Максимальное значение механической энергии мощного короткоходового импульсного электромагнитного двигателя сейсмоисточника

В вибрационных и импульсных технологиях в качестве источников низкочастотных (до 100 Гц) генераторов мощных механических импульсов могут применяться электромагнитные двигатели. Например, для формирования сейсмических волн при сейсморазведке полезных ископаемых и исследовании строения земной коры без буровзрывных работ в настоящее время используются сейсмоисточники с приводом на короткоходовых импульсных электромагнитах [1] с зазором между якорем и индуктором, составляющим (4 - 5)·10-3 м. Такие короткоходовые электромагнитные двигатели обеспечивают необходимые для технологий сейсморазведки значения развиваемой в течение нескольких миллисекунд механической силы (105 — 106 Н) при сравнительно высокой эффективности преобразования электрической энергии в механическую (КПД до 90%).

Известно, что развиваемая электромагнитом сила ограничена насыщением его ферромагнитного магнитопровода. Удельная на единицу массы сила в использующихся в сейсмоисточниках короткоходовых электромагнитных двигателях не превышает 1000 Н/кг (м/с2). Увеличить развиваемую электромагнитом силу (максимальную и удельную) можно увеличением электромагнитных нагрузок: плотности тока в обмотках и индукции магнитного поля в магнитопроводе. Для импульсных устройств, в основном, увеличением индукции. Режим работы с насыщением магнитопровода позволяет получать прирост удельных значений развиваемой электромагнитом силы и механической энергии, однако обусловливает снижение КПД.

Очевидно, что максимальное значение удельной механической энергии электромагнитного двигателя ограничиваются стоимостью его и системы его возбуждения, а также ограничением массы конструкции. Решить проблему рационального выбора максимальных значений силы и механической энергии разработчику может помочь анализ изменения основных показателей короткоходового импульсного электромагнитного привода при увеличении энергии, вводимой в магнитное поле его двигателя.

УСЛОВИЯ И ДОПУЩЕНИЯ

Основное энергопреобразование в короткоходовом электромагните происходит в зазоре прямоугольного сечения при практически равномерном магнитном поле в нём. Поэтому значение развиваемой им силы f следует определять формуле Максвелла:

f = ¹ ∫ B δ ² dS

2µ0 SЯ       , где µ0 – магнитная проницаемость воздуха: µ0 = 4π ⋅ 10-7 Гн/м; Bδ – индукция в рабочем зазоре δ на поверхности якоря, Тл; SЯ – площадь всей поверхности якоря. Без учёта сил, создаваемых потоками выпучивания, которые для короткоходового электромагнита невелики и частью взаимно компенсируются, сила электромагнита при допущении равномерности магнитного поля в зазоре пропорциональна расчётной площади Sδ сечения зазора:

_{f ≈} B δ ² S δ 2 µ 0

.

Рассмотрим в качестве примера силовой модуль электромагнитных сейсмоисточников “Ени-

Рис. 1. Структура электромагнитного сейсмоисточника и схема его возбуждения

Рис. 2. Расчётная схема замещения электромагнитного сейсмоисточника

сей” [2] (рис. 1). На жёсткую плиту – излучатель 1 опирается массивный груз 2. При приложении генерируемой импульсным электромагнитным двигателем 3 механической силы f груз подлетает вверх, а излучатель двигается вниз, сжимая грунт и тем самым, формируя в нём сейсмическую волну. Сила f возникает при разряде конденсаторного накопителя C энергии через полупроводниковый тиристорный ключ VS на обмотку 4 возбуждения электромагнитного двигателя. После разряда накопителя до нуля включается диод VD , а тиристор VS выключается. Накопитель заряжается в промежутке между срабатываниями зарядным устройством 5.

Для оценки основных характеристик импульсного электромагнита при увеличении электромагнитных нагрузок на этом примере проведём численный расчёт процесса срабатывания с использованием электрической схемы замещения трёх систем [3]: электрической, магнитной и механической (рис. 2).

Электрическая ( Э ) схема моделирует в расчёте активное сопротивление R обмоток, а также два интервала работы электромагнитного привода: ввод энергии в магнитное поле электромагнита при разряде конденсатора C на обмотку через тиристор VS и работу при шунтировании её диодом VD .

