Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації
Досліджено вплив тонкостінного електромагнітного екрана на робочі характеристики ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації. Запропоновані критерії оцінки ефективності електромагнітного екрана, що враховують магнітне поле, що розсіюється у зовнішній простір, коефіцієнту корисної...
Saved in:
| Published in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143200 |
| 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: | Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації / В.Ф. Болюх, М.О. Рассоха // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 3. — С. 11-16. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860047732619608064 |
|---|---|
| author | Болюх, В.Ф. Рассоха, М.О. |
| author_facet | Болюх, В.Ф. Рассоха, М.О. |
| citation_txt | Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації / В.Ф. Болюх, М.О. Рассоха // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 3. — С. 11-16. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | Досліджено вплив тонкостінного електромагнітного екрана на робочі характеристики ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації. Запропоновані критерії оцінки ефективності електромагнітного екрана, що враховують магнітне поле, що розсіюється у зовнішній простір, коефіцієнту корисної дії електромеханічного перетворювача та збільшення габаритних розмірів. На базі запропонованих безрозмірних геометричних параметрів визначені основні закономірності впливу геометрії дискового та коаксіального екрану на ефективність роботи перетворювача.
Исследовано влияние тонкостенного электромагнитного экрана на рабочие характеристики ударного электромеханического преобразователя дисковой конфигурации. Предложены критерии оценки эффективности электромагнитного экрана, которые учитывают рассеиваемое во внешнее пространство магнитное поле, коэффициент полезного действия преобразователя и увеличение габаритных размеров. На основе предложенных безразмерных геометрических параметров установлены основные закономерности влияния геометрии дискового и коаксиального экрана на эффективность работы преобразователя.
Research into a thin electromagnetic screen’s influence on operational characteristics of a diskshaped electromechanical impact converter is presented. Criteria of the electromagnetic screen efficiency estimation are proposed. They allow for external magnetic field, electrical-to-kinetic conversion efficiency, and increase in the converter dimensions. The main regularities of the electromagnetic screen’s influence on the operating efficiency of the converter are determined.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:59:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3. 11
УДК 621.313:536.2.24:539.2
В.Ф. Болюх, М.О. Рассоха
ВПЛИВ ГЕОМЕТРІЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ЕКРАНА НА
РОБОТУ УДАРНОГО ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА
ДИСКОВОЇ КОНФІГУРАЦІЇ
Досліджено вплив тонкостінного електромагнітного екрана на робочі характеристики ударного електромеханічно-
го перетворювача дискової конфігурації. Запропоновані критерії оцінки ефективності електромагнітного екрана, що
враховують магнітне поле, що розсіюється у зовнішній простір, коефіцієнту корисної дії електромеханічного пере-
творювача та збільшення габаритних розмірів. На базі запропонованих безрозмірних геометричних параметрів ви-
значені основні закономірності впливу геометрії дискового та коаксіального екрану на ефективність роботи пере-
творювача.
Исследовано влияние тонкостенного электромагнитного экрана на рабочие характеристики ударного электромеха-
нического преобразователя дисковой конфигурации. Предложены критерии оценки эффективности электромагнит-
ного экрана, которые учитывают рассеиваемое во внешнее пространство магнитное поле, коэффициент полезного
действия преобразователя и увеличение габаритных размеров. На основе предложенных безразмерных геометриче-
ских параметров установлены основные закономерности влияния геометрии дискового и коаксиального экрана на
эффективность работы преобразователя.
ВСТУП
При роботі ударних електромеханічних імпульс-
них перетворювачів (УЕІП) виникає проблема елект-
ромагнітної сумісності з іншою апаратурою [1, 2].
Генеруючи досить потужні імпульсні електромагнітні
поля, що розсіюються у зовнішній простір, УЕІП мо-
же негативно впливати на роботу чутливих і близько
розташованих до них приладів. Та й перебування лю-
дини в зоні дії сильних електромагнітних полів не
бажано [3]. Таким чином виникає задача зменшення
магнітних полів у прилеглому до імпульсного елект-
ромеханічного перетворювача зовнішньому просторі.
