Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия

Рассмотрены и проанализированы пути и направления повышения эффективности линейных электромеханических преобразователей импульсного действия за счет конструктивных усовершенствований, криогенного охлаждения жидким азотом, синтеза оптимальных параметров и конфигураций активных элементов и применения...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2006
Автор:	Болюх, В.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2006
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні машини та апарати
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142749
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия / В.Ф. Болюх // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 5. — С. 14-21. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142749
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1427492025-02-09T11:54:17Z Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия Ways of Improvement of Electromechanical Linear Impulse Converters Болюх, В.Ф. Електричні машини та апарати Рассмотрены и проанализированы пути и направления повышения эффективности линейных электромеханических преобразователей импульсного действия за счет конструктивных усовершенствований, криогенного охлаждения жидким азотом, синтеза оптимальных параметров и конфигураций активных элементов и применения многосекционных конструкций с последовательной коммутацией секций индуктора. Предложена классификация этих преобразователей по конструктивным признакам. Розглянуті шляхи і напрями підвищення ефективності лінійних електромеханічних перетворювачів імпульсної дії за рахунок конструктивних удосконалень, кріогенного охолодження рідким азотом, синтезу оптимальних параметрів і конфігурацій активних елементів та застосування багатосекційних конструкцій з послідовною комутацією секцій індуктора. Запропонована класифікація цих перетворювачів по конструктивним ознакам. Ways and directions of increasing efficiency for electromechanical linear impulse converters are analyzed to result from design improvement, liquidnitrogen cooling, optimal parameter synthesis, optimal active elements configuration and application of multi-stage converters with progressive switching of inductor stages. Classification of these converters about design features is introduced. 2006 Article Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия / В.Ф. Болюх // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 5. — С. 14-21. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142749 621.313:536.2.24:539.2 ru Електротехніка і електромеханіка application/pdf Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Болюх, В.Ф. Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия Електротехніка і електромеханіка
description	Рассмотрены и проанализированы пути и направления повышения эффективности линейных электромеханических преобразователей импульсного действия за счет конструктивных усовершенствований, криогенного охлаждения жидким азотом, синтеза оптимальных параметров и конфигураций активных элементов и применения многосекционных конструкций с последовательной коммутацией секций индуктора. Предложена классификация этих преобразователей по конструктивным признакам.
format	Article
author	Болюх, В.Ф.
author_facet	Болюх, В.Ф.
author_sort	Болюх, В.Ф.
title	Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия
title_short	Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия
title_full	Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия
title_fullStr	Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия
title_full_unstemmed	Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия
title_sort	пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142749
citation_txt	Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия / В.Ф. Болюх // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 5. — С. 14-21. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT bolûhvf putisoveršenstvovaniâlinejnyhélektromehaničeskihpreobrazovatelejimpulʹsnogodejstviâ AT bolûhvf waysofimprovementofelectromechanicallinearimpulseconverters
first_indexed	2025-11-25T22:43:48Z
last_indexed	2025-11-25T22:43:48Z
_version_	1849804067120873472
