Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой
В статье рассматривается вопрос расчета динамических характеристик двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой. Рассчитано время срабатывания механизма в зависимости от источника питания (постоянное напряжение, ёмкостной накопитель) и схемы подключения катушки отключения (з...
Saved in:
| Published in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143349 |
| 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: | Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой / Е.И. Байда // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 4. — С. 10-12. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860105349371002880 |
|---|---|
| author | Байда, Е.И. |
| author_facet | Байда, Е.И. |
| citation_txt | Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой / Е.И. Байда // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 4. — С. 10-12. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | В статье рассматривается вопрос расчета динамических характеристик двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой. Рассчитано время срабатывания механизма в зависимости от источника питания (постоянное напряжение, ёмкостной накопитель) и схемы подключения катушки отключения (закорочена или разомкнута).
У статі розглянуто питання розрахунку динамічних характеристик двохпозіційного електромагніту постійного струму з магнітною защіпкою. Розраховано час спрацьовування механізму в залежності від джерела струму (постійна напруга, ємнісний накопичувач) та схеми підключення котушки відключення (замкнута або розімкнена).
In the article the question of calculation dynamic descriptions twoposition electromagnet of direct-current is examined with a magnetic catch. Time of wearing-out of mechanism is expected depending on the source of feed (permanent tension, by a capacity store) and chart of connecting of spool of disconnecting (short-out or broken a secret).
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:31:39Z |
| format | Article |
| fulltext |
Електричні машини та апарати
10 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №4
УДК 621.318
Е.И. Байда
РАСЧЕТ ДИНАМИКИ ДВУХПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТА
ПОСТОЯННОГО ТОКА С МАГНИТНОЙ ЗАЩЕЛКОЙ
У статі розглянуто питання розрахунку динамічних характеристик двохпозіційного електромагніту постійного
струму з магнітною защіпкою. Розраховано час спрацьовування механізму в залежності від джерела струму (постійна
напруга, ємнісний накопичувач) та схеми підключення котушки відключення (замкнута або розімкнена).
В статье рассматривается вопрос расчета динамических характеристик двухпозиционного электромагнита посто-
янного тока с магнитной защёлкой. Рассчитано время срабатывания механизма в зависимости от источника пита-
ния (постоянное напряжение, ёмкостной накопитель) и схемы подключения катушки отключения (закорочена или
разомкнута).
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая статья является результатом работы
по проектированию приводного механизма переклю-
чения потока жидкости. Требования, предъявляемые к
такому приводу, были следующие: одинаковое время
переключения, как в прямом, так и в обратном на-
правлении; малое энергопотребление; постоянное
значение противодействующей силы.
Анализ литературы и конструкций приводных
электромагнитов позволил заключить, что наиболее
подходящей конструкцией является двухпозицион-
ный электромагнит постоянного тока с постоянными
магнитами (магнитная защёлка). Такие электромагни-
ты на базе постоянных магнитов из редкоземельных
металлов широко используются как зарубежными, так
и отечественными производителями [1, 2]. Эти элек-
тромагниты характеризуются достаточно высоким
быстродействием (за счет перераспределения потока
постоянного магнита и предварительно подмагничен-
ного магнитопровода); отсутствием потребления элек-
троэнергии в стационарном режиме работы; доста-
точно высокой надежностью.
К недостаткам данного магната можно отнести
наличие двух катушек, одна из которых является (ус-
ловно) включающей, а другая (так же условно) отклю-
чающей. Как правило, питание катушки отключается
по достижении якорем электромагнита некоторого ко-
нечного значения рабочего воздушного зазора. Для
облегчения процесса коммутации и защиты изоляции
катушек параллельно им включается диод. Но при этом
в отключающей катушке будут индуктироваться токи,
замыкающиеся через диод. В этом случае необходимо
определить их влияние на процесс срабатывания элек-
тромагнита в каждом конкретном случае. Кроме того,
питание катушек может осуществляться как от источ-
ника постоянного напряжения, так и емкостного нако-
пителя и выбор того или иного источника питания, как
оптимального, так же остается под вопросом. Описан-
ные задачи достаточно сложны но, в конечном счете,
определяют работу приводного электромагнита. Реше-
ние такой задачи актуально, так как позволяет опреде-
лить динамические параметры системы.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Провести расчет динамики двухпозиционного
электромагнита постоянного тока с магнитной защел-
кой при питании катушки от источника постоянного
напряжения и ёмкостного накопителя, оценив при
этом влияние короткозамкнутой отключающей ка-
тушки на время срабатывания.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ
Вид электромагнита в осесимметричной системе
показан на рис. 1.
