НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ“

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Чепелюк Олександр Олександрович

УДК 621.316.53:621.318.3

УДОСКОНАЛЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З ПОПЕРЕЧНИМ РУХОМ ЯКОРЯ ДЛЯ КОНТАКТОРІВ ЗМІННОГО СТРУМУ ПОВОРОТНОГО ТИПУ

Спеціальність 05.09.01- Електричні машини й апарати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі електричних апаратів Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Клименко Борис Володимирович,

Національний технічний університет“

Харківський політехнічний інститут”,

професор кафедри електричних апаратів.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Загірняк Михайло Васильович,

Кременчуцький державний політехнічний університет, м. Кременчук,

ректор;

кандидат технічних наук

Жорняк Людмила Борисівна,

Запорізький національний технічний університет,

доцент кафедри електричних апаратів.

Провідна установа: | Одеський національний політехнічний університет, кафедра електричних машин,

Міністерство освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться 06.04.2006 р. о 12 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.050.08 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий 27.02. 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Марков В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час потреба в контакторах змінного струму з поворотною контактною системою категорії основного застосування АС-3 і АС-4 у народному господарстві України обчислюється десятками тисяч штук у рік. Задоволення цієї потреби відбувається в основному за рахунок контакторів серій КТ6000 і КМ26 (з керуванням змінним струмом) і контакторів серії КТП6000 (з керуванням постійним струмом). Контактори серій КТ6000 і КТП6000 різних величин, а також їх модифікації з защіплюючим механізмом (серії КТ6030/2, КТ6030/3), що випускаються промисловістю України і Росії, є морально застарілими і значно уступають сучасним закордонним аналогам по масі і габаритам. У зв'язку з відсутністю виробництва окремих типовиконань цих апаратів в Україні (контактори на номінальні струми 160 і 250А з керуванням постійним струмом та ін.) потреба в них задовольняється постачаннями з Росії, а також постачаннями їхніх аналогів ведучими закордонними фірмами (АВВ - Німеччина, Apena -Польща, ТЕ - Франція і ін.).

Для задоволення внутрішніх потреб держави в контакторах вищезгаданих серій (чи їхніх аналогах), з огляду на сформоване виробництво цих апаратів в Україні, актуальною стала задача розробки й освоєння у виробництві таких контакторів з високими техніко-економічними характеристиками. Для вирішення цієї важливої народногосподарської задачі потрібне проведення наукових досліджень, спрямованих на вибір і обґрунтування перспективних напрямків розвитку і шляхів удосконалювання конструкцій цих апаратів з метою підвищення їхніх техніко-економічних показників (зменшення маси, габаритів, вартості, споживання електроенергії, підвищення терміну служби й ін.).

Зв'язок роботи з науковими програмами і планами. Дисертаційна робота була виконана на кафедрі електричних апаратів НТУ “ХПІ”. Здобувач, як відповідальний виконавець, проводив дослідження в рамках науково-дослідної роботи “Розробка рекомендацій по удосконаленню конструкцій приводних електромагнітів контакторів змінного струму з управлінням постійним струмом”, яка виконувалась у відповідності до договору №33280 від 04.03.2004 р., укладеного між НТУ “ХПІ” і ЗАТ “Електричні низьковольтні апарати і системи” (АТ “ЕНАС”, м. Харків) та була пов’язана з планами розвитку даного підприємства. У зазначеному договорі було обговорено, що роботи з удосконалення конструкцій приводних електромагнітів постійного струму (ЕМП) контакторів змінного струму необхідно проводити стосовно до базових контакторів серії КМ26 з управлінням змінним струмом (розробник - АТ “ЕНАС”; виробник - ВАТ “Укрелектроапарат” м. Хмельницький), які по своїх техніко-економічних показниках можуть бути прирівняні до кращих закордонних аналогів.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка рекомендацій з удосконалення приводних ЕМП і вибору їхніх раціональних параметрів для контакторів змінного струму, зокрема, контакторів серій КМ26-33 і КМ26-35 з ціллю підвищення їхніх техніко-економічних показників, а саме: зниження енергоспоживання і витрат активних матеріалів (обмотувального проводу та постійного магніту - у ЕМП з магнітним залипанням) що приводить до зменшення маси, габаритів і вартості ЕМП в контакторі в цілому.

Для досягнення зазначеної мети в дисертаційній роботі були поставлені наступні задачі:

· Провести огляд і аналіз науково-технічної і патентної літератури по конструкціях приводних ЕМП контакторів змінного струму та системам керування ЕМП, а також по існуючих методах розрахунку ЕМП.

· Розробити нові технічні рішення ЕМП для контакторів змінного струму, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників контакторів у цілому (ЕМП із поперечним рухом якоря з феромагнітними шунтами в робочих зазорах, ЕМП із поперечним рухом якоря з магнітним залипанням, а також системи керування ЕМП із магнітним залипанням).

· Розробити зручні у застосуванні з використанням ПЕОМ методики розрахунку статичних тягових характеристик, нагрівання, обмотувальних даних і магніторушійних сил (МРС) удосконалених ЕМП.

· Дослідити вплив розмірів феромагнітних шунтів у ЕМП з поперечним рухом якоря на статичний тяговий момент у початковому положенні якоря.