fulltext	Електричні машини та апарати 14 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №5 УДК 621.313:536.2.24:539.2 ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИМПУЛЬСНОГО ДЕЙСТВИЯ Болюх В.Ф., д.т.н., проф. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ "ХПИ", кафедра "Общая электротехника" тел. (057) 70-76-427, e-mail: bolukh@kpi.kharkov.ua Розглянуті шляхи і напрями підвищення ефективності лінійних електромеханічних перетворювачів імпульсної дії за рахунок конструктивних удосконалень, кріогенного охолодження рідким азотом, синтезу оптимальних параметрів і конфігурацій активних елементів та застосування багатосекційних конструкцій з послідовною комутацією секцій індуктора. Запропонована класифікація цих перетворювачів по конструктивним ознакам. Рассмотрены и проанализированы пути и направления повышения эффективности линейных электромеханических преобразователей импульсного действия за счет конструктивных усовершенствований, криогенного охлаждения жидким азотом, синтеза оптимальных параметров и конфигураций активных элементов и применения многосекци- онных конструкций с последовательной коммутацией секций индуктора. Предложена классификация этих преобра- зователей по конструктивным признакам. ВВЕДЕНИЕ Одним из перспективных направлений развития электромеханики являются линейные электродвига- тели, обеспечивающие разгон массогабаритных объ- ектов до высокой скорости [1,2]. Особенность их кон- структивных схем состоит в том, что двигатель и ус- коряемый исполнительный элемент (ИЭ), как прави- ло, объединены в единую систему, образуя электро- механический преобразователь линейного движения. В качестве ИЭ может выступать как активная часть механической системы, в которую встроен преобра- зователь, например, поршень, клапан, замыкающий контакт, ударник и т.д., так и отдельный объект, на- пример, испытательное устройство, пусковой предмет и др. Непосредственное соединение якоря двигателя с ИЭ лишает электромеханический преобразователь универсальности, поскольку данный элемент в силу функциональных особенностей и характера нагрузки определяет величину рабочего хода, силу ударного воздействия и скорость линейного перемещения, что требует особого внимания при его проектировании. Одними из наиболее перспективных в данном классе устройств являются линейные электромеханические преобразователи импульсного действия (ЛЭПИД). Однако при работе в импульсном режиме с быстрым изменением электромагнитных, механических и теп- ловых характеристик в течение рабочего цикла, эф- фективность известных преобразователей недоста- точно высока [3]. Целью статьи является обобщение путей совер- шенствования и повышения эффективности ЛЭПИД. В качестве направлений совершенствования ЛЭПИД можно выделить: конструктивный, криоген- ное охлаждение, синтез оптимальных параметров и конфигураций активных элементов, применение мно- госекционных конструкций, использование различ- ных систем возбуждения и источников энергии. Рас- смотрим основные технические реализации указан- ных подходов. КРИОГЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ Одним из наиболее перспективных путей совер- шенствования ЛЭПИД является криогенное охлажде- ние индуктора и якоря [4,5]. Для этих целей целесо- образно использовать жидкий азот, который обладает высокими диэлектрическими показателями и является безопасным, относительно дешевым и доступным хладагентом, позволяя многократно понизить актив- ное сопротивление токовых элементов. За счет этого обеспечивается повышение добротности электромаг- нитной системы ЛЭПИД и происходит возрастание токов в индукторе и якоре в импульсном режиме. Как результат – понижаются потери, увеличиваются элек- тродинамические усилия (ЭДУ), действующие на якорь, и повышается его скорость. Эффективность электромеханического преобра- зователя целесообразно оценивать параметрами ηp и ηf, которые учитывают, соответственно, кинетиче- скую энергию и потери, а также импульс ЭДУ и энер- гию емкостного накопителя [5]: ( ) ( ) ∑ ∫ = ++ + =η 2 1 0 22 2 2 2 ),()(2)( )()( n t nnnn p p dtBTRtitVPm tVPmt ; ( ) 2 02 2 0 )(1)( ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +⋅ =η ∫ dttf PmCU t pt zf ; где m2 – масса якоря; P – масса ускоряемого ИЭ; V – скорость якоря вдоль оси z; in, Rn, Tn, Bn – ток, сопро- тивление, температура и индукция магнитного поля n- ого элемента (n=1, 2 – индексы индуктора и якоря); U0, C – напряжение и емкость источника энергии; tp – продолжительность импульса ЭДУ; fz – ЭДУ, дейст- вующие на якорь, равные )()()(),( 12 21 z dz dMtitiztf z ⋅= ; M12(z) – взаимоиндуктивность между индуктором и якорем. На рис.1 показана динамика изменения парамет- ров ηp и ηf в течение рабочего цикла, откуда следует, Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №5 15 что криогенное охлаждение существенно повышает эффективность преобразования энергии в ЛЭПИД. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 ηp ηf η , % 0 t 0,5 мс Рис.1. Показатели эффективности ЛЭПИД при комнатной температуре (жирные линии) и при криогенном охлаждении (тонкие линии) Однако наличие низкотемпературного хладаген- та обуславливает применение специального криоста- та, что усложняет конструкцию ЛЭПИД и требует новых конструктивных решений. Криостат должен быть выполнен из немагнитного слабо проводящего материала и не испытывать механических нагрузок от ЭДУ. В качестве примера использования криогенного ЛЭПИД рассмотрим конструктивную схему техноло- гической установки, предназначенной для очистки оборудования, например трюма, от остатков налип- ших материалов повышенной вязкости (рис.2). Рис.2. Схема технологической установки для очистки оборудования от остатков вязких материалов Установка содержит индуктор 1 с радиальными каналами для охлаждения, возбуждаемый от им- пульсного источника 2. Между индуктором 1 и по- верхностью очищаемого оборудования 3 расположен подвижный якорь 4, к внешней поверхности которого присоединена ударная пластина 5. Направляющий стержень 6 соединяет якорь 4 с электромагнитом 7 возвратного механизма. Внешний корпус 8 выполнен из теплоизоляционного материала, например пено- пласта, покрытого тонким листом нержавеющей ста- ли. Контактные элементы подпружиненного цилинд- ра 9 соединены с корпусом криостата внешним гоф- рированным кожухом 10, выполненным, например, из герметичного стекловолокна или металлического сильфона. В корпусе 8 установлены упорные тепло- изоляционные элементы 11, которые соединяют опорную пластину 12 криостата с внешним диском 13, находящемся при температуре окружающей сре- ды. Через центральное отверстие направляющего стержня 6 в установку подается криогенный хлада- гент, а выход использованного газа осуществляется через патрубок 14. В целом представленная криоген- ная установка довольно конструктивна и технологич- на, что делает ее не намного сложнее аналогичной охлаждаемой "теплой" установки, работающей при температуре окружающей среды. СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ И КОНФИГУРАЦИЙ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Иным эффективным путем повышения эффек- тивности ЛЭПИД является синтез параметров его активных элементов, обеспечивающих для заданной нагрузки и энергии источника максимальную эффек- тивность работы при определенных условиях, напри- мер, минимальных превышениях температур и задан- ном объеме проводникового материала для индуктора и якоря. Синтез параметров осуществляется путем применения оптимизационного алгоритма, в котором используется нахождение минимума целевой функ- ции m переменных в поисковом пространстве. В ал- горитме совместно используется глобальный метод оптимизации, осуществляющий случайный поиск параметров преобразователя в заданном пространст- ве, предотвращая попадание в локальный экстремум, и локальный метод, обеспечивающий стягивание об- ласти параметров с глобальным экстремумом до ми- нимальных размеров. В качестве метода глобальной оптимизации применяются генетические алгоритмы, относящиеся к методам оптимального проектирова- ния нового поколения [6]. По данному методу, опери- руя совокупностью (популяцией) возможных реше- ний ( )mP xx ,...,1= , обрабатывается набор параметров xi, структурированный определенным образом в виде цепочки конечной длины, а последующие поколения популяции решений генерируются с помощью гене- тических операторов. Здесь реализуется случайный поиск с централизованным управлением, использую- щий отбор и генетические механизмы воспроизводст- ва, при произвольном выборе точек приложения опе- раторов. Формально используемый генетический ал- горитм можно записать в виде ( )**** 1 ,,,,,,,ГА tlMCSNPP kk Λ= Λ+ , где Pk - популяция на k-ом шаге; N - размер популя- ции; S* - оператор отбора; C* - оператор кроссовера; M* - оператор мутации; Λ - метод локальной оптими- зации; lΛ - критерий включения локального метода; t* - критерий окончания. Операторы S, C и M* используют вероятност- ное распределение. При использовании оператора отбора S* в каждой итерации алгоритма популяция Pk сортируется в порядке возрастания целевой функции ( )k if x . Затем два отобранные варианта ("особи") обра- батываются операторами мутации M* и кроссовера C. При использовании оператора кроссовера C на линии 16 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №5 раздела двух цепочек варьируемых параметров слу- чайным образом выбирается точка раздела и части, расположенные, например, слева от этой точки, ме- няются местами, образуя два новых варианта ("по- томка"), каждый из которых содержит части первона- чальных ("родительских") цепочек параметров, заме- щая варианты с низкими показателями. Для предот- вращения преждевременного стягивания вариантов в локальном экстремуме используется оператор мута- ции M, который действует на цепочки параметров, выбранные случайным образом, изменяя случайным образом