Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей
Разработана методика экспериментальных исследований, которая состоит в одновременной регистрации электрических и механических силовых и скоростных параметров линейного импульсного электромеханического преобразователя. При работе преобразователя в качестве ударно-силового устройства силовые показател...
Saved in:
| Published in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Date: | 2017 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2017
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147553 |
| 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: | Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей / В.Ф. Болюх, А.И. Кочерга, С.В. Олексенко, И.С. Щукин // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 2. — С. 18-28. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147553 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Болюх, В.Ф. Кочерга, А.И. Олексенко, С.В. Щукин, И.С. 2019-02-15T09:30:22Z 2019-02-15T09:30:22Z 2017 Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей / В.Ф. Болюх, А.И. Кочерга, С.В. Олексенко, И.С. Щукин // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 2. — С. 18-28. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2017.2.03 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147553 621.313:536.2.24:539.2 Разработана методика экспериментальных исследований, которая состоит в одновременной регистрации электрических и механических силовых и скоростных параметров линейного импульсного электромеханического преобразователя. При работе преобразователя в качестве ударно-силового устройства силовые показатели регистрируются с использованием пьезодатчика, системы тензодатчиков, датчика пульсации давления и скоростной видеосъемки. При работе преобразователя в качестве электромеханического ускорителя скоростные показатели регистрируются с использованием резистивного датчика перемещений. Показано, что электромеханические процессы в преобразователе носят сложный пространственно-временной характер. Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно согласуются с расчетными показателями, полученными при помощи математической модели, которая описывает быстропротекающие электромагнитные, тепловые и механические процессы, возникающие при перемещении якоря относительно индуктора. Розроблено методику експериментальних досліджень, яка полягає у одночасному реєструванні електричних та механічних параметрів лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача. При роботі в якості ударно-силового пристрою силові показники реєструються з використанням пьєзодатчика, системи тензодатчиків, датчика пульсації тиску та швидкісної відео зйомки. При роботі перетворювача в якості електромеханічного прискорювача швидкісні показники реєструються з використанням резистивного датчика переміщень. Показано, що електромеханічні процеси в перетворювачі носять складний просторово-часовий характер. Результати експериментальних досліджень задовільно узгоджуються з розрахунковими показниками, які отримані за допомогою математичної моделі, що описує швидкоплинні електромагнітні, теплові та механічні процеси, що виникають при переміщення якоря відносно індуктора. Purpose. Development of a technique of experimental studies linear pulse electromechanical converters parameters, which are used as shock-power devices and electromechanical accelerators, and comparing the experimental results with the calculated indices obtained using the mathematical model. Methodology. Method of experimental investigations of linear electromechanical converter is that the electrical parameters are recorded simultaneously (inductor winding current) and mechanical parameters characterizing the power and speed indicators of the joke with actuator. Power indicators are primarily important for shockpower devices, and high velocity - for electromechanical accelerators. Power indices were investigated using piezoelectric sensors, a system of strain sensors, pressure pulsation sensor and high-speed videorecording. Velocity indicators were investigated using a resistive movement sensor which allows to record character of the armature movement with actuating element in each moment. Results. The technique of experimental research, which is the simultaneous recording of electrical and mechanical power and velocity parameters of the linear electromechanical converter pulse, is developed. In the converter as a shock-power device power indicators are recorded using a piezoelectric transducer, strain sensors system, pressure pulsation sensor and high-speed video. The parameters of the inductor winding current pulse, the time lag of mechanical processes in relation to the time of occurrence of the inductor winding current, the average speed of the joke, the magnitude and momentum of electrodynamics forces acting on the plate strikes are experimentally determined. In the converter as an electromechanical accelerator velocity performance recorded using resistive displacement sensors. It is shown that electromechanical converter processes have complex spatialtemporal character. The experimental results are in good agreement with the calculated figures obtained by means of a mathematical model that describes the ultrafast electromagnetic, thermal and mechanical processes that occur when the yoke moves relative to the inductor. Originality. For the first time offered during experimental studies of impulse linear electromechanical converter to both to measure the electrical parameters, namely the inductor winding current, and mechanical parameters characterizing the power and velocity performance with yoke actuator. Practical value. The technique of experimental investigations the parameters of the linear pulse electromechanical converter that can be used to investigate the shock-power devices and electromechanical accelerators is proposed ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей A technique of experimental investigations of linear impulse electromechanical converters Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей |
| spellingShingle |
Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей Болюх, В.Ф. Кочерга, А.И. Олексенко, С.В. Щукин, И.С. Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка |
| title_short |
Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей |
| title_full |
Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей |
| title_fullStr |
Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей |
| title_full_unstemmed |
Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей |
| title_sort |
методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей |
| author |
Болюх, В.Ф. Кочерга, А.И. Олексенко, С.В. Щукин, И.С. |
| author_facet |
Болюх, В.Ф. Кочерга, А.И. Олексенко, С.В. Щукин, И.С. |
| topic |
Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка |
| topic_facet |
Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Електротехніка і електромеханіка |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
A technique of experimental investigations of linear impulse electromechanical converters |
| description |
Разработана методика экспериментальных исследований, которая состоит в одновременной регистрации электрических и механических силовых и скоростных параметров линейного импульсного электромеханического преобразователя. При работе преобразователя в качестве ударно-силового устройства силовые показатели регистрируются с
использованием пьезодатчика, системы тензодатчиков, датчика пульсации давления и скоростной видеосъемки. При
работе преобразователя в качестве электромеханического ускорителя скоростные показатели регистрируются с
использованием резистивного датчика перемещений. Показано, что электромеханические процессы в преобразователе носят сложный пространственно-временной характер. Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно согласуются с расчетными показателями, полученными при помощи математической модели, которая
описывает быстропротекающие электромагнитные, тепловые и механические процессы, возникающие при перемещении якоря относительно индуктора.
Розроблено методику експериментальних досліджень, яка полягає у одночасному реєструванні електричних та механічних параметрів лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача. При роботі в якості ударно-силового
пристрою силові показники реєструються з використанням пьєзодатчика, системи тензодатчиків, датчика пульсації тиску та швидкісної відео зйомки. При роботі перетворювача в якості електромеханічного прискорювача швидкісні показники реєструються з використанням резистивного датчика переміщень. Показано, що електромеханічні
процеси в перетворювачі носять складний просторово-часовий характер. Результати експериментальних досліджень
задовільно узгоджуються з розрахунковими показниками, які отримані за допомогою математичної моделі, що описує
швидкоплинні електромагнітні, теплові та механічні процеси, що виникають при переміщення якоря відносно індуктора.
Purpose. Development of a technique of experimental studies
linear pulse electromechanical converters parameters, which are
used as shock-power devices and electromechanical accelerators,
and comparing the experimental results with the calculated indices obtained using the mathematical model. Methodology.
