Аннотация
В статье рассматриваются линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД), широко применяемые в технике для создания механизмов с возвратно-поступательным перемещением рабочих органов. Показаны особенности физических процессов в таких двигателях. Отмечено, что в рабочих режимах двигателя происходят электромагнитные и электромеханические переходные процессы, которые описываются системой нелинейных уравнений. Это затрудняет математическое моделирование линейных электромагнитных двигателей. Выполнен обзор публикаций, посвященных моделированию и расчетам таких двигателей. Пока-зано, что большинство исследователей выполняют расчеты характеристик двигателей на основе решения полевых задач методом конечных элементов. Обоснована необходимость дальнейшего развития математических моделей и методик расчета ЛЭМД. Предложен новый подход к моделированию физических процессов в ЛЭМД, основанный на более полном использовании возможностей современных пакетов прикладных программ (Elcut, Mathcad и Matlab) при разработке таких двигателей. Основная идея предлагаемого метода заключается в том, что на предварительном этапе расчетов создается база данных, связывающая между собой основные электромагнитные параметры (ток в обмотке и потокосцепление) с силовыми характеристиками ЛЭМД. Использование такой базы данных позволяет автоматизировать расчеты системы нелинейных уравнений, описывающих электромеханические переходные процессы. Использование представленной методики показано на примере расчета опытного образца линейного электромагнитного двигателя ударного действия. На каждом этапе исследования результаты расчета срав-ниваются с экспериментальными данными, полученными при испытаниях опытного образца двигателя. Сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик двигателя подтверждает правильность выбранного подхода и эффективность предлагаемой методики. Предложенный подход к математическому моделированию линейных электромагнитных двигателей показал свою эффективность и рекомендуется к практическому использованию при разработке таких машин.
Ключевые слова
линейный электромагнитный двигатель, физические процессы, математическое моделирование, результаты расчетов, сравнение с экспериментом
1. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Линейные синхронные элек-тромагнитные машины ударного действия. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2021. 480 с.
2. Угаров Г.Г., Мошкин В.И. Разработка, создание и кон-цепция развития силовых электромагнитных импульсных систем // Вопросы электротехнологии. 2020. № 3 (28). С. 38-45.
3. Ивашин В.В., Певчев В.П. Особенности динамики работы и энергетических диаграмм импульсного электромаг-нитного привода при параллельном и последовательном соединении обмоток возбуждения // Электротехника. 2013. № 6. С. 42-46.
4. Линейные электрические машины возвратно-поступательного действия – типы и конструкции элек-трических машин / В.Б. Баль, В.Я. Геча, В.И. Гончаров, В.Е. Ежов, В.Г. Чиркин, С.В. Ширинский, Д.А. Петри-ченко // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2015. Т. 148. №5. С. 3-13.
5. Comparative studies on two electromagnetic repulsion mechanisms for high-speed vacuum switch / M. Zhang, Y. Wang, P. Li, H. Wen // IET Electric Power Applications. 2018. No. 12(2). Pp. 247-253. doi: 10.1049/iet-epa.2017.0396
6. Bissal A., Magnusson J., Engdahl G. Electric to mechanical energy conversion of linear ultrafast electromechanical actu-ators based on stroke requirements // IEEE Transactions on Industry Applications/ 2015. No. 51(4). Pp. 3059-3067. doi: 10.1109/TIA.2015.2411733
7. Puumala V., Kettunen L. Electromagnetic design of ultrafast electromechanical switches // IEEE Transactions on Power Delivery. 2015. No. 30(3). Pp. 1104-1109. doi: 10.1109/TPWRD.2014.2362996
8. Bissal A., Magnusson J., Engdahl G. Comparison of two ultra-fast actuator concept // IEEE Transactions on Magnetics. 2012. No. 48(11). Pp. 3315-3318. doi: 10.1109/TMAG.2012.2198447
9. Cao Z.Q., Zuo Y.G. Electromagnetic riveting technique and its applications // Chinese Journal of Aeronautics. 2020. No. 33(1). Pp. 5-15. doi: 10.1016/j.cja.2018.12.023
10. Bolyukh V.F., Kashanskyi Yu.V., Shchukin I.S. Comparative analysis of power and speed indicators linear pulse elec-tromechanical converters electrodynamic and induction types // Technical electrodynamics. 2019. No. 6. Pp. 35-42. doi: 10.15407/techned2019.06.035
11. Малахов А.П. Электромолоты и электросейсмоисточни-ки. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. 280 с.