выбранный небольшой фрагмент. В качестве метода локальной оптимизации пара- метров преобразователя используется метод дефор- мируемого многогранника [7]. По этому методу в пространстве параметров ℜn случайным образом ини- циируется популяция точек xi, i=1,...,n+1 (вершины многогранника), при этом каждая точка представляет собой вектор параметров x=(x1,...,xn). Они отобража- ются на пространство целевой функции f(x) и на те- кущем шаге t определяются вершины с наибольшим и наименьшим значениями целевой функции, ( )tf maxmax x и ( )tf minmin x . Новая точка zt формируется путем отраже- ния наихудшей вершины tt maxxw = с максимальным значением целевой функции относительно центра масс c всех остальных вершин. В новой точке ttt wcy −= 2 вычисляется значение целевой функции ( )tf y и, в зависимости от сравнения полученной вели- чины со значением целевой функции в наилучшей вершине с минимальным значением целевой функ- ции, многогранник деформируется относительно сво- его исходного состояния: он претерпевает либо рас- тяжение к точке ttt cyz −= 2 , либо сжатие к точке ( )ttt wcz += 5,0 , либо редукцию, когда его вершины заме- няются точками ( )tt i min5,0 xx + . Поскольку процедура де- формации многократно повторяется, то многогранник адаптируется к локальному рельефу целевой функции и сжимается, обеспечивая сходимость алгоритма в локальном минимуме, позволяя по размерам много- гранника σi судить о стадии поиска параметров опти- мального преобразователя. При синтезе параметров требуем, чтобы потери в индукторе и якоре ЛЭПИД при фиксированной энер- гии источника были минимальными, обеспечивая максимальную эффективность ускорения, минималь- ные превышения температур обмоток θn и наимень- шую массу индуктора. В таком случае при заданных критериальных ограничениях запишем ( ) ( ) mx n t nnnn n t nnn dtBTRtiVPm dtBTRti xf ℜ∈ = = → ⋅+⋅+ ⋅ = ∑∫ ∑∫ min ),()(2 ),()(2 2 10 22 2 2 10 n 2 1 ( ) ( ) min2 2 02 2 0 2 ),(11 fdtztf PmUC xf t z =⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +⋅ −= ∫ ; ( ) ( )[ ] * min32 1 2 1112 2 0 22 2 3 25,0 1 f DDHmUC Vm xf inex = −⋅γ⋅⋅π⋅+⋅ −= ; * min11 θ=θ ; * min22 θ=θ ; { } miba ii m ,...,1 ,, =∈ℜ , где ),,,,,,( 0212121 UkkDDHHx wwinin= - вектор переменных проектирования; Hn – высота n-ой обмотки; Dexn, Dinn – внешний и внутренний диаметр n-ой обмотки; kw1 – количество слоев n-ой обмотки; ai и bi – границы об- ласти поискового пространства mℜ . При решении задачи синтеза используется ие- рархический подход, что позволяет обрабатывать критерии с определенными физическими значениями и контролировать процесс оптимизации. В иерархи- ческой последовательности установлен приоритет критериев, понижающийся с увеличением индекса ( ) { } { }( )∑ = −+−= 6 1 1 ;0max;0max i iiii bxxaxU ; ( ) ( ) * min222 fxfxU −= ; ( ) ( ) * min333 fxfxU −= ; ( ) ( ){ }* min114 min θ−θ= xxU ; ( ) ( ){ }* min225 min θ−θ= xxU ; ( ) ( )xfxU 16 = . Решение ∗= xx считается оптимальным, если вы- полняются следующие равенства: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ;0== * 5 * 4321 ===∗∗∗ xUxUxUxUxU ( ) 16 min fxU =∗ . Для расчетов используются функциональные за- висимости, описывающие электромагнитные, меха- нические и тепловые процессы с учетом нелинейных параметров [8]: ( )tVMLRCUfi nnn ,,,,,, 120= ; ( )tKmPMifZ aaTn ,,,,,,, 212 γβ=Δ ; ( ),, δ= nnn BTfR ; ( )tkcjfT TnЌnnnnnn ,,,,,, αλγρ= , где Ln - индуктивность n-ой обмотки; KT - коэффици- ент динамического трения; βa - коэффициент аэроди- намического сопротивления; γa - плотность среды перемещения; δ - эффективная величина скин-слоя; jn, cn, λn, ρn, αTn – соответственно, плотность тока, ус- редненная удельная теплоемкость, коэффициент теп- лопроводности, удельное сопротивление, коэффици- ент теплоотдачи n-ой обмотки. В табл.1 в зависимости от объема проводниково- го материала VOL представлены полученные пара- метры высокоэффективных криогенных ЛЭПИД. По- мимо указанных выше параметров в табл.1 показаны d0 – диаметр медного проводника; im1 – максимальный ток индуктора; FI – импульс ЭДУ; w’ – удельная энер- гия преобразователя; относительная высота n-ой об- мотки ( )ninnexnHn DDH −=ε . Отметим, что полученные параметры эффектив- ности преобразователей существенно превышают аналогичные параметры известных устройств. Помимо выбора электромагнитных и геометри- ческих параметров широкие возможности открывает подход по выбору конфигурации индуктора и якоря. Так на рис.3,а показан ЛЭПИД с якорем комбиниро- ванной формы, а на рис.3,б – изменение его относи- тельной эффективности в зависимости от параметров формы якоря ec /1 =α ; dc /2 =α . Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №5 17 Таблица 1 Параметры высокоэффективных ЛЭПИД Параметр Значения VOL10-3, м3 0,125 0,25 0,5 1,5 C, мкФ 140 260 190 150 Dex1, м 98 154 232 266 Dex , о.е. 1,15 1,20 1,10 0,98 εH1, % 19,8 10,9 4,4 13,8 εH2, % 3,5 1,6 2,5 1,8 d0, мм 3,0 3,4 2,8 3,8 im1, кА 11,74 7,77 6,03 1,80 fzm, кН 428,2 385,0 640,0 186,2 FI, Н⋅с 56,5 83,0 158,1 115,9 V, м/с 40,5 45,9 34,5 31,2 ηp, % 84 84 89 89 ηf, % 23 38 55 36 w’, Дж/кг 688,0 476,1 327,5 75,7 а) б) Рис.3. Структурная схема (а) и эффективность (б) ЛЭПИД с комбинированным якорем: 1 – индуктор; 2 – якорь; 3 – ИЭ; 4 - упор На рис.3,а в качестве базовой принята дисковая конфигурация якоря. Как следует из полученных за- висимостей, отсутствие дискового участка якоря су- щественно снижает эффективность преобразователя. Однако дисковая конфигурация якоря, обеспечивая более высокую эффективность ЛЭПИД по сравнению с цилиндрической формой, оказывается не лучшей. Наибольшую эффективность проявляет преобразова- тель, у которого, помимо дискового участка якоря, имеется наружный аксиальный участок, длина кото- рого составляет примерно 0,4 от длины радиального участка. Широкие возможности открывают конструктив- ные усовершенствования ЛЭПИД. В качестве наибо- лее эффективных технических решений можно отме- тить преобразователи, использующие: - подвижный индуктор; - квазистационарный якорь; - форсирующую обмотку статора; - ферромагнитный сердечник; - наружный электромагнитный экран. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПОДВИЖНЫМ ИНДУКТОРОМ Преобразователь с подвижным индуктором со- держит дополнительный вторичную обмотку статора, которая установлена коаксиально с индуктором и взаимодействует с неподвижным упором. При возбу- ждении подвижного индуктора, установленного меж- ду якорем и дополнительной обмоткой, возникают электродинамические силы, вследствие чего происхо- дит ускорение индуктора, сообщающего дополни- тельное ускорение якорю с ИЭ. На рис.4 показана электрическая схема замещения этого преобразовате- ля, где указаны взаимосвязи между подвижным ин- дуктором (индекс 1), якорем (индекс 2) и дополни- тельной статорной обмоткой (индекс 3). Здесь обо- значены: V13 – скорость индуктора относительно до- полнительной обмотки; V12 – скорость якоря относи- тельно индуктора; a, b – подвижные токовые контак- ты индуктора. Рис.4. Схема замещения ЛЭПИД с подвижным индуктором Как показывают исследования основные элек- тромеханические показатели ЛЭПИТ с подвижным индуктором по сравнению с традиционным вариан- том, содержащим неподвижный индуктор, заметно повышаются. Об этом свидетельствует рис.5, где представлено распределение параметра эффективно- сти ηf преобразователя с подвижным индуктором при различном соотношении геометрических параметров ускоряемого якоря εH2 и дополнительной статорной обмотки εH3. Вариант εH3=0 соответствует параметрам преобразователя традиционной конструкции. 18 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №5 0 1 2 3 4 5 6 7 20 25 30 35 40 1 2 3 4 5 6 7 η f , % ε H 3 × 100, о.е. ε H 2 × 100, о.е. Рис.5. Распределение параметра эффективности преобразо- вателя с подвижным индуктором в зависимости от геомет- рических параметров якоря и статорной обмотки Для рассматриваемого преобразователя целесо- образно выбирать вторичные обмотки с параметрами εH2,3=0,02...0,03. Заметим, что идея рассмотренного преобразователя близка к концепции многодисковых электрических машин, характеризующихся высокой степенью использования активного объема за счет устранения пассивных участков, не принимающих участие в процессе электромеханического преобразо- вания энергии. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С КВАЗИСТАЦИОНАРНЫМ ЯКОРЕМ Концепция преобразователя с квазистационар- ным якорем состоит в следующем. ЭДУ fz(t,z), дейст- вующие на якорь, зависят как от взаимодействия то- ков в индукторе i1(t) и якоре i2(t), так и от градиента взаимной индуктивности dM/dz(z) между ними. При этом необходимо учесть, что все эти параметры во времени и в пространстве имеют ярко выраженный импульсный характер. Исходя из этого, для повыше- ния эффективности ЛЭПИД необходимо обеспечить оптимальное взаимодействие между этими простран- ственно-временными параметрами. Иными словами, максимум токов индуктора i1(t) и якоря i2(t) должен возникать в то время, когда якорь находится на опре- деленном расстоянии относительно индуктора, где градиент взаимной индуктивности dM/dz(z) имеет максимальное значение. Для обеспечения указанного условия предлагается конструкция якоря, у которого при его ускорении токовая зона остается неподвиж- ной на начальном этапе работы. Токовая зона реали- зуется путем размещения в разрезах якоря неподвиж- ных контактных элементов. На рис.6 показана