A dynamic analysis of a vibratory electromagnetic drive powered from a half-wave rectifier
Abstract
The urgency of the present study is stemming from the need to improve and extend the capabilities of dynamic calculation for solving the comprehensive problem of analyzing and synthesizing a vibratory electromagnetic drive applied in engineering systems for exciting low-frequency oscillations and vibrations. A single-mass vibratory system with an electromagnetic drive is considered as a studied subject. The drive is powered from a sine-wave voltage source through a half-wave rectifier. The electric drive’s dynamic model is represented by differential equations written for the electrical balance of a non-linear circuit and equations constructed for a mechanical system with spring linkages in accordance with the d'Alambert principle. To implement the model, the arrays of flux linkage and electromagnetic force values were calculated using the finite-element magnetic field modeling techniques with varying the current and the armature position coordinate, which afterwards were interpolated in calculating the electromagnetic drive dynamics. The model’s distinctive feature lies in its ability to take into account the interrelated electromechanical processes in transient and steady-state modes of operation, including the magnetic circuit nonlinearity, leakage fluxes, properties of elastic links, friction, external actions, and power loss in the electromagnetic drive’s electrical and mechanical subsystems. An example of calculating periodic electromechanical processes is presented as an illustration of the dynamic model capabilities for comprehensively analyzing the working processes in transient and quasi steady-state modes using the structural modeling methods and tools in the Matlab Simulink environment. It is determined that the dynamic analysis accuracy depends to a significant extent on how accurately the mechanical characteristics of elastic links and sliding friction forces are represented by their mathematical models. The electric drive performance characteristics are obtained from the developed dynamical model. The computer simulation results are compared with the physical experiment data. The results obtained from implementing the dynamical model and the possibilities of calculating the performance characteristics can also be widely used for other types of machines and devices fitted with reciprocated electromagnetic drives.
References
2. Ивашин В.В., Кудинов А.К., Певчев В.П. Электромагнитные привода для импульсных и виброимпульсных технологий // Известия вузов. Серия «Электромеханика». 2012. № 1. С. 72—75.
3. Нейман Л.А. Синхронный электромагнитный механизм для виброударного технологического оборудования // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № 6 (207). С. 17—19.
4. Усанов К.М., Угаров Г.Г., Мошкин В.И. Линейный импульсный электромагнитный привод машин с автономным питанием. Курган: Изд-во Курганского ун-та, 2006.
5. Аксютин В.А. и др. Прессовое оборудование с линейным электромагнитным приводом для механизации технологических процессов ударной сборки и штамповки мелких изделий // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. №2. С. 220—224.
6. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Низкочастотные ударные электромагнитные машины и технологии // Актуальные проблемы в машиностроении. 2014. № 1. С. 256—259.
7. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Линейные синхронные электромагнитные машины для низкочастотных ударных технологий // Электротехника. 2014. № 12. С. 45—49.
8. Мошкин В.И. К расчету усилия удержания интегрированного линейного электромагнитного двигателя // Электротехника. 2013. № 8. С. 60—64.
9. Кудинов А.К., Певчев В.П. Составление схем замещения электромагнитных систем // Электротехника. 2012. № 3. С. 32—36.
10. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Применение метода проводимостей для учета силы одностороннего магнитного притяжения асимметричного электромагнита // Вестник Иркутского государственного технического ун-та. 2015. № 2 (97). С. 214—218.
11. Малинин Л.И., Нейман В.Ю. Предельные силовые характеристики электромагнитных двигателей постоянного тока // Электротехника. 2009. № 12. С. 61—67.
12. Соловейчик Ю.Г. и др. Оптимизация геометрии линейных электромагнитных двигателей с использованием конечноэлементного моделирования магнитного поля // Известия вузов. Серия Электромеханика. 2005. № 2. С. 24—28.
13. Нейман Л.А., Нейман В.Ю., Шабанов А.С. Упрощенный расчет электромагнитного ударного привода в повторно-кратковременном режиме работы // Электротехника. 2014. № 12. С. 50–53.
14. Мошкин В.И., Егоров А.А., Угаров Г.Г. Исследование режимов форсированного аккумулирования магнитной энергии в импульсных линейных электромагнитных двигателях // Вестник Саратовского государственного технического ун-та. 2006. Т. 1. № 1. С. 39—44.
15. Ивашин В.В., Певчев В.П. Особенности динамики работы и энергетических диаграмм импульсного электромагнитного привода при параллельном и последовательном соединении обмоток возбуждения // Электротехника. 2013. № 6. С. 42—46.
16. Нейман Л.А. Приближенный расчет цикличного электромагнитного привода с учтенным начальным превышением температуры в переходном тепловом процессе нагрева // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2014. № 1 (22). С. 113—122.
17. Нейман Л.А. Оценка перегрузочной способности ударного электромагнитного привода по средней температуре перегрева в переходных режимах // Известия вузов. Серия Электромеханика. 2013. № 6. С. 58—61.
18. Соловейчик Ю.Г., Персова М.Г., Нейман В.Ю. Конечноэлементное моделирование электродинамических процессов в линейном электромагнитном двигателе // Электричество. 2004. № 10. С. 43—52.
19. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Mоделирование динамических процессов в электромагнитных преобразователях энергии для систем генерирования силовых воздействий и низкочастотных вибраций // Известия Томского политехнического ун-та. 2015. Т. 326.№ 4. С. 154—162.
20. Бахвалов Ю.А. и др. Расчет динамики включения электромагнита постоянного тока // Электротехника. 1982. № 1. С. 48—51.
21. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM. М.: Изд. центр «Академия», 2005.
22. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008.
23. Нейман В.Ю., Нейман Л.А., Петрова А.А. Расчет показателя экономичности силового электромагнита постоянного тока с помощью моделирования магнитного поля // Транспорт: наука, техника, управление. 2008. № 6. С. 21—24.
24. Нейман Л.А., Щуров Н.И. К учету аналогов механических характеристик модели электромагнитного привода колебательного движения // Фундаментальные проблемы науки. 2015. С. 43—51.
