автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Импульсные электромеханические системы с магнитными накопителями энергии

На правах рукописи

у

ЗАПОЛЬСКИХ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С МАГНИТНЫМИ НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ

Специальность 05 09 01- Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗОББ^ис!

Екатеринбург 2007

003066203

Работа выполнена на кафедре «Сопротивление материалов» Вятского государственного университета, г Киров

Научные руководители доктор технических наук, профессор

В Т Караваев

доктор технических наук, профессор В В Мелюков

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Г К. Смолин

кандидат технических наук, доцент ДН Томашевский

Ведущая организация ОАО Электромашиностроительный завод

им «Лепсе», г Киров

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета — УПИ

Защита диссертации состоится 17 октября 2007 г. в 14 15 на заседании диссертационного совета Д 212 285.03 при Уральском государственном техническом университете - УПИ по адресу г Екатеринбург, ул Мира, 19, ауд Э-406

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу 620002, г Екатеринбург, ул Мира, 19, УГТУ-УПИ, К-2, ученому секретарю совета

Автореферат разослан 14 сентября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Л

А М Зюзев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Работа посвящена исследованию и разработке импульсных электромеханических систем с магнитными накопителями энергии и применением их в электромеханике и сварочном производстве Такие системы известны как импульсные магнитного сопротивления (ИМС) электрические машины с управляемыми по сигналам датчиков ключами

ИМС электрические машины содержат магнитный накопитель энергии Магнитные накопители энергии по сравнению с емкостными накопителями имеют более высокие энергетические показатели Удельная энергия магнитных накопителей составляет 1-10 Дж/г, в то время как емкостных накопителей - 0,1-0,5 Дж/г Основная часть магнитной энергии накапливается в рабочих немагнитных зазорах магнито-провода при протекании тока в обмотке

В ИМС электрических машинах вначале происходит накопление магнитной энергии, а только затем отдача энергии нагрузке в генераторах и трансформаторах и преобразование магнитной энергии в механическую энергию в двигателях Такой режим работы позволяет повысить кпд и удельную мощность электрических машин В ИМС электрических двигателях и трансформаторах передача энергии от источника питания магнитной подсистеме осуществляется импульсом при большом магнитном сопротивлении рабочих зазоров В ИМС электрических генераторах накопление энергии осуществляется в результате процесса преобразования механической энергии якоря в магнитную энергию в рабочих зазорах, а передача накопленной энергии от магнитной подсистемы нагрузке осуществляется тоже импульсом при большом магнитном сопротивлении рабочих зазоров Величина магнитной энергии в рабочих зазорах определяется магнитным сопротивлением зазоров и растет с его увеличением Рабочие немагнитные зазоры можно выполнить с очень большим магнитным сопротивлением и, таким образом, значительно повысить удельную мощность ИМС электрических машин по сравнению с традиционными электрическими машинами

Процесс накопления магнитной энергии и передача энергии нагрузке для генераторов и трансформаторов, а также процесс накопления магнитной энергии и магнитомеханическое преобразование - для двигателей разделены во времени поэтому в ИМС электрических машинах используется только одна совмещенная обмотка Для расширения возможностей управления энергией и временной зависимостью мощности импульса могут использоваться две обмотки накопления и разряда

Существующие электрические машины с магнитными накопителями энергии еще не совсем совершенны и, поэтому не достаточно используются в электромеханике и сварочном производстве Эти машины мало исследованы и привлекают внимание специалистов новыми свойствами и высокими энергетическими показателями, такими как высокая удельная мощность на единицу массы, повышенный кпд, надежность в работе Недостаточно разработана теория таких машин

Цель работы Целью работы является исследование и улучшение энергетических параметров импульсных электромеханических систем с магнитными накопителями энергии и применение их в электромеханике и сварке

Задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели, заключаются в следующем

- усовершенствовать ИМС электрические машины, содержащие в своей основе магнитные накопители энергии, применительно к устройствам электромеханики и процессам сварки,

- исследовать свойства и технологические возможности ИМС электрических машин,

- исследовать процесс формирования импульсов емкостными и магнитными накопителями энергии применительно к сварке с учетом изменения активного сопротивления межэлектродного промежутка,

- применить ИМС электрические машины в устройствах электромеханики и технологии сварки,

- исследовать структуру металла и свойства сварного соединения

Методы исследования Для исследования ИМС электрических машин использовались дифференциальные уравнения механики и электродинамики Вначале учитывались только основные параметры модели Это давало возможность получать решение дифференциальных уравнений в аналитическом виде и исследовать главные свойства ИМС электрических машин Детальная информация, которая может быть использована также и при проектировании, получена решением дифференциальных уравнений с минимальными упрощениями в численном виде с использованием математических пакетов программ МаЛСАБ

Для исследования теплового воздействия ИМС источников в сварочном процессе использовалось дифференциальное уравнение теплопроводности Решение задачи оптимизации тепловых процессов осуществлялось с помощью схемы плоского, нестационарного теплового источника, с использованием вариационных методов

Экспериментальные исследования ИМС электрических машин проводились на специальном стенде с использованием многоканального светового осциллографа и специально разработанных датчиков линейных перемещений

Исследование сварочного процесса проводилось на макете сварочной установки с магнитным накопителем энергии Осциллограммы записывались с помощью компьютерного осциллографа, а для обработки результатов эксперимента использована математическая система Ма^САБ Для определения качества сварки проводились исследования микроструктуры с помощью компьютеризированного микроскопа и испытания на разрыв Научная новизна работы

Впервые разработаны элементы теории импульсных электрических систем с магнитным накопителем энергии, включающие анализ цикла работы, энергетические преобразования и применительно к сварке процесс формирования импульса

Разработана математическая модель ИМС электрических машин, с помощью которой проведены исследование таких машин

Получено повышение энергетических параметров электрических машин с магнитными накопителями энергии

Проведены исследования процесса формирования сварочного импульса магнитными накопителями энергии, получена концентрация энергии на сварочном промежутке с помощью активного сопротивления флюса и снижение мощности после заполнения сварочного промежутка жидким металлом

Практическая ценность

ИМС электрические машины применены в качестве линейных шаговых двигателей и имеются акты о внедрении и испытаниях

Импульсные сварочные источники на основе ИМС электрических машин с магнитными накопителями энергии применены для сварки

ИМС электрические машины могут найти применение для отбойных молотков, прессов и штамповочном оборудовании, в производстве шаговых двигателей, в мощных электрофизических установках, в новых видах сварки и др

Результаты исследований могут быть использованы при проектировании таких машин и в учебном процессе преподавания специальных разделов электромеханики и машин сварочного производства На защиту выносятся

Элементы теории ИМС электрических машин и трансформаторов ИМС электрические машины и их системы управления, работающие с помощью управляемых ключей по сигналам датчиков положения, датчиков фазы, датчиков скорости изменения электрического тока и датчиков максимального тока

Импульсный сварочный источник с магнитным накопителем энергии, разработанный на основе ИМС электрических машин и трансформаторов

Результаты экспериментальных исследований процесса сварки, структуры металла и свойств сварных соединений, выполненных ИМС сварочными источниками Апробация и реализация результатов работы Результаты исследований и элементы теории ИМС электрических машин опубликованы в печати

Работа докладывалась на научно-технических советах СКБ МТ и общезаводских научно-технических советах ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат им Б П Константинова» в 1983, 1994, 1998 годах, на Всероссийских ежегодных научно-технических конференциях в ВятГУ в 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 и 2007 годах, на региональных с международным участием конференциях «Сварка Урала - 2003 и конференции по сварке в Перми в 2004 году»

Линейные шаговые двигатели (ЛШД) для системы управления искусственным сердцем, разработанные на основе ИМС электрических машин под научно - техническим руководством автора, применялись ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат им Б П Константинова» и Московским медицинским институтом НИИ трансплантологии и искусственных органов На том же предприятии под руководством автора разработаны и изготовлены ИМ С ЛШД для регулирования потока химических веществ и действующий макет линейной ИМС возвратно-поступательной машины

Разработан и изготовлен действующий макет сварочной установки с накопителем магнитной энергии

Публикации Основное содержание работы изложено в 41 опубликованных научных работах, в том числе монографии, 5 изобретениях, на три из которых выданы патенты, а на остальные авторские свидетельства

Объем работы Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов, библиографического перечня и приложений

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель работы, определен круг исследовательских задач, их научная новизна и практическая значимость, положения, выносимые на защиту

В первой главе рассматриваются существующие импульсные электромеханические систем с магнитными накопителями энергии

Основы теории энергопреобразования в импульсных электрических машинах с магнитными накопителями энергии разработаны российскими учеными Н П Ря-шенцевым и В Н Ряшенцевым, которые показали, что для повышения эффективности преобразования энергии электромагнитных двигателей необходимо во-первых, уменьшить начальную индуктивность, во-вторых, проводить энергопреобразование при постоянном потокосцеплении Это, по сути дела и означает, что механическую работу выгоднее производить за счет предварительно накопленной магнитной энергии

