УДК 621.3.013.22
В.Л. Кисель, к. т. н
ПАО «Киевское центральное конструкторское бюро арматуростроения», Украина
Е.И. Барилюк, аспирант
Г.И. Зайончковский, д. т. н.,
Национальный авиационный университет, Украина
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА
ПНЕВМАТИЧЕСКОГО КЛАПАНА
Статься посвящена актуальному вопросу совершенствования расчета параметров электромагнитного привода постоянного тока пневмоклапана с внешним плоским якорем. Раскрываются особенности модификации методики расчета параметров электромагнитного привода клапана и отличие расчетного метода от классического расчета электромагнита с цилиндрическим втягивающим якорем
Актуальность исследований. Автоматизация управления различными видами отсечной арматуры вместе с растущими требованиями по энергоэффективности предъявляют повышенные требования к наиболее распространенному типу привода пневмоклапанов – электромагнитному.
В пневмосистемах электромагнитные клапаны (ЭМК) широко используются уже в течение нескольких десятилетий. Применение электромагнитного привода (ЭМП) в таких клапанах обеспечивает реализацию дистанционного управления открытием и закрытием клапана. Особенности протекающих в ЭМП процессов приводят к тому, что традиционно электромагнитные клапаны потребляют достаточно большую мощность. Причем высокая потребляемая мощность означает не только высокие затраты на обеспечение ЭМК электроэнергией, но и повышение сопутствующего веса дополнительных силовых кабелей. Вследствие этого в настоящее время значительное внимание уделяется разработке ЭМК с низким уровнем энергопотреблением. Энергопотребление клапанов может быть снижено несколькими путями. Одним из наиболее продуктивных способов улучшения параметров ЭМК является увеличение эффективности конструкции электромагнита.
Проведенный анализ публикаций по этому вопросу [1–7] показывает, что ЭМП с внешним якорем имеет лучшие эксплуатационные характеристики по сравнению с ЭМП со втягивающимся якорем. Однако типовые методики расчета приводятся лишь для конструкции ЭМП со втягивающимся якорем. Поэтому актуальным является создание научно обоснованной усовершенствованной инженерной методики расчета и оптимизации параметров ЭМП с внешним якорем для пневматических клапанов, применяемых в системах оборудования летательных аппаратов.
Результаты исследований. Для получения рабочих параметров ЭМК с внешним якорем нами была модифицирована методика расчета, применяемая в Киевском центральном конструкторском бюро арматуростроения. В качестве основы была взята методика расчета ЭМП с цилиндрическим втягивающимся якорем.
ЭМП с внешним якорем существенно отличается по конструкции от ЭМП с втягивающимся якорем. Схематические изображения конструкции ЭМП с втягивающимся и внешним якорем показаны на рис. 1 и рис. 2, соответственно. Как видно, при одинаковых габаритах катушек электромагнитов, рабочая площадь якорей в случае ЭМП с внешним якорем существенно больше, что не позволяет без изменения использовать методику расчета, разработанную для ЭМП с втягивающимся якорем.
Вследствие увеличения рабочей площади якоря (см. рис. 3) величина магнитного потока увеличивается пропорционально увеличению суммарной площади S1+S2. В этом случае, создаваемый магнитный Ф может быть определен как
где – требуемая сила тяги электромагнита, — площади рабочих площадок якоря электромагнита.
Рис 1. Электромагнит со втягивающимся цилиндрическим якорем
1 – линии магнитного поля; 2 – магнитопровод; 3 – катушка электромагнита;
4 – внешний якорь h – воздушный зазор; Δ – зазор в разделительной трубке
Рис 2. Электромагнитный привод с плоским внешним якорем
1 – внешний якорь; 2 – линии магнитного поля; 3 – магнитопровод;
4 – катушка электромагнита; h – воздушный зазор
Если площади S1 и S2 равны, тогда формулу для определения магнитного потока можно записать в виде
При этом проводимость рабочего зазора будет определяться как
где – проводимость рабочего зазора; h – высота рабочего зазора (см. рис. 2); – эмпирический коэффициент, учитывающий рассеивание магнитного потока.
