бічні листи (щоки); 5 - феромагнітні екрани; 6 - бічні планки індуктора.
Навпроти кожної з основних котушок на рис. 6 виділені відособлені системи контурів. Для прикладу цілком показані контури зі струмами ik4, ik17, ik65. Складено електричну схему заміщення (див. рис. 7).
Електропровідні елементи конструкції заміщені парами зосереджених параметрів: резистивним Rm та індуктивним Lm і мають магнітні зв'язки, що враховуються коефіцієнтами взаємної індуктивності Мj,m (j=1,2,...,n; m=1,2,...,n), де n– загальне число елементів. Елементи 1, 2 і 3 заміщають контури обмотки індуктора (ОІ) і каркасів основних її котушок, відповідно. Елементи з 4 по n заміщають штучно виділені смуги в бічній обшивці індуктора.
У такий спосіб на підставі електричної схеми заміщення, що подана, була складена система диференціальних рівнянь.
У даній системі напруга u для всіх контурів має нульові значення, крім ОІ. Остання живиться від генератора постійного струму у форсованому режимі і, якщо враховувати його зовнішню характеристику та нагрів обмоток, то напруга стає функцією часу t. Тому, щоб одержати більш точні результати розрахунків, використовували експериментально зняту залежність . При чисельних розрахунках вона апроксимувалась малоінтервальними кубічними поліномами.
Параметри , що змінювались при збудженні ОІ, потребували чисельного рішення системи диференціальних рівнянь. Вона інтегрувалася методом Рунге-Кутта четвертого порядку. Чисельне рішення шукалося на дискретному часовому ряді
(15)
с досить малими кроками , що вибиралися.
На першому кроці приймалися нульові умови для струмів усіх контурів, на кожному наступному кроці - за результатами розрахунків на попередньому. Вирішуючи щораз систему як алгебраїчну, на підставі методу Рунге-Кутта визначали похідні струмів . По ним визначали значення самих струмів
. (16)
Крокова зміна температури провідників обчислювалася в припущенні адіабатичного процесу по формулі
, (17)
де , – питомі маса, теплоємність та електричний опір матеріалу провідника.
Значення і відшукувались по поточній температурі
з використанням відомих температурних залежностей і .
Наведено результати експериментальних досліджень макетного зразка малоінерційного лінійного електродвигуна.
У додатках наведено таблиці з основними техніко-економічними показниками лінійних двигунів різних модифікацій, програми та алгоритми розрахунків вихрових струмів в елементах конструкції лінійного двигуна в перехідних процесах.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ
1. Проведений аналіз розвитку лінійних електродвигунів показав, що вони є важливою ланкою в підвищенні ефективності і технологічності процесів, що відбуваються в промисловості на сучасному етапі, і є необхідність їхнього подальшого розвитку.
2. При аналізі електромагнітних параметрів і електродинамічних процесів у ЛЕД велику роль відіграють чисельні методи розрахунків. Так, застосований у даній роботі програмний алгоритм розрахунку електромагнітних параметрів і електродинамічних процесів, векторного магнітного потенціалу, електродинамічних зусиль, індуктивних параметрів за допомогою спільного використання чисельних методів кінцевих різниць і дзеркальних відображень, показав надійність одержуваних результатів і може бути узятий за основу при проектуванні ЛЕД.
3. Матеріал, який подано у даній роботі, дає в процесі проектування можливість прямого переходу від результатів розрахунку магнітного поля до практично будь-яких електромагнітних параметрів і електродинамічних процесів у ЛЕД, що виключає ряд умовностей і наближень у методах проектування, що традиційно використовуються. Це стосується практично всіх основних параметрів двигуна - магнітних потоків, електродинамічних зусиль, індуктивностей і взаємоіндуктивностей, ЕРС, вихрових струмів, магнітних втрат, комутаційного процесу в обмотці якоря, процесів збудження обмоток і гасіння їх поля і т. ін.
4. Проведено різнобічні дослідження електромагнітної системи малоінерційного ЛЕД, що характеризується високим рівнем електромагнітних навантажень, великою величиною електродинамічних зусиль, неферомагнітною структурою обмоткового шару статора, а також застосуванням тиристорної комутації обмотки якоря. На основі розрахункового аналізу за допомогою запропонованих методів і конструктивних рішень показані можливі шляхи подолання як відомих, так і уперше виявлених проблем у ЛЕД такого класу.
