Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой
Проанализировано влияние ферромагнитного шунта в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой на базе высококоэрцитивных постоянных магнитов. Определены рациональные размеры ферромагнитного шунта. Проаналізовано вплив феромагнітного шунта в робочому проміжку...
Saved in:
| Published in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142995 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой / С.В. Выровец, А.А. Чепелюк // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 1. — С. 15-17. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859665216307986432 |
|---|---|
| author | Выровец, С.В. Чепелюк, А.А. |
| author_facet | Выровец, С.В. Чепелюк, А.А. |
| citation_txt | Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой / С.В. Выровец, А.А. Чепелюк // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 1. — С. 15-17. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | Проанализировано влияние ферромагнитного шунта в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой на базе высококоэрцитивных постоянных магнитов. Определены рациональные размеры ферромагнитного шунта.
Проаналізовано вплив феромагнітного шунта в робочому проміжку на тягові зусилля в електромагніті з однопозиційною магнітною защіпкою на базі висококоерцитивних постійних магнітів. Визначено раціональні розміри феромагнітного шунта.
The paper analyzes action of an ferromagnetic shunt resistor on pulling force in an electromagnet with a single-position magnetic catch based on high-coercitivity permanent magnets, the shunt resistor located in the specific gap. Rational dimensions of the ferromagnetic shunt resistor are specified.
|
| first_indexed | 2025-11-30T10:40:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
Електричні машини та апарати
15 Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №1
УДК 621.318.3
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ШУНТОВ В РАБОЧЕМ ЗАЗОРЕ
НА ТЯГОВЫЕ УСИЛИЯ В ЭЛЕКТРОМАГНИТЕ С ОДНОПОЗИЦИОННОЙ
МАГНИТНОЙ ЗАЩЕЛКОЙ
Выровец С.В., Чепелюк А.А., к.т.н.
Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт"
Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ "ХПИ", кафедра "Электрические аппараты"
тел. (057) 707-69-76, E-mail: vsv@kpi.kharkov.ua, chep@kpi.kharkov.ua
Проаналізовано вплив феромагнітного шунта в робочому проміжку на тягові зусилля в електромагніті з однопозицій-
ною магнітною защіпкою на базі висококоерцитивних постійних магнітів. Визначено раціональні розміри феромагні-
тного шунта.
Проанализировано влияние ферромагнитного шунта в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопо-
зиционной магнитной защелкой на базе высококоэрцитивных постоянных магнитов. Определены рациональные раз-
меры ферромагнитного шунта.
Проведенные в [1] исследования приводного
электромагнита постоянного тока с однопозиционной
магнитной защелкой на базе высококоэрцитивных
постоянных магнитов [2, 3] для вакуумных выключате-
лей на средние напряжения подтвердили его работо-
способность и высокие технические характеристики.
При проектировании таких электромагнитов не-
обходимо стремиться к созданию в них достаточных
тяговых усилий в режиме удержания якоря, соответ-
ствующих включенному состоянию выключателя,
учитывая при этом требования по высокому их быст-
родействию (как при включении выключателя, так и
при его отключении).
Одним из технических решений, направленных на
уменьшение времени включения электромагнита, пред-
ложенного в [2, 3], является установка в рабочем зазоре
электромагнита ферромагнитного шунта, наличие ко-
торого повышает тяговую силу на начальном ходе яко-
ря электромагнита за счет увеличения магнитной про-
водимости рабочего воздушного зазора. Эскиз конст-
рукции такого электромагнита приведен на рис. 1.
Принцип действия предложенного электромагнита ана-
логичен электромагниту постоянного тока с однопози-
ционной магнитной защелкой на базе высококоэрци-
тивных постоянных магнитов и был описан в [1, 2].
Следует отметить, что применение ферромагнит-
ных шунтов в рабочих зазорах электромагнитов приво-
дит к снижению тягового усилия в режиме удержания
[4]. Применительно к исследуемой конструкции элек-
тромагнита это не является недостатком, так как пред-
варительные расчеты показали достаточный запас по
силе в режиме удержания электромагнита. Чрезмерно
большой запас по силе может привести к снижению
износостойкости электромагнита (избыток кинетиче-
ской энергии подвижной части выключателя расходу-
ется на удары деталей и др.), а также к увеличению
времени отключения электромагнита (за счет увеличе-
ния времени спадания суммарного магнитного потока в
рабочем зазоре при отключении, создаваемого посто-
янным магнитом и МДС отключающей обмотки).
