Вплив кріогенного охолодження на параметри лінійного індукційного двигуна ударної дії

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Ібрагім Ель-Юссеф Мослех

УДК 621.313:536.2.24

ВПЛИВ КРІОГЕННОГО ОХОЛОДЖЕННЯ НА ПАРАМЕТРИ ЛІНІЙНОГО ІНДУКЦІЙНОГО ДВИГУНА УДАРНОЇ ДІЇ

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському державному політехнічному

університеті Міністерства освіти України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Данько Володимир Григорович,

Харківський державний політехнічний

університет,

завідувач кафедри загальної електротехніки.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Яковлєв Олександр Іванович,

Державний аерокосмічний університет

“Харківський авіаційний інститут”,

завідувач кафедри енергетики та електротехніки;

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник

Чемерис Володимир Терентійович,

Державний комітет України з питань науки та

інтелектуальної власності,

начальник відділу спеціальних технологій, м.Київ.

Провідна установа - Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, м. Київ

Захист дисертації відбудеться “ 21 ” жовтня 1999 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.08 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 310002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий “ 17 ” вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

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. За принципом дії електричні ударні машини з перетворенням електричної в кінетичну енергію якоря, що лінійно пересувається, підрозділяються на електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, індукційні та ін. Розробляються й спеціальні лінійні електродвигуни рельсотронного, коаксіально-спірального, імпульсно-індукційного типу, які забезпечують прискорення масогабаритних об'єктів до високих швидкостей, створення значних механічних навантажень імпульсного типу. Як правило, зазначені двигуни безпосередньо перетворюють електричну енергію нерухомого накопичувача в кінетичну енергію якоря, який може бути з'єднаним із виконавчим елементом, за дуже короткий час та працюють у швидкоплинних перехідних режимах при електромагнітних навантаженнях, які багаторазово перевищують навантаження тривало працюючих електродвигунів.

Актуальність теми. 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. Вони забезпечують: безконтактний рух якоря, високі швидкості, прискорення та питомі електромагнітні і механічні навантаження, відсутність ковзного струмопідводу до рухомих елементів, щітково-ковзних процесів та ін. Однак ККД таких двигунів досить низький, що висуває потребу їхнього вдосконалення.

Одним із шляхів підвищення ефективності перетворення енергії в ЛІДУД може бути застосування кріогенного охолодження для його активних струмопровідних елементів. При цьому відбувається зниження активного опору, підвищення струмового навантаження та електродинамічних зусиль, зменшення витрат потужності та вилучення феромагнетику з магнітного кола. Особливе значення набуває той факт, що кріогенні рідини, які застосовуються для підтримки робочих температур, є також і гарними діелектриками.

Разом з тим вплив кріогенного охолодження на параметри та характеристики електричних машин ударної дії і, зокрема індукційного типу, практично мало досліджений, тому що основна увага приділялась кріогенним електромеханічним пристроям тривалої дії, для яких більш ефективними є надпровідникові обмотки. Та при роботі у швидкоплинних перехідних режимах, які є основними для двигунів ударної дії, застосування надпровідникових обмоток досить проблематично, бо може спричинитися втрата надпровідності і перехід до нормального стану.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження дисертаційної роботи пов'язані з основними напрямками наукової роботи кафедри загальної електротехніки Харківського державного політехнічного університету:

держбюджетною темою М1510 “Підвищення ефективності електромеханічних систем при використанні надпровідникових та кріорезистивних обмоток”, згідно з координаційним планом Міністерства освіти України (наказ № 37 від 13.07.97 р.); ДР № 0197U001924;

держбюджетною темою КН1511 “Розробка електродинамічного лінійного двигуна та пристроїв на його основі”), яка виконується в рамках Міністерства України з питань науки і технології, проект № 04.08/03074 (договір № 2/1309-97 від 18.09.97 р.); ДР № 0198U001063.

Мета і задачі дослідження. 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.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі задачі:

розглянути існуючі конструкції лінійних індукційних двигунів та можливість їх використання для створення ЛІДУД з кріогенним охолодженням на основі вибраної конструкції;

розробити методику розрахунку лінійного індукційного двигуна ударної дії при збудженні від ємнісного накопичувача енергії та джерела постійного струму, яка враховує механічні, електромагнітні та теплові нелінійні перехідні процеси і характеристики;

провести розрахунковий аналіз роботи ЛІДУД при кріогенному охолодженні та визначити основні закономірності впливу кріогенного охолодження на його робочі характеристики;

оптимізувати конструкцію ЛІДУД і провести експериментальні дослідження його зразка в лабораторних умовах.