Накопление магнитной энергии происходит в линейных электромагнитных двигателях с удержанием якоря на этапе трогания, предложенных НП Ряшенцевым, Г Г Угаровым и А В Львицыным Для таких двигателей было получено повышение энергии удара и кпд

Принцип построения электрического генератора, в котором вначале происходит накопление магнитной энергии в результате механико-магнитного преобразования, а затем отдача энергии нагрузке, принадлежит, также, нашим соотечественникам Д А Буту и П В Васюкевичу

Электрический генератор с магнитным накопителем энергии запатентован в СССР французами Жак Анри Жарре и Жан Мари Батист Жарре В этом генераторе накопление магнитной энергии осуществляется при короткозамкнутой обмотке, а переключение электрических цепей осуществляется с помощью управляемых ключей, работающих по сигналам датчиков положения

Импульсные электромеханические системы с магнитными накопителями энергии могут найти применение и в сварочном производстве В сварочном производстве в качестве накопителей энергии применяются электрические конденсаторы и практически не используются магнитные накопители Образование электрической дуги и приварка контактов энергией магнитного поля наблюдается в электроснабжение при размыкании электрических цепей, когда энергия магнитного поля, накопленная в электромагнитных устройствах, и энергия магнитного поля электрического тока протяженных электрических линий превращается в энергию электрической дуги, и с этим борются

Во второй главе рассматривается вопросы, связанные с усовершенствование ИМС электрических машин

Разработаны ИМС генератор и двигатель, на которые выданы патенты Российской Федерации

В ИМС генераторе подключение нагрузки осуществляется по сигналу датчиков скорости изменения электрического тока (к которым относится также датчики максимального тока) при накоплении максимальной магнитной энергии

Электрический генератор (рис 1) содержит первичную часть 1, вторичную часть 2, обмотку 3, источник питания 4, управляемый ключ 5, диод 6, датчик ней-

трального положения 7, датчик скорости изменения электрического тока 8, нагрузку 9, второй диод 10

В нейтральном положении вторичной части 2 по сигналу датчика положения 7 ключ 5 открывается Электрический ток от источника питания 4 поступает в обмотку 3 и создает магнитный поток, при этом диод 6 закрыт

При перемещении вторичной части 2 из нейтрального положения магнитное сопротивление рабочих зазоров возрастает Для поддержания магнитного потока в обмотке 3 наводится ЭДС Когда ЭДС превысит напряжение источника питания 4, диод 6 открывается и электрический ток, наводимый в обмотке 3, накоротко замыкается через диод

При дальнейшем перемещении вторичной части 2 магнитное сопротивление рабочих зазоров продолжает возрастать Это приводит к повышению ЭДС и электрического тока в обмотке 3

При приближении электрического тока к максимальному значению, на выходе датчика скорости изменения электрического тока вырабатывается сигнал, который закрывает ключ 5 Электрический ток, создаваемый обмоткой 3 за счет запасенной магнитной энергии, через диод 10 будет теперь питать нагрузку 9 а а а ь

а4ШМ1

1 Шт.

43--

&

10 9

8

—А

Рис 1 Конструктивная и электрическая схема ИМС электрического генератора

Ть

В ИМС электрическом двигателе передача энергии от источника питания магнитной подсистеме происходит в виде импульса при большом магнитном сопротивлении рабочих зазоров, а преобразование магнитной энергии в механическую энергию происходит при короткозамкнутой обмотке Переключение электрических цепей в этом двигателе осуществляется с помощью управляемых ключей, работающих по сигналам датчиков скорости изменения электрического тока

Предложены ИМС двигатели, работающие от сети переменного тока Импульсы питания формируются обрезанием полусинусоид по сигналам датчиков фазы

Предложены двигатели, в которых оставшаяся магнитная энергия в рабочих зазорах при нейтральном положении вторичной части используется в последующем цикле работы Электромагнитные силы в таких двигателях не препятствуют дальнейшему продвижению вторичной части из нейтрального положения

Существующие электромагнитные двигатели с удержанием якоря могут быть усовершенствованы следующим образом

Необходимо удерживать якорь до тех пор пока электрический ток не достигнет максимального значения или не накопится максимальная магнитная энергия Затем по сигналу датчика скорости изменения электрического тока (датчика максимального тока) необходимо обмотку замкнуть накоротко и отключить удерживающий электромагнит

В трансформаторах имеющих магнитный накопитель в виде немагнитного зазора, названных трансформаторами магнитного сопротивления по аналогии с машинами магнитного сопротивления, как и в любых других, не происходит маГнитоме-ханического преобразования энергии, но их зарядка осуществляется аналогично питанию ИМС двигателей, а разрядка аналогично отдаче энергии нагрузке в ИМС генераторах , .

В третьей главе рассматривается математическое моделирование электромагнитных и механических процессов в ИМС электрических машинах

Процессы, происходящие в ИМС электрических машинах, описаны с помощью дифференциальных уравнений механики и электродинамики Уравнения для энергий представлены в дифференциальной форме Получено дифференциальное уравнение для потерь энергии в магнитопроводе, которое может быть применено к любой форме импульса Разработана математическая модель магнитного сопротивления рабочих зазоров как функция положения вторичной части и времени, учитывающая влияние электропроводящих элементов

Исследовано влияние электропроводящих элементов на формирование магнитного потока в рабочих зазорах Электропроводящие элементы позволяют направлять магнитный поток по более узкому и длинному пути, увеличивая магнитное сопротивление рабочих зазоров и увеличивая, таким образом, накопление магнитной энергии

Для дуговой сварки в математическую модель включено дифференциальное уравнение вольтамперной динамической характеристики дуги

Для равномерного вращательного и синусоидального колебательного законов движения вторичной части при пренебрежении магнитным сопротивлением магни-топровода решения уравнений получены в аналитическом виде Эти уравнения и их решения использованы для анализа цикла работы и процесса отдачи энергии нагрузке в ИМС электрических генераторах

Цикл работы генератора разделяется во времени на три части возбуждение, накопление магнитной энергии и отдача энергии нагрузке

Возбуждение электрического генератора происходит при минимальном магнитном сопротивлении в воздушном зазоре, когда полюса первичной и вторичной частей находятся напротив друг друга (нейтральное положение) Рассмотрен процесс возбуждения от источников постоянного тока и импульсом от электрического конденсатора Возбуждение ИМС генераторов импульсом может осуществляться при большом воздушном зазоре с малым расходом энергии

После возбуждения генератора источник питания отключается, а обмотка замыкается накоротко Выражение для электрического тока в этом случае запишется в виде

' ' 1

(1)

где Ь -индуктивность, Кк - активное сопротивление короткозамкнутой цепи

Уравнение (1) справедливо для любого закона движения вторичной части Получены аналитические выражения для равномерного и синусоидального законов движения вторичной части, а также условия для «лавинообразного» нарастания тока в обмотке

После накопления магнитной энергии, когда электрический ток возрастет и примет максимальное значение ъ, подключается нагрузка Электрический ток в активной нагрузке определяется выражением

: 12ехр

Rh+RK

(2)

L2

где RH - активное сопротивление нагрузки, 12 - индуктивность обмотки во время отдачи энергии

Напряжение на нагрузке определяется формулой

UH='RH (3)

Длительность импульса, определяемая как время, за которое его амплитуда уменьшается в е раз, равна

(4)

Импульс имеет форму спадающей экспоненты Параметры импульса определяются параметрами нагрузки с увеличением активного сопротивления нагрузки начальное напряжение увеличивается пропорционально сопротивлению нагрузки, длительность импульса уменьшается, при этом начальное значение электрического тока не изменяется

Закон движения вторичной части для двигателей имеет более сложный вид отличный от равномерного и синусоидального движения Поэтому для двигателей решение системы дифференциальных уравнений получено в численном виде с помощью математической системы MathCAD Учитывался, также, нелинейный характер магнитного сопротивления магнитопровода Разработана программа Основным элементом программы является вектор производных D(t,Y) Компонентами вектора являются правые части системы дифференциальных уравнений, приведенных к нормальному виду Зависимые переменные записаны в виде обобщенного вектора Y

Решение системы дифференциальных уравнений выполнено с помощью специального оператора MathCADa rkfixed (Y0, хь х2, N, D) в численном виде На основании матриц численных данных получены графики зависимостей от времени магнитного потока, координаты и скорости вторичной части, энергии потерь в проводах, механической энергии, энергии источника питания, магнитной энергии в маг-нитопроводе Численные данные для других величин получены из этих основных данных с помощью соответствующих формул Например, матрица численных значений для магнитной энергии Wm5 в рабочих зазорах получена с помощью соотношения

wmS =4 ф»>2

где Фт и R§ - матрицы значений для магнитного потока и магнитного сопротивления

Размеры модели составляют 20,4x12,4x20см

Исследовано влияние длительности импульсов на энергетические параметры Длительность импульса т изменяется величиной «обрезания» концов полусинусоиды Амплитуда импульсов устанавливалась так, чтобы максимальная индукция маг-

