автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование вибрационного электромагнитного двигателя

На правах рукописи

Прохоренко Евгений Валерьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 05.13.05 - "Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления"

1

1 I I

Автореферат диссертации, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2003

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Анисимов Александр Саввович Официальные оппоненты

1. доктор технических наук, профессор Шевченко Александр Федорович

2. доктор технических наук, профессор Каргин Владимир Анатольевич

Ведущее предприятие

Новосибирский научно-исследовательский институт измерительных приборов.

Защита диссертации состоится ¿2x4_2003г в /<? часов^<? минут,

на заседании диссертационного совета Д 212.173.05 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического института.

Автореферат разослан "24" 2003г.

• Ученый секретарь

Диссертационного совета

Воевода А.А.

-А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание конкурентоспособной продукции бытового назначения (компрессоры, маслобойки, бритвы и т.д.) непосредственно зависит от использованных в ней электромагнитных преобразователей энергии. Особенно интересны как в научном плане, так и в коммерческом приложении вибрационные электромагнитные механизмы (ВЭМ), в которых рабочий орган совмещен с двигателем. Этот факт положительно сказывается на улучшении технологичности конструкций и повышения их надежности из-за отсутствия промежуточных согласующих механизмов (кулисных, кулачковых). Такие ВЭМ могут быть использованы при создании устройств бытового назначения, например, компрессоров для перекачивания жидкостей и газов а также электробритв, маслобоек и других механизмов. Они свидетельствуют о перспективе разработки теории и практического использования вибрационных электромагнитных двигателей в бытовой технике. Однако этим вопросам в технической литературе последнего времени, посвященной электромагнитным устройствам, уделяется недостаточно внимания. В частности, проблема синтеза этих двигателей до настоящего времени не решена, а существующие методы расчета ВЭМ не достаточно точно и глубоко раскрывают состояние электромагнитного поля и поведение объекта в динамике. Среди большого количества предложенных конструктивных решений ВЭМ выявлен ряд недостатков, снижающих их технические и потребительские характеристики и ограничивающих их применимость в бытовой технике, в частности, технологическая сложность изготовления, высокая стоимость подготовки производства и себестоимость серийных изделий, а также повышенный шум во время работы и нередко низкая надежность.

Целью настоящей работы является исследование вибрационных электромагнитных механизмов, состоящих из сопряженных рабочих органов и двигателя, обладающих высокой надежностью, технологичностью изготовления, низким уровнем шума, низкой себестоимостью для создания условий разработки на этой основе различных приборов бытового назначения.

В соответствии с этой целью сформированы задачи:

> проведение теоретического анализа электромагнитного поля и динамических процессов;

> выявление взаимосвязи интегральных и отдельных составляющих потоков электромагнитной энергии, для расчета на их основе статических характеристик;

> определение принципов оптимизации конструкции и рабочих режимов;

1

> разработка вибрационных двигателей применительно к устройствам бытового назначения.

!

Достижение поставленной цели осуществлено на основе концепции конструктивного исполнения вибрационного электромагнитного механизма с динамическим уравновешиванием подвижных частей и совмещением рабочих органов и двигателя. Это позволило:

> улучшить технологичность полученных конструкций;

> повысить надежность;

> минимизировать расход материала на изделие;

> уменьшить себестоимость серийных изделий;

> уменьшить уровень шума и вибрации изделия в целом;

> создать условия для дальнейшего совершенствования конструкции с целью улучшения массогабаритных, энергетических и динамических показателей. <

Методика проведения исследований. Теоретические исследования проводились аналитическими и численными 4

методами математики с использованием современной вычислительной техники.

Экспериментальные исследования проводились на специально созданном стенде, в состав которого входят современные аналоговые и цифровые измерительные комплексы, позволяющие производить многопараметрическую регистрацию и обработку в режиме реального времени механических и электрических параметров исследуемого объекта.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендации обеспечивалось:

> применением аналитических и экспериментальных методов исследования и решения характерных модельных задач;

> исследованием электромагнитного поля аналитически-численным методом;

> расчетом статических и динамических характеристик устройств;

> созданием алгоритма расчета вибрационного электромагнитного механизма;

> проведением исследований и формулировкой на их основе выводов представляющих собой базовые положения для расчета оптимального ВЭМ;

> созданием ряда электромагнитных устройств бытовой техники с высокими потребительскими свойствами

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Разработанная методика проектирования ВЭМ.

2) Методика расчета статических и динамических характеристик вибрационного электромагнитного двигателя.

3) Новое техническое решение вибрационного электромагнитного двигателя, защищенное свидетельствами на полезную модель.

Научная значимость и новизна.

1) Разработана оригинальная методика расчета вибрационного электромагнитного двигателя, обеспечивающая получение устройств с низким уровнем шума и вибрации, высокой надежностью, включая расчет электромагнитных параметров активной зоны двигателя с учетом особенностей конструкции обмоточных и намагничивающих структур аналитически-численным методом анализа, анализ статических и динамических характеристик на основе цифрового моделирования магнитного поля ВЭМ.

2) Разработано оригинальное программное обеспечение для расчета параметров магнитного поля и исследования статических и динамических характеристик ВЭМ.

3) Создана оригинальная модель воздушного компрессора.

4) Создано бытовое устройство для аэрации семян.