Наукова новизна одержаних результатів:

показана і обгрунтована доцільність застосування кріогенного охолодження рідким азотом електродвигуна ударної дії для поліпшення його робочих параметрів, включаючи ККД;

розроблена методика розрахунку лінійного індукційного двигуна, яка враховує нелінійні перехідні процеси;

визначені основні закономірності і особливості роботи кріогенного електродвигуна ударної дії;

запропоновані конструктивні схеми електромагнітної системи двигуна, які забезпечують найбільш ефективну його роботу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались на 5-й і 6-й Міжнародних науково-технічних конференціях “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье” (Харків, Україна - Мішкольц, Угорщина, Магдебург, Німеччина), 1997, 1998 р., а також на Fifth IIR International Conference “Cryogenics'98”. - Praha, Czech Republic, 1998.

Особистий внесок здобувача. У дисертації використовуються ідеї, які належать усім співавторам опублікованих наукових праць по темі дисертації. 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.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи можуть бути використані практично в різних галузях народного господарства, науки і техніки, де необхідні:

високоефективні лінійні двигуни, які безпосередньо забезпечують високу швидкість розгону виконавчого елемента;

електромеханічні ударні пристрої, які забезпечують значні імпульсні механічні навантаження;

електричні машини із кріогенним охолодженням струмопровідних елементів рідким азотом.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 11 наукових праць, з них 8 - у фахових виданнях, та одержано патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи складає 181 с., в тому числі: - 125 с. друкованого тексту, 57 рисунків на 41 с., 2 таблиці, список використаних джерел із 103 найменувань на 11 с. і додатки на 3 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

індукційний двигун енергія струм

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету роботи й основні задачі досліджень, сформульовано наукову новизну роботи і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі розглянуто існуючі лінійні електродвигуни ударної дії та перспективи використання кріогенного охолодження. Показано, що одним з перспективних електромеханічних пристроїв, призначених для швидкісного розгону масогабаритних об'єктів на короткій робочій базі і для створення значних імпульсних навантажень, є лінійний індукційний електродвигун ударної дії. Розроблені різноманітні конструкції ЛІДУД, направлені на підвищення ефективності перетворення енергії за рахунок вибору конфігурації обмотки і якоря, зниження пробивної напруги, узгодження інерційних характеристик якоря, кола обмотки збудження й механічного навантаження та ін. Загальним для відомих електродвигунів є робота, як правило, при температурі навколишнього середовища.

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. Кріогенне охолодження призводить до можливості використання надпровідникових та кріорезистивних обмоток для збудження сильних магнітних полів. На відміну від надпровідникових, кріорезистивні обмотки не мають фазового переходу, виготовляються з традиційних провідникових матеріалів, і для їх охолодження можна використовувати рідкий азот, досить доступний і безпечний холодоагент. Надпровідникові обмотки стійко і надійно працюють, як правило, при постійних або мало змінних електромагнітних полях. Досвід по створенню електромагнітних стаціонарних установок для збудження сильних імпульсних магнітних полів за допомогою обмоток, які охолоджуються рідким азотом, показує, що у короткому імпульсному режимі кріорезистивні обмотки здатні нести найбільші струмові навантаження. Саме такий режим роботи й використовується в електричних двигунах ударної дії. Та вплив кріогенного охолодження на параметри і характеристики ЛІДУД до цього часу практично не досліджувався.

З одного боку, кріогенне охолодження пов'язано 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, пов'язаних з електромеханічним перетворенням енергії. Це потребує розробки спеціальних методів розрахунку для забезпечення оптимальних параметрів і високої ефективності роботи ЛІДУД. Оскільки імпульсний режим роботи з великими електромагнітними навантаженнями являється основним для ЛІДУД, це показує здійсненність та перспективність застосування кріогенного охолодження для даного двигуна, а також дозволяє, в деякій мірі, використовувати існуючі технології та досвід.

Другий розділ присвячено розробці методів розрахунку ЛІДУД з кріогенним охолодженням. Цей ударний електродвигун являє собою досить складний електромеханічний пристрій, що характеризується короткочасним режимом роботи із значними імпульсними навантаженнями. В зазначеному режимі відбувається швидка зміна струмів в обмотці збудження та якорі, що супроводжується виникненням значних електродинамічних зусиль та прискорень якоря із виконавчим елементом. Внаслідок переміщення якоря перехідний електричний процес у двигуні відбувається при постійній зміні магнітного зв'язку між обмоткою і якорем. Нагрів та магніторезистивний ефект, що сильно проявляється при кріогенних температурах, істотно підвищують опори обмотки та якоря при протіканні по ним струму великої щільності.

