V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Изучение характера протекания электрического тока по пластине является прикладной задачей, связанной с исследованием характеристик магнитоэлектрического моментного двигателя, конструкция которого предложена сотрудниками и студентами кафедры точного приборостроения ТПУ.

Полный ток, протекающий по пластине, является распределенным. Считаем, что пластина выполнена из однородного материала и имеет во всех ее точках одинаковую толщину. Вид линий тока приведен на рисунке 1, который получен с помощью программного продукта COMSOL Multiphysics [1].

Известно, что характер распределения тока по пластине находится решением уравнения в частных производных. В настоящее время такой результат можно получить при помощи программных продуктов, использующих метод конечных элементов, например COMSOL Multiphysics. Указанный программный продукт позволяет численно оценить не только характер распределения по пластине компонент плотности тока, но также осуществить их интегрирование по выделенным областям.

Рисунок 1 Распределенный ток, протекающий по пластине

В процессе аналитических компьютерных исследований задавалась геометрия реальной пластины, являющейся одной из составных частей пакета активного элемента двигателя. Это геометрическое описание пластины составлялось из отдельных подобластей, объединяя которые, можно моделировать взаимное расположение магнита относительно пластины (рисунок 2) [1].

Рисунок 2 Характер разбиения пластины на подобласти интегрирования

В результате интегрирования и последующей обработки результатов получена зависимость распределения усилия, создаваемого взаимодействием распределенного по пластине тока и постоянного магнита – источника магнитного поля (рисунке 3) [1].

Рисунок 3 Вид силовой характеристики сплошной пластины

В практических целях характеристика такого вида не всегда будет целесообразной. Желательно иметь возможность получения такой функциональной зависимости, которая наиболее удовлетворяет решению конкретной задачи.

Один из вариантов достижения заданной цели – наличие вырезов в активном элементе. На рисунке 4 показана зависимость вида силовой характеристики при наличии 9 вырезов, которые обеспечивают концентрацию линий тока в диагональном направлении [1].

Рисунок 4 Вид силовой характеристики с диагональным направлением токовых линий: линия 1 - контур пластины, линия 2 – вид силовой характеристики

К полученной зависимости надо стремиться, но в данном случае имеются свои недостатки, такие как, большое количество зон тепловыделения, что обусловлено большим числом вырезов. Нагрев осуществляется от источника питания, следовательно, снижается КПД.

Другим способом достижения идеальной для нас характеристики, является наложение пластин друг на друга, т.е. образуя активный пакет. На пластинах имеются вырезы, которые образуют пазы. Таким образом, пазы верхней и нижней пластин не должны совпадать, как показано на рисунке 5 [2].

Рисунок 5 Распределенный ток, протекающий

по пластине с 4 и 5 вырезами

При сложении двух характеристик, выступы компенсируются, и образуется результирующая характеристика.

На рисунке 6 показаны виды силовых характеристик при наличии 4 и 5 вырезов, которые формируют несколько иное направление протеканий линий тока. Линия 1 показывает вид силовой характеристики пластины с 4 вырезами, линия 2 – вид силовой характеристики пластины с 5 вырезами, линией 3 показан вид результирующей силовой характеристики [2].

Рисунок 6 Вид силовых характеристик пластин с вырезами

Во всех рассмотренных случаях, по краям пластины вид силовой характеристики имеете нулевое значение, т.к. при построении этой характеристики предполагалось, что слева и справа находятся другие аналогичные пластины, у которых «поперечные» токи имеют противоположное направление.

Основными источниками тепла, выделяемого при протекании тока, будут сужения ленты, образованные вырезами. Однако указанные участки будут охлаждаться за счет оттока тепла в те зоны ленты, где плотность тока невысока, а поверхности охлаждения имеют достаточные размеры. При этом необходимо учесть тот факт, что контактная поверхность активного элемента и трубчатой части корпуса двигателя, на которой монтируется активный элемент, также имеет достаточные размеры для эффективного сброса тепла на корпус, охлаждение которого, в том числе и принудительное, большой технической проблемы не представляет.

Данные приемы позволяют получить более сглаженный вид силовой характеристики двигателя. При более тщательном подборе величин можно добиться требуемой задачи.

На рисунке 7 показан распределенный ток, протекающий по пластине при наличии 9 вырезов [3].

Рисунок 7 Распределенный ток, протекающий по пластине

На рисунке 8 показана зависимость вида силовой характеристики для упомянутой пластины; наличие 9 вырезов обеспечивает концентрацию линий тока в диагональном направлении. В данном случае, равномерность распределения вида силовой характеристики зависит от количества выделяемых подобластей (на практике это связано с шириной постоянного магнита). На рисунке 8 линией 1 показан вид силовой характеристики при ширине магнита 0,5 см, линией 2 - при ширине магнита 1 см, линией 3 - при ширине магнита 1,5 см, линией 4 - при ширине магнита 2 см. Длина пластины 10 см [3].

Рисунок 8 Вид силовых характеристик пластин с 9 вырезами, при различной ширине постоянного магнита

Из анализа полученных результатов можно сделать вывод, что более равномерная характеристика получается при большей ширине постоянного магнита (линия 4).

