Помощь студентам в учебе
ИМПУЛЬСНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЙ С ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ИМПУЛЬСНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ С
ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 17
1.1 Классификационные признаки импульсных технологий 17
1.2 Импульсные технологические процессы и их основные параметры.... 20
1.3 Эффекты импульсных механических воздействий 21
1.4 Приводы линейных машин для импульсных технологий 28
Выводы 41
ГЛАВА 2. МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ ИМПУЛЬСНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ЛЭМД) С ИНТЕГРАЛЬНЫМИ ФУНКЦИЯМИ 42
2.1 Оптимальные геометрические параметры двухзазорных магнитных
систем импульсного ЛЭМД 42
2.2 Взаимосвязь основных геометрических параметров магнитной системы импульсного ЛЭМД 53
2.3 Импульсные ЛЭМД с укороченными магнитными системами 58
2.3.1 Влияние укорочения магнитной системы на статические характеристики ЛЭМД с продольным магнитным полем 58
2.3.2 Влияние укорочения магнитной системы на статические характеристики ЛЭМД с поперечным магнитным полем 68
2.4 Влияние конструктивных параметров устройства удержания якоря на
величину усилия удержания интегрированного ЛЭМД 72
2.5 Условия отрыва якоря интегрированного ЛЭМД 81
Выводы 89
ГЛАВА 3. РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ 91
3.1 Энергетическая структура электромеханического преобразователя
электромагнитного типа 91
3.2 Концентрация магнитной энергии в рабочих воздушных зазорах импульсного ЛЭМД на этапе ее электромагнитного преобразования 94
3.3 Предельная механическая работа электромеханического преобразователя электромагнитного типа 102
3.4 Оценка эффективности способов концентрации магнитной энергии в
импульсных ЛЭМД 106
Выводы 110
ГЛАВА 4. РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ 111
4.1 Энергетические режимы импульсного ЛЭМД 111
4.2 Энергетические характеристики электромеханического преобразования энергии в импульсном ЛЭМД при ненасыщенной магнитной системе 126
4.3 Критерии эффективности преобразования магнитной энергии в ЛЭМД 141
4.4 Влияние обобщенных режимных и конструктивных параметров
импульсных ЛЭМД на эффективность электромеханического преобразования 147
4.5 Электромеханические характеристики энергетических режимов
импульсных ЛЭМД продольного магнитного поля в функции перемещения 152
4.6 Сравнение магнитных циклов импульсного ЛЭМД с учетом
мощности потерь в его обмотке 165
Выводы 172
ГЛАВА 5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ ЛЭМД 174
5.1 О связи энергии удара с интегральной работой импульсного ЛЭМД.. 174
5.2 Взаимные соотношения в мощных импульсных электромагнитных
машинах 180
5.3 О вводе сторонней механической энергии в импульсный линейный
электромеханический преобразователь 188
5.4 Энергетическая и динамическая эффективность однообмоточных
линейных электромагнитных двигателей 198
5.4.1 Энергетическая и динамическая эффективность однообмоточных
ЛЭМД с пружинным накопителем 198
5.4.2 Основные энергетические и динамические параметры однообмоточных ЛЭМД с возвратной пружиной 211
5.5 Расчет основных параметров импульсного ЛЭМД 218
5.5.1 Расчет основных параметров ЛЭМД по заданной работе 218
5.5.2 Расчет основных параметров ЛЭМД по тяговому усилию 221
Выводы 228
ГЛАВА 6. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ИМПУЛЬСНЫХ ЛЭМД С
ПОВЫШЕННЫМИ СИЛОВЫМИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ 230
6.1 Рабочие процессы в импульсном ЛЭМД при его статическом нагружении 230
6.1.1 Влияние нагружения импульсного ЛЭМД на его энергетические и
динамические характеристики 230
6.1.2 Рабочие процессы импульсных ЛЭМД с регулируемым аккумулированием магнитной энергии 236
6.2 Способ передачи дополнительной магнитной энергии в рабочие
зазоры импульсного ЛЭМД 235
6.3 Рабочие процессы в импульсном ЛЭМД при рекуперации энергии в
питающую сеть 233
6.4 Распределение потерь энергии в импульсных ЛЭМД линейных
машин 238
6.5 Продолжительность включения импульсного ЛЭМД в приводе
технологического оборудования 262
Выводы 268
ГЛАВА 7. КОНСТРУКТИВНЫЕ И СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ЛЭМД 269
7.1 Конструктивные схемы перспективного технологического
оборудования с ЛЭМД 269
7.1.1 Импульсные механические воздействия в электротехнологических
процессах 269
7.1.2 Сравнение конструктивных схем однообмоточных
электромагнитных машин 280
7.2 Рекомендуемые схемы устройств питания и управления (УПУ)
импульсными ЛЭМД от промышленной сети 289
7.2.1 Способы регулирования выходных параметров ЛЭМД 290
7.2.2 Исследование стабилизирующих свойств УПУЛЭМД 300
7.3 Питание передвижных установок с импульсными ЛЭМД от
ёмкостных накопителей 307
7.4 Влияние импульсных ЛЭМД на колебания напряжения в
электрической сети промышленного предприятия 312
7.5 Перспективные конструктивные схемы электромагнитных машин 321
7.6 Перечень реализованных технологий с участием автора 324
Выводы 325
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 326
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 328
ПРИЛОЖЕНИЕ 356
ГЛАВА 1. ИМПУЛЬСНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ С
ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 17
1.1 Классификационные признаки импульсных технологий 17
1.2 Импульсные технологические процессы и их основные параметры.... 20
1.3 Эффекты импульсных механических воздействий 21
1.4 Приводы линейных машин для импульсных технологий 28
Выводы 41
ГЛАВА 2. МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ ИМПУЛЬСНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ЛЭМД) С ИНТЕГРАЛЬНЫМИ ФУНКЦИЯМИ 42
2.1 Оптимальные геометрические параметры двухзазорных магнитных
систем импульсного ЛЭМД 42
2.2 Взаимосвязь основных геометрических параметров магнитной системы импульсного ЛЭМД 53
2.3 Импульсные ЛЭМД с укороченными магнитными системами 58
2.3.1 Влияние укорочения магнитной системы на статические характеристики ЛЭМД с продольным магнитным полем 58
2.3.2 Влияние укорочения магнитной системы на статические характеристики ЛЭМД с поперечным магнитным полем 68
2.4 Влияние конструктивных параметров устройства удержания якоря на
величину усилия удержания интегрированного ЛЭМД 72