Розроблено загальний алгоритм розрахунку характеристик ЛІДУД із кріогенним охолодженням. Для того, щоб врахувати комплекс взаємопов'язаних електромагнітних, динамічних та теплових процесів, які залежать від ряду нелінійних параметрів, весь перехідний процес розбивається на велику кількість малих часових інтервалів , в межах яких виконується розрахунок струмів, температур і переміщень при постійних коефіцієнтах. По отриманим значенням величин перераховуються нелінійні параметри, а по ним уже розраховують процес на наступному інтервалі часу.

На рис.1 подано принципову будову та електрична схема ЛІДУД, у якого в якості джерела збудження ДЖ використовується ємнісний накопичувач енергії (ЄНЕ), заряджений до напруги U0 із ємністю C, або джерело постійного струму (ДПС) з напругою U0 в режимі холостого ходу. Коло обмотки збудження, яке включає ідеальний ключ Q та дроти з'єднання, має опір R0 та індуктивність L0. 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.

При використанні ємнісного накопичувача енергії електричні процеси у ЛІДУД можна описати системою нелінійних рівнянь

(1)

 (2)

В подальшому, для спрощення будемо писати Rn, M, V замість відповідних нелінійних залежностей Rn(Tn, Bn), M(z), V(t).

Ці рівняння зводяться до одного диференційного

. (3)

Його приведене характеристичне рівняння

(4)

має дискримінант

. (5)

При D < 0 рівняння (4) має три дійсних кореня (). В цьому випадку струми обмотки і якоря описуються виразами

; (6)

, (7)

де ;

;

;

.

При D > 0 рівняння (4) має один дійсний , та два комплексно спряжених кореня . В цьому випадку струми описуються виразами

; (8)

, (9)

де ;

.

При підключенні до ДПС електричні процеси у двигуні описуються нелінійною системою, що складається із рівняння (2) та рівняння

, (10)

які зводяться до диференційного рівняння другого порядку

. (11)

Так як у його характеристичного рівняння корні дійсні, то подані у вигляді рекурентних співвідношень струми мають вигляд

; (12)

, (13)

де ;

.

Розрахунок розподілу температури по перерізу обмотки двигуна побудований на відомій методиці при врахуванні нерівномірної густини джерел тепловиділень. На температуру кріорезистивної обмотки двигуна істотно впливають умови охолодження та режим кипіння кріогенної рідини. Якщо щільність теплового потоку менше за критичну, що відповідає кризі кипіння, то теплообмін між обмоткою та холодоагентом відбувається при пузирчастому кипінні з відносно великим значенням коефіцієнту тепловіддачі. При перевищенні критичного значення виникає плівчастий режим кипіння із значним перепадом температур на границі і набагато меншим значенням коефіцієнту тепловіддачі.

На кожному часовому інтервалі в залежності від величини струму розраховується температура, у відповідності з якою і відбувається корегування коефіцієнтів теплоємкості, теплопровідності та тепловіддачі. На рис.2 показано розподіл значень коефіцієнту магнітного навантаження KB=B1(,z)/i1 та температур обмотки при охолодженні рідким азотом.

Для розрахунку коефіцієнту взаємної індуктивності між обмоткою та рухомим якорем ЛІДУД, що розташовані коаксіально та мають прямокутний перетин, використовується метод розкладання у ряд Тейлора.

Горизонтальне переміщення якоря ЛІДУД можна описати рівнянням руху

, (14)

де , P - маса якоря та виконавчого елементу;

- коефіцієнт пружності зворотної пружини;

- величина переміщення;

- коефіцієнт динамічного тертя;

- коефіцієнт аеродинамічного опору.

На базі застосованих математичних моделей з урахуванням електромагнітних, механічних і теплових параметрів розроблена програма для ЕОМ на Паскалі, яка дозволяє розрахувати характеристики ЛІДУД із кріогенним охолодженням рідким азотом.

Виконано розрахунок перехідного процесу для кріорезистивної обмотки двигуна, щільно намотаної із 3200 витків мідного дроту діаметром 0,5 мм, що короткочасно навантажується великим струмом, який перевищує критичне значення (рис.3). Із зниженням початкової температури амплітуда струму у обмотці при підключенні до ДПС збільшується, але струм приймає форму імпульсу, спад якого зумовлений швидким ростом опору. Це вказує на те, що час збудження обмотки двигуна від ДПС не повинен перевищувати визначеної величини. В меншій мірі амплітуда струму зростає при підключенні цієї обмотки до ЄНЕ, і в разі зниження початкової температури може змінюватись характер перехідного процесу навантаження від аперіодичного до коливально затухаючого.

