Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний

Рассмотрены силовые взаимодействия в линейном импульсном электродинамическом двигателе для невзрывных источников сейсмоколебаний, отличающемся цилиндрической электромагнитной системой и ее сильным насыщением. Выявлен вклад в общую тяговую силу составляющих электродинамического и магнитного происхожд...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2008
Hauptverfasser:	Милых, В.И., Ткаченко, С.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2008
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Електричні машини та апарати
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143142
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний / В.И. Милых, С.В. Ткаченко // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 6. — С. 36-39. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143142
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1431422025-02-09T18:18:59Z Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний Force interactions in a linear electric motor for seismic vibrations sources Милых, В.И. Ткаченко, С.В. Електричні машини та апарати Рассмотрены силовые взаимодействия в линейном импульсном электродинамическом двигателе для невзрывных источников сейсмоколебаний, отличающемся цилиндрической электромагнитной системой и ее сильным насыщением. Выявлен вклад в общую тяговую силу составляющих электродинамического и магнитного происхождения, а также характер изменения сил в зависимости от взаимного положения якоря и реактора и еще от МДС их обмоток. Розглянуті силові взаємодії в лінійному імпульсному електродинамічному двигуні для невибухових джерел сейсмоколивань, що відрізняється циліндровою електромагнітною системою і її сильним насиченням. Виявлений внесок в загальну тягову силу складових електродинамічного і магнітного походження, а також характер зміни сил залежно від взаємного положення якоря і реактора і ще від МРС їхніх обмоток. Force interactions in a linear pulse electrodynamic motor for sources of seismic vibrations are considered. The motor differs in its cylindrical electromagnetic system and its strong magnetic saturation. Contribution of electrodynamic and magnetic constituents to the total traction force is revealed. Force behavior as function of the relative position of the armature and the reactor as well as mmf of their windings is specified. 2008 Article Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний / В.И. Милых, С.В. Ткаченко // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 6. — С. 36-39. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143142 621.313.17 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 Милых, В.И. Ткаченко, С.В. Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний Електротехніка і електромеханіка
description	Рассмотрены силовые взаимодействия в линейном импульсном электродинамическом двигателе для невзрывных источников сейсмоколебаний, отличающемся цилиндрической электромагнитной системой и ее сильным насыщением. Выявлен вклад в общую тяговую силу составляющих электродинамического и магнитного происхождения, а также характер изменения сил в зависимости от взаимного положения якоря и реактора и еще от МДС их обмоток.
format	Article
author	Милых, В.И. Ткаченко, С.В.
author_facet	Милых, В.И. Ткаченко, С.В.
author_sort	Милых, В.И.
title	Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний
title_short	Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний
title_full	Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний
title_fullStr	Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний
title_full_unstemmed	Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний
title_sort	силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143142
citation_txt	Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний / В.И. Милых, С.В. Ткаченко // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 6. — С. 36-39. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT milyhvi silovyevzaimodejstviâvlinejnomélektrodvigateledlâistočnikovsejsmičeskihkolebanij AT tkačenkosv silovyevzaimodejstviâvlinejnomélektrodvigateledlâistočnikovsejsmičeskihkolebanij AT milyhvi forceinteractionsinalinearelectricmotorforseismicvibrationssources AT tkačenkosv forceinteractionsinalinearelectricmotorforseismicvibrationssources