Практическая ценность работы. Полученные результаты исследования

обосновали базовые принципы, используемые для разработки вибрационных

электромагнитных механизмов, которые позволили создать электромагнитные

3

устройства с низким уровнем шума, высокой надежностью и технологичностью, а также низкой себестоимостью, что обеспечивает бытовой технике высокие потребительские свойства. На основе этих принципов построены и внедрены в серийное производство аэратор семян "Росток" и электромагнитный компрессор, на которые получены сертификаты соответствия и гигиенические сертификаты.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертации доложены и обсуждены:

- на семинарах кафедры автоматики НГТУ (1999, 2000,2001,2002гг);

- на региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Техника. Инновации", г. Новосибирск (2001г);

- на международной научно-технической конференции "Проблемы современной электротехники", г. Киев (2002г);

- на всероссийской научно-технической конференции "Проблемы проектирования и производства систем и комплексов", г. Тула, (2002г).

По тематике диссертации имеется 6 публикаций, в том числе получены свидетельства на две полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 133 станицах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы из 93 наименований из них 80 отечественных и 13 зарубежных. Она включает 59 рисунков и 6 таблиц.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определена цель и задачи исследования. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературы, характеризующий технические решения электромагнитных механизмов. Проанализированы варианты конструктивных решений ВЭМ, построенные по различным принципам, в том числе на поляризованных и нейтральных электромагнитах.

В результате анализа различных конструкций наиболее интересными с точки зрения низкого уровня вибрации и шума, а так же повышенной надежности все-

4

го устройства оказались механизмы, построенные по принципу динамического уравновешивания подвижных частей.

Обзор литературных и патентных материалов свидетельствует о том, что на практике при производстве вибрационных механизмов наметалась тенденция использования одно - двухобмоточных электромагнитов, как наиболее технологичных и экономически выгодных. При конструировании миниатюрных ВЭМ целесообразно применять магнитодинамический принцип построения магнитной цепи, который является наиболее технологичным и низкозатратным.

Обоснована эффективность использования принципа динамического уравновешивания при взаимно-противоположном возвратно-поступательном движении подвижных частей, приводящего к значительному снижению уровня вибрации, уровня шума и повышению надежности всего устройства, что делает ВЭМ технически привлекательным.

На основе этого принципа предложено оригинальное конструктивное решение двигателя с взаимно обратными подвижными частями. Конструкция мембранного воздушного компрессора с предложенным двигателем представлена на рис. 1.

Рис. 1. Воздушный компрессор: 1 - верхняя мембрана; 2 - магнитопровод; 3 - постоянный магнит; 4 - корпус компрессора; 5 - выпускной клапан; 6 - штуцер; 7 - нижняя мембрана; 8 - катушка; 9 - крепежное отверстие; 10 - впускной клапан; 11 - рабочая камера

10

11

9

Проведен анализ методов исследования динамических процессов, протекающих в ВЭМ. Рассмотрены методики Лысова, Сотскова, Лившица. Предпочтение отдано численным методам расчета. Они позволили более гибко провести анализ динамики ВЭМ и оценить влияние вынуждающей нелинейной электромагнитной силы на характер колебательного движения подвижных частей ВЭМ.

Во второй главе представлена схема проектирования вибрационного электромагнитного механизма (рис. 2), которая отражает основные моменты процесса проектирования, содержание работы в отдельных фазах, а также динамику этих фаз. Это позволило разработать обобщенную модель вибрационного электромагнитного механизма с взаимно обратным движением подвижных частей (1) и получить результат, близкий к оптимальному.

u(t) = i(t)r + - ,

at

Щ ■ zf+c, - z[ + • z, + rf, = F(t) , (i)

m2 ■ z"+c2 • z[ + k2-zl+d2 = -F(t) , F = i[dl-B].

где u(t) - напряжение питания, i(t) - ток обмотки, г - активное сопротивление обмотки, У - потокосцепление обмотки, т - приведенная масса подвижных частей, к -коэффициент упругости, с - коэффициент противодействующих сил зависящих от подвижных частей, d - коэффициент; характеризующий силы трения, F(t) - электромагнитная сила, индексы 1 и 2 определяют принадлежность коэффициентов дифференциальных уравнений к первой и второй подвижной части устройства соответственно.

В представленной модели рассматриваемого двигателя считается, что магнитное поле статично и влияние на него поля катушки пренебрежительно мало.

Для ВЭМ формулировка задачи представляется как составление математической модели ВЭМ с определенными требованиями к исполнительному устройству:

> амплитуды перемещения и характера движения подвижных частей;

> величины и вида противодействующих сил;

> узлами стыковки исполнительного устройства и вибрационного двигателя.

> режим работы ВЭМ (продолжительный, кратковременный, прерывистый);

> максимальная потребляемая мощность;

> температура перегрева;

> частота питающей сети;

> напряжение питающей сети;

> особенности условий окружающей среды, в которой работает ВЭМ (температура, влажность, наличие масляного или водяного тумана, наличие легко воспламеняющихся, агрессивных сред и т.д.).

> Выработка дополнительных требований (эргономичность, отсутствие шума во время работы и т.д.)

Формулировка частной задачи проектирования вибрационного электромагнитного механизма сведена в таб. 1.

В третьей главе представлены результаты расчета магнитного поля маг-нитодинамического двигателя, возбужденного постоянным магнитом цилиндрической формы из сплава НТ 32/136 с остаточной индукцией Вг = 1.1+1.15 Т и коэрцитивной силой Нс - 960+1360 кА/м. В связи с аксиальной симметрией магнитного поля возбуждения распределение напряженности магнитного поля в функции радиальной и аксиальной координат найдено на базе решения уравнения Лапласа (форма лапласиана соответствует цилиндрической системе).

Граничные условия исследуемого пространства составлены на основании постоянства магнитной напряженности на торцевых поверхностях магнита и магнитопровода, а также равномерного распределения напряженности на боковой цилиндрической поверхности магнита вдоль координаты г. Вдоль внешних границ области принята равной нулю нормальная составляющая производной напряженности поля.