· Розробити рекомендації щодо вибору раціональних параметрів магнітної системи ЕМП із поперечним рухом якоря з феромагнітними шунтами.

· Дослідити вплив розмірів постійного магніту та немагнітних ділянок у ЕМП із поперечним рухом якоря з магнітним залипанням на статичний тяговий момент у притягнутому положенні якоря.

· Розробити рекомендації щодо вибору раціональних параметрів магнітної системи ЕМП із поперечним рухом якоря з магнітним залипанням.

· Розробити рекомендації щодо вибору раціональних обмотувальних даних, спрямованого на зменшення витрат обмотувального проводу та споживаної потужності в запропонованих ЕМП з поперечним рухом якоря.

· Практично реалізувати нові технічні рішення електромагнітів з покращеними, внаслідок вибору раціональних параметрів, техніко-економічними показниками в конструкціях контакторів змінного струму і здійснити перевірку результатів розрахунків експериментальним шляхом.

Об'єкт дослідження – електромагнітні, магнітні і теплові процеси в ЕМП із поперечним рухом якоря.

Предмет дослідження – ЕМП із поперечним рухом якоря з феромагнітними шунтами в робочих зазорах і ЕМП із магнітним залипанням.

Методи дослідження. Дисертаційна робота базується на фундаментальних положеннях теорії електричних апаратів. У роботі використані чисельні методи розрахунку магнітних полів та нагрівання обмоток в ЕМП, методи теорії планування експериментів, які дозволили проаналізувати вплив геометричних параметрів магнітних систем на статичний тяговий момент у запропонованих ЕМП та визначити раціональні параметри магнітних систем і раціональні обмоткові дані в ЕМП.

Наукова новизна отриманих результатів.

· Розроблено двовимірну розрахункову модель магнітних систем ЕМП з поперечним рухом якоря, в якій круглий у перерізі сердечник електромагніта замінений прямокутним за умови рівності в них магнітної енергії.

· Отримано розрахункові залежності статичного тягового моменту в ЕМП із поперечним рухом якоря в початковому положенні якоря від розмірів феромагнітних шунтів у робочих зазорах.

· Розроблено рекомендації щодо вибору раціональних розмірів феромагнітних шунтів з метою зменшення МРС спрацювання ЕМП із поперечним рухом якоря з феромагнітними шунтами у робочих зазорах.

· Отримано розрахункову залежність статичного тягового моменту в ЕМП із поперечним рухом якоря з магнітним залипанням при притягнутому якорі від ширини постійного магніту та товщини немагнітної прокладки між ярмом та полюсним наконечником.

· Розроблено рекомендації щодо вибору раціональних розмірів постійного магніту та немагнітної прокладки між ярмом та полюсним наконечником з метою зменшення об’єму постійного магніту в ЕМП з магнітним залипанням.

Практичне значення отриманих результатів.

· Розроблено конструкції приводного ЕМП із поперечним рухом якоря з феромагнітними шунтами в робочих зазорах, застосування якого у контакторах змінного струму, забезпечує більш раціональне їхнє компонування і приводить до зменшення габаритних розмірів. Такі ЕМП рекомендовані для контакторів, працюючих у повторно-короткочасному режимі з великою частотою комутацій.

· Розроблено конструкцію ЕМП із поперечним рухом якоря з магнітним залипанням із двох і однообмотковим виконанням котушки, у якому утримання якоря в притягнутому положенні здійснюється за рахунок магнітного поля постійного магніту. Використання електромагніта даного типу в контакторах змінного струму забезпечує відсутність споживання електроенергії в увімкнутому режимі, а також приводить до істотного зменшення витрати обмотувального проводу. Застосування таких електромагнітів доцільно в контакторах, призначених для роботи в тривалому і переривчасто-тривалому режимах.

· Розроблено системи керування двох і однообмотковим ЕМП із магнітним залипанням з випрямленням напруги живлення, застосування яких полегшує умови комутації перемикаючого контакту і, за рахунок збільшення струму в обмотках, приводить до додаткового зниження витрати обмотувального проводу.

· Врахування розроблених рекомендацій по вибору раціональних параметрів магнітних систем та обмоткових даних у запропонованих ЕМП із поперечним рухом якоря приводить до зниження у ЕМП енергоспоживання і витрат активних матеріалів (обмотувального проводу та постійного магніту - у ЕМП з магнітним залипанням).

