Соленый С. В.
Донецкий национальный технический университет
Украина, 83000, Донецк, ул. Артема, 58, ДонНТУ, кафедра "Электромеханики и теоретических основ электротехники"

Ссылка на первоисточник: Статья опубликована в сборнике магистров 2005 года, Донецкий национальный технический университет.

         Abstract. Soleniy S. V. Serve of stripe of unmagnetic metal in the area of stamping. The ground of choice of main geometrical sizes and electromagnetic loadings asynchronous linear engine (LAE) is given. The method of definition of the braiding I information LAE is resulted. Approach to definition of forse of traction affecting the moved stripe force is described. The scheme of the management LAE for the discrete moving of stripe is offered, on the basis of three-phase thyristor regulator of tension with the blocks of management.

         Введение. Современная промышленность немыслима без применения деталей, изготавливаемых методом листовой штамповки.

         Например, число деталей, получаемых штамповкой, составляет: в энергомашиностроении - до 70%, в приборостроении - до 75%, в производстве товаров народного потребления - до 95%.

         Одним из основных этапов холодной штамповки металлических деталей является подача материала в рабочую зону пресса, т. о. создание автоматизированного электропривода (ЭП) подачи – важная часть автоматизации процесса штамповки в целом.

         Известные на сегодняшний день ЭП подачи на основе вращающихся электродвигателей неизбежно содержит сложные многоступенчатые механические передачи, подверженные износу. Такие устройства несмотря на высокую стоимость, имеют низкую надежность, сложны в наладке и обслуживании. Их применение часто экономически нецелесообразно, особенно в мелкосерийном производстве.

         Следовательно, целесообразно создавать и разрабатывать ЭП подачи деталей в штамп, лишенный сложных передаточных механизмов и узлов.

         В то же время из теории электромагнитного поля ясно, что с помощью электромагнитных сил можно получать любое движение, обеспечивающее оптимальную эффективность функционирования машины. С этой точки зрения компоновку двигателя, рабочего и исполнительного органов следует считать рациональной, если параметры движения и рабочего органа полностью совпадают. Тогда двигатель органически сращивается с орудием труда без промежуточных преобразователей [6].

         Для устранения указанного противоречия необходимы новые конструктивные решения электрических приводов машин, которые удовлетворяли бы требованиям производства. В этой связи разработка и создание линейных электрических приводов – нужная и неотложная задача сегодняшнего дня.

         Линейный асинхронный двигатель (ЛАД) применительно к ЭП подачи обладает важным преимуществом по сравнению с традиционным вращающимся двигателем – возможностью непосредственного силового воздействия на рабочий орган (полосу) бегущим магнитным полем, минуя сложную механическую передачу.

         В этом случае устройство подачи в штамп с непосредственным силовым воздействием на перемещаемую полосу бегущим магнитным полем на основе ЛАД может выглядеть следующим образом.

         При разработке такого устройства необходимо решить следующие задачи.

         1. Определение и обоснование главных геометрических размеров, индукции бегущего магнитного поля и обмоточных данных ЛАД.

         Зазор. Величина между активной поверхностью индуктора и вторичным элементом оказывает значительное влияние на тяговые и энергетические показатели линейного двигателя. При проектировании стремятся принимать возможно меньшую величину зазора, допускаемую технологией работы транспортной или силовой установки с ЛАД, так как с увеличением зазора снижаются тяговое усилие, коэффициент мощности и КПД ЛАД.

         При этом должна бить исключена возможность случайных соприкосновений или соударений элементов индуктора и вторичного элемента (ВЭ). Величина минимально допустимого рабочего зазора зависит от неровности поверхностей индуктора и ВЭ, погрешностей их монтажа, износа ограничительных роликов, вибраций и смещений при эксплуатации деформации ВЭ. При проектировании величина зазора обычно задается технологами и может принимать значение от 0.5 до 10 мм и более. В электромагнитном расчете введены понятие немагнитного и эффективного зазора , который в общем случае больше рабочего зазора .

         Полюсное деление. Величина полюсного деления оказывает влияние на скорость бегущего магнитного поля, которая равна:

, (1.1)

         где - частота напряжения питания.

         Скорость движения ВЭ определяется через скольжение S:

(1.2)

         Отсюда следует, что логичным было бы определить , исходя из обеспечения требуемой скорости поля при заданной частоте питающего напряжения. Однако полученное таким путем будет недостаточным для размещения обмотки и создания требуемой силы тяги. К этому следует добавить, что во многих случаях применения ЛАД в приводе транспортно-технологических установок требуется получить приемлемые энергетические и массо-габаритные показатели при пуске машины, т.е. при скольжении S = 1.