2.5 Условия отрыва якоря интегрированного ЛЭМД 81
Выводы 89
ГЛАВА 3. РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ 91
3.1 Энергетическая структура электромеханического преобразователя
электромагнитного типа 91
3.2 Концентрация магнитной энергии в рабочих воздушных зазорах импульсного ЛЭМД на этапе ее электромагнитного преобразования 94
3.3 Предельная механическая работа электромеханического преобразователя электромагнитного типа 102
3.4 Оценка эффективности способов концентрации магнитной энергии в
импульсных ЛЭМД 106
Выводы 110
ГЛАВА 4. РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ 111
4.1 Энергетические режимы импульсного ЛЭМД 111
4.2 Энергетические характеристики электромеханического преобразования энергии в импульсном ЛЭМД при ненасыщенной магнитной системе 126
4.3 Критерии эффективности преобразования магнитной энергии в ЛЭМД 141
4.4 Влияние обобщенных режимных и конструктивных параметров
импульсных ЛЭМД на эффективность электромеханического преобразования 147
4.5 Электромеханические характеристики энергетических режимов
импульсных ЛЭМД продольного магнитного поля в функции перемещения 152
4.6 Сравнение магнитных циклов импульсного ЛЭМД с учетом
мощности потерь в его обмотке 165
Выводы 172
ГЛАВА 5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ ЛЭМД 174
5.1 О связи энергии удара с интегральной работой импульсного ЛЭМД.. 174
5.2 Взаимные соотношения в мощных импульсных электромагнитных
машинах 180
5.3 О вводе сторонней механической энергии в импульсный линейный
электромеханический преобразователь 188
5.4 Энергетическая и динамическая эффективность однообмоточных
линейных электромагнитных двигателей 198
5.4.1 Энергетическая и динамическая эффективность однообмоточных
ЛЭМД с пружинным накопителем 198
5.4.2 Основные энергетические и динамические параметры однообмоточных ЛЭМД с возвратной пружиной 211
5.5 Расчет основных параметров импульсного ЛЭМД 218
5.5.1 Расчет основных параметров ЛЭМД по заданной работе 218
5.5.2 Расчет основных параметров ЛЭМД по тяговому усилию 221
Выводы 228
ГЛАВА 6. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ИМПУЛЬСНЫХ ЛЭМД С
ПОВЫШЕННЫМИ СИЛОВЫМИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ 230
6.1 Рабочие процессы в импульсном ЛЭМД при его статическом нагружении 230
6.1.1 Влияние нагружения импульсного ЛЭМД на его энергетические и
динамические характеристики 230
6.1.2 Рабочие процессы импульсных ЛЭМД с регулируемым аккумулированием магнитной энергии 236
6.2 Способ передачи дополнительной магнитной энергии в рабочие
зазоры импульсного ЛЭМД 235
6.3 Рабочие процессы в импульсном ЛЭМД при рекуперации энергии в
питающую сеть 233
6.4 Распределение потерь энергии в импульсных ЛЭМД линейных
машин 238
6.5 Продолжительность включения импульсного ЛЭМД в приводе
технологического оборудования 262
Выводы 268
ГЛАВА 7. КОНСТРУКТИВНЫЕ И СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ЛЭМД 269
7.1 Конструктивные схемы перспективного технологического
оборудования с ЛЭМД 269
7.1.1 Импульсные механические воздействия в электротехнологических
процессах 269
7.1.2 Сравнение конструктивных схем однообмоточных
электромагнитных машин 280
7.2 Рекомендуемые схемы устройств питания и управления (УПУ)
импульсными ЛЭМД от промышленной сети 289
7.2.1 Способы регулирования выходных параметров ЛЭМД 290
7.2.2 Исследование стабилизирующих свойств УПУЛЭМД 300
7.3 Питание передвижных установок с импульсными ЛЭМД от
ёмкостных накопителей 307
7.4 Влияние импульсных ЛЭМД на колебания напряжения в
электрической сети промышленного предприятия 312
7.5 Перспективные конструктивные схемы электромагнитных машин 321
7.6 Перечень реализованных технологий с участием автора 324
Выводы 325
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 326
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 328
ПРИЛОЖЕНИЕ 356
Актуальность избранной темы. Одна из актуальных стратегических задач в Российской Федерации - это технологическая модернизация производственных процессов, направленная на создание конкурентоспособной техники для прогрессивных технологий в машиностроении, строительстве, горном деле и других отраслях. Значительная их часть выполняется с помощью импульсных технологий, которые позволяют получить конечный продукт с меньшими затратами энергетических и материальных ресурсов.
Наиболее эффективно эта проблема может быть решена средствами электромеханики. Это объясняется тем, что все производственные процессы являются электроэнергетическими. Общепризнанным фактом является отнесение электромеханических преобразователей энергии (ЭМП) к наиболее совершенным преобразователям [1; 2].
Существует обширная группа машин и механизмов (поршневые компрессоры, насосы, прессовое оборудование, молоты, перфораторы, сейсмоисточники, активаторы и др.), рабочие процессы в которых предполагают применение возвратно-поступательного движения рабочего органа по линейной траектории. Обычно для реализации такого рода движения с помощью традиционных электродвигателей между рабочим органом и приводным двигателем ставится дополнительное механическое устройство, преобразующее вращательное движение в возвратно-поступательное. Это может быть кривошипный механизм, кулачковый валик с толкателем, пара «винт-гайка», кулисы и т.д. В настоящее время до половины серийных электродвигателей используются для привода машин с линейной траекторией движения рабочих органов через подобные преобразователи движения. При этом дополнительные звенья в таком электроприводе увеличивают габариты, стоимость и снижают надежность всего устройства [3-6].
Для указанных случаев становится весьма привлекательным отказаться от преобразователей движения и создать привод непосредственно возвратно - поступательного движения. Такой привод в своей структуре должен содержать главный силовой элемент - электрический двигатель возвратно-поступательного движения, который наилучшим образом согласован по роду движения с рабочим органом машины.
Только такой электрический привод возвратно-поступательного движения позволяет вводить в рабочую зону технологического объекта концентрированные потоки механической энергии высокой плотности в импульсной форме, что отмечено в работах [7-27].