5. Подано комплекс рішень задач розрахунку перехідних електродинамічних процесів в елементах конструкції ЛЕД, що є електропровідними, таких як провідники обмотки якоря й обмотки індуктора, елементи конструкції неферомагнітного індуктора ЛЕД.
6. Подані в даній роботі експериментальні дослідження підтвердили можливість подальшої розробки ЛЕД із тиристорною системою комутації, що може бути використаний у пристроях розгінного типу або для стартового прискорення різних об'єктів.
7. Проведено всебічні дослідження створеного зразка малоінерційного ЛЕД, що підтвердили основні теоретичні положення, прийняті при його проектуванні, а також результати попередніх розрахункових досліджень по розроблених методиках.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Данько В.Г., Милых В.И., Поляков И.В. Исследовательский комплекс малоинерционного линейного электродвигателя // Известия РАН. Энергетика. – 1995. – №4. – С. 117–126. Авторові належить розрахунок електромагнітних процесів в малоінерційному ЛЕД.
2. Данько В.Г., Милых В.И., Поляков И.В. Исследование магнитного поля и процесса возбуждения малоинерционного линейного электродвигателя // Техническая электродинамика. – 1994. – №1. – С. 25–30. Авторові належать розрахунки електромагнітних полів в малоінерційному ЛЕД.
3. Поляков И.В. Моделирование магнитных полей в линейном двигателе при варьировании его параметров// Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Электротехника и электроэнергетика. –1999. – Выпуск 43. – С. 100 –103.
4. Милых В.И., Поляков И.В. Распределение магнитного поля в продольном сечении линейного электродвигателя// Сборник научных трудов ХГПУ. Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. – Выпуск 7 . – Часть 3. – Харьков. – 1999. – С. 132–134. Авторові належить аналіз розрахунків поля в повздовжньому переризі.
5. Милых В.И., Поляков И.В. Расчет электродинамических усилий в обмотках малоинерционного линейного электродвигателя// Сборник научных трудов ХГПУ. Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. – Выпуск 6. – Часть 2. – Харьков. – 1998. – С. 289–291. Авторові належить розрахунок електродинамічних зусиль у обмотках індуктора малоінерційного лінійного електродвигуна.
6. Милых В.И., Поляков И.В., Тимофеева А.Ф. Анализ магнитного поля в линейном электродвигателе с большим зазором// Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Электромашиностроение и автоматизация промышленных предприятий. – Выпуск 17. – 1992. – №5. –С. 134–137. Авторові належать результати моделювання електромагнітних полів в лінійному електродвигуні.
7. Данько В.Г., Милых В.И., Поляков И.В. Испытательный комплекс и некоторые результаты исследований малоинерционного линейного электродвигателя// Харьковский политехнический институт. – Харьков, 1994. – 24 с. Деп. в ГНТБ Украины 20.07.94 г., №1398–Ук94. Авторові належать дані експериментальних вимірювань індуктивних параметрів.
8. Данько В.Г., Милых В.И., Поляков И.В. Экспериментальный образец линейного электродвигателя с тиристорной системой коммутации и первые этапы его исследований//Харьковский политехнический институт.– Харьков, 1994. – 22 с. Деп. в ГНТБ Украины 26.04.94 г., №851–Ук94. Авторові належать результати експериментальних досліджень ЛЕД.
9. Поляков И.В. Численное моделирование индуктивных параметров обмоток линейного электродвигателя и их экспериментальная проверка// Труды Международной научно-технической конференции “microCAD'94”. Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. – Часть 2. – Харьков. – 1994. – С. 40.
10. Милых В.И., Поляков И.В. Моделирование на ПЭВМ электродинамических параметров линейного электродвигателя// Труды Международной научно-технической конференции “microCAD'93”. Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. – Часть 3. – Харьков. – 1993. – С. 77–79. Авторові належать розрахунки електромагнітних параметрів лінійного двигуна.
11. Мілих В.І., Поляков І.В. Математичне моделювання процесу збудження малоінерційного лінійного двигуна// Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці. Матеріали 1-ої міжнародної науково – технічної конференції. – Україна, Львів. – 1995 р. – С. 21–22. Авторові належить розрахунок електродинамічних процесів в лінійному двигуні.
