repead.ru 1 2


Оглавление


Введение



В настоящее время в области взрывательной техники существует проблема разработки миниатюрного источника питания (ИП) для электромеханических взрывателей в составе 30 и 40-мм гранатомётных выстрелов.

Условия действия (и активации) таких ИП определяются характеристикой гранатомётных выстрелов: осевой перегрузкой (максимальной) до 30–50 тыс. единиц, угловой скоростью вращения гранаты (13,2–15,5)·103 об/мин.

Наиболее приемлемыми из существующих ИП в рассматриваемом случае являются:

магнитоэлектрический генератор (МЭГ), действующий при размыкании магнитной цепи (для размыкания используется линейная сила инерции, возникающая при выстреле и вызывающая перемещение якоря и указанное размыкание с преодолением при этом силы притяжения якоря к деталям арматуры генератора);

пьезоэлектрический генератор (ПЭГ), действующий при сжатии пьезоэлемента (для сжатия используется линейная сила инерции, возникающая при выстреле и вызывающая давление инерционной детали на пьезоэлемент);

электрохимический ампульный ИП, активизирующийся при выстреле (при этом линейная сила инерции, возникающая при выстреле, вызывает оседание стеклянной ампулы с преодолением силы сопротивления предохранительного элемента, ампула разбивается о наковальню, и жидкий электролит под действием центробежных сил заполняет междуэлектродное пространство ИП).

Сравнивая эти ИП между собой, следует отметить, что ампульный имеет время выхода на рабочий режим около 0,1 с, причём даже при очень большой скорости вращения боеприпаса – несколько десятков тыс. об/мин. Указанное время соизмеримо с требуемым временем взведения для гранатомётного выстрела, что крайне затрудняет применение данного ИП в рассматриваемом случае.

Что касается ПЭГа и МЭГа, то они является импульсными ИП – вырабатывают импульс электрического напряжения на выходе. Поэтому эти ИП должны применяться в сочетании с аккумулирующим конденсатором, заряжающимся при выстреле от импульсного ИП и служащим после выстрела вторичным источником, обеспечивающим действие электрической схемы взрывателя. Однако зарядка конденсатора от ПЭГа затруднена большим внутренним сопротивлением ПЭГа: зарядный ток мал, конденсатор заряжается медленно, что снижает КПД ИП.



МЭГ свободен от вышеуказанных недостатков. Поэтому ему может быть отдано предпочтение при выборе ИП для взрывателей гранатомётных выстрелов. Вместе с тем, несмотря на довольно широкое применение МЭГа (его конструктивных разновидностей) во взрывательной технике, его применение во взрывателях для гранатомётного выстрела не является беспроблемным, поскольку очень мал объём (6-8 см3), который может быть выделен в указанных взрывателях, для размещения ИП.

1. Анализ состояния вопросов (задач) по проектированию
магнитоэлектрических генераторов


1.1. Классификация источников питания


В зависимости от типа и вида БП в ВУ для питания электрических цепей используется бортовой внешний источник питания (ИП) или самостоятельный, внутренний ИП. В качестве внутреннего ИП для ВУ нашли применение практически все существующие источники электрической энергии.

Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.

http://diplomrus.ru/raboti/29161

По степени готовности все ИП делятся на две группы: источники с постоянной готовностью (аккумуляторы) и источники с задержкой выдачи электрической энергии.

К источникам питания ВУ предъявляются как общие требования, характерные для ВУ, так и ряд специальных требований:

1) мощность источника P=i2.R=i.U на сопротивлении нагрузки R;

2) удельная энергия и удельная мощность по массе или объёму источника;

3) готовность источника – время от момента подачи команды на запуск источника до момента достижения требуемых параметров;

4) тип механизма задействования источника;

5) вероятность безотказной работы;

6)срок сохранности свойств источника;


7)возможность контроля;

8) стоимость источника.


1.1.1. Химические источники энергии


В качестве химических источников энергии используются аккумуляторы, батареи с жидким электролитом (ампульные батареи) или с твёрдым электролитом.

