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

Диссертация посвящена разработке методики расчета тягового усилия броневых электромагнитов с учетом распределения магнитных потоков в системе и магнитного состояния материала магнитопровода с целью уменьшения их массогабаритных показателей и повышения их эксплуатационных характеристик.

В работе проведен расчет и анализ современных конструкций броневых электромагнитов и методов расчета их тяговых характеристик. Рассмотрены особенности броневых электромагнитов как электромеханических устройств, показаны пути их совершенствования. 

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача усовершенствования методов расчета статической тяговой характеристики цилиндрических электромагнитов постоянного тока броневого типа с учетом распределения магнитных потоков в системе и магнитного состояния материала магнитопровода для широкого диапазона изменения величины рабочего зазора. Указанная задача решена путем повышения точности и эффективности расчета тягового усилия броневого электромагнита энергетическим методом для различных конструкций стопа и якоря. 

Показано, что применение разработанной методики расчета тягового усилия при проектировании электромагнитов позволяет повысить рабочие и конструкционные параметры электромагнитов, а именно: при расчете электромагнита на заданное начальное усилие снизить массу и габаритные размеры электромагнита, уменьшить потребляемую мощность, ударные нагрузки на якорь и шум устройства.

В работе решена задача аналитического определения распределения векторного магнитного потенциала в обмоточном окне броневой осесимметричной системы на основе решения уравнения Пуассона в цилиндрических координатах. Используя это решение, определены магнитные потоки, замыкающиеся внутри обмоточного окна, и потокосцепление этих потоков с обмоткой намагничивания.

На основе решения уравнения Пуассона для области обмоточного окна и общего энергетического метода разработана методика определения тягового усилия, развиваемого броневым электромагнитом с цилиндрическим и коническим стопом, без учета магнитного состояния стали магнитопровода.

Показана возможность применения разработанной методики расчета тягового усилия для систем с насыщенным магнитопроводом, при условии адекватного определения той части намагничивающей силы катушки, которая приходится на рабочий зазор. Для этого была разработана методика магнитного расчета броневой магнитной системы с использованием результатов аналитического расчета магнитных потоков в обмоточном окне броневого электромагнита. 

Магнитный расчет выполнялся по одноконтурной схеме замещения с нелинейными параметрами, с выделенными узловыми точками подвода и отвода магнитных потоков. При этом магнитный поток сквозь каждый элемент определялся как сумма основного потока и соответствующего потока рассеяния. 

Для определения падения магнитодвижущей силы на участках магнитопровода по схеме замещения был разработан алгоритм расчета с применением метода половинного деления, а кривая намагничивания нелинейных материалов магнитопровода была представлена кубическими сплайнами. 

Для этой схемы показана ее высокая точность при определении распределения магнитных потоков в рассматриваемой системе, по сравнению с известной схемой замещения.

На основе разработанных методик определения тягового усилия и магнитного расчета разработана методика определения тягового усилия, развиваемого броневым электромагнитом, с учетом магнитного состояния стали магнитопровода.

Проведены численные эксперименты на основе конечно-элементных программ моделирования постоянных магнитных полей и эксперименты на натурных образцах, показавшие высокую точность предлагаемой методики определения тягового усилия.

Показано влияние точности расчета тягового усилия броневого электромагнита на его массогабаритные показатели и эксплуатационные характеристики.

Проведенные исследования показали, что снижение ударных нагрузок в конце хода якоря возможно путем увеличения магнитного сопротивления в зоне воздушного зазора между проходным фланцем и якорем за счет изменения формы хвостовика якоря; соответствующее изменение конструкции и размеров хвостовика якоря позволяет увеличивать жесткость тяговой характеристики броневых электромагнитов.

Это дало возможность разработать научно обоснованные рекомендации по усовершенствованию конструкции броневых электромагнитов постоянного тока с возможностью изменения жесткости характеристики их тягового усилия. 

Так в работе показано, что путем изменения формы якоря со стороны проходного фланца возможно уменьшение тягового усилия электромагнита на малых рабочих зазорах в 1…3 раза, без снижения тягового усилия при начальном рабочем зазоре. 

Результаты работы внедрены на ОАО “Первомайский электромеханический завод им. К.Маркса”.

Ключевые слова: броневой электромагнит, энергетический метод, уравнение Пуассона, расчет поля, тяговая характеристика, магнитная система, магнитодвижущая сила.

 

 

Pshenychnyi A.M. Improvement of Calculation of Magnetic Field Force Effect on a Keeper of Cylindrical Shell-type Electromagnet. – Manuscript. 

Thesis for Candidate of Technical Sciences Degree in the Specialist Field 05.09.01 – „Electrical Machines and Apparatuses”. – Kremenchuk State Polytechnical University by Michaylo Ostrogradskyi, Kremenchuk, 2007.

In the thesis the actual scientific and technical problem of improvement of calculation of a static tractive characteristic of a cylindrical shell-type electromagnet, for a wide range of a running clearance magnitude change is solved. Allocation of magnetic fluxes in the system and a magnetic state of a magnetic circuit material has been taken into account.

The energy method has been used to solve the problem. Indeed, the energy method allowed an improvement in exactitude and efficiency of the calculation of a shell-type electromagnet tractive force. This allowed developing of scientifically justified guidelines on improvement of shell-type dc magnets construction with possibility of their tractive force rigidity change.

It was demonstrated that the usage of the proposed calculation methods of the tractive force allows improving of working and constructional parameters of electromagnets. Notably: for calculation of an electromagnet on the given initial force, the procedure allows to lower the weight and the overall dimensions of the electromagnet, to lower the input electric power, to reduce shock loads on the keeper and to lower noise of the device.

Conducted analysis shown that decrease of impacts at the end of the keeper travel is possible by increasing of the electromagnetic resistance in the zone of the through passage flange and the keeper. It is possible by changing the form of the ending of the keeper. Respective alterations in the construction and the dimensions of the keeper allow augmenting of the rigidity of the tractive characteristic of shell-type electromagnets.

Keywords: shell-type electromagnet, energy method, Poisson`s equation, field computation, traction performance, magnetic system, magnetomotive force.