Знизити зовнішнє магнітне поле можна за рахунок
застосування пасивних феромагнітних, електромагніт-
них та надпровідних екранів, або активних компенса-
ційних обмоток. Найбільш простим за конструктивни-
ми, ваговими та функціональними показниками є елек-
тромагнітний екран, що може бути виконаний з тонко-
листового електропровідного матеріалу. Але такий бли-
зько розташований екран, що охоплює активну зону,
може впливати і на роботу самого перетворювача, змі-
нюючи його робочі показники. Крім того, екран, що
зменшує зовнішні магнітні поля, призводить до збіль-
шення габаритів самого перетворювача, що також мо-
жна віднести до негативних наслідків його застосуван-
ня. До останнього часу такі дослідження по застосуван-
ню електромагнітного екрану були виконані тільки для
УЕІП, який має коаксіально-циліндричну конфігурацію
[4]. Але на практиці широко використовуються УЕІП
дискової конфігурації, в яких зовнішній електромагніт-
ний екран не застосовувався [5].
Метою дослідження є вивчення впливу геометрії
електромагнітного екрана, виконаного з тонколисто-
вого електропровідного матеріалу, що повинен в мак-
симальній мірі зменшити зовнішнє магнітне поле при
мінімальному негативному впливу на робочі показни-
ки та габарити УЕІП дискової конфігурації.
КОНСТРУКТИВНА СХЕМА УЕІП БЕЗ ЕКРАНУ
Базовим варіантом є УЕІП дискової конфігурації
без екрану (рис.1).
Він містить нерухомий багатовитковий дисковий
індуктор 1, який прикріплений до панелі 4 і збуджу-
ється аперіодичним імпульсом при підключенні до
ємнісного накопичувача, та масивний дисковий якір 2,
до якого приєднаний ударний елемент 3. Пружина 5
забезпечує повернення якоря 2 у вихідне положення
до тісного контакту з індуктором 1 до і після робочого
циклу. Усі активні елементи електромеханічного пе-
ретворювача – індуктор, якір і екран, виконані з тех-
нічної міді. Основні розміри та параметри базового
варіанту УЕІП наведені в табл. 1.
Рис. 1
Таблиця 1
Показник Позна-
чення
Величина
Зовнішній діаметр індуктора Dex1 100,0 мм
Внутрішній діаметр індуктора Din1 10,0 мм
Висота індуктора H1 10,0 мм
Зовнішній діаметр якоря Dex2 100,0 мм
Внутрішній діаметр якоря Din2 2,0 мм
Висота якоря H2 2,0 мм
Початкова відстань між індуктором та
якорем
ΔZ0 1,0 мм
Кількість витків індуктора N1 46 шт
Розмір перерізу одного витка індуктора a×b 1,8×4,8 мм2
Коефіцієнт пружності пружини Kp 75,0 кН/м
Маса ударного елемента, приєднана до
якоря
m2 0,25 кг
Ємність накопичувача C 3,0 мФ
Зарядна напруга накопичувача U0 0,5 кВ
МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ УЕІП З ЕКРАНОМ
При створенні математичної моделі УЕІП для
врахування нерівномірності розподілу індукованого
струму доцільно рухомий якір та нерухомий екран
уявити сукупністю упорядковано розташованих еле-
ментарних короткозамкнених контурів малого попе-
речного перетину. В такому випадку електричні про-
12 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3.
цеси в УЕІП можна описати системою рівнянь [6]:
...)()(
1
)()( 2
12
0
1
1
1111 ++++ ∫ dt
di
zMdtti
Cdt
di
LtiTR
pt
...)()(...)(... 12
211 +++++
dz
dM
tVti
dt
di
M
dt
di
zM k
k
n
n
0
1)()(... U
dz
dM
tVti n
n =+ ;
.....................................................................................
