Динамика электромеханических устройств с постоянными магнитами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

1. Уравнения Лагранжа-Максвелла при описании электромеханических систем.

1.1 .Уравнения Лагранжа-Максвелла.

1.2. Уравнения Лагранжа-Максвелла при наличии постоянных магнитов.

2. Динамика систем с гистерезисным демпфирование.

2.1 .Синхронные магнитные муфты.

2.2. Уравнения ротора, содержащего магнитную муфту, с учетом гистерезиса.

2.3. Случай двигателя большой мощности.

2.4. Синхронный ход.

2.5. Переход от асинхронного к синхронному ходу.

2.6. Эксперимент по оценке демпфирования.

2.7. Численное моделирование.

2.8. Синхронная муфта с асинхронным демпфированием.

3. Динамика вихретокового замедлителя.

3.1. Магнитный замедлитель.

3.2. Представление проводящего тела в виде элементарных контуров.

3.3. К вопросу о выборе числа контуров при разбиении проводника на контура.

3.4. О выборе числа полюсов магнитной системы.

3.5.Учет влияния поля вихревого тока.

3.6. Уравнения движения вагона при торможении с помощью замедлителя.

3.7. Результаты численного интегрирования.

3.8.Установка для лабораторных исследований.

Бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами, называемые также бесконтактными машинами с магнитоэлектрическим индуктором - первый тип электромеханического преобразователя энергии, созданного человеком. Еще в 1831 году М.Фарадей демонстрировал принцип электромагнитной индукции с помощью устройств, содержащих неподвижные обмотки и перемещающиеся постоянные магниты. Начиная с 1832 года, различные исследователи предлагали целый ряд оригинальных конструкций электрических машин с постоянными магнитами. В дальнейшем эти машины ' были полностью вытеснены машинами с электромагнитным возбуждением. Это объясняется тем, что по энергетическим и массогабаритным показателям постоянные магниты долгое время значительно уступали электромагнитам. В последние десятилетия положение существенно изменилось. Появились постоянные магниты с относительно высокими удельными свойствами, реализуемыми на основе сплавов железа с кобальтом, молибденом, хромом, никелем, некоторыми другими металлами. Еще более заметно ситуация изменилась в пользу постоянных магнитов, когда в 70-е годы началось промышленное внедрение высокоэнергетических магнитов на основе интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными элементами - самарием, лантаном и другими. Такие магниты имеют высокую стоимость и сложную технологию производства. Однако по своим свойствам они превосходят другие марки магнитов (Вг =0.8ч-0.9 Тл, Нс = 500ч- 600 кА/м, Жтах = 55^70 кДж/м3). В последние годы разрабатывается технология производства менее дорогих магнитов на основе соединения Ис1-Ре-В. Такие магниты обладают наилучшими свойствами (Вг = 1.0-И .2 Тл, //¿,=600-7-900 кА/м,

-э

V тах =75-7-135 кДж/м ). Магнитная проницаемость постоянных магнитов, как и ферритов, близка к магнитной проницаемости воздуха = 1.1-г 1.3//0). Удельное электрическое сопротивление постоянных магнитов достаточно велико и составляет р = (0.5-г1.8)-10-^ Ом-м. Для сравнения удельное электрическое сопротивление меди почти на два порядка меньше р = 0.02-10"^ Ом-м. Таким образом, постоянные магниты обладают большим магнитным и электрическим сопротивлением.

Существенным недостатком постоянных магнитов является их чрезвычайно высокая твердость, значительная хрупкость и склонность к трещинообразованию. Вследствие невысокой механической прочности применение постоянных магнитов без специальной арматуры ограничено линейной скоростью до 50 м/с. Также следует отметить чувствительность постоянных магнитов к нагреванию. Рабочие температуры, при которых сохраняются магнитные свойства, не превышают 100-И50^С.

Появление высокоэнергетических магнитов на основе Ыс1-Ре-В позволяет решить проблему создания многих механических устройств на принципиально новом уровне. Высокие значения остаточной индукции и т коэрцитивной силы, достижимые в таких постоянных магнитах на сегодняшний день, позволяют передавать значительные механические усилия без механического контакта за счет взаимодействия магнитных полей.

Перспективность такого подхода к созданию устройств с традиционно механическими функциями трудно переоценить.

Срок службы высокоэнергетических постоянных магнитов на сегодняшний день составляет 20 ч- 25 лет и более. Высркое значение коэрцитивной силы делает такие устройства практически нечувствительными к воздействию внешних магнитных полей. Функциональные параметры обеспечиваются без механического контакта. Таким образом, можно создать ^ устройства с принципиально новым набором характеристик, которые недостижимы при чисто механическом подходе: бесконтактные редукторы, муфты, тормоза и т.д.