Индуктивность обмотки 4 в расчётной модели представлена электрической схемой замещения магнитной системы ( М на рис. 2,а) [3], содержащей индуктивности L 5 , L ^ , L s , замещающие, соответственно, магнитные проводимости зазора и магнитопровода, а также магнитную проводимость для потока рассеяния.

Моделирующая насыщение магнитопровода электромагнита индуктивность L^ может быть определена в программах анализа электронных схем, построенных на основе языка SPICE [4], с использованием элемента “магнитный сердечник”, либо рассчитана по формуле:

_ 2 ^Ц C ( B ) ⁽ S 5 ^/2)

L^ = w              , lC

где l_C – длина силовой линии магнитного поля в магнитопроводе: l c = 0.5 м; площадь S 5 = 0.18 м²; Ц с ( в ) - магнитная проницаемость материала магнитопровода в функции индукции магнитного поля. Индуктивность L_S в случае короткоходового электромагнита сравнительно мала и в расчётах принимается постоянной, а учитывающая процесс выбора зазора индуктивность L 5 рассчитывается по формуле:

L ₅

= w 2 Ц о ( S 5 /2)

Приведённая на рис. 2,б упрощённая электрическая схема замещения механической системы привода содержит замещающий электромагнитную силу f (1) источник ЭДС E , замещающую массу m нагрузки электромагнита индуктивность L_m и замещающую податливость нагрузки электромагнита ёмкость C_m [5]. Сопротивлением механических потерь при малой длительности процесса выбора зазора 5 можно пренебречь. В случае сейсмоисточника подвижным является не только якорь, но и индуктор, поэтому масса m :

К 1 о

m = 1     +     ^ L m ,     (4)

/ (mi   m 2 J               v 7

где mi, m 2 — массы элементов привода, приведённые к якорю и индуктору. Необходимое для рас- чёта величин 5 и L5 встречное перемещение масс m1, m2 определяется интегрированием тока im .

В расчётах величину первичной энергии A 0 , запасённой в накопителе C , будем задавать, изменяя в диапазоне (500 — 2000) В напряжение на нём, при этом длительность разряда накопителя на обмотку 4 изменяется в диапазоне (1.8 -1.3)·10 ⁷ с. В рассматриваемом примере накопитель имеет ёмкость 0.005 Ф, а обмотка – пять витков и сопротивление R = 0.09 Ом (без учёта эффекта вытеснения тока). В расчёте использованы модели тиристора VS типа Т473–2000– 20 и диода VD такого же класса по току и напряжению.

При анализе будем оценивать максимальные значения тока I max возбуждения и индукции B max магнитного поля в зазоре, а также на момент 1 5 времени выбора зазора 5 между якорем и индуктором электромагнита значения I _и тока возбуждения, механической энергии A_M , энергии A _ц магнитного поля (остающейся неиспользованной после выбора зазора), энергии потерь A_R – в электромагните и A_V – в системе электропитания: в накопителе C , на вентилях VS , VD и на соединительных проводах. Применением схемотехнических решений системы возбуждения могут быть осуществлены рекуперация энергия A _ц в накопитель C и её последующее использование, поэтому A _ц не отнесена к потерям. КПД П электромагнитного привода и коэффициент к _и насыщения магнитной системы его электромагнитного двигателя будем рассчитывать по формулам:

сейсмоисточников является значительно меньшая по сравнению с площадью сечения ярма индуктора и якоря площадь сечения полюсов индуктора. Поэтому представленная на рис. 3 кривая намагничивания такого двигателя при начальном положении его якоря относительно индуктора имеет два “перегиба”, которые обусловлены насыщением, соответственно, полюсов и ярма. Величина потерь энергии на вихревые токи и гистерезис, эквивалентная площади петли гистерезиса, при выполнении магнитопровода из листовой холоднокатаной среднелегированной стали невелика – в этом примере ширина петли в масштабе рис. 3 практически соответствует толщине линии графика. В расчётах эти потери включены в величину A_R .