Расчет магнитной системы с ферромагнитным
шунтом производился методом конечных элементов с
помощью программы femm [1].
Рис. 1. Эскиз электромагнита с однопозиционной
магнитной защелкой на базе высококоэрцитивных
постоянных магнитов с ферромагнитным шунтом в рабочем
зазоре (1 – ферромагнитный шунт, 2 – якорь, 3 – каркас
катушки, 4 – отключающая обмотка, 5 – включающая
обмотка, 6 – сердечник, 7 – постоянные магниты,
8 – шпилька, 9 – корпус, 10 – воздушный зазор (шунт),
11 – немагнитный фланец, 12 – немагнитный шток,
13 – элемент выключателя для крепления электромагнита)
Расчетная модель (осесимметричная задача) маг-
нитной системы исследуемого электромагнита при
начальном ходе якоря приведена на рис. 2. В расчет-
ной модели магнитной системы размеры деталей и
участков магнитопровода составили (в мм): dc.вн = 20,
dc.нар = 106 – внутренний и наружный диаметры сер-
дечника; dя.вн = 10, dя.нар = 137 – внутренний и наруж-
ный диаметры дискообразного якоря; Δузк = 9, Δут = 19
– высота якоря в узком и в утолщенном местах;
bут = 13 – ширина утолщенного места в якоре;
dк.вн = 117, dк.нар = 139 – внутренний и наружный диа-
метры корпуса; hc = hкп = 89 – высота сердечника и
корпуса; hм = 38, Δм = 5 – высота и толщина постоян-
ного магнита; hв = 22, Δв = 5,5 – высота и толщина
воздушного шунта (зазора); δн = 0,25 – величина не-
рабочих воздушных зазоров между постоянным маг-
нитом и сердечником (и корпусом); δост = 0,1 – вели-
16 Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №1
чина остаточного воздушного зазора между якорем и
сердечником (и корпусом); hк = 29, ак = 20,5 – высота
и ширина пространства для установки катушки;
dк = 80 – внутренний диаметр намотки катушки;
hвкл = 25, авкл = 12,7 – высота и ширина намотки вклю-
чающей обмотки; hоткл = 25, аоткл = 3,3 – высота и ши-
рина намотки отключающей обмотки. Материал фер-
ромагнитных деталей электромагнита – сталь 10. Ма-
териал постоянного магнита – композиция Nd-Fe-B с
коэрцитивной силой 750 кА/м и остаточной магнит-
ной индукцией 1,07 Тл. Величина рабочего зазора
(ход якоря) в исследуемом электромагните – δ = 18
мм. МДС включающей обмотки была определена в
[1] и составила Fвкл.min = 14233 A.
Рис. 2. Расчетная модель магнитной системы
электромагнита с однопозиционной магнитной защелкой
с ферромагнитным шунтом в рабочем зазоре
(1 – якорь, 2 – ферромагнитный шунт, 3 – пространство для
установки катушки, 4 – отключающая обмотка,
5 – включающая обмотка, 6 – корпус, 7 – постоянные
магниты, 8 – сердечник, 9 – воздушный зазор (шунт),
10 – ось симметрии магнитной системы)
Для оценки влияния размеров ферромагнитного
шунта в рабочем зазоре на тяговые усилия, развивае-
мые в электромагните, его размеры, при расчетах
магнитной системы, варьировались. Величина оста-
точного воздушного зазора между корпусом и шун-
том принималась – δнш = 0,1 мм, высота прилегающей
к корпусу части шунта составила 10 мм.
Для установления зависимости развиваемого в
электромагните начального статического тягового
усилия от высоты ферромагнитного шунта проводи-
лись расчеты тяговой силы в начальном положении
якоря при различной высоте шунта в момент включе-
ния электромагнита. Толщина шунта при этом пред-
варительно принималась Δш = 11 мм. Под высотой
ферромагнитного шунта hш понимали высоту части
шунта, выступающей над рабочей плоскостью элек-
тромагнита. Высота шунта в расчетах варьировалась в
диапазоне 16-22 мм. По результатам расчетов на
рис. 3 построена зависимость развиваемого в элек-
тромагните начального тягового усилия от высоты
ферромагнитного шунта в рабочем зазоре.