Уравнения Лапласа V Н = 0 распадается по методу разделения переменных Н(г,г) = Щг)-2(г) на два (2), (3).

дгЯ 1 Ж

дгг г дг

—+к2Я = 0, (2)

дг1

Решение уравнения Лапласа определено аналитически-численным способом для ряда характерных зон. При этом Щг) содержит частные решения в виде функций Бесселя 1-го и 2-го рода нулевого порядка:

л = ¿2-ПС*»-). №

а 2(г) - гиперболические функции:

г = С ей (&)+£> 5к (кг) (5)

На основе метода приближений численно определены собственные числа задачи к„ для зон пространства и сформировано общее решение в виде бесконечного ряда произведений собственных функций на функции 2(кп г). Коэффициенты членов ряда найдены разложением граничных зависимостей в ряд по собственным функциям с учетом ортогональности цилиндрических функций Я(к„ г) с весом г. Точность расчета задачи связана с уровнем сходимости решений на границах зон, обусловленного количеством членов ряда и точностью расчета их коэффициентов. Экспериментальное измерение параметров поля возбуждения в точках пространства дало возможность уточнить правильность выбора граничных условий. Картина линий равной напряженности магнитного поля и картина распределения градиента напряженности магнитного поля в рабочей зоне в рабочей зоне приведена на рис. 3 и 4.

Картина распределения радиальной компоненты напряженности магнитного поля Я представлена на рис. 5. Здесь же показано сечение проводников катушки в начальном положении. Отмечается крайне неравномерное состояние магнитной напряженности в области сечения проводников, что требует корректировки геометрии магнитной системы с целью повышения эффективности конструктивного исполнения активной зоны и использования материалов.

Найдены силы взаимодействия с током катушки подвижной мембраны и установлены тяговые характеристики устройства и рабочий диапазон перемещения по статической характеристики в функции координаты г (рис. 6).

Формулировка ■ уточнение задачи проектирования ВЭМ Построение мпсматпсспй штат ВЭМ. Задам протииадействуинщит сил

Примратаияе мшяяе требуете« элетромаптпюй сшлы.

Выбор пели Выбор схемы построения ВЭМ

Синтез

> определение параметров магнитной

> расчет магшггвоп паяв, опрежлеине

статической характеристики ВД;

> определение дш мпкп! характе-

рвети«/^.

>

Анализ

Проверка условия /■;(()>

Проверка доооляите льных условий ■

Разрешение ситуации

> коррекция параметр! ив магнитной

> коррекция энергетике скит парамет-

рои магнит»;

> коррекция формы ток. ■ катушки ¡(0.

(Аэратор семян *РкпО

Рис. 2. Структурная схема алгоритма расчета ВЭМ

Таблица 1

Постановка задачи проектирования ВЭМ

№ Режим работы рабочего органа

1 Амплитуда перемещения яе менее, мм га 0.5

2 Закон движения подвижных частей щ га-со5((о1)

3 Нагрузочная характеристика, Н т-х"+к-х

Параметры магнитной системы

4 Частота питающей сети, Гц / 10-100

5 Напряжение питающей сети, В и 15

6 Температура перегрева, "С / 10

7 Степень защиты 1Р20

8 Режим работы Непрерывный

9 Габариты, мм глубина 10

высота 10

ширина 10

10 Дополнительные требования минимальный шум во время

работы (в диапазоне

0...20кГц не более 10 дБ)

При этом принимается допущение об отсутствии влияния собственного поля токов катушки на поле возбуждения, созданное постоянным магнитом со стабильной рабочей точкой. Одновременно с этим уточнялись массогабаритные параметры устройства и его конструктивное исполнение с целью достижения требуемых характеристик.

Исследованы динамические характеристики ВЭМ решением системы дифференциальных уравнений (1) методом Рунге - Кутга применительно к компрессору (рис. 1), получены зависимости ускорения, скорости и перемещения на частотах от 10 до 100 Гц (рис. 7, 8,9).

Характер колебания подвижных частей на частотах 20 - 50 Гц удовлетворяет начальным условиям задачи синтеза. На всех частотах при условии равенства соответствующих коэффициентов системы дифференциальных уравнений обеспечивается динамическое уравновешивание.

Рис. 3. Картина линий равной напряженности магнитного поля в рабочей зоне: 1 - магнит; 2 - магнито провод

1 2

Рис. 4. Картина распределения градиента напряженности магнитного поля в рабочей зоне: 1 - магнит, 2 - магнкгопровод

©©оасюооооосс

ооаасюооооасс

----------

II

¡хзасх сооааоооооао:

"1 »2 и

Рис. 5. Картина распределения радиальной составляющей напряженности магнитного поля

в рабочей зоне

Z,mm

Рис. 6. Статическая характеристика

"•кИ ООП ООМ 0 104 0.113 Ol] 0I3S 0 136 0 144 0 152 01«

Рис. 7. Расчетное ускорение подвижных частей: ---катушки;-- магнита

л/—У--1У

"°05006 0064 Р1Я 0072 0ОТб ОМ 0 084 0.08! 0 092 0 09« 01

г,с

Рис. 8. Расчетная скорость подвижных частей: — - катушки;--магнита

■ 03 0 16 012 OOS 004 0

-ОМ -0 08 -О 1J -01«

- — 1 i___ -1- — 1

V \J CS У/'Чу " v"' ч / д

¡_ \ 1 1 "ч /" \

- - t _____ i

% Об 0 064 0 068 0 072 О 07Й 0 08 0 084 О 088 0 002 0 096 01

Рис. 9. Расчетное перемещение подвижных частей: — - катушки;--магнита

12

Сформулированы требования к статическим параметрам устройства в соответствии с требованиями динамических характеристик ВЭМ. оптимальной характеристикой считается зависимость, при которой выполняется равенство:

Разработано оригинальное программное обеспечение для расчета параметров магнитного поля и исследования статических и динамических характеристик ВЭМ.