нитного поля в самом узком месте магнитопровода не создавала насыщения магнитного материала и была одинаковой для всех исследуемых импульсов Результаты исследования (рис 2) показывают, что при переходе от синусоидального режима питания с частотой 50 Гц к коротким импульсам мощность может быть увеличена более чем в 3 раза и составила более 3 кВт, а кпд может быть увеличен более чем на 20% и составил более 80% Более короткие импульсы подаются при более высоком магнитном сопротивлении и, поэтому создается более высокий запас магнитной энергии

Дж 100

А1(т) А2(т)

ад50

Щ>Р)

\\

о е •]

0,02

0,05 х

Рис 2 Зависимости энергетических параметров от относительной длительности импульса т А1 и А2 - механическая энергия, \УВ1 и У/02 -энергия потерь и и т|2 -КПД соответственно для кКт =16 и кЯт = 56, кКт - величина модуляции магнитного сопротивления

а)

Исследовано влияние модуляции магнитного сопротивления рабочих зазоров на энергетические параметры Энергетические параметры возрастают с увеличением модуляции магнитного сопротивления в цикле работы С увеличением модуляции магнитное сопротивление рабочих зазоров в крайнем положении якоря увеличивается и, поэтому увеличивается запасенная магнитная энергия Энергетические параметры продолжают возрастать, если оптимизировать машину, например, увеличивать напряжение с увеличением модуляции

Исследовано влияние размеров рабочих зазоров, величины механической нагрузки и т д на энергетические параметры С увеличением размеров рабочих зазоров мощность возрастает, а кпд уменьшается С уменьшением противодействующей силы увеличивается кинетическая энергия якоря в конце хода, при этом сумма механической работы и кинетической энергии остается постоянной, так как полная механическая энергия определяется только запасенной магнитной энергией

В четвертой главе рассматриваются разработки ИМС электрических машин в электромеханике

Рассмотрены особенности конструирования ИМС электрических машин В ИМС электрических машинах с увеличением размеров облегчается сохранение магнитного потока, создаваемого короткозамкнутой обмоткой, поэтому энергетические параметры улучшаются При уменьшении размеров для улучшения энергетических параметров необходимо повышать быстродействие электрической машины Диапазон мощностей ограничен, таким образом, сверху мощностью коммутирующей техники, а снизу ее быстродействием

ИМС электрические машины использовались в качестве линейных шаговых двигателей (ЛШД) (рис 3) в системах управления искусственным сердцем На ЛШД и на системы управления с 'помощью этих ЛШД выданы авторские свидетельства Двигатель для стендовых испытаний имеет размеры 30x30x95мм Размеры электро-

Рнс. 4. Типичные динамические характеристики электромагнитов ЛШД

Рис. 5. ИМС линейный шаговый двигатель для регулирования потоков химических неществ

магнитов составляют 30*30x25мм. Линейные размеры имплантируемого варианта меньше примерно в 1,5 раза.

В ЛШД (рис, 3) шток 4 с помощью электромагнитов 1, обгонных муфт 2 и 3 перемещается на одни шаг с каждым срабатыванием электромагнита. Импульс напряжения подаётся в начальном положении якоря, когда магнитное сопротивление рабочих зазоров максимально.

Рис. 3. Линейный шаговый двигатель: а - фото-1 рафия двигателя; б - конструктивная схема; 1 -электромагнит; 2 — ведущая обгонная муфта; 3 -удерживающая обгонная муфта; 4 - шток

6)

Проведены экспериментальные исследования ЛШД. 'Записаны динамические характеристики электромагнитов (рис. 4), с помощью которых рассчитаны энергетические параметры. Получено, что при импульсном режиме питания гю сравнению с непрерывным механическая энергия выше почти в 1,9 раза и при однократном срабатываний электромагнита составила 2,3-10"' Дж, а кпд выше на 18% и составил 26,8%.

Изготовлен и испытан ЛШД для регулирования потока химических веществ

Разработан и изготовлен макет линейной ИМ С ¡швратно-поступательной .машины (рис. 6). Получено увеличение кинетической энергии вторичной части с уменьшением длительности питающих импульсов.

Рис. 6. Линейная ИМС электрическая машина

В режиме работы генератора такая машина может быть использована для сварки автономными источниками, например, с тепловым-двигателем Стерлинга, а в режиме работы двигателя - в электрических отбойных молотках.

Импульсные электрические генераторы и трансформаторы использованы для сварки.

В пятой главе рассматривается расчёт и оптимизация теплового процесса сварки источниками с магнитными накопителями энергии.

В качестве математической модели для расчёта теплового процесса использовано одномерное уравнение теплопроводности. Получено решение с учётом изменения мощности источника во времени в виде ряда из элементарных функций. Проведён сравнительный анализ теплового действия импульса магнитных накопителей в виде спадающей экспоненты с прямоугольным импульсом. Для импульса а виде спадающей экспоненты вначале происходит быстрое нарастание температуры, что приводит к уменьшению количества тепла, вводимого в металл, и, следовательно. | уменьшению зоны термического влияния. При приближении к температуре плавления для экспоненциального импульса нарастание температуры происходит медленнее, чем для прямоугольного. Это приводит к уменьшению перегрева металла-

Поставлена и решена задача оптимизации энергии импульса. Рассмотрен тепловой процесс сварки торцов двух стержней. Источник теплоты представлен в виде плоского нестационарного источника. Полученные данные использованы для выбора параметров сварки и анализа 'энергетических характеристик сварки мандатными накопителями.

В главе шестой рассматриваются технологические возможности использования ИМС электрических машин в сварке.

Проведен анализ процесса разрядки ёмкостных и магнитных накопителей энергий на изменяющуюся в процессе действия сварочного импульса активную па-грузку.

Если при уменьшении активного сопротивления межэлектродного промежутка ёмкостные накопители энергии создают резкое увеличение электпическош Юхй, что может привести к прожогу деталей, то при использовании магнитных накопителей увеличения тока не происходит. После заполнения зазора между свариваемыми деталями жидким металлом выделение мощности магнитными накопителями в зоне сварки практически прекращается, поскольку постоянная времени сварочной пепи увеличивается и процесс отдачи оставшейся энергии импульса «растягивается» во времени. При повышении активного сопротивления нагрузки магнитные накопители

повышают напряжение, что может быть использовано для стабилизации сварочного процесса

Анализ процесса выделения мощности показывает, что емкостные накопители увеличивают выделение мощности с уменьшением активного сопротивления нагрузки и уменьшают с увеличением Для магнитных накопителей, выделение мощности, наоборот, увеличивается с увеличение активного сопротивления нагрузки и уменьшается с его уменьшением

Так как конечным результатом сварки является заполнение промежутка между свариваемыми деталями металлом, после которого подвод тепла становится вредным, то для стыковой и точечной сварки предпочтительнее использование магнитных накопители энергии

Свойства магнитных накопителей используются в конденсаторных сварочных машинах (рис 7) для улучшения кривой электрического тока Появление индуктив-ностей 4 и 5 связано с появлением потоков рассеяния трансформатора 3 Индуктивность вводится также специально для получения заданной формы импульсов В зависимости от соотношения индуктивной и емкостной составляющей получают апериодический или колебательный разряд Однако магнитные накопители в сварочных конденсаторных машинах играют второстепенную роль, и не используется полностью всех своих свойств В сварочных же машинах с магнитным накопителем (рис 8) магнитный накопитель является основным накопителем энергии, а конденсаторы могут использоваться для улучшения их свойств

V

/IV

4

Рис 7 Принципиальная схема конденсаторной сварочной установки 1 -межэлектродный сварочный промежуток, 2 - конденсаторная батарея, 3 -трансформатор, 4 и 5 - индуктивности

Рис 8 Принципиальная схема сварочной установкой с магнитным накопителем 1 - межэлектродный сварочный промежуток, 2 - магнитный накопитель, 3 - коммутирующий элемент, 4 - диод

Исследован процесс формирования импульса сварочной установкой с магнитным накопителем

Для подключения магнитного накопителя к сварочному промежутку используется ключ 3 В начальный момент времени электрический ток ¡о магнитного накопителя протекает только через коммутирующий элемент 3 За время переключения коммутирующего элемента ^ электрический ток "перетекает" в ветвь, содержащую межэлектродный сварочный промежуток 1

Разработана математическая модель процесса формирования сварочного импульса магнитными накопителями, а с помощью математической системы МаЛСАО разработана программа

На основании сделанных изобретений ИМС электрических машин предложены схемы сварочных установок с магнитными накопителями энергии

На основании результатов исследований ИМС электрических машин рассмотрены возможные области использования магнитных накопителей в сварочном производстве

Сварочные источники с .магнитным накопителем могу т создавать как одиночные импульсы, так и серию импульсов. Для поддержания межэлектродного промежутка в ионизированном состоянии между импульсами магнитного накопителя может быть подключен дополнительный источник питания.

