Цилиндрический линейный асинхронный двигатель для привода погружных плунжерных насосов. Цилиндрический линейный асинхронный двигатель в приводе высоко вольтных выключателей Алгоритмы управления цилиндрическим линейным двигателем

Текст работы Баженов, Владимир Аркадьевич, диссертация по теме Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

На правах рукописи

Баженов Владимир Аркадьевич

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В ПРИВОДЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук,

Владыкин Иван Ревович

Ижевск - 2012

На различных этапах исследований работа выполнялась под руководством д.т.н., профессора, зав. кафедрой «Электрические машины» Челябинского института механизации и электрификации сельского хозяйства A.A. Пястолова (глава 1, 4, 5) и д.т.н., профессора, зав. кафедрой «Электропривод и электрические машины» Санкт-Петербургского Государственного Аграрного Университета А.П. Епифанова (глава 2, 3), Автор выражает искреннюю благодарность.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................5

1 АНАЛИЗ ПРИВОДОВ МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИК.......................................................................................................................................7

1.1 Устройство и принцип работы выключателей..................................................11

1.2 Классификация приводов....................................................................................14

1.3 Основные элементы привода..............................................................................19

1.4 Общие конструктивные требования к приводам..............................................22

1.5 Электромагнитные приводы...............................................................................26

1.5.1 Конструкции электромагнитных приводов...................................................28

1.5.2 Электромагнитный привод на переменном токе...........................................42

1.5.3 Привод на основе плоского ЛАД....................................................................45

1.5.4 Привод выключателя на основе вращающегося асинхронного двигателя................................................................................................................................48

1.5.5 Привод на основе цилиндрического линейного асинхронного

двигателя..........................................................................................................................50

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ..........................................................................52

2 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИ-ГАГЕЛЕЙ........................................................................................................................................55

2.1 Анализ методик расчета характеристик ЛАД...................................................55

2.2 Методика на одномерной теории........................................................................56

2.3 Методика на основе двухмерной теории...........................................................58

2.4 Методика на основе трехмерной модели...........................................................59

2.5 Математическая модель цилиндрического асинхронного двигате-ля на

основе схемы замещения................................................................................................65

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..................................................................................................................94

3 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................95

3.1 Общие положения и решаемые задачи (постановка задачи)...........................95

3.2.Исследуемые показатели и параметры...................................................................96

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..............................................................................................................105

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................106

4.1 Определение инерционного сопротивления системы ВМ-привод....................106

4.2 Определение характеристик упругих элементов............................................110

4.3 Определение электродинамических характеристик.......................................114

4.4 Определение аэродинамического сопротивления воздуха и

гидравлического изоляционного масла ВМ...............................................................117

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...............................................................................................................121

5 ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ......................................................122

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...............................................................................................................124

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСССЛЕДОВАНИЙ........................................125

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ А.....................................................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ Б РАСЧЁТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ПРИВОДОВ ВМ6...35КВ...139

ПРИЛОЖЕНИЕ В СПРАВКА ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ОБЪЕКТА РАЗРАБОТКИ...................142

I Патентная документация.......................................................................................142

II Научно- техническая литература и техническая документация........................143

III Технические характеристики цилиндрического линейного асинхронного двигателя........................................................................................................................144

IV Анализ эксплуатационной надёжности приводов ВМ- 6.. .35кВ......................145

V Конструктивные особенности основных типов приводов ВМ-6... 35 кВ........150

ПРИЛОЖЕНИЕ Г......................................................................................................................156

Пример конкретного выполнения привода................................................................156

высоковольтного выключателя...................................................................................156

Расчёт мощности, потребляемой инерционным приводом......................................162

при операции включения ВМ......................................................................................162

Указатель основных обозначений и сокращений......................................................165

ВВЕДЕНИЕ

С переводом сельскохозяйственного производства на промышленную основу существенно повышаются требования к уровню надёжности электроснабжения.

Целевая комплексная программа повышения надёжности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей /ЦКП ПН/ предусматривает широкое внедрение средств автоматизации сельских распределительных сетей 0,4.. .35 кВ, как одно из наиболее эффективных способов достижения этой цели. Программа включает в себя, в частности, оснащение распределительных сетей современной коммутационной аппаратурой и приводными устройствами к ним. Наряду с этим предполагается широкое использование, особенно на первом этапе, первичной коммутационной аппаратуры, находящейся в эксплуатации

Наибольшее распространение в сельских сетях нашли масляные выключатели (ВМ) с пружинными и пружинно-грузовыми приводами. Однако, из опыта эксплуатации известно, что приводы ВМ являются одним из наименее надёжных элементов распределительных устройств. Это снижает эффективность комплексной автоматизации сельских электрических сетей. Например, в отмечается, что 30...35% случаев действия релейной защиты и автоматики /РЗА/ не реализуется из-за неудовлетворительного состояния приводов. Причём до 85% дефектов приходится на долю ВМ 10...35 кВ с пружинно-грузовыми приводами. По данным работы 59,3% отказов автоматического повторного включения /АПВ/ на базе пружинных приводов происходит из-за блок- контактов привода и выключателя, 28,9% из-за механизмов включения привода и удержания его во включённом положении. О неудовлетворительном состоянии и необходимости модернизации и разработки надёжных приводов отмечается в работах .

Имеется положительный опыт применения более надёжных электромагнитных приводов постоянного тока для ВМ 10 кВ на понижающих подстанциях сельскохозяйственного назначения. Однако в силу ряда особенностей эти приводы не нашли широкого применения [ 53 ].

Целью настоящего этапа НИР является выбор направления исследования.

В процессе работы решались следующие задачи:

Определение показателей надёжности основных типов приводов ВМ- 6.. .35 кВ и их функциональных узлов;

Анализ конструктивных особенностей различных типов приводов ВМ- 6...35 кВ;

Обоснование и выбор конструктивного решения привода ВМ 6...35 кВ и направления исследований.

1 АНАЛИЗ ПРИВОДОВ МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Работа привода масляных выключателей 6 - 10 кВ во многом зависит от совершенства конструкции. Конструктивные особенности определяются предъявляемыми к ним требованиями:

Мощность, потребляемая приводом в процессе выполнения операции включения ВМ, должна быть ограничена, т.к. питание осуществляется от маломощных трансформаторов собственных нужд. Это требование особенно существенно для понижающих подстанций сельскохозяйственного электроснабжения.

Привод масляного выключателя должен обеспечивать достаточную скорость коммутации,

Дистанционное и местное управление,

Нормальное срабатывание при допустимых уровнях изменения рабочих напряжений и др.

Исходя из этих требований, основные механизмы приводов выполняются в виде механических преобразователей с различным числом каскадов (ступеней) усиления, которые в процессе отключения и включения потребляют небольшую мощность для управления большим потоком энергии, затрачиваемой выключателем .

В известных приводах каскады усиления конструктивно выполняются в виде запирающих устройств (ЗУО, ЗУВ) с защёлками, редуцирующих механизмов (РМ) с многозвенными ломающимися рычагами, а также механических усилителей (МУ) с использованием энергии поднятого груза или сжатой пружины. На рис.2 и 3 (приложение Б) представлены упрощённые схемы приводов масляных выключателей различных типов. Стрелками и цифрами над ними показаны направление и последовательность взаимодействия механизмов в процессе работы.

Основными коммутационными аппаратами на подстанциях являются масляные и безмасляные выключатели, разъединители, предохранители напряжением до 1000 В и выше, автоматические выключатели, рубильники. В электрических ссетях небольшой мощности напряжением 6 - 10 кВ устанавливаются простейшие коммутационные аппараты - выключатели нагрузки .

В распределительных устройствах 6... 10 кВ, в выкатных КРУ, часто применяются маломасляные подвесные выключатели со встроенными пружинными или электромагнитными приводами (ВМПП, ВМПЭ): Номинальные токи этих выключателей: 630 А, 1000 А, 1600 А, 3200 А.

Ток отключения 20 и 31,5 кА. Такой диапазон исполнений дает возможность применять выключатели ВМП как в электроустановках средней мощности, так и на крупных вводных линиях и на стороне вторичных цепей относительно крупных трансформаторов. Исполнение на ток 31,5 кА позволяет применять компактные выключатели ВМП в мощных сетях 6.. .10 кВ без реактирования и тем самым уменьшить колебания и отклонения напряжения в этих сетях.

Маломасляные горшковые выключатели типа ВМГ-10 с пружинными и электромагнитными приводами изготавливаются на номинальные токи 630 и 1000 А и ток отключения КЗ 20 кА. Они встраиваются в стационарные камеры серии КСО-272 и применяются преимущественно в электроустановках средней мощности. Выпускаются также маломасляные выключатели типа ВММ-10 небольшой мощности с встроенными пружинными приводами на номинальный ток 400 А и номинальный ток отключения 10 кА.

В большом диапазоне исполнений и параметров изготавливаются электромагнитные выключатели следующих типов : ВЭМ-6 со встроенными электромагнитными приводами на напряжение 6 кВ, номинальные токи 2000 и 3200 А, номинальный ток отключения 38,5 и 40 кА;

ВЭМ-10 со встроенным электромагнитным приводом, на напряжение 10 кВ, номинальные токи 1000 и 1250, номинальный ток отключения 12,5 и 20 кА;

ВЭ-10 со встроенными пружинными приводами, на напряжение 10 кВ, номинальные токи 1250, 1600, 2500, 3000 А. Номинальные токи отключения 20 и 31,5 кА.

Электромагнитные выключатели по своим параметрам соответствуют маломасляным выключателям ВМП и имеют такую же область применения. Они пригодны для частых коммутационных операций. Коммутационная способность выключателей зависит от типа привода его конструктивного исполнения и надежности работы. На подстанциях промышленных предприятий преимущественно применяются пружинные и электромагнитные приводы встроенные в выключатель . Электромагнитные приводы используются в ответственных установках:

При питании электроприёмников первой и второй категории с частыми операциями выключателями;

Особо ответственных электроустановках первой категории независимо от частоты операций;

При наличии аккумуляторной батареи.

Для подстанций промышленных предприятий применяются комплектные крупноблочные устройства: КРУ, КСО, КТП различной мощности, напряжения и назначения. Комплектные устройства со всеми аппаратами, измерительными приборами и вспомогательными устройствами изготовляются, комплектуются и испытываются на заводе или в мастерской и в собранном виде доставляются на место установки. Это дает большой экономический эффект, так как ускоряет и удешевляет строительство и монтаж и позволяет вести работы индустриальными методами. Комплектные распределительные устройства имеют два принципиально различных конструктивных исполнения: выкатное (серии КРУ) и стационарное (серии

КСО, КРУН и др.). Устройства обоих видов одинаково успешно разрешают задачи электромонтажных и эксплуатационных работ.

Выкатные распредустройства более удобны, надежны и безопасны в эксплуатации. Это достигается благодаря защите всех токоведущих частей и контактных соединений надежной изоляцией, а также возможности быстрой замены выключателя путем выкатки и обслуживания в мастерской. Расположение привода выключателя таково, что его внешний осмотр можно осуществить как при включенном, так и при отключенном положении выключателя без выкатки последнего.

Заводами изготавливаются унифицированные серии выкатных КРУ для внутренней установки на напряжение до 10 кВ, основные технические параметры которых приведены в таблице 1.

Таблица 1.1- Основные параметры КРУ на напряжение 3-10 кВ для внутренней установки

Серия Номинальное напряжение, в кВ Номинальный ток, в А Вид масляного выключателя Тип привода

КРУ2-10-20УЗ 3,6, 10 630 1000 1600 2000 2500 3200 Маломасляный горшковый ВМП-Юлд ПЭ-11 ПП67 ПП70

КР-10-31, 5УЗ 6,10 630 1000 1600 3200 Маломасляный горшковый

КР-10Д10УЗ 10 1000 2000 4000 5000 Маломасляный горшковый

КЭ-10-20УЗ 10 630 1000 1600 2000 3200 Электромагнитный

КЭ-10-31, 5УЗ 10 630 1000 Электромагнитный

1.1 Устройство и принцип работы выключателей

Выключатели типа ВМГ-10-20 относятся к трехполюсным высоковольтным выключателям с малым объемом дугогасящей жидкости (трансформаторного масла). Выключатель предназначен для коммутации высоковольтных цепей переменного тока напряжением 10 кВ в нормальном режиме работы установки, а также для автоматического отключения этих цепей при токах короткого замыкания и перегрузках, возникающих при ненормальных и аварийных режимах работы установок .

Принцип работы выключателя основан на гашении электрической дуги, возникающей при размыкании контактов, потоком газомасляной смеси, образующейся в результате интенсивного разложения трансформаторного масла под действием высокой температуры горения дуги. Этот поток получает определенное направление в специальном дугогасительном устройстве, размещенном в зоне горения дуги.

Управление выключателем осуществляется приводами. При этом, оперативное включение производится за счет энергии привода, а отключение - за счет энергии отключающих пружин самого выключателя.

Конструкция выключателя показана рис.1.1. Три полюса выключателя смонтированы на общей сварной раме 3, являющейся основанием выключателя и имеющей отверстия для крепления выключателя. На лицевой стороне рамы установлено шесть фарфоровых изоляторов 2 (по два на полюс), имеющих внутреннее эластичное механическое крепление. На каждую пару изоляторов подвешивается полюс выключателя 1.

Приводной механизм выключателя (рис. 9) состоит из вала 6 с приваренными к нему рычагами 5. К крайним рычагам 5 присоединены отключающие пружины 1, к среднему - буферная пружина 2. На противоположных концах рычагов механически укреплены изоляционные рычаги, которые соединены с токоведущими контактными стержнями 9 при помо-

щи серьги 7 и служат для передачи движения от вала выключателя к контактному стержню.

установки (тип ВМП-10) - общий вид

Между крайним и средним рычагами на валу выключателя приварена пара двуплечих рычагов 4 с роликами на концах. Эти рычаги служат для ограничения включенного и отключенного положений выключателя. При включении один из роликов подходит к болту 8, при отключении второй ролик перемещает шток масляного буфера 3; более подробное устройство которого показано на рис.1. 2.

В зависимости от кинематики ячейки выключатель допускает среднее или боковое присоединение привода. При среднем присоединении привода используется рычаг 13 (рис. 1.1), для бокового присоединения на вал выключателя дополнительно устанавливается рычаг 12 (рис. 1.1).

