Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа
Предложена концепция линейного ударного электромеханического преобразователя комбинированного типа с единым индуктором, возбуждаемым от емкостного накопителя энергии апериодическим импульсом, объединяющая индукционный и электромагнитный преобразователи. Для выбора параметров преобразователей исполь...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Дата: | 2015 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2015
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/149286 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа / В.Ф. Болюх, С.В. Олексенко, И.С. Щукин // Електротехніка і електромеханіка. — 2015. — № 4. — С. 20–27. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-149286 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Болюх, В.Ф. Олексенко, С.В. Щукин, И.С. 2019-02-19T20:23:31Z 2019-02-19T20:23:31Z 2015 Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа / В.Ф. Болюх, С.В. Олексенко, И.С. Щукин // Електротехніка і електромеханіка. — 2015. — № 4. — С. 20–27. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2015.4.04 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/149286 621.313:536.2.24:539.2 Предложена концепция линейного ударного электромеханического преобразователя комбинированного типа с единым индуктором, возбуждаемым от емкостного накопителя энергии апериодическим импульсом, объединяющая индукционный и электромагнитный преобразователи. Для выбора параметров преобразователей использован метод МонтеКарло. В качестве целевой функции выбрана наибольшая величина импульса силы, созданного электродинамической и электромагнитной силами, действующего на комбинированный якорь. Установлены особенности электромеханических характеристик и магнитных полей преобразователей. Рассмотрено несколько стратегий выбора и при помощи интегрального показателя определены наиболее и наименее эффективные конструктивные схемы преобразователей. Запропонована концепція лінійного електромеханічного перетворювача комбінованого типу з єдиним індуктором, що збуджується від ємнісного накопичувача енергії аперіодичним імпульсом, яка об’єднує індукційний та електромеханічний перетворювачі. Для вибору параметрів перетворювачів використано метод Монте-Карло. В якості цільової функції вибрана найбільша величина імпульсу сили, утвореного електродинамічною та електромагнітною силами, що діє на комбінований якір. Встановлені особливості електромеханічних характеристик та магнітних полів перетворювачів. Розглянуто декілька стратегій вибору та за допомогою інтегрального показника визначені найбільш та найменш ефективні конструктивні схеми перетворювачів. The concept of linear impactor electromechanical converter combined type with a single inductor excited by capacitive energy storage aperiodic pulse is proposed. The concept combines induction and electromagnetic converters. For the synthesis of the converter parameters the Monte Carlo method is used. As the objective function is selected the maximum value of the total pulse the electrodynamic and electromagnetic force acting on the combined anchor. The features and characteristics of electro-magnetic field converters are identified. Considered several of selection policies and by means of integral index identified the most and least efficient design of the converter circuit. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа A comparative analysis of constructive schemes of linear impactor electromechanical converters combined type Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа |
| spellingShingle |
Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа Болюх, В.Ф. Олексенко, С.В. Щукин, И.С. Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка |
| title_short |
Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа |
| title_full |
Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа |
| title_fullStr |
Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа |
| title_full_unstemmed |
Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа |
| title_sort |
сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа |
| author |
Болюх, В.Ф. Олексенко, С.В. Щукин, И.С. |
| author_facet |
Болюх, В.Ф. Олексенко, С.В. Щукин, И.С. |
| topic |
Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка |
| topic_facet |
Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Електротехніка і електромеханіка |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
A comparative analysis of constructive schemes of linear impactor electromechanical converters combined type |
| description |
Предложена концепция линейного ударного электромеханического преобразователя комбинированного типа с единым
индуктором, возбуждаемым от емкостного накопителя энергии апериодическим импульсом, объединяющая индукционный и электромагнитный преобразователи. Для выбора параметров преобразователей использован метод МонтеКарло. В качестве целевой функции выбрана наибольшая величина импульса силы, созданного электродинамической и
электромагнитной силами, действующего на комбинированный якорь. Установлены особенности электромеханических характеристик и магнитных полей преобразователей. Рассмотрено несколько стратегий выбора и при помощи
интегрального показателя определены наиболее и наименее эффективные конструктивные схемы преобразователей.
Запропонована концепція лінійного електромеханічного перетворювача комбінованого типу з єдиним індуктором, що
збуджується від ємнісного накопичувача енергії аперіодичним імпульсом, яка об’єднує індукційний та електромеханічний перетворювачі. Для вибору параметрів перетворювачів використано метод Монте-Карло. В якості цільової
функції вибрана найбільша величина імпульсу сили, утвореного електродинамічною та електромагнітною силами, що
діє на комбінований якір. Встановлені особливості електромеханічних характеристик та магнітних полів перетворювачів. Розглянуто декілька стратегій вибору та за допомогою інтегрального показника визначені найбільш та найменш ефективні конструктивні схеми перетворювачів.
The concept of linear impactor electromechanical converter
combined type with a single inductor excited by capacitive
energy storage aperiodic pulse is proposed. The concept combines induction and electromagnetic converters. For the synthesis of the converter parameters the Monte Carlo method is used.