×++++ − nnn
n
nnnn M
dt
di
zM
dt
di
LtiTR ,1
1
1 ...)()()(
×++++× +
+
− )()(...)( 1
1
,1
1 ti
dt
di
zM
dt
di
zM
dt
di k
kn
n
nn
n
×+++× +
+ )()(...)()()( ,1
1
1 tVti
dz
dM
tVti
dz
dM
tV k
nn
n
n
0=×
dz
dMkn ;
.....................................................................................
×++++ )(...)()( 1
1 zM
dt
di
M
dt
di
LtiTR nkk
k
kkkk
×+++++× −
− )(...)()(... 2
2
1
,1 ti
dt
dM
tVti
dt
di
M
dt
di
nk
k
k
k
kk
n
0)( =×
dt
dM
tV nk ,
де 1 – індекс індуктора; 2 ,..., n – індекси елементар-
них контурів якоря, що рухається вздовж осі z зі шви-
дкістю V; n+1 ,..., k – індекси елементарних контурів
нерухомого екрана; Rp(Tp), Lp, ip, Tp – відповідно, опір,
індуктивність, струм та температура p-го елементар-
ного контуру; Mnk – взаємоіндуктивність між n-им и k-
им контурами; C, U0, tp – відповідно, ємність, зарядна
напруга та тривалість розрядного імпульсу.
На якір зі сторони індуктора і екрана діє елект-
родинамічна сила
+⋅= ∑
=
)()()(),(
2
1
1 z
dz
dM
titiztf
n
p
p
pz
∑ ∑
+= =
⋅+
k
ns
sp
p
n
p
s z
dz
dM
titi
1 2
)()()( ,
що призводить до його переміщення вздовж осі z зі
швидкістю V(t):
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
+⋅
+
−+= ∑
=
+
+
n
p
p
npn
nn
nn dz
dM
titi
mm
tt
tVtV
2
1
1
21
1
1 )()()()(
−Δ−
⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⋅+ ∑ ∑
+= =
)()()()(
1 2
nP
k
ns
sp
np
n
p
ns tZKz
dz
dM
titi
)(125,0 22
2 nexaa tVDβγ⋅π⋅− ,
де m1, m2 – маса якорю та ударного елемента відпові-
дно; Кр– коефіцієнт пружності пружини; ΔZ(t) – вели-
чина переміщення якорю; γa – густина повітря; βa –
коефіцієнт аеродинамічного опору.
Допускаючи рівномірність розподілу, температу-
ри в активних елементах УЕІП опишемо за допомо-
гою рекурентних співвідношень [7]:
( ) ×
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−⋅γ⋅π
Δ⋅α
−+
α
⋅
= α
α
+
)(
)(4
exp
)(
)()(
)(
22
2
1
qqinqexqq
qTq
qTqq
kqqq
kq
TcDDH
tFT
TF
tiTR
tT
0
2
0 )(
)()(
)( T
TF
tiTR
TtT
qTqq
kqqq
kq +
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
α
⋅
−−×
α
,
де q=1, 2, 3 – індекси відповідних величин для індук-
тора, якоря та екрану; iq – струм; Rq - опір; Fαq – пове-
рхня тепловіддачі; αTq – коефіцієнт тепловіддачі; γ –
питома густина матеріалу q-го елементу; cq – питома
теплоємність; T0 – температура навколишнього сере-
довища.
Для визначення впливу УЕІП на прилеглий прос-
тір введемо ближню і дальню зону спостереження.
Значення модулю індукції магнітного поля в момент,
коли на якір діє максимальна електродинамічна сила,
в зонах спостереження будуть порівнюватися для різ-
них конфігурацій електромагнітного екрану. Ближня
зона окреслена радіальною R1 та аксіальною Z1 лінія-
ми (рис. 1). Радіальна лінія R1 довжиною r1=70 мм
починається на осі і зсунута на 20 мм в аксіальному
напрямку відносно індуктора. Аксіальна лінія Z1 дов-
жиною z1=60 мм зсунута на 20 мм в радіальному на-
прямку відносно бокової поверхні індуктора. Вона
починається з крайньої точки лінії R1 (r = 70 мм). Да-
льня зона окреслена лініями R2 і Z2 (рис. 1), які відда-
лені на 20 мм відносно аналогічних ліній R1 і Z1, від-
повідно в аксіальному та радіальному напрямках.