· Результати і рекомендації, отримані в дисертації, враховані і практично реалізовані в АТ “ЕНАС” (м. Харків), а також використовуються на кафедрі електричних апаратів НТУ “ХПІ” при підготовці фахівців зі спеціальності “Електричні машини і апарати” у дисциплінах “Електричні апарати” і “Теорія і розрахунок електромагнітних систем” та при дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем особисто. Серед них: розробка нових технічних рішень ЕМП для контакторів змінного струму; методик розрахунку статичного тягового моменту, нагрівання, обмотувальних даних і МРС запропонованих ЕМП; дослідження впливу параметрів магнітних систем запропонованих ЕМП на статичний тяговий момент та розробка рекомендацій по вибору їх раціональних значень; розробка рекомендацій по вибору раціональних обмоткових даних з метою зменшення енергоспоживання і витрат активних матеріалів у ЕМП (обмотувального проводу та постійного магніту - у ЕМП з магнітним залипанням). Внесок здобувача у спільних наукових працях по темі дисертації вказаний у списку опублікованих праць.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на науково-технічних нарадах, що проводилися на кафедрі електричних апаратів НТУ “ХПІ” та в АТ “ЕНАС”, а також на IV і VI міжнародних науково-технічних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я” (м. Харків, 1996 р., 1998 р.); на 3 міжнародній науково-технічній конференції Unconventional electromechanical and electrical systems - UEES’97 (м. Алушта, 1997 р.) та на міжнародних симпозіумах “Проблеми удосконалювання електричних машин і апаратів. Теорія і практика” (м. Харків, 2001 р., 2002 р., 2003 р., 2004 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи відображені в 10 публікаціях, серед яких 6 статей опубліковані у фахових виданнях ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків та 9 додатків. Повний обсяг дисертації складає 220 сторінок, з них 33 ілюстрації до тексту, 23 ілюстрації на 17 сторінках; 14 таблиць до тексту; 2 таблиці на 2 сторінках, 9 додатків на 54 сторінках; 135 найменувань використаних літературних джерел на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проведено огляд і аналіз науково-технічної і патентної літератури по конструкціях ЕМП у контакторах змінного струму і системам керування ЕМП, а також проведений огляд існуючих методів розрахунку ЕМП, що дозволили зробити наступні висновки:

1. Для контакторів змінного струму що проектуються доцільною є розробка приводних ЕМП, у яких рух якоря здійснюється поперек напрямку осі котушки (ЕМП із поперечним рухом якоря), що забезпечить більш раціональне компонування контакторів.

2. Для контакторів змінного струму призначених для роботи в тривалому і переривчасто-тривалому режимах доцільною є розробка приводних ЕМП із магнітним залипанням. Використання таких ЕМП забезпечує відсутність споживання електроенергії в увімкненому режимі, а також дозволяє зменшити витрати обмотувального проводу в порівнянні з традиційними ЕМП.

3. Для ЕМП із магнітним залипанням у контакторах змінного струму доцільною є розробка систем керування змінним струмом з випрямленням напруги живлення.

4. Найбільш прийнятними методами розрахунку магнітних полів у ЕМП, метою яких є визначення тягових зусиль у електромагніті, є чисельні методи, серед яких найбільш часто в інженерній практиці використовуються метод електроаналогії (метод ділянок) і метод кінцевих елементів.

5. Метод теплового розрахунку з використанням формули Ньютона має прийнятну точність і найбільш часто використовується в практиці інженерних розрахунків обмоток ЕМП.

У другому розділі розроблені нові технічні рішення приводних ЕМП із поперечним рухом якоря для контакторів змінного струму, а саме: варіанти конструкції ЕМП із феромагнітними шунтами в робочих зазорах (рис. , рис. ); конструкція ЕМП із магнітним залипанням (рис. ); системи керування двох і однообмотковим ЕМП із магнітним залипанням з випрямленням напруги живлення (рис. , рис. ).

Рухома частина базового ЕМП на рис. - якір 4 закріплений жорстко на валові 5, на якому обертаються і рухомі контакти. Вісь обертання якоря при цьому співпадає з віссю обертання вала (точка О), однак, робоча площина якоря зміщена щодо осі

обертання вала (встановлена прокладка 6).

У результаті такого компонування електромагніта вісь сердечника 2 з котушкою 3, установлених між двох скоб (ярем) 1, розташовується паралельно площини установки контактора, що приводить до зменшення його габаритного розміру по глибині. Якір нахилений щодо нерухомої частини електромагніта, при цьому величини робочих зазорів будуть різними - 1 і 2.

Для збільшення тягових зусиль при початкових кутах повороту якоря в ЕМП із поперечним рухом якоря нами запропоновано використання в робочих зазорах феромагнітних шунтів - рис. .

Попередні розрахунки магнітної системи на рис. проводилися комбінованим методом [8], що сполучає у собі метод дихотомії і метод ітерацій при розрахунку ЕМП по схемах заміщен- |

Рис. . ЕМП з поперечним рухом якоря для контактора змінного струму

ня. Вказаний метод був реалізований у вигляді програми для ПЕОМ. Внаслідок попередніх розрахунків були визначені наступні геометричні параметри (в мм): aск=11,5; сск=68; вск=68; dс=32; lс=75; aя=8; lя=141; вя=68; l0=30, с0=17,5. Величини початкових робочих зазорів: 1=6,5 мм, 2=21,5 мм, що відповідає куту повороту якоря =9,80. Матеріал деталей магнітопроводу - сталь 10895.

На підставі отриманих результатів був виготовлений макетний зразок контактора з запропонованими варіантами ЕМП та проведені експериментальні дослідження статичних тягових характеристик [4]. Число витків котушки досліджуваного ЕМП склало w=15500, діаметр міді обмоткового проводу dм=0,224 мм, марка проводу ПЕТ-155. Номінальна напруга живлення котушки Uн=220 В. Розміри феромагнітних шунтів на рис. .2 з якими проводилися дослідження (в мм): сш1=40; ш1=3; aш1=17; вш1=68, сш2=30; ш2=8; h=10; вш2=68.