As the objective function is selected the maximum value of the
total pulse the electrodynamic and electromagnetic force acting
on the combined anchor. The features and characteristics of
electro-magnetic field converters are identified. Considered
several of selection policies and by means of integral index
identified the most and least efficient design of the converter
circuit.
|
| issn |
2074-272X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/149286 |
| citation_txt |
Сравнительный анализ конструктивных схем линейных ударных электромеханических преобразователей комбинированного типа / В.Ф. Болюх, С.В. Олексенко, И.С. Щукин // Електротехніка і електромеханіка. — 2015. — № 4. — С. 20–27. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT bolûhvf sravnitelʹnyianalizkonstruktivnyhshemlineinyhudarnyhélektromehaničeskihpreobrazovateleikombinirovannogotipa AT oleksenkosv sravnitelʹnyianalizkonstruktivnyhshemlineinyhudarnyhélektromehaničeskihpreobrazovateleikombinirovannogotipa AT ŝukinis sravnitelʹnyianalizkonstruktivnyhshemlineinyhudarnyhélektromehaničeskihpreobrazovateleikombinirovannogotipa AT bolûhvf acomparativeanalysisofconstructiveschemesoflinearimpactorelectromechanicalconverterscombinedtype AT oleksenkosv acomparativeanalysisofconstructiveschemesoflinearimpactorelectromechanicalconverterscombinedtype AT ŝukinis acomparativeanalysisofconstructiveschemesoflinearimpactorelectromechanicalconverterscombinedtype |
| first_indexed |
2025-11-24T04:40:34Z |
| last_indexed |
2025-11-24T04:40:34Z |
| _version_ |
1850841666595848192 |
| fulltext |
Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка
20 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №4
© В.Ф. Болюх, С.В. Олексенко, И.С. Щукин
УДК 621.313:536.2.24:539.2
В.Ф. Болюх, С.В. Олексенко, И.С. Щукин
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ ЛИНЕЙНЫХ УДАРНЫХ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ КОМБИНИРОВАННОГО ТИПА
Запропонована концепція лінійного електромеханічного перетворювача комбінованого типу з єдиним індуктором, що
збуджується від ємнісного накопичувача енергії аперіодичним імпульсом, яка об’єднує індукційний та електромехані-
чний перетворювачі. Для вибору параметрів перетворювачів використано метод Монте-Карло. В якості цільової
функції вибрана найбільша величина імпульсу сили, утвореного електродинамічною та електромагнітною силами, що
діє на комбінований якір. Встановлені особливості електромеханічних характеристик та магнітних полів перетво-
рювачів. Розглянуто декілька стратегій вибору та за допомогою інтегрального показника визначені найбільш та най-
менш ефективні конструктивні схеми перетворювачів. Бібл. 16, табл. 2, рис. 8.
Ключові слова: лінійний ударний електромеханічний перетворювач, електропровідний елемент якоря, феромагнітний
елемент якоря, електродинамічні сили, електромагнітні сили, стратегія вибору, інтегральний показник ефективності.
Предложена концепция линейного ударного электромеханического преобразователя комбинированного типа с единым
индуктором, возбуждаемым от емкостного накопителя энергии апериодическим импульсом, объединяющая индукци-
онный и электромагнитный преобразователи. Для выбора параметров преобразователей использован метод Монте-
Карло. В качестве целевой функции выбрана наибольшая величина импульса силы, созданного электродинамической и
электромагнитной силами, действующего на комбинированный якорь. Установлены особенности электромеханиче-
ских характеристик и магнитных полей преобразователей. Рассмотрено несколько стратегий выбора и при помощи
интегрального показателя определены наиболее и наименее эффективные конструктивные схемы преобразователей.
Библ. 16, табл. 2, рис. 8.
Ключевые слова: линейный ударный электромеханический преобразователь, электропроводящий элемент якоря,
ферромагнитный элемент якоря, электродинамические силы, электромагнитные силы, стратегия выбора,
интегральный показатель эффективности.
Вступление. Линейные ударные электромехани-
ческие преобразователи (ЛУЭП) широко используются
в науке и технике, где необходимы значительные им-
пульсные нагрузки при относительно небольшом пере-
мещении исполнительного элемента (ИЭ) [1-3]. ЛУЭП
применяются в электромагнитных молотах и перфора-
торах [4, 5], в сейсмоисточниках [6], в испытательных
комплексах для проверки ответственных изделий на
ударные нагрузки [7], в системах очистки вагонов,
трюмов, фильтров и иных емкостей от остатков продук-
тов и налипших материалов [8], в системах защиты
информации на цифровых накопителях [9] и т.п.
Существует ряд типов ЛУЭП, но наиболее эф-
фективными являются преобразователи индукцион-
ного (индукционно-динамического) и электромагнит-
ного типов [3, 5]. В этих преобразователях имеется
многовитковый индуктор, который возбуждается от
импульсного источника энергии, например, емкостно-
го накопителя. Магнитное поле индуктора воздейст-
вует на подвижный якорь, который совершает пере-
мещение с ударным ИЭ.
В ЛУЭП индукционного типа якорь является
электропроводящим и за счет индуцированных вих-
ревых токов на него со стороны индуктора действует
электродинамическая сила отталкивания fi. В ЛУЭП
электромагнитного типа якорь является ферромагнит-
ным и на него со стороны индуктора действует элек-
тромагнитная сила притяжения fe.
Указанные ударные преобразователи, как прави-
ло, имеют коаксиальную конфигурацию. Они содер-
жат неподвижный многовитковый индуктор, который
возбуждается от емкостного накопителя энергии
(ЕНЭ), и якорь, который аксиально перемещается
вместе с ИЭ за счет воздействия на него магнитного
поля индуктора.
Для ЛУЭП индукционного и электромагнитного
типов характерен ряд взаимоисключающих особенно-
стей рабочего процесса. Так в ЛУЭП индукционного
типа наибольшие величины электродинамической
силы отталкивания fi и скорости якоря V достигаются
в начале рабочего процесса. В этом преобразователе
исходно расстояние между якорем и индуктором вы-
бирается минимально возможным. При этом величина
рабочего хода якоря, который, как правило, выполня-
ется в виде тонкого медного диска, ограничивается
упором, устанавливаемым на необходимом расстоя-
нии от индуктора.