В четвертой главе изложены способы экспериментального исследования модели ВЭМ на специально спроектированном измерительном стенде, включающий в себя современную измерительную технику, в частности, микродатчики ускорения, согласующие устройства Вги1е&К]ег, измерительные преобразователи перемещения, цифровой осциллограф УеПетап и ЭВМ в качестве устройства сбора, отображения и обработки экспериментальных данных. Измерения статических характеристик и магнитного поля в активной зоне модели ВЭМ (рис. 10) проведены на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 11. Размеры датчика позволили произвести измерения магнитного поля в непосредственной близости от поверхности магнита и маг-нитопровода. Погрешность результатов измерений для датчика холла КБУ44 в диапазоне до 7 7л составляет 0,7%. Измеренные значения практически совпали в контрольных точках со значениями, полученными теоретическими расчетами.

Рис. 10. Исследуемый образец: 1 - корпус; 2 - катушка и упругий элемент (мембрана) в сборе; 3 - магнитопровод и постоянный магнит а сборе; 4 - упругий элемент (мембрана)

Рис. 11. Схема экспериментальной установки исследования магнитного поля ЮМ

Для измерения статической силовой характеристики использовался источник питания, динамометр и измеритель микроперемещений часового типа. Подвижные часта ВЭМ перемещались в соответствии с гармоническим законом.

Исследования показали, что ВЭМ с динамическим уравновешиванием подвижных частей и равными массами магнитопровода и катушки имеет практически линейную амплитудно-частотную характеристику (рис. 13) в диапазоне частот / = 0...100 Гц. Кроме этого выявлено влияние сил трения на характер движения подвижных частей. Это влияние возможно связано с влиянием сил сухого трения возникающих между магнитопроводом и катушкой и предположительно зависит от шероховатости трущихся поверхностей (класса точности обработки поверхностей трения) подвижных частей. На частотах выше 50 Гц действие таких помех пренебрежимо мало. Статические характеристики позволили выявить энергетические возможности двигателя.

Измерения динамических величин проведены на установке, схематическое изображение которой приведено на рис. 12.

Экспериментальная оценка Динамического уравновешивания ВЭМ при различных массах подвижных частей представлена на осциллограммах амплитуды ускорения при частотах 20, 50 и 100 Гц (рис. 14-16). Чувствительность датчиков -1.89 мВ^.

ЭВМ

(МаОСАР 2001)

Осяжллограф

УШЕШНРС641

£

Устройство согласования №1

ВАК 2626

1

Устройство согласования №2

ВАК 2626

Овмгг ВЭМ

Датчик №1 ВАК 4374 Дата №2 ВАК 4374

Рис. 12. Схема экспериментальной установки исследования динамических характеристик

вэм

г, м « »<£

14 1<Г* 4 а иГ*

4 2 10"* Хв 10" 3 10 2.4 10 К 10

и 10 » 10'

1Гц

Рис. 13. АЧХ ВЭМ (сталь магнитопровода - Ст.З, масса подвижных частей 15г): -магнитопровод; — катушка;"" среднее значение

Осциллограммы свидетельствуют, что на частотах 50 и 100 Гц закон движения магнитопровода и катушки имеет вид, близкий к гармоническому, а амплитуды ускорения перемещения магнита и катушки практически равны. Это достигается не только равенством масс подвижных частей двигателя, но и подбором соответствующих динамическому уравновешиванию частот генератора.

Влияние высокочастотной составляющей обусловлено шероховатостью трущихся поверхностей и существенно сказывается на частотах до 50 Гц. Следовательно, при изготовлении ВЭМ для этого частотного диапазона необходимо обеспечить более высокое качество обработки деталей.

Максимальное отклонение амплитуды колебаний подвижных частей приходится на частоту 20 Гц, а минимальное зафиксировано при частоте 51 и 98 Гц при используемых массах подвижных частей (рис. 17).

10пЛ/ ЮтУ

вот*

<^та 7Л

Рис. 14. Осциллограмма ускорения магнита и катушки ВЭМ на частоте^ = 20 Гц

го »»»V 1 оп-л/ вше

Рис. 15. Осциллограмма ускорения магнита и катушки ЮМ на частоте/г = 50 Гц

20гтЛ/ 5ПтУ 2т*

\frmm 1Я ВВтУ

Рис. 16. Осциллограмма ускорения магнита и ынушки ВЭМ на частоте /г - 100 Гц

*

ММ (|

0.1 0«

в? 0.4 0) 01 о.> о

Рис.17. Амплитудно-частотная характеристика ВЭМ: — магнитопровод; —- - катушка;"" - среднее значение

— --

3 ¿1 — V

По результатам представленных экспериментов можно сделаны следующие выводы.

Динамическое уравновешивание подвижных частей двигателя проще всего достигается при равенстве масс этих частей. Динамическое уравновешивание лучше всего происходит на частотах выше 60 Гц. Однако эффект динамического уравновешивания можно также достичь при различных массах подвижных частей.

Влияние высокочастотной составляющей существенно сказывается на частотах до 50 Гц. Следовательно, при проектировании ВЭМ в этом частотном диапазоне следует необходимо обеспечить более высокое качество обработки деталей. Максимальная амплитуда колебаний подвижных частей приходится на частоты до 20 Гц.

В таб. 2 приведены сравнительные характеристики ряда зарубежных магни-тодинамических двигателей, используемых в качестве приводов для аквариумных компрессоров. Выявлено явное преимущество рассматриваемой в работе модели вибрационного электромагнитного механизма с динамическим уравновешиванием подвижных частей, выпускаемый фирмой "МагНЭТИка ".