first_indexed	2025-11-29T13:24:15Z
last_indexed	2025-11-29T13:24:15Z
_version_	1850131258816856064
fulltext	36 Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 УДК 621.313.17 СИЛОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ЛИНЕЙНОМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕ ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Милых В.И., д.т.н. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ "ХПИ", кафедра "Электрические машины" тел. (0572) 707-65-14; e-mail: mvikpi@kpi.kharkov.ua; сайт: http://users.kpi.kharkov.ua/kem/ Ткаченко С.В. Открытое акционерное общество завод "Потенциал" Украина, 61106, Харьков, ул. Индустриальная, 17 тел. (0572) 99-81-88; e-mail: potencial@potencial.kharkov.com Розглянуті силові взаємодії в лінійному імпульсному електродинамічному двигуні для невибухових джерел сейсмоколи- вань, що відрізняється циліндровою електромагнітною системою і її сильним насиченням. Виявлений внесок в загаль- ну тягову силу складових електродинамічного і магнітного походження, а також характер зміни сил залежно від взаємного положення якоря і реактора і ще від МРС їхніх обмоток. Рассмотрены силовые взаимодействия в линейном импульсном электродинамическом двигателе для невзрывных ис- точников сейсмоколебаний, отличающемся цилиндрической электромагнитной системой и ее сильным насыщением. Выявлен вклад в общую тяговую силу составляющих электродинамического и магнитного происхождения, а также характер изменения сил в зависимости от взаимного положения якоря и реактора и еще от МДС их обмоток. ВВЕДЕНИЕ Линейный импульсный электродвигатель (ЛИЭД), являющийся рабочим органом импульсного электромеханического сейсмоисточника невзрывного характера [1-3], предназначенного для возбуждения в земной коре сейсмических колебаний при поиске нефти, газа и других полезных ископаемых, был представлен в [4-6]. Рассматриваемый ЛИЭД является короткоходо- вым электромеханическим преобразователем и имеет цилиндрообразную конструкцию, которая представ- лена на рис. 1. Основными элементами двигателя являются по- рождающие силовое взаимодействие якорь и реактор. Якорь жестко связан с опорной плитой в виде конуса и может перемещаться лишь на весьма малое рас- стояние, равное упругой деформации грунта, - поряд- ка нескольких миллиметров. Преобладающее же дви- жение под действием развиваемого импульса силы осуществляет реактор в противоположную сторону – вверх. Ограничивает и демпфирует отскок реактора амортизатор. Таким образом, рабочее воздействие на грунт, вызывающее сейсмоколебания, оказывает си- ловая "отдача" якоря. Активными электромагнитными элементами ре- актора и индуктора являются цилиндрические ферро- магнитные сердечники с "коллекторной" шихтовкой, в пазах которых расположены секционированные кольцевые обмотки. На рис.1 показано исходное положение реактора и чередующееся направление тока в обмотках, что обеспечивает заданное направление сил emF в рабо- чем режиме при подаче импульса тока. Мощные импульсы тока в обмотки подаются от емкостного накопителя энергии, который периодиче- ски заряжается от источника питания (синхронного генератора, аккумуляторов). Одной из основных задач, которые решаются при проектировании представленного ЛИЭД, являет- ся обеспечение и соответствующий расчет основной силы взаимодействия якоря и реактора, а также ее распределения между обмотками и сердечниками. Основы расчета, которые представлялись в [4-5], по- строены на весьма упрощенных моделях магнитного поля, а также на некоторых данных, корректируемых по результатам экспериментов. Поэтому такой подход может быть целесообразен только на начальных эта- пах проектирования как первое приближение. Рис. 1. Устройство линейного электродвигателя: 1 − обмотка якоря; 2 − магнитопровод якоря; 3 − обмотка реактора; 4 − магнитопровод реактора; 5 − инертная масса; 6 − опорная плита-конус; 7 − амортизатор; 8 - грунт Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 37 Сложность решения задачи расчета силовых взаимодействий вызвана, прежде всего, очень силь- ным насыщением магнитопровода