Вследствие конструкции внешнего якоря, такой электромагнит имеет фактически два рабочих зазора h, тогда как электромагнит с втягивающимся якорем имеет лишь один рабочий зазор.
Рис 3. Рабочие поверхности якорей электромагнитов
а – электромагнит с внешним плоским якорем;
б – электромагнит с втяжным цилиндрическим якорем
В этом случае развиваемая электромагнитом сила тяги будет определяться как
где – сила тяги электромагнита, – магнитная индукция в рабочем зазоре; S = S1 + S2 – суммарная рабочая площадь якоря.
Магнитодвижущая сила, необходимая для намагничивания рабочего зазора,
Диаметр якоря определяется по формуле
где – диаметр якоря электромагнита; – диаметр отверстия под крепление золотника клапана.
Высота катушки электромагнита и ее длина определяются как
где j – плотность тока в проводнике катушки.
Общую длину магнитопровода ЭМП определяем как
Диаметр проводника (медный провод) катушки будет равен
где — номинальное рабочее напряжение катушки электромагнита.
Количество витков обмотки катушки электромагнита определится по формуле
Потребная длина провода для намотки катушки ЭМП будет равна
В таком случае в проводнике катушки будет протекать ток, определяемый по формуле
где  – тепловой коэффициент сопротивления меди, – разница между рабочей температурой электромагнита и базовой температурой в 20 оС.
В рассматриваемом клапане движение якоря электромагнита создается за счет уменьшения рабочего зазора h. При этом зависимость тягового усилия от величины зазора существенно отличается от постоянной. Усилие резко убывает с увеличением зазора и резко возрастает с его уменьшением. Тем не менее, при движении якоря электромагнитов можно получить рациональное перераспределение энергии, запасенной в электромагнитной системе, и тем обеспечить нужную тяговую характеристику, если увеличить область основного рабочего зазора h.
Анализ отличия конструкции электромагнитов с втягивающимся цилиндрическим и внешним плоским якорями, а также характер протекания силовых магнитных линий в электромагнитах традиционной конструкции и электромагнитов в ЕМП с внешним якорем позволил модифицировать классическую методику расчета электромагнита. Полученные с ее помощью параметры электромагнита ЭМП с внешним плоским якорем подтверждают заявленные в литературных источниках увеличенную тяговую характеристику по сравнению с электромагнитами в ЭМП с втягивающимся якорем.
Выводы
1. Выявлены особенности работы пневматических клапаном с ЭМП, имеющим внешний плоский якорь.
2. Разработана типовая методика расчета ЭМП с внешним плоским якорем, внедренная в ЗАО «Киевское центральное конструкторское бюро арматуростроения».
Список использованной литературы
1. Гордон А. В. Электромагниты постоянного тока / А.В. Гордон, А.Г. Сливинская. – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1960. – 446 с.
2. Русин Ю. С. Расчет электромагнитных систем – Л.: Энергия, 1968. – 131 с.
3. Никитенко А. Г. Проектирование оптимальных электромагнитных механизмов. –М.: Энергия, 1974. – 136 с.
4. Код Б. Э. Электромагниты постоянного тока с форсировкой. – М.: Энергия, 1973. – 80 с.
5. Любчик М. А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. – М.: Энергия, 1974. – 392 с.
6. Пеккер И. И., Комиссаров В. М. Расчет втяжного электромагнита с двумя рабочими зазорами. — Электротехника, 1980, № 4, с. 53–55.
7. Лобов Б.Н., Никитенко А.Г. Влияние геометрических соотношений на динамические характеристики электромагнита с внешним поворотным якорем // Электротехническая промышленность. Серийные аппараты низкого напряжения. – 1977, №1(59). – С. 7–11.
| 