В ЛУЭП электромагнитного типа, наоборот, наи-
большие значения электромагнитной силы притяже-
ния fe и скорости якоря V достигаются в конце рабо-
чего процесса при взаимодействии, например соуда-
рении, ферромагнитного якоря с индуктором. Якорь
выполняется в виде относительно толстого ферромаг-
нитного диска и исходно устанавливается на опреде-
ленном расстоянии от индуктора, которое и определя-
ет величину рабочего хода якоря.
Как показывает анализ, эффективность ЛУЭП
индукционного и электромагнитного типа относи-
тельно невысока [10]. Поэтому актуальным представ-
ляется подход, при котором предлагаются новые кон-
структивные схемы ЛУЭП, объединяющие элементы
несколько типов электромеханических преобразова-
телей ударного действия [11].
Концепция ЛУЭП комбинированного типа.
Рассмотрим концепцию ЛУЭП комбинированного
типа, которая объединяет в себе элементы ударных
преобразователей индукционного и электромагнитно-
го типов. В предлагаемой концепции ЛУЭП комбини-
рованного типа содержится единый индуктор и два
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №4 21
взаимосвязанных между собой якоря. Один якорь
выполняется электропроводящим и исходно устанав-
ливается на минимальном расстоянии от индуктора, а
второй якорь выполняется ферромагнитным и исход-
но устанавливается на расстоянии рабочего хода от
индуктора в аксиальном направлении.
Таким образом, в предлагаемой концепции
ЛУЭП содержит комбинированный якорь, представ-
ляющий собой взаимосвязанные между собой элек-
тропроводящий (ЭЭЯ) и ферромагнитный (ФЭЯ)
элементы якоря. Расположение элементов якорей
относительно индуктора в ЛУЭП комбинированного
типа должно быть таким, чтобы направления дейст-
вия электродинамической силы отталкивания fi на
ЭЭЯ и электромагнитной силы притяжения fe на ФЭЯ
относительно индуктора совпадали в аксиальном
направлении.
Предлагаемая концепция ЛУЭП комбинирован-
ного типа включает ферромагнитный сердечник (ФС),
усиливающий магнитные поля в активных зонах эле-
ментов комбинированного якоря и уменьшающий
поле рассеяния. Учитывая быстродействие протека-
ния рабочего процесса, ФС и ФЭЯ должны иметь
минимальную электропроводность. В качестве источ-
ника питания используем ЕНЭ с электронной схемой,
формирующей апериодический импульс тока в ин-
дукторе (индуктор шунтирован обратным диодом).
Это позволяет использовать электролитические кон-
денсаторы повышенной удельной энергоемкости.
Однако конструктивные схемы данной концеп-
ции ЛУЭП комбинированного типа не разработаны и
не исследованы.
Целью статьи является разработка и сравни-
тельный анализ конструктивных схем ЛУЭП комби-
нированного типа.
Математическая модель ЛУЭП с ферромагнит-
ным сердечником и ЭЭЯ, которая применима и для
рассматриваемого преобразователя, представлена в
работах [12, 13].
Постановка задачи выбора параметров ЛУЭП
комбинированного типа. Для конструктивных схем
ЛУЭП комбинированного типа выбираем постоянные
параметры и параметрические ограничения. В качест-
ве постоянных параметров ЛУЭП комбинированного
типа принимаем:
рабочий ход ΔZ = 5 мм;
высоту ЭЭЯ H2 = 3 мм;
исходное расстояние между индуктором и ЭЭЯ
δ = 1 мм;
количество витков индуктора N1 = 46;
сечение шины a×b индуктора S1 = 8,64 мм2;
массу ИЭ me = 0,5 кг;
емкость ЕНЭ C = 2850 мкФ;
напряжение ЕНЭ U0 = 400 В.
В качестве ограничений геометрических пара-
метров ЛУЭП используем следующие соотношения:
наружный диаметр Dex < 125 мм;
высота Hex < 75 мм;
внешний диаметр индуктора Dex1<Dex;
внутренний диаметр индуктора Din1<Dex1;
высота индуктора H1 = 2(Dex1Din1)
1·KZ
1·N1·a×b;
внешний диаметр ЭЭЯ Dex2 < Dex;
внутренний диаметр ЭЭЯ Din2 < Dex2;
внешний диаметр ЭЭЯ Dex2 = Dex1;
внутренний диаметр ЭЭЯ Din2 = Din1;
внешний диаметр ФЭЯ Dex3 < Dex;
внутренний диаметр обечайки ФЭЯ Din3 < Dex1;
высота ФЭЯ H3 < HexΔZH4;
внешний диаметр внутреннего цилиндра ФС
Dex4 < Dex1;
внешний диаметр диска ФС Dex4 < Dex,
где KZ – коэффициент заполнения индуктора.
Считаем, что многовитковый индуктор 1 и ЭЭЯ
2, который выполнен в форме массивного диска или
плоского кольца, изготовлены из технической меди.
ФЭЯ 3 и ФС 4 изготовлены из магнитодиэлектрика со
свойствами стали марки Ст.10 (AISI 1010, UNS
G10100). Указанные обозначения активных элементов
ЛУЭП будут использоваться в последующем.
Для выбора геометрических параметров каждой
из конструктивных схем ЛУЭП комбинированного
типа используем метод Монте-Карло. В качестве це-
левой функции выбираем наибольшую величину им-
пульса силы dtfF zz , действующего на комбини-
рованный якорь.
КПД ЛУЭП будем оценивать соотношением [3]:
2
0
12 UCVmm ea ,
где ma – масса комбинированного якоря; V – скорость
якоря с ИЭ.
Для оценки эффективности предлагаемых конст-
руктивных схем в качестве базового варианта исполь-
зуем ЛУЭП индукционного типа, удовлетворяющий
указанным ограничениям, основные показатели и
характеристики которого представлены в работе [14]
(рис. 1). Указанная на рис. 1 шкала интенсивности
индукции магнитного поля B будет единой для всех
последующих рисунков.