Рисунок 1.2 - Полюс выключателя

Основной частью полюса выключателя (рис. 1.2) является цилиндр 1. Для выключателей на номинальный ток 1000А эти цилиндры выполнены из латуни. Цилиндры выключателей на номинальный ток 63ОА выполнены из стали и имеют продольный немагнитный шов. К каждому цилиндру приварены две скобы для крепления его к опорным изоляторам, и кожух 10 с маслоналивной пробкой 11 и маслоуказателем 15. Кожух служит дополните

• • Технологии и средства механизации сельского хозяйства
  • Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
  • Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Линейные двигатели стали широко известны как высокоточная и энергоэффективная альтернатива обычным приводам, преобразующим вращательное движение в поступательное. За счет чего это стало возможным?

Итак, давайте обратим внимание на шарико-винтовую пару, которая в свою очередь может считаться высокоточной системой преобразования вращательного движения в поступательное. Обычно КПД ШВП составляет порядка 90%. При учете КПД серводвигателя (75-80%), потерь в муфте или ременной передаче, в редукторе (в случае его использования) получается, что лишь около 55% мощности затрачивается непосредственно на совершение полезной работы. Таким образом, несложно догадаться, почему линейный двигатель, который напрямую передает объекту поступательное движение, более эффективен.

Обычно самым простым объяснением его конструкции является аналогия с обычным двигателем вращательного движения, который разрезали по образующей и развернули на плоскости. На самом деле именно такой и была конструкция самых первых линейных двигателей. Плоский линейный двигатель с сердечником первым вышел на рынок и занял свою нишу как мощная и эффективная альтернатива прочим приводным системам. Несмотря на то, что в общем их конструкция оказалась недостаточно эффективной из-за значительных потерь на вихревые токи, недостаточной плавности и пр. они все равно выгодно отличались с точки зрения КПД. Хотя вышеперечисленные недостатки неблагоприятно сказывались на высокоточной «натуре» линейного двигателя.

U-образный линейный двигатель, конструктивно выполненный без сердечника, разработан с целью устранения недостатков классического плоского линейного двигателя. С одной стороны это позволило решить ряд проблем, таких как потери на вихревые токи в сердечнике и недостаточную плавность перемещения, но с другой — привнесло несколько новых аспектов, ограничивающих его использование в областях, требующих ультрапрецизионных перемещений. Это значительное снижение жесткости двигателя и еще большие проблемы с тепловыделением.

Для рынка ультрапрецизионного оборудования линейные двигатели были как послание с небес, неся в себе обещания бесконечно точного позиционирования и высокого КПД. Однако суровая реальность проявила себя, когда тепло, выделяемое вследствие недостаточной эффективности конструкции в обмотках и сердечнике, напрямую передавалось в рабочую зону. В то время, как все больше расширялась область использования ЛД, термические явления, сопутствующие значительному тепловыделению сделали позиционирование с субмикронными точностями весьма сложным, чтобы не сказать невозможным.

Для повышения КПД, эффективности линейного двигателя необходимо было вернуться к самим его конструктивным основам, и через максимально возможную оптимизацию всех их аспектов получить наиболее энергоэффективную приводную систему с максимально возможной жесткостью.

Фундаментальное взаимодействие, лежащее в основе конструкции линейного двигателя — это проявление Закона Ампера — наличие силы, воздействующей на проводник с током в магнитном поле.

Следствием из уравнения для силы Ампера является то, что максимальное усилие, развиваемое двигателем, равно произведению силы тока в обмотках на векторное произведение вектора магнитной индукции поля на вектор длины провода в обмотках. Как правило, для повышения КПД линейного двигателя необходимо уменьшать силу тока в обмотках (т.к. потери на нагрев проводника прямо пропорциональны квадрату силы тока в нем). Сделать это при постоянной величине выходного усилия привода возможно лишь при увеличении прочих составляющих, входящих в уравнение Ампера. Именно так и поступили разработчики Цилиндрического Линейного Двигателя (ЦЛД) вместе с некоторыми производителями ультрапрецизионного оборудования. Фактически в ходе последнего исследования в Университете Вирджинии (UVA) было установлено, что ЦЛД потребляет на 50% меньше энергии для осуществления той же работы, при тех же выходных характеристиках, что и аналогичный U-образный линейный двигатель. Чтобы понять, каким образом достигнуто столь значительное повышение эффективности работы, давайте отдельно остановимся на каждой составляющей вышеупомянутого уравнения Ампера.

Векторное произведение B×L. Используя, например, правило левой руки несложно понять, что для осуществления линейного перемещения оптимальный угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции составляет 90°. Обычно у линейного двигателя ток в 30-80% длины обмоток протекает под прямым углом к вектору индукции поля. Остальная часть обмоток, по сути, выполняет вспомогательную функцию, при этом в ней возникают потери на сопротивление и даже могут появляться силы, противоположные направлению перемещения. Конструкция ЦЛД такова, что 100% длины провода в обмотках находится под оптимальным углом в 90°, а все возникающие усилия сонаправлены с вектором перемещения.

Длина проводника с током (L). При задании этого параметра возникает своего рода дилемма. Слишком большая длина приведет к дополнительным потерям в связи с увеличением сопротивления. В ЦЛД соблюден оптимальный баланс между длиной проводника и потерями в связи с приростом сопротивления. Например, в ЦЛД, тестированном в Университете Вирджинии длина провода в обмотках была в 1,5 раза больше, чем в его U-образном аналоге.

Вектор индукции магнитного поля (B). Притом, что в большинстве линейных двигателей осуществляется перенаправление магнитного потока при помощи металлического сердечника, в ЦЛД используется запатентованное конструктивное решение: сила магнитного поля естественно увеличивается благодаря отталкиванию одноименных магнитных полей.

Величина силы, которую можно развить при данной структуре магнитного поля, есть функция плотности потока магнитной индукции в промежутке между подвижным и неподвижным элементами. Так как магнитное сопротивление воздуха приблизительно в 1000 раз больше, чем у стали и прямо пропорционально величине зазора, его минимизация уменьшит и магнитодвижущую силу, нужную для создания поля необходимой силы. Магнитодвижущая сила в свою очередь прямо пропорциональна силе тока в обмотках, поэтому при уменьшении ее необходимой величины, можно уменьшить и величину тока, что в свою очередь позволить снизить потери на сопротивление.

Как можно видеть, каждый конструктивный аспект ЦЛД был продуман с целью максимально возможного увеличения эффективности его работы. Но насколько это полезно с практической точки зрения? Давайте обратим внимания на два аспекта: тепловыделение и стоимость эксплуатации .

Все линейные двигатели нагреваются из-за потерь в обмотках. Выделившееся тепло должно куда-то отводиться. И первый побочный эффект тепловыделения — это сопутствующие процессы термического расширения, например элемента, в котором закреплены обмотки. Кроме того происходит дополнительный нагрев танкеток направляющих, смазки, датчиков, находящихся в зоне работы привода. С течением времени циклические процессы нагрева и охлаждения могут негативно воздействовать и на механические и на электронные компоненты системы. Тепловое расширение также приводит к увеличению трения в направляющих и т.п. В том же исследовании, проведенном в UVA было установлено, что ЦЛД передавал на смонтированную на нем плиту приблизительно на 33% меньше тепла, чем аналог.

При меньшем потреблении энергии снижается и стоимость эксплуатации системы в целом. В среднем в США 1 кВч стоит 12,17 центов. Таким образом, среднегодовая стоимость эксплуатации U-образного линейного двигателя составит $540,91, а ЦЛД $279,54. (При цене 3,77 руб. за кВч получается 16768,21 и 8665,74 руб. соответственно)

При выборе реализации приводной системы список вариантов действительно велик, однако при разработке системы, предназначенной для нужд ультрапрецизионной станочной техники, высокая эффективность ЦЛД может обеспечить значительные преимущества.

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Рыжков Александр Викторович. Анализ и выбор рациональных конструкций цилиндрического линейного двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением: диссертация... кандидата технических наук: 05.09.01 / Рыжков Александр Викторович; [Место защиты: Воронеж. гос. техн. ун-т].- Воронеж, 2008.- 154 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/404

Введение

Глава 1 Анализ теоретических и конструктивных направлений развития электрических машин линейного перемещения 12

1.1 Специфические особенности конструктивных реализаций линейных электрических машин 12

1.2 Анализ разрабатываемой конструкции цилиндрического линейного электродвигателя 26

1.3 Обзор методик проектирования линейных машин 31

1.4 Моделирование электромагнитных процессов на основе метода конечных элементов 38

1.5 Цель работы и задачи исследования 41

Глава 2 Алгоритмизация электромагнитного расчета бесконтактного цилиндрического линейного двигателя постоянного тока 43

2.1 Постановка задачи 43

2.2 Анализ цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с продольно - радиальной конструкцией магнитной системы 45

2.3 Алгоритм электромагнитного расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока 48

2.4 Оценка теплового состояния цилиндрического линейного двигателя 62

Глава 3 Моделирование и выбор рациональных совокупностей выходных параметров цилиндрического линейного электродвигателя постоянного тока 64

3.1 Синтез линейного цилиндрического двигателя постоянного тока на основе критериев максимальных удельных тяговых, энергетических показателей 64

3.2 Моделирование цилиндрического линейного двигателя постоянного тока методом конечных элементов 69

3.2.1 Описание исходных данных для моделирования 69

3.2.2 Анализ результатов моделирования 78

Глава 4 Практическая реализация и результаты экспериментальных исследований цилиндрических линейных двигателей 90

4.1 Макетные образцы цилиндрических линейных двигателей постоянного тока 90

4.1.1 Конструктивные компоненты архитектуры линейного двигателя 90

4.1.2 Макетная реализация цилиндрических линейных электродвигателей 95

4.1.3 Структура блока управления цилиндрическим линейным электродвигателем 96

4.2 Результаты экспериментальных исследований разработанных вариантов цилиндрических линейных электродвигателей 100

4.2.1 Исследование теплового состояния линейного двигателя 101

4.2.2 Экспериментальные исследования индукции в зазоре опытных образцов линейных двигателей 103

4.2.3 Исследования электромагнитной тяговой силы удержания от тока в обмотке 107

4.2.3 Исследование зависимости тяговой силы разработанных линейных электродвигателей от величины перемещения подвижной части 110

4.2.3 Механические характеристики разработанных образцов линейных двигателей 118

Выводы 119

Заключение 120

Список литературы 122

Приложение А 134

Приложение Б 144

Приложение В 145

Введение к работе

Актуальность темы.

В настоящее время все большее распространение получают цилиндрические линейные двигатели, в качестве исполнительных элементов электроприводов специального назначения, реализуемых в рамках электротехнических комплексов, используемых, в частности, в космической, медицинской технике. При этом наличие непосредственного прямого действия исполнительного органа в цилиндрических линейных двигателях определяет их преимущество относительно плоских линейных двигателей. Это обусловлено отсутствием сил одностороннего притяжения, а также меньшей инертностью подвижной части, что определяет их высокие динамические качества.

Следует отметить, что в области разработки средств анализа конструктивных вариантов линейных двигателей имеются положительные результаты, полученные как отечественными (Вольдек А.И., Свечарник Д.В., Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н.), так и зарубежными исследователями (Ямамура, Wang J., Jewell Geraint W., Howe D.). Однако данные результаты нельзя рассматривать в качестве основы создания универсальных средств, позволяющих осуществлять выбор оптимальных конструктивных вариантов линейных электродвигателей применительно к конкретной объектной области. Это обуславливает необходимость проведения дополнительных исследований в области проектирования специальных линейных двигателей цилиндрической архитектуры с целью получения рациональных конструктивных вариантов, носящих объектно-ориентированный характер.

Таким образом, на основании вышеизложенного, актуальность темы исследования продиктована необходимостью проведения дополнительных исследований, ориентированных на разработку средств моделирования и анализа цилиндрических линейных двигателей с магнитоэлектрическим возбуждением с целью получения рациональных конструктивных решений.

Тематика диссертационного исследования соответствует одному из основных научных направлений ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы (Разработка и.исследование интеллектуальных и информационных технологий проектирования и управления сложными промышленными комплексами и системами. ГБ НИР № 2007.18).

Цель и задачи исследования. Целью работы является создание комплекса средств анализа конструкций цилиндрических линейных двигателей постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением, позволяющих осуществлять выбор их рациональных вариантов, ориентированных на использовании в рамках электроприводов специального назначения, реализующих предельные значения удельных энергетических показателей и уровня динамических свойств.

В соответствии с данной целью, в работе поставлены и решены следующие задачи:

анализ рациональных конструкций цилиндрических линейных двигателей постоянного тока, обеспечивающих в рамках электроприводов специального назначения предельные значения удельных энергетических показателей;

проведение теоретических исследований процессов, протекающих в линейных бесконтактных двигателях постоянного тока, как основы построения алгоритма электромагнитного расчета цилиндрического линейного электродвигателя;

разработка алгоритма электромагнитного расчета с учетом особенностей, обусловленных архитектурой магнитных систем цилиндрического линейного двигателя;

разработка структур конечно-элементных моделей для анализа электромагнитных процессов применительно к условиям цилиндрического линейного двигателя;

Проведение экспериментальных исследований опытных образцов, под
тверждающих адекватность аналитических моделей и разработанного алгорит
ма проектирования цилиндрических линейных двигателей.

Методы исследований. В работе использованы методы теории поля, теории электрических цепей, теории проектирования электрических машин, вычислительной математики, физического эксперимента.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

предложена конструкция магнитной цепи цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с аксиально-намагниченными постоянными магнитами в составе магнитной системы с радиальной направленностью намагниченности, отличающаяся новой архитектурой построения подвижной части линейного электродвигателя;

разработан алгоритм расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с аксиально-намагниченными постоянными магнитами в составе магнитной системы с радиальной направленностью намагниченности, отличающийся учетом особенностей, обусловленных архитектурой построения подвижной части цилиндрического линейного электродвигателя;

разработаны структуры конечно-элементных моделей, отличающиеся специальным набором граничных условий в краевых зонах;

разработаны рекомендации по выбору рациональных проектных решений, направленных на повышение удельных энергетических показателей и динамических качеств цилиндрических линейных электродвигателей постоянного тока на основе количественных данных численных расчетов, а также результатов экспериментальных исследований опытных образцов.

Практическая значимость работы. Практическую ценность диссертационной работы составляют:

Алгоритм проектирования цилиндрических линейных двигателей
малой мощности;

конечно-элементные модели в двумерном анализе цилиндрических линейных двигателей, позволяющие сопоставлять удельные характеристики двигателей различных конструктивов магнитных систем;

Предложенные модели и алгоритм могут быть использованы в качестве математической основы создания специальных средств прикладного программного обеспечения систем автоматизированного проектирования бесконтактных двигателей постоянного тока.