прин- ципиальная схема преобразователя с квазистационар- ным якорем и распределение градиента взаимной ин- дуктивности между индуктором и токовой зоной яко- ря. На этом рисунке обозначены: 1 - индуктор; 2 - якорь высотой H2; 3 - разрезы в якоре; 4 - неподвиж- ные контактные элементы; 5 –диэлектрический бан- даж; I - центральная плоскость индуктора; II - цен- тральная плоскость токовой зоны якоря; H2 * - длина токовой зоны якоря. Данная концепция преобразователя с квазиста- ционарным якорем, реализующая улучшенные про- странственно-временные характеристики, несмотря на определенное усложнение конструкции по сравне- нию с традиционным вариантом ЛЭПИД с массив- ным якорем, обеспечивает надежное перемещение якоря относительно индуктора при малом зазоре ме- жду ними и позволяет существенно повысить скоро- стные, силовые и энергетические показатели. Как по- казывают исследования, за счет применения квази- стационарного якоря удается повысить механические показатели преобразователя на 40...80 %, а параметр эффективности ηf – в 1,5...2,4 раза. а) б) 5 3 2 в) Рис.6. Принципиальная схема ЭИПИТ с квазистационарным якорем (а), распределение градиента взаимной индуктивности (б) и конструкция якоря (в) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ФОРСИРУЮЩЕЙ ОБМОТКОЙ Введение в магнитную цепь преобразователя не- подвижной форсирующей обмотки (ФО) позволяет существенно влиять на его эффективность [9]. Так, на рис.7 показано влияние расположения ФО относи- тельно индуктора на относительную эффективность ηf * коаксиального ЛЭПИД (в качестве базового ис- пользуется преобразователь без ФО), где обозначены: 1 - индуктор; 2 – ускоряемый якорь; 3 - ФО; 4 - ИЭ. Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №5 19 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Z3 , о.е. а б в ηf , о.е. Рис.7. Схема и относительная эффективность коаксиального ЛЭПИД Как показывают расчеты, наименьшее ускорение якоря с ИЭ обеспечивается при осевом смещении ФО ( ) 33,02 3113 * 3 −=+Δ⋅= HHZZ (положение a на рис.7). При этом амплитуда токов в индукторе и якоре повышает- ся, соответственно на 27% и 15%, а длительность пе- риода колебаний уменьшается почти на треть. Воз- действие ФО можно объяснить тем, что поскольку токи в этой обмотке и якоре имеют одинаковую по- лярность при незначительном фазовом сдвиге, а ФО расположена против направления движения якоря, то между ними возникает сила, тормозящая якорь. Если ФО сместить вперед по ходу движения яко- ря на величину Z3 =0,66 (положение б на рис.7), то эффективность преобразователя повышается на 8,5% по сравнению с базовым вариантом. При этом вели- чина первого пика аксиальной силы fz(t) увеличивает- ся на 7%, а второго пика - на 13%. Такое воздействие ФО можно объяснить тем, что полярность токов об- моток в начале переходного процесса одинакова, т.е. между ними действует сила притяжения fz23. Но так как ФО смещена относительно центральной плоско- сти якоря в сторону движения, то обеспечивается до- полнительное его ускорение. Если ФО переместить вперед на расстояние Z3 =1,29 (положение в на рис.7), где проявляется ло- кальный минимум эффективности ЛЭПИД, то здесь происходит изменение полярности тока ФО на проти- воположное. Данный факт можно объяснить тем, что здесь образуется более сильная магнитная связь ФО с якорем, чем с индуктором, а значит и индукционное воздействие якоря является превалирующим. Но так как токи обмоток находятся в противофазе, т.е. между ними действует сила отталкивания, а ФО находится впереди по ходу движения якоря, то она создает тор- мозную силу fz23. Дальнейшее перемещение ФО вдоль оси z снижает магнитное взаимодействие ее с осталь- ными обмотками, что приводит к ослаблению тормоз- ного воздействия. Таким образом, за счет расположе- ния ФО относительно индуктора можно обеспечить дополнительное ускорение, либо торможение якоря. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ Ферромагнитный сердечник вызывает изменение скоростных, силовых и энергетических показателей ЛЭПИД за счет перераспределения магнитного поля в активной зоне. На рис.8 схематично показан коакси- альный преобразователь с сердечником и распределе- ние векторов индукции магнитного поля (Bm= 4,23 Т) в момент максимума тока индуктора. Так, амплитуда тока возбуждения снижается на 16 %, а его длитель- ность повышается на такую же величину по сравне- нию с аналогичной немагнитной конструкцией, в ре- зультате чего амплитуда ЭДУ возрастает на 25 %, а скорость - на 35 %. При этом нагрев индуктора не- сколько снижается, а якоря - повышается. Введение сердечника в магнитную систему по- зволяют повысить ряд электромеханических показа- телей "теплого" ЛЭПИД, хотя их