Удосконалення розрахунку силової дії магнітного поля на якір циліндричного електромагніта броньового типу

На рис. 11 приведені тягові характеристики броньового електромагніта з різними формами хвостовика якоря в області прохідного фланця. З рис. 11 видно, що запропоноване конструктивне рішення дозволяє змінювати жорсткість кривої тягової характеристики електромагніта в широких межах, а також знизити ударні навантаження на якір електромагніта, не знижуючи зусилля рушання електромагніта.

При зміні форми якоря з боку прохідного фланця, як показано на рис. 10, при зменшенні проміжку в процесі ходу якоря картина розподілу магнітних потоків в обмотувальному вікні різко змінюється. При цьому граничні умови, прийняті для розв`язання рівняння Пуассона, не відповідають дійсності. Тому визначити потоки розсіювання на підставі аналітичного розв`язання рівняння поля безпосередньо за запропонованою методикою не є можливим. Крім цього, опір паразитного проміжку в області комірця важко піддається аналітичному опису. Тому запропонована методика розрахунку тягового зусилля дає адекватні результати лише при початковому (і близькому до нього) проміжкові, коли з погляду опису магнітної системи запропонований електромагніт не відрізняється від електромагніта традиційної конструкції. 

Виходячи із цього, в роботі запропоновано наступний підхід до визначення конструктивних параметрів броньових електромагнітів із нециліндричним хвостовиком якоря при проектуванні на задану тягову характеристику:

– розраховуються параметри електромагніта із циліндричним якорем в області прохідного фланця (базовий електромагніт), тягова характеристика якого лежить вище заданої, збігаючись із нею при початковому значенні робочого проміжку;

– параметри базового електромагніта в подальшому використовуються у програмі розрахунку магнітних полів методом скінченних елементів, де шляхом послідовних перерахунків підбираються кут, що утворює конус, та місце закінчення циліндричної частини якоря, щоб тягова характеристика максимально наблизилася до необхідної по всьому ходу якоря.

Такий підхід є виправданим, оскільки при послідовних розрахунках потрібно визначити параметри лише хвостовика якорю. Це не викликає труднощів щодо практичної реалізації. 

 

 

У дисертаційній роботі на основі отриманих теоретичних і прикладних результатів та їх систематизації розв’язано актуальну наукову задачу вдосконалення аналітичного розрахунку тягового зусилля броньових електромагнітів для широкого діапазону зміни робочого проміжку з урахуванням магнітного стану сталі магнітопроводу. Це дозволяє підвищити ефективність дослідження електромеханічних і магнітних процесів у броньовому електромагніті і, на відміну від відомих підходів, дозволяє врахувати розподіл магнітного поля в системі броньового електромагніта і магнітний стан матеріалу магнітопроводу, що дозволяє отримувати броньові електромагніти з поліпшеними робочими та конструкційними параметрами.

Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволяють сформулювати наступні висновки: 

1.Аналіз існуючих методик розрахунку броньових електромагнітів показав відсутність аналітичних методик, які дозволяють визначати тягові зусилля електромагнітів з необхідною точністю у широкому діапазоні зміни значень ходу якоря через неадекватність відомих підходів щодо визначення розподілу магнітних потоків розсіювання. Це призводить до завищення розрахункової магніторушійної сили обмотки, збільшення маси й габаритів, а також споживаної потужності електромагніта.

2.Доведено, що вдосконалення методу розрахунку тягового зусилля броньового електромагніта можливе шляхом удосконалення розрахунку магнітних потоків розсіювання в обмотувальному вікні й, відповідно, потокозчеплення в системі, на основі загального енергетичного підходу до визначення тягового зусилля як похідної потокозчеплення по робочому проміжку. 

3.Отримано аналітичні вирази, що дозволяють визначати магнітні потоки із залізних ділянок обмотувального вікна в броньовій магнітній системі при довільному положенні якоря, які, як це випливає з порівняння даних розрахунку по отриманих виразах і даних обчислювального експерименту, дозволяють досягти похибки менше 8 %, що є достатнім для практичних інженерних розрахунків. 

4.Показана можливість застосування обчислювального експерименту на основі програм для розв`язання рівнянь Максвелла методом скінченних елементів для перевірки отриманих аналітичних виразів, а також те, що цей обчислювальний експеримент може розглядатися як еквівалентна заміна експерименту на натурних зразках або фізичних моделях броньових електромагнітів.

5.Отримано новий аналітичний вираз для тягового зусилля броньових електромагнітів із плоским і конічним стопом, що враховує нерозривність магнітного потоку з торця й бічної поверхні якоря, на відміну від відомих виразів для тягового зусилля, отриманих за умови порушення цієї нерозривності. На основі порівняння даних обчислювального експерименту й експерименту на фізичній моделі доведено практичну придатність запропонованого методу визначення тягового зусилля броньового електромагніта. 

6.На підставі результатів аналітичного розрахунку магнітних потоків в обмотувальному вікні броньового електромагніта для його магнітного кола запропоновано одноконтурну схему заміщення із нелінійними параметрами з урахуванням розподілу цих потоків в системі. Для цієї схеми безпосередніми числовими розрахунками показана її адекватність при визначенні розподілу магнітних потоків у розглянутій системі, у порівнянні з відомою схемою заміщення. 

7.Показано, що застосування розробленої методики розрахунку тягового зусилля при проектуванні електромагнітів дозволяє підвищити робочі й конструкційні параметри електромагнітів, а саме: при розрахунку електромагніта на задане початкове зусилля знизити масу й габаритні розміри електромагніта, знизити споживану потужність, зменшити ударні навантаження на якір і,