Рис. 1. Базовый вариант ЛУЭП с распределением магнитного
поля в момент максимума тока индуктора:
1 – индуктор; 2 – ЭЭЯ; 4 – ФС
В базовом варианте ЛУЭП, в котором отсутству-
ет ФЭЯ, а ФС выполнен в виде диска с наружной
цилиндрической обечайкой, которые охватывают
индуктор, можно отметить следующий характер рас-
пределения магнитного поля (рис. 2). Магнитное поле
рассеяния наблюдается на торцевых сторонах преоб-
разователя. Максимальные значения индукции маг-
нитного поля наблюдаются в диске ФС и в области
внутреннего отверстия индуктора. Наименьшие зна-
чения индукции наблюдаются в области индуктора,
смежной с участком соединения дисковой и цилинд-
рической частей ФС.
22 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №4
Рис. 2. Распределение магнитного поля в базовом варианте
ЛУЭП в момент максимума тока индуктора
Рассмотрим следующие варианты конструктив-
ных схем ЛУЭП комбинированного типа (рис. 3):
ФЭЯ выполнен в виде диска и наружной обечайки,
которые охватывает индуктор с торцевой и наружной
боковой стороны; ФС содержит цилиндр, охваченный
индуктором (варианты схем № 1 – 3);
ФЭЯ выполнен в виде цилиндра, расположенного во
внутреннем отверстии индуктора (вариант схемы № 4);
ФЭЯ выполнен в виде диска, наружный диаметр
которого совпадает с наружным диаметром ФС (вари-
ант схемы № 5);
Индуктор, ЭЭЯ и ФЭЯ расположены в пазу ФС
(варианты схем № 6, 7);
ФЭЯ выполнен в виде внутреннего цилиндра и
диска, наружный диаметр которого совпадает с на-
ружным диаметром ФС (вариант схемы № 8).
Для того чтобы понять работу ЛУЭП комбиниро-
ванного типа рассмотрим электромеханические харак-
теристики одного из вариантов конструктивных схем.
Рассмотрим конструктивную схему № 1, в которой
ФЭЯ выполнен в виде диска и наружной обечайки, а
ФС выполнен в виде цилиндра, охваченного индукто-
ром. На рис. 4 показано изменение плотности тока в
индукторе j1 в течение рабочего хода якоря ЛУЭП.
Ток в индукторе имеет выраженный импульсный
характер с максимальной плотностью j1 = 323 А/мм2
при t = 0,8 мс. Со стороны индуктора на ЭЭЯ действует
электродинамическая сила отталкивания fi, а на ФЭЯ –
электромагнитная сила притяжения fe, которые форми-
руют результирующую аксиально-направленную силу
fz, действующую на комбинированный якорь. Электро-
динамическая сила fi имеет импульсный характер, дос-
тигая максимального значения 12,15 кН. Максимум
этой силы возникает несколько раньше, чем максимум
тока индуктора, что обусловлено индуцированным
током ЭЭЯ [12].
Характер изменения электромагнитной силы fe,
которая действует на ФЭЯ, отличается от характера
изменения электродинамической силы fi. Если бы ток в
индукторе был постоянным, то при перемещении ФЭЯ
к индуктору магнитное поле в активной зоне должно
было бы усиливаться, а сила притяжения ФЭЯ к ин-
дуктору – возрастать. Но поскольку в процессе пере-
мещения ФЭЯ ток в индукторе через 0,8 мс уменьша-
ется, то увеличение силы притяжения fe после этого
момента времени практически не происходит. В харак-
тере изменения электромагнитной силы fe можно отме-
тить возрастание до максимальной величины 4,15 кН
при t = 1,0 мс, после чего наблюдается незначительное
уменьшение силы и последующее повторное увеличе-
ние до момента соударения ФЭЯ с индуктором.
№1 №2
№3 №4
№5 №6
№7 №8
Рис. 3. Варианты конструктивных схем ЛУЭП комбиниро-
ванного типа и распределения магнитных полей в момент
максимума тока в индукторе:
1 – индуктор; 2 – ЭЭЯ; 3 – ФЭЯ; 4 – ФС
Рис. 4. Плотность тока индуктора и силы, действующие
на якорь и его элементы в течение рабочего хода
Поскольку ЭЭЯ и ФЭЯ соединены между собой,
то возникающая при этом результирующая аксиаль-
но-направленная сила fz имеет выраженный импульс-
ный характер с максимальным значением 16,14 кН
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №4 23
в момент времени t = 0,8 мс. Характер изменения
результирующей силы fz во многом повторяет харак-
тер изменения электродинамической силы fi. Однако
после достижения максимального значения и до мо-
мента соударения ФЭЯ с индуктором затухание силы
fz происходит более медленно по сравнению затуха-
нием электродинамической силы fi.
Как следствие указанных процессов импульсы
сил, действующие на элементы комбинированного
якоря, имеют следующие особенности (рис. 5).
Рис. 5. Импульсы сил, действующие на якорь
и его элементы в течение рабочего хода ЛУЭП
Импульс электродинамической силы Fi, дейст-
вующий на ЭЭЯ, резко возрастает примерно до мо-
мента времени t = 0,8 мс, после чего его рост замедля-
ется, достигая максимального значения 11,9 Нс в
конце рабочего хода. Импульс электромагнитной
силы Fe, действующий на ФЭЯ, также возрастает, но
практически без замедления роста, достигая макси-
мального значения 5,8 Нс в конце рабочего хода. В
результате совместного действия электродинамиче-
ской и электромагнитный сил на комбинированный
якорь действует импульс результирующей аксиально-
направленной силы Fz, который достигает величины
17,7 Нс, что более чем в 2,2 раза превышает импульс
силы в базовом варианте ЛУЭП.
