Efficiency of multi-armature linear pulse electromechanical power and speed converters

Abstract

Introduction. High-speed linear pulse electromechanical converters (LPEC) provide acceleration of the executive element in a short active section to high speed with significant displacement, while power-purpose LPECs create powerful power impulses of the executive element on the object of influence with minor movements. One of the areas of improvement of LPEC is the creation of multi-armature structures. Methodology. To analyze the electromechanical characteristics and indicators of LPEC, a mathematical model was used, which takes into account the interconnected electrical, magnetic, mechanical and thermal processes that occur when connected to a pulse energy source with a capacitive energy storage. The main results of the calculations were performed in the COMSOL Multiphysics software environment and confirmed by experimental studies in laboratory conditions. Results. The features of the electromechanical processes of multi-armature LPECs are established and their indicators are determined. With the help of efficiency criteria, which take into account electrical, power, speed and magnetic indicators in a relative form with different options for their evaluation strategy, it was established that multi-armature LPECs for power purposes have increased efficiency, and for high-speed LPECs the use of multiarmature configurations is impractical. The conducted experimental studies confirm the reliability of the calculated results. Originality. It has been established that almost all multi-armature LPECs for power purposes have higher efficiency compared to a converter with one armature, and for high-speed LPECs it is advisable to use traditional LPECs with one armature. Practical value. On the basis of multi-armature LPECs, models of an electromagnetic UAV catapult, a magnetic pulse press for ceramic powder materials, an electromechanical device for dumping ice and snow deposits from a power line wire, a device for destroying information on a solid-state digital SSD drive have been developed and tested.Вступ. Лінійні імпульсні електромеханічні перетворювачі (ЛІЕП) швидкісного призначення забезпечують розгін виконавчого елемента на короткій активній ділянці до високої швидкості зі значним його переміщенням, а ЛІЕП силового призначення створюють потужні силові імпульси виконавчим елементом на об'єкт впливу при незначних його переміщеннях. Одним із напрямків удосконалення ЛІЕП є створення багатоякірних конструкцій. Методика. Для аналізу електромеханічних характеристик та показників ЛІЕП використана математична модель, в якій враховані взаємопов’язані електричні, магнітні, механічні та теплові процеси, які виникають при підключенні до імпульсного джерела енергії з ємнісним накопичувачем енергії. Основні результати розрахунків виконані в програмному середовищі COMSOL Multiphysics і підтверджені експериментальними дослідженнями в лабораторних умовах. Результати. Встановлені особливості електромеханічних процесів багатоякірних ЛІЕП та визначено їх показники. За допомогою критеріїв ефективності, які у відносному вигляді враховують електричні, силові, швидкісні та магнітні показники при різних варіантах стратегії їх оцінки, встановлено, що багатоякірні ЛІЕП силового призначення мають підвищену ефективність, а для ЛІЕП швидкісного призначення використання багатоякірних конфігурацій недоцільно. Проведені експериментальні дослідження підтверджують достовірність розрахункових результатів. Наукова новизна. Встановлено, що практично всі багатоякірні ЛІЕП силового призначення мають більш високу ефективність в порівнянні з перетворювачем з одним якорем, а для ЛІЕП швидкісного призначення доцільно застосовувати традиційні ЛІЕП з одним якорем. Практична цінність. На базі багатоякірних ЛІЕП розроблено та випробувано моделі електромагнітної катапульти БПЛА, магнітно-імпульсного пресу для керамічних порошкових матеріалів, електромеханічного пристрою для скидання ожеледних і снігових відкладень з проводу лінії електропередачі, пристрою для знищення інформації на твердотільному цифровому SSD накопичувачі.