У третьому розділі проводиться розрахунковий аналіз впливу кріогенного охолодження на параметри ЛІДУД. В якості критеріїв ефективності роботи двигуна, який забезпечує прискорення якоря із виконавчим елементом, приймаються максимальні значення ККД (t), швидкості V(t) та сили відштовхування якоря від обмотки збудження F(t) при мінімальному розігріві активних елементів.

У двигуні із збудженням від ЄНЕ та ДПС величини ККД визначаються відповідно, як

, ,

де u(i1) - напруга джерела постійного струму.

Розглянуто робочий цикл ЛІДУД, що забезпечує розгін виконавчого елементу масою 1 кг. Коефіцієнт магнітного зв'язку між обмоткою, намотаною із 192 витків мідного дроту діаметром 1 мм, та якорем у початковому стані складає 0,84. При підключенні до ємнісного накопичувача енергії, зарядженого до 1 кВ, струми в активних елементах двигуна протікають із загасанням інфазно, насамперед із-за змінного магнітного зв'язку. Основна величина електродинамічної сили штовхання має піковий характер і діє на протязі першого напівперіоду струмів. Між розрядним струмом обмотки та індукованим струмом якоря з'являється фазовий зсув, що викликає появу електродинамічної сили притягування, котра зменшує швидкість якоря. При малій ємності цей ефект не сильно проявляється із-за відносно малого переміщення; при великій ємності переміщення, зумовлене ростом сили, швидко зростає, що й викликає значний фазовий зсув (рис.4). За рахунок азотного охолодження в наведеному прикладі швидкість та переміщення збільшуються у 2, а ККД - більш ніж у 3 рази.

Оптимізація параметрів ЄНЕ у діапазоні 0,2 кВ U0 2,0 кВ, 100 мкФ C 1000 мкФ показує, що в ЛІДУД із ємнісним збудженням кріогенне охолодження збільшує ККД у 3-15 разів. Найбільший ріст ККД відбувається при великій ємності та низькій напрузі джерела, а найменший - при великій ємності та високій напрузі. Діапазон оптимальних параметрів конденсаторного джерела (U0, C) “кріогенного” двигуна більш вузький, ніж у його “теплому” варіанті, що потребує більш досконалого розрахунку.

Якщо збільшувати масу виконавчого елементу, яка виступає навантаженням для розгінного двигуна, то зростають і електродинамічні сили, що розвиває двигун, досягаючи найбільших значень при великій напрузі і механічному навантаженні. Але і в цьому випадку кріогенне охолодження значно поліпшує показники роботи: електродинамічна сила збільшується до 2 разів, ККД зростає у кілька разів, досягаючи найбільших значень при більш низьких напругах зазначеного діапазону, та ін. (рис.5).

При короткочасному збудженні ЛІДУД від джерела постійного струму із U0=0,5 кВ зниження опору обмотки і якоря за рахунок кріогенного охолодження дозволяє збільшити струми у 2 - 3 рази, але тільки на короткому інтервалі роботи (рис.6). У подальшому виникає сильний розігрів, насамперед обмотки збудження, що приводить до росту опору і зниженню струму.

Якщо полярність первинного струму обмотки незмінна, то індукований вторинний струм із-за руху якоря змінює свою полярність, що призводить до появи сили притягнення між якорем і обмоткою. Але з пониженням початкової температури цей негативний ефект практично пропадає, бо при кріогенному охолодженні зміна полярності струму в якорі відбувається у момент, коли магнітний зв'язок істотно послаблений, що зумовлене значним зростанням електродинамічної сили, швидкості та переміщення якоря. Тому ті ж самі механічні параметри у “кріогенному” двигуні у порівнянні з “теплим” можна досягнути при більш низьких напругах та менших інтервалах часу підключення до ДПС, бо ефективна магнітна взаємодія проходить набагато швидше.

