Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой
В статье рассматривается вопрос математического моделирования процесса отключения электромагнитного механизма магнитной защелкой при помощи разряда на отключающую катушку ёмкостного накопителя энергии. Приведены динамические характеристики электромагнитного механизма. Даны количественные и качествен...
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2010
|
| Series: | Електротехніка і електромеханіка |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143331 |
| 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: | Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой / Е.И. Байда // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 3. — С. 8-11. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143331 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1433312025-02-23T17:15:58Z Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой Modeling of cutting of a DC electromagnet with a magnetic latch Байда, Е.И. Електричні машини та апарати В статье рассматривается вопрос математического моделирования процесса отключения электромагнитного механизма магнитной защелкой при помощи разряда на отключающую катушку ёмкостного накопителя энергии. Приведены динамические характеристики электромагнитного механизма. Даны количественные и качественные оценки полученных результатов. У статі розглянуто питання математичного моделювання відключення електромагнітного механізму з магнітною защіпкою за допомогою розряду на котушку відключення ємнісного накопичувача енергії. Наведено динамічні характеристики електромагнітного механізму. Дані якісні та кількісні оцінки отриманих результатів. The paper considers a problem of mathematical modeling of cutting of an electromagnetic mechanism with a magnetic latch with a discharge . Dynamic characteristics of the electromagnetic mechanism operation are presented. Quantitative and qualitative estimations of obtained results are given. 2010 Article Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой / Е.И. Байда // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 3. — С. 8-11. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143331 621.318 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 Байда, Е.И. Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой Електротехніка і електромеханіка |
| description |
В статье рассматривается вопрос математического моделирования процесса отключения электромагнитного механизма магнитной защелкой при помощи разряда на отключающую катушку ёмкостного накопителя энергии. Приведены динамические характеристики электромагнитного механизма. Даны количественные и качественные оценки полученных результатов. |
| format |
Article |
| author |
Байда, Е.И. |
| author_facet |
Байда, Е.И. |
| author_sort |
Байда, Е.И. |
| title |
Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой |
| title_short |
Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой |
| title_full |
Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой |
| title_fullStr |
Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой |
| title_full_unstemmed |
Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой |
| title_sort |
моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Електричні машини та апарати |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143331 |
| citation_txt |
Моделирование процесса отключения электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой / Е.И. Байда // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 3. — С. 8-11. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
| series |
Електротехніка і електромеханіка |
| work_keys_str_mv |
AT bajdaei modelirovanieprocessaotklûčeniâélektromagnitapostoânnogotokasmagnitnojzaŝëlkoj AT bajdaei modelingofcuttingofadcelectromagnetwithamagneticlatch |
| first_indexed |
2025-11-24T02:37:57Z |
| last_indexed |
2025-11-24T02:37:57Z |
| _version_ |
1849637604278927360 |
| fulltext |
8 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №3
УДК 621.318
Е.И. Байда
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА
ПОСТОЯННОГО ТОКА С МАГНИТНОЙ ЗАЩЁЛКОЙ
У статі розглянуто питання математичного моделювання відключення електромагнітного механізму з магнітною
защіпкою за допомогою розряду на котушку відключення ємнісного накопичувача енергії. Наведено динамічні характе-
ристики електромагнітного механізму. Дані якісні та кількісні оцінки отриманих результатів.
В статье рассматривается вопрос математического моделирования процесса отключения электромагнитного ме-
ханизма магнитной защелкой при помощи разряда на отключающую катушку ёмкостного накопителя энергии. При-
ведены динамические характеристики электромагнитного механизма. Даны количественные и качественные оценки
полученных результатов.
ВВЕДЕНИЕ
В ранее опубликованных статьях были рассмот-
рены вопросы математического моделирования дина-
мики срабатывания форсированного электромагнит-
ного механизма постоянного тока с магнитной защёл-
кой, в которых рассматривалась математическая мо-
дель системы и получены количественные характери-
стики. Следующим важным этапом изучения физиче-
ских процессов в таком электромагните является про-
цесс отключения. Ввиду того, что во включенном со-
стоянии катушка электромагнита обесточена, а удер-
жание якоря осуществляется за счет энергии постоян-
ного магнита, отключение таких систем осуществля-
ется, как правило, путем разряда на катушку ёмкост-
ного накопителя энергии соответствующей полярно-
сти. Для успешного отключения такого электромаг-
нита необходимо правильно выбрать ёмкость и на-
пряжение конденсатора с учетом электрических и
магнитных параметров катушки, а так же динамиче-
ских характеристик движущихся элементов. В про-
тивном случае, ампервитков отключения может быть
недостаточно для перераспределения магнитных по-
токов, либо за время разряда конденсатора якорь не
успеет отойти на расстояние, обеспечивающее его
дальнейшее движение. Получить ответы на все по-
ставленные вопросы можно только на основании со-
ответствующей математической модели представ-
ляющую собой мультифизическую задачу по расчету
магнитных, электрических и механических процессов,
происходящих в электромагните.