Исследования показали, что ИМ С источники могут создавать мощные V! короткие сварочные импульсы. Для заданной энергии импульсов их ликояйя мощность увеличивается, а длительность уменьшается с увеличением отношения длины немагнитного зазора к площади полюсов и уменьшением числа витков обмотки, при этом .масса магнитного накопителя уменьшается. Могут быть получены импульсы большой длительности сравнимые, например, с периодом напряжения сети переменного тока. Получено, что длительность импульсов растет с увеличением размеров накопителя и числа витков обмотки, при этом его энергия возрастает.

Показано, что магнитные накопителя могут повышать амплитуду электрического тока при одновременном уменьшения -энергии импульса. Это способствует мелкокапельному переносу металла и может использоваться в сварке плавящимся электродом.

Независимость энергии импульсов ИМС источников от параметров межэлектродного промежутка может способствовать энергетической устойчивости сварочного процесса, а увеличение напряжения при увеличении длины дуги и изменении свойств защитного газа и других факторов, связанных с изменением активного сопротивления межэ лек Гродно го промежутка может способствовать устойчивости сварочного процесса. Эти свойства ИМС источников могут быть Использованы в сварке непяавящимся электродом,

В седьмой главе рассмотрены экспериментальные исследования процесса сьарки с применением ИМС источников.

Для сварки мелких деталей изготовлен макет сварочной установки е магнитным накопителем энергии (рис. 9 и 10). Максимальная энергия магнитного накопителя (рис. 10) составляет 8 Дж, масса 0,6кг.

8 ид А

Щ

12 !

] |

±—

ш 1

Рис. 9. Макет сварочной установки: 1-межэлектродныЙ сварочный промежуток; 2 - накопитель магнитной энергии; 3 ■ тириеторный ключ: 4 - датчик максимального тока

Рис. 3 0. Накопитель магнитной энергии: 1 - магните провод; 2 немагнитный зазор: 3 — силовая обмоткй; 4 ■ Обмотка управления

Для сварки мелких детален практический интерес представляют короткие импульсы. Поэтому магнитный накопитель энергии был рассчитан на получение импульсов минимальной длительности, которая ограничилась техническими вочмож

ностями тиристорного ключа Подключение сварочного промежутка к накопителю осуществляется по сигналу датчика максимального тока

Подключение магнитного накопителя к сварочному промежутку может быть осуществлено без коммутирующего ключа В этом случае для зарядки магнитного накопителя применяют конденсаторную батарею, образующую с магнитным накопителем колебательный контур Диод в сварочной цепи, подключенной параллельно магнитному накопителю, закрыт при разрядке конденсаторной батареи на магнитный накопитель и открыт при разрядке магнитного накопителя на сварочный межэлектродный промежуток

Исследовался процесс сварки проволок диаметром 0,8 мм из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т В качестве защитной среды использовался мел и флюс с фтористым кальцием СаР2, который не содержит окислов, интенсивно соединяющихся с титаном Кроме защиты от воздействия воздуха мел и флюс обеспечивал создание активного сопротивления и концентрацию энергии от магнитного накопителя Использование мела и флюса для концентрации энергии позволяет уменьшить размеры установки, тепловложение, объем расплавленного металла и экономить металлы, особенно драгоценные

Процесс сварки источником с магнитным накопителем энергии происходит также, и при сварке без мела и флюса торцов проволок, неочищенных от загрязнения и окислов, которые тоже создают повышенное активное сопротивление

Проволоки сжимались вдоль оси для того, чтобы оплавленные торцы привести в соприкосновение и выдавить часть расплавленного металла для формирования сварного соединения Величина усилия выбиралась из расчета проволоки на устойчивость при продольном изгибе и составила около 10 % расчетного значения критической силы Эйлера Величина осадки составляет приблизительно 0,1мм Сварка магнитными накопителями при малых усилиях поджатая является одним из преимуществ такого метода сварки, так как позволяет выполнять сварку при минимальных механических напряжениях Циклограмма параметров режима сварки приведена на рис 11 Схема процесса формирования сварного соединения приведена на рис 12

Дф

ЦВ 5,10"3м

10

30 ... 7\и

20 0,1 8

___ Г х

Рис 12 Процесс формирования сварного соединения

О 7 10 1,С

Рис 11 Циклограмма процесса сварки ^ -усилие поджатия, и - электрическое напряжение, 8 - величина осадки

Типичные осциллограммы формы импульсов сварочного тока и напряжения макета сварочной установки приведены на рис 13 Излом кривой электрического тока и резкое падение напряжения при гсв указывает на то, что произошло электри-

ческое замыкание накоротко сварочного промежутка расплавленным металлом, при этом выделяемая мощность источником, определяемая как Р=1/г, снизилась до малых значений

Процесс сварки также происходил без создания специального активного сопротивления между свариваемыми деталями после тщательной зачистки свариваемых поверхностей При этом выделение мощности на свариваемом промежутке значительно меньше и, поэтому удалось сварить детали с небольшой поверхностью соприкосновения, равной, примерно, 0,1 мм"

Проведены энергетические исследования процесса сварки магнитным накопителем энергии Энергия, расходуемая на плавление металла 1¥т определялась по формуле

пл

где ср - удельная теплоемкость, Т„, шва

^пл = 0,56-0,75 Дж

I А !-,= 210 .-

^пл ~ cpTmV,

температура плавления, V - объем металла

Рис 13 Осциллограммы импульсов электрического тока и напряжения макета сварочной установки (рис 9)

Вводимая в металл оптимальная энергия 1¥0ПТ рассчитывалась с помощью формул, полученных при оптимизации процесса сварки ИМС сварочными источниками Ж0ПТ = 1,49-1,77 Дж

Объем V и средняя толщина 5пл расплавленного металла определялась по фотографиям микрошлифов

Термический и эффективный кпд определялись по формулам

Г]т =

W,

пл

Wr

л эф :

W,

опт

опт

где Ws - энергия на выходе сварочного источника

Энергия на выходе рассчитывалась с помощью осциллограмм (рис 13) и составила в среднем Ws=2,34 Дж Энергия магнитного накопителя определялась как энергия конденсаторной батареи за вычетом потерь при зарядке магнитного накопителя и составила ^=4,30 Дж Значения эффективного и термического кпд составили т]эф=0,64-0,76, г|т =0,38-0,42 Термический и эффективный кпд близки к коэффициентам для лазерной и электронно-лучевой сварки

Макроструктура сварного шва стали 12X18Н1 ОТ приведена на рис 14 Непосредственно сварной шов характеризуется типичной дендритной структурой литого сплава Околошовная зона имеет мелкозернистую аустенитную структуру

Зона термического влияния соизмерима с размерами ширины шва. Небольшая зона термического влияния указывает на то, что нагрев металла был местный и достаточно кратковременный, и тепло не успело распространиться вглубь металла.

Рис. 14, Сварное соединение проволоки (а) и микроструктура металла сварного шва (б)

Испытания на разрыв показали, что разрушение сварного соединения проходит частично по металлу шва и частично по околошовной зоне. Разрывное напряжение составило 520 НУмм , что составляет примерно 90% разрывного напряжения основного металла.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Работа посвящена исследованию и разработке импульсных электромеханических систем с магнитными накопителями энергии, известных как импульсные магнитного сопротивления (ИМС) электрические машины с управляемыми по сигналам датчиков положения ключами и применению их в электромеханике и сварочном производстве.

2. Впервые разработаны элементы теории ИМ С электрических машин, включающие анализ цикла работы, энергетические преобразования и применительно к сварке процесс формирования импульса. С помощью дифференциальных уравнений динамики разработана математическая модель, па основе которой с помощью мате* иатнческой системы MaihCAD разработана программа численного моделирования.

3. Проведены исследования ИМС электрических машин, которые позволили выявить их более высокие энергетические показатели, новые свойства и определить главные направления их использования. Исследования на численной модели ИМС электрических двигателей малых размеров показали, что их мощность может быть увеличена более чем в 3 раза, и составила более 3кВт. а кпд может быть увеличен более чем на 20 %, и составил более 80%.

4. Предложены новые ИМС электрические машины и трансформаторы, в которых накопление магнитной энергии осуществляется при большом магнитном сопротивлении рабочих зазоров, а магиитомеханическое преобразование энергии при постоянном потокосцеплении. Предложены их системы управления, работающие с помощью управляемых ключей по сигналам датчиков положения, скорости изменения электрического тока, максимального тока и фазы.