Под действием импульса результирующей акси-
ально-направленной силы Fz комбинированный якорь
вместе с ИЭ совершает перемещение ΔZ со скоростью
V (рис. 6). Их скорость постоянно возрастает, достигая
максимального значения Vm = 5,55 м/с в конце рабочего
хода. При этом наблюдается замедление роста скоро-
сти V, особенно после момента времени t = 1,0 мс.
Отметим, что данная скорость почти на 37 % меньше,
чем в базовом варианте ЛУЭП. Это объясняется тем,
что масса комбинированного якоря почти в 7 раз
больше массы базового варианта ЛУЭП. КПД ЛУЭП
комбинированного типа возрастает на 36 % по сравне-
нию с базовым вариантом.
Оценку эффективности указанных выше конст-
руктивных схем ЛУЭП комбинированного типа про-
ведем при помощи безразмерных параметров, отне-
сенных к соответствующим параметрам базового
варианта ЛУЭП.
Рис. 6. Скорость и перемещение якоря в течение рабочего
хода ЛУЭП
Для базового варианта ЛУЭП получены сле-
дующие электромеханические показатели: макси-
мальная скорость Vm = 8,52 м/с, максимальная вели-
чина электродинамической силы fzm = 15,22 кН, им-
пульс силы Fz = 7,99 Hc, максимальная плотность
тока в индукторе j1m = 523,6 А/мм2 и КПД η = 7,07 %
[10, 11]. Этот ЛУЭП имеет следующие массогабарит-
ные показатели: масса якоря ma = 0,204 кг, общая
масса m = 2,221 кг и высота G = 25 мм.
В табл. 1 представлены относительные показате-
ли конструктивных схем ЛУЭП комбинированного
типа с выбранными параметрами.
Как видно из табл. 1, максимальная электроди-
намическая сила отталкивания fim уменьшается в кон-
структивных схемах ЛУЭП № 1 – 6 на 20-35 % и не-
значительно увеличивается в схемах ЛУЭП № 7, 8 по
сравнению с базовым вариантом.
Таблица 1
Относительные показатели конструктивных схем ЛУЭП
комбинированного типа
№ схемы
ЛУЭП
j1m
* fim
* fzm
* Fi
* Fz
* Vm
* η* ma
* m* G*
1 0,340 0,798 1,060 1,490 2,218 0,651 1,360 6,970 1,243 1,8
2 0,349 0,810 1,058 1,532 2,229 0,635 1,321 7,142 1,576 2,2
3 0,325 0,798 1,060 1,518 2,251 0,663 1,395 6,970 1,576 2,2
4 0,306 0,616 0,841 0,956 1,399 1,079 1,655 3,098 1,679 2,8
5 0,307 0,626 1,105 0,711 1,249 0,852 1,494 4,480 1,576 2,2
6 0,332 0,727 0,761 1,340 1,485 0,971 2,312 5,348 1,790 3,0
7 0,563 1,093 1,178 1,117 1,388 0,736 1,164 4,676 1,538 2,4
8 0,579 1,101 1,188 1,070 1,349 0,669 0,959 4,656 1,046 1,6
Однако за счет электромагнитной силы притяже-
ния fe результирующая сила fz, действующая на ком-
бинированный якорь, примерно такая же, как в базо-
вом варианте ЛУЭП. Только в конструктивных схемах
ЛУЭП № 4 и № 6 указанная сила снижается.
Импульс результирующей силы Fz возрастает по
сравнению с базовым вариантом для всех конструк-
тивных схем ЛУЭП: более чем в 2,2 раза для схем
ЛУЭП №1-3 и в 1,2-1,4 раза для схем ЛУЭП №4-8. За
счет увеличения массы комбинированного якоря в 3-7
раз его скорость в основном снижается до 35 % по
сравнению с базовым вариантом. Массогабаритные
показатели ЛУЭП комбинированного типа сущест-
24 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №4
венно увеличиваются по сравнению с базовым вари-
антом. Но при этом уменьшается плотность тока в
индукторе, что благоприятно для электронной схемы
возбуждения.
КПД всех конструктивных схем ЛУЭП комбини-
рованного типа выше, чем у базового варианта. Наи-
большая величина КПД в схеме ЛУЭП № 6, которая
более чем в 2,3 раза превышает величину КПД базо-
вого варианта.
Магнитные поля ЛУЭП комбинированного
типа. Рассмотрим распределение магнитных полей в
ЛУЭП комбинированного типа, конструктивные схе-
мы которых представлены на рис. 3. На рис. 7 показа-
но распределение силовых линий и интенсивности
индукции магнитного поля в момент максимума тока
индуктора для этих конструктивных схем ЛУЭП.
Рассмотрим магнитные поля в конструктивных
схемах ЛУЭП, в которых ФЭЯ выполнен в виде диска
с наружной обечайкой, а ФС содержит внутреннюю
цилиндрическую часть, охваченную индуктором
(схемы № 1 – 3) (рис. 7,а – в). В конструктивной схе-
ме ЛУЭП № 1 магнитное поле рассеяния мало
(рис.7,а). Наибольшая индукция магнитного поля
наблюдается на верхнем наружном участке ФС.
На рис. 7,б показана конструктивная схема
ЛУЭП № 2. Здесь ФС выполнен с центральным пазом,
в котором расположен внутренний цилиндр ФЭЯ, и
диском, обращенным к ЭЭЯ.