Импульсный подвод энергии давно показал свою эффективность в технике, технологиях, испытательной аппаратуре и т. д. Недостатки пневматических, гидравлических и гидропневматических машин вибрационного и ударного действия и стремление к модернизации технологий, в которых они применяются, еще в 30-х годах прошлого века вызвали необходимость создания ударных машин с электроприводом. Под импульсным воздействием понимается подвод к технологическому объекту дискретных порций энергии с определенной дли-тельностью, частотой повторения импульсов, скважностью и амплитудой. Известны многочисленные примеры эффективности таких воздействий в технологических операциях и процессах. Импульсный подвод энергии в ряде случаев имеет значительные преимущества перед непрерывным характером энергопотребления технологическим объектом. Это объясняется появлением ряда эффектов, которые сопровождают импульсный подвод энергии и связанные с ним повышение импульсной мощности, скорости ввода в объект механической энергии, пространственной концентрации этой энергии, нестационарности [28; 29].
В связи с этим возникает комплекс теоретических, экспериментальных, расчетных и инженерных задач по совершенствованию существующих и созданию новых импульсных электрических приводов возвратно-поступательного движения.
Силовые электромагнитные импульсные системы (СЭМИС), в состав которых входят импульсные линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД), обеспечивают наилучшие условия совместимости или интеграции приводного двигателя и рабочего органа машины и поэтому представляются наиболее перспективными.
Импульсные ЛЭМД относятся к импульсным электромеханическим пре-образователям (ЭМП) электромагнитного типа и представляют собой самостоятельный класс специальных электрических машин, обладающих рядом специфических свойств: ограниченностью механического перемещения, дискретным энергопреобразованием, циклическим характером работы. Они, как правило, приспособлены к определенным приводным устройствам и должны часто изготавливаться в одном с ними блоке. Поэтому импульсный ЛЭМД необходимо проектировать совместно с приводимой рабочей машиной и импульсной системой питания и управления [5; 9; 15].
Для реализации технологических процессов с высококонцентрированными потоками энергии с помощью импульсных ЛЭМД необходимо повысить их КПД, удельные энергетические и силовые показатели: энергии удара и тягового усилия, отнесенных к массе или к объему активных материалов двигателя. Анализ энергоемкости различных импульсных технологических процессов показывает, что достигнутый и требуемый уровни удельной энергии удара в электро-магнитных машинах ударного действия составляют: для ручных машин соответственно 1.3 Дж/кг и 10.20 Дж/кг, для мощных молотов (с энергией удара до 30 кДж) - 2.6 Дж/кг и 7.12 Дж/кг, для переносных молотов (с энергией удара до 1 кДж) - 2.5 Дж/кг и 6.15 Дж/кг [30; 31].
Это свидетельствует о необходимости поиска путей повышения удельных силовых и энергетических показателей импульсных ЛЭМД. При этом для расширения технологических возможностей машин ударного действия с импульсными ЛЭМД требуется регулирование их выходных параметров: энергии удара (полезной работы), частоты ходов, тягового усилия.
Степень разработанности темы исследования. В электромеханике накоплен большой опыт решения вопросов энергопреобразования, расчета и практической реализации разнообразных импульсных линейных электрических машин. Значительный вклад в разработку этих проблем внесли А.И. Москвитин, О.Д. Алимов, П.М. Алабужев, А.В. Гордон, Н.П. Ряшенцев, Ф.Н. Сарапулов, В.В. Ивашин, Е.М. Тимошенко, А.В. Фролов, Г.А. Сипайлов, Г.Г. Угаров, Б.Ф. Симонов, Ю.З. Ковалев, А.П. Тронов, А.Н. Мирошниченко, К.М. Усанов, А.Т. Малов, В.Ю. Нейман, В.Н. Федонин, В.Т. Караваев, А.В. Львицын, В.П. Певчев, С.Ю. Кудараускас (8. Кнйаганзказ), Б.К каЩуаПс, Р.С. Аипов, И.Г. Ефимов, В.А. Каргин, А.И. Смелягин, Ю.Н. Казаков и другие специалисты. В известных работах [5; 9; 11-27] отражены результаты исследований линейных электроприводов, в том числе ударного действия, и их практическая реализация.
Цели и задачи работы. Цель работы состоит в разработке методов и технических средств повышения удельных энергетических и силовых показателей импульсных ЛЭМД, создании и внедрении их и машин на их основе для реализации технологических процессов с высококонцентрированными потоками энергии.
В связи с этим поставлены следующие задачи исследований.
1. Выявить требования к параметрам механической энергии в высококонцентрированных технологиях.
2. Разработать оптимальные конструкции магнитных систем с интегральными функциями структур.
3. Выявить условия и способы концентрации магнитной энергии в рабочих зазорах импульсных ЛЭМД.
4. Установить связь между уровнем концентрации магнитной энергии рабочих зазоров двигателя и конструктивно-режимными факторами.
5. Определить наилучший режим концентрации магнитной энергии рабочих зазоров двигателя на этапе трогания.
6. Разработать критерии оценки эффективности энергетических режимов импульсных ЛЭМД.
7. Установить взаимное влияние структурных подсистем ЛЭМД на эффективность энергетических режимов.
8. Определить функциональные связи электромеханических характеристик ЛЭМД с энергетическими режимами.
9. Разработать методы расчета импульсных ЛЭМД широкого диапазона энергий и частот воздействия на технологический объект.
10. Разработать энергоэффективные процессы с требуемым характером изменения параметров (регулируемые и стабильные).
11. Разработать схемные и конструктивные решения технологического оборудования с ЛЭМД.
Научная новизна:
- впервые выявлены четырнадцать энергетических режимов электромеханического преобразования энергии в импульсном ЛЭМД, отличающиеся между собой степенью восстановления магнитной энергии, сконцентрированной в рабочих зазорах двигателя, при движении якоря. Среди них определены такие ре-жимы, при функционировании по которым импульсный ЛЭМД способен радикально улучшить преобразование магнитной энергии рабочих зазоров в механическую работу. Так, энергетические режимы с возрастающим потокосцеплением и падающим током (¥к> ¥н, 1к< 1н) при коэффициенте восстановления -1<кв< 0 и тем более режим с неизменным потокосцеплением (¥к = Тн = cons) и с убывающим током позволят повысить свои удельную механическую работу и КПД в два и более раза, что подтверждено экспериментами;
- впервые установлены области допустимых сочетаний геометрических параметров элементов магнитных систем интегрированного ЛЭМД на основе общего магнитопровода;
- с помощью принципа взаимности для электромеханических систем обобщено соотношение между интегральной механической работой импульсного ЛЭМД, определяемой по статическим характеристикам, и энергией рабочего хода этого двигателя;
- теоретически обоснован и практически подтвержден факт уменьшения энергии удара импульсного ЛЭМД в случае ввода сторонней механической энергии в электромеханическую систему при совпадении направлений тягового усилия и скорости движения якоря;
- определены оптимальные геометрические параметры цилиндрического ЛЭМД с двумя рабочими зазорами исходя из минимума объема его активных материалов;
- теоретически и экспериментально обоснованы условия укорочения длины магнитной системы импульсных ЛЭМД продольного и поперечного поля, разработаны конструкции импульсных ЛЭМД с двумя рабочими зазорами, имеющие повышенные в сравнении с известными удельные силовые показатели;
- выявлено влияние режимных и конструктивных параметров ударной машины с однообмоточным ЛЭМД и возвратной пружиной на его предельную ударную мощность, для ее повышения предложено использовать вместо одно-обмоточного двигателя разработанный двухобмоточный;
- разработаны на уровне изобретений устройства питания и управления ЛЭМД, обеспечивающие надежную и экономичную работу с регулированием энергии удара и частоты ходов, а также стабилизацию энергии удара при изменении напряжения источника.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в установлении следующих принципов повышения удельных силовых и энергетических показателей импульсных ЛЭМД: принцип укорочения магнитной системы (МС); принцип концентрации магнитной энергии в рабочих зазорах на этапе, предшествующем рабочему ходу якоря; принцип многозазорности МС.