5. Разработаны и внедрены в производство ИМС линейные шаговые двигатели. Увеличение мощности импульсов позволило уменьшить размеры, увеличить скорость и точность перемещения рабочего механизма. Проведены экспериментальные исследования ИМС электрических шаговых двигателей. Получено повышение механической энергии в 1.9 раза, которая составила при перемещении исполнитель-

ного механизма на один шаг 2,3 10"3 Дж, а кпд был увеличен Hä 18% и составил 26,8% Разработан макет ИМС линейной возвратно-поступательная машины, которая может быть использована для отбойных молотков и для сварки автономными источниками

6 Разработан и изготовлен действующий макет ИМС сварочной установки и проведена сварка Металлографические исследования микрошлифов и испытания на прочность соединения металла шва с основным металлом дали удовлетворительные результаты

7 Исследован сварочный процесс источниками с магнитными накопителями энергии Создание активного сопротивления между свариваемыми деталями с помощью флюса обеспечило концентрацию тепловой энергии в зоне сварки, что позволило использовать источник с более низкой мощностью Снижение мощности магнитного накопителя после заполнения сварочного промежутка жидким металлом уменьшило перегрев металла и зону термического влияния Исследованы энергетические параметры процесса сварки Термический и эффективный кпд близки к коэффициентам для лазерной и электронно-лучевой сварки

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1 Патент 2091970 РФ, МКИ6 Н 03 К 35/00, Н 02 Р 9/30 Электрический генератор / С Н Запольских, В Т Караваев, Ю А Перимов и JI М Попов - № 94039448/07, заявлено 04 10 94, опубл 27 09 97, Бюл № 27 - 5с

2 Патент 2175808 РФ, МКИ7 Н 02 К 33/00, Н 01 F 7/18, Н 02 Р 8/00 Преобразователь энергии / СН Запольских и ВТ Караваев - № 98119365/09, заявлено 27 10 98, опубл 10 11 01, Бюл №31 -7с

3 Караваев, В Т Импульсные электрические машины магнитного сопротивления /ВТ Караваев, С Н Запольских // Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ Вопросы совершенствования электротехнического оборудования и электротехнологий Сборник статей / УГТУ - УПИ - Екатеринбург, 2000 - № 8 - С 255 - 258

4 Караваев, В Т Импульсные электрические машины магнитного сопротивления/В Т Караваев, СН Запольских, Вят Гос техн ун-т - Киров, 2001 - 122 с - Деп В ВИНИТИ 09 01 2001, № 32 - В2001

5 Караваев, В Т Импульсный режим работы электрических машин /ВТ Караваев, С Н Запольских // Электромеханические преобразователи энергии Материалы Международной науч - техн конф 6-7 сентября 2001 г - Томск / ТПУ -2001 - С 103

6 Караваев, В Т Расчет электрических машин с помощью математических пакетов программ /ВТ Караваев, С Н Запольских // Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ Вопросы совершенствования электротехнического оборудования и электротехнологий Сборник статей - Екатеринбург / УГТУ-УПИ -2000 -№8 -С 259-262

7 Караваев, В Т Электрический генератор с переменным магнитным сопротивлением /ВТ Караваев, С Н Запольских // Известия высших учебных заведений Электромеханика -1991 - № 12 - С 15-21

8 Караваев, В Т Импульсные сварочные генераторы магнитного сопротивления /ВТ Караваев, В В Мелюков, С Н Запольских // Сварка и смежные технологии Всероссийская науч -технич конференция / МЭИ(ТУ) - М, 2000 - С 49-53

9 Ac 1047358 СССР, МКИ Н 02 К 41/03 Линейный шаговый двигатель / ЮА Перимов, ЛМ Попов, С Н Запольских и В 3 Вдовин - 3357542/24-07, заявлено 23 11 81, опубл 11 02 85,Бюл №3 -6с

10 Мелюков, В В Оптимальное управление сварочным процессом ИМС источников / В В Мелюков, В Т Караваев, С Н Запольских // Сварка Урала - 2003 22-я науч - технич конференция сварщиков Уральского региона с международным участием, посвящ 100 - летнему юбилею академика НН Рыкалина, 17-20 марта 2003 г Сборник докладов - Киров, 2003 - С 110-111

11 Караваев, В Т Импульсный трансформатор с магнитным сопротивлением /ВТ Караваев, С Н Запольских, А Н Данецкий // Электротехника - 2003 - № 8 -С 2-5

12 Импульсная сварка с применением электрических источников магнитного сопротивления / С Н Запольских, В В Мелюков, В Т Караваев, О Г Смирнова // Сварочное производство - 2005 - № 9 - С 25-29

13 Мелюков, В В Магнитные накопители энергии в сварочном производстве /ВТ Караваев, С Н Запольских // Наука - производство - технологии - экология Всероссийская научно-техническая конференция Сборник материалов В 5 т / Вят-ГУ - Киров, 2004 - Т 5 ФАМ, ИСФ - С 22 - 25

14 Мелюков, В В Применение магнитных накопителей в сварочных процессах / В В Мелюков, В Т Караваев, С Н Запольских // Сварка и контроль - 2004 Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция, посвященная 15 0-летию Н Г Славянова Сборник докладов / ПГУ - Пермь, 2004 -Т 3 - С 232-234

15 Запольских, С Н Импульсная сварка с применением электрических машин магнитного сопротивления / С Н Запольских, В В Мелюков, В Т Караваев // Наука - производство - технологии - экология Всероссийская научно-техническая конференция Сборник материалов В 6 т / ВятГУ - Киров, - 2005 - Т 3 ФАМ ИСФ - С 14-16

16 Zapol'skikh, S N Capacitor discharge welding using the pulsed magnetic resistance of welding power sources /SN Zapol'skikh, V V Melyukov, V T Karavaev O G Smirnova //Welding International -2006 - № 20(9), - P 157-160

17 Запольских, С H Исследование процесса сварки магнитными накопителями энергии / С Н Запольских, В В Мелюков // Наука - производство - технологии -экология Всероссийская научно-техническая конференция Сборник материалов В 8т /ВятГУ -Киров,-2006 - Т5 ФАМ,ИСФ - С 74-77

В приложении 1- 6 приведены акты внедрения и использования линейного шагового двигателя

В приложении 7 приведена рецензия на книгу по импульсным электрическим машинам с магнитными накопителями энергии

Подписано в печать 04 09 07 Уел печ л 1,25

Бумага офсетная Печать матричная

Заказ 983 Тираж 100

Текст напечатан с оригинал-макета, изготовленного ООО «Фирма «Полекс» по материалам, предоставленным автором

Изготовлено - ООО «Фирма «Полекс» 610 000, г Киров, ул Дрелевского, 55

Введение.

Глава 1. Накопители энергии в электромеханике и сварочном производстве: анализ и применение.

1.1. Принципы построения электрических машин с магнитными накопителями энергии.

1.2. Применение магнитных накопителей в сварке.

1.3. Возможности усовершенствования импульсных электрических машин.

Глава 2. Усовершенствование импульсных электромеханических систем с магнитными накопителями энергии.

2.1. ИМС электрический генератор

2.2. ИМС электрический двигатель.

2.3. Линейный электромагнитный двигатель с удержанием якоря.

2.4. Импульсные трансформаторы с магнитным сопротивлением.

2.5. Общие свойства ИМС электрических машин.

Глава 3. Математическое моделирование электромагнитных и механических процессов ИМС электрических машин.

3.1. Математическая модель электромагнитных и механических процессов в ИМС электрических машинах.

3.2. Исследования цикла работы ИМС электрического генератора.

3.3. Исследование процесса отдачи энергии нагрузке.

3.4. Численное моделирование ИМС электрических двигателей.

Глава 4 Разработка ИМС электрических машин.

4.1. Конструктивные особенности ИМС электрических машин.

4.2. Экспериментальные исследования и использование ИМС электрических машин.

Глава 5. Оптимизация теплового процесса сварки ИМС электрическими машинами.

5.1. Расчёт теплового процесса сварки с учётом изменения мощности

5.2. Постановка и решение задачи оптимизации теплового процесса при сварке ИМС источниками.

Глава 6. Технологические возможности электромеханических систем с магнитными накопителями энергии в сварке.

6.1. Математическая модель процесса формирования сварочного импульса источниками с магнитными накопителями энергии.

6.2. Сварочные ИМС установки.

6.3. Особенности применения ИМС источников для сварки.

Глава 7. Экспериментальные исследования процесса сварки источниками с магнитными накопителями энергии.

7.1. Установка для импульсной сварки с магнитным накопителем энергии.

7.2. Процесс сварки с применением ИМС источников.

7.3. Результаты экспериментальных исследований.

Работа посвящена исследованию и разработке импульсных электромеханических систем с магнитными накопителями энергии и применением их в электромеханике и сварочном производстве. Такие системы известны как импульсные магнитного сопротивления (ИМС) электрические машины с управляемыми по сигналам датчиков ключами [31, 90].

ИМС электрические машины содержат магнитный накопитель энергии. Магнитные накопители энергии по сравнению с ёмкостными накопителями имеют более высокие энергетические показатели. Удельная энергия магнитных накопителей составляет 1-10 Дж/г, в то время как ёмкостных накопителей -0,10,5 Дж/г [2]. Основная часть магнитной энергии накапливается в рабочих немагнитных зазорах магнитопровода при протекании тока в обмотке.

В ИМС электрических машинах вначале происходит накопление магнитной энергии, а только затем отдача энергии нагрузке в генераторах и трансформаторах и преобразование магнитной энергии в механическую энергию в двигателях [27, 31, 32, 90]. Такой режим работы позволяет повысить кпд и удельную мощность электрических машин.