Базовий варіант УЕІП дискової конфігурації без
екрану утворює магнітне поле, яке розсіюється у зов-
нішній простір на значну відстань (рис. 1). При вве-
денні тонкостінного дискового або циліндричного
електромагнітного екрану в магнітну систему УЕІП
відбувається суттєвий перерозподіл магнітного поля
(рис. 2, 3).
ПАРАМЕТРИ ЕКРАНА І КРИТЕРІЇ
ЕФЕКТИВНОСТІ УЕІП
Дисковий екран 6 (рис. 2) характеризується на-
ступними геометричними параметрами: Dex3, Din3 –
відповідно, зовнішній та внутрішній діаметри; H3 –
висота; Δz13 – відстань між індуктором та екраном в
аксіальному напрямку.
Дисковий екран будемо оцінювати безрозмірни-
ми параметрами:
1
3
ex
ex
ex D
D=ε ;
1
3
ex
in
in D
D=ε ;
1
33
ex
inex
r D
DD −=εΔ ;
1
33
2 ex
inex
D
DD
⋅
+=δ ;
1
13
H
z
z
Δ=λ ;
1
3
H
H
z =χ .
Циліндричний коаксіальний електромагнітний
екран 6 (рис. 3) характеризується наступними геомет-
ричними параметрами: Δr13 – відстань між індуктором
та екраном в радіальному напрямку; Δr3 – товщина
екрану в радіальному напрямку; Н3 – висота екрану; σ
– зміщення в аксіальному напрямку центру екрана
відносно центру індуктора (рис. 3,б). Циліндричний
екран будемо оцінювати безрозмірними параметрами:
1
13
ex
r D
rΔ=λ ;
1
3
ex
r D
rΔ=χ ;
1
13
H
HH −=γ ;
1H
σ=ς ;
)(sign ς⋅γ=ξ .
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3. 13
Рис. 2
Рис. 3
В якості коефіцієнту корисної дії УЕІП з екраном
застосуємо співвідношенням, що враховує кінетичну
енергію рухомих мас, потенційну енергію пружини та
початкову енергію ємнісного накопичувача
2
0
22
21 )()()(
)(
UC
tZKtVmm
t npn
n
⋅
Δ⋅+⋅+
=η .
В якості показників інтенсивності поля будемо
використовувати осереднене значення магнітного по-
ля на границях ближньої зони спостереження
∫ ∫ +++=
1 1
0 0
22
1
22
1
11
r z
zrzr dzBB
z
drBB
r
B .
Будемо оперуватимемо нормованими показника-
ми максимальної сили Fm
*, швидкості Vm
*, ККД η*,
середнього модулю індукції в ближній зоні B* та габа-
ритами активної частини УЕПІ G*. Нормовані зна-
чення характеризують екранований перетворювач
відносно базового УЕІП без екрану.
Для оцінки ефективності екрану застосуємо кри-
терії:
*
*
*
B
Ke
η= ;
**
*
*
GB
Kg
⋅
η= .
ДОСЛІДЖЕННЯ УЕІП З ДИСКОВИМ ЕКРАНОМ
Введення електромагнітного екрану в магнітну
систему призводить до зміни в характері робочих
процесів в УЕІП. На рис. 4 показані електричні (а) та
механічні (б) характеристики УЕІП з дисковим екра-
ном (εex = 1,2; εin = 0) і базового УЕІП. Величини, що
відносяться до базового УЕІП позначені жирною ліні-
єю, з екраном – тонкою. Щільність струму в екрані j3
позначена круговими маркерами.
Поява електромагнітного екрану призводить до
того, що:
• максимум щільності струму в індукторі j1 зростає і
зсувається в більш ранні періоди часу;
• максимум щільності струму в якорі j2 зменшується і
зсувається в більш ранні періоди часу;
• електродинамічна сила, переміщення та швидкість
якоря знижуються.