Рис. 3. Зависимость начального тягового усилия
электромагнита от высоты ферромагнитного шунта
На основании анализа полученной зависимости
можно сделать следующие выводы.
1. Зависимость тягового усилия электромагнита в
начальном ходе якоря от высоты шунта в исследуе-
мом диапазоне высоты шунта моноэкстремальная.
Следовательно, для исследуемого конструктивного
исполнения электромагнита, при заданном ходе якоря
существует наиболее оптимальная высота ферромаг-
нитного шунта, при которой обеспечивается макси-
мум начального тягового усилия.
2. Наибольшее тяговое усилие в исследуемом
электромагните составляет 2090 Н и оно развивается
при высоте ферромагнитного шунта 18,5 мм, которая
может быть выбрана для указанного электромагнита
как наиболее приемлемая.
При найденной высоте ферромагнитного шунта,
для установления зависимости развиваемого в элек-
тромагните начального тягового усилия от толщины
ферромагнитного шунта, проводились расчеты тяго-
вой силы в начальном положении якоря при различ-
ной ширине шунта, которая варьировалась в диапазо-
не 4-11 мм. По результатам расчетов получена зави-
симость развиваемого в электромагните начального
тягового усилия от толщины ферромагнитного шунта
в рабочем зазоре - рис. 4.
На основании анализа указанной зависимости
можно сделать вывод о существовании для исследуе-
мого конструктивного исполнения электромагнита,
при заданном ходе якоря, наиболее оптимальной тол-
щины ферромагнитного шунта, при которой обеспе-
чивается максимум начального тягового усилия. В
исследуемом электромагните эта толщина составляет
6 мм. Начальное тяговое усилие при этом – 2104 Н.
Для оценки влияния ферромагнитного шунта на
тяговые усилия электромагнита на всем ходе якоря
проводился расчет статической тяговой характери-
стики электромагнита с рациональными размерами
ферромагнитных шунтов. Результаты расчета стати-
ческой тяговой характеристики сведены в табл. 1.
Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №1 17
Рис. 4. Зависимость начального тягового усилия
электромагнита от толщины ферромагнитного шунта
Таблица 1
Расчетная статическая тяговая характеристика
электромагнита с однопозиционной магнитной защелкой с
ферромагнитным шунтом в рабочем зазоре
δ, мм 0 2 4 6 8 10
12
14
16
18
Q, Н
15
93
5
83
23
62
45
47
68
36
15
29
64
24
86
21
83
20
24
21
04
Согласно расчетам сила удержания якоря в при-
тянутом положении в электромагните с рациональ-
ными размерами ферромагнитного шунта – 8516 H.
На рис. 5 проведено сопоставление расчетных
статических тяговых характеристик базовой конст-
рукции электромагнита (без ферромагнитного шунта)
[1] и исследуемого электромагнита с ферромагнит-
ным шунтом, построенной по данным из табл. 1, с
противодействующей характеристикой выключателя
[1].
Рис. 5. Сопоставление статических тяговых характеристик
электромагнитов с противодействующей характеристикой
выключателя (1 – статическая тяговая характеристика
базового электромагнита, 2 – статическая тяговая
характеристика электромагнита с ферромагнитным шунтом,
3 – противодействующая характеристика выключателя, 4 –
сила удержания якоря в базовом электромагните, 5 – сила
удержания якоря в электромагните с ферромагнитным
шунтом)
Анализ зависимостей на рис. 5 позволяет сделать
следующие выводы.
1. Установка ферромагнитного шунта в рабочем
зазоре электромагнита приводит к существенному
увеличению тяговых усилий на значительном ходе
якоря (более 10 мм).
2. Начальное тяговое усилие в исследуемом элек-
тромагните с ферромагнитным шунтом в 2,45 раза
превышает начальное тяговое усилие базовой конст-
рукции электромагнита без ферромагнитного шунта.
3. Запас по тяговой силе в начальном положении
якоря исследуемого электромагнита составляет 4,3.
Существование такого запаса позволяет, за счет более
быстрого разгона якоря, сократить время включения
электромагнита.
4. Уменьшение тягового усилия в конечном поло-
жении якоря в электромагните с ферромагнитным
шунтом по сравнению с базовым электромагнитом
нельзя считать недостатком исследуемого электро-
магнита, поскольку снижение тяговой силы не пре-
вышает 12%, а запас по тяговой силе при притянутом
якоре в исследуемом электромагните составляет 1,36
раза, что гарантирует надежное удержания якоря в
притянутом положении.