Основная сложность данной задачи заключается
в необходимости моделирования электромагнитного
поля в неоднородной и нелинейной среде.
Решение данной задачи актуально, так как по-
зволяет понять физику процессов, происходящих в
такой системе, а так же определить оптимальные па-
раметры системы.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Постановка задачи заключается в проведении
расчета динамики отключения электромагнитного
механизма с магнитной защёлкой, катушка которого
включается на ёмкостной накопитель с учетом прово-
димости и нелинейных свойств материала магнито-
провода. Цель данной работы – получить динамиче-
ские характеристики отключения спроектированного
электромагнита и определить параметры емкости,
обеспечивающие процесс отключения устройства.
В работе: проведен расчет электромагнитного
поля в нелинейной среде с учетом проводимости ма-
териала магнитопровода; проведен расчет движения
якоря с учетом изменяющегося электромагнитного
поля; проведен расчет электрической цепи с учетом
изменяющегося магнитного поля и движения якоря.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ
Вид электромагнита в осесимметричной системе
показан на рис. 1. Наличие воздушного шунта обу-
словлено встречными направлениями потоков посто-
янного магнита и катушки в режиме отключения и
гарантирует неразмагничивание постоянного магнита
в процессе отключения.
Рис. 1. Расчетная модель ИДМ
Уравнения векторного магнитного потенциала в
нестационарной постановке для задачи с осевой сим-
метрией без учета токов смещения известны.
Предполагается, что электрическая проводи-
мость σ постоянного магнита и окружающего про-
странства практически равны нулю. Ток катушки рас-
пределен равномерно по сечению. Свойства постоян-
ного магнита задаются остаточной индукцией Br и
относительной магнитной проницаемостью, опреде-
ляемой на основании Br и Hc. Плотность тока катуш-
ки определяется на основании уравнения для элек-
трической цепи. Так как катушка намотана равномер-
но распределенным по сечению проводом, то пренеб-
регая неравномерностью тока в отдельном проводя-
щем витке для электрической цепи можно записать
уравнение:
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №3 9
C
tqUdV
t
A
S
w
dt
tdqR c
V
)()(
0 −=⋅
∂
∂
⋅+⋅ ∫∫∫ ϕ , (1)
где q(t) – количество электричества; R – активное со-
противление катушки; w – число витков катушки; S –
площадь поперечного сечения катушки; V – объем
катушки; Uс0 – напряжение на емкости; С – емкость
конденсатора.
Уравнения движения якоря известны и были под-
робно рассмотрены в предыдущих статьях. Отличием
данной системы является лишь то, что в качестве дви-
жущих сил выступает сила пружины отключения.
Для однозначности решения задача должна быть
дополнена начальными условиями, которые для урав-
нений поля запишутся в виде:
),(),,0( zrfzrA =ϕ , (2)
где f(r, z) – распределение магнитного потенциала в
расчетных областях при обесточенной катушке и при-
тянутом якоре, полученное на основании решения
стационарной задачи для магнитного потенциала при
наличии в системе постоянного магнита.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
В качестве основных исходных данных были за-
даны: приведенная масса якоря – 0,3 кг; активное со-
противление катушки – 100 Ом; число витков – 3000;
напряжение на емкости – 90 В; емкость – 50⋅10-6 Ф;
противодействующая сила – 100 Н.
Для ферромагнитного сердечника и якоря зада-
валось значение относительной магнитной проницае-
мости в функции модуля магнитной индукции. Расче-
ты динамики проводились для электрической прово-
димости материала электромагнита равной 10 МS/m.
РЕШЕНИЕ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ
Решение задачи проводилось численными мето-
дами (метод конечных элементов) в нестационарном
режиме на деформируемой сетке решателем с автома-
тическим (в зависимости от получаемого результата)
выбором временного шага для временного интервала
(0-0,07 с). Расчеты проводились для хода якоря 5 мм и
10 мм.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
На рис. 2 показана картина начального распреде-
ления магнитного поля в электромагните, из которого
следует:
• магнитный поток равномерно распределен по
площади поперечного сечения магнитопровода;
• практически весь поток постоянного магнита
протекает через рабочие воздушные зазоры;
• магнитный поток, замыкающийся через шунт,
незначителен.
На рис. 3 показано распределение вертикальной
составляющей магнитной индукции в среднем сече-
нии электромагнита в начальный момент времени.
Данные рис. 3 подтверждают предположение о рав-
номерности распределения магнитного потока по се-
чению магнитопровода.
На последующих рисунках показаны результаты
расчета динамики отключения электромагнитного
механизма с магнитной защёлкой.