В настоящей работе речь идет о двух типах механических устройств с постоянными магнитами - бесконтактной синхронной магнитной муфте и электродинамическом замедлителе для железнодорожного транспорта.

Первый тип рассмотренной механической системы с постоянными магнитами - синхронная магнитная муфта. Синхронные муфты находят применение в таких устройствах, где соосные ведущий и ведомый валы вращаются с одинаковой угловой скоростью. Действие синхронных муфт подобно действию синхронной (обычно явнополюсной) электрической машины. Магнитные полюса противоположной полярности на ведущей и ведомой частях взаимно притягиваются, создавая крутящий момент. Главный недостаток синхронных муфт - практическое отсутствие пускового момента. Для устранения этого недостатка применяют синхронно-асинхронные муфты, в которых межполюсное пространство одной из частей муфты заполняют токопроводящими стержнями. Эти стержни, закорачиваемые торцевыми кольцами, образуют обмотку, аналогичную «беличьей клетке» асинхронной электрической машины [1]. При пуске, когда скольжение максимально, эта обмотка создает крутящий момент, ускоряющий ведомое звено. Достигнув определенной частоты вращения, ведомое звено втягивается в синхронизм и вращается со скоростью ведущего звена.

Для передач с небольшим крутящим моментом иногда используются магнитогистерезисные муфты. У таких муфт ведущая часть подобна ведущей части синхронной муфты, а ведомая содержит гистерезисный слой, выполненный из магнитотвердого материала.

При включении на нагрузку разность угловых скоростей ведущего и ведомого дисков может быть весьма значительной. Например, ведомый диск может вообще не вращаться, тогда как скорость ведущего может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту. При этом крутящий момент в нагрузке может быть достаточно большим (порядка сотен Нм). В этом случае непосредственный переход к синхронному режиму затруднен.

В диссертации рассмотрен вариант новой конструкции синхронной муфты обеспечивающей переход к синхронному вращению и обеспечению его устойчивости при возможных отклонениях. Проведен динамический анализ этого устройства в режиме перехода от асинхронного режима к синхронному режиму вращения.

Очередной этап повышения скоростей движения железнодорожного транспорта и постоянная неудовлетворенность в том, что длина тормозного пути зависит от широкого спектра малопредсказуемых и неуправляемых факторов, привели в настоящее время к росту интереса к электродинамическому способу торможения.

Особое место в тормозных системах железнодорожного транспорта занимают горочные замедлители. Автоматизация горочного процесса, необходимость снижения эксплуатационных затрат, обеспечение безопасной работы, неповреждаемости подвижного состав в процессе торможения требуют усовершенствования существующих и разработки новых тормозных систем, применяемых в качестве замедлителей.

Существующие конструкции замедлителей по принципу действия могут быть разделены на несколько групп [7-9].

Все известные механические замедлители осуществляют торможение отцепа путем воздействия на колесные пары.

Балочные замедлители осуществляют нажатие на боковые поверхности колеса с помощью тормозных шин. Торможение происходит за счет сил трения, возникающих при контакте тормозной шины с поверхностью колеса. Сила, прижимающая тормозные шины к поверхности колеса, создается за счет гидро- или пневмопривода.

Различают весовые и нажимные балочные замедлители.

Весовые замедлители осуществляют нажатие на колеса с наружной и внутренней стороны с силой, пропорциональной осевой нагрузке вагона. Эта сила устанавливается автоматически самой конструкцией с помощью рычажной передачи, приводимой в действие весом самого вагона.

Нажимные замедлители управляются оператором или автоматической системой управления. Такие замедлители имеют, как правило, несколько фиксированных ступеней нажатия. Наиболее распространенное число от 4 до 6, максимально известное до 8.

Балочные замедлители устанавливаются на определенных позициях на пути следования отцепа для осуществления прицельно-интервальной технологии регулирования скорости отцепа.

В последнее время получили распространение (в основном на зарубежных дорогах) точечные замедлители.

Точечные замедлители взаимодействуют не с боковой поверхностью колеса, как балочные, а с его гребнем. Как правило, точечные замедлители настраиваются на определенную граничную скорость. Тормозное воздействие осуществляется только при скорости отцепа, превышающей эту граничную скорость.

Точечные замедлители устанавливаются на всем пути следования отцепа для осуществления квазинепрерывного регулирования скорости.

Специализированные замедлители создают тормозной эффект за счет иных физических эффектов, например, за счет сопротивления потока жидкости, упруго-демпферных свойств резины, вихревых токов (электродинамический замедлитель).

Каждый из типов замедлителей имеет свои достоинства и недостатки, которые дают основания для их применения в различных условиях эксплуатации.

На отечественных дорогах основное применение нашли балочные нажимные замедлители. Они выпускаются серийно.