У “кріогенному” ЛІДУД із збудженням від ДПС, відбувається розширення діапазону напруги джерела та маси виконавчого елементу, які забезпечують ефективну роботу у порівнянні із “теплим” варіантом двигуна (рис.7). Крім того, електродинамічні зусилля, що розвиває “кріогенний” ЛІДУД, по крайній мірі у 3 рази більші. Аналізуючи електродинамічні зусилля, можна відмітити, що при малій масі виконавчого елементу ріст напруг не викликає такого ж сильного збільшення сил, як при значній масі P. Це поясняється тим, що якір з легким виконавчим елементом швидше виходить із зони ефективної взаємодії, ніж якір з масивним елементом. З іншого боку, при низькій напрузі ДПС вплив маси виконавчого елементу на розвиваєму силу слабкіший, ніж при високій напрузі. Ці особливості можна використовувати при розробках ЛІДУД, що забезпечують або швидкісний розгін легкого виконавчого елементу, або велику силу удару при малих переміщеннях, або максимальну кінетичну енергію для передачі на ударний пристрій.

Платою за ці переваги “кріогенного” ЛІДУД є більш високі темпи росту температури обмотки, що потребує відключення двигуна від ДПС як тільки сила набуває від'ємного значення.

У четвертому розділі розглянуто конструктивні удосконалення та експериментальні дослідження ЛІДУД. Розроблено ряд конструктивних схем електромагнітної системи двигуна. Загальним для них являється те, що при збереженні традиційної конструкції обмотки, пропонуються спеціальні конфігурації дискового якоря, які циліндричною обичайкою обхвачують торцеву і, по крайній мірі, частину однієї бокової сторони обмотки збудження. 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 зв'язок, а звідси - великий індукований струм у якорі та сила електродинамічного відштовхування від обмотки. За допомогою запропонованих спеціальних аксіальних вирізів у обичайці якоря, в яких розміщуються нерухомі струмопровідні вставки, можна ще довше зберегти ефективний магнітний зв'язок обмотки при значних переміщеннях якоря. Зазначені вставки можуть бути виконані у вигляді закріплених відносно масивного упору направляючих елементів для рухомого якоря. Таким чином, при різних швидкостях і навантаженнях двигуна забезпечується ефективна силова взаємодія між якорем і обмоткою, оскільки фактично біля обмотки фіксується близько розташований значний індукований струм якоря.

Сформульовані основні вимоги до кріогенної системи електродвигуна ударної дії. Пропонується, зокрема, в якості холодоагенту використовувати рідкий або газоподібний азот; елементи кріостату, по можливості, не розташовувати між обмоткою та якорем; здійснювати охолодження рухомих елементів лише до початку роботи; робочий кріостат виготовляти із неметалевого матеріалу або слабопровідного немагнітного металу; в конструкції передбачати або вільний викид випареного холодоагенту в атмосферу, або підвищення тиску у замкнутому кріостаті, або використовування лише газоподібного холодоагенту.

Запропоновані конструкції ЛІДУД із індивідуальними секціями кріостату для статорної обмотки і рухомого якоря, що доцільні для двигуна, у якого обмотка та якір виготовлені у вигляді тонких витягнутих циліндрів, або обмотка виготовлена багатосекційною. В останньому варіанті можна компенсувати сили віддачі між секціями обмотки в самому кріостаті, що спрощує його будову та зменшує зовнішні теплопритоки.

В конструкції ЛІДУД з єдиним нерухомим кріостатом, розташований в холодній зоні якір з виконавчим елементом, що виконаний у вигляді бійка, під час короткого робочого циклу передає кінетичну енергію ударнику, який розміщений у теплій зоні. Після чого зворотна пружина повертає якір з бойком у попередній стан. Рухомий бойок з'єднано з торцевою стінкою кріостату за допомогою пружного сильфонного вузла. У такій конструкції кріостат не зазнає значних механічних навантажень, його можна виготовити із нержавіючої сталі і теплоізолювати зовнішнім пінопластовим кожухом. В цілому ж запропоновані конструктивні схеми ЛІДУД характеризуються відносною простотою і забезпечують ефективну взаємодію статорної обмотки та рухомого якоря.

Були здійснені експериментальні дослідження зразка двигуна у лабораторних умовах на установці з вертикальним та горизонтальним переміщенням якоря при збудженні від ЄНЕ, живлення якого відбувалось від високовольтного подвоювача напруги. Запуск двигуна у роботу здійснювався за допомогою регулювального тиристорного блока. Для охолодження використовувався рідкий азот, який знаходився у спеціальному пластиковому кріостаті, виготовленому із склотекстоліту та пінопласту.