Практическая значимость работы заключается:
- в разработке новых конструкций магнитных систем ЛЭМД: с укороченной длиной магнитной системы продольного и поперечного поля, с ферромагнитным направляющим корпусом, с встроенным в магнитную систему устройством удержания якоря, позволяющее в 1,3... 1,5 раза повысить удельные значения тягового усилия, в 2.2,5 раза - механической энергии и КПД двигателей, расширить их функциональные возможности и область применения;
- в разработке инженерных методик определения геометрических размеров ЛЭМД с заданными полезной работой и тяговым усилием;
- в разработке и испытании в лабораторных и производственных условиях различных конструкций импульсных ЛЭМД и созданных на их основе электро-магнитных машин, защищенных 8 авторскими свидетельствами и 13 патентами на изобретения;
- в разработке универсальных УПУ, обеспечивающих регулирование частоты ходов, энергии удара с ее стабилизацией при изменении напряжения источника.
Исследования, обобщенные в диссертации, являются продолжением работ по созданию импульсных ЛЭМД и машин на их основе, предназначенных для механизации трудоемких процессов горного, строительного и машиностроительного производств и соответствуют программам и темам:
- научно-координационный план СО РАН по проблеме машиностроения 1.11.1 - «Теория машин и систем машин» по теме «Динамика и синтез механизмов для возбуждения силовых воздействий большой интенсивности»;
- приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: «Энергетика и энергосбережение»;
- приоритетным направлениям модернизации и технологического развития экономики России: «Энергоэффективность и энергосбережение»;
- критическим технологиям: «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии»;
- заданию № 2014/77 по теме № 8.2654 «Использование энергоэффективных импульсных линейных электромагнитных двигателей» на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Министерства образования и науки России (2014-2015 гг.);
- НИР ФГОУ ВПО «Курганский государственный университет» по теме № 195 «Импульсные ЛЭМД с повышенными энергетическими и силовыми показателями» (2006-2010 гг.) и по теме № 263 «Исследование линейного электро-магнитного привода машин для импульсных технологий» (2011-2015 гг.)
Методология и методы исследования. В работе использованы фундаментальные законы и уравнения электродинамики и теории электрических и магнитных цепей, теории электрических машин и автоматизированного электропривода. Поиск количественных соотношений между исследуемыми пара-метрами осуществлялся с помощью аналитических методов математического анализа и численных методов решения задач. Для ускорения решения постав-ленных задач использовались программы МаШСай, В1аПн1(са, для математического моделирования магнитных систем импульсных ЛЭМД использовалась программа Б1сий В ходе исследования экспериментальным методом определялись тяговые статические и динамические характеристики ЛЭМД.
Положения, выносимые на защиту:
-применение энергетических критериев для определения эффективности магнитных циклов может использоваться для самостоятельной оценки энергетических показателей импульсных ЛЭМД;
-укорочение длины магнитной системы импульсного ЛЭМД при сохранении неизменным объема его активных материалов позволяет повысить их удельные силовые показатели до 50% ;
-определение рациональных геометрических размеров импульсных ЛЭМД позволяет разработать инженерную методику их расчета по заданной интегральной механической работе при минимальном объеме активных материалов;
- принцип взаимности для электромеханических систем позволяет получить обобщенное соотношение между интегральной механической работой импульсного ЛЭМД, определяемой по статическим характеристикам, и энергией рабочего хода этого двигателя;
-концентрация магнитной энергии в рабочих зазорах на этапе трогания, позволяет создать импульсные ЛЭМД, обладающие повышенными в 2-2,5 раза и выше энергетическими показателями.
Степень достоверности и апробация результатов. Полученные результаты исследований подтверждаются корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых математических моделей, а также степенью совпадения теоретических и практических результатов, полученных экспериментально на реальных моделях импульсных ЛЭМД в лабораторных и производственных условиях с использованием специально разработанных стендов и методик.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7-ой научно-технической конференции «Повышение надежности, экономичности и конкурентоспособности асинхронных электродвигателей и электроприводов», г. Кемерово, 1992 г.; на десятой и одиннадцатой научно-технических конференциях «Электроприводы переменного тока», г. Екатеринбург, 1995 и 1998 гг.; на Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 1995 г.; на XV Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции», г. Тамбов, Россия, 2009 г.; на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК», г Саратов, Россия, 2010 г.; на VI и VII Всероссийских научно-практических конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, 2010 и 2014 гг.; на Е Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству», г. Челябинск, 2011 г.; на VII Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании», г. Варна, Болгария, 2012 г.; на пятнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» - ЭППТ 2012, г. Екатеринбург, Россия, 2012 г.; на ЕП и ЕШ Международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному производству», г. Челябинск, 2013 и 2014 гг.; на III Международной конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» - АПЭЭТ-2014, г. Екатеринбург, Россия, 2014 г.; на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» - АПЭП-2014, г. Саратов, Россия, 2014 г.; на IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016, г. Пермь, Россия, 2016 г.; на Международной научно-технической конференции « Актуальные проблемы электронного приборостроения» - АПЭП-2016, г. Саратов, Россия, 2016 г.; на 6-й Международной научно-практической конференции ЭКСИЭ - 06 «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии», г. Екатеринбург, Россия, 19 апреля 2017 г., на Международной научно-технической конференции «Пром-Инжиниринг», г. Санкт-Петербург, Россия, 16-19 мая 2017 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 81 научная работа общим объемом 79 п. л. В их числе 4 монографии и 19 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК. Получено 1 авторское свидетельство СССР и 13 патентов РФ на изобретения. Результаты исследований отражены в 3 отчетах по г/б НИР и отчете о проведении фундаментальных исследований в рамках выполнения базовой части государственного задания МОН РФ № 2014/77 по теме № 8.2654 «Использование энергоэффективных импульсных линейных электромагнитных двигателей».