ЛИЭД, а также плохо прогнозируемой организацией магнитного поля при различных взаимных положениях якоря и реакто- ра в процессе работы двигателя. Однако эти пробле- мы преодолеваются естественным, для современного уровня вычислительной техники, переходом от клас- сических цепных моделей магнитного поля к числен- но полевым расчетам. В связи с отмеченными обстоятельствами, це- лью данной работы является численно-полевой ана- лиз силовых взаимодействий в ЛИЭД представленной конструкции. А для того, чтобы понимать место этого двигателя в области электрических машин, определим его в соответствии с [6], как электродинамический ЛИЭД с наружным якорем. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИЛ В ЛИЭД Задача расчета силовых взаимодействий при численно-полевом подходе складывается из двух эта- пов: сначала рассчитывается магнитное поле с учетом реальной геометрии магнитной системы ЛИЭД и на- сыщения магнитопровода, а затем на этой основе оп- ределяются силовые взаимодействия, а именно силы, действующие непосредственно на обмотки, на магни- топровод и в целом на якорь и реактор. Учитывая осевую симметрию магнитной систе- мы ЛИЭД, к которой относим ферромагнитные сер- дечники и обмотки, трехмерное магнитное поле мож- но рассчитывать в меридиональной плоскости, прохо- дящей через центральную ось симметрии (рис. 1). В обусловленной модели, варианты которой показаны на рис. 2, это поле описывается посредством танген- циальной составляющей векторного магнитного по- тенциала (ВМП) ϕA дифференциальным уравнением: ( ) ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ −= ⎭ ⎬ ⎫ ∂ ∂ ⋅ ⋅∂ ∂+⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ⋅ ∂ ∂ ϕ ϕϕ J r Ar rrz A z μ 1 μ 1 , (1) где zr, – радиальная и осевая координаты цилиндри- ческой системы; ϕJ – угловая составляющая плотно- сти тока в обмотках (в данной постановке вихревыми токами в других элементах конструкции при им- пульсном возбуждении пренебрегаем); μ - магнитная проницаемость. При решении уравнения (1) в меридиональной плоскости ),( zr одной из границ является централь- ная ось. Прочие границы при численном расчете маг- нитного поля должны иметь конкретную позицию и выноситься за пределы активной зоны на такое рас- стояние, где магнитное поля можно считать пренеб- режимо малым. В итоге на определенных границах Γ прямоугольной области можно было принять про- стейшее граничное условие Дирихле – в данном слу- чае для ВМП: 0=ΓϕA . (2) В представленной формулировке для решения полевой задачи весьма эффективной является про- грамма FEMM [7], которая обеспечивает численные расчеты на основе метода конечных элементов. При его использовании геометрических искажений облас- ти расчета и входящих в нее элементов можно не до- пускать, а еще учитываются задаваемые кривые на- магничивания ферромагнитных сердечников и их шихтовка (в любой координатной плоскости). а б Рис. 2. Симметричные половины сечения магнитной системы ЛИЭД с вариантами расположения реактора: а – исходное положение; б – конечное положение Как известно [8], полученное решение в виде распределения ВМП позволяет перейти к целому ряду электромагнитных параметров электрических машин. В данном случае для анализа силовых взаимо- действия в ЛИЭД будем использовать следующие виды сил. Через тензор напряжения Максвелла определяет- ся результирующая электромагнитная сила, взаимо- действия реактора и якоря: ∫ δ μ π= l zrem dlBBrF 0 2 . (3) Здесь rB и zB – радиальная и аксиальная со- ставляющие магнитной индукции, а интегрирование проводится по контуру δl в плоскости zr, , одна из сторон которого обязательно проходит по зазору по координате z , а остальная часть охватывает полно- стью сердечник с обмоткой. Это может быть реактор или якорь – результат должен быть одинаковым. Кон- тур полностью проходит по неферромагнитному про- странству, поэтому в формуле фигурирует магнитная постоянная 7 0 104 −⋅π⋅=μ Гн/м. Результирующая сила в осесимметричной систе- 38 Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 ме имеет только аксиальную составляющую, т.