Катунка
включения
Постоянный
магнит
Катунка
отключения
Магнитопровод Якорь
58.0000
29.0000
11
.0
00
0
16
8.
00
00
59
.0
00
0
Рис. 1. Расчетная модель двухпозиционного электромагнита
с магнитной защёлкой
Уравнение для векторного магнитного потен-
циала в нестационарной постановке для осесиммет-
ричной задачи без учета токов смещения в общем
виде запишется:
)())((
)( 1 tJtA
t
tA
ϕϕ
−ϕ =×∇⋅μ×∇+
∂
∂
⋅σ . (1)
В (1) предполагается, что вид уравнения изменя-
ется в зависимости от расчетной области.
Плотность тока катушки определяется на осно-
вании уравнения для электрической цепи. Пренебре-
гая неравномерностью тока в отдельном проводящем
витке для катушки включения можно записать:
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №4 11
)()( tUdV
t
A
S
wtiR
V
=⋅
∂
∂
⋅+⋅ ∫∫∫ ϕ , (2)
где i(t) – ток катушки; R – активное сопротивление
катушки; w – число витков катушки; S – площадь по-
перечного сечения катушки; V – объем катушки; U(t)
– приложенное напряжение, вид которого зависит от
источника питания.
Аналогичным будет и уравнение для катушки
отключения, замкнутой через диод:
0)( =⋅
∂
∂
⋅+⋅ ∫∫∫ ϕ dV
t
A
S
wtiR
V
. (3)
Уравнения движения якоря известны и были под-
робно рассмотрены в предыдущих статьях, например
[3]. Для однозначности решения задача должна быть
дополнена начальными условиями, которые для урав-
нений поля запишутся в виде:
),(),,0( zrfzrA =ϕ , (4)
где f(r, z) – распределение магнитного потенциала в
расчетных областях при обесточенной катушке в ниж-
нем (см. рис. 1) положении якоре, полученное на ос-
новании решения стационарной задачи для магнитно-
го потенциала при наличии в системе постоянного
магнита.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
В качестве основных исходных данных были за-
даны: приведенная масса якоря – 2,5 кг; активное со-
противление катушки – 46 Ом; число витков – 3200;
напряжение – 200 В; емкость – 200⋅10-6 Ф; противо-
действующая сила – 150 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 2 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). Ход якоря – 10 мм. Расчеты проводились
для следующих вариантов:
1. Постоянное напряжение, катушка отключения
а) разомкнута; б) замкнута накоротко.
2. Источник энергии – накопительная ёмкость,
катушка отключения а) разомкнута; б) замкнута нако-
ротко.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
На первом этапе проводился расчет динамики
электромагнита с разомкнутой катушкой отключения.
На рис.2 показана зависимость пути от времени.
Как следует из графика (рис. 2) время срабаты-
вания электромагнита составляет величину равную
0,044 с. Однако, расчеты показывают, что пиковое
значение ЭДС в катушке отключения составляет ве-
личину порядка 120 В, что составляет 60 % от напря-
жения, приложенного к катушке включения. В этой
связи, на следующем этапе был проведен расчет ди-
намики электромагнита при замкнутой накоротко ка-
тушке отключения. Зависимость пути якоря от време-
ни для этого случая показана на рис. 3.
Рис. 2. Зависимость пути якоря от времени при разомкнутой
катушке отключения
Рис. 3. Зависимость пути якоря от времени при замкнутой
катушке отключения
Как следует из рис. 2, время срабатывания уве-
личилось до 0,057 с, т.е. практически на треть.
На втором этапе, исследовалось влияние катуш-
ки отключения на динамику электромагнита в случае
питания катушки включения от ёмкостного накопите-
ля. На рис. 4 показан график зависимости пути от вре-
мени при разомкнутой катушке отключения.
Рис. 4. Зависимость пути якоря от времени при разомкнутой
катушке отключения
Время включения составляет величину 0,045 с.
На рис. 5 показано изменение напряжения на емкости.
Остаточное напряжение на ёмкости равно 157 В,
или 78,5 % от начального. Аналогичные графики бы-
ли построены при замкнутой катушке отключения.
На рис. 6 показано значение хода в зависимости
от времени, а на рис. 7 – напряжение на ёмкости.
12 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №4
Рис. 5. Напряжение на ёмкости при разомкнутой катушке
отключения
Рис. 6. Зависимость пути якоря от времени при замкнутой
катушке отключения
Время включения составляет величину порядка
0,066 с, что на 46 % больше аналогичного значения
при разомкнутой катушке.
Рис. 7. Напряжение на ёмкости при замкнутой катушке от-
ключения
Остаточное напряжение на ёмкости равно 132 В,
что составляет величину 66 % от начального напря-
жения.