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 t, мс
j1
j2
j3
j, кА/мм2
а)
-5
0
5
10
15
20
25
0,5ΔZ, мм V, м/с
f, кН
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 t, мс
б)
Рис. 4
Для вибору відстані між екраном та індуктором
Δz13 та висоти екрану розглянемо залежності на рис. 5,
де показаний вплив геометричних параметрів λz та χz
дискового екрана на показники роботи УЕІП.
На рис. 5,а показані конфігурації УЕІП з екрана-
ми та створене ними магнітне поле. Товстими стріл-
ками зазначаються розраховані параметри при відпо-
відній величині геометричного параметру λz.
При збільшенні відстані між екраном та індукто-
ром зовнішнє поле майже не змінюється, а коефіцієнт
корисної дії η зростає (рис. 5,а).
Це обумовлює зростання критерію К
е
*. Але при
цьому зростають і габарити УЕІП, тому критерій Кg
*
має максимум при параметрі λz = 0,5; а при зростанні
геометричного параметру λz>0,5 критерій ефективнос-
ті Кg
* зменшується. Надалі будемо розглядати УЕІП з
незмінною відстанню між екраном та індуктором при
параметрі λz = 0,5.
Збільшення товщини дискового екрана зменшує
зовнішнє поле УЕІП. При цьому ККД η і геометричні
розміри майже не змінюються (рис. 5,б). А отже збі-
льшуються значення критеріїв ефективності К
е
* та Кg
*.
Враховуючи конструктивні і технологічні показники
виберемо екран з параметром χz = 0,1.
Розглянемо випадок, коли мінімальний діаметр
екрану дорівнює εin = 0, а максимальний збільшується
з εex = 0,4 до εex = 1,4 (рис. 6). Показники Fm
*
, Vm
* зме-
ншуються зі збільшенням екрану, оскільки частина
14 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3.
енергії, що раніше надходила до якоря перерозподіля-
ється на користь екрану. Найбільш сильна залежність
вищезгаданих показників від максимального діаметру
екрану характерна для проміжку параметрів εex =
0,6…1,0. Це природно, оскільки саме на цей проміжок
припадає найбільший коефіцієнт магнітного зв’язку, а
отже більша частина енергії магнітного поля екрану-
ється. ККД η зменшується повільніше, ніж індукція
магнітного поля, отже К
е
* зростає зі збільшенням роз-
міру екрану.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
k*, в.о.
Кe
*
η
*
Кg
*
B*
0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 λz , в.о.
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
а)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0,075 0,1 0,125 0,15 0,175 χz , в.о.
Кe
*
Кg
*
B*
η
*
k*, в.о.
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
б)
Рис. 5
Втім, при εex>1,0 екран виходить за межі індук-
тора, збільшуючи таким чином розмір УЕІП, тому при
подальшому зростанні екрану критерій ефективності
Кg
* знижується.
Розглянемо випадок, коли незмінною залишаєть-
ся радіальна товщина екрана D
еx3 – Din3 = 40 мм (εΔr =
0,4). Змінюється мінімальний діаметр екрана при від-
повідному збільшенню максимального. Конфігурація
такого дискового кільцевого екрану характеризується
геометричним параметром δ (рис. 7).
Найбільший вплив на УЕІП такий кільцевий ек-
ран має у випадку, коли геометричний параметр
δ = 0,8. В цьому випадку D
еx3=D
еx1. При подальшому
збільшені параметра δ екран виходить за межі індук-
тора, тому його здатність екранувати магнітне поле
зменшується, а ККД η УЕІП зростає.
При переході від δ = 0,8 до εΔr = 1,0 ККД η зрос-
тає швидше, ніж магнітне поле в ближній зоні спосте-
реження, що зумовлює максимум К
е
* при значенні
δ = 1,0.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Кe
*
.
Кg
*
η
*
B*
k*, в.о.
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 εex, в.о.
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
а)
0
0,25
0,5
0,75
1
Fm
*
Vm
*
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 εex, в.о.
k*, в.о.