Method of experimental investigations of linear electromechanical
converter is that the electrical parameters are recorded simultaneously (inductor winding current) and mechanical parameters
characterizing the power and speed indicators of the joke with
actuator. Power indicators are primarily important for shockpower devices, and high velocity - for electromechanical accelerators. Power indices were investigated using piezoelectric
sensors, a system of strain sensors, pressure pulsation sensor and
high-speed videorecording. Velocity indicators were investigated
using a resistive movement sensor which allows to record character of the armature movement with actuating element in each
moment. Results. The technique of experimental research, which
is the simultaneous recording of electrical and mechanical power
and velocity parameters of the linear electromechanical converter
pulse, is developed. In the converter as a shock-power device
power indicators are recorded using a piezoelectric transducer,
strain sensors system, pressure pulsation sensor and high-speed
video. The parameters of the inductor winding current pulse, the
time lag of mechanical processes in relation to the time of occurrence of the inductor winding current, the average speed of the
joke, the magnitude and momentum of electrodynamics forces
acting on the plate strikes are experimentally determined. In the
converter as an electromechanical accelerator velocity performance recorded using resistive displacement sensors. It is shown
that electromechanical converter processes have complex spatialtemporal character. The experimental results are in good agreement with the calculated figures obtained by means of a mathematical model that describes the ultrafast electromagnetic, thermal and mechanical processes that occur when the yoke moves
relative to the inductor. Originality. For the first time offered
during experimental studies of impulse linear electromechanical
converter to both to measure the electrical parameters, namely the
inductor winding current, and mechanical parameters characterizing the power and velocity performance with yoke actuator.
Practical value. The technique of experimental investigations the
parameters of the linear pulse electromechanical converter that
can be used to investigate the shock-power devices and electromechanical accelerators is proposed
|
| issn |
2074-272X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147553 |
| citation_txt |
Методика экспериментальных исследований линейных импульсных электромеханических преобразователей / В.Ф. Болюх, А.И. Кочерга, С.В. Олексенко, И.С. Щукин // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 2. — С. 18-28. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT bolûhvf metodikaéksperimentalʹnyhissledovaniilineinyhimpulʹsnyhélektromehaničeskihpreobrazovatelei AT kočergaai metodikaéksperimentalʹnyhissledovaniilineinyhimpulʹsnyhélektromehaničeskihpreobrazovatelei AT oleksenkosv metodikaéksperimentalʹnyhissledovaniilineinyhimpulʹsnyhélektromehaničeskihpreobrazovatelei AT ŝukinis metodikaéksperimentalʹnyhissledovaniilineinyhimpulʹsnyhélektromehaničeskihpreobrazovatelei AT bolûhvf atechniqueofexperimentalinvestigationsoflinearimpulseelectromechanicalconverters AT kočergaai atechniqueofexperimentalinvestigationsoflinearimpulseelectromechanicalconverters AT oleksenkosv atechniqueofexperimentalinvestigationsoflinearimpulseelectromechanicalconverters AT ŝukinis atechniqueofexperimentalinvestigationsoflinearimpulseelectromechanicalconverters |
| first_indexed |
2025-11-26T20:27:16Z |
| last_indexed |
2025-11-26T20:27:16Z |
| _version_ |
1850773450742824960 |
| fulltext |
Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка
18 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2
© В.Ф. Болюх, А.И. Кочерга, С.В. Олексенко, И.С. Щукин
УДК 621.313:536.2.24:539.2 doi: 10.20998/2074-272X.2017.2.03
В.Ф. Болюх, А.И. Кочерга, С.В. Олексенко, И.С. Щукин
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЛИНЕЙНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Розроблено методику експериментальних досліджень, яка полягає у одночасному реєструванні електричних та меха-
нічних параметрів лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача. При роботі в якості ударно-силового
пристрою силові показники реєструються з використанням пьєзодатчика, системи тензодатчиків, датчика пульса-
ції тиску та швидкісної відео зйомки. При роботі перетворювача в якості електромеханічного прискорювача швидкі-
сні показники реєструються з використанням резистивного датчика переміщень. Показано, що електромеханічні
процеси в перетворювачі носять складний просторово-часовий характер. Результати експериментальних досліджень
задовільно узгоджуються з розрахунковими показниками, які отримані за допомогою математичної моделі, що описує
швидкоплинні електромагнітні, теплові та механічні процеси, що виникають при переміщення якоря відносно індук-
тора. Бібл. 13, рис. 18.
Ключові слова: лінійний імпульсний електромеханічний перетворювач, ударно-силовий пристрій, електромеханічний
прискорювач, методика експериментальних досліджень, математична модель.
Разработана методика экспериментальных исследований, которая состоит в одновременной регистрации электри-
ческих и механических силовых и скоростных параметров линейного импульсного электромеханического преобразо-
вателя. При работе преобразователя в качестве ударно-силового устройства силовые показатели регистрируются с
использованием пьезодатчика, системы тензодатчиков, датчика пульсации давления и скоростной видеосъемки. При
работе преобразователя в качестве электромеханического ускорителя скоростные показатели регистрируются с
использованием резистивного датчика перемещений. Показано, что электромеханические процессы в преобразовате-
ле носят сложный пространственно-временной характер. Результаты экспериментальных исследований удовлетво-
рительно согласуются с расчетными показателями, полученными при помощи математической модели, которая
описывает быстропротекающие электромагнитные, тепловые и механические процессы, возникающие при переме-
щении якоря относительно индуктора. Библ. 13, рис. 18.
Ключевые слова: линейный импульсный электромеханический преобразователь, ударно-силовой устройство,
электромеханический ускоритель, методика экспериментальных исследований, математическая модель.
Введение. Линейные импульсные электромеха-
нические преобразователи (ЛИЭП) предназначены
для создания ударно-механических импульсов на
объект воздействия при незначительном перемещении
исполнительного элемента (ИЭ) или для его ускоре-
ния на коротком активном участке [1]. Эти преобра-
зователи используются во многих отраслях науки и
техники в качестве ударно-силовых устройств и элек-
тромеханических ускорителей.
В строительстве применяются электромагнитные
молоты и устройства для забивания свай, в горной
промышленности – бутобои и вибраторы, в геолого-
разведке – вибросейсмоисточники, в машиностроении
– прессы и молоты с большим диапазоном энергии
удара, в химической и медико-биологической про-
мышленности – вибросмесители и дозаторы.
ЛИЭП также применяются в быстродействую-
щей клапанной и коммутационной аппаратуре, в ис-
пытательных комплексах для проверки ответственной
аппаратуры на ударные нагрузки, в магнитно-
импульсных устройствах для прессования порошков
керамики, очистки емкостей от налипания сыпучих
материалов, уничтожения информации на цифровых
носителях и др. [2-4].
ЛИЭП индукционного типа обеспечивает бес-
контактное перемещение электропроводящего якоря
относительно неподвижного индуктора, возбуждае-
мого от импульсного источника, например, емкостно-
го накопителя энергии (ЕНЭ) с электронной системой
формирования токового импульса [5]. В нем возни-
кают быстропротекающие электромагнитные, тепло-
вые и механические процессы, которые проявляются
при быстром перемещении якоря в условиях окру-
жающей среды.
Математические модели ЛИЭП реализуется, как
правило, с использованием либо цепных, либо поле-
вых представлений [6, 7]. При этом возникает вопрос
о соответствии параметров ЛИЭП, полученных рас-
четными методами при помощи математических мо-
делей, и параметров, полученных экспериментально.
Поскольку рабочий цикл рассматриваемых пре-
образователей длится 1…2 мс с быстрым перемеще-
нием якоря, то это накладывает особенности на про-
ведение экспериментальных исследований [8].
Целью статьи является обоснование методики
экспериментальных исследований ЛИЭП, которые
используются в качестве ударно-силовых устройств и
электромеханических ускорителей, и сравнение экс-
периментальных результатов с расчетными показате-
лями, полученными при помощи математической
модели.