Експериментальні дослідження статичних тягових характеристик запропонованих ЕМП показали, що кожне із запропонованих технічних рішень дає певну крутизну і положення тягової характеристики, які можуть бути змінені при зміні розмірів шунтів. Тяговий момент при початкових кутах повороту і на значному ході якоря найбільш істотно збільшується в ЕМП із двома феромагнітними шунтами.

Зменшення тягового моменту при притягнутому якорі у ЕМП з феромагнітними шунтами у даному випадку не є недоліком, оскільки в таких ЕМП тяговий момент при притягнутому якорі залишається більшим від максимального протидіючого моменту контактора, що гарантує надійне утримання якоря.

У розробленому ЕМП із постійними магнітами (рис. ) пропонується використання постійних магнітів на основі композиції Nd-Fe-B (із залишковою магнітною індукцією Вr до 1,2 Тл і коерцитивною силою Нc до 1000 кА/м). Спрацьовування такого ЕМП відбувається при пропущенні через пускову обмотку 8 постійного струму, що створює в робочих зазорах ( 1 - між якорем 1 і полюсним наконечником 3, 2 - між якорем і ярмом 10) магнітний потік, що діє в одному напрямку з потоком постійного магніту 4.

Після притягування якоря до сердечника 7 (або трохи раніше) обмотка відключається, і утримання якоря в притягнутому положенні відбувається за рахунок поля постійного магніту. Для відключення контактора через відключаючу обмотку 9 пропускають струм протилежного напрямку, що приводить до зменшення сумарного магнітного потоку у робочих зазорах та тягового моменту і рухові якоря під дією протидіючого моменту. Для переключення обмоток у ЕМП застосовується перемикаючий контакт, механічно зв'язаний з якорем. |

Рис. . Варіанти конструкції ЕМП із поперечним рухом якоря (а - із шунтом у меншому зазорі, б - із шунтом у більшому зазорі, в - із шунтами в двох зазорах)

Немагнітна прокладка 2 забезпечує механічну міцність ЕМП, оскільки для виключення розбивання крихкого постійного магніту між ним і полюсним наконечником (і скобою 5) встановлюються пружні прокладки. Таке конструктивне рішення також перешкоджає розмагнічуванню постійного магніту зустрічним магнітним потоком при відключенні.

Для попередніх розрахунків магнітної системи й оцінки впливу параметрів постійного магніту і розмірів деталей та ділянок магнітопроводу на тяговий момент у ввімкненому режимі було запропоновано і реалізовано у вигляді програми для ПЕОМ спрощену методику розрахунку магнітної системи по схемах заміщення без врахування втрат МРС у сталі. При виборі розмірів деталей магнітопроводу за зазначеною методикою необхідно контролювати значення магнітної індукції в цих деталях, з метою виключення насичення окремих його ділянок.

Внаслідок аналізу отриманих розрахункових залежностей сумарного тягового моменту від МРС відключаючої обмотки було встановлено, що для надійного

відключення електромагніта МРС відключаю-чої обмотки доцільніше розраховувати для номінальних параметрів постійних магнітів і обмотки, оскільки відхилення цих параметрів у реальних конструкціях ЕМП може від-буватися як у більшу, так і у меншу сторони.

На підставі проведених попередніх розрахунків та аналізу впливу параметрів постійного магніту і розмірів деталей та ділянок магнітопроводу на тяговий момент у ввімкненому режимі були визначені геометричні параметри базового варіанта ЕМП (в мм): lс=48; dc=32; aск=11,5; bск=68; aм=12, lм=6, bм=68 - ширина, |

Рис. . ЕМП із поперечним рухом якоря з магнітним залипанням

висота та розмір постійного магніту в глибину креслення; aп=29, lп=4 - ширина и висота полюсного наконечника; (пр=1 - товщина немагнітної прокладки; м=0,25 - величина неробочого зазору між постійним магнітом і полюсним наконечником (скобою 5). Параметри постійного магніту: Вr=1,20 Тл; Нc=800 кА/м.

Використання запропонованих нами систем керування двох і однообмотковим ЕМП із магнітним залипанням з випрямленням напруги живлення (рис. , рис. ) полегшує умови комутації перемикаючого контакту і за рахунок збільшення струму в обмотках, приводить до додаткового зниження витрати обмотувального проводу.

У схемах на рис. для зменшення струму відключення встановлено резистор R. Для усунення втрат у резисторі при відключенні в неробочий для обмотки напівперіод (струм протікає по R-VD3 - див. рис. а) у схемі на рис. б встановлено діод VD4. |

Рис.4. Схема включення ЕМП із магнітним залипанням із двохнапівперіодним випрямленням напруги живлення пускової обмотки П(I) та однонапівперіодним - відключаючої обмотки O(0)

Рис. . Схеми включення однообмоткового ЕМП із магнітним залипанням

з однонапівперіодним випрямленням напруги живлення

Високі пульсації електромагнітної сили при однонапівперіодному випрямленні напруги живлення обмоток не мають негативного впливу на роботу електромагніта, оскільки обмотки працюють в імпульсному режимі, і після притягання якоря вони відключаються.

У третьому розділі за результатами розрахунків магнітних систем і статичного тягового моменту у запропонованих ЕМП розроблені рекомендації щодо вибору раціональних параметрів магнітних систем, при яких може бути забезпечене зниження витрат активних матеріалів (маси мідного обмотувального проводу і постійного магніту - у ЕМП з постійним магнітом) та зменшення енергоспоживання.