Реализация результатов работы состоит в том, что - разработаны и внедрены машины и оборудование с импульсными ЛЭМД в машиностроении, литейном и металлургическом производствах, электронной и электротехнической промышленности, строительстве, на железнодорожном транспорте, сельскохозяйственном производстве: на технологических операциях проколки отверстий в корпусах изделий из оцинкованного листа (Омутнинский металлургический завод), на операциях клеймения изделий (машиностроительные предприятия гг. Кургана и Саратова), на операции завальцовки корпусов химических источников тока (Новосибирский завод химконцентратов), на операции вырубки слюды (Балашовский слюдяной комбинат), на операциях изготовления фурнитуры кожгалантирейных изделий (Саратовская кожгалантерейная фабрика), на операциях погружения стержневых заземлителей в грунт (ООО «Инко Строй-Монтаж», г. Саратов), на операциях холодной штамповки и сборки (Саратовский завод электротермического оборудования), на операциях локального вытеснения металла при наплавке (сварочные производства предприятий г. Саратова), на операциях терморезания при восстановлении железнодорожных колесных пар (Саратовское депо), на операциях сводообрушения в мукомольном производстве (Саратовская область);
- материалы диссертационной работы были переданы в ООО НПП «АВИАСТЭК» в виде технологической документации на три типоразмера импульсных ЛЭМД для изготовления и реализации. Изготовленные двигатели с 2009 г. поставляются по заказам организациям для механизации технологических процессов (Приложение);
- разработанные методы проектирования и моделирования импульсных ЛЭМД продольного и поперечного поля внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Курганский государственный университет» в виде научных монографий и учебных пособий по дисциплинам «Введение в специальность», «Электрические машины», « Преобразовательная техника в электроприводе», «Электротехнологические промышленные установки» для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложения общим объемом 361 страница, иллюстрирована 125 рисунками, 14 таблицами. Список использованной литературы содержит 233 наименования.
Наиболее эффективно эта проблема может быть решена средствами электромеханики. Это объясняется тем, что все производственные процессы являются электроэнергетическими. Общепризнанным фактом является отнесение электромеханических преобразователей энергии (ЭМП) к наиболее совершенным преобразователям [1; 2].
Существует обширная группа машин и механизмов (поршневые компрессоры, насосы, прессовое оборудование, молоты, перфораторы, сейсмоисточники, активаторы и др.), рабочие процессы в которых предполагают применение возвратно-поступательного движения рабочего органа по линейной траектории. Обычно для реализации такого рода движения с помощью традиционных электродвигателей между рабочим органом и приводным двигателем ставится дополнительное механическое устройство, преобразующее вращательное движение в возвратно-поступательное. Это может быть кривошипный механизм, кулачковый валик с толкателем, пара «винт-гайка», кулисы и т.д. В настоящее время до половины серийных электродвигателей используются для привода машин с линейной траекторией движения рабочих органов через подобные преобразователи движения. При этом дополнительные звенья в таком электроприводе увеличивают габариты, стоимость и снижают надежность всего устройства [3-6].
Для указанных случаев становится весьма привлекательным отказаться от преобразователей движения и создать привод непосредственно возвратно - поступательного движения. Такой привод в своей структуре должен содержать главный силовой элемент - электрический двигатель возвратно-поступательного движения, который наилучшим образом согласован по роду движения с рабочим органом машины.
Только такой электрический привод возвратно-поступательного движения позволяет вводить в рабочую зону технологического объекта концентрированные потоки механической энергии высокой плотности в импульсной форме, что отмечено в работах [7-27].
Импульсный подвод энергии давно показал свою эффективность в технике, технологиях, испытательной аппаратуре и т. д. Недостатки пневматических, гидравлических и гидропневматических машин вибрационного и ударного действия и стремление к модернизации технологий, в которых они применяются, еще в 30-х годах прошлого века вызвали необходимость создания ударных машин с электроприводом. Под импульсным воздействием понимается подвод к технологическому объекту дискретных порций энергии с определенной дли-тельностью, частотой повторения импульсов, скважностью и амплитудой. Известны многочисленные примеры эффективности таких воздействий в технологических операциях и процессах. Импульсный подвод энергии в ряде случаев имеет значительные преимущества перед непрерывным характером энергопотребления технологическим объектом. Это объясняется появлением ряда эффектов, которые сопровождают импульсный подвод энергии и связанные с ним повышение импульсной мощности, скорости ввода в объект механической энергии, пространственной концентрации этой энергии, нестационарности [28; 29].
В связи с этим возникает комплекс теоретических, экспериментальных, расчетных и инженерных задач по совершенствованию существующих и созданию новых импульсных электрических приводов возвратно-поступательного движения.
Силовые электромагнитные импульсные системы (СЭМИС), в состав которых входят импульсные линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД), обеспечивают наилучшие условия совместимости или интеграции приводного двигателя и рабочего органа машины и поэтому представляются наиболее перспективными.
Импульсные ЛЭМД относятся к импульсным электромеханическим пре-образователям (ЭМП) электромагнитного типа и представляют собой самостоятельный класс специальных электрических машин, обладающих рядом специфических свойств: ограниченностью механического перемещения, дискретным энергопреобразованием, циклическим характером работы. Они, как правило, приспособлены к определенным приводным устройствам и должны часто изготавливаться в одном с ними блоке. Поэтому импульсный ЛЭМД необходимо проектировать совместно с приводимой рабочей машиной и импульсной системой питания и управления [5; 9; 15].
Для реализации технологических процессов с высококонцентрированными потоками энергии с помощью импульсных ЛЭМД необходимо повысить их КПД, удельные энергетические и силовые показатели: энергии удара и тягового усилия, отнесенных к массе или к объему активных материалов двигателя. Анализ энергоемкости различных импульсных технологических процессов показывает, что достигнутый и требуемый уровни удельной энергии удара в электро-магнитных машинах ударного действия составляют: для ручных машин соответственно 1.3 Дж/кг и 10.20 Дж/кг, для мощных молотов (с энергией удара до 30 кДж) - 2.6 Дж/кг и 7.12 Дж/кг, для переносных молотов (с энергией удара до 1 кДж) - 2.5 Дж/кг и 6.15 Дж/кг [30; 31].