Математическая модель. В ЛИЭП индукцион-
ного типа при возбуждении от ЕНЭ возникают быс-
тропротекающие электромагнитные, тепловые и ме-
ханические процессы, происходящие при быстром
перемещении якоря относительно обмотки индуктора
(ОИ). Реализация математической модели ЛИЭП с
использованием цепного подхода, основанного на
теории электрических цепей, не позволяет в полной
мере описать совокупность пространственно-
временных процессов [7]. Исходя из этого, разработа-
на математическая модель ЛИЭП, которая основана
на полевом подходе, использующем метод конечных
элементов [9]. Для определения электромагнитных
параметров ЛИЭП в цилиндрической системе коор-
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2 19
динат {r, z} рассчитывается векторный магнитный
потенциал A
0
)(
1
)(
1
t
A
z
A
Bzr
rA
Brr
. (1)
где μ(В) – магнитная проницаемость, зависящая от
индукции магнитного поля B ферромагнитного мате-
риала; σ – электропроводность якоря.
Составляющие вектора магнитной индукции на-
ходятся по известным соотношениям:
r
rA
r
Bz
1
;
z
A
Br
. (2)
Граничными условиями системы выступает
уравнение nA = 0, где n – единичный вектор внешней
нормали к поверхности. Для ферромагнитных мате-
риалов используется нелинейная кривая намагничи-
вания B = f(H)
Ток в индукторе определяется с использованием
уравнения:
0
1
1
1
11
1
Udv
dt
dA
s
N
dti
Cdt
di
LiRR
V
l
ee , (3)
где Re – активное сопротивление внешней цепи; R1 –
активное сопротивление ОИ; i1 – ток ОИ; Le – индук-
тивность внешней цепи; U0 – зарядное напряжение
ЕНЭ; С – емкость ЕНЭ; N1 – число витков индуктора;
s – площадь поперечного сечения ОИ, пронизываемая
магнитным потоком; Al – проекция векторного маг-
нитного потенциала на направление обхода контура;
V – объем индуктора.
Электродинамические усилия (ЭДУ), действую-
щие на якорь, находятся с использованием тензора
натяжений Максвелла:
S
z dsBHnnHBnBHf 5,0 , (4)
где S – площадь, ограничивающая поперечное сече-
ние якоря; n – единичный вектор нормали к поверх-
ности якоря.
Импульс ЭДУ, определяющий интегральное
силовое воздействие на якорь, описывается выра-
жением:
t
zz dtfF
0
. (5)
Механические процессы ЛИЭП при аксиальном
перемещении якоря описываются уравнением
'
2 z
z
e f
dt
dv
mm , (6)
где
22' 125,0 zmaazzz vDvkff ; me – масса ИЭ;
m2 – масса якоря; vz – скорость якоря; kµ – коэффици-
ент динамического трения; γа – плотность воздуха;
βа – коэффициент аэродинамического сопротивления;
Dm – внешний диаметр ИЭ.
Аксиальные перемещение ∆z и скорость vz якоря
на каждом расчетном шаге ∆t можно представить в
виде рекуррентных соотношений [5]
1
2
2'
1 )()()(
mmtfttvtztz ezkzkk ; (7)
1
2
'
1 )()(
mmtftvtv ezkzkz . (8)
Уравнения (1) – (8) описывают электромехани-
ческие процессы в ЛИЭП при начальных условиях:
uc(0)=U0; i1(0)=0; Δz(0)=0; vz(0)=0, где uc – напряжение
ЕНЭ. При расчете предполагаем отсутствие механи-
ческих перемещений (отдачи) индуктора, деформации
элементов и строго аксиальное расположение и пере-
мещения якоря относительно индуктора.
Для определения температуры нагрева ОИ и
якоря ЛИЭП используем полевую модель, которая
позволяет на каждом временном шаге учесть про-
странственное распределение температур в активных
(ОИ и якорь) и пассивных (каркас индуктора, силовой
диск якоря) элементах ЛИЭП [10].
Решение системы уравнений (1) – (8) получено с
использованием метода конечных элементов при
интегрировании по пространственным переменным и
усовершенствованного метода Гира при интегрирова-
нии по времени. При перемещении якоря использует-
ся «деформируемая» сетка. Для решения поставлен-
ной цели была разработана математическая модель
ЛИЭП в программном пакете Comsol Multiphysics,
который позволяет адаптивно изменять сетку и кон-
тролировать ошибки при работе с различными чис-
ленными решателями [11].
Моделирование электрических процессов осу-
ществлялось физическими модулями «Electrical
circuit», который рассчитывал переходные процессы,
и «Magnetic fields», который рассчитывал параметры
на основе магнитного поля с учетом перемещения
электропроводящего якоря. Моделирование магнит-
ных процессов осуществлялось физическим модулем
«Magnetic fields», в котором электромагнитный про-
цесс описывается системой дифференциальных урав-
нений для каждого узла сеточного разбиения. Моде-
лирование тепловых процессов осуществлялось физи-
ческим модулем «Heat transfer in solid».
Математическая модель ЛИЭП реализуется в
следующей последовательности:
выбираются физические модули («Magnetic
fields», «Electrical circuit», «Heat transfer in solid»,
«Fluid structure interaction»), размерность задачи (2D),
тип модели (time-dependent) и метод расчета;
формируется геометрия ЛИЭП и определяются
расчетные области физических задач;
задаются исходные данные в виде величин и
функций, описывающих взаимосвязи между парамет-
рами, например, зависимость удельного сопротивле-
ния материала от температуры;
задаются начальные и граничные условия рас-
сматриваемых физических задач;
выполняется дискретизация расчетных областей
с учетом геометрической модели ЛИЭП;
выбираются методы решения, как правило,
MUMPS, PARDISO и проводятся численные расчеты.
Решение мультифизической математической мо-
дели ЛИЭП производится методом BDF (backward
differentiation formula) или методом Generalized alpha
с плавающим шагом и ограничениями по времени.
Это обусловлено изменением величины погрешности
расчета в зависимости от выбранного шага. Решение
задачи начинается с шага по времени на 6 порядков
20 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2
меньшего, чем максимально установленный шаг. Этот
шаг автоматически варьируется в зависимости от
условий сходимости и показателей относительной
погрешности полученных решений.
Электромеханические процессы ЛИЭП. Рас-
смотрим ЛИЭП индукционного типа коаксиальной
дисковой конфигурации [12]. Данный ЛИЭП состоит
из неподвижной ОИ с внешним диаметром
Dex1 = 100 мм, внутренним диаметром Din1 = 10 мм,
высотой H1 = 10 мм и количеством витков N1 = 46 шт.
медной шины сечением a×b = 1,8×4,8 мм2. Якорь
выполнен в виде медного диска с параметрами: внеш-
ний диаметр Dex2 = 100 мм, внутренний диаметр
Din2 = 10 мм, высота H2 = 3 мм. К якорю присоединен
ударный ИЭ массой me = 0,275 кг. ЕНЭ имеет емкость
C = 2850 мкФ и зарядное напряжение U0 = 400 В.
Электронная система обеспечивает формирование
полярного апериодического тока в ОИ, для чего по-
следняя шунтирована обратным диодом.