Для розрахунку магнітних систем і статичного тягового моменту у ЕМП запропонована двовимірна розрахункова модель з використанням при розрахунку магнітної системи методу кінцевих елементів.

Метод кінцевих елементів заснований на мінімізації функціонала магнітної енергії, що у випадку двомірного поля перетворюється до виду:

, (1)

де h - глибина магнітної системи перпендикулярно площини креслення ЕМП; S - площа поверхні магнітопроводу і навколишнього простору; S1 - площа, займана котушкою; - сумарна щільність струму в провідниках, - векторний магнітний потенціал (може бути введений за допомогою співвідношень: , ).

Формула для електромагнітного моменту, що діє на якір буде мати вигляд:

, (2)

де L - контур, що охоплює об'єкт інтегрування (якір); - радіус-вектор; - вектор зовнішньої нормалі.

При переході до плоскої (двомірної) задачі круглий у перерізі сердечник ЕМП на рис.1  рис.3 заміняється прямокутним, розміри якого можуть бути визначені з рівності магнітної енергії реального і розрахункового об’ємів (рис. ).

Оскільки, як показали попередні розрахунки, значення магнітної індукції в будь-якій точці поперечного перерізу сердечника Sc на елементарній ділянці його дов-

жини dlc практично постійне, для збереження умови рівності магнітної енергії, умова вибору еквівалентної висоти сердечника (рис. б) у розрахунковій моделі буде мати вигляд:

, (3)

де ac - розрахункова висота сердечника в моделі; dV - об’єм елементарної ділянки сердеч- |

а б

Рис. . Розташування якоря 1 і сердечника в електромагніті (а - у запропонованих варіантах виконання; б - у розрахунковій моделі)

ника dlc в ЕМП з поперечним рухом якоря; h - розрахункова глибина сердечника (і якоря) в моделі; dc - діаметр круглого сердечника 2 в ЕМП.

Розмір визначався з рівності магнітних провідностей між якорем і сердечником в реальній конструкції ЕМП і в розрахунковій моделі.

Розрахунки магнітних полів та статичного тягового моменту у магнітних системах ЕМП проводилися за допомогою програмного комплексу FEMM.

Вибір раціональних параметрів магнітної системи ЕМП із поперечним рухом якоря з феромагнітними шунтами (мінімізацію МРС магнітної системи за рахунок вибору раціональних розмірів феромагнітних шунтів) доцільно проводити при початковому положенні якоря, оскільки МРС намагнічуючої обмотки ЕМП визначається виходячи з необхідного тягового зусилля в початковому положенні.

Найбільшою мірою на параметри тягової характеристики в початкових положеннях якоря при фіксованій МРС магнітної системи впливають: довжина шунта в меншому робочому зазорі - aш1; висота шунта в більшому робочому зазорі - hш; товщина шунта в більшому робочому зазорі - ш2.

Аналіз розрахункової залежності на рис. свідчить про те, що збільшення довжини шунта в меншому робочому зазорі від 0 до конструктивно обґрунтованих розмірів (20 мм) приводить до збільшення початкового тягового моменту до 40%, що підтверджує доцільність його застосування в досліджуваному ЕМП. Довжину цього шунта можна вибрати найбільшою з урахуванням конструктивних обмежень.

За даними розрахунків залежності початкового тягового моменту від hш з використанням методу найменших квадратів була отримана аналітична залежність початкового тягового моменту від висоти феромагнітного шунта в більшому робочому зазорі (4), що приведена також і у вигляді графіка на рис. :

. (4)

Аналіз функції (4) на екстремум показує, що при висоті шунта 31,2 мм початковий тяговий момент має максимальне значення 2,026 Нм, що в 1,56 рази більше, ніж у базовому варіанті.

Рис. . Залежність тягового моменту в початковому положенні якоря від довжини шунта в меншому робочому зазорі |

Рис. 8. Залежність тягового моменту в початковому положенні якоря від висоти шунта в більшому робочому зазорі

Рис. . Залежність тягового моменту в початковому положенні якоря від товщини шунта в більшому робочому зазорі при збільшеній його висоті | Аналіз розрахункової залежності на рис. свідчить про наявність раціонального значення товщини шунта в більшому робочому зазорі при збільшеній його висоті (див. рис. ), при яких досягається максимальне значення початкового тягового моменту в ЕМП. У даному випадку раціональною є товщина шунта в більшому робочому зазорі 4 мм. Тяговий момент при цьому - 2,28 Нм.

При визначенні мінімальної МРС магнітної системи з раціональними розмірами шунтів необхідно виходити з вимоги технічних умов на контактори електромагнітні про неспрацьовування

електромагніта, при напрузі мережі менш 0,6 від номінального. МРС неспрацьовування магнітної системи може бути визначена графоаналітичним методом (див. рис. ) і складає 955 А. Мінімальна МРС магнітної системи ЕМП при припустимому зниженні напруги мережі (0,85 від номінальної) при цьому складе 1353 А, що на 40% менше в порівнянні з базовим варіантом конструкції ЕМП із шунтами.

