Методика розрахунку лінійного індукційного двигуна ударної дії при збудженні від ємнісного накопичувача енергії та джерела постійного струму, яка враховує різні механічні, електромагнітні та теплові нелінійні перехідні процеси і характеристики.
Аннотация к работе
Лінійні електричні машини ударної дії використовуються в різних галузях народного господарства - металообробній, горнорудній та будівельній промисловості; в геологорозвідці, на транспорті, у наукових дослідженнях та ін. Як правило, зазначені двигуни безпосередньо перетворюють електричну енергію нерухомого накопичувача в кінетичну енергію якоря, який може бути зєднаним із виконавчим елементом, за дуже короткий час та працюють у швидкоплинних перехідних режимах при електромагнітних навантаженнях, які багаторазово перевищують навантаження тривало працюючих електродвигунів. Лінійні індукційні двигуни ударної дії (ЛІДУД), засновані на електродинамічній взаємодії між нерухомою обмоткою, збуджуючою магнітне поле при підключенні до джерела енергії, та рухомим якорем, в якому індукуються вихрові струми, є вельми перспективними. Метою дисертаційної роботи являється дослідження впливу кріогенного охолодження рідким азотом активних елементів лінійного індукційного двигуна ударної дії на його робочі параметри та розробка рекомендацій щодо їх оптимізації. У наукових роботах, опублікованих у співавторстві, особисто дисертанту належить: у роботах [3,4,6] - аналіз результатів розрахунку впливу кріогенного охолодження на параметри й характеристики двигуна, визначення його оптимальних параметрів; у роботі [5] - математична модель теплофізичних процесів у кріорезистивній обмотці збудження; у роботах [7,8] - математична модель та електрична схема заміщення двигуна; у роботі [9] - алгоритм розрахунку параметрів двигуна; у роботі [10] - результати розрахунку на ЕОМ; у роботі [11] - розрахунок розподілу температури та магнітного поля по перетину кріорезистивної обмотки збудження; у патенті [12] - варіанти конструкції електромагнітної системи двигуна.Кріогенне охолодження активних струмонесучих елементів електричних машин дозволяє за рахунок багаторазового зниження активного опору збільшити амплітуди струмів, магнітних полів, електродинамічних зусиль між обмоткою збудження та якорем, зменшити масогабаритні показники за рахунок вилучення феромагнетику з магнітного кола, поліпшити регулювальні та швидкісні характеристики за рахунок зменшення індуктивностей. З одного боку, кріогенне охолодження повязано із цілим комплексом проблем, які визначаються сильною залежністю електромагнітних параметрів обмотки збудження від теплових характеристик, магнітних полів, часу навантаження струмом, швидкості зміни струму та ін., з другого боку, виникає цілий ряд моментів, повязаних з електромеханічним перетворенням енергії. Внаслідок переміщення якоря перехідний електричний процес у двигуні відбувається при постійній зміні магнітного звязку між обмоткою і якорем. Rn(Tn, Bn), Ln, in(t), Tn, Bn - опір, індуктивність, струм, температура, індукція магнітного поля обмотки і якоря (n = 1,2 - індекси обмотки і якоря); M(z) - коефіцієнт взаємної індуктивності між обмоткою і якорем, що рухається по осі z; V(t) - швидкість якоря із виконавчим елементом двигуна. Це призводить до посилення взаємодії між обмоткою та якорем, оскільки в процесі руху, коли диск якоря значно віддаляється від обмотки, циліндрична обичайка знаходиться у зоні обмотки; між обмоткою та рухомим якорем зберігається хороший магнітний звязок, а звідси - великий індукований струм у якорі та сила електродинамічного відштовхування від обмотки.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Список литературы
Эль Юссеф И.М. Линейные электродвигатели для сверхскоростного разгона // Сборник научных трудов ХГПУ “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”. Харьков: ХГПУ. - 1998. - Вып. 6. Ч. 2. - С. 357 - 361.
Эль Юссеф И.М. Особенности работы криогенного ударного двигателя, возбуждаемого от источника постоянного тока // Вестн. Харьк. гос. политехн. ун-та. - Сер.: Новые решения в современных технологиях. - 1999. - Вып. № 46. - С. 66-68.
Болюх В.Ф, Эль Юссеф И.М. Влияние охлаждения жидким азотом на эффективность линейного индукционного ударного двигателя // Техн. електродинаміка. - 1998.- №2. - С. 52 - 57.
