Підвищення ефективності лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів за рахунок мультиякірних конфігурацій

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 "Електричні машини й апарати" (14 – Електрична інженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2020 р. Дисертаційна робота присвячена удосконаленню лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів за рахунок мультиякірних конфігурацій. Для досягнення цієї мети були поставлені задачі: – провести аналіз конструкцій та сфер використання лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів індукційного, електродинамічного і електромагнітного типів в якості ударно-силових та прискорювальних пристроїв; – реалізувати в програмному середовищі COMSOL Multiphysics математичну модель лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача мультиякірної конфігурації, яка враховує взаємопов’язані електричні, магнітні, механічні і теплові процеси та нелінійні магнітні і теплофізичні залежності; – провести аналіз електромеханічних характеристик лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій та за допомогою комплексного критерію оцінити їх ефективність; – встановити вплив форми струму збудження на ефективність лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій; – провести експериментальні дослідження лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів, запропонувати та випробувати моделі електромагнітної катапульти для безпілотного літального апарату, магнітно-імпульсного пресу для керамічних порошкових матеріалів, електромеханічного пристрою для скидання ожеледних та снігових відкладень з проводу лінії електропередачі та пристрою для знищення інформації на SSD накопичувачі. Об’єкт дослідження – електромеханічні процеси та показники лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій. Предмет дослідження – лінійні імпульсні електромеханічні перетворювачі мультиякірних конфігурацій силового та швидкісного призначення. Методи дослідження. При розв’язанні поставлених задач використовувалось математичне моделювання електромагнітних, механічних та теплофізичних процесів в лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачах імпульсної дії для проведення аналізу електромеханічних характеристик та встановлення впливу форми струму збудження на ефективність перетворювачів. Експериментальні дослідження лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірної конфігурації проводились на експериментальних стендах, що дозволило випробувати моделі пристроїв. В роботі отримані такі наукові результати: – отримала подальший розвиток класифікація лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій, які включають феромагнітний, котушковий та суцільний електропровідний якоря; – удосконалено математичну модель лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача за рахунок включення феромагнітного, котушкового та суцільного електропровідного якорів, які взаємодіють з рухомим якорем. Математична модель, яка реалізована в програмному середовищі COMSOL Multiphysics, містить взаємопов’язані електричні, магнітні, механічні та теплові процеси і враховує магнітні та теплофізичні нелінійні залежності; – вперше встановлено особливості протікання електромагнітних процесів та визначено електричні, магнітні та силові показники лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій силового призначення. Показано що практично всі перетворювачі мультиякірних конфігурацій забезпечують збільшення амплітуди та величини імпульсу електродинамічних зусиль у порівнянні з перетворювачем, що має один суцільний електропровідний якір; – вперше встановлено вплив геометричних параметрів рухомого і нерухомого електропровідних якорів, які взаємодіють з рухомим індуктором, що дозволило підвищити швидкісні показники лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача; – вперше встановлено, що при збуджені коливально-загасаючою, аперіодичною та аперіодичною з підживленням формами струму в перетворювачах мультиякірних конфігурацій величина імпульсу електродинамічних зусиль збільшується у порівнянні з перетворювачем, що має один суцільний електропровідний якір. Дисертаційна робота виконана в НТУ "ХПІ" і є частиною науково-дослідних робіт кафедри загальної електротехніки. Робота виконувалися за держбюджетними темами "Розробка засобів підвищення ефективності лінійних ударних електромеханічних прискорювачів та силових пристроїв" (ДР № 0115U000522) і "Удосконалення технічних систем та пристроїв за рахунок імпульсних електромеханічних перетворювачів та електрофізичних технологій" (ДР № 0117U004881), госпдоговірної теми № 15812 "Розробка та дослідження високошвидкісного електродинамічного приводу" і ініціативної теми "Сучасні проблеми та перспективи розвитку електротехнічних пристроїв та систем" (ДР № 0119U002551), де автор був співвиконавцем.Dissertation for Candidate of Science Degree in Specialty 05.09.01 "Electrical Machines and Apparatuses" (14 – Electrical Engineering) – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2020. The dissertation work is devoted to the improvement of linear pulse electromechanical converters due to multi - core configurations. To achieve this goal, the following tasks were set: – to analyze the structures and areas of use of linear pulse electromechanical converters of induction, electrodynamics and electromagnetic types as shockpower and accelerating devices; – to implement in the COMSOL Multiphysics software environment a mathematical model of a linear pulse electromechanical converter of multi-core configuration, which takes into account the interconnected electrical, magnetic, mechanical and thermal processes and nonlinear magnetic and thermophysical dependences; – to analyze the electromechanical characteristics of linear pulse electromechanical converters of multicore configurations and to evaluate their efficiency with the help of a complex criterion; – to establish the influence of the shape of the excitation current on the efficiency of linear pulse electromechanical transducers of multicore configurations; – to conduct experimental studies of linear pulse electromechanical transducers, to propose and test models of electromagnetic catapult for unmanned aerial vehicle, magnetic pulse press for ceramic powder materials, electromechanical device for discharging ice and snow deposits from the transmission line wire and transmission line. Object of research – electromechanical processes and indicators of linear pulse electromechanical converters of multicore configurations. Subject of research – linear pulse electromechanical converters of multicore configurations of power and speed purpose. Research methods. Mathematical modeling of electromagnetic, mechanical and thermophysical processes in linear pulse electromechanical converters of pulse action was used to solve the tasks to analyze the electromechanical characteristics and establish the influence of the shape of the excitation current on the efficiency of the converters. Experimental studies of linear pulse electromechanical transducers of multicore configuration were performed on experimental stands, which allowed to test device models. The following scientific results are obtained in the work: – the classification of linear pulse electromechanical converters of multicore configurations, which include ferromagnetic, coil and continuous conductive armature, was further developed; – the mathematical model of the linear pulse electromechanical converter due to inclusion of the ferromagnetic, coil and continuous electrically conductive anchors which interact with a mobile anchor is improved. The mathematical model, which is implemented in the COMSOL Multiphysics software environment, contains interconnected electrical, magnetic, mechanical and thermal processes and takes into account magnetic and thermophysical nonlinear dependencies; – for the first time the peculiarities of the course of electromagnetic processes are established and the electrical, magnetic and power indicators of linear pulse electromechanical converters of multi-core configurations of power purpose are determined. It is shown that almost all converters of multi-arc configurations provide an increase in the amplitude and magnitude of the pulse of electrodynamics forces in comparison with the converter, which has one continuous conductive armature; – for the first time the influence of geometrical parameters of movable and fixed electrically conductive armatures that interact with the movable inductor was established, which allowed to increase the speed indicators of the linear pulse electromechanical converter; – for the first time it is established that when excited by oscillatingattenuating, aperiodic and aperiodic with feeding forms of current in converters of multicore configurations the magnitude of the electrodynamics force pulse increases in comparison with the converter having one continuous electrically conductive armature. The dissertation work was performed at the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and is part of the research work of the Department of General Electrical Engineering. The work was carried out on the basis of financing by state budget topics: "Development of means of increasing the efficiency of linear shock electromechanical accelerators and power devices" (DR №0115U000522), "Improvement of technical systems and devices by means of impulse electromechanical converters. (DR № 0117U004881), the contractual theme "Development and research of high-speed electrodynamics actuator" (at the expense of LLC "TETRA, Ltd", Kharkiv), and the initiative theme "Modern problems and prospects for the development of electrotechnical devices and systems" (DR №0119U002551) where the author was a co-author.