Рис. 2. Начальное распределение поля в электромагните
Рис. 3. Начальное распределение поля в электромагните
На рис. 4 показано изменение электромагнитной
силы, удерживающей якорь электромагнита, которая
изменяется от 220 Н до 5 Н. Так как начальная сила,
удерживающая якорь, равняется 220 Н (см. рис. 2), то
для отключения электромагнита необходимо иметь
определенное значение ёмкости, заряженной до опре-
деленного напряжения. Для данной конструкции
электромагнита были подобраны минимальное значе-
ние напряжения заряда ёмкости – 90 В и минимальное
значение ёмкости конденсатора – 50 мкФ. При
уменьшении указанных параметров срабатывание
электромагнита не наблюдается.
-250
-200
-150
-100
-50
0
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
t , c
Q ,H
Рис. 4. Значение электромагнитной силы в функции времени
10 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №3
На рис. 5 показано временное изменение тока ка-
тушки, а на рис. 6 – изменение напряжения на кон-
денсаторе.
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
t , c
I , A
Рис. 5. Временная зависимость тока катушки при ходе якоря
5 мм
-20
0
20
40
60
80
100
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
t , c
U c, B
Рис. 6. Зависимость напряжения на ёмкости от времени при
ходе якоря 10 мм
На рис. 7 показано значение хода от времени, а
на рис. 8 – значение противоЭДС катушки.
s , м
-0,001
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
t , c
Рис. 7. Ход якоря
-20
0
20
40
60
80
100
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
t , c
E , B
Рис. 8. ЭДС, наводимая в катушке
Анализ графиков показывает, что в конце хода
якоря противоЭДС движения уравновешивает напря-
жение на конденсаторе, а после остановки якоря не-
много его подзаряжает.
С точки зрения изучения физических процессов,
происходящих в ферромагнитном магнитопроводе
при встречном направлении магнитных потоков, соз-
даваемых постоянным магнитом и катушкой, интерес
представляет распределение осевой составляющей
магнитной индукции в различные моменты времени.
На рис. 9-13 показано распределение осевой со-
ставляющей магнитной индукции в среднем сечении
электромагнита в различные моменты времени от на-
чала процесса разряда конденсатора на катушку.
Рис. 9. Распределение магнитной индукции по сечению
через 5 мс после начала процесса
Рис. 10. Распределение магнитной индукции по сечению
через 10 мс после начала процесса
Рис. 11. Распределение магнитной индукции по сечению
через 20 мс после начала процесса
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №3 11
Рис. 12. Распределение магнитной индукции по сечению
через 50 мс после начала процесса
Рис. 13. Распределение магнитной индукции по сечению
через 70 мс после начала процесса
Такое распределение магнитной индукции обу-
словлено поверхностным электромагнитным эффек-
том. На рис. 14 показано распределение плотности
вихревых токов в том же сечении магнитопровода в
момент времени 70 мс после начала процесса.
Рис. 14. Распределение плотности вихревых токов по сече-
нию магнитопровода через 70 мс
В заключении, необходимо отметить, что увели-
чение хода якоря с 5 до 10 мм незначительно (на 2 мс)
увеличивает время отпускания электромагнита за счет
достаточно высокой скорости движения якоря. Более
существенно изменяется характер тока катушки, по-
казанный на рис. 15.
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
t c
Tok A
Рис. 15. Временная зависимость тока катушки при ходе
якоря 10 мм
Как следует из рис. 15, ток катушки электромаг-
нита меняет направление, в большей степени осуще-
ствляя процесс подзарядки ёмкости.
ВЫВОДЫ
На базе разработанной математической модели
динамики отключения электромагнита постоянного
тока с магнитной защелкой были проведены (и могут
проводится в дальнейшем, но с другими начальными
данными) расчеты по определению времени отпуска-
ния якоря, оптимизации значений ёмкости и напря-
жения её заряда. Построенная математическая модель
дает возможность более полно понять процессы, про-
исходящие в такого рода системах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. COMSOL multiphysics.
Поступила 20.01.2010
Байда Евгений Иванович, к.т.н., доц.
Национальный технический университет
"Харьковский политехнический институт"
Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе 21, НТУ "ХПИ"
кафедра "Электрические аппараты"
тел. (057) 707-69-76, e-mail: baida@kpi.kharkov.ua
Bayda E.I.
Modeling of cutting of a DC electromagnet
with a magnetic latch.
The paper considers a problem of mathematical modeling of
cutting of an electromagnetic mechanism with a magnetic latch
with a discharge . Dynamic characteristics of the electromag-
netic mechanism operation are presented. Quantitative and
qualitative estimations of obtained results are given.
Key words - DC electromagnetic mechanism. dynamic
characteristics, mathematical modeling.
|