е. силы emF действуют на якорь и реактор встречно, как по- казано на рис.1 и рис.2. Электродинамические усилия действуют непо- средственно на токонесущие элементы – обмотки с током, и определяются базовой формулой на основе закона Ампера: ∫ ϕπ= JS red dzdrBJrF 2 , (4) где JS – площадь интегрирования по сечению обмотки в одном пазу или во всех пазах – в зависимости от того, какая сила определяется. Сила edF , как и emF , приходится на весь кон- кретный кольцевой элемент и поэтому направлена по аксиальной оси ЛИЭД. Если использовать силу edF , действующую на всю обмотку якоря или реактора, то можно получить магнитную силу, приложенную непосредственно к конкретному сердечнику: edemm FFF −= . (5) АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА СИЛОВЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ Перед тем, как представлять и анализировать силовые взаимодействия, приведем основные исход- ные параметры исследуемого ЛИЭД: внутренний диаметр сердечника реактора – 288 мм; наружный диаметр сердечника якоря -512 мм; зазор – 2 мм; ак- сиальная длина сердечников – 533 мм; размеры пазов - 55×23 мм2; ширина зубцов – 29 мм. Данный ЛИЭД рассчитан на импульс силы с максимумом, достигающим около 100 тонн. Соответ- ственно было выявлено, что для этого необходим ток в обмотках, при котором МДС EnF , приходящаяся на паз, должна достигать порядка 100 кА. Поэтому при расчетах эта МДС варьировалась от 20 до 100 кА с шагом 20 кА. Варьировалось также взаимное положение якоря и реактора. Крайние положения представлены на рис. 2: а – исходное положение (зубец против паза), обеспечивающее наибольшую силу; б – конечное по- ложение (зубец против зубца), при котором тяговая сила отсутствует. В этих пределах реактор делает ра- бочий ход на 42 мм, а расчеты проводились для 8 по- ложений, отличающихся сдвигом на 6=Δz мм. При расчете магнитного поля программа FEMM сгенерировала конечно-элементную структуру, со- стоящую примерно из 24 тысяч узлов и 48 тысяч тре- угольников. Весьма малый фрагмент этой структуры в зоне зазора представлен на рис. 3. Рассчитываемые магнитные поля частично пред- ставлены их картинами на симметричных половинах сечений магнитной системы ЛИЭД на рис. 2. По сути это линии равного магнитного потока const=ϕrA , причем крайние значения в области расчета рис. 2,а при максимальной МДС EnF составляют -0,1528 и +0,1575 Вб. А магнитная индукция в этом варианте достигает в зубцах 2,85..2,97 Тл, в спинках сердечни- ков – 1,9..2,7 Тл, в зазоре – 3,5 Тл. В модели рис. 2,б при той же МДС крайние значения магнитного потока составляют -0,1671 и +0,1663 Вб. Магнитная индук- ция в зубцах и зазоре достигает порядка 4 Тл. Рис. 3. Фрагмент конечно-элементной структуры Более подробный анализ проведем, в соответст- вии с названной выше целью статьи, для различных сил, определенных формулами (3)-(5). На рис. 2,а для данного расчетного варианта при 100=EnF кА векторами в указанном масштабе пред- ставлена целая совокупность сил. Электродинамиче- ские силы nedF приходятся на часть обмотки, заклю- ченную в каждом конкретном пазу (силы показаны напротив конкретных пазов якоря и реактора, но для удобства изображения вынесены за пределы сердеч- ников). Обращает внимание то, что эти силы по пазам распределены неравномерно. Показаны также векторы результирующих сил emF , edF и mF по формулам (3)-(5), приходящиеся на реактор и индуктор (изображение с соответствую- щей стороны). Здесь очевидно, что в тяговую силу emF основной вклад дает именно электродинамиче- ская сила edF : отсюда и классификационный признак данного ЛИЭД - электродинамический. Сила mF хотя и меньше, но, тем не менее, также дает заметный вклад в тяговую силу, и пренебречь этим нельзя. Из- вестно, что в классических электрических машинах с менее насыщенными сердечниками (особенно – зуб- цами) все наоборот: подавляющее значение имеет сила типа mF , а сила типа edF - несущественна. Зависимости результирующих сил emF и edF от взаимного положения реактора и якоря в пределах крайних, представленных на рис.2, даны на рис.4, причем для пяти представленных ранее значений МДС EnF , приходящейся на один их паз. Заметим, что при меньших значениях EnF и, соответственно меньших насыщениях магнитопровода, относитель- ный вклад силы edF в тяговую силу emF оказывается не столь существенным, как при максимальной МДС, т.