Электромеханические процессы в ЛИЭП носят
сложный пространственно-временной характер. На
рис. 1 представлены: плотность тока в индукторе j1,
усредненная по сечению плотность тока в якоре j2,
величина ЭДУ fz и импульс ЭДУ Fz, которые дейст-
вуют на якорь, перемещаемый на расстояние z отно-
сительно индуктора со скоростью vz. Через t = 1,2 мс
после начала рабочего процесса ток в якоре меняет
полярность, что обусловливает следующий характер
силового воздействия: начальное отталкивание сме-
няется последующим притяжением.
Рис. 1. Электромеханические характеристики ЛИЭП
Процесс перемещения якоря начинается через
определенное время после начала рабочего процесса.
На каждом временном шаге наблюдается существен-
ная неравномерность распределения индукции маг-
нитного поля В в активных элементах ЛИЭП
(рис. 2,а). Наибольшая концентрация поля наблюда-
ется в области между ОИ и якорем. Однако это про-
исходит только в определенные моменты времени,
например, в момент действия максимальных ЭДУ. В
последующем максимальная индукция магнитного
поля уменьшается и перемещается в центральную
часть индуктора.
а б
в г
Рис. 2. Распределение магнитных полей (а) и плотностей
тока (б) и удельных аксиальных усилий (в) в момент макси-
мума ЭДУ и распределение теплового поля в конце рабоче-
го цикла (г): 1 – ОИ; 2 – якорь
При работе ЛИЭП в каждый момент времени на-
блюдается существенная пространственная неравно-
мерность плотности индуцированного тока в якоре
(рис. 2,б). Удельные ЭДУ fz
’ неравномерно воздейст-
вуют как на якорь, так и на ОИ (рис. 2,в). При этом
градиенты температур Т в якоре незначительны, а в
ОИ практически отсутствуют через 1 мс после начала
работы при одном рабочем цикле (рис. 2,г).
При работе ЛИЭП в качестве ускорителя необ-
ходимо, в первую очередь, контролировать переме-
щение якоря, а при работе в качестве ударно-силового
устройства – величину силового воздействия на соот-
ветствующий объект.
В экспериментальных исследованиях использо-
вались электролитические конденсаторы HJ с номи-
нальным напряжением U0 = 450 В и емкостями
С = 150 мкФ и С = 330 мкФ.
Методика проведения экспериментальных ис-
следований ЛИЭП состоит в том, что одновременно
регистрируются электрические параметры (ток в ОИ)
и механические параметры, характеризующие сило-
вые и скоростные показатели якоря с ИЭ. Силовые
показатели, прежде всего, важны для ударно-силовых
устройств, а скоростные – для электромеханических
ускорителей.
Силовые показатели исследовались с использо-
ванием пьезодатчиков, системы тензодатчиков, дат-
чика пульсации давления и скоростной видеосъемки.
Скоростные показатели исследовались при помощи
резистивного датчика перемещений, позволяющего
регистрировать характер движения якоря с ИЭ в каж-
дый момент времени.
Исследования ЛИЭП в качестве ударно-
силового устройства.
Исследование с использованием пьезодатчиков.
Для экспериментальных исследований ЛИЭП, рабо-
тающего в качестве ударно-силового устройства была
разработана установка, включающая индуктор 1, со-
держащий ОИ, которая при помощи эпоксидной смолы
замоноличена в стеклотекстолитовом каркасе (рис. 3).
Индуктор прикреплен к опорной пластине 2. К
якорю 3 присоединен стальной ударный диск 4, кото-
рый воздействует на вертикально установленный боек
5, изготовленный из стали 70, совершающий удары по
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2 21
верхней стальной плите 6. Опорная пластина 2 при-
креплена к нижней стальной плите 7. Плиты 6 и 7
соединены между собой посредством регулируемых
опор 8, что позволяет изменять величину рабочего
хода бойка Ze. Пружины 9 обеспечивают заданную
силу противодействия движению. На плите 6, ограни-
чивающей рабочий ход бойка 5, сверху установлен
пьезодатчик 10, который осуществляет преобразова-
ние механических колебаний, возникающих при уда-
ре бойка, в электрические сигналы, передавая их на
измеритель шума и вибрации ВШВ-003. Измеритель
преобразует электрические сигналы пьезодатчика в
величины виброускорения af и виброскорости vf. При
исследовании ЛИЭП одновременно измеряются ток в
ОИ и вибрация плиты 6 при помощи двухканального
электронного осциллографа RIGOL DS 522M.
Рис. 3. Экспериментальная установка для исследования
ЛИЭП с использованием пьезодатчика
На рис. 4 представлены осциллограммы токов
ОИ i1 и виброускорений af при различной величине
рабочего хода якоря Ze.
а
б
Рис. 4. Осциллограммы тока в ОИ (канал CH1) и виброу-
скорения (канал СН2) при величине рабочего хода Ze:
0 мм (а); 10 мм (б)
При отсутствии рабочего хода якоря вибрация
верхней плиты, регистрируемая датчиком, возникает с
некоторым запаздыванием t0 по отношению к момен-
ту возникновения тока в ОИ. При увеличении вели-
чины рабочего хода Ze возрастает и время запаздыва-
ния вибрационных процессов верхней плиты по от-
ношению к моменту возникновения тока в ОИ tz.
На основе экспериментальных исследований оп-
ределяются:
форма i1 и амплитудное значение I1m тока ОИ;
длительность фронта импульса тока ОИ tfr;
длительность импульса тока ОИ tpul;
время запаздывания вибрации верхней плиты по
отношению к моменту возникновения тока ОИ tz;
средняя скорость якоря с ИЭ 1
00
ttZV ze ;
величина виброускорения af(t), пропорциональ-
ная мгновенной силе fz(z, t), действующей на верхнюю
плиту;
величина виброскорости vf(t), пропорциональная
импульсу силы Fz, действующему на верхнюю плиту.
Измеренные значения средней скорости якоря с
ИЭ V0 при различной величине рабочего хода якоря Ze
на 8 – 15 % меньше расчетных, что можно объяснить
не полным учетом всех противодействующих и тор-
мозных сил. Аналогичные зависимости проявляются
между расчетными и экспериментальными значения-
ми импульса ЭДУ Fz (рис. 5).
Рис. 5. Зависимости рассчитанных (1) и измеренных (2)
значений импульса ЭДУ от величины рабочего хода якоря
Таким образом, наибольшие значения импульса
ЭДУ Fz возникают при заторможенном якоре, затем
они уменьшаются практически линейно с увеличением
рабочего хода якоря Ze. Как экспериментальные, так и
расчетные зависимости практически линейно возрас-
тают при увеличении напряжения U0, причем амплиту-
ды тока ОИ I1m при наличии якоря возрастают.
Экспериментально было исследовано влияние
формы якоря, параметров ЕНЭ, рабочего хода Ze,
начального зазора ΔZ0 между якорем и индуктором и
ускоряемой массы на показатели ЛИЭП. Установле-
но, что при использовании круглого якоря по сравне-
нию с якорем прямоугольной формы процессы изме-
няются следующим образом: максимальная величина
ЭДУ fz возрастает на 25 %, амплитуда тока ОИ I1m
возрастает на 5 %, а длительность импульса тока ОИ
22 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2
tpul и время запаздывания tz уменьшаются на 10 %. Это
свидетельствует о большей эффективности круглого
якоря по сравнению с прямоугольным.
