Разработка и исследование вибрационного электромагнитного двигателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Прохоренко, Евгений Валерьевич

• Прохоренко, Евгений Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Прохоренко, Евгений Валерьевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование вибрационного электромагнитного двигателя»

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.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Прохоренко, Евгений Валерьевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Прохоренко, Евгений Валерьевич, 2003 год

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.