Таблица 2

Сравнительные характеристики двигателей

Фирма - вровзводетель (модель) Масса магантм* системы в катувхв, г Дввамгаете ураввовевввявве Потребляемая мощность, Вт Среднее уставе ва ВМВВЖВЫ1 частях, И

СкаящЛон 75 нет 7 1

Лмап (ЛТ-101) 80 нет 7 1

ЛщяЧт 85 нет 6 1

Яешя (ЛС-9991) но есть 3 2

МагНЭТИка 35 есть 5 1

В приведенной таблице при практически равных усилиях и перемещениях подвижных частей масса компрессора, выполненного в соответствии с расчетами и рекомендациями автора (производимого фирмой МагНЭТИка) в два и более раза меньше.

выводы

1. Создана схема формирования конструктивного исполнения вибрационных электромагнитных двигателей с динамическим уравновешиванием подвижных частей. Реализованы научно-технические решения электродвигателей нового поколения, удовлетворяющие критериям современной бытовой техники на уровне мировых стандартов.

2. Произведен расчет электромагнитных параметров активной зоны двигателя с учетом особенностей конструкции обмоточных и намагничивающих структур ВЭМ аналитически-численным методом анализа. Полученные зависимости параметров электромагнитного поля от координат пространства достаточно точно отражают адекватность моделей реальным физическим объектам. Это позволило рассчитать интегральные характеристики электромеханического устройства и осуществить синтез геометрии магнитной системы двигателя с требуемыми электрофизическими свойствами.

3. Разработана методика анализа статических и динамических характеристик на основе цифрового моделирования магнитного поля ВЭМ.

4. Разработан алгоритм синтеза параметров устройств, позволяющий получить ВЭМ с параметрами на уровне лучших мировых стандартов.

5. По результатам исследований электромагнитных, статических и динамических характеристик двигателя проведено опытно-экспериментальное макетирование. Результаты макетирования подтвердили достоверность расчетных методик и позволили скорректировать методику расчета и конструктивное исполнение вибрационного электромагнитного механизма.

6. На основании результатов исследований разработан и внедрен в серийное производство аэратор семян "Росток", аквариумный компрессор. Получен акт о внедрении, свидетельства на полезную модель, сертификаты соответствия, гигиенические сертификаты.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Е.В. Прохоренко, А.И. Елшнн, A.C. Аннсимов. Расчет двумерного магнитного поля магнитодинамического компрессора // Наука. Техника. Инновации // Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: тез. докл. в 5-ти частях. Новосибирск: изд-во НГТУ, 2001. Часть 3. С. 150-151.

2. А.И. Елшин, Е.В. Прохоренко. Анализ тяговых характеристик магнитодинамического двигателя //Научный вестник НГТУ. 2002. №2. С. 145-154.

3. А.И. Елшин, Е.В. Прохоренко, В.В. Кожухов. Исследование магнитного поля компрессора для перекачки жидкости // Сб. науч. тр. "Технична электродинамика". Киев. 2002. С. 1- 6.

4. Елшин А.И., Прохоренко Е.В. Математическое моделирование вибрационного электродвигателя. // Проблемы проектирования и производства систем и комплексов. Материалы ВНТК. Серия Проблемы специального машиностроения. Известия ТулГУ. Выпуск 5. Часть 2. Тула 2002. С. 139 -142.

5. Свидетельство на полезную модель RU 20216 U1. Бытовой аэратор / Прохоренко Е.В., Сидоров В.М., Одокиенко С.И. // Открытия. Изобрете-НИЯ.-2001,- №30.

6. Свидетельство на полезную модель. Электромагнитный компрессор / Прохоренко Е.В., Сидоров В.М., Одокиенко С.И. // Положительное решение от 12.10.2002.

{

I.

I

Подписано в печать 20Ш . Формат 84x60x1/16 Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Печ. л. 1.00. Заказ № /35"

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

4 8 2 5

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВИБРАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНИЗМОВ.

1.1.Обзор технических решений вибрационных электрических механизмов.

1.2,Обзор методов расчета динамических процессов вибрационных электрических механизмов (ВЭМ).

ГЛАВА 2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОГО

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕХАНИЗМА.

2.1. Постановка задачи расчета ВЭМ.

2.2. Построение модели ВЭМ.

ГЛАВА 3 АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В

УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ.

3.1 Метод расчета параметров электромагнитного поля.

3.2. Расчет параметров магнитного поля в рабочей зоне.

3.3 Исследование статических тяговых характеристик.

3.4. Исследование динамических характеристик ВЭМ.

3.4.1. Анализ зависимости электромагнитной силы ВЭМ от времени.

3.4.2. Анализ зависимости ускорения, скорости и перемещения подвижных частей ВЭМ от времени.

3.4.3. Формирование требований к статическим параметрам устройства в соответствии с требованиями динамических характеристик ВЭМ.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЭМ.

4.1. Измерение магнитного поля ВЭМ.

4.2. Экспериментальное исследование статических и динамических характеристик ВЭМ.