С увеличением напряжения ЕНЭ в 2 раза ампли-
туда тока ОИ возрастает более чем в 2 раза, практиче-
ски в 5 раз увеличивается амплитуда виброускорения
avib, а значит и мгновенное значение ЭДУ fz, дейст-
вующих на верхнюю плиту. Время запаздывания tz
при этом уменьшается от 0,7 до 0,5 мс.
С увеличением рабочего хода Ze растет время за-
паздывания tz вибрации верхней плиты по отношению
к началу токового импульса ОИ, что приводит к
уменьшению амплитуды ЭДУ fz. На осциллограммах
незначительная вибрация верхней плиты, возникаю-
щая до удара по ней бойка, обусловлена отдачей ин-
дуктора, передаваемой через регулируемые опоры
(рис. 4,б).
На рис. 6,а показано влияние емкости С при раз-
личных напряжениях U0 ЕНЭ на амплитуду тока ОИ
I1m ЛИЭП. Экспериментальные и расчетные значения
амплитуды тока возрастают при увеличении емкости
С: при увеличении емкости в 2 раза (от 2000 до 4000
мкФ), величина тока возрастает на 17 %. Причем ам-
плитуда тока ОИ I1m тем выше, чем больше напряже-
ние U0. Рост значений I1m более существенный в ин-
тервале емкостей С = 2000…3000 мкФ.
а
tfr
б
Рис. 6. Зависимость экспериментальных (жирные линии)
и расчетных (тонкие линии) значений амплитуды (а)
и длительности фронта (б) тока ОИ ЛИЭП от емкости ЕНЭ
Величина напряжения U0 ЕНЭ незначительно
влияет на длительность фронта импульса тока ОИ tfr.
Длительность фронта остается практически неизмен-
ной при разных U0 и фиксированных значениях емко-
сти С ЕНЭ. На рис. 6,б приведены кривые, отобра-
жающие влияние емкости ЕНЭ С на длительность
фронта импульса тока ОИ tfr при наличии и отсутст-
вии якоря в ЛИЭП. Как экспериментальные, так и
расчетные значения длительности фронта тока ОИ
растут при увеличении емкости ЕНЭ С, имея практи-
чески одинаковую закономерность. Причем длитель-
ность фронта тока ОИ tfr выше в ЛИЭП без якоря.
На эффективность ЛИЭП существенно влияет
начальный зазор между якорем и индуктором ΔZ0
(рис. 7). При увеличении зазора ΔZ0 уменьшается
магнитная связь между якорем и ОИ, а значит, влия-
ние якоря на ток ОИ i1 снижается, что приводит к
уменьшению амплитуды тока I1m.
а
б
Рис. 7. Зависимость экспериментальных (жирные линии) и
расчетных (тонкие линии) значений амплитуды тока в ОИ
(а) и импульса ЭДУ (б) от величины начального зазора
между индуктором и якорем
Чем больше начальный зазор, тем больше кривая
тока ОИ становится подобной кривой тока ОИ при
отсутствии якоря (магнитная связь индуктора с яко-
рем равна нулю). Увеличение начального зазора ΔZ0
приводит к существенному уменьшению импульса
ЭДУ. На рис. 7,б показана зависимость эксперимен-
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2 23
тального и расчетного значений импульса ЭДУ от
начального зазора при использовании ЕНЭ с парамет-
рами С = 3000 В, U0 = 200 В.
С увеличением начального зазора ΔZ0 между яко-
рем и индуктором в 2 раза с 2,5 до 5 мм амплитуда тока
в ОИ Im уменьшается на 8 %, длительность импульса
тока ОИ tpul увеличивается на 6 %, а фронт импульса
тока ОИ tfr – на 8 %. При этом величина виброускоре-
ния avib, а значит и ЭДУ fz уменьшаются на 25 %, время
запаздывания tz увеличивается почти в 2 раза. При
увеличении ΔZ0 от 0 до 5 мм величина импульса силы
уменьшается на 54 %. Это свидетельствует о том, что
начальный зазор между индуктором и якорем необхо-
димо выбирать минимально возможным.
На рис. 8 приведены экспериментальные и рас-
четные значения средней скорости якоря V0 на участ-
ке рабочего хода Ze при С=7000 мкФ, но разных на-
пряжениях U0 ЕНЭ. Расчетная скорость несколько
выше экспериментальной, что можно объяснить более
сложным характером реального аэродинамического
сопротивления, по сравнению с заложенным в мате-
матическую модель, не полным учетом всех противо-
действующих сил и наличием отдачи индуктора.
Рис. 8. Экспериментальные (жирные линии) и расчетные
(тонкие линии) зависимость средней скорости от перемеще-
ния якоря ЛИЭП
С уменьшением емкости ЕНЭ С в 2,2 раза (от
6270 до 2859 мкФ) электрические процессы изменя-
ются следующим образом: амплитуда тока в ОИ Im
уменьшается на 28 %, длительность импульса тока в
ОИ tpul – на 71 %, фронт импульса тока ОИ tfr – на 43
%. Вследствие этого время запаздывания tz уменьша-
ется на 14 %, а величина импульса ЭДУ Fz – в 3,12
раза.
В целом, проведенные экспериментальные ис-
следования с использованием пьезодатчиков удовле-
творительно согласуются с теоретическими результа-
тами. Они показали, что можно эффективно регист-
рировать показатели силового воздействия ЛИЭП на
объект, что важно для ударно-силовых устройств.
Исследование с использованием тензодатчи-
ков. Рассмотрим эффективность применения тензо-
датчиков для регистрации силового воздействия на
объект. Экспериментальный стенд для исследования
ЛИЭП, работающего в качестве ударно-силового
устройства, представлен на рис. 9,а. ЛИЭП крепится к
изоляционной опорной плите, которая устанавливает-
ся на вертикальных регулируемых опорах. При по-
мощи этих опор можно изменять высоту подъема
опорной плиты, устанавливая таким образом величи-
ну рабочего хода якоря с бойком Ze.
а
б
в
Рис. 9. Экспериментальная установка для исследования
ЛИЭП с использованием тензодатчиков (а) и объект
воздействия – стальная пластина с тензодатчиками:
вид сверху (б) и снизу (в)
ЛИЭП обеспечивает перемещение якоря с бой-
ком вертикально вниз до соударения с объектом воз-
действия – ударной стальной пластиной с размерами
0,180,180,006 м3 (рис. 9,б). Ударная пластина с
обратной стороны покрыта сетью тензодатчиков,
объединенных в розетки. Провода от датчиков выво-
дятся сквозь отверстия в плите, которая закреплена на
опорной раме. Эти датчики образуют пять групп,
симметрично расположенных относительно точки
удара, причем в каждой группе содержится три дат-
чика, одна сторона которых образует узел, а другие
стороны – лучи под углом 45º друг к другу (рис. 9,в).
Стенд содержит сменный держатель ударной пласти-
ны, что позволяет реализовать различные виды закре-
пления: шарнирное, жесткое и свободное опирание.
Для измерения сопротивления тензорезисторов
применена мостовая схема. Для измерения падения
24 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2
напряжения использован дифференциальный прием-
ник сигнала.