12. Милых В.И., Поляков И.В. Электродинамические процессы в системе возбуждения линейного электродвигателя с неферромагнитным индуктором// Труды Международной научно-технической конференции “microCAD'95”. Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. – Часть 2. – Харьков. – 1995. – С. 17. Авторові належать результати експериментальних вимірювань магнітного поля в ЛЕД.
13. Милых В.И., Поляков И.В., Климов Ю.А. Приложение цепнополевого метода к расчету вихревых токов в электрических машинах// Труды Международной научно-технической конференции “microCAD'96”. Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. – Часть 1. – Харьков. – 1996. – С. 92. Авторові належить розрахунок вихрових струмів у елементах конструкції системи збудження ЛЕД.
14. Милых В.И., Поляков И.В. Численное моделирование электромагнитного переходного процесса в многосвязной системе плоского индуктора ЛЭД// Труды Международной научно-технической конференции “microCAD'97”. Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. – Часть 3. – Харьков. – 1997. – С. 142–146. Авторові належить розрахунок коефіцієнтів взаємоіндуктивності елементів конструкції системи збудження лінійного двигуна.
15. Данько В.Г., Милых В.И., Поляков И.В. Испытательно–измерительный комплекс и моделирование старта линейного электродвигателя// Материалы научно–технической конференции с международным участием. Приборостроение и новые информационные технологии.– Винница–Николаев. –1993. – С. 13. Авторові належать результати експериментальних досліджень при варіюванні початкових параметрів старту ЛЕД.
16. Данько В.Г., Милых В.И., Поляков И.В. Линейный двигатель с тиристорной системой коммутации// Международный научн.-техн. семинар “Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве”.– Суздаль. – 1993. – С. 69–71. Авторові належить розрахунковий аналіз магнітного поля лінійного електродвигуна при імпульсному режимі роботи ЛЕД.
17. Данько В.Г., Милых В.И., Поляков И.В. Численное моделирование параметров магнитных систем с ферромагнитными экранами // Проблемы нелинейной электротехники. IV науч.-техн. конф. – Институт проблем моделирования в энергетике АН Украины. – 1992. – С. 61–62. Авторові належить розрахунковий аналіз меж використання чисельного методу дзеркальних відображень при моделюванні магнітного поля в ЛЕД.
АНОТАЦІЇ
Поляков Ігор Володимирович. Дослідження електродинамічних параметрів малоінерційного лінійного електродвигуна. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - електричні машини і апарати. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.
Метою дисертаційної роботи було теоретичне й експериментальне дослідження малоінерційного лінійного електродвигуна постійного струму в пускових і сталих режимах методами математичного і фізичного моделювання і на цій основі - розробка теорії і загальної концепції конструювання двигунів такого типу на базі чисельних розрахунків магнітних полів, електромагнітних параметрів і електродинамічних процесів.
Двигун призначений для роботи в короткочасних, практично імпульсних режимах розгону масогабаритних об'єктів до високих швидкостей, і має ряд конструктивних особливостей: мала інерційність; висока щільність струму в обмотках індуктора і якоря; відносно великий основний повітряний зазор; використання тиристорної системи з природною вентильною комутацією обмотки якоря.
Ключові слова: малоінерційний лінійний електродвигун, електродинамічні процеси, електромагнітні параметри, електродинамічні зусилля, моделювання за допомогою чисельних методів розрахунку, перехідні режими, вихрові струми.
Polyakov Igor Vladimirovich. Research of electrodynamic parameters of the quick-response linear electric motor. – Manuscript.
Thesis for a candidate's degree by speciality 05.09.01 – electrical machines and devices. – Kharkov State Polytechnical University, Kharkov, 1999.
The purpose of the dissertation was theoretical and experimental research of the quick-response linear electric motor of a direct-current in starting and steady-state modes by methods of mathematical and physical modelling, and on this basis - the development of the theory and general concept of the designing of such type engines on the basis of numerical calculations of magnetic fields, electromagnetic parameters and electrodynamic processes.