         Рассмотрим определение полюсного деления в зависимости от некоторого фиксированного значения частоты. В качестве критерия оптимальности примем условие, чтобы при пуске двигатель развивал максимальное электромагнитное усилие.

         Это условие запишем через известное выражение критического скольжения:

, (1.3)

         где - активное сопротивление ВЭ, приведенное к обмотке индуктора;

         , - индуктивные сопротивления обмотки индуктора и ВЭ (приведенное);

         ;

          - главное индуктивное сопротивление обмотки индуктора.

         После подстановки значений сопротивлений , , из [2] для неферромагнитного ВЭ получим:

, (1.4)

         где - число фаз обмотки индуктора;

          - ширина магнитопровода;

          - число витков обмотки;

          - число пар полюсов;

          - полюсное деление;

          - коэффициент суммарной магнитной проводимости потоку рассеяния обмотки индуктора;

          - коэффициент увеличения активного сопротивления массивного ВЭ с учетом вылета его лобовой части.

         Коэффициенты , , могут быть приняты в начале на основании предыдущих аналогичных расчетов, а затем (в случае необходимости) уточнить после окончательного выбора и расчета индуктора.

         Для ВЭ, из неферромагнитного металла, можно принять = 0. Однако в уравнении (1.3) возрастает влияние сопротивления обмотки . С учетом этого можно получить уточненное значение для определения ЛАД [2]:

, (1.5)

         где ; ; ;

          - число пазов на полюс и фазу;

          - относительная частота напряжения.

         Используя полученные выражения, можно установить рациональные значения ЛАД с ВЭ из немагнитного металла.

         Ориентировочные значения могут быть приняты также из графиков.

         Ширина ЛАД. Ширина активной части индуктора , т. е. ширина магнитопровода выбирается из условия максимального использования ширины активной поверхности конструкции технологической установки, исходя из рационального отношения ширины индуктора к полюсному делению , которое согласовано [4], должно находиться в пределах 1.5 - 2.0, а также из условия возможности расположения двигателя в транспортной установке. Необходимо учитывать, что для снижения вторичного краевого эффекта ширина ВЭ должна превышать ширину индуктора на 25 - 30%. Окончательная ширина ЛАД с учетом лобовых частей обмотки и других конструктивных элементов определяется расчетным путем [7].

         Выбор толщины ВЭ. Пользуясь (1.5) можно установить оптимальные соотношения между , и . Наличие , , затрудняет решение задачи в общем виде, поэтому анализ проведем для конкретных машин, причем введем дополнительное условие, чтобы при изменении частоты оставалось постоянным. Очевидно, для достижения этого придется изменять толщину ВЭ .

         В этом случае фактически решается задача определения такого значения , при котором в двигателе с фиксированным значением и принятой частоте тока в обмотке индуктора удовлетворяется условие . Заметим, что в общем случае можно потребовать равенства критического скольжения другому числу, как большему, так и меньшему единицы.

         Установлено, что для двигателя с = 0.18 м при частоте Гц толщина пластины из меди должна быть равна мм, из алюминия мм.

         Для двигателя с = 0.09 м при Гц толщина медной пластины должна быть в пределах 1.05 - 1.45 мм, из алюминия < 1.68 - 2.2 мм.

         При снижении частоты до 10 Гц в первом двигателе необходимо увеличить толщину пластины в 1.7 раза, во втором двигателе в 1.6 - 2.3 раза.

         Определить также величину удельного тягового усилия в зависимости от можно по зависимости (рисунок 1.3) для медной пластины.

         Для полноты анализа необходимо учитывать влияние толщины ВЭ на величину немагнитного зазора (рисунок 1.4). Видно, что последний увеличивается при увеличении , а это ведет к снижению электромагнитного усилия.

         Линейная токовая нагрузка. При проектировании вращающихся асинхронных двигателей линейную токовую нагрузку выбирают в зависимости от полюсного деления и числа пар полюсов [8]. Это значение линейной токовой нагрузки обеспечивает полное использование зубцовой зоны магнитопровода статора при рациональном соотношении ширины зубца, зубцового деления и глубины паза. В линейном двигателе из-за повышенного зазора, по сравнению с обычным двигателем, такая линейная токовая нагрузка приведет к неполному использованию стали зубцов и к снижению индукции в зазоре. Опыт проектирования линейных двигателей свидетельствует о возможности и необходимости увеличения ширины и глубины паза в 1.3 - 1.5 раза по сравнению с обычными машинами. Так как линейная токовая нагрузка пропорциональна площади паза, то для ЛАД она может быть принята в 1.7 - 2.2 раза выше, чем для вращающихся двигателей с аналогичными полюсными делениями.