В данном преобразователе наибольшая индукция
магнитного поля наблюдается во внутреннем цилинд-
ре ФЭЯ и верхней части ФС. При отсутствии внут-
реннего цилиндра ФЭЯ и центрального паза в ФС
наибольшая индукция наблюдается в верхней части
ФС и в области между индуктором и ЭЭЯ (рис. 7,в).
Таким образом, наличие дисковой части ФС заметно
усиливает поле, которое становится более равномер-
ным в ФЭЯ.
Если ФЭЯ выполнен в виде цилиндра, располо-
женного во внутреннем отверстии индуктора (рис. 7,г),
то максимальная индукция магнитного поля наблюда-
ется в нижней его части у наружной боковой поверхно-
сти. При этом ФС практически является малонасыщен-
ным. Если ФЭЯ выполнен в виде диска, наружный
диаметр которого совпадает с наружным диаметром ФС
(рис. 7,д), то магнитная индукция в верхней части кон-
структивной схемы ЛУЭП № 5 принимает наибольшие
значения, а поле становится более равномерным.
При расположении ЭЭЯ и ФЭЯ в пазу ФС рас-
пределение магнитного поля существенно зависит от
наружного диаметра внутреннего цилиндра ФС. Если
наружный диаметр внутреннего цилиндра ФС значи-
телен, то магнитное поле в активных элементах кон-
структивной схемы ЛУЭП № 6 относительно неболь-
шое (рис. 7,е). Если указанный диаметр мал, то маг-
нитная индукция во внутреннем цилиндре ФС пре-
вышает индукцию насыщения материала, из которого
выполнен сердечник (рис. 7,ж,з). При этом сущест-
венно увеличивается индукция магнитного поля в
области между индуктором и ЭЭЯ.
Стратегия выбора конструктивной схемы
ЛУЭП комбинированного типа. Анализируя данные
табл. 1, 2 и характер распределения магнитных полей,
сложно отдать предпочтение тому или иному вариан-
ту, поскольку эффективность ЛУЭП комбинирован-
ного типа характеризует ряд противоречивых показа-
телей. ЛУЭП должен развивать наибольший импульс
силы Fz, действующий на комбинированный якорь, и
обладать максимальным КПД η. Но при этом масса m
и габариты G такого ЛУЭП должны быть минималь-
ными. Наименьшей должна быть и максимальная
плотность тока в индукторе j1m, что важно для элек-
тронной системы возбуждения. Учитывая данные
обстоятельства, введем интегральный показатель
эффективности, учитывающий основные показатели
ЛУЭП, значимость которых оценивается весовыми
коэффициентами, определяемые из принятой страте-
гии выбора конструктивной схемы [15].
Для ЛУЭП комбинированного типа интеграль-
ный показатель эффективности, учитывающий мак-
симальные значения импульса силы и КПД при ми-
нимальных массогабаритных показателях и плотности
тока в индукторе, принимает вид:
G
G
m
m
F
F
j
j
K
z
z
m
m 0
5
0
4
0
3
0
2
1
01
1
*
,
где β1 – весовой коэффициент, учитывающий макси-
мальное значение плотности тока в индукторе j1m; β2 –
весовой коэффициент, учитывающий величину им-
пульса силы, действующего на комбинированный
якорь Fz; β3 – весовой коэффициент, учитывающий
КПД ЛУЭП η; β4 – весовой коэффициент, учитываю-
щий массу ЛУЭП m; β5 – весовой коэффициент, учи-
тывающий габариты ЛУЭП G. Индексом «0» обозна-
чены показатели базового варианта ЛУЭП.
Все весовые коэффициенты, указывающие сте-
пень важности соответствующего показателя в инте-
гральном показателе эффективности ЛУЭП связаны
соотношением [16]:
5
1
1
i
i .
Рассмотрим шесть стратегий выбора наиболее
эффективной конструктивной схемы ЛУЭП комбини-
рованного типа, варианты которых представлены в
табл. 2. Вариант стратегии выбора определяется соот-
ношением весовых коэффициентов, которые задают
приоритетность соответствующих показателей ЛУЭП.
Таблица 2
Варианты стратегии выбора конструктивной схемы ЛУЭП
I II III IV V VI
β1 0,2 0,2 0,2 0,4 0,1 0,1
β2 0,2 0,4 0,2 0,2 0,2 0,2
β3 0,2 0,2 0,4 0,2 0,2 0,2
β4 0,2 0,1 0,1 0,1 0,4 0,1
β5 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,4
В варианте стратегии выбора I все показатели
оцениваются равнозначно. В варианте стратегии II
наивысший приоритет отдан величине импульса си-
лы, действующего на комбинированный якорь Fz, в
варианте III – КПД η, а в варианте IV – максимальной
плотности тока в индукторе j1m. В вариантах II – IV
массогабаритные показатели оцениваются наиболее
низким приоритетом.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №4 25
№ 1 № 2
№ 3 № 4
№ 5 № 6
№ 7 № 8
Рис. 7. Распределение магнитных полей в вариантах конструктивных схем ЛУЭП
В варианте стратегии выбора V наивысший при-
оритет отдан массе m, а в варианте VI – габаритам G
ЛУЭП. При этом в варианте V наиболее низкий при-
оритет применен для максимальной плотности тока в
индукторе j1m и массы m ЛУЭП. А в варианте VI наи-
низший приоритет применен для максимальной плот-
ности тока в индукторе j1m и габаритам G ЛУЭП.
На рис. 8 представлены значения интегрального
показателя эффективности для предложенных вариантов
стратегии выбора конструктивной схемы ЛУЭП.
При равнозначности всех показателей (вариант
стратегии I) и при наивысшем приоритете импульса
силы Fz (вариант стратегии II) наиболее эффективной
является конструктивная схема ЛУЭП № 1. Инте-
гральный показатель эффективности данной схемы в
1,57 раз выше, чем в базовом варианте.