При проведении экспериментов использован ин-
формационно-измерительный комплекс, предназна-
ченный для регистрации деформационных процессов
в объекте воздействия [13]. Комплекс содержит блок
формирования сигналов тензодатчиков, стабилизиро-
ванный блок питания, блок сопряжения и защиты,
АЦП ADA-1406 и персональный компьютер. Цифро-
вые данные, полученные с платы АЦП, поступают на
компьютер, где обрабатываются при помощи специ-
ального программного обеспечения. Оно позволяет
записать сигнал, определить значения измеренных
параметров, спектров сигналов и время затухания
колебаний. В качестве приемника в блоке формиро-
вания сигналов датчиков применен прецизионный
инструментальный усилитель AD623, позволяющий
подавлять синфазную помеху, попадающую на вход
вместе с полезным сигналом. Запуск испытательной
установки происходит дистанционно одновременно с
началом испытаний.
При работе ЛИЭП возбуждаются интенсивные
магнитные поля, которые генерирует сигналы тен-
зодатчиков, пропорциональные аксиальной состав-
ляющей поля в их месте расположения. Таким об-
разом, при отсутствии деформационных процессов
в ударной пластине магнитное поле ЛИЭП форми-
рует фоновые сигналы тензодатчиков, амплитуды
которых увеличиваются с повышением напряжения
U0 (рис. 10).
Опытным путем было установлено, что воздей-
ствие бойка по центру ударной пластины не вызывает
в ней пластических деформаций. Была проведена
серия ударных воздействий, на основании которых
определено среднее значение амплитуды сигнала,
снимаемого с центральной «розетки» тензодатчиков
ударной пластины. Вычитая из значений сигналов
фоновый уровень, получаем величину деформации
ударной пластины. На рис. 11 кружками обведены
всплески сигналов тензодатчиков на осциллограммах,
которые соответствуют деформационным процессам,
вызванными ударными воздействиями бойка ЛИЭП
на пластину.
Рис. 10. Фоновые сигналы тензодатчиков, наводимые
магнитным полем при напряжениях U0: 250; 300; 350; 400 В
(слева направо)
Усредненная величина максимальных значений
этих всплесков сигналов соответствует максимальной
величине ЭДУ fz, действующих на ударную пластину
(1 мВ сигнала эквивалентен силовой нагрузке 8,936 Н).
Длительность ударного импульса tpul определяется
длительностью первого всплеска сигнала.
а
б
Рис. 11. Сигналы тензодатчиков при U0 = 350 В,
С = 2850 мкФ, Ze = 10 мм (а), Ze = 25 мм (б)
При увеличении напряжения U0 ЕНЭ в данных
экспериментах, так же, как и при использовании пье-
зодатчика, увеличиваются амплитуды токов ОИ и
якоря (фоновые сигналы магнитного поля), величина
деформации ударной пластины и уменьшается время
задержки между электрическими и деформационными
процессами tz.
Экспериментально установлено, что импульс
ЭДУ Fz уменьшается при увеличении рабочего хода
Ze при U0 = сonst и растет при увеличении напряжения
ЕНЭ U0 при Ze = сonst. У ЛИЭП от начала импульса
тока ОИ (электромагнитные процессы) до взаимодей-
ствия бойка, ускоряемого якорем, с ударной пласти-
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2 25
ной (механические процессы) существует запаздыва-
ние, составляющее t0 = 0,5 мс при С = 2850 мкФ и
U0 = 300…350 В и Ze = 0.
Были проведены экспериментальные исследова-
ния по определению средних скоростей якоря V0 на
участке рабочего хода Ze при разных напряжениях U0.
Полученная в результате измерений средняя скорость
якоря при напряжении 200 В составила 5,1 м/с, что
удовлетворительно совпадает с результатами расчета.
Таким образом, тензодатчики позволяют регист-
рировать не только начало и величину силового воз-
действия, а и его продолжительность. В целом экспе-
риментальные результаты, полученные с использова-
нием пьезо- и тензодатчиков, хорошо согласуются
между собой.
Исследование циклического ударного воздей-
ствия ЛИЭП на тонкую стальную пластину. Были
проведены эксперименты по пробиванию тонкой
(1,5 мм) пластины из нержавеющей стали. При напря-
жении ЕНЭ U0 = 200 В в этой пластине значение меха-
нических напряжений составляет 93,4 МПа, а при
U0 = 400 В – 186,8 МПа. Для тонкого листа из стали
12Х18Н10Т предел текучести составляет T = 205 МПа.
Таким образом, при напряжении ЕНЭ U0 = 400 В меха-
нические напряжения в пластине находятся на границе
предела текучести. Для исследования ударного воздей-
ствия ЛИЭП на эту пластину использовалось малоцик-
ловое ударное нагружение и было определено среднее
значение числа циклов N до пробивания пластины
бойком.
Для первой группы опытов, в которых реализо-
вывалось нагрузка с величиной механических напря-
жений 400 МПа, N = 146 циклов, а для второй группы,
при напряжении 457 МПа, N = 39 циклов. При проби-
вании образовалась выпуклость (пробка) диаметром
4 мм и толщиной 1,1 мм с ровными краями.
На рис. 12,а приведены экспериментальная кри-
вая малоцикловой ударной прочности и фотографии
тонкой стальной пластины, деформированной при
соответствующих величинах механических напряже-
ний. На рис. 12,б приведена фотография пробитой
бойком ЛИЭП пластины. В результате нескольких
экспериментов при циклической работе ЛИЭП было
установлено, что среднее число циклов до пробивания
пластины N = 79.
Исследование с использованием видеосъемки.
На стенде для исследования ЛИЭП с использованием
тензодатчиков были проведены измерения мгновен-
ной скорости якоря с бойком при помощи видеосъем-
ки цифровым фотоаппаратом. После съемки осущест-
влялась обработка записи и разложение ее на отдель-
ные кадры (рис. 13). При этом определялось время, за
которое якорь с бойком проходит расстояние до удар-
ной пластины. В среднем время от отрыва якоря до
контакта бойка с ударной пластиной составило
9,65 мс. Расстояние от конца бойка до ударной пла-
стины в этом эксперименте – 5 мм. Следовательно,
средняя скорость на участке рабочего хода составила
5,18 м/с, что удовлетворительно согласуется с резуль-
татами экспериментов, описанных выше.
а
б
Рис. 12. Кривая малоцикловой ударной прочности (а)
и пробитая бойком ЛИЭП тонкая стальная пластина (б)
а
б
Рис. 13. Результаты видеосъемки в начале (а) и в конце (б)
рабочего процесса
26 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2
Исследование с использованием датчика
пульсации давления. Для измерения динамического
давления, которое оказывает боек на ударную пла-
стину, был использован пьезоэлектрический датчик
пульсаций давления М101А06 фирмы PCB (США)
(рис. 14).
Рис. 14. Внешний вид пьезоэлектрического датчика
пульсаций давления M101A06 фирмы PCB
Датчик снабжен встроенным усилителем, имеет
динамический диапазон 0,68-3450 кПа, чувствитель-
ность 1,45 мВ/кПа и частотный диапазон 0,01-130000
Гц. Датчик, выдерживающий максимальное давление
34,5 МПа, содержит встроенный ICP-усилитель (ICP –
Integrated Circuit Piezoelectric). Показания датчика
фиксировались с помощью электронного осциллогра-
фа RIGOL (рис. 15).