Реализация результатов работы. Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы на предприятии «НИИ Механотроники - Альфа» при выполнении НИР «Исследование путей создания современных высокоресурсных механотронных исполнительных приводов различных видов движения в вариациях с цифровым информационным каналом и бездатчиковым управлением при идентификации фазовых координат, интегрированных в системы жизнеобеспечения космических аппаратов (КА)», НИР «Исследование путей создания «интеллектуальных» электроприводов линейного перемещения с управлением по вектору состояния для систем автоматики КА», НИОКР «Исследование и разработка интеллектуальных меха-тронных движителей линейного прецизионного перемещения с нетрадиционной модульной компоновкой для промышленного, медицинского и специального оборудования нового поколения», а также внедрены в учебный процесс кафедры «Электромеханических систем и электроснабжения» ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" в лекционный курс «Специальные электрические машины».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на региональной научно-технической конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве"

(Воронеж 2006, 2007), на межвузовской студенческой научно-технической

конференции "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники" (Воронеж, 2007), на всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2008), в международной школе-конференции «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж, 2008), на I международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (г. Невинномысск, 2008), на научно-техническом совете «Научно-исследовательского и проектно-конструкторского института Механотроники-Альфа» (Воронеж, 2008), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов кафедры автоматики и информатики в технических системах ВГТУ (Воронеж, 2006-2008). Кроме того, результаты диссертации опубликованы в сборниках научных трудов «Электротехнические комплексы и системы управления», «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники» (г. Воронеж 2005-2007 г.), в журнале «Электротехнические комплексы и системы управления» (г. Воронеж 2007-2008 г.), в Вестнике Воронежского государственного технического университета (2008 г).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 - в изданиях, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования, материал изложен на 145 страницах и содержит 53 рисунка, 6 таблиц и 3 приложения.

В первой главе проведен обзор и анализ современного состояния в области разработки линейных электродвигателей прямого действия. Выполнена классификация линейных электродвигателей прямого действия по принципу действия, а также по основным конструктивным исполнениям. Рассмотрены вопросы теории разработки и проектирования линейных двигателей с учетом особенностей линейной машины. Обосновано использование метода конечных элементов, как современного инструмента проектирования сложных электро-

механических систем. Поставлена цель работы и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены вопросы формирования методики проектирования бесконтактных цилиндрических линейных двигателей постоянного тока, представлен электромагнитный расчет различных конструктивных реализаций магнитных систем линейного двигателя, содержащий следующие этапы: выбор основных размеров, расчёт мощности; расчёт машинной постоянной; определение тепловых и электромагнитных нагрузок; расчёт обмоточных данных; расчет электромагнитной тяговой силы; расчет магнитной системы, выбор размеров постоянных магнитов. Произведен оценочный расчет процесса теплообмена линейного электродвигателя.

В третьей главе приведены выражения универсального критерия оптимизации позволяющего, выполнить сравнительный анализ двигателей постоянного и переменного тока малой мощности с учётом требований по энергетике и быстродействию. Сформированы положения методики моделирования цилиндрического линейного двигателя постоянного тока методом конечных элементов, определены основные допущения, на которых построен математический аппарат для анализа моделей указанных типов двигателей. Получены двумерные конечно-элементные модели для цилиндрического линейного двигателя для различных конструкций подвижной части: с псевдо-радиальной намагниченностью магнитов-сегментов на штоке и с аксиально-намагниченными магнитами-шайбами.

В четвертой главе представлена практическая разработка образцов цилиндрических линейных синхронных двигателей, показана схемотехническая реализация блока управления цилиндрическим линейным двигателем. Освещены принципы управления указанным электродвигателем. Продемонстрированы результаты экспериментальных исследований цилиндрического линейного синхронного двигателя с различной конструкцией магнитной системы подвижной части, включающие: исследования тепловых режимов электродвигателя,

зависимость тягового усилия электродвигателя от токов и перемещения. Проведено сопоставление результатов моделирования методом конечных элементов с физическим экспериментом, оценка полученных параметров линейного двигателя с современным техническим уровнем.

В заключении изложены основные результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Анализ разрабатываемой конструкции цилиндрического линейного электродвигателя

Линейный электропривод с управлением по вектору состояния предъявляет ряд конкретных требований к конструкции и работе ЦЛСД. Поток энергии из сети через управляющее устройство поступает в якорную обмотку, что обеспечивает правильную последовательность взаимодействия электромагнитного поля обмотки с полем постоянных магнитов подвижного штока согласно адекватным законам коммутации. Если на штоке расположен высококоэрцитивный постоянный магнит, то реакция якоря практически не искажает основного магнитного потока. Качество электромеханического преобразования энергии определяется не только рационально выбранной магнитной системой, но и соотношением энергетических параметров марки магнита и линейной нагрузки якорной обмотки статора. Расчет электромагнитного поля МКЭ и поиск рациональной конструкции электрической машины методом численного эксперимента, направленного при помощи полученного критерия оптимизации позволяет сделать это с минимальными затратами средств.

С учетом современных требований в отношении ресурса, диапазона регулирования и позиционирования компоновка ЦЛСД строится по классическому принципу динамического взаимодействия магнитного потока возбуждения подвижного штока с магнитным потоком якорной обмотки беспазового статора.

Предварительный технический анализ разработанной конструкции позволил установить следующее:

Вопрос энергетики двигателя, зависит от числа фаз и схемы включения обмотки якоря, при этом важную роль играет форма результирующего магнитного поля в воздушном зазоре и формы напряжения, подводимого к фазам обмотки;

На подвижном штоке располагаются редкоземельные постоянные магниты с псевдо - радиальной структурой намагничивания, каждый из которых состоит из шести сегментов, объединённых в конструкцию полой цилиндрической формы;

В разработанной конструкции возможно обеспечить технологическое единство рабочего механизма и штока ЦЛСД;

Подшипниковые опоры с оптимизированными коэффициентами нагрузок обеспечивают необходимый качественный запас по уровню гарантированной наработки и диапазону регулирования скорости перемещения штока;

Возможность прецизионной сборки с минимальными допусками и обеспечение необходимой селективности сопрягаемых поверхностей деталей и узлов позволяет повысить ресурс работы;

Возможность совмещения поступательного и вращательного видов движения в единой геометрии двигателя позволяет расширить его функциональные возможности и расширить область применения.

Якорь ЦЛСД представляет собой цилиндр, выполненный из магнитомяг-кой стали, то есть имеет беспазовую конструкцию. Магнитопровод ярма якоря выполнен из шести модулей - втулок, соединяющихся внахлёст и выполненных из стали 10 ГОСТ 1050-74. Во втулках имеются отверстия для выводных концов катушек двухфазной обмотки якоря. Втулки, собранные в пакет, образуют, по существу, ярмо для проведения основного магнитного потока и получения требуемой величины магнитной индукции в суммарном немагнитном рабочем зазоре. Беспазовая конструкция якоря наиболее перспективна с точки зрения обеспечения высокой равномерности скорости в области минимальных значений диапазона регулирования линейной скорости, а также точности позиционирования подвижного штока (в немагнитном зазоре пульсации электромагнитной тяговой силы зубцового порядка отсутствуют). Катушки якорной обмотки имеют барабанную форму, витки обмотки из провода с самоспекаемой изоляцией ПФТЛД или с эмалевой изоляцией ПЭТВ ГОСТ 7262-54, пропитанного термореактивным компаундом на основе эпоксидной смолы, намотаны на алюминиевый каркас, обладающий жёсткостью формы и рассчитанный на температурный режим до 200 С. После формовки и полимеризации пропиточного компаунда катушка представляет собой жесткий монолитный узел. Подшипниковые щиты собираются вместе с модулями ярма якоря. Корпуса подшипниковых щитов изготовлены из алюминиевого сплава. В корпусах подшипниковых щитов установлены втулки из бронзы.

По результатам проведенного патентного поиска были определены две конструктивные реализации магнитных систем, отличающиеся главным образом магнитной системой подвижной части цилиндрического линейного двигателя.

Подвижный шток базовой конструкции электродвигателя содержит редкоземельные постоянные магниты N35, между которыми установлены неферромагнитные делительные шайбы, имеет 9 полюсов (из них в область активной длины машины перекрывают не более 4-х). Конструкция машины обеспечивает симметрирование магнитного поля от постоянных магнитов с целью снижения первичного продольного краевого эффекта. Высококоэрцитивные магниты обеспечивает требуемый уровень индукции в воздушном зазоре. Постоянные магниты защищены неферромагнитной гильзой, обеспечивающей функции направляющей и имеющие заданные свойства поверхности скольжения. Материал гильзы - направляющей должен быть неферромагнитным, то есть втулка не должна экранировать магнитное поле обмотки и модулей магнитов, потокосцепление которых должно быть максимальным. В то лее время гильза должна обладать заданными механическими свойствами, гарантирующими высокий ресурс работы и малый уровень механических потерь на трение в линейных опорах - подшипниках. В качестве материала гильзы предлагается использовать коррозионно стойкую и жаропрочную сталь.

Следует отметить, что повышение удельных энергетических показателей обычно достигается за счет использования постоянных магнитов, обладающих большой магнитной энергией, в частности из сплавов с редкоземельными металлами. В настоящее время в подавляющем большинстве лучших изделий применены магниты неодим - железо - бор (Nd-Fe-В) с присадками из таких материалов, как диспрозий, кобальт, ниобий, ванадий, галлий; и т.д. Добавление названных материалов ведет к улучшению стабильности магнита с температурной точки зрения. Эти модифицированные магниты могут быть использованы до температур +240С.

Так как втулки постоянных магнитов должны быть намагничены ради-ально, в ходе их изготовления возникла технологическая проблема, связанная с необходимостью обеспечить требуемый поток для намагничивания и малыми геометрическими размерами. Ряд разработчиков постоянных магнитов , отмечали, что их предприятия не выпускают радиально намагниченные постоянные магниты из редкоземельных материалов. В результате было принято решение разработать втулку постоянного магнита в виде магнита - сборки из шести криволинейных призм - сегментов.

Путем разработки, а затем сравнения энергетических показателей магнитных систем оценим энергетические возможности, а также рассмотрим соответствие показателей электродвигателя современному техническому уровню.

Схема цилиндрического линейного синхронного двигателя с продольно радиальной магнитной системой показана на рисунке 1.8.

В результате сопоставления и анализа уровня энергетических показателей двух, разработанных в ходе НИР, конструктивных реализаций магнитных систем, полученных в результате физического эксперимента, адекватность аналитических, численных методов расчета и проектирования рассматриваемого типа линейного электродвигателя будет подтверждена в последующих разделах.

Алгоритм электромагнитного расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока

Основой для расчёта ЦЛСД являются следующие данные:

Габаритные размеры;

Длина хода подвижной части (штока)

Синхронная скорость штока Vs, м/с;

Критическое (максимальное) значение электромагнитной тяговой силы FT Н;

Напряжение питания /, В;

Режим работы двигателя (продолжительный, ПВ);

Диапазон температуры окружающей среды АТ,С;

Исполнение двигателя (защищенное, закрытое).

В индуктивных электрических машинах энергия электромагнитного поля концентрируется в рабочем зазоре и зубцовой зоне (в ЦЛДПТ с гладким якорем зубцовая зона отсутствует), поэтому выбор объёма рабочего зазора при синтезе электрической машины имеет первостепенное значение.

Удельная плотность энергии в рабочем зазоре может быть определена как отношение активной мощности машины Рг к объёму рабочего зазора. В основе классических методов расчёта электрических машин лежит выбор машинной постоянной СА (постоянной Арнольда), связывающей основные конструктивные размеры с допустимыми электромагнитными нагрузками (им соответствует предельная тепловая нагрузка)

Для обеспечения скольжения штока на постоянные магниты одевается гильза толщиной Аг Величина Аг зависит от технологических факторов и выбирается минимально возможной.

Линейная синхронная скорость штока ЦЛДПТ и эквивалентная синхронная частота вращения связаны соотношением

Для обеспечения требуемого значения тяговой силы при минимальном значении постоянной времени и отсутствии фиксирующей силы (уменьшении её до приемлемого значения) предпочтение отдано беззубцовой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов на основе высокоэнергетических магнитотвердых материалов (неодим - железо - бор). При этом двигатель имеет рабочий зазор, достаточный для размещения обмотки.

Основная задача расчета магнитной системы состоит в определении конструктивных параметров, оптимальных по энергетическим параметрам, силе тяги и другим показателям, обеспечивающим в рабочем зазоре заданную величину магнитного потока. На начальной стадии проектирования наиболее важным является нахождение рационального соотношения между толщинами спинки магнита и катушки.

Расчет магнитной системы с постоянными магнитами связан с определением кривой размагничивания и магнитных проводимостей отдельных участков. Постоянные магниты неоднородны, картина поля в зазоре имеет сложный характер из - за продольного краевого эффекта и потоков рассеяния. Поверхность магнита не является эквипотенциальной, отдельные участки в зависимости от положения относительно нейтральной зоны имеют неодинаковые магнитные потенциалы. Это обстоятельство затрудняет расчет магнитных проводимостей рассеяния и потока рассеяния магнита.

В целях упрощения расчета принимаем допущение о единственности кривой размагничивания, а действительный поток рассеяния, зависящий от распределения МДС по высоте магнита, заменяем расчетным, который проходит по всей высоте магнита и целиком выходит из поверхности полюса.

Существует ряд графоаналитических методов расчета магнитных цепей с постоянными магнитами, из которых наибольшее применение в инженерной практике нашли метод размагничивающего фактора, применяемый для расчета прямых магнитов без арматуры; метод отношений, используемый для расчета магнитов с арматурой, а также метод электрической аналогии, применяемый при расчёте разветвленных магнитных цепей с постоянными магнитами.

Точность дальнейших расчётов в существенной степени зависит от погрешностей, связанных с определением состояния магнитов с полезной удельной энергией со з.опт, развиваемой ими в немагнитном рабочем зазоре 8v. Последняя должна соответствовать максимуму произведения индукции результирующего поля в рабочем зазоре на удельную энергию магнита.

Распределение индукции в рабочем зазоре ЦЛСД наиболее точно можно определить в ходе конечно- элементного анализа конкретной расчётной модели. На начальном этапе расчёта, когда речь идёт о выборе некоторой совокупности геометрических размеров, обмоточных данных и физических свойств материалов, усреднённым эффективным значением индукции в рабочем зазоре Bscp целесообразно задаваться. Адекватность задания В3ср в пределах рекомендуемого интервала будет фактически определять трудоёмкость поверочного электромагнитного расчёта машины методом конечных элементов.

Применяемые магнитотвердые редкоземельные магниты на основе редкоземельных металлов имеют практически релейную кривую размагничивания, поэтому в широком диапазоне изменения напряжённости магнитного поля величина соответствующей индукции изменяется сравнительно мало.