РЕЗУЛЬТАТЫ

Рассчитанные по описанной численной модели графики приведены на рис. 4 — 6. При A 0 <  A 1 длительность 1 5 (рис. 4) при увеличении A 0 уменьшается значительно больше, чем при A 0 >  A , что может служить аргументом при проектировании электромагнитного привода: длительность выбора зазора 5 более стабильна у форсированных электромагнитных двигателей.

При A 0 <  A КПД П электромагнитного привода максимален, при этом магнитопровод насыщен незначительно, B max = ^{1.7 Тл} (рис. ⁴⁾. Из графиков на рис. 5 следует, что при увеличении энергии A 0 производная A_M / от механической энергии

П =

A M  , k_u = 1 +

^

A 0   A n I max

AM

dA M    д’ d d ( a r + A v )

dA 0 ^{, Aп}        dA 0      ⁽⁶⁾

Характерной особенностью конструкции магнитопроводов электромагнитных двигателей положительна и незначительно уменьшается, то есть механическая энергия AM электромагнит-

Рис. 3. Кривая намагничивания электромагнита при зазоре 5 , равном 5 мм

Рис. 4. Влияние величины первичной энергии A 0 на основные характеристики короткоходового импульсного электромагнитного привода

Рис. 5. Влияние величины A 0 на скорости изменения энергии

Рис. 6. Влияние величины A 0 на составляющие энергии

ного двигателя при увеличении энергии A 0 возрастает. Потери энергии A r + A ^ при увеличении A 0 тоже возрастают, но в отличие от энергии A_M тем больше, чем больше A 0 (график A_n / ). Очевидно, что увеличение потребляемой рассматриваемым электромагнитным приводом энергии с целью форсировки свыше величины A 1 возможно, но при этом КПД будет снижаться.

При величине A ₀ = A 2 , потери энергии A r + A v становятся равными величине механической энергии (рис. 6). При увеличении A 0 >  A 3 рост потерь энергии A _R становится более существенным, так как в магнитопроводе электромагнитного двигателя насыщаются уже не только полюса, но и ярмо. В рассматриваемом приводе, кроме того, при этом резко возрастают потери энергии A_V в вентилях системы возбуждения (ток через них, приближается к их максимальному для заданной длительности импульса току).

По возможностям увеличения потребляемой электромагнитным приводом энергии и, соответственно, механической, можно сказать следующее:

. Уровень механической энергии, соответствующий условию A 0 = A i и максимальному КПД, можно использовать при допустимой избыточной массе электромагнита. Ограничение величины механической энергии по такому критерию может применяться для многих устройств, у которых важнейшим показателем является эффективность использования энергии. Что же касается длительности 1 5 выбора зазора, то мощный импульсный сейсмоисточник, при A о = A i может иметь недостаточное быстродействие (5.7^10³ с в примере). Длительность 1 5 значительно приближается к своему минимуму и становится слабо зависящей от форсировки взятого в качестве примера электромагнита при A о >  2000 Дж, и индукции B max в зазоре, более 2 Тл. Поэтому при проектировании электромагнитного привода сейсмоисточников “Енисей”

было рекомендовано уровень 2000 Дж энергии A 0 одного силового модуля не превышать.

. Выбор режима форсированного возбуждения рассмотренного короткоходового электромагнитного двигателя в диапазоне энергий A i <  A 0 <  A 3 характеризуется увеличением потерь энергии, для компенсации которых необходимы затраты на увеличивающийся конденсаторный накопитель C и прочие силовые элементы системы возбуждения. При определённых условиях (при стремлении снизить массу привода) такие значения всё же могут считаться рациональными.

. При величине энергии A 0 >  A 3 , когда резко увеличиваются потери энергии в доступных проектировщику полупроводниковых ключах и значительно насыщается весь магнитопровод электромагнита, включая ярмо, затраты на увеличение мощности системы возбуждения могут возрасти настолько, что может оказаться рациональным использование не электромагнитного, а какого-либо другого привода, например электродинамического.

Возможности увеличения механической энергии показаны на рис. 7 на примере энергетических диаграмм рассмотренного электромагнитного привода, построенных при различных значениях энергии A 0 . По диаграммам видно, что рост площади диаграммы, эквивалентной механической энергии A_M , при увеличении A 0 >  2000 Дж замедляется, а при A 0 >  A 3 практически прекращается.