         Предельная максимальная величина линейной токовой нагрузки ЛАД должна приниматься с учетом класса нагревостойкости изоляции обмотки индуктора, тепловых режимов работы индуктора и ВЭ. При разработки ЛАД для конкретного типа транспортной установки выбор линейной токовой нагрузки и плотности тока рационально проводить с учетом заданной относительной продолжительности включения (ПВ) [7].

         Индукция. Величина максимальной индукции в воздушном зазоре оказывает влияние на степень использования габаритных размеров машины. В обычных двигателях значение индукции в зазоре принимается в зависимости от полюсного деления и числа пар полюсов. Принятие такого же значения индукции для ЛАД приводит к повышению значений намагничивающего тока и к снижению коэффициента мощности из-за повышенных зазоров по сравнению с обычными двигателями. Поэтому для линейных двигателей, работающих при зазорах 8 - 20 мм, индукция в зазоре должна находится в пределах 0.3 - 0.45 Тл. Это значение уточняется расчетным путем (1.6) в зависимости от различных параметров ЛАД.

         Индукция в середине воздушного зазора:

, (1.6)

         где - линейная токовая нагрузка; - магнитная постоянная;

          - обмоточный коэффициент (1.14); ;

          - величина приведенного немагнитного зазора;

          - коэффициент ослабления индукции, определяется как коэффициент реакции вторичных токов; - коэффициент добротности;

          - коэффициент рассеяния магнитного потока.

         Выбор типа обмотки. Расчет обмоточного коэффициента. В ЛАД применяются как однослойные, так и двухслойные обмотки. Для равномерного заполнения всех пазов индуктора шаг крайних секций уменьшается в 1.5 - 2 раза. Схема обмотки выполняется после расчета длины ЛАД (1.7) и определения числа пазов (1.8):

. (1.7)

. (1.8)

         Полюсное деление индуктора по пазам:

. (1.9)

         Шаг обмотки:

, (1.10)

         где ; полученное значение округляется до ближайшего целого числа.

         Относительный шаг обмотки:

. (1.11)

         Коэффициент укорочения обмотки:

. (1.12)

         Коэффициент распределения обмотки:

. (1.13)

         Обмоточный коэффициент:

. (1.14)

         Определение числа витков обмотки.

         Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния:

. (1.15)

         где - глубина паза; - ширина паза.

         Коэффициент магнитной проводимости лобовых частей обмотки индуктора:

. (1.16)

         Коэффициент магнитной проводимости по коронкам зубцов:

. (1.17)

         Коэффициент суммарной магнитной проводимости:

. (1.18)

         Длина витка обмотки:

. (1.19)

         где - длина лобовой части полувитка.

         Коэффициент лобовых частей ВЭ, учитывающий продольное растекание вторичных токов [3]:

, (1.20)

         где - односторонний вылет лобовой части ВЭ, предварительно принимается в пределах от 0.1 с до .

         Коэффициент ЭДС обмотки индуктора , характеризует электромагнитную мощность, передаваемую через немагнитный зазор, и тяговое усилие двигателя, может служить одним из критериев рационального выбора главных размеров и электромагнитных нагрузок ЛАД при его оптимизационном проектировании.

, (1.21)

         где ; ; ;

          - коэффициент добротности ЛАД;

          - эффективное поверхностное сопротивление ВЭ;

          - коэффициент продольного краевого эффекта, он показывает как снижаются характеристики машины по сравнению с таковыми у машины кругового аналога;

          - плотность тока в обмотках индуктора для продолжительного режима работы;

          - удельное сопротивление обмоточного провода при температуре 75 ^oС.

         Анализ выражения (1.21) показывает, что основными факторами, определяющими значение коэффициента ЭДС являются воздушный зазор , полюсное деление , ширина магнитопровода , число пазов на полюс и фазу , удельное сопротивление ВЭ и глубина проникновения поля или толщина ВЭ , а также линейная токовая нагрузка и плотность тока в обмотке .

         Ниже (рисунок 1.5) приведены зависимости коэффициента ЭДС от частоты (а) питающего ЛАД напряжения (тока), линейной токовой нагрузки (б) и плотности тока (в) для различных ЛАД [9]:

         1 - Двусторонний ЛАД с двухслойной петлевой обмоткой, параллельным соединением обмоток сердечников и массивным ВЭ из меди;

         2 - Двусторонний ЛАД с двухслойной петлевой обмоткой, последовательным соединением обмоток сердечников и массивным ВЭ из меди.