а
б
Рис. 15. Осциллограммы динамического давления на
ударную пластину при напряжении ЕНЭ 300 В (а) и 400 В (б)
В данных экспериментах определялись форма,
величина и длительность силового импульса в
ударной пластине при воздействии на нее бойка
ЛИЭП. Результаты данных исследований удовле-
творительно согласуются как с расчетными значе-
ниями ЭДУ (рис. 1), так и результатами экспери-
ментов, описанных выше.
Исследование ЛИЭП в качестве электромеха-
нического ускорителя. Для исследования ЛИЭП,
работающего в качестве электромеханического уско-
рителя необходимо измерять перемещения якоря в
каждый момент времени на рабочем участке. Для
этого была разработана установка, представленная на
рис. 16. Индуктор 1 ЛИЭП состоит из многовитковой
обмотки, намотанной из медной шины в два слоя и
замоноличенной при помощи эпоксидной смолы. К
якорю 2 прикреплен стальной ударный диск 3. Ин-
дуктор посредством токовводов 4 соединяется с ЕНЭ.
Для измерения вертикальных перемещений использу-
ется резистивный датчик 5, закрепленный на С-
образном каркасе 6.
Рис. 16. Общий вид экспериментальной установки для
исследования ЛИЭП, работающего в качестве ускорителя
со стальным силовым диском
Между горизонтальными стенками каркаса 6
подвижно установлен направляющий стержень 7,
проходящий через центральные отверстия индуктора
и якоря. Индуктор установлен на неметаллическом
основании 8 на нижней стенке каркаса, а на верхней
стенке каркаса установлен резистивный датчик пере-
мещений 5. К верхней стенке каркаса крепится демп-
ферная пружина (на фото отсутствует). Направляю-
щий стержень соединен с ударным диском и подвиж-
ным контактом датчика перемещений, сигнал от ко-
торого подается на электронный осциллограф. Таким
образом, одновременно измеряются ток в индукторе i1
и перемещение Δz якоря со стальным ударным дис-
ком и направляющим стержнем (рис. 17).
Экспериментально установлено, что перемеще-
ние якоря начинается с задержкой по отношению к
моменту возникновения токового импульса и носит
практически линейный характер на начальном участ-
ке разгона. При повышенном напряжении ЕНЭ
U0 = 400 В перемещение якоря после прохождения
начального участка замедляется, что связано с взаи-
модействием его с демпферной пружиной.
Были проведены исследования влияния материа-
ла ударного диска на показатели работы электромеха-
нического ускорителя. В экспериментах использова-
лись стальной (рис. 16) и керамический (рис. 18) удар-
ные диски.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2 27
а
б
Рис. 17. Осциллограммы тока индуктора i1 и перемещения
якоря Δz при напряжении ЕНЭ U0: 300 В (а) и 400 В (б)
с использованием стального силового диска
Рис. 18. Общий вид экспериментальной установки для
исследования ЛИЭП, работающего в качестве ускорителя
с керамическим силовым диском
Как показали исследования при использовании
керамического силового диска длительность импуль-
са тока ОИ возрастает на 11 %, а его величина – на
15 %. При этом скорость якоря через 1,5 мс возраста-
ет на 3 %, а через 5 мс – на 7 %. Таким образом, кера-
мический силовой диск является более эффективным,
чем стальной, хотя технология его изготовления и
условия эксплуатации более сложны.
В целом результаты исследований ЛИЭП в каче-
стве электромеханического ускорителя удовлетвори-
тельно согласуются с расчетными показателями: элек-
трические показатели (ток в ОИ) – с точностью до
4 %, а механические показатели (скорость якоря) – с
точностью до 9 %.
Выводы. Разработана методика эксперимен-
тальных исследований, которая состоит в одновре-
менной регистрации электрических и механических
параметров, характеризующих силовые и скоростные
показатели ЛИЭП.
Разработана математическая модель ЛИЭП ин-
дукционного типа, в которой описываются быстро-
протекающие электромагнитные, тепловые и механи-
ческие процессы, проявляющиеся при перемещении
якоря относительно индуктора.
Показано, что электромеханические процессы в
ЛИЭП носят сложный пространственно-временной
характер, причем в каждый момент времени наблюда-
ется существенная пространственная неравномер-
ность плотности тока, индуцированного в якоре.
Силовые показатели регистрируются с использо-
ванием пьезодатчика, системы тензодатчиков, датчи-
ка пульсации давления и скоростной видеосъемки, а
скоростные показатели – с использованием резистив-
ного датчика перемещений.
Результаты экспериментальных исследований
удовлетворительно согласуются с результатами расче-
тов, полученными при помощи математической модели.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bissal A. Licentiate thesis on the design of ultra-fast electro-
mechanical. – Stockholm, Sweden. – 2013. – 120 p.
2. D.-K. Lim, D.-K. Woo, I.-W. Kim, D.-K. Shin, J.-S. Ro, T.-K.
Chung, H.-K. Jung. Characteristic Analysis and Design of a
Thomson Coil Actuator Using an Analytic Method and a Numeri-
cal Method // IEEE Transactions on Magnetics. – 2013. – vol.49.
– no.12. – pp. 5749-5755. doi: 10.1109/tmag.2013.2272561.
3. Bolyukh V.F., Vinnichenko A.I. Concept of an induction-
dynamic catapult for a ballistic laser gravimeter // Measurement
Techniques. – 2014. – vol.56. – iss.10. – pp. 1098-1104. doi:
10.1007/s11018-014-0337-z.
4. Bolyukh V.F., Luchuk V.F., Rassokha M.A., Shchukin I.S.
High-efficiency impact electromechanical converter // Russian
electrical engineering. – 2011. – vol.82. – no.2. – pp. 104-110.
doi: 10.3103/s1068371211020027.
5. Болюх В.Ф., Щукин И.С. Линейные индукционно-
динамические преобразователи. Saarbrucken, Germany: LAP
Lambert Academic Publishing, 2014. – 496 с.
6. Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н. Мультифизическое
моделирование в электротехнике. – Київ: Ін-т
електродинаміки НАН України, 2015. – 305 с.
7. L. Shoubao, R. Jiangjun, P. Ying, Z. Yujiao, Z. Yadong.
Improvement of Current Filament Method and Its Application in
Performance Analysis of Induction Coil Gun // IEEE Transac-
tions on Plasma Science. – 2011. – vol.39. – no.1. – pp. 382-
389. doi: 10.1109/tps.2010.2047276.
8. Болюх В.Ф., Олексенко С.В., Щукин И.С. Эксперимен-
тальные исследования влияния параметров ферромагнитно-
го сердечника на электромеханические показатели линейно-
го индукционно-динамического преобразователя // Електро-
техніка і електромеханіка. – 2014. – №5. – С. 13-18. doi:
10.20998/2074-272X.2014.5.02.
9. Bolyukh V.F., Oleksenko S.V. The influence of the parameters
of a ferromagnetic shield on the efficiency of a linear induction-
dynamic converter // Russian Electrical Engineering. – 2015. –
vol.86. – no.7. – pp. 425-431. doi: 10.3103/s1068371215070044.
28 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №2
10. Bolyukh V.F., Shchukin I.S. The thermal state of an electrome-
chanical induction converter with impact action in the cyclic opera-
tion mode // Russian electrical engineering. – 2012. – vol.83. –
no.10. – pp. 571-576. doi: 10.3103/s1068371212100045.
11. Comsol Multiphysics modeling and simulation software.
http://www.comsol.com.