Особый интерес представляет выбор конфигурации пластины.

На рисунке 9 показаны распределенные токи, протекающие по пластине с 1, 2 и 3 вырезами [3].

Рисунок 9 Распределенный ток, протекающий по пластинам с 1, 2 и 3 вырезами

На рисунке 10 показан вид силовых характеристик при наличии 1, 2 и 3 вырезов, которые формируют несколько иное направление протеканий линий тока. Линия 1 показывает вид силовой характеристики пластины с одним вырезом, линия 2 – вид силовой характеристики пластины с двумя вырезами, линией 3 –вид силовой характеристики с тремя вырезами [3].

Рисунок 10 Вид силовых характеристик пластин с вырезами

Анализируя вид полученных силовых характеристик пластин можно видеть, что характеристика пластины с 3 вырезами имеет более равномерный характер. Учитывая недостатки, приведенные выше, можно сделать вывод, что 3 вырезов в пластине вполне достаточно для создания макетного варианта двигателя, т.к. характеристика более равномерно и одновременно уменьшаются тепловые потери.

Кроме того, проведены исследования влияния геометрии пластины на распределение усилия по длине пакета [7]. Рассматривались пластины с различными размерами длины A и ширины B. Анализ проводился для пластин с отношением AB равным 0,5; 1; 2. Поверхность охлаждения и протекающий ток одинаковы во всех трех случаях.

На рисунке 11 показан вид силовых характеристик для пластин с указанными отношениями геометрических размеров [3].

На этом рисунке линией 1 показан вид силовой характеристики пластины с отношением геометрических размеров равным 0,5; линией 2 – с отношением равным 1 и линией 3 – с отношением равным 2.

Рисунок 11 Вид силовых характеристик пластин

Усилие больше для пластины с отношением геометрических размеров равным 0,5. В этом случае поперечная составляющая тока больше, но мал рабочий диапазон. Для пластины с равными величинами длины и ширины недостатками являются большие габариты и большой расход материала. Применение пластины с отношением геометрических размеров равным 2 является более рациональным, т.к. обеспечивается широкий рабочий диапазон и сравнительно равномерная характеристика.

Настоящие исследования являются начальными попытками получения однозначных зависимостей, связывающих геометрические параметры пластины и источника магнитного поля с силовыми характеристиками. Продолжение подобных исследований может привести к созданию методики расчета пакетного элемента двигателя.

Проведены исследования влияния геометрии пластины на электрические параметры двигателя. Анализ проводился для пластин с отношением длины к ширине AB равным 0,5; 1; 1,25; 2; 4. Поверхность охлаждения и протекающий ток, а также толщина пластины равная 0,0001 мм и материал – медь, одинаковы во всех рассмотренных случаях. На рисунке 12 показаны характеристики зависимости мощности тепловыделения от количества вырезов (n) для пластин с указанным отношением геометрических размеров [4].

Рисунок 12 Характеристики активного сопротивления пластин

На этом рисунке линией 1 показана характеристика пластины с отношением геометрических размеров с отношением AB равным 0,5 (A = 5см, В = 10см); линией 2 – с отношением равным 1 (A = 10см, В = 10см); линией 3 – с отношением равным 1,25 (A = 10см, В = 8см); линией 4 – с отношением равным 2 (A = 10см, В = 5см); линией 5 – с отношением равным 4 (A = 10см, В = 2.5см).

Полученные характеристики зависимости активного сопротивления от количества вырезов могут пригодиться для дальнейшего проектирования, проектирования нового типа двигателей с пакетным элементом.

На рисунке 13 показаны характеристики зависимости мощности тепловыделения от количества вырезов (n) для пластин с указанным отношением геометрических размеров [4].

Рисунок 13 Характеристики мощности тепловыделения пластин

На этом рисунке линией 1 показана характеристика пластины с отношением геометрических размеров с отношением AB равным 0,5; линией 2 – с отношением равным 1, линией 3 – с отношением равным 1,25, линией 4 – с отношением равным 2, линией 5 – с отношением равным 4.

Полученные характеристики зависимости мощности тепловыделения от количества вырезов показывают, что с увеличением количества вырезов активная мощность увеличивается, т.к. возрастает количество зон тепловыделения.

Список литературы:

1. К.А. Татарникова, О.Ю. Екимова. Влияние геометрии пластин на вид силовой характеристики двигателя //Современные техника и технологии: сборник трудов XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в 3-х томах. Томск: изд-во ТПУ, 2012.

2. К.А. Татарникова, О.Ю. Екимова. Выбор приемов сглаживания силовой характеристики двигателя // Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность: Сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в 2-х томах. Томск: изд-во ТПУ, 2012.

3. О.Ю. Екимова, К.А. Татарникова. Влияние геометрических параметров на силовую характеристику двигателя с пакетным элементом // Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность: Сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в 2-х томах. Томск: изд-во ТПУ, 2012.

4. К.А. Зыль, О.Ю. Екимова. Влияние геометрии пластины на электрические параметры двигателя // Наука. Технологии. Инновации – находиться в печати.

Код для цитирования: Скопировать