Для решения задачи определения высоты спинки магнита-сегмента hM на первом этапе синтеза ЦЛСД предлагается следующий подход.

Описание исходных данных для моделирования

В основе электромагнитного расчета численным методом лежит модель, включающая в себя геометрию машины, магнитные и электрические свойства её активных материалов, режимные параметры и действующие нагрузки. В ходе расчёта определяются индукции и токи в сечениях модели. Затем определяются силы и моменты, а также энергетические показатели.

Построение модели включает в себя определение системы основных допущений, устанавливающую идеализацию свойств физических и геометрических характеристик конструкции и нагрузок, на основе которой строится модель. Конструкция машины, изготовленная из реальных материалов, имеет ряд особенностей, включающих в себя несовершенство формы, разброс и неоднородность свойств материалов, (отклонение их магнитных и электрических свойств от установленных значений) и т.п.

Типичным примером идеализации реального материала является присвоение ему свойств однородности. В ряде конструкций линейных двигателей такая идеализация невозможна, т.к. она приводит к неверным результатам расчета. Примером может служить цилиндрический линейный синхронный двигатель с неферромагнитным токопроводящим слоем (гильзой), в котором электрические и магнитные свойства меняются скачкообразно при переходе границы раздела материалов.

Помимо насыщения на выходные характеристики двигателя большое влияние оказывают поверхностный и продольный краевой эффект. При этом одной из главных задач становится задание начальных условий на границах активных областей машины.

Таким образом, модель может быть наделена лишь частью свойств реальной конструкции, поэтому её математическое описание упрощено. От того, на сколько удачно выбрана модель, зависит трудоёмкость расчета и точность его результатов.

Математический аппарат для анализа моделей цилиндрических линейных синхронных двигателей базируется на основе уравнений электромагнитного поля и построен на следующих основных допущениях :

1. Электромагнитное поле является квазистационарным, так как токи смещения и запаздывание в распространении электромагнитной волны в пределах области поля пренебрежимо малы.

2. По сравнению с токами проводимости в проводниках, токи проводимости в диэлектриках и конвекционные токи, возникающие при движении зарядов вместе со средой, пренебрежимо малы, в связи с чем последними можно пренебречь. Так как токи проводимости, токи смещения и конвекционные токи в диэлектрике, заполняющем зазор между статором и ротором не учитываются, скорость перемещения диэлектрика (газа или жидкости) в зазоре не оказывает. влияния на электромагнитное поле.

3. Величина ЭДС электромагнитной индукции много больше ЭДС Холла, Томпсона, контактной и т.д., в связи с чем последними можно пренебречь.

4. При рассмотрении поля в неферромагнитной среде относительная магнитная проницаемость этой среды принимается равной единице.

Следующим этапом расчета является математическое описание поведения модели, или построение математической модели.

Электромагнитный расчёт МКЭ состоял из следующих этапов:

1. Выбор типа анализа и создание геометрии модели для МКЭ.

2. Выбор типов элементов, ввод свойств материалов, назначение свойств материалов и элементов геометрическим областям.

3. Разбиение областей модели на сетку конечных элементов.

4. Приложение к модели граничных условий и нагрузок.

5. Выбор вида электромагнитного анализа, установка опций решателя и численное решение системы уравнений.

6. Использование макросов постпроцессора для расчёта интересующих интегральных величин и анализ результатов.

Этапы 1-4 относится к препроцессорной стадии расчёта, этап 5 - к процессорной стадии, этап 6 - к постпроцессорной стадии.

Создание конечно - элементной модели является трудоемким этапом расчёта МКЭ, т.к. связано с воспроизведением по возможности более точной геометрии объекта и описанием физических свойств его областей. Обоснованное приложение нагрузок и граничных условий также представляет определенные трудности.

Численное решение системы уравнений выполняется автоматически и при всех прочих равных условиях определяется аппаратными ресурсами используемой вычислительной техники. Анализ результатов несколько облегчён имеющимися в составе используемых программных средств (ПС) инструментальными средствами визуализации, вместе с тем это один из наименее формализованных этапов, имеющий самую большую трудоёмкость.

Определялись следующие параметры: комплексный векторный потенциал магнитного поля А, скалярный потенциал Ф, величина индукции магнитного поля В и напряжённость Н. Анализ переменных во времени полей использовался для нахождения влияния вихревых токов в системе.

Решение (7) для случая переменного тока имеет вид комплексного потенциала (характеризуется амплитудой и фазовым углом) для каждого узла модели. Магнитную проницаемость и электрическую проводимость материала области можно задать как константу или как функцию от температуры. Используемые ПС позволяют применить на стадии постпроцессора соответствующие макросы для вычисления ряда важнейших параметров: энергии электромагнитного поля, электромагнитных сил, плотности вихревых токов, потерь электрической энергии и т.д.

Следует подчеркнуть, в ходе конечно - элементного моделирования главной задачей является определение структуры моделей: выбор конечных элементов с конкретными базовыми функциями и степенями свободы, описание физических свойств материалов в различных областях, задание приложенных нагрузок, а также начальных условий на границах.

Как следует из основной концепции МКЭ, все части модели делятся на множества конечных элементов, соединенных между собой в вершинах (узлах). Используются конечные элементы достаточно простой формы, в которых параметры поля определяется с помощью кусочно-полиномиальных аппроксимирующих функций.

Границы конечных элементов при двумерном анализе могут быть кусочно-линейными (элементы первого порядка) или параболическими (элементы второго порядка) . Кусочно-линейные элементы имеют прямые стороны и узлы только в углах. Параболические элементы могут иметь промежуточный узел вдоль каждой из сторон. Именно благодаря этому стороны элемента могут быть криволинейными (параболическими). При равном количестве элементов параболические элементы дают большую точность вычислений, т. к. они более точно воспроизводят криволинейную геометрию модели и имеют более точные функции формы (аппроксимирующие функции). Однако расчет с применением конечных элементов высоких порядков требует больших аппаратных ресурсов и большего машинного времени.

Существует большое количество используемых типов конечных элементов, среди которых есть элементы, конкурирующие между собой, при этом для различных моделей нет математически обоснованного решения, как эффективнее разбить область .

Поскольку для построения и решения рассматриваемых дискретных моделей вследствие большого объема перерабатываемой информации используется компьютер, важным является условие удобства и простоты вычислений, что и определяет выбор допустимых кусочно-полиномиальных функций. При этом важнейшее значение приобретает вопрос о точности, с которой они могут аппроксимировать искомое решение.

В рассматриваемых задачах неизвестными являются значения векторного магнитного потенциала А в узлах (вершинах) конечных элементов соответствующих областей конкретной конструкции машины, при этом теоретическое и численное решение совпадают в центральной части конечного элемента , поэтому максимальная точность вычисления магнитных потенциалов и плотностей токов будет в центре элемента.

Структура блока управления цилиндрическим линейным электродвигателем

Блок управления реализует программные алгоритмы управления линейного электропривода. Функционально блок управления разбит на две части: информационную и силовую. Информационная часть содержит микроконтроллер с цепями ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов, а также схему обмена данных с компьютером. Силовая часть содержит схему преобразования ШИМ-сигналов в напряжения фазных обмоток.

Схема электрическая принципиальная блока управления линейным электродвигателем представлена в приложении Б.

Для организации питания информационной части блока управления используются следующие элементы:

Формирование питания стабилизированным напряжением +15 В (питание микросхем DD5, DD6): фильтрующие конденсаторы СІ, С2, стабилизатор + 15 В, защитный диод VD1;

Формирование питания стабилизированным напряжением +5 В (питание микросхем DD1, DD2, DD3, DD4): резистор R1 для снижения тепловых нагрузок стабилизатора, фильтрующие конденсаторы СЗ, С5, С6, регулируемый делитель напряжения на резисторах R2, R3, сглаживающий конденсатор С4, регулируемый стабилизатор +5 В.

Разъем ХР1 служит для подключения датчика положения. Через разъем ХР2 осуществляется программирование микроконтроллера. Резистор R29 и транзистор VT9 автоматически формируют сигнал логической «1» в цепи сброса в режиме управления и не участвует в работе блока управления в режиме программирования.

Разъем ХРЗ, микросхема DD1, конденсаторы С39, С40, С41, С42 осуществляют передачу данных между персональным компьютером и блоком управления в обоих направлениях.

Для образования обратной связи по напряжению каждой мостовой схемы используются следующие элементы: делители напряжения R19-R20, R45-R46, усилитель DD3, фильтрующие RC-цепочки R27, R28, С23, С24.

Реализованные, с помощью микросхемы DD4, логические схемы позволяют реализовать двухполярную симметричную коммутацию одной фазы двигателя с помощью одного ШИМ-сигнала, подаваемого непосредственно с ножки микроконтроллера.

Для реализации необходимых законов управления двухфазным линейным электродвигателем используется раздельное формирование токов в каждой обмотке статора (неподвижной части) с помощью двух мостовых схем, обеспечивающие выходной ток до 20 А в каждой фазе при напряжении питания от 20 В до 45 В. В качестве силовых ключей использованы МОП-транзисторы VT1-VT8 IRF540N фирмы International Rectifier (США), имеющие достаточно низкое сопротивление сток-исток RCH = 44 мОм, приемлемую цену и наличие отечественного аналога 2П769 фирмы ВЗПП (Россия), изготавливаемого с приемкой ОТК иВП.

Специфические требования к параметрам управляющего сигнала МОП-транзистора: сравнительно большое напряжение затвор-исток, необходимое для полного включения МОП-транзистора, для обеспечения быстрой коммутации необходимо изменять напряжение на затворе в течение весьма малого времени (доли микросекунд), значительные токи перезарядки входных емкостей МОП-транзистора, возможность их повреждения при снижении управляющего напряжения в режиме «включено», как правило, диктуют необходимость использования дополнительных элементов кондиционирования входных сигналов управления.

Для быстрого перезаряда входных емкостей МОП-транзисторов импульсный ток управления должен составлять примерно от 1А для приборов малой и до 7А у транзисторов большой мощности. Согласование малоточных выходов микросхем общего применения (контроллеров, ТТЛ или КМОП - логики, и т.п.) с высокоемкостным затвором осуществляется с помощью специальных импульсных усилителей (драйверов).

Проведенный обзор драйверов позволил выявить два драйвера Si9978DW фирмы Vishay Siliconix (США) и IR2130 фирмы International Rectifier (США) наиболее подходящих для управления мостом МОП-транзиторов.

Данные драйверы имеют встроенную защиту транзисторов от пониженного напряжения питания, гарантируя при этом необходимое напряжение питания на затворах МОП-транзисторов, совместимы с 5-вольтовой КМОП- и ТТЛ-логикой, обеспечивают очень большие скорости переключения, малую мощность рассеивания и могут работать в бутстрепном режиме (на частотах от десятков Гц до сотен кГц), т.е. не требуют дополнительных взвешенных источников питания, что позволяет получить схему с минимальным количеством элементов.

Помимо этого эти драйверы имеют встроенный компаратор, позволяющий реализовать схему защиты от токовой перегрузки, и встроенную схема исключения протекания сквозных токов во внешних МОП-транзисторах.

В качестве драйверов блока управления использованы микросхемы IR2130 фирмы International Rectifier DD5, DD6, так как при прочих равных технических условиях более широко распространены на российском рынке электронных компонентов и имеется возможность их розничного приобретения.

Датчик тока мостовых схем реализован с помощью резисторов R11, R12, R37, R38, выбранными для реализации токоограничения на уровне 10 А.

С помощью встроенного в драйвер усилителя тока, резисторов R7, R8, ЮЗ, R34, фильтрующих RC-цепочек R6, С18-С20, R30, С25-С27 реализуется обратная связь по фазным токам электродвигателя. Компоновка макетного образца панели блока управления линейным электроприводом прямого действия приведена на рисунке 4.8.

Для реализации алгоритмов управления и быстрой обработки поступающей информации в качестве микроконтроллера DD2 использован цифровой микроконтроллер AVR ATmega 32 семейства Mega производства фирмы «At-mel». Микроконтроллеры семейства Mega являются 8-разрядными микроконтроллерами. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление.

На правах рукописи

баженов владимир аркадьевич

Цилиндрический линейный асинхронный двигатель в приводе высоко вольтных выключателей

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Владыкин Иван Ревович

Официальные оппоненты: Воробьев Виктор Андреевич

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО МГАУ

им. В.П. Горячкина

Бекмачев Александр Егорович

кандидат технических наук,

руководитель проектов

ЗАО «Радиант-Элком»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетном образовательном учреждение высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Чувашская ГСХА)

Защита состоится «28 » мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 11, ауд. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Размещен на сайте: www.izhgsha/ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Н.Ю. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С переводом сельскохозяйственного производства на промышленную основу существенно повышаются требования к уровню надёжности электроснабжения.

Целевая комплексная программа повышения надёжности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей /ЦКП ПН/ предусматривает широкое внедрение средств автоматизации сельских распределительных сетей 0,4…35 кВ, как одно из наиболее эффективных способов достижения этой цели. Программа включает в себя, в частности, оснащение распределительных сетей современной коммутационной аппаратурой и приводными устройствами к ним. Наряду с этим предполагается широкое использование первичной коммутационной аппаратуры находящейся в эксплуатации.

Наибольшее распространение в сельских сетях нашли выключатели масляные (ВМ) с пружинными и пружинно-грузовыми приводами. Однако, из опыта эксплуатации известно, что приводы ВМ являются одним из наименее надёжных элементов распределительных устройств. Это снижает эффективность комплексной автоматизации сельских электрических сетей. Например, в исследованиях Сулимова М.И., Гусева В.С. отмечено, что 30…35% случаев действия релейной защиты и автоматики (РЗА) не реализуют из-за неудовлетворительного состояния приводов. Причём до 85% дефектов приходится на долю ВМ 10…35 кВ с пружинно-грузовыми приводами. Исследователи Зуль Н.М., Палюга М.В., Анисимов Ю.В. отмечают, что 59,3% отказов автоматического повторного включения (АПВ) на базе пружинных приводов происходит из-за блок- контактов привода и выключателя, 28,9% из-за механизмов включения привода и удержания его во включённом положении. О неудовлетворительном состоянии и необходимости модернизации и разработки надёжных приводов отмечено в работах Гриценко А.В., Цвяк В.М., Макарова В.С., Олиниченко А.С..

Рисунок 1 - Анализ отказов в электроприводах ВМ 6…35 кВ

Имеется положительный опыт применения более надёжных электромагнитных приводов постоянного и переменного тока для ВМ 10 кВ на понижающих подстанциях сельскохозяйственного назначения. Соленоидные приводы, как отмечено работе Мельниченко Г.И., выгодно отличаются от других типов приводов простотой конструкции. Однако, являясь приводами прямого действия, они потребляют большую мощность и требуют установки громоздкой аккумуляторной батареи и зарядного устройства или же выпрямительного устройства со специальным трансформатором мощностью 100 кВА. В силу указанного ряда особенностей эти приводы не нашли широкого применения.