Это свидетельствует о необходимости поиска путей повышения удельных силовых и энергетических показателей импульсных ЛЭМД. При этом для расширения технологических возможностей машин ударного действия с импульсными ЛЭМД требуется регулирование их выходных параметров: энергии удара (полезной работы), частоты ходов, тягового усилия.
Степень разработанности темы исследования. В электромеханике накоплен большой опыт решения вопросов энергопреобразования, расчета и практической реализации разнообразных импульсных линейных электрических машин. Значительный вклад в разработку этих проблем внесли А.И. Москвитин, О.Д. Алимов, П.М. Алабужев, А.В. Гордон, Н.П. Ряшенцев, Ф.Н. Сарапулов, В.В. Ивашин, Е.М. Тимошенко, А.В. Фролов, Г.А. Сипайлов, Г.Г. Угаров, Б.Ф. Симонов, Ю.З. Ковалев, А.П. Тронов, А.Н. Мирошниченко, К.М. Усанов, А.Т. Малов, В.Ю. Нейман, В.Н. Федонин, В.Т. Караваев, А.В. Львицын, В.П. Певчев, С.Ю. Кудараускас (8. Кнйаганзказ), Б.К каЩуаПс, Р.С. Аипов, И.Г. Ефимов, В.А. Каргин, А.И. Смелягин, Ю.Н. Казаков и другие специалисты. В известных работах [5; 9; 11-27] отражены результаты исследований линейных электроприводов, в том числе ударного действия, и их практическая реализация.
Цели и задачи работы. Цель работы состоит в разработке методов и технических средств повышения удельных энергетических и силовых показателей импульсных ЛЭМД, создании и внедрении их и машин на их основе для реализации технологических процессов с высококонцентрированными потоками энергии.
В связи с этим поставлены следующие задачи исследований.
1. Выявить требования к параметрам механической энергии в высококонцентрированных технологиях.
2. Разработать оптимальные конструкции магнитных систем с интегральными функциями структур.
3. Выявить условия и способы концентрации магнитной энергии в рабочих зазорах импульсных ЛЭМД.
4. Установить связь между уровнем концентрации магнитной энергии рабочих зазоров двигателя и конструктивно-режимными факторами.
5. Определить наилучший режим концентрации магнитной энергии рабочих зазоров двигателя на этапе трогания.
6. Разработать критерии оценки эффективности энергетических режимов импульсных ЛЭМД.
7. Установить взаимное влияние структурных подсистем ЛЭМД на эффективность энергетических режимов.
8. Определить функциональные связи электромеханических характеристик ЛЭМД с энергетическими режимами.
9. Разработать методы расчета импульсных ЛЭМД широкого диапазона энергий и частот воздействия на технологический объект.
10. Разработать энергоэффективные процессы с требуемым характером изменения параметров (регулируемые и стабильные).
11. Разработать схемные и конструктивные решения технологического оборудования с ЛЭМД.
Научная новизна:
- впервые выявлены четырнадцать энергетических режимов электромеханического преобразования энергии в импульсном ЛЭМД, отличающиеся между собой степенью восстановления магнитной энергии, сконцентрированной в рабочих зазорах двигателя, при движении якоря. Среди них определены такие ре-жимы, при функционировании по которым импульсный ЛЭМД способен радикально улучшить преобразование магнитной энергии рабочих зазоров в механическую работу. Так, энергетические режимы с возрастающим потокосцеплением и падающим током (¥к> ¥н, 1к< 1н) при коэффициенте восстановления -1<кв< 0 и тем более режим с неизменным потокосцеплением (¥к = Тн = cons) и с убывающим током позволят повысить свои удельную механическую работу и КПД в два и более раза, что подтверждено экспериментами;
- впервые установлены области допустимых сочетаний геометрических параметров элементов магнитных систем интегрированного ЛЭМД на основе общего магнитопровода;
- с помощью принципа взаимности для электромеханических систем обобщено соотношение между интегральной механической работой импульсного ЛЭМД, определяемой по статическим характеристикам, и энергией рабочего хода этого двигателя;
- теоретически обоснован и практически подтвержден факт уменьшения энергии удара импульсного ЛЭМД в случае ввода сторонней механической энергии в электромеханическую систему при совпадении направлений тягового усилия и скорости движения якоря;
- определены оптимальные геометрические параметры цилиндрического ЛЭМД с двумя рабочими зазорами исходя из минимума объема его активных материалов;
- теоретически и экспериментально обоснованы условия укорочения длины магнитной системы импульсных ЛЭМД продольного и поперечного поля, разработаны конструкции импульсных ЛЭМД с двумя рабочими зазорами, имеющие повышенные в сравнении с известными удельные силовые показатели;
- выявлено влияние режимных и конструктивных параметров ударной машины с однообмоточным ЛЭМД и возвратной пружиной на его предельную ударную мощность, для ее повышения предложено использовать вместо одно-обмоточного двигателя разработанный двухобмоточный;
- разработаны на уровне изобретений устройства питания и управления ЛЭМД, обеспечивающие надежную и экономичную работу с регулированием энергии удара и частоты ходов, а также стабилизацию энергии удара при изменении напряжения источника.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в установлении следующих принципов повышения удельных силовых и энергетических показателей импульсных ЛЭМД: принцип укорочения магнитной системы (МС); принцип концентрации магнитной энергии в рабочих зазорах на этапе, предшествующем рабочему ходу якоря; принцип многозазорности МС.
Практическая значимость работы заключается:
- в разработке новых конструкций магнитных систем ЛЭМД: с укороченной длиной магнитной системы продольного и поперечного поля, с ферромагнитным направляющим корпусом, с встроенным в магнитную систему устройством удержания якоря, позволяющее в 1,3... 1,5 раза повысить удельные значения тягового усилия, в 2.2,5 раза - механической энергии и КПД двигателей, расширить их функциональные возможности и область применения;
- в разработке инженерных методик определения геометрических размеров ЛЭМД с заданными полезной работой и тяговым усилием;
- в разработке и испытании в лабораторных и производственных условиях различных конструкций импульсных ЛЭМД и созданных на их основе электро-магнитных машин, защищенных 8 авторскими свидетельствами и 13 патентами на изобретения;
- в разработке универсальных УПУ, обеспечивающих регулирование частоты ходов, энергии удара с ее стабилизацией при изменении напряжения источника.