Болюх В.Ф., Данько В.Г., Эль Юссеф И.М. Влияние криогенного охлаждения на характеристики линейного ударного двигателя // Вестник науки и техники. - 1997. - Вып.1. - С. 18 - 23.
Болюх В.Ф., Эль Юссеф И.М. Особенности применения криорезистивных обмоток в электродинамических устройствах // Труды междунар. науч.-техн. конф. "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Харьков, 12-14 мая 1997. -Харьков: ХГПУ. - 1997.- Ч.З - С. 8 -12.
Болюх В.Ф., Данько В.Г., Эль Юссеф И.М. Использование низкотемпературных обмоток в электромеханических системах// Труды междунар. науч.-техн. конф. "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Харьков, 12-14 мая 1997. Ч.3. -Харьков: ХГПУ, 1997.- С. 13 - 17.
Болюх В.Ф, Эль Юссеф И.М. Использование криорезистивных обмоток в электромеханических системах // Вестн. Харьк. гос. политехн. ун-та. - Экология. Математика. Электроэнергетика. - 1997. - Вып.8. - С.138 - 144.
Danko V.G., Bolukh V.F., El.Youssef I.M. A study of a linear impulse cryogenic motor // Proceedings of the fifth IIR International conference “Cryogenics’98”. - Praha, Czech Republic. - 1998. - P. 22 - 25.
Болюх В.Ф., Эль Юссеф И.М. Особенности применения криорезистивных магнитных систем в электротехнических устройствах// Вестн. Харьк. гос. политехн. ун-та. - Сер.: Новые решения в современных технологиях. - 1998. - Вып. № 9. - С. 95-97.
Болюх В.Ф., Эль Юссеф И.М. Особенности работы криорезистивных обмоток ударного электродвигателя // Вестн. Харьк. гос. политехн. ун-та. - 1998. - Вып. № 27. - С. 7-11.
Ібрагім Ель-Юссеф Мослех. Вплив кріогенного охолодження на параметри лінійного індукційного двигуна ударної дії. - Рукопис.
Дисертація за здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - електричні машини і апарати. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.
Дисертація присвячена дослідженню впливу охолодження рідким азотом на параметри та характеристики лінійного індукційного двигуна ударної дії. Розроблено алгоритм розрахунку характеристик електродвигуна, який враховує комплекс взаємоповязаних електромагнітних, механічних та теплових процесів, що залежать від нелінійних параметрів. Одержано аналітичні вирази для струмів у обмотці збудження та якорі при використанні ємнісного накопичувача енергії, або джерела постійного струму. Проаналізовано вплив і показана перспективність використання кріогенного охолодження рідким азотом для електродвигуна ударної дії при різних параметрах джерела живлення та різних навантаженнях.
Запропоновані конструктивні удосконалення електромагнітної та кріогенної систем двигуна, що забезпечують ефективну взаємодію якоря з обмоткою. Здійснено експериментальні дослідження зразка двигуна із ємнісним збудженням.
Ibrahim El-Youssef Mosleh. Effect of cryogenic cooling on linear induction impact motor parameters.- Manuscript.
Thesis for a candidates degree by speciality 05.09.01- Electric machines and apparatus.- Kharkov State Polytechnic University, Kharkov, 1999.
The thesis presents research into effect of liquid nitrogen cooling on linear induction impact motor parameters and characteristics. The work introduces a general algorithm of the cryogenic motor characteristics calculations which takes into account a combination of mutually-coupled electromagnetic, dynamic, and thermal processes dependent on nonlinear parameters. Analytical expressions for currents in the excitation winding and accelerated armature are obtained for two types of the motor excitation, namely, a capacitor accumulator and a dc power supply. The analysis conducted has revealed influence of the cryogenic cooling on efficiency of electromechanical power conversion as well as kinetic and temperature factors for different power supply parameters and the motor loads. The motor electromagnetic system construction has been improved to provide effective electrodynamics interaction between the armature and the winding. A few structural schemes of a liquid-nitrogen-cooled motor are presented. Laboratory experimentation on a mockup of the capacitor-excited linear induction motor has proved main theoretical results.
Key words: linear induction impact motor, cryogenic cooling, mathematical model, motor design, experimental research.
Ибрагим Эль-Юссеф Мослех. Влияние криогенного охлаждения на параметры линейного индукционного двигателя ударного действия. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.