При наивысшем приоритете КПД η (вариант стра-
тегии III) и максимальной плотности тока в индукторе
j1m (вариант стратегии IV) наиболее эффективной явля-
ется конструктивная схема ЛУЭП № 6. Интегральный
показатель эффективности данной схемы в варианте
стратегии III в 1,91 раз выше, а в варианте стратегии IV
– в 2,05 раз выше, чем в базовом варианте.
При наивысшем приоритете массы m, эффектив-
ность конструктивных схем ЛУЭП № 1 и № 6 при-
мерно равна и является наивысшей (вариант страте-
26 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №4
гии выбора V). А при наивысшем приоритете габари-
тов G (вариант VI) наиболее эффективной является
конструктивная схема ЛУЭП № 1.
Рис. 8. Значения интегрального показателя эффективности
при различных вариантах стратегии выбора конструктивной
схемы ЛУЭП
Анализируя представленные варианты стратегий
выбора конструктивной схемы ЛУЭП комбинирован-
ного типа, можно сделать следующие выводы.
Наиболее эффективными являются конструктив-
ная схема ЛУЭП № 1, в которой ФЭЯ выполнен в
виде диска с наружной обечайкой, а ФС содержит
внутреннюю цилиндрическую часть, и конструктив-
ная схема № 6, в которой индуктор, ЭЭЯ и ФЭЯ рас-
положены в едином пазу ФС. Наименее эффективны-
ми являются конструктивные схемы ЛУЭП № 7 и №
8, у которых индуктор и ЭЭЯ выполнены в форме
диска с малым внутренним отверстием.
Заключение. Предложена концепция ЛУЭП
комбинированного типа с единым индуктором, воз-
буждаемым от емкостного накопителя энергии, объе-
диняющая индукционный и электромагнитный пре-
образователи.
Для выбора параметров конструктивных схем
ЛУЭП использован метод Монте-Карло, в котором в
качестве целевой функции выбрана наибольшая вели-
чина импульса силы, созданного электродинамиче-
ской и электромагнитной силами, действующего на
комбинированный якорь.
Установлены особенности электромеханических
характеристик и магнитных полей конструктивных
схем ЛУЭП комбинированного типа.
При помощи нескольких стратегий выбора с ис-
пользованием интегрального показателя определены
наиболее и наименее эффективные конструктивные
схемы ЛУЭП комбинированного типа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болюх В.Ф., Коритченко К.В. Основні напрямки розви-
тку електромеханічних імпульсних прискорювачів // Елект-
ротехніка і електромеханіка. – 2009. – №4. – С. 7-13.
2. Здор Г.Н., Мамутов А.В., Мамутов В.С., Смотраков Д.В.
Разработка эффективных технологических устройств для маг-
нитно-эластоимпульсной вырубки-пробивки тонколистовых
материалов // Металлообработка. – 2001. – №2. – С. 28-32.
3. Болюх В.Ф., Щукин И.С. Линейные индукционно-
динамические преобразователи. Saarbrucken, Germany: LAP
Lambert Academic Publishing, 2014. – 496 с.
4. Угаров Г.Г., Нейман В.Ю. Тенденции развития и приме-
нения ручных ударных машин с электромеханическим
преобразованием энергии // Известия вузов. Электромеха-
ника. – 2002. – №2. – С. 37-43.
5. Нейман В.Ю. Анализ процессов энергопреобразования
линейных электромагнитных машин с предварительным
аккумулированием магнитной энергии в динамических
режимах // Электротехника. – 2003. – №2. – С. 30-36.
6. Гурин А.Г., Набока Б.Г., Гладченко В.Я. Волновые
явления в электродинамических излучателях и формирова-
ние сложных гидроакустических сигналов // Технічна елек-
тродинаміка. – 2001. – №2. – С. 3-6.
7. Татмышевский К.В., Козлов С.А. Магнитно-импульсные
установки для испытаний изделий авиакосмической техни-
ки на ударные воздействия // Авиакосмическое приборо-
строение. – 2005. – №12. – С. 52-57.
8. Тютькин В.А. Магнитно-импульсный способ разруше-
ния сводов и очистки технологического оборудования от
налипших материалов // Электротехника. – 2002. – №11. –
С. 24-28.
9. Болюх В.Ф., Марков А.М., Лучук В.Ф., Щукин И.С.
Устройство защиты компьютерной информации от несанк-
ционированного доступа на основе индукционно-
динамического двигателя // Електротехніка і електромеха-
ніка. – 2008. – №2. – С. 5-10.
10. Болюх В.Ф. Пути совершенствования линейных элек-
тромеханических преобразователей импульсного действия //
Електротехніка і електромеханіка. – 2006. – №5. – С. 14-21.
11. Болюх В.Ф., Щукин И.С. Схемно-конструктивные со-
вершенствования ударных электромеханических преобразо-
вателей индукционного типа // Електротехніка і електроме-
ханіка. – 2010. – № 5. – С. 5-11.
12. Болюх В.Ф., Олексенко С.В., Щукин И.С. Влияние
параметров ферромагнитного сердечника на эффективность
индукционно-динамического двигателя // Електротехніка і
електромеханіка. – 2012. – №6. – С. 20-27.
13. 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.
14. Bolyukh V.F., Oleksenko S.V., Katkov I.I. The use of fast
cryogenic cooling and ferromagnetic core greatly increases effi-
ciency of a linear induction-dynamic converter // Refrigeration
Science and Technology. – 13th International Institute of Refrig-
eration Conference on Cryogenics. – Prague, Czech Republic. –
April 7-11, 2014. – Code 106226. – 2014. – pp. 268-275.