е. при очень сильном насыщении. Очевидно также, что при меньших насыщениях максимум силы emF достигается не в крайнем поло- жении индуктора, т.е. не при z=0. Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 39 Рис. 4. Изменение результирующих сил emF и edF при различных положениях реактора (z=0 – исходное по рис. 2,а; z=42 мм – конечное по рис. 2,б) и при разных значениях МДС EnF : 1 – 20 кА; 2 – 40 кА; 3 – 60 кА; 4 – 80 кА; 5 – 100 кА Для более очевидной зависимости силового взаимодействия реактора и индуктора от МДС EnF на рис.5 представлены графики тяговой силы emF в функции от этой МДС для указанных значений z. Эти зависимости приближаются к линейным, хотя при отсутствии быстро наступающего сильного насыще- ния и, тем более, при ненасыщенном магнитопроводе характер графиков напоминал бы параболу. Рис. 5. Изменение результирующей силы emF в зависимости от МДС EnF при различных положениях реактора ВЫВОДЫ 1. Основной особенностью рассмотренного ЛИЭД, предопределяющей распределение ролей сил разного происхождения и характер их зависимостей от взаимного расположения индуктора и реактора, а также от МДС обмоток, является очень сильное на- сыщение ферромагнитных сердечников. 2. При максимальном возбуждении и соответст- венно при сильном насыщении в итоговую тяговую силу ЛИЭД основной вклад дают электродинамиче- ские силы, действующие непосредственно на обмот- ки, что является основанием для классификационного признака данного ЛИЭД - электродинамический. 3. Несмотря на преобладающий характер элек- тродинамических сил, магнитная сила, действующая непосредственно на сердечники, также дает заметный вклад в тяговую силу, и пренебречь этим нельзя. Осо- бенно это касается работы при меньших насыщениях магнитопровода, когда магнитная сила становится преобладающей. 4. Электродинамические силы, действующие не- посредственно на проводники обмотки, по пазам вдоль длины ЛИЭД распределены неравномерно. 5. При сильном насыщении магнитопровода мак- симум силы развивается при сдвиге сердечников яко- ря и реактора на половину зубцового деления, а при меньших насыщениях этот максимум достигается после смещения реактора в сторону по ходу его дви- жения из этой позиции. 6. Зависимости силового взаимодействия реак- тора и индуктора от МДС обмоток приближаются к линейным, в отличие от известного факта параболи- ческой зависимости в обычных электромагнитных системах с относительно слабым насыщением. ЛИТЕРАТУРА [1] Невзрывные источники сейсмических колебаний. Спра- вочник. М., "Недра", 1992. [2] Шнеерсон М.Б., Майоров В.В. Наземная сейсморазвед- ка с невзрывными источниками колебаний. М., "Не- дра", 1980. [3] Ямпольский Ю.Г. Анализ основных типов силовых ли- нейных импульсных электрических двигателей // Элек- тротехника.-1992.-№8-9.- С. 4-11. [4] Бару Ю.А., Мельник А.К., Ткаченко В.П., Ткаченко С.В., Фатенко А.Ю., Осташевский Н.А. Линейные импульс- ные электродинамические двигатели для невзрывных источников сейсмических колебаний // Вестник НТУ "ХПИ". Сборник научных трудов. Тематический вы- пуск. Электроэнергетика и преобразовательная техни- ка.- Харьков: НТУ "ХПИ". - 2006. - №38.- С. 83-92. [5] Бару Ю.А., Мельник А.К., Ткаченко В.П., Ткаченко С.В., Фатенко А.Ю., Осташевский Н.А. "Машинная постоян- ная" линейного импульсного электродинамического двигателя для невзрывного источника сейсмических ко- лебаний. // Вестник НТУ "ХПИ". Сборник научных тру- дов. Тематический выпуск. Проблемы совершенствова- ния электрических машин и аппаратов. - Харьков: НТУ "ХПИ".- 2007.- №24.- С. 5-10. [6] Бару Ю.А., Мельник А.К., Ткаченко С.В., Милых В.И. Выбор типа и основных параметров линейного им- пульсного электродвигателя для невзрывных сейсмои- сточников. // Електротехніка і електромеханіка.-2008.-№3.- С. 41-44. [7] Meeker D. Finite Element Method Magnetics. Version 4.0. User’s Manual, January 26, 2004 // http://femm.berlios.de, 2003. [8] Милых В.И., Полякова Н.В. Определение электромаг- нитных параметров электрических машин на основе численных расчетов магнитных полей // Електротехніка і електромеханіка.-2006.-№2.- С. 40-46. Поступила 29.08.2008

Силовые взаимодействия в линейном электродвигателе для источников сейсмических колебаний

Institution

Ähnliche Einträge