Нами был проведен анализ достоинств и недостатков различных приводов для ВМ.

Недостатки электромагнитных приводов постоянного тока: невозможность регулировки скорости движения сердечника включающего электромагнита, большая индуктивность обмотки электромагнита, которая увеличивает время включения выключателя до 3..5 с, зависимость тягового усилия от положения сердечника, что приводит к необходимости ручного включения, аккумуляторная батарея или выпрямительная установка большой мощности и их большие габариты и масса, что занимает в полезной площади до 70 м2 и др.

Недостатки электромагнитных приводов переменного тока: большое потребление мощности (до 100…150 кВА), большое сечение питающих проводов, необходимость увеличения мощности трансформатора собственных нужд по условию допустимой посадки напряжения, зависимость мощности от начального положения сердечника, невозможность регулировки скорости движения и т.д.

Недостатки индукционного привода плоских линейных асинхронных двигателей: большие габариты и масса, пусковой ток до 170 А, зависимость (резко снижается) тягового усилия от нагрева бегуна, необходимость качественной регулировки зазоров и сложность конструкции.

Вышеперечисленные недостатки отсутствуют у цилиндрических линейных асинхронных двигателей (ЦЛАД) в виду своих конструктивных особенностей и массогабаритных показателей. Поэтому предлагаем использовать их в качестве силового элемента в приводах типа ПЭ-11 для масляных выключателей, которых по данным Западно-Уральского управления Ростехнадзора по Удмуртской Республике сегодня на балансе энергоснабжающих компаний в эксплуатации находятся типа ВМП-10 600 штук, типа ВМГ-35 300 штук.

На основании выше изложенного сформулирована следующая цель работы : повышение эффективности привода высоковольтных масляных выключателей 6…35 кВ, работающего на основе ЦЛАД, позволяющего снизить ущерб от недоотпуска электроэнергии.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи исследований:

1. Провести обзорный анализ существующих конструкций приводов высоковольтных выключателей 6 …35 кВ.
2. Разработать математическую модель ЦЛАД на основе трехмерной модели для расчета характеристик.
3. Определить параметры наиболее рационального типа привода на основании теоретических и экспериментальных исследований.
4. Провести экспериментальные исследования тяговых характеристик выключателей 6…35 кВ с целью проверки адекватности предлагаемой модели существующим стандартам.
5. Разработать конструкцию привода масляных выключателей 6…35 кВ на основе ЦЛАД.
6. Провести технико-экономическое обоснование эффективности использования ЦЛАД для приводов масляных выключателей 6…35 кВ.

Объектом исследования является: цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель (ЦЛАД) приводных устройств выключателей сельских распределительных сетей 6…35 кВ.

Предмет исследования : изучение тяговых характеристик ЦЛАД при работе в масляных выключателях 6…35 кВ.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием основных законов геометрии, тригонометрии, механики, дифференциального и интегрального исчисления. Натуральные исследования проводились с выключателем ВМП-10 с использованием технических и измерительных средств. Обработка экспериментальных данных выполнена с использованием программы «Microsoft Excel».

Научная новизна работы.

1. Предложен новый тип привода масляных выключателей, позволяющий повысить надежность их работы в 2,4 раза.
2. Разработана методика расчета характеристик ЦЛАД, которая в отличие от предложенных ранее, позволяет учитывать краевые эффекты распределения магнитного поля.
3. Обоснованы основные конструкционные параметры и режимы работы привода для выключателя ВМП-10, снижающие недоотпуск электроэнергии потребителям.

Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:

1. Предложена конструкция привода выключателей типа ВМП-10.
2. Разработана методика расчета параметров цилиндрического линейного асинхронного двигателя.
3. Разработана методика и программа расчета привода, которые позволяют рассчитывать приводы выключателей подобных конструкций.
4. Определены параметры предлагаемого привода для ВМП-10 и ему подобных.
5. Разработан и испытан лабораторный образец привода, который позволил уменьшить потери перерывов электроснабжения.

Реализация результатов исследований.

Работа проведена в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧИМЭСХ, регистрационный номер №02900034856 «Разработка привода для высоковольтных выключателей 6...35 кВ». Результаты работы и рекомендации приняты и используются в ПО «Башкирэнерго» С-ВЭС (получен акт внедрения).

Работа основана на обобщении результатов исследований, выполненных самостоятельно и в содружестве с учеными ФГБОУ ВПО Челябинского государственного агроуниверситета (г. Челябинск), Специального конструкторского технологического бюро «Продмаш» (Ижевск), ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии.

На защиту вынесены следующие положения:

1. Тип привода масляных выключателей на основе ЦЛАД.
2. Математическая модель расчета характеристик ЦЛАД, а также тягового усилия в зависимости от конструкции паза.
3. Методика и программа расчета привода для выключателей типа ВМГ, ВМП напряжением 10…35 кВ.
4. Результаты исследований предлагаемой конструкции привода масляных выключателей на основе ЦЛАД.

Апробация результатов исследований. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях: ХХХIII научная конференция посвященная 50-летию института, Свердловск (1990); международная научно-практическая конференция «Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований» (г. Ижевск, ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА 2003); Региональная научно-методическая конференция (Ижевск, ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2004); Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии – 50 лет». (Ижевск, 2005), на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА».

Публикации по теме диссертации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены 8 печатных работах, в том числе: в одной статье, опубликованной в журнале, рекомендованном ВАК, двух депонированных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений, изложена на 138 страницах основного текста, содержит 82 рисунка, 23 таблицы и списка использованных источников из 103 наименований и 4 приложений.

Во введении обоснована актуальность работы, рассмотрены состояние вопроса, цель и задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ конструкций приводов выключателей.

Установлено:

Принципиальное преимущество совмещения привода с ЦЛАД;

Необходимость дальнейших исследований;

Цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методы расчета ЦЛАД.

На основании анализа распространения магнитного поля выбрана трехмерная модель.

Обмотка ЦЛАД в общем случае состоит из отдельных катушек, включенных последовательно в трёхфазную схему.

Рассматривается ЦЛАД с однослойной обмоткой и симметричным относительно сердечника индуктора расположением вторичного элемента в зазоре. Математическая модель такого ЛАД представлена на рис.2.

Принятые следующие допущения:

1. Ток обмотки, уложенной на длине 2р , сосредоточен в бесконечно тонких токовых слоях, расположенных на ферромагнитных поверхностях индуктора и создает чисто синусоидальную бегущую волну. Амплитуда связана известным соотношением с линейными плотностью тока и токовой нагрузкой

, (1)

– полюсное;

m – число фаз;

W – число витков в фазе;

I - действующее значение тока;

Р - число пар полюсов;

J - плотность тока;

Коб1 – обмоточный коэффициент основной гармоники.

2. Первичное поле в области лобовых частей аппроксимируется экспоненциальной функцией

(2)

Достоверность такой аппроксимации к реальной картине поля говорят проведенные ранее исследования, а также опыты на модели ЛАД. При этом возможно заменить L=2 с .

3.Начало неподвижной системы координат x, y, z расположено в начале обмотанной части набегающего края индуктора (рис. 2).

При принятой постановке задачи н.с. обмотки можно представить в виде двойного ряда Фурье:

Коб – обмоточный коэффициент;

L - ширина реактивной шины;

Общая длина индуктора;

– угол сдвига;

z = 0,5L – a – зона изменения индукции;

n – порядок гармоники по поперечной оси;

– порядок гармоник по продольной оси;

Решение находим для векторного магнитного потенциала токов . В области воздушного зазора А удовлетворяет следующим уравнениям:

Для ВЭ уравнения 2 уравнения имеют вид:

(5)

Решение уравнений (4) и (5) производим методом разделения переменных. Для упрощения задачи приведем лишь выражение для нормальной составляющей индукции в зазоре:

Рисунок 2 - Расчетная математическая модель ЛАД без учета

распределения обмотки

(6)

Полная электромагнитная мощность Sэм, передаваемая из первичной части в зазор и ВЭ, может быть найдена как поток нормальной Sу составляющей вектора Пойтинга через поверхность у =

(7)

где Р эм = R е S эм - активная составляющая, учитывающая механическую мощность Р2 и потери в ВЭ;

Q эм = I m S эм - реактивная составляющая, учитывает основной магнитный поток и рассеяние в зазоре;

С - комплекс, сопряжений с С 2 .

Сила тяги Fх и нормальная сила F у для ЛАД определяется, исходя из максвелловского тензора натяжений.

(8)

(9)

Для расчета цилиндрического ЛАД следует задать L = 2c, число гармоник по поперечной оси n = 0, т.е. по сути решение превращается в двухмерное, по координатам Х-У. Кроме того, эта методика позволяет корректно учесть наличие массивного стального ротора, что является ее преимуществом.

Порядок расчета характеристик при постоянном значении тока в обмотке:

1. Сила тяги Fх(S) рассчитывалась по формуле (8);
2. Механическая мощность

Р 2 (S) = F х (S) · = F х (S) ·2 1 (1 – S) ; (10)

1. Электромагнитная мощность S эм (S) = Р эм (S) + jQ эм (S) рассчитывалась согласно выражению, формуле (7)
2. Потери в меди индуктора

Р эл.1 = mI 2 r ф (11)

где r ф - активное сопротивление фазной обмотки;

1. К.п.д. без учета потерь в стали сердечника

(12)

1. Коэффициент мощности

(13)

где, есть модуль полного сопротивления последовательной схемы замещения (рис 2).

(14)

- индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки.

Таким образом, получен алгоритм расчёта статических характеристик ЛАД с короткозамкнутым вторичным элементом, позволяющий учитывать свойства активных частей конструкции на каждом зубцовом делении.

Разработанная математическая модель позволяет:

• Применить математический аппарат для расчета цилиндрического линейного асинхронного двигателя, его статических характеристик на основе развёрнутых схем замещения электрических первичной и вторичной и магнитной цепей.
• Провести оценку влияния различных параметров и конструкций вторичного элемента на тяговые и энергетические характеристики цилиндрического линейного асинхронного двигателя.
• Результаты расчётов позволяют определить в первом приближении оптимальные основные технико-экономические данные при проектировании цилиндрических линейных асинхронных двигателей.

В третьей главе «Расчетно-теоретические исследования» приведены результаты численных расчётов влияния различных параметров и геометрических размеров на энергетические и тяговые показатели ЦЛАД с помощью математической модели описанной ранее.

Индуктор ЦЛАД состоит из отдельных шайб, расположенных в ферромагнитном цилиндре. Геометрические размеры шайб индуктора, принятые в расчёте, приведены на рис. 3. Количество шайб и длина ферромагнитного цилиндра определяются числом полюсов и числом пазов на полюс и фазу обмотки индуктора ЦЛАД.

За независимые переменные принимались параметры индуктора (геометрия зубцового слоя, число полюсов, полюсное деление, длина и ширина), вторичной структуры – тип обмотки, электрическая проводимость G2 = 2 d2, а также параметры обратного магнитопровода. При этом результаты исследования представлены в виде графиков.

Рисунок 3 - Устройство индуктора

1-Вторичный элемент; 2-гайка; 3-уплотнительная шайба; 4- катушка;

5-корпус двигателя; 6-обмотка,7-шайба.

Для разрабатываемого привода выключателя однозначно определены:

1. Режим работы, который может быть охарактеризован, как «пуск». Время работы – менее секунды (tв=0,07с), повторные пуски могут быть, но даже в этом случае общее время работы не превышает секунды. Следовательно, электромагнитные нагрузки – линейная токовая нагрузка, плотность тока в обмотках могут быть взяты существенно выше принимаемых для установившихся режимов электрических машин: А = (25…50) 103 А/м; J = (4…7) А/мм2. Поэтому тепловое состояние машины можно не рассматривать.
2. Напряжение питания обмотки статора U1 = 380 В.
3. Требуемое тяговое усилие Fх 1500 Н. При этом изменение усилия за время работы должно быть минимальным.
4. Жесткие ограничения габаритов: длина Ls 400 мм; внешний диаметр статора Д = 40…100 мм.
5. Энергетические показатели (, cos) не имеют значения.

Таким образом, задача исследований может быть сформулирована следующим образом: при заданных габаритах определить электромагнитные нагрузки значение конструктивных параметров ЛАД, обеспечивающих необходимое тяговое усилие в интервале 0,3 S 1 .

Исходя из сформированной задачи исследований, основным показателем ЛАД является тяговое усилие в интервале скольжений 0,3 S 1 . При этом сила тяги во многом зависит от конструктивных параметров (число полюсов 2р , воздушный зазор , толщина немагнитного цилиндра d 2 и его удельная электрическая проводимость 2 , электропроводность 3 и магнитная проницаемость 3 стального стержня, выполняющего функции обратного магнитопровода). При конкретных значениях указанных параметров тяговое усилие однозначно будет определяться линейной токовой нагрузкой индуктора, которая, в свою очередь, при U = const зависит от компоновки зубцового слоя: числа пазов на полюс и фазу q , числа витков в катушке W к и параллельных ветвей а.

Таким образом, сила тяги ЛАД представляется функциональной зависимостью

F х = f(2р, , , d 2 , 2 , 3 , 3 , q, W k , A, a) (16)

Очевидно, что среди этих параметров некоторые принимают только дискретные значения (2р, , q, W k , a ) причем число этих значений незначительно. Например, число полюсов можно рассматривать только 2р=4 или 2р=6 ; отсюда и вполне конкретные полюсные деления = 400/4 = 100 мм и 400/6 = 66,6 мм; q = 1 или 2; а = 1, 2 или 3 и 4.

С увеличением числа полюсов пусковое тяговое усилие падает значительно. Падение тягового усилия связано с уменьшением полюсного деления и магнитной индукции в воздушном зазоре В. Следовательно, оптимальным является 2р=4 (рис. 4).

Рисунок 4 - Тяговая характеристика ЦЛАД в зависимости от числа полюсов

Изменение воздушного зазора не имеет смысла, он должен быть минимальным по условиям функционирования. В нашем варианте =1 мм. Тем не менее, на рис. 5 показаны зависимости тягового усилия от воздушного зазора. Они наглядно показывают падение усилия с увеличением зазора.

Рисунок 5. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях воздушного зазора( =1,5мм и =2,0мм)

Одновременно растет рабочий ток I и снижаются энергетические показатели. Относительно свободно варьирующими остаются лишь удельная электропроводность 2 , 3 и магнитная проницаемость 3 ВЭ.