15. Bolyukh V.F., Lysenko L.I., Bolyukh E.G. Parameters of high-
efficiency pulsed inductive electromechanical converters // Russian
Electrical Engineering. – 2004. – vol.75. – №12. – pp. 1-11.
16. Bolyukh V.F., Luchuk V.F., Rassokha M.A., Shchukin I.S.
High-efficiency impact electromechanical converter // Russian
electrical engineering. – 2011. – vol.82. – №2. – pp. 104-110.
REFERENCES
1. Bolyukh V.F., Korytchenko K.V. Mainstreams of develop-
ment of electromechanical impulse accelerators. Elektrotekhnіka
і elektromekhanіka – Electrical engineering & electromechan-
ics, 2009, no.4, pp. 7-13. (Rus).
2. Zdor G.N., Mamut A.V., Mamut V.S., Smotrakov D.V. De-
velopment of effective technological devices for magnetic elastic
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №4 27
impulse cutting-punching thin materials. Metalloobrabotka –
Metal Processing, 2001, no.2, pp. 28-32. (Rus).
3. 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).
4. Ugarov G.G., Neiman V.Y. Trends in the development and
use of hand-held drum machines with electromechanical energy
conversion. Izvestiia vuzov. Elektromekhanika – Proceedings of
the universities. Electromechanics, 2002, no.2, pp. 37-43. (Rus).
5. Neiman V.Y. Analysis of the processes of energy conver-
sion of linear electromagnetic machines with preliminary accu-
mulation of magnetic energy in dynamic modes. Elektrotekhnika
– Electrical Engineering, 2003, no.2, pp. 30-36. (Rus).
6. Gurin A.G., Naboka B.G., Gladchenko V.J. Wave phenom-
ena in electromagnetic emitters and the formation of complex
acoustic signals. Tekhnichna elektrodynamika – Technical elec-
trodynamics, 2001, no.2, pp. 3-6. (Rus).
7. Tatmyshevsky K.V., Kozlov S.A. Magnetic pulse installa-
tion for testing products for aerospace shock effects. Aviakos-
micheskoe priborostroenie – Aerospace Instrument, 2005,
no.12, pp. 52-57. (Rus).
8. Tyutkin V.A. Magnetic pulse method for breaking arches
and cleaning of process equipment from adhering materials.
Elektrotekhnika – Electrical Engineering, 2002, no.11,
pp. 24-28. (Rus).
9. Bolyukh V.F., Markov A.M., Luchuk V. F., Shchukin I.S.
Device for computer information security from unauthorized
access on the basis of an induction-dynamic motor. Elektro-
tekhnіka і elektromekhanіka – Electrical engineering & elec-
tromechanics, 2008, no.2, pp. 5-10. (Rus).
10. Bolyukh V.F. Ways of improvement of electromechanical
linear impulse converters. Elektrotekhnіka і elektromekhanіka
– Electrical engineering & electromechanics, 2006, no.5,
pp. 14-21. (Rus).
11. Bolyukh V.F., Shchukin I.S. Schematic constructive im-
provement of impact electromechanical induction type convert-
ers. Elektrotekhnіka і elektromekhanіka – Electrical engineering
& electromechanics, 2010, no.5, pp. 5-11. (Rus).
12. Bolyukh V.F., Oleksenko S.V., Shchukin I.S. Influence of
ferromagnetic core parameters on induction-type dynamic motor
efficiency. Elektrotekhnіka і elektromekhanіka – Electrical
engineering & electromechanics, 2012, no.6, pp. 20-27. (Rus).
13. 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.
14. Bolyukh V.F., Oleksenko S.V., Katkov I.I. The use of fast
cryogenic cooling and ferromagnetic core greatly increases
efficiency of a linear induction-dynamic converter. Refrigera-
tion Science and Technology. 13th International Institute of
Refrigeration Conference on Cryogenics. Prague, Czech Repub-
lic, April 7-11, 2014. Code 106226. pp. 268-275.
15. Bolyukh V.F., Lysenko L.I., Bolyukh E.G. Parameters of high-
efficiency pulsed inductive electromechanical converters. Russian
Electrical Engineering, 2004, vol.75, no.12, pp. 1-11.
16. 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.
Поступила (received) 05.02.2015
Болюх Владимир Федорович1, д.т.н., проф.,
Олексенко Сергей Владимирович1, аспирант,
Щукин Игорь Сергеевич1,2, к.т.н., доц.,
1 Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт»,
61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21,
тел/phone +38 057 7076427,
e-mail: bolukh@kpi.kharkov.ua, oleksenko_sergii@mail.ru
2 ООО Фирма «ТЭТРА, Ltd»,
61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21,
тел/phone +38 057 7076427, e-mail: tech@tetra.kharkiv.com.ua
V.F. Bolyukh1, S.V. Oleksenko1, I.S. Schukin1,2
1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»,
21, Frunze Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
2 Firm Tetra, LTD,
21, Frunze Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
A comparative analysis of constructive schemes of linear
impactor electromechanical converters combined type.
The concept of linear impactor electromechanical converter
combined type with a single inductor excited by capacitive
energy storage aperiodic pulse is proposed. The concept com-
bines induction and electromagnetic converters. For the synthe-
sis of the converter parameters the Monte Carlo method is used.
As the objective function is selected the maximum value of the
total pulse the electrodynamic and electromagnetic force acting
on the combined anchor. The features and characteristics of
electro-magnetic field converters are identified. Considered
several of selection policies and by means of integral index
identified the most and least efficient design of the converter
circuit. References 16, tables 2, figures 8.
Key words: linear impactor electromechanical converters,
induction converter, electromagnetic converter, synthesis of
the converter parameters, magnetic field, efficient design.
|