5. Наличие на рисунке небольшого участка, где тя-
говая сила, развиваемая исследуемым электромагни-
том, становится меньше противодействующей силы
выключателя, не свидетельствует о не работоспособно-
сти электромагнита, поскольку в динамике, при движе-
нии якоря, он проходит этот участок по инерции за
счет запасенной в подвижных частях кинетической
энергии.
Таким образом, на основании проведенных ис-
следований была подтверждена целесообразность
использования в приводных электромагнитах посто-
янного тока с однопозиционной магнитной защелкой
на базе высококоэрцитивных постоянных магнитов
ферромагнитного шунта в рабочем зазоре. Определе-
ние рациональных размеров ферромагнитного шунта
(его высоты и толщины) позволило существенно уве-
личить тяговые усилия на значительном ходе якоря
исследуемого электромагнита.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Выровец С.В., Чепелюк А.А. Расчет магнитной системы
с однопозиционной магнитной защелкой на базе высо-
кокоэрцитивных постоянных магнитов для вакуумных
выключателей // Електротехніка і електромеханіка. −
Харків: НТУ "ХПІ". − 2007. − №6. − С. 15-19.
[2] Патент України № 15210 Електромагнітний привод //
авт. Клименко Б.В., Вировець С.В., Форкун Я.Б.
Опубл.15.06.2006 р., Бюл. №16.
[3] Клименко Б.В., Гречко А.М., Выровец С.В. Быстродей-
ствующий электромагнитный привод с вытеснением
магнитного поля для вакуумного выключателя среднего
напряжения // Електротехніка і електромеханіка. - Хар-
ків: НТУ "ХПІ". – 2006. – № 4. – С. 22-26.
[4] Клименко Б.В. Форсированные электромагнитные сис-
темы. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 160 с.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142995 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T10:40:24Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Выровец, С.В. Чепелюк, А.А. 2018-10-22T15:47:19Z 2018-10-22T15:47:19Z 2008 Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой / С.В. Выровец, А.А. Чепелюк // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 1. — С. 15-17. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142995 621.318.3 Проанализировано влияние ферромагнитного шунта в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой на базе высококоэрцитивных постоянных магнитов. Определены рациональные размеры ферромагнитного шунта. Проаналізовано вплив феромагнітного шунта в робочому проміжку на тягові зусилля в електромагніті з однопозиційною магнітною защіпкою на базі висококоерцитивних постійних магнітів. Визначено раціональні розміри феромагнітного шунта. The paper analyzes action of an ferromagnetic shunt resistor on pulling force in an electromagnet with a single-position magnetic catch based on high-coercitivity permanent magnets, the shunt resistor located in the specific gap. Rational dimensions of the ferromagnetic shunt resistor are specified. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричні машини та апарати Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой Analysis of specific-gap-located ferromagnetic shunt resistors action on pulling forces in an electromagnet with a single-position magnetic catch Article published earlier |
| spellingShingle | Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой Выровец, С.В. Чепелюк, А.А. Електричні машини та апарати |
| title | Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой |
| title_alt | Analysis of specific-gap-located ferromagnetic shunt resistors action on pulling forces in an electromagnet with a single-position magnetic catch |
| title_full | Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой |
| title_fullStr | Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой |
| title_full_unstemmed | Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой |
| title_short | Анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой |
| title_sort | анализ влияния ферромагнитных шунтов в рабочем зазоре на тяговые усилия в электромагните с однопозиционной магнитной защелкой |
| topic | Електричні машини та апарати |
| topic_facet | Електричні машини та апарати |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142995 |
| work_keys_str_mv | AT vyrovecsv analizvliâniâferromagnitnyhšuntovvrabočemzazorenatâgovyeusiliâvélektromagnitesodnopozicionnoimagnitnoizaŝelkoi AT čepelûkaa analizvliâniâferromagnitnyhšuntovvrabočemzazorenatâgovyeusiliâvélektromagnitesodnopozicionnoimagnitnoizaŝelkoi AT vyrovecsv analysisofspecificgaplocatedferromagneticshuntresistorsactiononpullingforcesinanelectromagnetwithasinglepositionmagneticcatch AT čepelûkaa analysisofspecificgaplocatedferromagneticshuntresistorsactiononpullingforcesinanelectromagnetwithasinglepositionmagneticcatch |