Изменение электропроводимости стального цилиндра 3 (рис. 6) на тяговое усилие ЦЛАД оказывает малосущественное значение до 5%.

Рисунок 6.

электропроводимости стального цилиндра

Изменение магнитной проницаемости 3 стального цилиндра (рис. 7) не приносит значительных изменений тягового усилия Fх=f(S). При рабочем скольжении S=0,3 тяговая характеристики совпадают. Пусковое тяговое усилие изменяется в пределах 3…4%. Следовательно, учитывая несущественное влияние 3 и 3 на тяговое усилие ЦЛАД, стальной цилиндр может быть изготовлен из магнитомягкой стали.

Рисунок 7. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значения х магнитной проницаемости (3 =1000 0 и 3 =500 0 ) стального цилиндра

Из анализа графических зависимостей (рис. 5, рис. 6, рис. 7) следует вывод: изменения проводимости стального цилиндра и магнитной проницаемости, ограничения немагнитного промежутка добиться постоянства тягового усилия Fх невозможно вследствие их малого влияния.

Рисунок 8. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях

электропроводимости ВЭ

Параметр, при помощи которого можно добиться постоянства тягового усилия F х = f(2р, , , d 2 , 2 , 3 , 3 , q, W k , A, a) ЦЛАД, является удельная электропроводимость 2 вторичного элемента. На рисунке 8 указаны оптимальные крайние варианты проводимостей. Эксперименты, проведенные на экспериментальной установке, позволили определить наиболее подходящую удельную проводимость в пределах =0,8·10 7 …1,2·10 7 См/м .

На рисунках 9…11 приведены зависимости F, I, при различных значениях числа витков в катушке обмотки индуктора ЦЛАД с экранированным вторичным элементов(d 2 =1 мм; =1 мм).

Рисунок 9. Зависимость I=f(S) при различных значениях числа

витков в катушке

Рисунок 10. Зависимость cos =f(S) Рисунок11.Зависимость = f(S)

Графические зависимости энергетических показателй от числа витков в кашках совпадают. Это говорит о том, что изменение числа витков в катушке не приводит к значительному изменению этих показателей. Это является причиной отсутствия внимания к ним.

Увеличение тягового усилия (рис. 12) по мере уменьшения числа витков в катушке объясняется тем, что увеличивается сечение провода при постоянных значениях геометрических размеров и коэффициента заполнения медью паза индуктора и незначительном изменении значения плотности тока. Двигатель в приводах выключателей работает в пусковом режиме менее секунды. Поэтому для привода механизмов с большим пусковым тяговым усилием и кратковременным режимом работы эффективнее использовать ЦЛАД с малым числом витков и большим сечением провода катушки обмотки индуктора.

Рисунок 12. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях числа

витков статорной катушки

Однако, при частых включениях таких механизмов необходимо иметь запас двигателя по нагреву.

Таким образом, на основании результатов численного эксперимента по вышеописанной методике расчёта можно с достаточной степенью точности определить тенденцию изменения электрических и тяговых показателей при различных переменных ЦЛАД. Основным показателем для постоянства тягового усилия является электропроводимость покрытия вторичного элемента 2. Изменяя её в пределах =0,8·10 7 …1,2·10 7 См/м, можно получить необходимую тяговую характеристику.

Следовательно, для постоянства тяги ЦЛАД достаточно задаться постоянными значениями 2р, , , 3 , 3 , q, A, a . Тогда, зависимость (16) можно преобразовать в выражение

F х = f(К 2 , W k ) (17)

где К=f(2р, , , d 2 , 3 , 3 , q, A, a) .

В четвертой главе изложена методика проведения эксперимента исследуемого способа привода выключателя. Экспериментальные исследования характеристик привода проводили на высоковольтном выключателе ВМП-10 (рис. 13).

Рисунок 13. Экспериментальная установка.

Также в этой главе определено инерционное сопротивление выключателя, которое выполнено с использованием методики, представленной в графоаналитическим методом, используя кинематическую схему выключателя. Определены характеристики упругих элементов. При этом в конструкцию масляного выключателя входят несколько упругих элементов, которые противодействуют включению выключателя и позволяют аккумулировать энергию для отключения выключателя:

1. Пружины ускорения F ПУ ;
2. Пружина отключения F ПО ;
3. Упругие силы, создаваемые пружинами контактов F КП .

Общее воздействие пружин, которые противодействуют усилию двигателя, можно описать уравнением:

F ОП (х)=F ПУ (х)+F ПО (х)+F КП (х) (18)

Усилие растяжения пружины в общем случае описывается уравнением:

F ПУ =kx+F 0 , (19)

где k - коэффициент жёсткости пружины;

F 0 - усилие предварительного натяжения пружины.

Для 2-х ускоряющих пружин уравнение (19) имеет вид (без предварительного натяжения):

F ПУ =2 k y x 1 (20)

где k y - коэффициент жёсткости ускоряющей пружины.

Усилие пружины отключения описывается уравнением:

F ПО =k 0 x 2 +F 0 (21)

где k 0 - жёсткость отключающей пружины;

х 1 , х 2 - перемещение;

F 0 - усилие предварительного натяжения отключающей пружины.

Усилие, необходимое для преодоления сопротивления контактных пружин, вследствие незначительного изменения диаметра розетки, принимаем постоянным и равным

F КП (х)=F КП (22)

Учитывая (20), (21), (22) уравнение (18) примет вид

F ОП =k y x 1 +k 0 x 2 +F 0 +F КП (23)

Упругие силы, соиздаваемые отключающей, ускоряющими и контактными пружинами, определяют при исследовании статических характеристик масляного выключателя.

F ВМС =f(В ) (24)

Для исследования статических характеристик выключателя была создана установка (рис. 13). Изготовлен рычаг с сектором окружности для устранения изменения длины плеча при изменении угла В вала привода. В результате при изменении угла плечо приложения усилия, создаваемое лебёдкой 1, остаётся постоянным

L=f()=const (25)

Для определения коэффициентов жесткости пружин k y , k 0 , были исследованы усилия сопротивления включения выключателя от каждой пружины.

Исследование проводилось в следующей последовательности:

1. Исследование статической характеристики при наличии всех пружин z 1 , z 2 , z 3 ;
2. Исследование статических характеристики при наличии 2-х пружин z 1 и z 3 (ускоряющие пружины);
3. Исследовать статические характеристики при наличии одной пружины z 2 (отключающая пружина).
4. Исследовать статические характеристики при наличии одной ускоряющей пружины z 1 .
5. Исследовать статические характеристики при наличии 2-х пружин z 1 и z 2 (ускоряющая и отключающая пружины).

Далее в четвертой главе проведено определение электродинамических характеристик. При протекании по контуру выключателя токов короткого замыкания возникают значительные электродинамические усилия, которые препятствуют при включении, значительно увеличивают нагрузку на приводной механизм выключателя. Проведен расчёт электродинамических сил, который выполнен графоаналитическим способом.

Также определено аэродинамическое сопротивление воздуха и гидравлического изоляционного масла по стандартной методике.

Кроме того, определены передаточные характеристики выключателя, к которым относятся:

1. Кинематическая характеристика h=f(в);
2. Передаточная характеристика вала выключателя в=f(1);
3. Передаточная характеристика рычага траверсы 1=f(2);
4. Передаточная характеристика h=f(xT)

где в –угол поворота вала привода;

1 –угол поворота вала выключателя;

2 –угол поворота рычага траверсы.

В пятой главе проведена оценка технико-экономическая эффективности использования ЦЛАД в приводах масляных выключателей, которая показала, что использование привода масляных выключателей на основе ЦЛАД позволяет повысить их надежность в 2,4 раза, снизить потребление электроэнергии в 3,75 раза, по сравнению с применение старых приводов. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения ЦЛАД в приводах масляных выключателей составляет 1063 руб./выкл. при сроке окупаемости капительных вложений менее, чем за 2,5 года. Применение ЦЛАД позволит снизить недоотпуск электроэнергии сельским потребителям на 834 кВтчас на один выключатель за 1 год, что приведет к повышению доходности энергоснабжающих компаний, которая составит для Удмуртской Республики около 2 млн. руб.

ВЫВОДЫ

1. Определена оптимальная тяговая характеристика для привода масляных выключателей, позволяющая развить ЦЛАД максимальное тяговое усилие, равное 3150 Н.
2. Предложена математическая модель цилиндрического линейного асинхронного двигателя на основе трехмерной модели, позволяющая учитывать краевые эффекты распределения магнитного поля.
3. Предложен способ замены электромагнитного привода на привод с ЦЛАД, позволяющий повысить надежность в 2,7 раза и уменьшить ущерб от недоотпуска электроэнергии энергоснабжающих компаний на 2 млн. руб.
4. Разработана физическая модель привода масляных выключателей типа ВМП ВМГ на напряжение 6…35 кВ, и даны их математические описания.
5. Разработан и изготовлен опытный образец привода, позволяющий реализовать необходимые параметры выключателя: скорость включения 3,8…4,2 м/с, выключения 3,5 м/с.
6. По результатам исследований оформлены технические задания и переданы в «Башкирэнерго» для разработки рабочей конструкторской документации для доработки ряда маломасляных выключателей типа ВМП и ВМГ.

Издания, указанные в перечне ВАК и приравненные к ним:

1. Баженов, В.А. Совершенствование привода высоковольтного выключателя. / В.А. Баженов, И.Р. Владыкин, А.П. Коломиец//Электронный научно-инновационный журнал «Инженерный вестник Дона» [Электронный ресурс]. - №1, 2012г. С. 2-3. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru.

Другие издания:

1. Пястолов, А.А. Разработка привода для высоковольтных выключателей 6…35 кВ. /А.А. Пястолов, И.Н.Рамазанов, Р.Ф.Юнусов, В.А. Баженов // Отчет о научно-исследовательской работе (х. № ГР 018600223428 инв. №02900034856. –Челябинск: ЧИМЭСХ,1990. – С. 89-90.
2. Юнусов, Р.Ф. Разработка линейного электропривода сельскохозяйственного назначения. /Р.Ф. Юнусов, И.Н. Рамазанов, В.В. Иваницкая, В.А. Баженов // ХХХIII научная конференция. Тезисы докладов.- Свердловск, 1990, С. 32-33.
3. Пястолов, А.А. Привод высоковольтного масляного выключателя. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов И.Н., Баженов В.А. // Информационный листок № 91-2. – ЦНТИ, Челябинск, 1991. С. 3-4.
4. Пястолов, А.А. Цилиндрический линейный асинхронный двигатель. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов И.Н., Баженов В.А. // Информационный листок № 91-3. – ЦНТИ, Челябинск, 1991. с. 3-4.
5. Баженов, В.А. Выбор аккумулирующего элемента для выключателя ВМП-10. Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии – 50 лет». / Ижевск, 2005. С. 23-25.
6. Баженов, В.А. Разработка экономичного привода масляного выключателя. Региональная научно-методическая конференция Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, Ижевск, 2004. С. 12-14.
7. Баженов, В.А. Совершенствование привода масляного выключателя ВМП-10. Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 25-летию факультета «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства» и кафедры «Электротехнология сельскохозяйственного производства». Ижевск 2003, С. 249-250.

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 2012г. Подписано в печать 24.04.2012г.

Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х84/ 16.

Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № 4187.

Изд-во ФГБОУ ВПО Ижевской ГСХА г. Ижевск, ул. Студенческая, 11

[email protected]

Юрий Скоромец

В привычных для нас двигателях внутреннего сгорания начальное звено– поршни, совершают возвратно-поступательное движение. Затем это движение, с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразовывается во вращательное. В некоторых устройствах первое и последнее звено совершают один вид движения.

Например, в двигатель-генераторе нет необходимости сначала возвратно-поступательное движение преобразовывать во вращательное, а затем, в генераторе, из этого вращательного движения извлекать прямолинейную составляющую, то есть делать два противоположных преобразования.

Современное развитие электронной преобразовательной техники позволяет адаптировать для потребителя выходное напряжение линейного электрогенератора, это дает возможность создать устройство, в котором часть замкнутого электрического контура совершает не вращательное движение в магнитном поле, а возвратно-поступательное вместе с шатуном двигателя внутреннего сгорания. Схемы, поясняющие принцип работы традиционного и линейного генератора, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Схема линейного и обычного электрогенератора.

В обычном генераторе для получения напряжения используется проволочная рамка, вращающаяся в магнитном поле и приводимая в движение внешним движителем. В предложенном генераторе, проволочная рамка движется линейно в магнитном поле. Это небольшое и непринципиальное различие дает возможность значительно упростить и удешевить движитель, если в его качестве используется двигатель внутреннего сгорания.

Также, в поршневом компрессоре, приводимом в движение поршневым двигателем, входное и выходное звено совершает возвратно поступательное движение, рис. 2.

Рис. 2. Схема линейного и обычного компрессора.

Преимуществалинейного двигателя

1. Малые габариты и вес, из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма.
   
2. Высокая наработка на отказ, из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма и из-за присутствия только продольных нагрузок.
   
3. Невысокая цена, из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма.
   
4. Технологичность - для изготовления деталей необходимы только нетрудоемкие операции, токарные и фрезерные.
   

Возможность перехода на другой вид топлива без остановки двигателя.


Управление зажиганием с помощью давления при сжатии рабочей смеси.


У обычного двигателя для подачи электрического напряжения (тока) на свечу зажигания должно выполняться два условия:


Первое условие определяется кинематикой кривошипно-шатунного механизма – поршень должен находиться в верхней мертвой точке (без учета опережения зажигания);


Второе условие определяется термодинамическим циклом – давление в камере сгорания, перед рабочим циклом, должно соответствовать используемому топливу.


Одновременно выполнить два условия очень сложно. При сжатии воздуха или рабочей смеси, происходит утечка сжимаемого газа в камере сгорания через кольца поршня и др. Чем медленнее происходит сжатие (медленнее вращается вал двигателя), тем утечка выше. При этом давление в камере сгорания, перед рабочим циклом, становиться меньше оптимального и рабочий цикл происходит при неоптимальных условиях. Коэффициент полезного действия двигателя падает. То есть обеспечить высокий коэффициент полезного действия двигателя можно только в узком диапазоне скоростей вращения выходного вала.


Поэтому, например, коэффициент полезного действия двигателя на стенде составляет примерно 40%, а в реальных условиях, на автомобиле, при разных режимах движения, эта величина падает до 10…12%.


В линейном двигателе нет кривошипно-шатунного механизма, поэтому не надо выполнять первое условие, не имеет значения, где находится поршень перед рабочим циклом, имеет значение только давление газа в камере сгорания перед рабочим циклом. Поэтому, если подачейэлектрического напряжения (тока) на свечу зажигания будет управлять не положение поршня, а давление в камере сгорания, то рабочий цикл (зажигание) всегда будет начинаться при оптимальном давлении, независимо от частоты работы двигателя, рис. 3.