На рис. 8 показано распределение z составляю-
щей магнитной индукции, которое свидетельствует о
сложности процессов, протекающих в магнитах тако-
го вида.
ВЫВОДЫ
На базе разработанной математической модели
динамики двухпозиционного электромагнита посто-
янного тока с магнитной защелкой были проведены
расчеты по определению влияния катушки отключе-
ния на время срабатывания. В расчетах показано, что
в случае подключения катушки включения на посто-
янное напряжение, замыкание катушки отключения
приводит к увеличению времени срабатывания элек-
тромагнита на 30 %. В случае подключения катушки
включения к ёмкостному накопителю, время включе-
ния увеличивается на 46 %, а остаточное напряжение
уменьшается на 16 % по сравнению вариантом ра-
зомкнутой катушки отключения.
На основании расчетов можно заключить: быст-
родействия и увеличения остаточного напряжения на
конденсаторе можно добиться усложнением схемы
управления, подключая шунтирующий диод только на
время работы катушки.
Рис. 8. Распределение z составляющей магнитной индукции
в магнитопроводе
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Б.В. Клименко, В.М. Бугайчук, А.М. Гречко. Опытный
образец двухпозиционного привода вакуумного выключа-
теля среднего напряжения // Електротехніка і електромеха-
ніка. – 2005. – № 2. – С. 23-27.
2. Б.В. Клименко, В.М. Бугайчук, А.М. Гречко, С.В. Выро-
вец. Быстродействующий электромагнитный привод с вы-
теснением магнитного поля для вакуумного выключателя
среднего напряжения // Електротехніка і електромеханіка. –
2006. – № 4. – С. 22-26.
3. Е.И. Байда. Моделирование динамических характеристик
электромагнитных механизмов постоянного тока с магнит-
ной защёлкой // Електротехніка і електромеханіка. – 2010. –
№ 2. – С. 3-5.
Поступила 18.06.2010
Байда Евгений Иванович, к.т.н., доц.
Национальный технический университет
"Харьковский политехнический институт"
кафедра "Электрические аппараты"
Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе 21
тел. (057) 707-69-76, e-mail: baida@kpi.kharkov.ua
E.I. Bayda
Calculation of dynamics twoposition electromagnet
of direct-current with magnetic catch.
In the article the question of calculation dynamic descriptions
twoposition electromagnet of direct-current is examined with a
magnetic catch. Time of wearing-out of mechanism is expected
depending on the source of feed (permanent tension, by a capac-
ity store) and chart of connecting of spool of disconnecting
(short-out or broken a secret).
Key words – electromagnet, magnetic catch, mechanism,
direct-current.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143349 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:31:39Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Байда, Е.И. 2018-10-30T20:10:57Z 2018-10-30T20:10:57Z 2010 Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой / Е.И. Байда // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 4. — С. 10-12. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143349 621.318 В статье рассматривается вопрос расчета динамических характеристик двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защёлкой. Рассчитано время срабатывания механизма в зависимости от источника питания (постоянное напряжение, ёмкостной накопитель) и схемы подключения катушки отключения (закорочена или разомкнута). У статі розглянуто питання розрахунку динамічних характеристик двохпозіційного електромагніту постійного струму з магнітною защіпкою. Розраховано час спрацьовування механізму в залежності від джерела струму (постійна напруга, ємнісний накопичувач) та схеми підключення котушки відключення (замкнута або розімкнена). In the article the question of calculation dynamic descriptions twoposition electromagnet of direct-current is examined with a magnetic catch. Time of wearing-out of mechanism is expected depending on the source of feed (permanent tension, by a capacity store) and chart of connecting of spool of disconnecting (short-out or broken a secret). ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричні машини та апарати Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой Calculation of dynamics twoposition electromagnet of direct-current with magnetic catch Article published earlier |
| spellingShingle | Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой Байда, Е.И. Електричні машини та апарати |
| title | Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой |
| title_alt | Calculation of dynamics twoposition electromagnet of direct-current with magnetic catch |
| title_full | Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой |
| title_fullStr | Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой |
| title_full_unstemmed | Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой |
| title_short | Расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой |
| title_sort | расчет динамики двухпозиционного электромагнита постоянного тока с магнитной защелкой |
| topic | Електричні машини та апарати |
| topic_facet | Електричні машини та апарати |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143349 |
| work_keys_str_mv | AT baidaei rasčetdinamikidvuhpozicionnogoélektromagnitapostoânnogotokasmagnitnoizaŝelkoi AT baidaei calculationofdynamicstwopositionelectromagnetofdirectcurrentwithmagneticcatch |