Важным достоинством нажимных замедлителей является пропорциональность тормозного усилия массе вагона. Это позволяет получать требуемое замедление независимо от типа вагона и его загруженности.

Перечислим основные недостатки таких замедлителей. Необходимость механического контакта тормозной шины с боковой поверхностью колеса может приводить к повреждению подвижного состава, а также, в крайнем случае, к сходу вагона. Нестабильность коэффициента трения при изменении внешних условий (температура, влажность, загрязнение трущихся поверхностей) может существенно изменить тормозное усилие. Привод замедлителя требует достаточно больших энергозатрат на создание давления в гидро- или пневмосистеме. Необходима прокладка трубопроводов для пневмо- или гидроцилиндров. Значительные колебания температуры и влажности требуют регулярного квалифицированного обслуживания такой системы.

Важным достоинством точечного замедлителя является гораздо меньшее повреждающее воздействие на подвижной состав. Такой замедлитель не потребляет энергии, как и нажимной. Но ему присущи серьезные недостатки. К ним "относится независимость тормозного усилия от массы отцепа, что приводит к уменьшению воздействия с увеличением массы вагона. Количество замедлителей оказывается весьма значительным (до 1000 штук на один путь). Их эксплуатация требует гораздо более высокого уровня технического обслуживания, чем эксплуатация нажимных замедлителей. Это приводит к значительному увеличению эксплуатационных расходов.

Электродинамический тормоз в течение длительного времени (с 1929 г.) широко используется в горочных замедлителях. Его принципиальное отличие состоит в квазиволновом процессе образования вихревых токов в массиве стального колеса при его движении относительно неподвижной системы магнитов чередующейся полярности, расположенных линейно вдоль железнодорожного полотна. Важнейшим достоинством электродинамического замедлителя является отсутствие механического контакта колеса с конструкцией замедлителя. Это позволяет решить проблему повреждаемости как подвижного состава, так и конструкции самого замедлителя в процессе эксплуатации. Кроме того, сила торможения в таком замедлителе практически не зависит от погодных условий (температуры воздуха, влажности, наличия осадков). Использование электромагнитов для этой цели весьма удобно с точки зрения управления силой торможения, но требует значительных энергетических затрат, гораздо больших по сравнению с традиционно используемыми замедлителями с пневмо- или гидропроводом. Это обстоятельство сильно сдерживало до недавнего времени широкое распространение электродинамического способа торможения.

Применение постоянных магнитов типа Ыс1-Ре-В с высокими энергетическими показателями (намагниченность на поверхности может достигать величины порядка 960 кА/м) позволит решить эту проблему. При достаточно небольших размерах магнитной системы и отсутствии внешних источников питания можно получить значительные амплитуды вихревых Г токов в массиве катящегося колеса, что приведет к возможности пондеромоторного взаимодействия поля вихревых токов с полем постоянных магнитов и получению тормозящей силы большей величины, чем это позволяет сделать электромагнитная система.

Сложность распределения вихревых токов в массиве катящегося колеса, его нестационарность весьма затрудняют совместное решение электромеханической задачи в прямой полной полевой постановке. Имеющееся в литературе [6] описание процесса электродинамического торможения основывается преимущественно на экспериментальных результатах, либо на эвристических предположениях того или иного толка. Это позволяет считать актуальной разработку простой и в то же время физически адекватной модели пондеромоторного взаимодействия вихревых токов с полем магнитной системы. Цель динамического анализа такой модели состоит в выводе достаточно простой и удобной для инженерных расчетов формулы для тормозного усилия и в дальнейшем проведении численных экспериментов по сравнению полученных результатов с натурным экспериментом.

Рассматриваемая в диссертации конструкция магнитного замедлителя разумеется не единственная, хотя и, как нам представляется, наиболее естественная. Несомненно, она обратима. Так в ряде зарубежных источников [12-15] анализируются конструкции вихретоковых тормозов, в которых магнитная система чередующихся по полярности электромагнитов закреплена на движущейся вагонной тележке. А токи наводятся в рельсах или специальных стальных полосах, установленных на железнодорожном полотне.

Очевидна перспективность магнитного способа торможения при дальнейшем развитии скоростного железнодорожного транспорта типа МАвЬЕУ, разгоняемого линейным электродвигателем при бесконтактном движении при помощи магнитного подвеса.

Существуют различные подходы к исследованию динамики электродинамических систем с распределенными вихревыми токами. Первый из них состоит в совместном решении электродинамической (уравнения Максвелла) и механической задачи, где искомые вектора напряженности магнитного и электрического поля являются функциями точки в трехмерном пространстве. Имеется обширная литература по этому подходу, ее обзор можно найти в [8]. Точное решение этих уравнений даже при упрощенной конфигурации области, занимаемой проводящим телом и магнитной системой, не представляется возможным. Получение численных решений возможно с применением методов типа метода конечных элементов (МКЭ), широко применяемого при решении задач механики сплошной среды. Однако даже наиболее известные и широко применяемые пакеты (например, АЫБУЗ), пока не приспособлены к решению электродинамических задач при наличии вихревых токов.