б)
Рис. 6
Це пояснюється тим, що хоча при зсуві екрану за
межі індуктора його екрануюча спроможність в раді-
альній площині (на лінії R1) послаблюється, водночас
зростає його екрануючий вплив на аксіальну площину
(лінія Z1). Це сповільнює зростання сумарного моду-
лю індукції, і, таким чином, збільшує критерій К
е
*.
Втім, збільшення геометричних розмірів УЕІП при δ >
0,8 нівелює цей позитивний ефект, призводячи до
зменшення критерії ефективності Кg
*.
ДОСЛІДЖЕННЯ УЕІП З ЦИЛІНДРИЧНИМ
ЕКРАНОМ
Згідно з міркуваннями, аналогічними випадку
дискового екрана, приймемо геометричні параметри
циліндричного екрана λr = 0,01; χr = 0,01. Розглянемо
випадок, коли за початкове (нульове) положення
приймаємо циліндричний екран з параметрами H3=H1
(γ=0),σ =0 (ς=0) (див. рис. 3,а).
Простежимо залежність основних характеристик
екрану, збільшуючи його висоту або в напрямку осі z
(позитивному) або в протилежному напрямку (негати-
вному) (рис. 8).
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3. 15
0
0,25
0,5
0,75
1
Fm
* Vm
*
k*, в.о.
0,4 0,6 0,8 1,0 δ, в.о.
а)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Кe
*
Кg
* η
*
B*
k*, в.о.
0,4 0,6 0,8 1,0 δ, в.о.
б)
Рис. 7
При збільшенні висоти екрану показники Fm
*
,
Vm
* та η* не тільки не зменшуються, а навіть дещо
зростають. Причому, якщо при значенні параметру
ξ<0 це зростання незначне, то при значенні ξ>0 воно
набуває досить стрімкого характеру.
У випадку збільшення висоти циліндричного ек-
рану у від’ємному напрямку незначне зростання ви-
щезгаданих показників зумовлене стисканням лінії
індукції магнітного поля, найбільша кількість яких
проходить у зовнішній простір саме за індуктором. Це
призводить не тільки до зростання струму в індукторі,
але, починаючи з деякого значення параметра ξ, і в
якорі. Наслідком цього є збільшення максимальних
значень показників УЕІП. При цьому досягається зна-
чне зменшення зовнішнього магнітного поля, однак
зростають габарити УЕІП, а отже критерій Кg
* падає.
При збільшенні висоти циліндричного екрану в
позитивному напрямку (ξ>0) проявляється неоднозна-
чність впливу екрану на якір в залежності від їх взає-
много розташування та часових проміжків процесу.
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
-1,0 -0,5 0 0,5 1,0 ξ, в.о.
Fm
*
Vm
*
k*, в.о.
а)
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
Кe
* Кg
*
η
*
B*
k*, в.о.
-1,0 -0,5 0 0,5 1,0 ξ, в.о.
б)
Рис. 8
Так, на початку робочого етапу, при t < 1 мс
струми в якорі та екрані мають однакову полярність,
протилежну полярності струму індуктора (рис. 4,а).
Це означає, що в той час, як індуктор відштовхує якір
електродинамічною силою F12, екран навпаки, притя-
гує якір силою F23, тобто зменшує ефективність осно-
вної складової електродинамічної сили. Це відбува-
ється при умові, коли екран не виходить за межі якоря
в аксіальному напрямку. Таким чином, при збільшенні
висоти циліндричного екрану до межі якоря збільшу-
ється і протидія руху якорю вздовж осі z.
На рис. 9 показана умовна схема УЕІП з напрям-
ками струмів та електродинамічних сил, що діють на
якір: 1 – індуктор; 2 – якір; 3 - циліндричний екран з
параметрами ξ=0 (а) і ξ = 0,5 (б). При збільшені висо-
ти екрану з ξ=0 до ξ = 0,5 в геометрії системи відбу-
ваються зміни – деяка частина екрану виходить за
межі якоря (рис. 9,б). Маючи на початковому етапі
струм однакової полярності, частина циліндричного
екрану, що розташована в аксіальному напрямку ниж-
че якоря, утворює паразитну гальмівну силу на якір
'
23F , а частина циліндричного екрану, що розташова-
на вище якоря утворює позитивну прискорювальну
16 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3.