влияние не столь значительно из-за насыщения; при этом все удельные показатели преобразователя ухудшаются. При ис- пользовании криогенного охлаждения влияние сер- дечника будет еще менее существенным из-за возрас- тания токов в обмотках и общего уровня магнитных полей в активной зоне устройства. Если же учесть затраты хладагента на охлаждение ферромагнетика, усложнение конструкции криостата, увеличение веса и др., можно сделать вывод о нецелесообразности применения сердечников в магнитной системе легких и высокоэффективных криогенных преобразователей. Рис.8. Распределение векторов индукции ЛЭПИД: 1 – индуктор; 2 – якорь; 3 – сердечник; 4 - ИЭ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С НАРУЖНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ЭКРАНОМ Традиционные ЛЭПИД не содержат специаль- ных устройств снижения внешних магнитных полей, вследствие чего возникает проблема электромагнит- ной совместимости. Оценим влияние наружного элек- тромагнитного экрана (НЭЭ) с учетом, как внешнего магнитного поля, так и основных рабочих показате- лей криогенного преобразователя коаксиальной кон- фигурации. В общем случае НЭЭ может содержать заднюю 3a и переднюю 3b дисковые части и соеди- няющую их центральную цилиндрическую часть 3 (рис.9). Исходя из размеров криостата, расположим заднюю дисковую часть экрана 3a на расстоянии 11 25,0 Hz =Δ , а его внешний диаметр выполним, рав- ным 13 25,1 exex DD = . НЭЭ существенно перераспределяет магнитное поле как в активной зоне ЛЭПИД, так и в окружаю- щем пространстве. Помимо перераспределения маг- нитного поля, экран изменяет характеристики преоб- разователя (рис.10). 20 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №5 Рис.9. Распределение силовых линий магнитного поля при максимуме силы fz в ЛЭПИД: 1 – индуктор; 2 – якорь; 3 – НЭЭ; 4 – ИЭ -150 -7,5 -100 -5,0 -50 -2,5 0 0 0 50 50 2,5 100 100 5,0 150 150 7,5 Δ,Z мм f,кН j, А/мм2 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 мс 3,0 t Δ,Z fz j1 j2 Рис.10. Электромеханические характеристики неэкранированного (тонкие линии) и экранированного (жирные линии) ЛЭПИД За счет появления НЭЭ происходит укорочение рабочего импульса тока возбуждения (представленно- го в виде плотности тока в индукторе j1) с одновре- менным увеличением его амплитуды в первом полу- периоде и уменьшением - во втором. Величина ус- редненной плотности тока в якоре j2 снижается, и ток затухает сильнее. Аналогичный характер оказывает экран на электродинамическую силу fz, вызывая по- нижение основных механических показателей: скоро- сти V и перемещения ΔZ якоря с ИЭ. В результате изменения токов за счет наличия НЭЭ уменьшается величина усредненного превышения температуры в индукторе θ1 и якоре θ2, особенно сильно в послед- нем. При этом наблюдается существенный прирост температуры экрана θ3, находящемся при температуре окружающей среды. Наружный экран приводит к уменьшению ско- рости якоря – до 11 %, увеличению амплитуды тока возбуждения – до 22 %, понижению превышений тем- пературы индуктора – до 19 % и якоря – до 41 %. При этом магнитное поле в ближней зоне (на расстоянии 12 exDr = ) понижается – до 60 %, а в дальней зоне (на расстоянии 12 exDr = ) – до 64 %. Для оценки эффективности ЭИПИТ введем ком- плексный критерий, который учитывает как его рабо- чие показатели, так и возбуждаемое при этом магнит- ное поле в окружающем пространстве * ср ** BK fe η= , где р–B - усредненное магнитное поле в окружающем пространстве: 11 25,275,0 HzH ≤≤− ; 11 42 exex DrD ≤≤ в момент максимума электродинамического воздей- ствия на ускоряемый якорь. Наибольшую эффективность ( 1,2* ≈eK ) проявля- ет преобразователь с конфигурацией НЭЭ, представ- ленной на рис.9. Заметим, что у неэкранированного ЛЭПИТ данный показатель составляет 0,1* =eK . Та- ким образом, за счет оптимальной конфигурации НЭЭ более, чем в 2 раза повышается комплексный критерий эффективности преобразователя. МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Широкие возможности по повышению эффек- тивности открывает преобразователь с многосекци- онным индуктором, у которого последовательное воз- буждение секций осуществляется по мере перемеще- ния якоря с ИЭ [10]. На рис.11,а представлен трех- секционный ЛЭПИД, индуктор и якорь которого име- ют независимое охлаждение. Секции 1, 2, 3 индуктора расположены в немагнитном криостате 4 с жидким азотом 5 и закреплены между собой при помощи пер- форированных опорных элементов 6. Якорь 7 соеди- нен с ИЭ 8 и охлаждается азотом, находящимся в спе- циальной опорной перфорированной полости 9. Сек- ции индуктора по направлению движения установле- ны с зазорами, величины которых h1 и h2 выбираются в зависимости от параметров преобразователя. На- чальное центрирование якоря осуществляется при помощи направляющего элемента 10, прикрепленного к массивному упору 11. До начала работы внутреннее отверстие для якоря на выходе криостата 4 закрыва- ется теплоизоляционной вставкой 12. 