Создание конкурентоспособной продукции бытового назначения (компрессоры, маслобойки, бритвы и т.д.) непосредственно зависит от использованных в ней электромагнитных преобразователей энергии. Особенно интересны как в научном плане, так и в коммерческом приложении вибрационные электромагнитные механизмы (ВЭМ), в которых рабочий орган совмещен с двигателем [1]. Этот факт положительно сказывается на улучшении технологичности конструкций и повышения их надежности из-за отсутствия промежуточных согласующих механизмов (кулисных, кулачковых). Такие ВЭМ могут быть использованы при создании устройств бытового назначения, например, компрессоров для перекачивания жидкостей и газов а также электробритв, маслобоек и других механизмов. Они свидетельствуют о перспективе разработки теории и практического использования вибрационных электромагнитных двигателей в бытовой технике. Однако этим вопросам в литературе последнего времени, посвященной электромагнитным устройствам, уделяется недостаточно внимания. В частности, проблема синтеза этих двигателей до настоящего времени не решена, а существующие методы расчета ВЭМ не достаточно точно и глубоко раскрывают состояние электромагнитного поля и поведение объекта в динамике. Среди большого количества предложенных конструктивных решений ВЭМ [1-38] выявлен ряд недостатков, снижающих их технические и потребительские характеристики и ограничивающих их применимость в бытовой технике, в частности, технологическая сложность изготовления, высокая стоимость подготовки производства и себестоимость серийных изделий, а также повышенный шум во время работы и нередко низкая надежность.

В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является исследование вибрационных электромагнитных механизмов, состоящих из сопряженных рабочих органов и двигателя, обладающих высокой надежностью, технологичностью изготовления, низким уровнем шума, низкой себестоимостью для создания условий разработки на этой основе различных приборов бытового назначения.

В соответствии с этой целью сформированы задачи:

- проведение теоретического анализа электромагнитного поля и динамических процессов;

- выявление взаимосвязи интегральных и отдельных составляющих потоков электромагнитной энергии, для расчета на их основе статических характеристик;

- определение принципов оптимизации конструкции и рабочих режимов;

- разработка вибрационных двигателей применительно к устройствам бытового назначения.

Достижение поставленной цели предполагается осуществить на основе концепции конструктивного исполнения вибрационного электромагнитного механизма с динамическим уравновешиванием подвижных частей и совмещением рабочих органов и двигателя. Это позволит: улучшить технологичность полученных конструкций; повысить надежность; минимизировать расход материала на изделие; уменьшить себестоимость серийных изделий; уменьшить уровень шума и вибрации изделия в целом; создать условия для дальнейшего совершенствования конструкции с целью улучшения массогабаритных, энергетических и динамических показателей.

Для обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций необходимо: применить аналитические и экспериментальные методы исследования и решения характерных модельных задач; исследовать электромагнитное поле аналитически-численным методом; рассчитать статические и динамические характеристики устройств; создать алгоритм расчета вибрационного электромагнитного механизма; провести исследования и сформулировать на их основе выводы представляющие собой базовые положения для расчета оптимального ВЭМ; создать ряд электромагнитных устройств бытовой техники с высокими потребительскими свойствами.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанная методика проектирования ВЭМ.

2. Методика расчета статических и динамических характеристик вибрационного электромагнитного двигателя.

3. Новое техническое решение вибрационного электромагнитного двигателя, защищенное свидетельствами на полезную модель.

Основные результаты проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований формируются в следующем:

1. Создана схема формирования конструктивного исполнения вибрационных электромагнитных двигателей с динамическим уравновешиванием подвижных частей. Реализованы научно-технические решения электродвигателей, удовлетворяющие критериям современной бытовой техники.

2. Произведен расчет электромагнитных параметров активной зоны двигателя с учетом особенностей конструкции обмоточных и намагничивающих структур ВЭМ аналитически-численным методом анализа. Полученные зависимости параметров электромагнитного поля от координат пространства достаточно точно отражают адекватность моделей реальным физическим объектам. Это позволило рассчитать интегральные характеристики электромеханического устройства и осуществить синтез геометрии магнитной системы двигателя с требуемыми электрофизическими свойствами.

3. Разработана методика анализа статических и динамических характеристик на основе цифрового моделирования магнитного поля ВЭМ.

4. Разработан алгоритм синтеза параметров устройств, позволяющий получить ВЭМ с параметрами на уровне лучших мировых стандартов.

5. По результатам исследований электромагнитных, статических и динамических характеристик двигателя проведено опытно-экспериментальное макетирование. Результаты макетирования подтвердили достоверность расчетных методик и позволили скорректировать методику расчета и конструктивное исполнение вибрационного электромагнитного механизма.

6. На основании результатов исследований разработан и внедрен в серийное производство аэратор семян "Росток", аквариумный компрессор. На эти устройства в получены свидетельства на полезную модель, сертификаты соответствия, гигиенические сертификаты.

102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К настоящему времени известно значительное количество работ отечественных и зарубежных авторов, в которых дано научное обоснование создания вибрационных электромагнитных механизмов с различными конструктивными решениями.

Однако изучение технической литературы посвященной электромагнитным механизмам показало, что и в этой проблеме имеется много нерешенных вопросов, в частности, технологическая сложность изготовления, высокая стоимость подготовки производства и себестоимость серийных изделий, а также повышенный шум во время работы и нередко низкая надежность, кроме этого отсутствуют основы проектирования вибрационных электромагнитных двигателей с динамическим уравновешиванием подвижных частей. Рассмотренный в работе вибрационный электромагнитный механизм наиболее полно отвечает требованиям современного производства, так как в нем объединены рабочие органы и двигатель. Двигатель имеет относительно малую массу и габариты, достаточно низкий уровень шума, прост по конструкции и надежен в эксплуатации.

1. Смелягин А.И. Синтез и исследование машин и механизмов с электромагнитным приводом. Новосибирск: Изд-во. Новосиб. университета, 1991. - 248 с.

2. Ступель Ф.А. Электромеханические реле основы проектирования и расчета. Харьков: Изд-во. Харьковского университета, 1956. - 355 с. Гордон А.В., Сливинская А.Г. Электромагниты постоянного тока. -М.:ГЭИ, 1960.-448 с.

3. Сливинская А.Г., Гордон А.В. Электромагниты со встроенными выпрямителями. М.: Энергия, 1970. - 66 с.