Рис. 3. Управление зажиганием с помощью давления в цилиндре, в цикле «сжатие».


Таким образом, в любом режиме работы линейного двигателя, мы будем иметь максимальную площадь петли термодинамического цикла Карно, соответственно, и высокий коэффициент полезного действия при разных режимах работы двигателя.


Управление зажиганием с помощью давления в камере сгорания, также дает возможность «безболезненно» переходить на другие виды топлива. Например, при переходе с высокооктанового вида топлива на низкооктановый вид, в линейном двигателе, надо только дать команду системе зажигания, чтобы подача электрического напряжения (тока) на свечу зажигания происходила при более низком давлении. В обычном двигателе для этого необходимо было бы изменять геометрические размеры поршня или цилиндра.


Реализовать управление зажиганием давлением в цилиндре можно с помощью


пьезоэлектрического или емкостного метода измерения давления.


Датчик давления выполнен в виде шайбы, которая помещена под гайку шпильки крепления головки цилиндра, рис. 3. Сила давления газа в камере сжатия, действует на датчик давления, который находится под гайкой крепления головки цилиндра. И информация о давлении в камересжатия, передается на блок управления моментом зажигания. При давлении в камере, соответствующем давлению зажигания данного топлива, система зажигания подает электрическое напряжение (ток) на свечу зажигания. При резком увеличении давления, что соответствует началу рабочего цикла, система зажигания снимает электрическое напряжение (ток) со свечи зажигания. При отсутствии увеличении давления через заданное время, что соответствует отсутствию начала рабочего цикла, система зажигания подает управляющий сигнал пуска двигателя. Также выходной сигнал датчика давления в цилиндре используется для определения частоты работы двигателя и его диагностики (определение компрессии и др.).


Сила сдавливания прямо пропорциональна давлению в камере сгорания. После того, как давление, в каждом из противоположных цилиндров, станет не меньше заданного (зависит от вида используемого топлива), система управления подает команду для зажигания горючей смеси. При необходимости перейти на другой вид топлива, меняется величина заданного (опорного) давления.


Также регулировка момента зажигания горючей смеси может осуществляться в автоматическом режиме, как в обычном двигателе. На цилиндре размещен микрофон — датчик детонации. Микрофон преобразовывает механические звуковые колебания корпуса цилиндра в электрический сигнал. Цифровой фильтр, из этого набора суммы синусоид электрического напряжения, извлекает гармонику (синусоиду), соответствующую режиму детонации. При появлении на выходе фильтра сигнала соответствующему появлению детонации в двигателе, система управление снижает величину опорного сигнала, который соответствует давлению зажигания горючей смеси. При отсутствии сигнала соответствующему детонации, система управления, через некоторое время увеличивает величину опорного сигнала, который соответствует давлению зажигания горючей смеси, до появления частот предшествующих детонации. Опять, при появлении частот, предшествующих детонации, система снижает опорный сигнал, что соответствует снижению давления зажигания, до бездетонационного зажигания. Таким образом, система зажигания подстраивается под используемый вид топлива.


Принцип работы линейного двигателя.


Принцип работы линейного, как и обычного двигателя внутреннего сгорания, основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня линейному электрогенератору, или поршневому компрессору.


Линейный генератор, рис. 4, состоит из двух поршневых пар, работающих в противофазе, что дает возможность сбалансировать двигатель. Каждая пара поршней соединена шатуном. Шатун подвешен на линейных подшипниках и может свободно колебаться, вместе с поршнями, в корпусе генератора. Поршни помещены в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Продувка цилиндров осуществляется через продувочные окна, под действием небольшого избыточного давления, создаваемого в предпускной камере. На шатуне расположена подвижная часть магнитопровода генератора. Обмотка возбуждения создает магнитный поток необходимый для генерации электрического тока. При возвратно-поступательном движении шатуна, а вместе с ним и части магнитопровода, линии магнитной индукции, создаваемой обмоткой возбуждения, пересекают неподвижную силовую обмотку генератора, индуцируя в ней электрическое напряжение и ток (при замкнутой электрической цепи).





Рис. 4. Линейный бензогенератор.


Линейный компрессор, рис. 5, состоит из двух поршневых пар, работающих в противофазе, что дает возможность сбалансировать двигатель. Каждая пара поршней соединена шатуном. Шатун подвешен на линейных подшипниках и может свободно колебаться вместе с поршнями в корпусе. Поршни помещены в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Продувка цилиндров осуществляется через продувочные окна, под действием небольшого избыточного давления, создаваемого в предпускной камере. При возвратно-поступательном движении шатуна, а вместе с ним и поршней компрессора, воздух под давлением подается в ресивер компрессора.




Рис. 5. Линейный компрессор.


Рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта.


5. Такт сжатия. Поршень перемещается от нижней мертвой точки поршня к верхней мертвой точке поршня, перекрывая сначала продувочные окна. После закрытия поршнем продувочных окон, происходит впрыск топлива ив цилиндре начинается сжатие горючей смеси.В предпускной камере под поршнем создается разряжение, под действием которого через открывающийся клапан поступает воздух в предпускную камеру.
   

   2. Такт рабочего хода. При положении поршня около верхней мертвой точки, сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к нижней мертвой точке, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно, поршень создает высокое давление в предпускной камере. Под действием давления клапан закрывается, не давая, таким образом, воздуху попасть во впускной коллектор.
   

   Система вентиляции
   

   При рабочем ходе в цилиндре, рис. 6 рабочий ход, поршень под действием давления в камере сгорания, движется по направлению указанном стрелкой. Под действием избыточного давления в предпускной камере, клапан закрыт, и здесь происходит сжатие воздуха для вентиляции цилиндра. При достижении поршнем (компрессионными кольцами) продувочных окон, рис. 6 вентиляция, давление в камере сгорания резко падает, и далее поршень с шатуном движется по инерции, то есть масса подвижной части генератора играет роль маховика в обычном двигателе. При этом полностью открываются продувочные окна и сжатый в предвпускной камере воздух, под действием разницы давлений (давление в предпускной камере и атмосферное давление), продувает цилиндр. Далее, при рабочем цикле в противоположном цилиндре, осуществляется цикл сжатия.
   

   При движении поршня в режиме сжатиясжатия, рис. 6 сжатие, поршнем закрываются продувочные окна, осуществляется впрыск жидкого топлива, в этот момент воздух в камере сгорания находится под небольшим избыточным давлением начала цикла сжатия. При дальнейшем сжатии, как только давление сжимаемой горючей смеси станет равным опорному (заданному для данного вида топлива), на электроды свечи зажигания будет подано электрическое напряжение, произойдет зажигание смеси, начнется рабочий цикл и процесс повторится. При этом двигатель внутреннего сгорания представляет собойтолько два соосных и противоположно размещенных цилиндра и поршня, связанных между собой механически.
   

   
   

   Рис. 6. Система вентиляции линейного двигателя.
   

   Топливный насос
   

   Привод топливного насоса линейного электрогенератора, представляет собой кулачковую поверхность, зажатую между роликом поршня насоса и роликом корпуса насоса, рис. 7. Кулачковая поверхность совершает возвратно поступательное движение вместе с шатуном двигателя внутреннего сгорания, и раздвигает ролики поршня и насоса при каждом такте, при этом поршень насоса движется относительно цилиндра насоса и происходит выталкивание порции топлива к форсунке впрыска топлива, в начале цикла сжатия. При необходимости изменить количество выталкиваемого за один такт топлива, осуществляется поворот кулачковой поверхности относительно продольной оси. При повороте кулачковой поверхности относительно продольной оси, ролики поршня насоса и ролики корпуса насоса, будут раздвигаться или сдвигаться (в зависимости от направления вращения) на разное расстояние, изменится ход поршня топливного насоса и изменится порция выталкиваемого топлива. Поворот возвратно-поступательно движущегося кулачка вокруг своей оси, осуществляется с помощью неподвижного вала, который заходит в зацепление с кулачком посредством линейного подшипника. Таким образом, кулачок движется возвратно-поступательно, а вал остается неподвижным. При повороте вала вокруг своей оси, осуществляется поворот кулачковой поверхности вокруг своей оси и ход топливного насоса изменяется. Вализменения порции впрыска топлива, приводится в движение шаговым двигателем или вручную.
   

   
   

   Рис. 7. Топливный насос линейного электрогенератора.
   

   Привод топливного насоса линейного компрессора, представляет собой также кулачковую поверхность, зажатую между плоскостью поршня насоса и плоскостью корпуса насоса, рис. 8. Кулачковая поверхность совершает возвратно-вращательное движение вместе с валом шестерни синхронизации двигателя внутреннего сгорания, и раздвигает плоскости поршня и насоса при каждом такте, при этом поршень насоса движется относительно цилиндра насоса и происходит выталкивание порции топлива к форсунке впрыска топлива, в начале цикла сжатия. При работе линейного компрессора нет необходимости менять количество выталкиваемого топлива. Работа линейного компрессора подразумевается только в паре с ресивером – накопителем энергии, который может сглаживать пики максимальной нагрузки. Поэтому целесообразно выводить двигатель линейного компрессора только на два режима: режим оптимальной нагрузки и режим холостого хода. Переключение между этими двумя режимами осуществляется с помощью электромагнитных клапанов, системой управления.
   

   
   

   Рис. 8. Топливный насос линейного компрессора.
   

   Система пуска
   

   Система пуска линейного двигателя осуществляется, как и у обычного двигателя, с помощью электропривода и накопителя энергии. Пуск обычного двигателя происходит с помощью стартера (электропривода) и маховика (накопителя энергии). Пуск линейного двигателя осуществляется с помощью линейного электрокомпрессора и пускового ресивера, рис. 9.
   

   
   

   Рис. 9. Система пуска.
   

   При пуске, поршень пускового компрессора, при подаче питания, поступательно движется за счет электромагнитного поля обмотки, а затем пружиной возвращается в исходное состояние. После накачки ресивера до 8…12 атмосфер, питание снимается с клемм пускового компрессора и двигатель готов к запуску. Пуск происходит путем подачи сжатого воздуха в предвпускные камеры линейного двигателя. Подача воздуха осуществляется с помощью электромагнитных клапанов, работой которых управляет система управления.
   

   Так как система управления не имеет информации, в каком положении находятся шатуны двигателя, перед пуском, то подачей высокого давления воздуха в предпускные камеры, например, крайних цилиндров, поршни гарантировано передвигаются в исходное состояние перед запуском двигателя.
   

   Затем производится подача высокого давления воздуха в предпускные камеры средних цилиндров, таким образом, производится вентиляция цилиндров перед запуском.
   

   После этого производится подача высокого давления воздуха опять в предпускные камеры крайних цилиндров, для запуска двигателя. Как только начнется рабочий цикл (датчик давления покажет высокое давление в камере сгорания, соответствующее рабочему циклу), система управления, с помощью электромагнитных клапанов прекратит подачу воздуха от пускового ресивера.
   

   Система синхронизации
   

   Синхронизация работы шатуновлинейного двигателя осуществляется с помощью синхронизирующей шестерни и пары зубчатых реек, рис. 10, прикрепленных к подвижной части магнитопровода генератора или поршней компрессора.Зубчатая шестерня одновременно является приводом масляного насоса, с помощью которого осуществляется принудительная смазка узлов трущихся деталей линейного двигателя.
   

   
   

   Рис. 10. Синхронизация работы шатунов электрогенератора.
   

   Уменьшение массы магнитопровода и схемы включения обмоток электрогенератора.
   

   Генератор линейногобензогенератора представляет собой синхронную электрическую машину. В обычном генераторе ротор совершает вращательное движение, и масса подвижной части магнитопровода не является критичной. В линейном генераторе подвижная часть магнитопровода совершает возвратно-поступательное движение вместе с шатуном двигателя внутреннего сгорания, и высокая масса подвижной части магнитопровода делает работу генератора невозможной. Необходимо найти способ уменьшения массы подвижной части магнитопровода генератора.
   

   
   

   Рис. 11. Генератор.
   

   Для уменьшения массы подвижной части магнитопровода, необходимо уменьшить его геометрические размеры, соответственно уменьшится объем и масса, рис 11. Но тогда магнитный поток пересекает только обмотку в одной паре окон вместо пяти, это равнозначно, что магнитный поток пересекает проводник в пять раз короче, соответственно, и выходноенапряжение (мощность) уменьшиться в 5 раз.
   

   Для компенсации уменьшения напряжения генератора необходимо добавить количество витков в одном окне, таким образом, чтобы длина проводника силовой обмотки стала такой же, как и в первоначальном варианте генератора, рис 11.
   

   Но чтобы большее количество витков легло в окне с неизменными геометрическими размерами, необходимо уменьшить поперечное сечение проводника.
   

   При неизменной нагрузке и выходном напряжении, тепловая нагрузка, для такого проводника, в этом случае увеличится, и станет больше оптимальной (ток остался такимже, а поперечное сечение проводника уменьшилось почти в 5 раз). Это было бы в том случае, если обмотки окон соединены последовательно, то есть когда ток нагрузки протекает через все обмотки одновременно, как в обычном генераторе.Но если к нагрузке попеременно подключать только обмотку пары окон, которую в данный момент пересекает магнитный поток, то эта обмотка за такой короткий промежуток времени, не успеет перегреться, так как тепловые процессы инерционны. То есть необходимо попеременно подключать к нагрузке только ту часть обмотки генератора (пару полюсов), которую пересекает магнитный поток, остальное время она должна остывать.Таким образом, нагрузка все время включена последовательно только с одной обмоткой генератора.
   

   При этом действующее значение тока, протекающего через обмотку генератора, не превысит оптимальной величины, с точки зрения нагрева проводника. Таким образом, можно значительно, более чем в 10 раз, снизить массу не только подвижной части магнитопровода генератора, а и массу неподвижной части магнитопровода.
   

   Коммутация обмоток осуществляется с помощью электронных ключей.
   

   В качестве ключей, для попеременного подключения обмоток генератора к нагрузке, используются полупроводниковые приборы – тиристоры (симисторы).
   

   Линейный генератор, это развернутый обычный генератор, рис. 11.
   

   Например, при частоте соответствующей 3000 цикл/мин и ходе шатуна 6 см, каждая обмотка будет нагреваться в течении 0.00083 сек, током в 12 раз превышающим номинальный, остальное время — почти 0,01 сек, эта обмотка будет охлаждаться. При уменьшении рабочей частоты, время нагрева будет увеличиваться, но, соответственно, будет уменьшаться ток, который течет через обмотку и через нагрузку.
   