11 9 1 10 7 2 8 6 4 3 5 12 Δz0 h2 h1 H1 а) б) Рис.11. Конструктивная (а) и электрическая (б) схемы криогенного ЛЭПИД с последовательным возбуждением секций индуктора Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №5 21 На рис.11,б показана принципиальная электри- ческая схема этого преобразователя, где обозначены: R1p, L1p - сопротивление и индуктивность p-ой секции индуктора; R2, L2 - сопротивление и индуктивность якоря, перемещаемой со скоростью V; VSp - тиристор с блоком управления Qp, обеспечивающий возбужде- ние секций индуктора от секции емкостного накопи- теля Cp; VD - диод, обеспечивающий полярность им- пульса индуцированного тока в якоре. После подачи импульса на первый блок управле- ния Q1 тиристора VS1 за счет электродинамического взаимодействия между магнитным полем первой секции индуктора и индуцированным током в якоря осуществ- ляется перемещение якоря вместе с ИЭ. Возбуждение последующих секций осуществляется автоматически при помощи оптоэлектронной системы, содержащей неподвижные, направленные на датчики блоков управ- ления Q2,3, источники света g1,2, закрываемые светоза- щитной шторкой s, которая соединена с ускоряемым якорем. Коммутация каждой последующей секции осу- ществляется после прекращения тока в предыдущей. Как показывают расчеты, рассредоточенный и последовательный подвод энергии к секциям индук- тора обеспечивает повышение его выходной скорости на 45...55 % при комнатной и на 25...30 % при азотной температурах, увеличение КПД, соответственно, бо- лее, чем в 2,2 и 1,6 раза по сравнению с сосредото- ченным и одномоментным подводом энергии, что происходит в односекционном ЛЭПИД. В многосек- ционной обмотке индуктора динамические нагрузки рассредоточиваются, что способствует повышению ее надежности, а суммарные потери снижаются на 30...40 % по сравнению односекционным вариантом. Таким образом, за счет совокупности конструк- тивных усовершенствований, криогенного охлаждения жидким азотом, синтезом оптимальных параметров и конфигураций активных элементов и применением многосекционных конструкций можно существенно повысить эффективность линейного электромеханиче- ского преобразователя импульсного действия. Рис.12. Классификация конструкций ЛЭПИД На основе проведенных исследований и обобще- ний предлагается классификация ЛЭПИД по конст- руктивным признакам (рис.12). ЛИТЕРАТУРА [1] Тютькин В.А. Магнитно-импульсный способ разруше- ния сводов и очистки технологического оборудования от налипших материалов // Электротехника. - 2002. - № 11. - С. 24-28. [2] A. Balikci, Z. Zabar, L. Birenbaum et al., “Improved per- formance of linear induction launchers”, IEEE Trans. Mag- netics, vol. 41, № 1, pp. 171-175, 2005. [3] Mayer D., Ulrych B., Skopek M. et al., Dynamic character- istics of non-ferromagnetic pulse electromechanical accel- erator // Техн. електродинаміка. Тем. випуск: Проблеми сучасної електротехніки. - 2000. - Ч. 9. - С. 18-23. [4] B.M. Novac, P. Senior, I.R. Smith et al., “Studies of a very high efficiency cryogenic launcher”, IEEE Trans. Magnet- ics, vol. 37, № 1, pp. 123-128, 2001. [5] Болюх В.Ф. Эффективность электромеханических им- пульсных преобразователей индукционного типа. Кри- терии и анализ // Електротехніка і електромеханіка. – 2004. - № 3. - С. 13-18. [6] L.I. Lysenko, V.I. Omelyanenko, S.A. Sergeev, “Parallel genetic algorithm and its application to linear synchronous motor optimization”, Inter. Journal Applied Electromagnet- ics and Mechanics, vol. 9, № 3, pp. 303-314, 1998. [7] Голоскоков Е.Г., Северин В.П. Модификация метода деформируемого многогранника для оптимизации ие- рархической последовательности критериев // Техн. ки- бернетика и ее приложения. - Харьков: Выща школа. - 1986. - С. 27-30. [8] Болюх В.Ф. Переходные процессы в электромагнитной системе возбуждения с криорезистивными нелинейно- стями и магнитными связями // Известия РАН. Энерге- тика. - 2001. - № 5. - С. 103-113. [9] Болюх В.Ф. Влияние короткозамкнутой катушки на ра- боту линейного импульсно-индукционного криогенно- го двигателя // Изв. вузов. Электромеханика. - 2000. - № 2. - С. 45-53. [10] S. Barmada, A. Musolino, M. Raugi et al., “Analysis of performance of a multi-stage pulsed linear induction launcher”, IEEE Trans. Magnetics, vol. 37, № 1, pp. 111- 115, 2001. Поступила 25.02.2006

Пути совершенствования линейных электромеханических преобразователей импульсного действия

Репозитарії

Схожі ресурси