В ИМС электрических двигателях и трансформаторах передача энергии от источника питания магнитной подсистеме осуществляется импульсом при большом магнитном сопротивлении рабочих зазоров. В ИМС электрических генераторах накопление энергии осуществляется в результате процесса преобразования механической энергии якоря в магнитную энергию в рабочих зазоpax, а передача накопленной энергии от магнитной подсистемы нагрузке осуществляется тоже импульсом при большом магнитном сопротивлении рабочих зазоров. Величина магнитной энергии в рабочих зазорах определяется магнитным сопротивлением зазоров и растет с его увеличением. Практически рабочие немагнитные зазоры можно выполнить с очень большим магнитным сопротивлением и, таким образом, значительно повысить удельную мощность ИМС электрических машин по сравнению с традиционными электрическими машинами.

Процесс накопления магнитной энергии и передача энергии нагрузке для генераторов и трансформаторов, а также процесс накопления магнитной энергии и магнитомеханическое преобразование - для двигателей разделены во времени, поэтому в ИМС электрических машинах используется только одна совмещённая обмотка. Для расширения возможностей управления энергией и временной зависимостью мощности импульса могут использоваться две обмотки: накопления и разряда.

Существующие электрические машины с магнитными накопителями энергии ещё не вполне совершенны и, поэтому не достаточно используются в электромеханике и сварочном производстве. Эти машины мало исследованы и привлекают внимание специалистов новыми свойствами и высокими энергетическими показателями, такими как высокая удельная мощность на единицу массы, повышенный кпд, надёжность в работе. Недостаточно разработана теория таких машин.

Цель работы. Целью работы является исследование и улучшение энергетических параметров импульсных электромеханических систем с магнитными накопителями энергии и применение их в электромеханике и сварке.

Задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели, заключаются в следующем:

- усовершенствовать ИМС электрические машины, содержащие в своей основе магнитные накопители энергии, применительно к устройствам электромеханики и процессам сварки;

- исследовать свойства и технологические возможности ИМС электрических машин;

- исследовать процесс формирования импульсов ёмкостными и магнитными накопителями энергии применительно к сварке с учётом изменения активного сопротивления межэлектродного промежутка;

- применить ИМС электрические машины в устройствах электромеханики и технологии сварки;

- исследовать структуру металла и свойства сварного соединения.

Методы исследования. Для исследования ИМС электрических машин использовались дифференциальные уравнения механики и электродинамики. Вначале учитывались только основные параметры модели. Это давало возможность получать решение дифференциальных уравнений в аналитическом виде и исследовать главные свойства ИМС электрических машин. Детальная информация, которая может быть использована также и при проектировании, получена решением дифференциальных уравнений с минимальными упрощениями в численном виде с использованием математических пакетов программ Math-CAD.

Для исследования теплового воздействия ИМС источников в сварочном процессе использовалось дифференциальное уравнение теплопроводности. Решение задачи оптимизации тепловых процессов осуществлялось с помощью схемы плоского, нестационарного теплового источника, с использованием вариационных методов.

Экспериментальные исследования ИМС электрических машин проводились на специальном стенде с использованием многоканального светового осциллографа и специально разработанных датчиков линейных перемещений.

Исследование сварочного процесса проводилось на макете сварочной установки с магнитным накопителем энергии. Осциллограммы записывались с помощью компьютерного осциллографа, а для обработки результатов эксперимента использована математическая система MathCAD. Для определения качества сварки проводились исследования микроструктуры с помощью компьютеризированного микроскопа и испытания на разрыв.

Научная новизна работы.

Впервые разработаны элементы теории импульсных электрических систем с магнитным накопителем энергии, включающие анализ цикла работы, энергетические преобразования и применительно к сварке процесс формирования импульса.

Разработана математическая модель ИМС электрических машин, с помощью которой проведены исследование таких машин.

Получено повышение энергетических параметров электрических машин с магнитными накопителями энергии.

Проведены исследования процесса формирования сварочного импульса магнитными накопителями энергии, получена концентрация энергии на сварочном промежутке с помощью активного сопротивления флюса и снижение мощности после заполнения сварочного промежутка жидким металлом.

Практическая ценность.

ИМС электрические машины применены в качестве линейных шаговых двигателей и имеются акты о внедрении и испытаниях.

Импульсные сварочные источники на основе ИМС электрических машин с магнитными накопителями энергии применены для сварки.

ИМС электрические машины могут найти применение для отбойных молотков, прессов и штамповочном оборудовании, в производстве шаговых двигателей, в мощных электрофизических установках, в новых видах сварки и др.

Результаты исследований могут быть использованы при проектировании таких машин и в учебном процессе преподавания специальных разделов электромеханики и машин сварочного производства.

На защиту выносятся.

Элементы теории ИМС электрических машин и трансформаторов.

ИМС электрические машины и их системы управления, работающие с помощью управляемых ключей по сигналам датчиков положения, датчиков фазы, датчиков скорости изменения электрического тока и датчиков максимального тока.

Импульсный сварочный источник с магнитным накопителем энергии, разработанный на основе ИМС электрических машин и трансформаторов.

Результаты экспериментальных исследований процесса сварки, структуры металла и свойств сварных соединений, выполненных ИМС сварочными источниками.

Апробация и реализация результатов работы. Результаты исследований и элементы теории ИМС электрических машин опубликованы в печати.

Работа докладывалась на научно-технических советах СКБ МТ и общезаводских научно-технических советах ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б.П. Константинова» в 1983, 1994, 1998 годах, на Всероссийских ежегодных научно-технических конференциях в ВятГУ в 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 и 2007 годах, на региональных с международным участием конференциях «Сварка Урала - 2003 и конференции по сварке в Перми в 2004 году».

Линейные шаговые двигатели для системы управления искусственным сердцем, разработанные на основе ИМС электрических машин под научно -техническим руководством автора, применялись ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б.П. Константинова» и Московским медицинским институтом НИИ трансплантологии и искусственных органов. На том же предприятии под руководством автора разработаны и изготовлены ИМС ЛШД для регулирования потока химических веществ и действующий макет линейной ИМС возвратно-поступательной машины.

Разработан и изготовлен действующий макет сварочной установки с накопителем магнитной энергии.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 41 опубликованных научных работах, в том числе монографии, 5 изобретениях, на три из которых выданы патенты, а на остальные авторские свидетельства.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов, библиографического перечня и приложений.

Основные результаты исследований приведены в таблице 4.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Работа посвящена исследованию и разработке импульсных электромеханических систем с магнитными накопителями энергии, известных как импульсные магнитного сопротивления (ИМС) электрические машины с управляемыми по сигналам датчиков положения ключами, и применению их в электромеханике и сварочном производстве.

2. Впервые разработаны элементы теории ИМС электрических машин, включающие анализ цикла работы, энергетические преобразования и применительно к сварке процесс формирования импульса. С помощью дифференциальных уравнений динамики разработана математическая модель, на основе которой с помощью математической системы MathCAD разработана программа численного моделирования.

3. Проведены исследования ИМС электрических машин, которые позволили выявить их более высокие энергетические показатели, новые свойства и определить главные направления их использования. Исследования на численной модели ИМС электрических двигателей малых размеров показали, что их мощность может быть увеличена более чем в 3 раза, и составила более 3 кВт, а кпд - более чем на 20 % и составил более 80%.

4. Предложены новые ИМС электрические машины и трансформаторы, в которых накопление магнитной энергии осуществляется при большом магнитном сопротивлении рабочих зазоров, а магнитомеханическое преобразование энергии при постоянном потокосцеплении. Предложены их системы управления, работающие с помощью управляемых ключей по сигналам датчиков положения, скорости изменения электрического тока, максимального тока и фазы.

5. Разработаны и внедрены в производство ИМС линейные шаговые двигатели. Увеличение мощности импульсов позволило уменьшить размеры, увеличить скорость и точность перемещения рабочего механизма. Проведены экспериментальные исследования ИМС электрических шаговых двигателей. Получено повышение механической энергии в 1,9 раза, которая составила при пео ремещении исполнительного механизма на один шаг 2,3-10' Дж, а кпд был увеличен на 18% и составил 26,8%. Разработан макет ИМС линейной возвратно-поступательная машины, которая может быть использована для отбойных молотков и для сварки.

6. Разработан и изготовлен действующий макет ИМС сварочной установки и проведена сварка. Металлографические исследования микрошлифов и испытания на прочность соединения металла шва с основным металлом дали удовлетворительные результаты.

7. Исследован сварочный процесс источниками с магнитными накопителями энергии. Создание активного сопротивления между свариваемыми деталями с помощью флюса обеспечило концентрацию тепловой энергии в зоне сварки, что позволило использовать источник с более низкой мощностью. Снижение мощности магнитного накопителя после заполнения сварочного промежутка жидким металлом уменьшило перегрев металла и зону термического влияния. Исследованы энергетические параметры процесса сварки. Термический и эффективный кпд близки к коэффициентам для лазерной и электронно-лучевой сварки.