         Число витков обмотки на фазу:

, (1.22)

         где - фазное напряжение; - индукция на поверхности индуктора.

         Число проводников в пазу:

. (1.23)

         Выбор марки и сечения провода проводится так же, как и для обычных асинхронных машин. Аналогично выполняется спецификация паза.

         2. Определить силу тяги, воздействующие на перемещаемую полосу.

         Магнитодвижущая сила на один полюс:

, (2.1)

         где - коэффициент насыщения магнитной цепи, принимается равным 1.03 - 1.2;

          - коэффициент зазора; - зубцовое деление;

          - коэффициент зазора, учитывающий изменение магнитного потока от середины зазора к поверхности индуктора;

          - коэффициент зазора, учитывающий конечную ширину магнитопровода.

         Электромагнитная мощность, передаваемая ВЭ через воздушный зазор:

, (2.2)

         где - удельное электрическое сопротивление ВЭ.

         Расчетное тяговое усилие при пуске:

. (2.3)

         Также тяговое усилие можно определить путем умножения коэффициентов, учитывающих влияние краевых эффектов, на усилие идеализированного двигателя:

, (2.4)

         где - усилие идеализированного двигателя;

          - коэффициент ослабления силы, вводится для оценки влияния конечной ширины ВЭ.

         Такой подход является наиболее реальным и во многих случаях дает хорошую сходимость с результатами эксперимента.

         3. Предложить схему для дискретного перемещения полосы.

         Шаговый режим ЛАД можно получить следующим образом: чередованием подключения ЛАД к трехфазной сети с электромагнитным торможением.

         При этом дискретность движения будет достигаться в результате чередования движения ВЭ на пониженной скорости с стопорением его электромагнитным торможением [5].

         Такой режим можно реализовать при помощи трехфазного тиристорного регулятора напряжения (рисунок 3.1) с блоками управления.

         Последний обеспечивает чередование симметричного режима, когда отпирающие импульсы поступают на все тиристоры, и динамического торможения, когда в открытом состоянии находятся два тиристора по схеме однополупериодного выпрямителя (например Т2 - Т3). При таком чередовании величина шагового перемещения регулируется как длительностью импульсов управления, так и величиной приложенного к обмотке ЛАД напряжения.

Выводы

         1. Дано обоснование выбора главных геометрических размеров и электромагнитных нагрузок ЛАД. Приведена методика определения обмоточных данных ЛАД.

         2. Описан подход к определению силы тяги, воздействующей на перемещаемую полосу.

         3. Предложена схема управления ЛАД для дискретного перемещения полосы, на основе трехфазного тиристорного регулятора напряжения с блоками управления.

Литература

         1. Дудник М. З. Линейные асинхронные двигатели для транспортно-технологических систем/Новое в технике автоматизированного электропривода: Учеб. пособие/В. Б. Низимов, Г. В. Архангельский, А. В. Садовой, М. З. Дудник.- К.: Высш. шк., 1990.- 207с.: ил.- Вып. 19.

         2. Исследование и расчет линейных асинхронных двигателей с односторонним индуктором и составным вторичным элементом/Отчет по НИР/Дудник М. З.-Донецк: ДонНТУ, 2005.- 49с.

         3. Насер С. А., Болдеа И. Линейные тяговые электрические машины/Пер. с англ.- М.: Транспорт, 1981.- 176 с.

         4. Вольдек А. И. Индукционные магнитогидродинамические машены с жидкометаллическим рабочим телом.- М.: Энергия, 1970.- 272 с.

         5. Баринберг Владимир Александрович, Разработка электропривода для подачи заготовок в штамп на основе линейного асинхронного двигателя: Автореферат канд. дис.- Донецк, 1994.-15 с.

         6. Электропривод с линейными электромагнитными двигателями/Ряшенцев Н. П., Угаров Г. Г., Федонин В. Н., Малов А. Т.- Новосибирск: Наука, 1981.

         7. Методические указания к курсовому проектированию по курсу “Электрические машины” (расчет линейных асинхронных двигателей)/Дудник М. З., Апухтин А. С., Васильев Л. А.- Донецк: ДПИ, 1983.- 56 с.

         8. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов/И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. К. Клоков и др.; Под ред. И. П. Копылова. - М.: Энергия, 1980. - 496 с., ил.

         9. Карась С. В., Васильев Л. А. Коэффициент ЭДС при оптимизационном проектировании ЛАД // Создание и применение линейных электродвигателей в машинах, оборудовании и транспортно-технологических системах: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ. - Донецк, 1987. - С.54 - 60.