141 "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/49050
Переглянути
Документ Визначення профілю соленоїдів для створення імпульсних магнітних полів за допомогою аналітичних розв'язків задач аналізу(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Петренко, Микита ПавловичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (14 – Електрична інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2020. Об’єктом дослідження є імпульсне магнітне поле, що утворюється масивними одновитковими соленоїдами при магнітно-імпульсній обробці металевих заготовок. Предметом дослідження є профілі масивних одновиткових соленоїдів, що забезпечують заданий розподіл імпульсного магнітного поля на поверхні оброблюваної металевої заготовки. В дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача визначення профілів масивних одновиткових соленоїдів за допомогою аналітичних розв’язків задач аналізу імпульсного магнітного поля, що утворюється джерелами елементарної форми. Дослідження виконано за допомогою фундаментальних положень теоретичної електротехніки, математичної фізики, чисельних методів аналізу та сучасних інформаційних технологій. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі проведено огляд конструкцій полеутворюючих систем для магнітно-імпульсної обробки металів та аналіз відомих методів визначення їх форми. Детально розглядаються два підходи до вирішення цієї задачі. Перший базується на ітеративному або аналітичному підборі параметрів полеутворюючої системи, другий – на вирішенні задачі продовження поля з граничної поверхні. Обґрунтовано необхідність розвитку методів, заснованих на використанні аналітичних розв’язків задач аналізу для джерел елементарної форми, обрано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі запропоновано метод визначення форми масивних одновиткових соленоїдів для створення заданого розподілу азимутальної складової індукції магнітного поля на поверхні циліндричної та плоскої заготовки, що засновується на використанні систем елементарних джерел зі струмами, котрі розташовані поблизу цих поверхонь. При цьому середовище поза провідниками вважається непровідним і немагнітним, а заготовка замінюється ідеальним надпровідником: нескінченно довгим циліндром або півпростором. Розглядаються три випадки. У першому елементарні джерела – це кільця зі струмами нескінченно малого перетину, що розташовуються співвісно внутрішньому циліндру, у другому – такі ж співвісні кільця, але розташовані паралельно плоскій границі нижнього півпростору, у третьому – осі зі струмами, розташовані паралельно нижньому півпростору. Наведено формули для розрахунку індукції магнітного поля та магнітного потоку, що створюються такими джерелами. Варіацією геометричними параметрами елементарних джерел та струмами, що в них протікають досягнуто відповідності утвореного поверхневого розподілу індукції та заданого. Для підбору оптимальних параметрів системи застосовано метод градієнтного спуску. Для визначення шуканого контуру профілю масивного соленоїда побудовано силові лінії магнітного поля систем елементарних джерел, що забезпечують найменшу похибку відтворення заданого розподілу. Правильність визначення точного контуру профіля соленоїда підтверджується за допомогою методу інтегральних рівнянь. У третьому розділі запропоновано апроксимацію точного контуру профілю масивного одновиткового соленоїда багатокутником, що дозволило значно спростити його проєктування і виготовлення. Досліджено розподіли індукції магнітного поля та їх розбіжності із заданим для соленоїдів точного та апроксимованих профілів. Розраховано та порівняно індуктивність системи соленоїд – циліндр. Детально розглянуто розподіли поверхневої густини струму на крайках апроксимованих соленоїдів і визначено вплив радіуса скруглення та величини кута, що скруглюється, на її максимальні значення. Розрахунки третього розділу виконано за допомогою чисельного розв’язання інтегрального рівняння відносно поверхневої густини струму. У четвертому розділі експериментально досліджено розподіли індукції плоскомеридіанного магнітного поля, що створюється масивним одновитковим соленоїдом поблизу циліндричної поверхні заготовки. Для цього із латуні було виготовлено соленоїд, контур профілю котрого отримали за допомогою методу, який запропоновано в дисертації. Точний контур профіля масивного соленоїда, котрий отримали за допомогою системи дев’яти елементарних кільцевих джерел, було апроксимовано шестикутником. Соленоїд розміщувався на спеціальному стенді співвісно з мідною оболонкою, яка імітувала заготовку. У проміжку між соленоїдом та оболонкою розташовувався індукційний перетворювач, за допомогою якого вимірювали відносну індукцію в контрольних точках поблизу поверхні оболонки. Через соленоїд пропускали імпульси струму від низьковольтного генератора, котрі мали форму експоненційно згасаючою синусоїди. Частота імпульсів змінювалась в діапазоні (40÷225) кГц зміною ємності батареї конденсаторів в генераторі. Наведено відносні розбіжності між виміряними та заданими розподілами, які при всіх варіантах імпульсу не перевищують 6 відсотків по всій довжині оброблюваної поверхні. Результати досліджень дозволили отримати низку наукових результатів: - уперше для визначення форми одновиткового масивного соленоїда, що забезпечує заданий розподіл імпульсного магнітного поля на циліндричній поверхні металевої заготовки при магнітно-імпульсній обробці, застосовано функцію Гріна; - уперше запропоновано апроксимацію складного криволінійного контуру профілю масивного соленоїда контуром багатокутника, що дозволило суттєво спростити його проєктування та виготовлення; - отримало подальший розвиток застосування функцій Гріна для визначення профілів масивних соленоїдів, що забезпечують заданий розподіл плоскомеридіанного та плоскопаралельного магнітного поля на плоскій поверхні металевої заготовки; - достовірність теоретичних результатів, отриманих у дисертації, підтверджено вимірюваннями відносних розподілів індукції магнітного поля, що створюється масивним соленоїдом, поблизу поверхні циліндричної заготовки на стенді для фізичного моделювання; - Результати досліджень використано в НТУ "ХПІ" при виконанні науково-дослідних робіт на кафедрі інженерної електрофізики.