1. Патент 2040108 РФ, МКИ6 Н 02 N 11/00. Спиральный магнитокумуля-тивный генератор / А.С. Борискин, Е.М. Димант. - № 4947376/25; заявлено 24.06.91; опубл. 20.07.95, Бюл. № 20. -4с.

2. Бут, Д.А. Накопители энергии. Электродинамические накопители энергии / Д.А. Бут, Б.Л. Алиевский, С.П. Мизюрин, П.В. Васюкевич. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 394 с.

3. Бут, Д.А. Бесконтактные электрические машины / Д.А. Бут М.: Высшая школа, 1985. - 255 с.

4. А. с. 1575273 СССР, МКИ5 Н 02 К 25/00. Электромашинный генератор импульсов тока / В. Т. Чемерис, А. Д. Подольцев, И. С. Петухов. № 4311778/24 - 07; заявлено 30.09.87; опубл. 30.06.90, Бюл. № 24.- 3 с.

5. А.с. 1457779 СССР, МКИ5 Н 02 К 44/08, Н 02 N 11/00. Соленоидальный взрывомагнитный генератор / Ю.И. Власкин, Е.А.'Сбитнев, В.В. Михеев, B.C. Фоменко. -№ 4210112/25; заявлено 11.03.87; опубл. 30.12.92, Бюл. № 48. 4 с.

6. А. с. 686131 СССР, МКИ2 Н 02 N 11/00. Взрывной способ генерирования магнитного потока / В. К. Чернышев, В. А. Давыдов. № 2129411/24 - 25; заявлено 28.04.75; опубл. 15.09.79, Бюл. № 34.-4 с.

7. Гельман, А.С. Основы сварки давлением / А.С. Гельман. М.: Машиностроение, 1970. - 312с.

8. Гордон, А.В. Электромагниты постоянного тока / А.В. Гордон, А.Г. Сливинская. М. - Л.: Гос. энерг. изд., 1960. - 448 с.

9. Двайт, Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы / Г.Б. Двайт. М.: Наука, 1983. - 228 с.

10. Кублановский, Я.С. Тиристорные устройства / Я.С. Кублановский. -М.: Энергия, 1978.-96 с.

11. Очков, В.Ф. Язык программирования MATHCAD. Взгляд со стороны / В.Ф. Очков // КомпьютерПресс. 1996. - Июнь. - С. 48 - 54.

12. Очков, В.Ф. Сказ про то, как Mathcad и Mapl задачи решают / В.Ф. Очков // КомпьютерПресс. 1997. - Август. - С. 88 - 96.

13. Патент 1066469 СССР, МКИ3 Н 02 К 33/00, Н 02 Р 9/14. Генератор возвратно-поступательного движения / Жак Анри Жарре, Жан Мари Батист Жарре (Франция). № 2365354/24 - 07; заявлено 08.06.76; опубл. 07.01.84, Бюл. № 1. -4 с.

14. Патент 2091970 РФ, МКИ6 Н 03 К 35/00, Н 02 Р 9/30. Электрический генератор / С. Н. Запольских, В. Т. Караваев, Ю. А. Перимов и JI. М. Попов. № 94039448/07; заявлено 04.10.94; опубл. 27.09.97, Бюл. № 27. - 5с.

15. Патент 2175808 РФ, МКИ7 Н 02 К 33/00, Н 01 F 7/18, Н 02 Р 8/00. Преобразователь энергии / С.Н. Запольских и В.Т. Караваев. № 98119365/09; заявлено 27.10.98; опубл. 10.11.01, Бюл. № 31. - 7с.

16. Калашников, Э.Г. Электричество / Э.Г. Калашников. М.: Наука, 1977. -593 с.

17. Каплянский, А.Е. Теоретические основы электротехники / А.Е. Кап-лянский, А.П. Лысенко, Л.С. Полотовский. М.: Высшая школа, 1972. - 448 с.

18. Караваев, В.Т. Бесконтактный синхронный генератор с совмещёнными магнитными и электрическими цепями: автореф. дис.канд. техн. наук: 05.09.01 / Караваев Виктор Терентьевич. Томск, 1972. - 34 с.

19. Караваев, В.Т. Импульсный трансформатор мощности / В.Т. Караваев, С.Н. Запольских // Кировский центр научно-технической информации. 2002. -Информ. лист № 24 202 -02.-3 с.

20. Караваев, В.Т. Импульсные электрические машины магнитного сопротивления / В.Т. Караваев, С.Н. Запольских; Вят. гос. техн. ун-т. Киров, 2001. - 122 с. - Деп. в ВИНИТИ 09.01.2001, № 32 - В2001.

21. Караваев, В.Т. Импульсный режим работы электрических машин /

22. B.Т. Караваев, С.Н. Запольских // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы Международной науч. техн. конф. 6-7 сентября 2001 г. -Томск/ПТУ.-2001.- С 103.

23. Караваев, В.Т. Импульсный электрический двигатель / В.Т. Караваев,

24. C.Н. Запольских // Кировский центр научно-технической информации. 1999. -Информ. лист № 17-99, серия Р45.29.33. - 2 с.

25. Караваев, В.Т. Импульсный электрический генератор / В.Т. Караваев, С.Н. Запольских // Кировский центр научно-технической информации. 1999. -Информ. лист № 5-99, серия Р45.29.33. - 4 с.

26. Электрический генератор / В.Т. Караваев, С.Н. Запольских, Ю.А. Пе-римов, J1.M. Попов // Кировский центр научно-технической информации. -1995. Информ. лист № 176-95. - 4 с.

27. Караваев, В.Т. Преобразователь энергии / В.Т. Караваев, С.Н. Запольских // Кировский центр научно-технической информации. 2002. - Информ. лист № 24 - 042 - 02 - 3 с.

28. Патент 2050036 РФ, МКИ6 Н 02 К 33/00. Электрический генератор /

29. B.Т. Караваев, С.Н. Запольских, Ю.А. Перимов, JT.M. Попов. № 4751931/63; заявлено 23.10.89; опубл. 10.12.95, Бюл. № 34. - 5 с.

30. Караваев, В.Т. Электрический генератор с переменным магнитным сопротивлением / В.Т. Караваев, С.Н. Запольских // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. -1991. № 12. - С. 15 - 21.

31. Караваев, В.Т. Импульсные сварочные генераторы магнитного сопротивления / В.Т. Караваев, В.В. Мелюков, С.Н. Запольских // Сварка и смежные технологии: Всероссийская науч.-технич. конференция / МЭИ(ТУ). М., 2000.1. C. 49-53.

32. Караваев, В.Т. Специальные электрические машины с частичным совмещением (элементы теории, схемы и конструкции): автореф. дис.докт. техн.наук: 05.09.01/ Караваев Виктор Терентьевич. Киров, 1998. - 40 с.

33. Караваев, В.Т. Специальные электрические машины с частичным совмещением (элементы теории, схемы и конструкции) / В.Т. Караваев; ВятГТУ. -Киров, 1999. 538 с. Деп. в ВИНИТИ 22.11.99 г. № 3452 - В 99.

34. Коцюбинский, А.И. Методика экспериментального исследования динамических свойств электромагнитов постоянного тока / А.И. Коцюбинский, Ю.Е. Нитусов; МВТУ им Н.Э. Баумана М., 1978. - 8 с. - Деп. в информэлек-тро, № 68 - 7/78.

35. Ландау, Л.Д. Механика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. М.: Наука, 1973.-208 с.

36. Ландау, Л.Д. Физика сплошных сред / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. -М.: Мир, 1977.-288 с.

37. Нуберт, Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин./ Г.П. Нуберт. Л.: Энергия, 1970. - 224 с.

38. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. / Л.Р. Нейман, К.С. Демирчан. М.: Энергия, 1981. - Т. 1. - 536 с.

39. Оборудование для дуговой сварки. Справочное пособие. / Под ред. В.В. Смирнова. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1986. - 656 с.

40. А.с. 1047358 СССР, МКИ4 Н 02 К 41/03, Линейный шаговый двигатель / Ю.А. Перимов, Л.М. Попов, С.Н. Запольских и В.З. Вдовин. № 3357542/24-07; заявлено 23.11.81; опубл. 11.02.85, Бюл. №3.-6 с.

41. Манзон, Б. Mathematica 3.0 борьба за лидерство. / Б. Манзон. //КомпьютерПресс. - 1997. - Август. - С. 104 - 113.

42. Ряшенцев, Н.П. Динамика электромагнитных импульсных систем / Н.П. Ряшенцев, Ю.З. Ковалёв. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1974. - 187 с.

43. Ряшенцев, Н.П. Введение в теорию энергопреобразования электромагнитных машин / Н.П. Ряшенцев, А.Н. Мирошниченко. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1987. - 157 с.

44. Ряшенцев, Н.П. Электромагнитный привод линейных машин / Н.П. Ряшенцев, А.Н. Ряшенцев. Новосибирск.: Наука, 1985. - 153 с.