силу на якір ''
23F . При подальшому збільшенні висоти
екрану у напряму осі z, вплив прискорювальної елект-
родинамічної сили ''
23F зростає.
а) б)
Рис. 9
На рис. 10 показана схема УЕІП з напрямками
струмів та електродинамічних сил, що діють на якір: 1
– індуктор; 2 – якір; 3 - циліндричний екран з параме-
трами ξ = 1,5 (а) і ξ >>1,5 (б). При збільшенні часу
роботи УЕІП, тобто коли t > 1 мс, струм в екрані змі-
нює напрям і його полярність співпадає з полярністю
струму індуктора. Якщо якір за цей час встигає вийти
за межі циліндричного екрану в аксіальному напрям-
ку, то на нього зі сторони останнього починає діяти
позитивна прискорювальна електродинамічна сила F23
(рис. 10,а). Тобто циліндричний екран фактично надає
додаткове прискорення якорю на тій траєкторії, де
вплив безпосередньо індуктора на якір зменшується.
Крім того, якщо на початкових етапах роботи струм в
екрані менший за струм в індукторі і значно менший
за якірний струм; з часом, коли t >1 мс ці струми при-
ймають практично однакові величини. Отже вплив
зовнішнього екрану на якір на цьому етапі роботи стає
відчутним. У випадку ж, коли якір не встигає вийти за
межі циліндричного екрану, який має значну аксіаль-
ну висоту (ξ >>1,5), частина екрану, що знаходиться
попереду якоря вздовж осі z, гальмує якір електроди-
намічною силою ''
23F , частково компенсуючи приско-
рювальну електродинамічну силу '
23F частини екрану,
що знаходиться позаду якоря (рис.10,б).
а) б)
Рис. 10
Таким чином, якщо у циліндричного екрану гео-
метричний параметр ξ знаходиться в діапазоні
1,5…1,0, зростання ККД η відбувається менш інтен-
сивно, ніж в діапазоні ξ = 1,0…0,5. Але збільшення
висоти циліндричного екрану до параметра ξ >1,5
недоцільне як через збільшення габаритів УЕІП, так і
через підвищені витрати матеріалів.
ВИСНОВКИ
При наявності електромагнітного екрану, розта-
шованого поблизу активної зони, зменшується зовніш-
нє магнітне поле, але ефективність роботи УЕІП падає.
Найбільший вплив як на зовнішнє магнітне поле,
так і на робочі показники УЕІП виявляється при мак-
симальному діаметрі дискового екрана.
Найбільш повно магнітне поле УЕІП зменшуєть-
ся при збільшені висоти циліндричного екрану, який
охоплює індуктор, у напрямку, протилежному якорю.
Однак при цьому збільшуються габарити УЕІП.
При збільшенні висоти циліндричного екрану в
напрямку руху якоря магнітне поле в ближній зоні
зовнішнього простору зменшується не так суттєво.
Однак, завдяки взаємодії екрана та якоря зберігаються
робочі показники УЕІП.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. S. Barmada, "Field analysis in tubular coilguns by wavelet
transform" // IEEE Trans. Magnetics, vol. 39, № 1, pp. 120-124,
2003.
2. T.G.Engel, D.Surls, W.C.Nunnally, "Prediction and verifica-
tion of electromagnetic forces in helical coil launchers", IEEE
Trans. Magnetics, vol. 39, № 1, pp. 112-115, 2003.
3. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их примене-
ние / Под ред. Ф.Херлаха. - М.: Мир, 1988. - 456 с.
4. В.Ф.Болюх, Л.А.Любимова, Е.Г.Болюх, "Влияние кон-
фигурации электромагнитного экрана на работу криогенно-
го индукционно-динамического двигателя", Электротехни-
ка, № 3, С. 28-35, 2006.