12. Прессовое оборудование с линейным электромагнитным приводом для механизации технологических процессов ударной сборки и штамповки мелких изделий / В.А. Ак-сютин, Л.А. Нейман, В.Ю. Нейман, А.А. Скотни-ков // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. №2. С. 220-224.
13. Оптимизация геометрии линейных электромагнитных двигателей с использованием конечноэлементного моде-лирования магнитного поля / Ю.Г. Соловейчик, В.Ю. Нейман, М.Г. Персова, М.Э. Рояк, Ю.Б. Смирнова, Р.В. Петров // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2005. № 2. С. 24-28.
14. Соловейчик Ю.Г., Персова М.Г., Нейман В.Ю. Конечно-элементное моделирование электродинамических про-цессов в линейном электромагнитном двигателе // Элек-тричество. 2004. № 10. С. 43-52.
15. Динамическая модель линейного электромагнитного двигателя лабораторного шейкера / П.А. Дергачев, А.О. Сидоров, М.С. Венцерев, А.С. Иванов // Электриче-ство. 2023. № 2. С. 69-76. doi: 10.24160/0013-5380-2023-2-69-76
16. Plavec E., Filipovic-Grcic B., Vidovic M. The impact of plunger angle and radius on the force and time response of DC solenoid electromagnetic actuator used in high-voltage circuit breaker // Electrical Power and Energy Systems. 2020. No. 118(1). Pp. 1-7. doi: 10.1016/j.ijepes.2019.105767
17. Plavec E., Petrinic M., Vidovic M. Improving the Force and Time Response of a DC Solenoid Electromagnetic Actuator by Changing the Lower Core Angle // Journal of Electro-magnetic Engineering and Science. 2021. No. 21(2). Pp. 95-103. doi: doi.org/10.26866/jees.2021.21.2.95
18. Макаричев Ю.А., Ратцев Я.А. Линейный двигатель по-стоянного тока системы стабилизации прецизионных объектов // Вестник Самарского государственного тех-нического университета. Серия: технические науки. 2022. Т. 30. № 2. С. 73-84. doi: 10.14498/tech.2022.2.6
19. Коняев А.Ю., Мошкин В.И., Шестаков Д.Н. Оценка под-ходов к моделированию рабочих режимов линейных электромагнитных двигателей // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные техно-логии, системы управления. 2024. № 52. С. 5-24. doi: 10.15593/2224-9397/2024.4.01
20. Shape Optimization of Electromagnetic Actuators / F. Mach, I. Novy, P. Karban, I. Dolehel // IEEE Elektro. 2014. No. 5. Pp. 595-598. doi: 10.1109/ELEKTRO.2014.6848967
21. Нейман В.Ю. К выбору основных геометрических раз-меров электромагнитного привода со сквозным осевым каналов // Электротехника. 2022. № 5. С. 8-12. doi: 10.53891/00135860_2022_5_8
22. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом ко-нечных элементов. Руководство пользователя. Версия 5.5. СПб., М.: ПК TOP, 2007. 293 c.
23. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Юрайт, 2016. 701 c.
Коняев А.Ю., Черных И.В., Шестаков Д.Н. Моделиро-вание рабочих режимов линейных электромагнитных двигателей ударного действия // Электротехнические системы и комплексы. 2025. № 3(68). С. 15-22. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2025-3(68)-15-22