Исследования, обобщенные в диссертации, являются продолжением работ по созданию импульсных ЛЭМД и машин на их основе, предназначенных для механизации трудоемких процессов горного, строительного и машиностроительного производств и соответствуют программам и темам:
- научно-координационный план СО РАН по проблеме машиностроения 1.11.1 - «Теория машин и систем машин» по теме «Динамика и синтез механизмов для возбуждения силовых воздействий большой интенсивности»;
- приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: «Энергетика и энергосбережение»;
- приоритетным направлениям модернизации и технологического развития экономики России: «Энергоэффективность и энергосбережение»;
- критическим технологиям: «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии»;
- заданию № 2014/77 по теме № 8.2654 «Использование энергоэффективных импульсных линейных электромагнитных двигателей» на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Министерства образования и науки России (2014-2015 гг.);
- НИР ФГОУ ВПО «Курганский государственный университет» по теме № 195 «Импульсные ЛЭМД с повышенными энергетическими и силовыми показателями» (2006-2010 гг.) и по теме № 263 «Исследование линейного электро-магнитного привода машин для импульсных технологий» (2011-2015 гг.)
Методология и методы исследования. В работе использованы фундаментальные законы и уравнения электродинамики и теории электрических и магнитных цепей, теории электрических машин и автоматизированного электропривода. Поиск количественных соотношений между исследуемыми пара-метрами осуществлялся с помощью аналитических методов математического анализа и численных методов решения задач. Для ускорения решения постав-ленных задач использовались программы МаШСай, В1аПн1(са, для математического моделирования магнитных систем импульсных ЛЭМД использовалась программа Б1сий В ходе исследования экспериментальным методом определялись тяговые статические и динамические характеристики ЛЭМД.
Положения, выносимые на защиту:
-применение энергетических критериев для определения эффективности магнитных циклов может использоваться для самостоятельной оценки энергетических показателей импульсных ЛЭМД;
-укорочение длины магнитной системы импульсного ЛЭМД при сохранении неизменным объема его активных материалов позволяет повысить их удельные силовые показатели до 50% ;
-определение рациональных геометрических размеров импульсных ЛЭМД позволяет разработать инженерную методику их расчета по заданной интегральной механической работе при минимальном объеме активных материалов;
- принцип взаимности для электромеханических систем позволяет получить обобщенное соотношение между интегральной механической работой импульсного ЛЭМД, определяемой по статическим характеристикам, и энергией рабочего хода этого двигателя;
-концентрация магнитной энергии в рабочих зазорах на этапе трогания, позволяет создать импульсные ЛЭМД, обладающие повышенными в 2-2,5 раза и выше энергетическими показателями.
Степень достоверности и апробация результатов. Полученные результаты исследований подтверждаются корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых математических моделей, а также степенью совпадения теоретических и практических результатов, полученных экспериментально на реальных моделях импульсных ЛЭМД в лабораторных и производственных условиях с использованием специально разработанных стендов и методик.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7-ой научно-технической конференции «Повышение надежности, экономичности и конкурентоспособности асинхронных электродвигателей и электроприводов», г. Кемерово, 1992 г.; на десятой и одиннадцатой научно-технических конференциях «Электроприводы переменного тока», г. Екатеринбург, 1995 и 1998 гг.; на Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 1995 г.; на XV Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции», г. Тамбов, Россия, 2009 г.; на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК», г Саратов, Россия, 2010 г.; на VI и VII Всероссийских научно-практических конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, 2010 и 2014 гг.; на Е Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству», г. Челябинск, 2011 г.; на VII Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании», г. Варна, Болгария, 2012 г.; на пятнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» - ЭППТ 2012, г. Екатеринбург, Россия, 2012 г.; на ЕП и ЕШ Международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному производству», г. Челябинск, 2013 и 2014 гг.; на III Международной конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» - АПЭЭТ-2014, г. Екатеринбург, Россия, 2014 г.; на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» - АПЭП-2014, г. Саратов, Россия, 2014 г.; на IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016, г. Пермь, Россия, 2016 г.; на Международной научно-технической конференции « Актуальные проблемы электронного приборостроения» - АПЭП-2016, г. Саратов, Россия, 2016 г.; на 6-й Международной научно-практической конференции ЭКСИЭ - 06 «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии», г. Екатеринбург, Россия, 19 апреля 2017 г., на Международной научно-технической конференции «Пром-Инжиниринг», г. Санкт-Петербург, Россия, 16-19 мая 2017 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 81 научная работа общим объемом 79 п. л. В их числе 4 монографии и 19 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК. Получено 1 авторское свидетельство СССР и 13 патентов РФ на изобретения. Результаты исследований отражены в 3 отчетах по г/б НИР и отчете о проведении фундаментальных исследований в рамках выполнения базовой части государственного задания МОН РФ № 2014/77 по теме № 8.2654 «Использование энергоэффективных импульсных линейных электромагнитных двигателей».
Реализация результатов работы состоит в том, что - разработаны и внедрены машины и оборудование с импульсными ЛЭМД в машиностроении, литейном и металлургическом производствах, электронной и электротехнической промышленности, строительстве, на железнодорожном транспорте, сельскохозяйственном производстве: на технологических операциях проколки отверстий в корпусах изделий из оцинкованного листа (Омутнинский металлургический завод), на операциях клеймения изделий (машиностроительные предприятия гг. Кургана и Саратова), на операции завальцовки корпусов химических источников тока (Новосибирский завод химконцентратов), на операции вырубки слюды (Балашовский слюдяной комбинат), на операциях изготовления фурнитуры кожгалантирейных изделий (Саратовская кожгалантерейная фабрика), на операциях погружения стержневых заземлителей в грунт (ООО «Инко Строй-Монтаж», г. Саратов), на операциях холодной штамповки и сборки (Саратовский завод электротермического оборудования), на операциях локального вытеснения металла при наплавке (сварочные производства предприятий г. Саратова), на операциях терморезания при восстановлении железнодорожных колесных пар (Саратовское депо), на операциях сводообрушения в мукомольном производстве (Саратовская область);
- материалы диссертационной работы были переданы в ООО НПП «АВИАСТЭК» в виде технологической документации на три типоразмера импульсных ЛЭМД для изготовления и реализации. Изготовленные двигатели с 2009 г. поставляются по заказам организациям для механизации технологических процессов (Приложение);
- разработанные методы проектирования и моделирования импульсных ЛЭМД продольного и поперечного поля внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Курганский государственный университет» в виде научных монографий и учебных пособий по дисциплинам «Введение в специальность», «Электрические машины», « Преобразовательная техника в электроприводе», «Электротехнологические промышленные установки» для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложения общим объемом 361 страница, иллюстрирована 125 рисунками, 14 таблицами. Список использованной литературы содержит 233 наименования.