5. В.А. Тютькин, "Магнитно-импульсный способ разрушения
сводов и очистки технологического оборудования от налипших
материалов", Электротехника, № 11, С. 24-28, 2002.
6. В.Ф.Болюх, А.М.Марков, В.Ф.Лучук, И.С.Щукин, "Теоре-
тические и экспериментальные исследования индукционно-
динамического двигателя, возбуждаемого от полярного емко-
стного накопителя", Техн. електродинаміка. Тем. випуск:
Проблеми сучасної електротехніки, Ч. 2, С. 65-70, 2006.
7. Болюх В.Ф., Данько В.Г. Лінійні електромеханічні пере-
творювачі імпульсної дії. – Харків: НТУ "ХПІ". – 2006. –
260 с.
Поступила 19.11.2008
Болюх Володимир Федорович, д.т.н., проф.,
Рассоха Максим Олексійович
Національний технічний університет
"Харківський політехнічний інститут"
Україна, 61002, Харків, вул. Фрунзе, 21, НТУ "ХПІ",
кафедра "Загальна електротехніка"
тел. (057) 70-76-427, e-mail: bolukh@kpi.kharkov.ua.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143200 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:59:11Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Болюх, В.Ф. Рассоха, М.О. 2018-10-26T17:37:02Z 2018-10-26T17:37:02Z 2009 Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації / В.Ф. Болюх, М.О. Рассоха // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 3. — С. 11-16. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143200 621.313:536.2.24:539.2 Досліджено вплив тонкостінного електромагнітного екрана на робочі характеристики ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації. Запропоновані критерії оцінки ефективності електромагнітного екрана, що враховують магнітне поле, що розсіюється у зовнішній простір, коефіцієнту корисної дії електромеханічного перетворювача та збільшення габаритних розмірів. На базі запропонованих безрозмірних геометричних параметрів визначені основні закономірності впливу геометрії дискового та коаксіального екрану на ефективність роботи перетворювача. Исследовано влияние тонкостенного электромагнитного экрана на рабочие характеристики ударного электромеханического преобразователя дисковой конфигурации. Предложены критерии оценки эффективности электромагнитного экрана, которые учитывают рассеиваемое во внешнее пространство магнитное поле, коэффициент полезного действия преобразователя и увеличение габаритных размеров. На основе предложенных безразмерных геометрических параметров установлены основные закономерности влияния геометрии дискового и коаксиального экрана на эффективность работы преобразователя. Research into a thin electromagnetic screen’s influence on operational characteristics of a diskshaped electromechanical impact converter is presented. Criteria of the electromagnetic screen efficiency estimation are proposed. They allow for external magnetic field, electrical-to-kinetic conversion efficiency, and increase in the converter dimensions. The main regularities of the electromagnetic screen’s influence on the operating efficiency of the converter are determined. uk Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричні машини та апарати Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації Influence of an electromagnetic screen geometry on disk-shaped electromechanical impact converter work Article published earlier |
| spellingShingle | Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації Болюх, В.Ф. Рассоха, М.О. Електричні машини та апарати |
| title | Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації |
| title_alt | Influence of an electromagnetic screen geometry on disk-shaped electromechanical impact converter work |
| title_full | Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації |
| title_fullStr | Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації |
| title_full_unstemmed | Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації |
| title_short | Вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації |
| title_sort | вплив геометрії електромагнітного екрана на роботу ударного електромеханічного перетворювача дискової конфігурації |
| topic | Електричні машини та апарати |
| topic_facet | Електричні машини та апарати |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143200 |
| work_keys_str_mv | AT bolûhvf vplivgeometrííelektromagnítnogoekrananarobotuudarnogoelektromehaníčnogoperetvorûvačadiskovoíkonfíguracíí AT rassohamo vplivgeometrííelektromagnítnogoekrananarobotuudarnogoelektromehaníčnogoperetvorûvačadiskovoíkonfíguracíí AT bolûhvf influenceofanelectromagneticscreengeometryondiskshapedelectromechanicalimpactconverterwork AT rassohamo influenceofanelectromagneticscreengeometryondiskshapedelectromechanicalimpactconverterwork |