Зіставлення розрахункових характеристик на рис. свідчить про працездатність покращеного, внаслідок вибору раціональних параметрів магнітної системи, варіанта конструкції ЕМП із феромагнітними шунтами. Коефіцієнт запасу по тяговому моменту при початковому куті повороту складає 1,67.

Рис. . Залежність початкового тягового моменту від МРС магнітної системи ЕМП і початковий протидіючий момент контактора |

Рис. . Зіставлення статичної тягової характеристики ЕМП з раціональними параметрами магнітної системи з проти-діючою характеристикою контактора

Вибір раціональних параметрів магнітної системи ЕМП з магнітним залипанням має на меті зниження витрат постійного магніту та визначення необхідних (мінімальних) значень МРС включення та відключення магнітної системи. Вибір мінімальних розмірів постійного магніту та визначення МРС відключення необхідно проводити при притягнутому якорі.

На значення тягового моменту в найбільшій мірі окрім розмірів і параметрів постійного магніту впливає товщина немагнітної прокладки (величина немагнітного зазору). Оскільки вплив розмірів постійного магніту і величина немагнітного зазору на тяговий магнітний момент взаємозалежні, їхній вплив можна оцінити за допомогою теорії планування експерименту.

Допущення, що приймаються при розрахунках:

· висота постійного магніту - lм, виходячи з міцністних характеристик і технології виробництва, вибиралася мінімально допустимою (5 мм);

· у зв'язку з характером розрахункової моделі і реальною конструкцією постійного магніту, змінюваним параметром приймалася ширина постійного магніту ам у площині рис. (діапазон змінювання - 5-15 мм).

· величина немагнітного зазору - пр змінювалася в діапазоні 1-5 мм.

У результаті обробки результатів числового двохфакторного експерименту другого порядку (ортогональний центрально-композиційний план другого порядку) на ПЕОМ, була отримана функція відгуку:

, (5)

де: X1, X2 - натуральні значення факторів (ам і пр); X01, X02 - натуральні значення нульових рівнів варіювання факторів; x1, x2 - кодовані значення факторів; - поправка.

З урахуванням чисельних коефіцієнтів функція відгуку має вигляд:

. (6)

Максимальний модуль відносного відхилення у (6) становить 0,0111, що свідчить про досить високу точність апроксимації.

У зв'язку з тим, що вигляд функції відгуку (6) відносно простий (рис. ), мінімальні значення ширини постійного магніту можна визначити методом сканування за умови задання мінімально допустимого тягового моменту. Для надійного утримання якоря це значення повинне перевищувати в 2-3 рази максимальне значення протидіючого моменту при притягнутому якорі, яке у макетному зразку контактора складає 4,6 Нм. Поклавши допустиме значення тягового моменту 10 Нм, одержимо оптимізаційне рівняння:

. (7)

На рис. показані лінії рівня тягового моменту в режимі утримання при притягнутому якорі, побудовані по (6). Причому, нижній рівень відповідає тяговому моментові 10 Нм. Як випливає з рис. , мінімальне значення ширини постійного магніту 7,6 мм буде при товщині немагнітної прокладки 5 мм (x1=-0.48 і x2=1). Подальше збільшення товщини немагнітної прокладки понад 5 мм виявляється не ефективним і конструктивно складним. Остаточно ширина постійного магніту була прийнята рівною 8 мм.

Рис. . Поверхня функції відгуку з

лініями рівного рівня |

Рис. . Лінії рівня тягового моменту в ЕМП із магнітним залипанням при

притягнутому якорі

Для визначення МРС відключення проводилися розрахунки сумарного тягового моменту при притягнутому якорі при різних ампервитках відключення системи (рис. ). Як випливає з рис. , мінімальне значення тягового моменту при відключенні ЕМП складає 0,77 Нм при МРС відключення 674 А. Діапазон ампервитків відключення, у якому тяговий момент менший або дорівнює протидіючому складає 365-778 А. З урахуванням аналізу крутизни кривої на рис. може бути обране попереднє значення МРС відключення, яке є серединою інтервалу МРС, що гарантує відключення електромагніта. Остаточне значення МРС відключення може змінюватися в невеликих межах, як і у більшу, так і у меншу сторони.

Рис. 14. Залежність сумарного тягового моменту від МРС відключення при притягнутому якорі у ЕМП із магнітним залипанням |

Рис. . Тягова (1), утримуюча (2) характеристики ЕМП із магнітним залипанням з раціональними параметрами магнітної системи і протидіюча (3) характеристика контактора

Розрахунок мінімальної МРС включення ЕМП із магнітним залипанням при напрузі 0,85 від номінальної може бути проведений на підставі вищеописаної методики, що базується на вимозі технічних умов на контактори про неспрацьовування при напрузі живлення менш 0,6 від номінальної. При напрузі 85% від номінальної мінімальна МРС включення склала 1550 А, а початковий тяговий момент - 0,92 Нм, що в 1,46 рази перевищує протидіючий момент.

Зіставлення розрахункових характеристистик на рис. свідчить про працездатність ЕМП із магнітним залипанням з раціональними параметрами магнітної системи.

У четвертому розділі розроблені рекомендації щодо вибору раціональних обмотувальних даних у ЕМП із раціональними параметрами магнітних систем, що забезпечують зниження витрат обмотувального проводу та зменшення енергоспоживання.