Исследования, проведенные и обобщенные в диссертации, были направлены на развитие и решение крупной научно-технической проблемы создания импульсных линейных электромагнитных двигателей для технологий с высококонцентрированными потоками энергий в машиностроении, строительстве, литейном производстве, в радиоэлектронной промышленности, что позволяет повысить производительности труда, снизить потребление энергии, высвободить производственные площади.
Основные научные и практические результаты исследований.
1. Установлены требования к значениям механической энергии и частоты воздействия для широкого спектра технологических процессов, реализуемых ЛЭМД: механическая энергия 1.5-104 Дж, частота 0,1... 100Гц.
2. Определены оптимальные геометрические параметры и соотношения основных размеров ЛЭМД по критериям «удельная интегральная механическая работа» и «удельное тяговое усилие». Для заданной интегральной работы и превышении температуры определены оптимальные значения параметров: х = г2/г1 = 1,5.. .1,6; у = /к/г1= 2.4, где г1 - радиус втяжной части якоря; г2, 1к - внешний радиус и длина обмотки для ЛЭМД с двумя рабочими зазорами и комбинированным якорем; для ЛЭМД с укороченной длиной магнитной системы х = 1,4. 1,5; у = 1,5; с поперечным магнитным полем х = 1,4.1,5; у = 1,76.
3. Теоретически и экспериментально обоснован принцип укорочения магнитной системы импульсных ЛЭМД, позволяющий повысить их удельные силовые показатели на 30-50%.
4. Установлено, что значения основных выходных параметров ЛЭМД (энергии и усилия) определяются уровнем аккумулируемой магнитной энергии и зависят от конструктивных и режимных параметров. Это позволило теоретически и экспериментально обосновать принцип концентрации магнитной энергии для повышения их удельных энергетических показателей в 2-2,5 раза.
5. Определены факторы, влияющие на обобщенный конструктивно-режимный параметр: количество рабочих зазоров, величина рабочего хода, ток трогания, что позволило выбрать конструктивную схему ЛЭМД, а также обосновать принцип многозазорности магнитной системы ЛЭМД.
6. Обоснованы критерии разграничения режимов по интенсивности энергетической эффективности импульсных ЛЭМД. В качестве критериев предложены коэффициенты восстановления и ослабления магнитного поля рабочих зазоров двигателя, позволяющие определить энергетические режимы с максимальной механической работой.
7. Получены основные электромеханические характеристики ЛЭМД для эффективных энергетических режимов при различных состояниях магнитных систем, что позволяет расширить область технологического применения ЛЭМД.
8. Разработаны методы проектного расчета ЛЭМД для широкого диапазона сил, энергий и частот воздействия на технологический объект.
9. Разработан на уровне изобретений способ передачи дополнительной магнитной энергии в рабочие зазоры, позволяющий увеличить механическую энергию рабочего хода на 30-35%.
10. Разработаны схемные и конструктивные решения технологического оборудования с однообмоточными ЛЭМД, обладающие повышенными динамическими, силовыми и энергетическими показателями.
11. Обоснованы области допустимой работы ЛЭМД, исходя из заданного уровня колебаний напряжения, вызванного работой линейного электромагнитного привода, при питании его через вентильные преобразователи от электрических сетей промышленных предприятий и силовых трансформаторов.
Основные научные и практические результаты исследований.
1. Установлены требования к значениям механической энергии и частоты воздействия для широкого спектра технологических процессов, реализуемых ЛЭМД: механическая энергия 1.5-104 Дж, частота 0,1... 100Гц.
2. Определены оптимальные геометрические параметры и соотношения основных размеров ЛЭМД по критериям «удельная интегральная механическая работа» и «удельное тяговое усилие». Для заданной интегральной работы и превышении температуры определены оптимальные значения параметров: х = г2/г1 = 1,5.. .1,6; у = /к/г1= 2.4, где г1 - радиус втяжной части якоря; г2, 1к - внешний радиус и длина обмотки для ЛЭМД с двумя рабочими зазорами и комбинированным якорем; для ЛЭМД с укороченной длиной магнитной системы х = 1,4. 1,5; у = 1,5; с поперечным магнитным полем х = 1,4.1,5; у = 1,76.
3. Теоретически и экспериментально обоснован принцип укорочения магнитной системы импульсных ЛЭМД, позволяющий повысить их удельные силовые показатели на 30-50%.
4. Установлено, что значения основных выходных параметров ЛЭМД (энергии и усилия) определяются уровнем аккумулируемой магнитной энергии и зависят от конструктивных и режимных параметров. Это позволило теоретически и экспериментально обосновать принцип концентрации магнитной энергии для повышения их удельных энергетических показателей в 2-2,5 раза.
5. Определены факторы, влияющие на обобщенный конструктивно-режимный параметр: количество рабочих зазоров, величина рабочего хода, ток трогания, что позволило выбрать конструктивную схему ЛЭМД, а также обосновать принцип многозазорности магнитной системы ЛЭМД.
6. Обоснованы критерии разграничения режимов по интенсивности энергетической эффективности импульсных ЛЭМД. В качестве критериев предложены коэффициенты восстановления и ослабления магнитного поля рабочих зазоров двигателя, позволяющие определить энергетические режимы с максимальной механической работой.
7. Получены основные электромеханические характеристики ЛЭМД для эффективных энергетических режимов при различных состояниях магнитных систем, что позволяет расширить область технологического применения ЛЭМД.
8. Разработаны методы проектного расчета ЛЭМД для широкого диапазона сил, энергий и частот воздействия на технологический объект.
9. Разработан на уровне изобретений способ передачи дополнительной магнитной энергии в рабочие зазоры, позволяющий увеличить механическую энергию рабочего хода на 30-35%.
10. Разработаны схемные и конструктивные решения технологического оборудования с однообмоточными ЛЭМД, обладающие повышенными динамическими, силовыми и энергетическими показателями.
11. Обоснованы области допустимой работы ЛЭМД, исходя из заданного уровня колебаний напряжения, вызванного работой линейного электромагнитного привода, при питании его через вентильные преобразователи от электрических сетей промышленных предприятий и силовых трансформаторов.
Подобные работы
- ИМПУЛЬСНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЙ С ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ
Авторефераты (РГБ), электротехника. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2018