4. Белый М.И., Туль М.П. Динамика электромагнитных механизмов. Методическое пособие. Саратов: Изд-во. Саратовского университета, 1977. - 172 с.

5. М. Berkouk, V. Lemarquand, G. Lemarquand. Analytical Calculation of Ironless Loudspeaker Motors // IEEE Transaction on Magnetics, March 2001. Vol. 37, №2. - P. 1011-1014.

6. A.c. № 107812 СССР. Электромагнитный компрессор / H.P. Муратов,

7. B.А. Репин, Н.П. Ряшенцев, А.И. Смелягин. Опубл. в БИ, 1987, №9. Волосатое В.А. Ультразвуковая обработка. - Ленинград: Лениздат, 1973.- 190 с.

8. Кожевников С.Н., Есипенко Я.И., Раскин Я.М. Механизмы. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1976. - 784 с. Электромагнитные молоты. Под ред. А.Т. Малова, Н.П. Ряшенцева и др. - Новосибирск: Наука, 1979.

9. Кашляев Н.П., Ряшенцев Н.П., Смелягин А.И. К определению тока электромагнитного двигателя, работающего на компрессор // Электрические линейные двигатели. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1972.-С. 56-61.

10. Свидетельство на полезную модель. Электромагнитный компрессор / Прохоренко Е.В., Сидоров В.М., Одокиенко С.И. // Положительное решение от 12.10.2002.

11. Свидетельство на полезную модель RU 20216 U1. Бытовой аэратор / Прохоренко Е.В., Сидоров В.М., Одокиенко С.И.// опубл. в БИ, 2001.-№30.

12. Тер-Акопов А.К. Динамика быстродействующих электромагнитов. -М.: Энергия, 1965.- 168 с.

13. Shuller. Die Wirkungsrad des Elektromagneten. ETZ, 1913. - P. 613652.

14. Москвитин А.И. Основные проблемы электрических машин прямолинейного движения. М.: Электричество, 1941. - №2. Сотсков Б.С. Основы расчета и проектирования электромеханических элементов электрических аппаратов.- М.: Энергия, 1965.-574с.

15. Лысов Н.Е. К расчету динамических характеристик электромагнитов // Вестник электропромышленности, 1941. №3. Сотсков Б.С. Основы расчета и проектирования элементов автоматических и телемеханических устройств. - М.: Госэнергоиздат, 1953.-576 с.

16. Сотсков Б.С. К вопросу о приближенном решении уравнений движения для подвижной системы реле // Автоматика и телемеханика, 1950.-№1

17. H.L. Toms, R.G. Colclaser, М.Р. Krefta. Two-Dimensional Finite Element Magnetic Modeling for Scalar Hysteresis Effects // IEEE Transaction on Magnetics, March 2001. Vol. 37, №2, P. 982-988.

18. Kiyohito Yamasawa, Shigemitsu Suzuki, Paul P. Biringer. A Proposal for Finite-Element Force Approximation of an Automative Magnetic Actuator // IEEE Transaction on Magnetics, July 1990. Vol. 26, №4, P. 1270-1273.

19. A.M. Pawlak, T.W. Nehl. Transient Finite Elememt Modeling of Solenoid Actuators: the Coupled Power Electronics, Mechanical, and Magnetic Field Problem // IEEE Transaction on Magnetics, January 1988. Vol. 24, №1, P. 270-273.

20. Daiki Ebihara, Yoshiki Kuno. The Development of Claw Pole Linear Pulse Motor with Permanent Magnet // IEEE Transaction on Magnetics, September 1989. Vol. 25, №5, P. 3919-3921.

21. Seok-Myeong Jang, Sang-Sub Jeong. Armature Reaction Effect and Inductance of Moving Coil Linear Oscillatory Actuator with Unbalanced Magnetic Circuit // IEEE Transaction on Magnetics, July 2001. Vol. 37, #4, P. 2847-2850.

22. M. Marinescu, N. Marinescu, W. Bernreuther. A 2-D Treatment of the Eddy Currents Induced by Transversal Oscillations of Permanent Magnet Rings in Conducting Axisymmetric Plates // IEEE Transaction on Magnetics, March 1992. Vol. 28, №2, P. 1386-1389.

23. G. Asche, Ph. K. Sattler. Numerical Calculation of the Dynamic Behaviour of Electromagnetic Actuators // IEEE Transaction on Magnetics, March 1990. Vol. 26, №2, P. 979-982.

24. Kiyohito Yamasawa, Paul P. Biringer. Graphical Analysis of Thermomagnetic Actuator with Hybrid Excitation // IEEE Transaction on Magnetics, November 1990. Vol. 26, №6, P. 3124-3128.

25. Ряшенцев Н.П., Тимошенко E.M., Фролов A.B. Теория, расчет и конструирование электромагнитных машин ударного действия. -Новосибирск: Наука, 1974.

26. Виттенберг М.И. Расчёт электромагнитных реле. 4-е. Изд., перераб. и доп. - JL: Энергия, 1975.

27. Агаронянц Р.А. Электромагнитные элементы технической кибернетики. М.: Наука, 1972. - 414 с.

28. Пеккер И.И. Физическое моделирование электромагнитных механизмов. М.: Энергия, 1969. 64 с.

29. Никитенко А.Г., Пеккер А.И. Расчет электромагнитных механизмов на вычислительных машинах. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 216 с.

30. Daiki Ebihara, Yoshiki Kuno. Study of a Basic Structure of Surface Actuater // IEEE Transaction on Magnetics, September 1989. Vol. 25, #5, P. 3916-3918.

31. Сидоров B.M. и др. Проектирование устройств автоматики и телемеханики. — Новосибирск, 1980. 108 с.

32. Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики. М.: Высшая школа, 1974.

33. Алексеев С.П., Казаков A.M., Колотилов Н.Н. Борьба с шумом и вибрацией в машиностроении. М.: Машиностроение, 1970.

34. Аранович Б.И., Шамрай Б.В. Электромагнитные устройства автоматики. М.: Энергия, 1965. 448 с.

35. Прохоренко Е.В., Елшин А.И., Кожухов В.В. Исследование магнитного поля компрессора для перекачки жидкости // Сб. науч. тр. "Технична электродинамика". Киев. 2002. С. 1-6.

36. Елшин А.И., Прохоренко Е.В. Анализ тяговых характеристик магнитодинамического двигателя // Научный вестник НГТУ. 2002. №2. С. 145-154.

37. Кравченко А.Н. Краевые характеристики в задачах электродинамики. — Киев: Наук, думка, 1989. 224 с.

38. Брынский Е.А. Данилевич Я.Б., Яковлев В.И. Электромагнитные поля в электрических машинах. — Л.: Энергия, 1979. 176 с. Острейко В.Н. Расчет электромагнитных полей в многослойных средах. — Л.: Изд. ЛГУ, 1981. - 151 с.

39. Янке Е, Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1968. -344 с.

40. Матвеев Н.М. Методы интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений.- 2-е изд., перераб.- М.: Высш. шк., 1963. 546 с.

41. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. 11-е изд., - М.: Наука, 1967. - 430 с.

42. Понтрягин Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Наука, 1970.-331 с.

43. Дьяконов В. Mathcad 2000: учебный курс,- СПб.: Питер, 2001. 592 с.

44. Арутюнов В.О. Электрические измерительные приборы и измерения. М.: Госэнергоиздат, 1958.

45. Мирзабаев М.М., Потаенко К.Д., Тихонов В.И. и др.

46. Эпитаксиальные датчики Холла и их применение. Ташкент: Фан, 1986.-215 с.

47. Лачпнов В.М. Маковеев В.К., Стариков A.M. Холловские магнитометры для стационарных магнитных полей с отсчетом в единицах поля (краткое содержание препринта) // ГТГЭ, 1980. № 6, С.135 - 139.

48. Ахманова Л.Н., Лачинов В.М., Маковеев В.К., Стариков А.М.

49. Холловский магнитометр с повышенной разрешающей способностью //ГТГЭ, 1983,-№6, С.165-168.

50. Иваненко А.И., Шпиринг К. Помехоустойчивый магнитометр Холла. // ПТЭ, 1987. № 3, С.203 - 207.

51. Дубровин В.Ю., Кившик А.Ф. Измерение пространственного распределения индукции нестационарного магнитного поля. // ПТЭ, 1978.-№3, С. 180- 183.

52. Honeywell MICRO SWITCH Sensing and Control, #2, 2002. 235 c. Платан. Электронные компоненты. Каталог. - Изд-во. ЗАО "Красногорская типография", 2002. - 303 с.

53. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники, систем контроля и управления. Санкт-Петербург: Политехника, 1994. 608с.

54. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат, 1989. 325с.

55. Най Дж. Физические свойства кристаллов. Под ред. J1.A. Шувалова. -М.: Мир, 1965.

56. Балякин И.А., Егоров Ю.М., Родзивилов В.А.Приборы с переносом заряда в радиотехнических устройствах обработки информации. М.: Радио и связь, 1987.

57. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ. / Под ред. Д.Ф. Барба. М.: Мир, 1982.

58. Ультразвуковые преобразователи: Пер с англ. / Под ред. Е. Кикучи.-М.: Мир, 1972.

59. Фесенко Г.А., Данцингер А.Я., Разумовская О.Н. Новые пьезокерамические материалы. Ростов-на-Дону: РГУ, 1983. 206с. Holland R. Piezoelectric effects in ferroelectric ceramics // IEEE Spectrum, 1970 - Vol.7. - №4. - P.67-74.

60. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Пер с англ. / Под ред. Н.П. Бусленко. -М.: Мир, 1972. 381 с.

61. Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. П.В. Новицкого. Д.: Энергия, 1975. - 576 с.

62. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин. М.: Энергия, 1970. - 104 с.

63. Раевский Н.П. Датчики механических параметров машин. М.: Из-во АН СССР, 1959.

64. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. -Л.: Энергия, 1975. 576 с.

65. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974.- 108 с.

66. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. JL: Энергия, 1978. - 262 с. Бабичев Л.П., Бабушкина Н.А., Башковский A.M. и др.

67. Физические величины. Справочник. Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с. Тойберг П. Оценка точности результатов измерений. - М.: Энергоиздат, 1988.

68. Мирзоев Р.Г. Пластмассовые детали машин и приборов. М.: Машиностроение, 1965.

69. Мягков В.Д. Краткий справочник конструктора. JL: Машгиз, 1963. -544 с.

70. Справочник конструктора точного приборостроения. Под ред. К.Н. Явленского, Б.П. Тимофеева, Е.Е. Чаадаевой. JL: Машиностроение, 1989.-792 с.

71. Казарновский Д.М., Яманов С.А. Радиотехнические материалы. -М.: высшая школа, 1972.

72. Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. М.: Энергия, 1976. -319с.

73. Пирогов А.И., Шамаев Ю.М. Магнитные сердечники в автоматике и вычислительной технике. М.: Энергия, 1967.

74. Справочник по средствам автоматики. Под ред. В.Э. Низэ и И.В. Антика.-М.: Энергоатомиздат, 1983.

75. Электротехнический справочник. Под ред. В.Г. Герасимова. М.: Энергоиздат, 1982. - 440 с.