В основі задачі вибору раціональних обмотувальних даних у ЕМП із поперечним рухом якоря з феромагнітними шунтами лежить задача теплового розрахунку котушки, за результатами якого при мінімальних розмірах вікна намотування обмотки можуть бути обрані обмотувальні дані (діаметр проводу - і число витків - ), що забезпечують необхідне (визначене у третьому розділі) значення МРС магнітної системи і задовільний температурний режим котушки.

Задача теплового розрахунку вирішується з використанням узагальненої формули Ньютона, відповідно до якої середнє по об’єму перевищення температури обмотки - над температурою навколишнього середовища - нс (нс=40С) в сталому режимі:

, (8)

де: U=kmaxUн - максимальна напруга джерела живлення обмотки, kmax=1,05 - максимальний коефіцієнт перевантаження по напрузі та струму; - опір обмотки при температурі нагрівання обмотки , - температурний коефіцієнт питомого опору матеріалу віднесений до температури нс, 0 - температурний коефіцієнт питомого опору матеріалу при температурі 0С; - узагальнений коефіцієнт тепловіддачі, h0, - емпіричні коефіцієнти (h0=9,8 Вт/(м2С), =0,0059 1/С); S - площа поверхні охолодження.

При розрахунках S умови тепловіддачі з внутрішньої поверхні котушки ЕМП рекомендується враховувати за допомогою поправочного коефіцієнта :

, (9)

де , , - площі зовнішньої, внутрішньої і торцевої поверхонь котушки. Для досліджуваних у роботі способів намотування котушок коефіцієнт був уточнений на підставі експериментальних даних і склав 0,9.

Опір обмотки електромагніта при температурі нс:

, (10)

де: - питомий опір матеріалу при температурі нс; - довжина середнього витка обмотки, - внутрішній діаметр обмотки; ; sм - площа поперечного перерізу міді обмотувального проводу; , - ширина та висота намотування обмотки.

Коефіцієнт заповнення обмотувального простору котушки - kз визначався на основі отриманої, в результаті проведеного аналізу технічних даних, емпіричної залежності товщини ізоляції обмотувального проводу від діаметра міді у ньому (?із?0,05dм+0,0000125) по формулі:

, (11)

де s1=(dм+2?із)2 - площа поперечного перерізу прямокутника в який вписане коло діаметром dм+2?із, kу - коефіцієнт укладки обмоткового проводу (приймається kу0,9).

При визначеній величині мінімальне значення МРС обмотки:

, (12)

де kmin=0,85 - мінімальний коефіцієнт перевантаження по напрузі та струму.

За результатами теплових розрахунків котушки ЕМП з феромагнітними шунтами за вказаною методикою, що була реалізована у вигляді програми для ПЕОМ, було визначено раціональні обмотувальні дані, які суттєво покращили цілий ряд техніко-економічних показників ЕМП (див. п.8 висновків).

Вибір раціональних обмотувальних даних у ЕМП із магнітним залипанням повинен проводитися з урахуванням обраної системи керування. Максимальне значення робочих струмів в обмотках таких ЕМП обмежується потужністю кіл керування, комутаційною здатністю перемикаючого контакту у схемі керування, а також, у випадку застосування запропонованих нами систем керування, максимальним значенням прямого струму діодів у схемах.

Котушки двохобмоткових ЕМП з постійними магнітами доцільніше виконувати каркасними, розділеними на дві секції, у яких намотуються пускова і відключаюча обмотки, що підвищує їхню ремонтоздатність. Висота вікон намотування кожної з обмоток може бути визначена при розрахунку обмотувальних даних за умови рівності ширини намотування обмоток. Сумарна висота котушки із двох обмоток закладена в електромагніті конструктивно.

Задача, спрямована на зменшення витрати обмотувального проводу у ЕМП з магнітним залипанням, полягає у визначенні при мінімальній ширині намотування обмоток діаметра обмотувального проводу і числа витків пускової (відключаючої) обмотки, при яких забезпечуються необхідні для надійної роботи МРС (визначені у третьому розділі) і струм в обмотках не перевищує припустимого значення при заданій напрузі мережі живлення.

Визначення раціональних обмотувальних даних пускової обмотки і розрахунок МРС необхідно проводити при мінімальному значенні напруги живлення і максимальній температурі нагрівання. Оскільки обмотки електромагніта працюють в імпульсному режимі, зазначені розрахунки можуть бути проведені по залежностях (10)-(12) за умови нагрівання обмотки до максимального значення температури навколишнього середовища (нс=40С).

При визначенні обмотувальних даних відключаючої обмотки по залежностях (10)-(12) МРС по (12) варто розраховувати при усередненому по величині значенні напруги живлення, що знаходиться на середині інтервалу припустимого коливання напруги, оскільки за раціональне значення МРС відключення електромагніта було обране середнє значення інтервалу МРС гарантованого відключення. Температуру нагрівання відключаючої обмотки у (10) варто приймати середньою з інтервалу робочих температур навколишнього середовища, тобто 20С (згідно ТУ нс=(0-40)С).

При виборі раціональних обмотувальних даних ЕМП з магнітним залипанням, працюючих по схемах керування з випрямленням живлення, у розрахунках при визначенні МРС по (12) необхідно оперувати середніми значеннями напруги і струму, які складають 0,90 від діючих значень - при двохнапівперіодному випрямленні напруги живлення та 0,45 - при однонапівперіодному випрямленні напруги.

