3.2.3 Моделирование линейных электродвигателей импульсного действия в составе магнито-импульсных устройств

3.2.3.1 Обзор типов импульсных устройств

По способу преобразования электрической энергии машины с электроприводом можно разделить на две группы: с преобразованием вращательного движения электродвигателя в возвратно-поступательное движение рабочего органа при помощи кривошипно-шатунных, кулачковых, эксцентриковых и других устройств, и с непосредственным преобразованием электрической энергии в механическую с помощью линейных электрических двигателей. Преимущество машин первой группы заключается в применении электродвигателя вращательного движения, теория и конструкция которого хорошо разработаны. Однако ограничения по применению накладываются из-за ряда недостатков: сложность конструкции, большое число точно изготавливаемых деталей механической передачи, динамические нагрузки, возникающие во время работы. Вследствие динамических нагрузок, увеличивающихся с ростом массы и габаритов машины, механические передачи быстро выходят из строя, что снижает надежность и долговечность всей установки. Это является большим недостатком на пути создания мощных электрических импульсных машин.

Линейные электродвигатели импульсного действия (ЛЭИД) представляют самостоятельный класс электрических машин, обладающих рядом специфических свойств. В отличие от электродвигателей вращательного действия, способных совершать длительное вращательное движение при непрерывном обмене энергией между электрической и механической системами, в ЛЭИД осуществляется ограниченное механическое поступательное или возвратно-поступательное перемещение при дискретном энергопреобразовании.

Применение ЛЭИД обеспечивает интеграцию двигателя с рабочим органом машины, что позволяет осуществить непосредственное преобразование электроэнергии в кинетическую энергию прямолинейного движения якоря, являющегося рабочим органом машины. Это позволяет существенно упростить электропривод оборудования, повысить его надежность, экономичность, улучшить условия труда.

По принципу действия, определяющему конструктивные особенности и технические возможности ЛЭИД, они подразделяются на следующие основные типы, наиболее распространенные в электроприводе: электромагнитные, индукционные, электродинамические, индукционно-динамические, магнитоэлектрические, магнитострикционные и электрострикционные.

Принцип действия линейных электромагнитных двигателей основан на взаимодействии магнитного поля обмотки с ферромагнитным сердечником. Принцип действия индукционных линейных двигателей основан на взаимодействии бегущего магнитного поля, создаваемого переменным магнитным потоком, с током, индуцированным им в подвижной части; электродинамических – на взаимодействии между магнитными полями, создаваемыми подвижной и неподвижной обмотками с током; индукционно-динамических – на взаимодействии импульсного магнитного поля обмотки индуктора с магнитным полем короткозамкнутого витка; магнитоэлектрических – на взаимодействии постоянного магнита с магнитным полем обмотки с током.

Преобразование электрической энергии в механическую в магнитострикционных и электрострикционных двигателях осуществляется за счет изменения размеров тел из ферромагнитных и сегнетоэлектрических материалов под воздействием магнитного и электрического полей.

Сравнительный анализ основных показателей электрических двигателей вращательного и линейного движения показывает, что по удельным параметрам движущей силы (отношение движущей силы F к потребляемой мощности P, массе m, объему активных материалов V) линейные двигатели превосходят вращательные.

По КПД и коэффициенту мощности линейные двигатели, как правило, уступают двигателям вращательного движения. Однако более корректно производить сравнение не двигателей, как самостоятельных элементов, а систем, в составе которых работают данные двигатели, поскольку при механизации и автоматизации некоторых процессов становится более важным принципиальная возможность выполнения конкретного технологического процесса с заранее заданными его параметрами.

В настоящее время для привода рабочих органов машин и механизмов ударного действия в силу простоты конструкции и эффективности работы наибольшее распространение получили магнитоимпульсные устройства с использованием индукционно-динамических и электромагнитных двигателей.