Як показали результати експериментальних досліджень двигуна, у якого якір має описану вище спеціальну форму, при різних зарядних напругах і ємностях ЄНЕ, а також при навантаженнях виконавчим елементом із різною масою, електричні та механічні параметри (струм обмотки, швидкість та переміщення якоря з виконавчим елементом), що виміряються, знаходяться у задовільній злагоді із результатами чисельних розрахунків характеристик ЛІДУД на ЕОМ. Така узгоджена поведінка спостерігається як для “теплого” так і для “кріогенного” варіантів двигуна.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

Аналіз існуючих лінійних електродвигунів ударної дії показує, що при роботі у короткочасному режимі двигуни індукційного типу дозволяють розвивати значні прискорення і створювати великі електродинамічні зусилля при незначних та безконтактних переміщеннях струмопровідного якоря відносно статорної обмотки. Використання кріогенного охолодження активних струмових елементів електродвигуна дозволяє поліпшити електродинамічні характеристики та ефективність електромеханічного перетворювання енергії. Кріогенне охолодження обмотки та якоря рідким азотом дозволяє багаторазово зменшити їх опори і збільшити електромагнітні навантаження. При цьому виникає необхідність стосовно до конкретного типу електродвигуна вирішити ряд проблем, пов'язаних із залежністю опора від теплових факторів, магнітних полів, часу навантаження струмом та ін.

У зв'язку із істотно нелінійним характером швидкоплинних процесів у лінійному індукційному електродвигуні ударної дії з кріогенним охолодженням розроблено алгоритм розрахунку його характеристик, який охоплює комплекс взаємопов'язаних електричних, магнітних, теплових та механічних параметрів, розрахунок кожного з яких входить у цей алгоритм.

Виконано розрахунковий аналіз перехідного процесу у кріорезистивній обмотці, яка збуджується великим струмом, що перевищує критичне значення, та встановлені основні закономірності, які виникають при підключенні до ємнісного накопичувача енергії або до джерела постійного струму.

Розроблено методику електричного розрахунку роботи двигуна в ударному режимі та отримані аналітичні вирази для струмів у обмотці збудження і в провідному якорі, що прискорюється.

Розроблена програма для ЕОМ по розрахунку характеристик електродвигуна, яка враховує нерівномірний розподіл температур та магнітного поля обмотки, а також нелінійні електричні та теплові параметри.

Встановлено, що у електродвигунах із ємнісним збудженням охолодження рідким азотом забезпечує ріст електродинамічної сили на 50% за рахунок підвищення струмів обмотки та якоря на 30 - 40%, а також в декілька разів збільшення ККД. При збудженні від джерела постійного струму підвищення струмів у обмотці та якорі до деякого моменту часу більш значне і в 2 - 3 рази перевищує електромеханічні показники двигуна без кріогенного охолодження.

Встановлені основні закономірності та особливості роботи електродвигуна при кріогенному охолодженні рідким азотом і визначені оптимальні параметри, які забезпечують ефективну роботу.

Розроблено ряд конструктивних схем електромагнітної системи двигуна, які забезпечують сильну електродинамічну взаємодію обмотки збудження із якорем при різноманітних швидкостях та навантаженнях. Указані основні фактори, що обумовлюють конструкцію двигуна із охолодженням рідким азотом, та запропоновані конструктивні схеми.

Експериментальні дослідження зразка електродвигуна підтвердили результати чисельних розрахунків на ЕОМ характеристик “теплого” та “кріогенного” варіантів двигунів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

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. Линейный индукционный электродвигатель ударного действия // Вестн. Харьк. гос. политехн. ун-та. - Экология. Математика. Электроэнергетика .- 1997. - Вып.8. - С. 133-138.

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.

Пат. № 23536 А, Україна, МПК H02K 41/025. Лінійний індукційний електродвигун ударної дії / В.Ф.Болюх (Україна), І.М.Ель Юссеф (Ліван); ХДПУ - № 97062961; Заявл. 23.06.97; Надрук. 31.08.98, Бюл. № 4 - 7 с.

анотації

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 взаємопов'язаних 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.

Ключові слова: лінійний індукційний двигун ударної дії, кріогенне охолодження, математична модель, конструкція, експеримент.

Ibrahim El-Youssef Mosleh. Effect of cryogenic cooling on linear induction impact motor parameters.- Manuscript.

Thesis for a candidate's 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 non-linear 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 mock-up 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 из-за магниторезистивного эффекта, а также из-за 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 от ряда 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, по крайней 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.

Ключевые слова: линейный индукционный двигатель ударного действия, криогенное охлаждение, математическая модель, конструкция, эксперимент.

Размещено на Allbest.ru

...