Вибір раціональних обмотувальних даних в однообмотковому ЕМП із магнітним залипанням з системою керування на рис. слід виконувати при його включенні (за аналогічною методикою розрахунку двохобмоткового ЕМП), оскільки у такому ЕМП МРС включення перевищує МРС відключення.

Розрахунковий опір резистора в схемі керування при усереднених значеннях нс та напруги живлення може бути визначено, виходячи з необхідної для відключення електромагніта МРС (була визначена в третьому розділі):

, (13)

де: iвідкл - струм відключення електромагніта; Rобм20 - опір обмотки ЕМП при усередненій температурі навколишнього середовища; kср=0,95 - усереднене значення коефіцієнта перевантаження по напрузі та струму; U - номінальне діюче значення напруги.

Стандартизоване значення опору резистора знаходиться як найближче до розрахункового значення. Номінальна потужність резистора може бути визначена при прирівнюванні енергії, що виділяється в резисторі за час відключення (не перевищує 0,2 с) значення потужності.

За результатами розрахунків обмотувальних даних у запропонованих ЕМП з магнітним залипанням за вказаними методиками, що були реалізовані у вигляді програм для ПЕОМ, було визначено раціональні обмотувальні дані у двох та однообмотковому виконаннях ЕМП, які суттєво покращили цілий ряд техніко-економічних показників ЕМП (див. п.9 висновків).

У п'ятому розділі показані макетні зразки контакторів змінного струму з новими технічними рішеннями ЕМП, а також приведені результати експериментальних досліджень запропонованих ЕМП.

Практична перевірка, отриманих у роботі рекомендацій по використанню в контакторах ЕМП із поперечним рухом якоря з феромагнітними шунтами проводилася по наступних напрямках:

· експериментальне визначення середнього перевищення температури нагрівання котушки над температурою навколишнього середовища;

· експериментальне визначення струмів спрацьовування і МРС котушки;

· експериментальне визначення статичних тягових характеристик ЕМП;

· експериментальне визначення часу спрацьовування досліджуваних ЕМП.

Практична перевірка, отриманих у даній роботі рекомендацій по використанню в контакторах ЕМП із поперечним рухом якоря з магнітним залипанням проводилася по наступних напрямках:

· експериментальне визначення струмів спрацьовування і МРС обмоток;

· експериментальне визначення тягового моменту при притягнутому якорі;

· експериментальне визначення часу включення і часу відключення ЕМП.

Зіставлення експериментальних даних з результатами розрахунків свідчить про задовільну точність розрахунків, а, отже, і про адекватність запропонованих у даній роботі моделей і методик розрахунків.

ВИСНОВКИ

У результаті аналізу літератури і стану проблеми по темі дисертаційної роботи були сформульовані мета і задачі науково-технічного дослідження, що полягають у розробці науково обґрунтованих рекомендацій з удосконалення конструкцій приводних ЕМП і вибору їхніх раціональних параметрів для контакторів змінного струму, зокрема, контакторів КМ26-33 і КМ26-35, з метою підвищення їхніх техніко-економічних показників, а саме: зниження енергоспоживання і витрат активних матеріалів (обмотувального проводу та постійного магніту - у електромагнітах з магнітним залипанням), що приводить до зменшення маси, габаритів і вартості електромагніта в контакторі у цілому. Для досягнення вказаної мети в дисертаційній роботі були вирішені слідуючі науково-технічні задачі та отримані наступні наукові результати:

1. Розроблено нові технічні рішення приводних ЕМП із поперечним рухом якоря для контакторів змінного струму, а саме:

· конструкцію ЕМП з феромагнітними шунтами в робочих зазорах, застосування якого у контакторах, працюючих у повторно-короткочасному режимі з великою частотою комутацій, забезпечує більш раціональне їх компонування (в межах габаритних розмірів контактора з управлінням змінним струмом);

· конструкцію ЕМП з магнітним залипанням. Використання таких ЕМП забезпечує відсутність споживання електроенергії в увімкненому режимі, а також приводить до істотного зменшення витрати обмотувального проводу і є доцільним в контакторах для тривалого і переривчасто-тривалого режимів роботи;

· системи керування двухобмотковим і однообмотковим ЕМП із магнітним залипанням з випрямленням напруги живлення, застосування яких полегшує умови комутації перемикаючого контакту і, за рахунок збільшення струму в обмотках, приводить до додаткового зниження витрати обмотувального проводу. Виконання електричних схем систем керування у вигляді окремого блоку, встановленого на контакторі, дозволяє використовувати контактор у колах керування змінного струму.

2. Розроблено зручну у застосуванні з використанням ПЕОМ методику розрахунку статичного тягового моменту у ЕМП, в основі якої лежить двовимірна модель розрахунку магнітних систем методом кінцевих елементів. При переході до двовимірної задачі розрахунку круглий у перерізі сердечник електромагніта замінений прямокутним за умови рівності в них магнітної енергії.

3. Отримано розрахункові залежності статичного тягового моменту в ЕМП із поперечним рухом якоря в початковому положенні якоря від розмірів феромагнітних шунтів у робочих зазорах ЕМП, на основі яких розроблено рекомендації щодо вибору раціональних параметрів магнітної системи