Диссертация посвящена исследованию влияния криогенного охлаждения жидким азотом на параметры и характеристики линейного индукционного двигателя ударного действия (ЛИДУД), обеспечивающего высокие ускорения на короткой длине и создание значительных механических нагрузок импульсного типа. ЛИДУД, основанный на электродинамическом взаимодействии между статорной обмоткой возбуждения и линейно перемещаемым токопроводящим якорем, в котором индуцируются вихревые токи, работает в кратковременных переходных режимах при высоких импульсных электромагнитных нагрузках.
Одним из путей повышения эффективности двигателя может быть криогенное охлаждение активных токовых элементов, поскольку при этом понижается их активное сопротивление, за счет чего кратковременно можно увеличить токи и электродинамические усилия, уменьшить потери и вес двигателя за счет исключения ферромагнетика из магнитной цепи.
Целью диссертации является исследование влияния криогенного охлаждения жидким азотом активных частей ЛИДУД на его рабочие параметры и разработка рекомендаций по их оптимизации.
ЛИДУД с криогенным охлаждением, возбуждаемый либо от емкостного накопителя энергии (ЕНЭ), либо от источника постоянного тока (ИПТ), представляет сложное электромеханическое устройство, характеризующееся постоянно изменяемой магнитной связи между обмоткой и ускоряемым якорем. Значительные импульсные токи создают магнитное поле, которое изза магниторезистивного эффекта, а также изза повышения температуры в процессе работы увеличивают сопротивление активных токовых элементов.
Разработан общий алгоритм расчета характеристик ЛИДУД с криогенным охлаждением, учитывающий комплекс взаимосвязанных электромагнитных, динамических и тепловых процессов, зависящих отряда нелинейных параметров. Получены аналитические выражения для токов в обмотке возбуждения и якоре. Тепловой процесс в обмотке возбуждения электродвигателя рассчитывается при помощи численного решения нелинейного нестационарного уравнения теплопроводности по сечению с учетом неравномерной плотности тепловых источников.
С понижением начальной температуры при подключении к ИПТ амплитуда тока в криорезистивной обмотке двигателя возрастает, и ток приобретает характер импульса, спад которого вызван последующим увеличением сопротивления. При подключении обмотки к ЕНЭ с понижением начальной температуры ток возрастает и может менять характер от апериодического до колебательно затухающего.
Показано, что в электродвигателе с емкостным возбуждением криогенное охлаждение, увеличивая амплитуду токов обмотки возбуждения в среднем на 30% и якоря - на 40%, обеспечивает рост электродинамической силы более, чем на 50% при повышении КПД в 3 - 15 раз. Однако диапазон оптимальных параметров конденсаторного источника (емкости и зарядного напряжения) у ЛИДУД с криогенным охлаждением более узок, чем у “теплого” варианта, что требует более точных расчетов.
При возбуждении двигателя от ИПТ за счет азотного охлаждения токовые нагрузки увеличиваются в 2 - 3 раза, но только на определенном временном интервале возбуждения. В последующем возникает сильный разогрев, прежде всего, обмотки возбуждения, вызывающий рост ее сопротивления и снижение тока. Криогенное охлаждение значительно увеличивает электродинамические силы, скорости и перемещения якоря с массивным исполнительным элементом. Поэтому те же самые механические параметры в “криогенном” двигателе можно достичь при более низких напряжениях ИПТ, чем в “теплом” варианте. Поскольку в “криогенном” ЛИДУД эффективное взаимодействие обмотки и якоря происходит значительно быстрее, это позволяет использовать более короткие времена возбуждения.
Разработан ряд конструктивных схем электромагнитной системы ЛИДУД. Общим для них является то, что при сохранении традиционной конструкции обмотки предлагаются специальные конфигурации якоря, охватывающего торцевую и, покрайней мере, половину одной боковой стороны обмотки. Это приводит к усилению взаимодействия между обмоткой и якорем, так как в процессе движения, когда цилиндрическая обечайка находится в зоне обмотки, между ними сохраняется хорошая магнитная связь.
Сформулированы основные требования, предъявляемые к криогенной системе охлаждения двигателя, на основе которых предложены конструкции ЛИДУД с индивидуальными секциями криостата для якоря и обмотки, а также с использованием единого неподвижного криостата.
Были проведены экспериментальные исследования возбуждаемого от ЕНЭ образца двигателя в лабораторных условиях с использованием жидкого азота. Измеряемые электрические и механические параметры находятся в удовлетворительном согласии с результатами численных расчетов характеристик ЛИДУД на ЭВМ. Согласованное поведение наблюдается как для “теплого”, так и для “криогенного” вариантов двигателя.