The engine is intended for work in short-term, practically pulsed operations of acceleration of mass-sized objects up to high speeds, and has a series of structural features: quick-response; high density of a current in windings of inductor and armature; rather large basic air gap; the use of a thyristor system with natural gate commutation of an armature winding.
Keywords: the quick-response linear electric motor, electrodynamic processes, electromagnetic parameters, electrodynamic forces, modelling by means of numerical methods of calculation, transient conditions, eddy currents.
Поляков Игорь Владимирович. Исследование электродинамических параметров малоинерционного линейного электродвигателя. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – электрические машины и аппараты. – Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.
Диссертация посвящена исследованию электродинамических параметров линейного двигателя постоянного тока. Рассматриваемый малоинерционный линейный электродвигатель предназначен для работы в кратковременных, практически импульсных режимах разгона массогабаритных объектов до высоких скоростей. Вследствие чего данный двигатель имеет ряд существенных конструктивных особенностей, позволяющих данному типу ЛЭД иметь ряд таких качеств как: малая инерционность; повышенная плотность тока в обмотках возбуждения индуктора и якоря; относительно большой основной воздушный зазор, и как следствие, малые индуктивности обмоток; использование тиристорной системы с естественной вентильной коммутацией обмотки якоря.
Основной задачей диссертационной работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование малоинерционного линейного электродвигателя постоянного тока в пусковых и установившихся режимах методами математического моделирования и на этой основе – разработка теории и общей концепции конструирования двигателей такого типа на базе численных расчетов магнитных полей, электромагнитных параметров и электродинамических процессов.
В работе выполнены разработка, программная реализация и анализ системы методов расчета магнитного поля в двигателе: в поперечном сечении с учетом неоднородной структуры и конечности магнитопровода; в продольном сечении.
Проведенное моделирование поля при совместном использовании численных методов расчета конечных разностей и зеркальных отображений подтвердило близость расчетных и экспериментальных данных, как по характеру, так и по величине, а имеющиеся незначительные расхождения можно объяснить принятыми при расчетах допущениями и погрешностями измерений. Предложена методика нахождения силовых взаимодействий обмоток, их индуктивностей и параметров, обеспечивающих анализ коммутационного процесса в обмотке якоря, на основе результатов предварительных расчетов магнитного поля.
В диссертации также выполнен расчетный анализ влияния вихревых токов в элементах конструкции системы возбуждения линейного электродвигателя на работу последнего в различных рабочих режимах двигателя. Моделирование проведено с помощью цепнополевого метода расчета. Сделаны выводы, в частности, что при импульсном возбуждении индуктора на его магнитное поле оказывают заметное, но не определяющее влияние вихревые токи в элементах конструкции и нагрев обмотки индуктора.
В целом проведенные расчеты показали, что электромагнитный переходный процесс возбуждения обмотки индуктора затрагивает конструктивные элементы индуктора и сопровождается допустимым нагревом самой обмотки. Суммарная магнитодвижущая сила контуров реакции на полюсном делении практически достигает магнитодвижущей силы полюсной катушки индуктора. Следовательно, сам переходный процесс и получаемые в результате его расчета данные должны учитываться на стадии проектирования рассматриваемого ЛЭД при определении его электродинамической и термической надежности.
В результате расчета электродинамических усилий, действующих на элементы конструкции при различных режимах работы ЛЭД, получены данные, которые могут быть использованы для проведения последующих механико-прочностных расчетов элементов линейного двигателя.
Работа также содержит описание: ряда технических решений и особенностей конструкции данного типа линейного электродвигателя; результатов всесторонних экспериментальных исследований на испытательном полигоне макетного образца малоинерционного линейного электродвигателя, а также результатов исследования условий осуществления естественной вентильной коммутации в двигателе при различных пусковых режимах.
Результаты диссертационной роботы могут найти промышленное применение: в регулируемом быстродействующем линейном электроприводе различного назначения; в установках стартового разгона летательных аппаратов, особенно в условиях ограниченной длины разгонных полос; в высокоскоростных и быстродействующих транспортных средствах; на испытательных полигонах для ресурсных испытаний различных устройств и транспортных средств.
Ключевые слова: малоинерционный линейный электродвигатель, электродинамические процессы, электромагнитные параметры, электродинамические усилия, моделирование с помощью численных методов расчета, переходные режимы, вихревые токи.