Другой подход (используемый в диссертационной работе) основан на дискретном описании электромагнитного поля путем представления распределенных вихревых токов в виде конечной или счетной системы проводящих контуров [10]. При таком описании вектора магнитной индукции В и напряженности электрического поля Е выражаются через конечное или счетное множество других скалярных величин — эффективных зарядов и контурных токов, аналогичных обобщенным координатам и скоростям в механике. Для такого описания достаточно выполнения условий квазистационарности, состоящих в том, что можно не учитывать электромагнитные волны, порожденные движением зарядов. В результате сплошной массив проводящего твердого тела по существу заменяется системой индуктивно взаимосвязанных токовых контуров. Дальнейшее решение связной электромеханической задачи проводится на основании дискретной модели, позволяющей применить для описания ее динамики уравнений Лагранжа-Максвелла.

Заключение

1. В работе рассмотрены задачи динамики двух типов механических устройств с постоянными магнитами - бесконтактной синхронной магнитной муфте и электродинамическом замедлителе для железнодорожного транспорта.

2 Использован подход к решению задач динамики электромеханических систем, основанный на дискретном описании электромагнитного поля путем представления распределенных вихревых токов в виде конечной или счетной системы проводящих контуров.

3. Рассмотрены особенности описания движения электромеханических систем с помощью уравнений Лагранжа-Максвелла при наличии постоянных магнитов.

4. Приведено численно-аналитическое решение задачи о процессе перехода магнитной муфты от асинхронного режима к синхронному.

5. Проведена экспериментальная оценка величины демпфирования, связанного с гистерезисным перемагничиванием.

6. Показано, что такое демпфирование недостаточно для перехода муфты в синхронный режим.

7. Предложена новая конструкция магнитной муфты с дополнительным вихретоковым демпфированием, позволяющая существенно расширить диапазон параметров, при которых возможен переход к синхронному режиму.

8. Предложен подход к решению задачи динамики систем с вихретоковым демпфированием, основанный на замене распределенных токов в проводящем теле конечной системой проводящих контуров.

9. На основе такого подхода проведено решение задачи о взаимодействии магнитного замедлителя с движущимся колесом подвижного состава.

10. Предложена методика учета влияния магнитного поля вихревого тока на поле постоянного магнита.

11. Проведены расчеты и оценена эффективность горочного замедлителя, основанного на вихретоковом демпфировании.

1. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины.- М.: Высшая школа, 1990.

2. Вагонные замедлители. Железные дороги мира, № 10, 1997.

3. Гапоян Д.Г., Илиев Б.П. Автомобильные электродинамические тормоза на постоянных магнитах. М., НИИАвтопром, 1972.

4. Испытания оборудования на постоянных магнитах для улавливающих тупиков. Результаты испытаний по договору №15 от 25.04.99 между Забайкальской железной дорогой и ООО «Альфа».

5. Карминский Д.Э. и др. Рельсовые тормоза на постоянных магнитах.// Вестник ВНИИЖТ, №8, 1972.

6. Кобзев В.А. Анализ технических устройств и технологий регулирования скорости отцепов.// Автоматика, телемеханика и связь, 1-98, с.27-29

7. Мартыненко Ю.Г. Движение твердого тела в электрических и магнитных полях. М.: Наука, 1988.

8. Механизация сортировочных горок, М., 1935.

9. Ю.Неймарк Ю.И., Фуфаев Н.А. Динамика неголономных систем. — М.: Наука, 1964.

10. П.Скубов Д.Ю., Ходжаев К.Ш. Нелинейная электромеханика. — М.: Физматгиз, 2003.

11. Wang P.J., Chiueh S.J. Analysis of Eddy-Current Brakes for High Speed Railway.// IEEE Transaction on Magnetics, v.34, No 4, pp. 1237-1239, 1998.

12. Takahashi N., Kawai S., Akihashi K. Analysis of Rail Eddy-Current Brake for High Speed Railroad Vehicles. //Elec.Engn. Japan, v.90, pp95-104, 1970

13. Bigeon J., Sabonnadiere J.C. Analysis of Electromagnetic Brake.// Electrical Machine and Power System, Vol.10, 1985, pp.285-297

14. Bigeon J., Sabonnadiere J.C. Finite Elements Analysis of an Electromagnetic brakes.// IEEE Trans. Magnetics, Vol.19, 1983, pp.26322634