12. Bolyukh V.F., Luchuk V.F., Rassokha M.A., Shchukin I.S.
High-efficiency impact electromechanical converter // Russian
electrical engineering. – 2011. – vol.82. – no.2. – pp. 104-110.
doi: 10.3103/s1068371211020027.
13. Наумов И.В., Болюх В.Ф., Бреславский Д.В. Деформи-
рование и разрушение пластин при нагружении цилиндри-
ческим ударником // Механіка та машинобудування. – 2010.
– №1. – С. 207-216.
REFERENCES
1. Bissal A. Licentiate thesis on the design of ultra-fast electro-
mechanical. Stockholm, Sweden. 2013. 120 p.
2. D.-K. Lim, D.-K. Woo, I.-W. Kim, D.-K. Shin, J.-S. Ro, T.-K.
Chung, H.-K. Jung. Characteristic Analysis and Design of a
Thomson Coil Actuator Using an Analytic Method and a Numeri-
cal Method. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, vol.49,
no.12, pp. 5749-5755. doi: 10.1109/tmag.2013.2272561.
3. Bolyukh V.F., Vinnichenko A.I. Concept of an induction-
dynamic catapult for a ballistic laser gravimeter. Measurement
Techniques, 2014, vol.56, iss.10, pp. 1098-1104. doi:
10.1007/s11018-014-0337-z.
4. Bolyukh V.F., Luchuk V.F., Rassokha M.A., Shchukin I.S.
High-efficiency impact electromechanical converter. Russian
electrical engineering, 2011, vol.82, no.2, pp. 104-110. doi:
10.3103/s1068371211020027.
5. Bolyukh V.F., Shchukin I.S. Lineinye induktsionno-
dinamicheskie preobrazovateli [Linear induction-dynamic con-
verters]. Saarbrucken, Germany, LAP Lambert Academic Publ.,
2014. 496 p. (Rus).
6. Podoltsev A.D., Kucheriava I.N. Mul'tifizicheskoe modeliro-
vanie v elektrotekhnike [Multiphysical modeling in electrical
engineering]. Kyiv: Institute of Electrodynamics of NAS of
Ukraine, 2015. 305 p. (Rus).
7. L. Shoubao, R. Jiangjun, P. Ying, Z. Yujiao, Z. Yadong.
Improvement of Current Filament Method and Its Application in
Performance Analysis of Induction Coil Gun. IEEE Transac-
tions on Plasma Science, 2011, vol.39, no.1, pp. 382-389. doi:
10.1109/tps.2010.2047276.
8. Bolyukh V.F., Oleksenko S.V., Schukin I.S. Experimental
study of ferromagnetic core parameters influence on electrome-
chanical characteristics of a linear induction-dynamic converter.
Electrical engineering and electromechanics, 2014, no.5, pp.
13-18. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2014.5.02.
9. Bolyukh V.F., Oleksenko S.V. The influence of the parameters
of a ferromagnetic shield on the efficiency of a linear induction-
dynamic converter. Russian Electrical Engineering, 2015, vol.86,
no.7, pp. 425-431. doi: 10.3103/s1068371215070044.
10. Bolyukh V.F., Shchukin I.S. The thermal state of an electrome-
chanical induction converter with impact action in the cyclic opera-
tion mode. Russian electrical engineering, 2012, vol.83, no.10, pp.
571-576. doi: 10.3103/s1068371212100045.
11. Comsol Multiphysics modeling and simulation software.
Available at: http://www.comsol.com (accessed 05 May 2015).
12. Bolyukh V.F., Luchuk V.F., Rassokha M.A., Shchukin I.S.
High-efficiency impact electromechanical converter. Russian
electrical engineering, 2011, vol.82, no.2, pp. 104-110. doi:
10.3103/s1068371211020027.
13. Naumov I.V, Bolyukh V.F., Breslavskiy D.V. Deformation
and fracture of the plates during loading cylindrical drummer.
Mechanics and engineer, 2010, no.1, pp. 207-216. (Rus).
Поступила (received) 30.11.2016
Болюх Владимир Федорович1, д.т.н., проф.,
Кочерга Александр Иванович1, аспирант,
Олексенко Сергей Владимирович2, к.т.н.,
Щукин Игорь Сергеевич1,3, к.т.н, доц.,
1 Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт»,
61002, Харьков, ул. Кирпичева, 2,
тел/phone +38 057 7076427,
e-mail: bolukh@kpi.kharkov.ua
2 Акционерная компания «Харьковоблэнерго»,
61037, Харьков, ул. Плехановская, 149,
тел/phone +38 057 7312486, e-mail: oleksenko_sergii@mail.ru
3 ООО Фирма «ТЭТРА, Ltd»,
61002, Харьков, ул. Кирпичева, 2,
тел/phone +38 057 7076427, e-mail: tech@tetra.kharkiv.com.ua
V.F. Bolyukh1, A.I. Kocherga1, S.V. Oleksenko2, I.S. Schukin1,3
1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»,
2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
2 Joint-stock company «Kharkivoblenergo»,
149, Plekhanovskaia Str., Kharkiv, 61037, Ukraine.
3 Firm Tetra, LTD,
2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
A technique of experimental investigations of linear impulse
electromechanical converters.
Purpose. Development of a technique of experimental studies
linear pulse electromechanical converters parameters, which are
used as shock-power devices and electromechanical accelerators,
and comparing the experimental results with the calculated indi-
ces obtained using the mathematical model. Methodology.
Method of experimental investigations of linear electromechanical
converter is that the electrical parameters are recorded simulta-
neously (inductor winding current) and mechanical parameters
characterizing the power and speed indicators of the joke with
actuator. Power indicators are primarily important for shock-
power devices, and high velocity - for electromechanical accel-
erators. Power indices were investigated using piezoelectric
sensors, a system of strain sensors, pressure pulsation sensor and
high-speed videorecording. Velocity indicators were investigated
using a resistive movement sensor which allows to record charac-
ter of the armature movement with actuating element in each
moment. Results. The technique of experimental research, which
is the simultaneous recording of electrical and mechanical power
and velocity parameters of the linear electromechanical converter
pulse, is developed. In the converter as a shock-power device
power indicators are recorded using a piezoelectric transducer,
strain sensors system, pressure pulsation sensor and high-speed
video. The parameters of the inductor winding current pulse, the
time lag of mechanical processes in relation to the time of occur-
rence of the inductor winding current, the average speed of the
joke, the magnitude and momentum of electrodynamics forces
acting on the plate strikes are experimentally determined. In the
converter as an electromechanical accelerator velocity perform-
ance recorded using resistive displacement sensors. It is shown
that electromechanical converter processes have complex spatial-
temporal character. The experimental results are in good agree-
ment with the calculated figures obtained by means of a mathe-
matical model that describes the ultrafast electromagnetic, ther-
mal and mechanical processes that occur when the yoke moves
relative to the inductor. Originality. For the first time offered
during experimental studies of impulse linear electromechanical
converter to both to measure the electrical parameters, namely the
inductor winding current, and mechanical parameters character-
izing the power and velocity performance with yoke actuator.
Practical value. The technique of experimental investigations the
parameters of the linear pulse electromechanical converter that
can be used to investigate the shock-power devices and electro-
mechanical accelerators is proposed. References 13, figures 18.
Key words: linear impulse electromechanical converter,
shock-power device, electromechanical accelerator, experi-
mental investigations technique, mathematical model.
|