45. Ряшенцев, Н.П. Теория, расчёт и конструирование электромагнитных машин ударного действия / Н.П. Ряшенцев. Новосибирск: Наука, Сиб-отд. 1970.-259 с.

46. Ряшенцев, Н.П. Электромагнитные прессы / Н.П. Ряшенцев. Новосибирск.: Наука, Сиб. от-ние, 1987. - 215 с.

47. А.с. 904133 СССР, МКИ3 Н 02 К 25/00. Электромашинный импульсный генератор / П.В. Васюкевич. № 2945994/24-07; заявлено 27.06.80; опубл. 07.02.82, Бюл. №5.-5 с.

48. А.с. 1575273 СССР, МКИ5 Н 02 К 25/00. Электромашинный генератор импульсов тока / В.Т Черемис, АД. Подолцев, И.С. Петухов. № 4311778/2407; заявлено 30.09.87; опубл. 30.06.09, Бюл. № 24. - 4 с.

49. Сливина, Н. Универсальные математические пакеты в математическом образовании инженера / Н. Сливина // КомпьютерПресс. 1997. - Август. - С. 78 - 85.

50. Тамм, И.Е. Основы теории электричества / И.Е. Тамм. М.: Наука,1967.-616 с.

51. Терлецкий, Я.П. Электродинамика / Я.П. Терлецкий, Ю.П. Рыбаков. -М.: Высшая школа, 1980. С. 163 - 165.

52. Тихонов, А.Н. Уравнения математической физики / А.Н. Тихонов. -М.: Наука, 1977.-736 с.

53. Фихтенгольц, Г.М. Основы математического анализа / Г.М. Фихтен-гольц. М.: Наука, 1964. - Т.2. - 464 с.

54. Чабан, В.И. Расчёт динамических характеристик электромагнитных аппаратов / В.И. Чабан // Изв. высш. учебн. заведений. Энергетика. Минск, 1977.-№5.-С. 125- 128.

55. Эльсгольц, Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление / Л.Э. Эльсгольц. М.: Наука, 1969. - 424 с.

56. Ивановский, Р.И. Компьютерные технологии в науке и образовании. Практика применения системы MathCAD Pro / Р.И. Ивановский. М.: Высш. шк, 2003.-431 с.

57. Laithwaite, E.R. Linear electric machines A personal view / E.R. Laithwaite // Proceedings of the IEEE. - 1975. - Vol. 63, № 2. - P. 250-290.

58. Mathcad 6.0 Plus. Финансовые, инженерные и научные расчёты в среде Window 95: Рук. Пользователя: Пер. с англ.. М.: Филинъ, 1997. - 712 с.

59. Милютин, B.C. Источники питания для сварки / B.C. Милютин, В.А. Коротков Челябинск: Металлургия Урала, 1999. - 368 с.

60. Гурский Д.А. Вычисление в MathCAD / Д.А. Гурский. Минск: ООО «Новое знание», 2003. - 523 с.

61. Laithwaite, E. R. Getting the most out of Nature's laws towards more efficient electrical and magnetic machines / E. R. Laithwaite // Electronics and power. - 1984. - Vol. 30, № 1. - P. 29 - 32.

62. Ряшенцев, Н.П. Электромагнитные прессы / Н.П. Ряшенцев, Г.Г. Угаров, А.В. Львицин. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1989. - 216 с.

63. Угаров, Г.Г. Принципы повышения удельных силовых и энергетических показателей / Г.Г. Угаров // Импульсные линейные электрические машины: Сб. научн. трудов. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1991. - С. 43 - 50.

64. Рыкалин, Н.Н. Расчёт тепловых процессов при сварке / Н.Н. Рыкалин. -М.: Машгиз, 1951.-296 с.

65. Белов, А.В. Конденсаторные машины для контактной сварки / А.В. Белов. Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 112 с.

66. Лифшиц, А.С. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений / А.С. Лифшиц, А.Н. Хакинов. М.: Машиностроение, 1989. -336 с.

67. Караваев, В.Т. Способ расчёта импульсного трансформатора с магнитным сопротивлением (ИМС) / В.Т. Караваев, С.Н. Запольских // Кировский центр научно-технической информации. 2002. - Информ. лист № 24 - 174 - 02. -Зс.

68. Об оптимальном по быстродействию режиме регулирования термического цикла при нагреве стержня / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.П. Добровольский, В.В. Мелюков // Физика и химия обработки материалов. 1976. - № 5. - С. 19-24.

69. Углов, А.А. Об оптимальном регулировании ширины зоны термического влияния при нагреве стержня / А.А. Углов, В.В. Мелюков // Физика и химия обработки материалов. 1976. - №4. - С. 3- 7.

70. Conference on linear electric machines. 21-23 October 1974. London, 1974.-249 p.

71. Глебов, JI.B. Установка и эксплуатация машин контактной сварки / J1.B. Глебов, Ю.И. Филипов, П.Л. Чулошников. Л.: Энергия, 1973. - 296 с.

72. Караваев, В. Т. Импульсный трансформатор с магнитным сопротивлением / В.Т. Караваев, С.Н. Запольских, А.Н. Данецкий // Электротехника. -2003.-№8.-С. 2-5.

73. Теория сварочных процессов / Под ред. Фролова. М.: Высшая школа, 1988.-559 с.

74. Технологические основы сварки и пайки в авиастроении / В.А. Фролов, В.В. Пешков, А.Б. Коломенский, В.А. Кадаков. М.: Интернет Инжиниринг, 2002. - 456 с.

75. Хромченко, Ф.А. Ресурс сварных соединений паропроводов / Ф.А. Хромченко. М.: Машиностроение, 2002. - 352 с.

76. Пузряков, А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления / Пузряков А.Ф. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 360 с.

77. Хромченко, Ф.А. Сварочное пособие электросварщика / Ф.А. Хромченко. М.: Машиностроение, 2003. - 416 с.

78. Компьютерное проектирование и подготовка сварочных конструкций / Под ред. С.А. Куркина, В.М. Ховова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.-464 с.

79. Петров, Г.Л. Теория сварочных процессов / Г.Л. Петров, А.С. Тума-рев. М.* Высшая школа, 1977. - 392 с.

80. А.с. 1801497 СССР, МКИ5 А 61 М 1/10. Искусственное сердце / В. 3. Вдовин, С.Н. Запольских, В.М. Бахтин, А.И. Новиков, JI. М. Попов, Ю. М. Киселёв. -№ 4834287/14; заявлено 04.06.90; опубл. 15.03.93, Бюл. № 10. 5 с.

81. Вольдек, А.И. Электрические машины / А.И. Вольдек. JL: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1978. - 832 с.

82. Иванов-Смоленский, А.В. Электрические машины / А.В. Иванов-Смоленский. -М.: Энергия, 1980. -928с.

83. Копылов, И.П. Электрические машины / И.П. Копылов. М.: Энер-гоатомиздат, 1986.-280 с.

84. Копылов, И.П. Электромеханические преобразователи энергии / И.П. Копылов. М.: Энергия, 1973. - 400 с.

85. Замятин, В .Я. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры. Справочник / В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, В.М. Петухов. М.: Радио и связь, 1987.-576 с.

86. Лившиц, А.Л. Импульсная электротехника / А.Л. Лившиц, М.Ш. От-то. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 352 с.

87. Ramezani, Е. High peak current high di/dt thyristors for closing switch applications / E. Ramezani, A. Welleman, J. Sietken //9th IEEE Int. Puis: Power

88. Conf., Albuquerque, N.M., June 21-23, 1993: Dig. Techn. Pap. Piscataway (N.J.), 1993.-Vol. 2.-C. 680-683.

89. Таев, И.С. Электрические аппараты / И.С. Таев. М.: Энергия, 1977.- 272с.

90. Максвелл, Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля / Дж. К. Максвелл. М.: Гостехиздат, 1954. - 688 с.

91. Импульсная сварка с применением электрических источников магнитного сопротивления / С.Н. Запольских, В.В. Мелюков, В.Т. Караваев, О.Г. Смирнова // Сварочное производство. 2005. - № 9. - С. 25-29.

92. Zapol'skikh, S.N. Capacitor discharge welding using the pulsed magnetic resistance of welding power sources / S.N. Zapol'skikh, V.V. Melyukov, V.T. Karavaev, O.G. Smirnova // Welding International. 2006. - № 20(9), - P. 157 — 160.

93. Запольских, С.Н. Исследование процесса сварки магнитными накопителями энергии / С.Н. Запольских, В.В. Мелюков // Наука производство -технологии - экология: Всероссийская научно-техническая конференция:

94. Сборник материалов: В 8 т. / ВятГУ. Киров, - 2006. - Т 5: ФАМ, ИСФ. - С. 74 -77

95. Технология и оборудование контактной сварки / Под ред. Б. Д. Орлова. М.: Машиностроение, 1975. - 536 с.

96. Кочергин, К. А. Контактная сварка / К. А. Кочергин. Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1987. - 240 с.емариин/агь