Обобщенная модель двухкатушечной синхронной электромагнитной машины для технологических систем виброударного действия

Abstract

Актуальность исследования обусловлена тем, что силовые электрические импульсные системы, созданные на основе линейных электромагнитных машин ударного и виброударного действия, являются перспективными для применения в технологиях по интенсификации процессов, связанных с поиском, добычей и переработкой георесурсов. В вопросах энергосбережения особый интерес вызывают линейные синхронные электромагнитные машины возвратно-поступательного движения ударного и виброударного действия. Частота ударов бойка в данных машинах синхронно связана с частотой источника промышленной сети переменного тока. К главным достоинствам оборудования, использующего линейные синхронные электромагнитные машины ударного и виброударного действия, относится снижение потребления электрической энергии при работе в резонансных режимах или близких к резонансным режимам. Исследование данных режимов связано с построением точных динамических моделей различных модификаций синхронных электромагнитных машин ударного и виброударного действия, работающих исключительно в переходных режимах. Цель: разработать обобщенную математическую модель двухкатушечной синхронной машины с электромагнитным приводом для технологических систем виброударного действия, упрощающей процесс математического описания известных вариантов схем машин при проведении динамических расчетов. Методы: дифференциальные уравнения электрического равновесия и механического взаимодействия, поступательно движущихся масс, уравнение Лагранжа второго рода, методы конечно-элементного моделирования двухмерного магнитного поля и структурного моделирования в программе Matlab Simulink, сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик. Результаты. Предложена обобщенная расчетная схема построения многомассовой двухкатушечной синхронной электромагнитной машины, включающая известные модификации вариантов схем машин ударного действия. На основе расчетной схемы образована система дифференциальных уравнений обобщенной модели, позволяющая выполнять построение математических моделей, отражающих динамическое состояние известных вариантов схем синхронных ударных машин с электромагнитным приводом. Приведен пример реализации динамической модели четырехмассовой двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с упругим реверсом бойка. Приведены результаты имитационного моделирования рабочего режима в виде диаграмм тока катушек, перемещения и скорости бойка, отражающие процессы включения и выхода на квазиустановившийся режим работы. На основе сопоставления значений интегральных характеристик показано, что расхождение результатов расчета и эксперимента составляет 4…6 %, что не превышает общепринятой погрешности для инженерных расчетов. Эффективность применения предложенной обобщенной модели заключается в упрощении математического описания вариантов схем синхронных машин с электромагнитным приводом и сокращении сроков реализации моделей.

Relevance of the research is explained by the perspective of electric pulse systems based on impact and vibratory impact linear electromagnetic machines application in geological exploration, mining operations and minerals processing technologies. Impact synchronous electromagnetic machines are useful for energy saving. Impact force pulse frequency of these machines is equal to or multiple of the power source frequency. The main advantage of devices and equipment based on impact and vibratory impact synchronous electromagnetic machines is the capability of power consumption decrease in near-resonant modes. These modes study is important for the design of exact dynamic models of different variants of impact synchronous electromagnetic machines operating only in transient modes. The aim of the research is to develop the generalized mathematical model of a two-coil impact synchronous machine with an electromagnetic drive for vibratory impact technological systems. The model simplifies the mathematical description of known variants machine schemes when carrying out dynamic calculations. The methods used in the research include differential equations of the electrical equilibrium and mechanical interaction of directly moving masses, Lagrange's equation of the second kind, finite-element methods of magnetic field modeling, methods of structured modeling in Matlab Simulink, design and experimental characteristics comparison. Results. The authors have proposed the generalized design model of the multi-mass two-coil impact synchronous electromagnetic machine for its known and new variants. The differential equations system were derived for this model. The generalized model is the basis of dynamic models of different variants of impact synchronous electromagnetic machines. The paper considers as an example the dynamic model of the four-mass two-coil impact synchronous electromagnetic machine with the striker elastic reverse. The simulation results stated for the operating mode include the oscillograms of the current in the coils, the striker motion and velocity illustrating switching on and reaching the quasi-stationary operating mode. It follows from integral characteristics comparison that the difference between the design and experimental data is 4…6 % and it is no more than common engineering design error. The proposed generalized model helps effectively to simplify the mathematical description of the impact synchronous electromagnetic motor and decrease the time interval for model implementation.