   Симистор –это выключатель (может замыкать или размыкать электрическую цепь). Замыкание и размыкание происходит автоматически. При работе, как только магнитный поток начнет пересекать витки обмотки, то на концах обмотки появляется индуцированное электрическое напряжение, это приводит к замыканию электрической цепи (открыванию симистора). Затем, когда магнитный поток пересекает витки следующей обмотки, то падение напряжения на электродах симистораприводит к размыканию электрической цепи. Таким образом, в каждый момент времени, нагрузка все время включена, последовательно, только с одной обмоткой генератора.
   

   На рис. 12 показан сборочный чертеж генератора без обмотки возбуждения.
   

   Большинство деталей линейных двигателей, образованы поверхностью вращения, то есть имеют цилиндрические формы. Это дает возможность изготавливать их с помощью самых дешевых и поддающихся автоматизации токарных операций.
   

   
   

   Рис. 12. Сборочный чертеж генератора.
   

   Математическая модель линейного двигателя
   

   Математическая модель линейного генератора строится на основе закона сохранения энергии и законов Ньютона: в каждый момент времени, при t 0 и t 1 , должно обеспечиваться равенство сил действующих на поршень. Через малый промежуток времени, под действием результирующей силы, поршень переместится на некоторое расстояние. На этом коротком участке принимаем, что поршень двигался равноускорено. Значение всех сил изменятся согласно законам физики и вычисляются по известным формулам
   

   Все данные автоматически заносятся в таблицу, например в программе Excel. После этого t 0 присваиваются значения t 1 и цикл повторяется. То есть мы производим операцию логарифмирования.
   

   Математическая модель представляет собой таблицу, например, в программе Excel, и сборочный чертеж (эскиз) генератора. На эскизе проставлены не линейные размеры, а координаты ячеек таблицы в Excel. В таблицу вносятся соответствующие предполагаемые линейные размеры, и программа вычисляет и строит график движения поршня, в виртуальном генераторе. То есть, подставив размеры: диаметр поршня, объём предвпускной камеры, ход поршней до продувочных окон и т. д., мы получим графики зависимости пройденного расстояния, скорости и ускорения движения поршня от времени. Это дает возможность виртуально просчитать сотни вариантов, и выбрать самый оптимальный.
   

   Форма обмоточных проводов генератора.
   

   Слой проводов одного окна линейного генератора, в отличие от обычного генератора, лежит в одной закрученной по спирали плоскости, поэтому обмотку проще наматывать проводами не круглого сечения, а прямоугольного, то есть обмотка представляет собой закрученную по спирали медную пластину. Это дает возможность повысить коэффициент заполнения окна, а также значительно увеличить механическую прочность обмоток. Следует учитывать, что скорость шатуна, а значит и подвижной части магнитопровода, не одинакова. Это значит, что линии магнитной индукции пересекают обмотку разных окон с разными скоростями. Для полного использования обмоточных проводов, количество витков каждого окна, должно соответствовать скорости магнитного потока возле этого окна (скорости шатуна). Количество витков обмоток каждого окна выбирается с учетом зависимости скорости шатуна от расстояния, пройденного шатуном.
   

   Также для более равномерного напряжения генерированного тока, можно наматывать обмотку каждого окна медной пластиной разной толщины. На участке, где скорость шатуна не велика, намотка осуществляется пластиной меньшей толщины. В окно поместится большее количество витков обмотки и, при меньшей скорости шатуна на этом участке, генератор будет выдавать напряжение соизмеримое с напряжением тока на более «скоростных» участках, хотя генерированный ток будет значительно ниже.
   

   Применение линейного электрогенератора.
   

   Основное применение описанного генератора - источник бесперебойного питания на предприятиях небольшой мощности, позволяющий подключенному оборудованию продолжительное время работать при пропадании сетевого напряжения, или при выходе его параметров за допустимые нормы.
   

   Электрогенераторы могут применяться для обеспечения электрической энергией промышленного и бытового электрооборудования, в местах отсутствия электрических сетей, а также в качестве силового агрегата для транспортного средства (гибридный автомобиль), в качестве мобильного генератора электрической энергии.
   

   Например, генератор электрической энергии в виде дипломата (чемодана, сумки). Пользователь берет с собой в места, где нет электрических сетей (стройка, поход, загородный дом, и т. д.) При необходимости, нажав на кнопку «пуск», генератор запускается и питает электрической энергией подключенные к нему электрические приборы: электроинструмент, бытовые приборы. Это обычный источник электрической энергии, только гораздо дешевле и легче аналогов.
   

   Применение линейных двигателей дает возможность создать недорогой, простой в эксплуатации и управлении, легкий автомобиль.
   

   Транспортное средство с линейным электрогенератором
   

   Транспортное средство с линейным электрогенератором представляет собой двухместный легкий (250 кг) автомобиль, рис. 13.
   

   
   

   Рис.13. Автомобиль с линейнымбензогенератором.
   

   При управлении не требуется переключать скорости (две педали). За счет того, что генератор может развивать максимальную мощность, даже, при «трогании» с места (в отличие от обычного автомобиля), то разгонные характеристики, даже при небольших мощностях тягового двигателя, имеют лучшие показатели чем аналогичные характеристики обычных автомобилей. Эффект усиления руля и системы ABS достигается программно, так как все необходимое «железо» уже есть (привод на каждое колесо позволяет управлять крутящим или тормозным моментом колеса, например, при повороте руля перераспределяется крутящий момент между правым и левым управляющим колесом, и колеса поворачиваются сами, водитель только разрешает им поворачиваться, то есть управление без усилий). Блочная компоновка позволяет компоновать автомобиль по желанию потребителя (можно без труда за несколько минут заменить генератор на более мощный).
   

   Это обычный автомобиль только гораздо дешевле и легче аналогов.
   

   Особенности-простота управления, дешевизна, быстрый набор скорости, мощность до 12 кВт, привод на все колеса (автомобиль повышенной проходимости).
   

   Транспортное средство с предложенным генератором, из-за специфической формы генератора, имеет очень низкий центр тяжести, поэтому будет иметь высокую устойчивость при движении.
   

   Также такое транспортное средство будет иметь очень высокие разгонные характеристики. В предложенном транспортном средстве может использоваться максимальная мощность силового агрегата при всем диапазоне скоростей.
   

   Распределенная масса силового агрегата не нагружает кузов автомобиля, поэтому его можно сделать дешевым, легким и простым.
   

   Тяговый двигатель транспортного средства, в котором в качестве силового агрегата используется линейный электрогенератор, должен удовлетворять таким условиям:
   

   Силовые обмотки двигателя должны непосредственно, без преобразователя, подключаться к клеммам генератора (для увеличения коэффициента полезного действия электрической трансмиссии и уменьшения цены преобразователя тока);
   

   Скорость вращения выходного вала электродвигателя должна регулироваться в широком диапазоне, и не должна зависеть от частоты работы электрогенератора;
   

   Двигатель должен иметь высокую наработку на отказ, то есть быть надежным в работе (не иметь коллектора);
   

   Двигатель должен быть недорогим (простым);
   

   Двигатель должен иметь высокий крутящий момент при низкой частоте вращения выходного вала;
   

   Двигатель должен иметь небольшую массу.
   

   Схема включения обмоток такого двигателя показана на рис. 14. Путем изменения полярности питания обмотки ротора получаем крутящий момент ротора.
   

   Также путем изменения величины и полярности питания обмотки ротора вводится скольжение вращение ротора относительно магнитного поля статора. Управлением тока питания обмотки ротора, происходит управление скольжением, в диапазоне от 0…100%. Мощность питания обмотки ротора составляет, примерно, 5% от мощности двигателя, поэтому преобразователь тока надо делать не для всего тока тяговых двигателей, а только для их тока возбуждения. Мощность преобразователя тока, например, для бортового электрогенератора 12 кВт, составляет всего 600 Вт, причем эта мощность разделена на четыре канала (для каждого тягового двигателя колеса свой канал), то есть мощность каждого канала преобразователя составляет 150 Вт. Поэтому невысокий коэффициент полезного действия преобразователя не окажет существенного влияния на КПД системы. Преобразователь может быть построен с помощью маломощных, дешевых полупроводниковых элементов.
   

   Ток с выводов электрогенератора без всяких преобразований подается на силовые обмотки тяговых электродвигателей. Преобразовывается только ток возбуждения, таким образом, чтобы он всегда находился в противофазе с током силовых обмоток. Так как ток возбуждения составляет всего 5…6% от всего тока, потребляемого тяговым электродвигателем, то преобразователь необходим на мощность 5…6% от всей мощности генератора, что значительно снизит цену и вес преобразователя и повысит коэффициент полезного действия системы. В этом случае, преобразователю тока возбуждения тяговых двигателей необходимо «знать», в каком положении находится вал двигателя, чтобы в каждый момент времени на обмотки возбуждения подавать ток для создания максимального крутящего момента. Датчиком положения выходного вала тягового двигателя является абсолютныйэнкодер.
   

   
   

   Рис.14. Схема включения обмоток тягового двигателя.
   

   Применение линейного электрогенератора, в качестве силового агрегата транспортного средства позволяет создать автомобиль блочной компоновки. При необходимости, можно за несколько минут поменять крупные узлы и агрегаты, рис. 15, а также применить кузов с наилучшим обтеканием, так как у маломощного автомобиля нет резерва мощности для преодоления сопротивления воздуха из-за несовершенства аэродинамических форм (из-за высокого коэффициента сопротивления).
   

   
   

   Рис.15. Возможность блочной компоновки.
   

   Транспортное средство с линейным компрессором
   

   Транспортное средство с линейным компрессором представляет собой двухместный легкий (200 кг) автомобиль, рис. 16. Это более простой и дешевый аналог автомобиля с линейным генератором, но с более низким КПД трансмиссии.
   

   
   

   Рис.16. Пневмопривод автомобиля.
   

   
   

   Рис.17. Управление приводами колес.
   

   В качестве датчика скорости вращения колеса используется инкрементальныйэнкодер.Инкрементальныйэнкодер имеют импульсный выход, при повороте на определённый угол на выходе генерируется импульс напряжения.Электронная схема датчика, «подсчитывает» количество импульсов за единицу времени, и записывает этот код в выходной регистр. При «подаче» системой управления кода (адреса) данного датчика, электронная схема энкодера, в последовательном виде выдает код с выходного регистра, на информационный проводник. Система управления считывает код датчика (информацию о скорости вращения колеса) и по заданному алгоритму вырабатывает код для управления шаговым двигателем исполнительного механизма.
   

   Заключение
   

   Стоимость транспортного средства, для большинства людей, составляет 20…50 месячных заработков. Люди не могут себе позволить приобрести новый автомобиль за 8…12 тыс $, а на рынке нет автомобиля в ценовом диапазоне 1…2 тыс $. Использование линейного электрогенератора или компрессора, в качестве силового агрегата автомобиля, позволяет создать простое в эксплуатации, и недорогое транспортное средство.
   

   Современные технологии производства печатных плат, и ассортимент выпускаемой электронной продукции, позволяет сделать почти все электрические соединения с помощью двух проводов – силового и информационного. То есть не производить монтаж соединения каждого отдельного электрического прибора: датчиков, исполнительных и сигнальных устройств, а подсоединить каждый прибор к общему силовому, и общему информационному проводу. Система управления, по очереди, выводит коды (адреса) приборов, в последовательном коде, на информационный провод, после чего ожидает информацию о состоянии прибора, тоже в последовательном коде, и по этой же линии. На основании этих сигналов система управления формирует коды управления для исполнительных и сигнальных устройств и передает их, для перевода исполнительных или сигнальных устройств в новое состояние (при необходимости). Таким образом, при монтаже или ремонте каждое устройство необходимо соединить с двумя проводами (эти два провода являются общими для всех бортовых электроприборов) и электрической массой.
   

   Для снижения себестоимости, а соответственно и цены продукции для потребителя,
   

   необходимо упростить монтаж и электрические соединения бортовых приборов. Например, при традиционном монтаже, для включения заднего габаритного огня, необходимо замкнуть, с помощью выключателя, электрическую цепь питания осветительного прибора. Цепь состоит из: источника электрической энергии, соединительного провода, сравнительно мощного выключателя, электрической нагрузки. Каждый элемент цепи, кроме источника питания, требует индивидуального монтажа, недорогой механический выключатель, имеет низкое количество циклов «включения-выключения». При большом количестве бортовых электроприборов, цена монтажа и соединительных проводов возрастает пропорционально количеству устройств, повышается вероятность ошибки из-за человеческого фактора. При крупносерийном производстве проще управление приборами и считывание информации с датчиков сделать по одной линии, а не поиндивидуальной, для каждого прибора. Например, для включения заднего габаритного огня, в этом случае, необходимо дотронуться до сенсорного датчика прикосновения, схема управления сформирует код управления для включения заднего габаритного огня. На информационный провод будет выведен адрес устройства включения заднего габаритного огня и сигнал на включение, после чего замкнется внутренняя цепь питания заднего габаритного огня. То есть электрические цепи формируются комплексно: автоматически при производстве печатных плат (например, при монтаже плат на SMD линиях), и путем электрического соединения всех приборов с двумя общими проводами и электрической «массой».
   

   Список литературы
   

   1. Справочник по физике: Кухлинг Х. Пер. с нем. 2-е изд. – М.: Мир, 1985. – 520 с., ил.
   2. Газовая турбина на железнодорожном транспорте.Бартош Е. Т. Изд-во «Транспорт», 1972, стр. 1-144.
   3. Черчение - Хаскин А. М. 4 – е изд., перрераб. И доп. –.: Вищашк. Головное изд – во, 1985. – 447 с.
   4. Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре, Ю. А. Евсеев, С. С. Крылов. 1990.
   5. Ежемесячный рекламно-информационный журнал «Электротехнический рынок» №5 (23) сентябрь-октябрь 2008.
   6. Проектирование автотракторных двигателей. Р. А. Зейнетдинов, Дьяков И. Ф., С. В. Ярыгин. Учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2004.- 168 с.
   7. Основы преобразовательной техники: учебное пособие для вузов/ О. З. Попков. 2-е изд., стереот. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 200 с.: ил.
   8. Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов /В.Г. Герасимов, О М. Князьков, А Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред. В.Г. Герасимова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2006. – 336 с., ил.
   9. Двигатели внутреннего сгорания. Теория и расчёт рабочих процессов. 4-е изд., переработ, и дополн. Под общей редакцией А.С. Орлина и М.Г. Круглова. М.: Машиностроение. 1984.
   10. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины. – М.: Высшая шк. – 2007 г.
   11. Теоретические основы электротехники. Учеб.для вузов. В трех т. Под общ.ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. М.:Энергия, 1972. –240с.