Батареи с жидким или твёрдым электролитом относятся к гальваническим элементам однократного действия, в которых вследствие электрохимической реакции в электролите выделяется электрическая энергия. При этом реакция осуществляется после принудительной активации и транспортировании жидкого электролита из ампульного сосуда в межэлектродную полость или расплавления твёрдого электролита.

Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.

http://diplomrus.ru/raboti/29161

В зависимости от электролита различают кислотные (свинцовый аккумулятор) и щёлочные. К последним относятся никель-железные, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы. Кроме того, существуют аккумуляторы с твёрдым электролитом. У серебряно-свинцовых положительным электродом служат оксиды серебра, отрицательным – кадмий. ЭДС составляет 1,1–0,9 В, максимальная плотность тока – 300-500 А/м2, удельная энергия – 60–70 Втч/кг, число циклов зарядки-разрядки – 50–500. У серебряно-цинковых аккумуляторов отрицательным электродом является цинк, ЭДС – 1,7–1,4 В, максимальная плотность тока 1000–2000 А/м2, удельная энергия 100–120 Втч/кг, число циклов – 100.

Применение аккумуляторов во взрывателях к выстрелам малого калибра сдерживается необходимостью разработки специального устройства зарядки и подзарядки аккумуляторов в процессе хранения боеприпасов (срок хранения литиевых батареек не более 10 лет), ограниченным температурным диапазоном работы и высокой стоимостью аккумуляторов с учётом массовости производства боеприпасов малого калибра и взрывателей к ним.



1.1.2. Электромеханические источники энергии Турбогенераторы


Турбогенератор представляет собой воздушную микротурбину, расположенную в головной части снаряда и приводимую в движение набегающим потоком воздуха.

Основные преимущества турбогенераторов по сравнению с другими источниками питания ВУ:

1) высокая степень безопасности в служебном обращении и возможность обеспечения дальнего взведения ВУ;

2) обеспечение достаточной мощности и энергии для ВУ в течение всего времени полёта снаряда;

3) возможность многократной проверки работоспособность в лабораторных условиях;

4) длительный срок хранения;

5) высокая помехоустойчивость к электромагнитным и радиационным воздействиям.

К недостаткам турбогенераторов следует отнести: задержку выхода на режим, относительную сложность и высокую стоимость, зависимость работоспособности от метеоусловий (дождя, тумана, града и т.п.), трудность герметизации.

Несмотря на указанные недостатки, турбогенераторы нашли широкое применение в ВУ. Объём типовых турбогенераторов не превышает 5-10 см3, выходная мощность достигает 6 Вт, напряжение на нагрузке 1 кОм – 40 В.

Одна из конструкций турбогенераторов для ВУ показана на рис. 1.1.


Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.

http://diplomrus.ru/raboti/29161


Рис. 1.1. Турбогенератор:

1 – ветрянка, 2 – магнит, 3, 4 – детали магнитопровода, 5 – обмотка, 6 – корпус, 7 – подшипник,

8 – подпятник, 9 – шарик, 10 – ротор, 11 – пластинчатая пружина

Турбогенератор состоит из ротора с ветрянкой 1 с двумя постоянными магнитами 2 и статора, размещённого в корпусе 6 и состоящего из трубчатого кожуха из магнитной стали, внутри которого находится обмотка 5. Под действием набегающего воздушного потока происходит раскручивание ветрянки, вследствие чего меняется сопротивление магнитной цепи арматуры и в обмотке наводится импульс ЭДС. Величина e определяется по формуле [2]


,

где ω – число витков обмотки, D0 – средний диаметр обмотки, рп – число полюсов выступов кожуха, n – число оборотов ветрянки, xp – угловое расстояние между выступами, kп – коэффициент потерь.

В целом из-за указанных выше недостатков турбогенераторы не применимы в качестве ИП во взрывателях к гранатомётному выстрелу.


Импульсные магнитоэлектрические генераторы


Наибольший практический интерес, особенно в качестве источников питания взрывателей к боеприпасам малого калибра, представляют, по-видимому, импульсные магнитоэлектрические генераторы, обладающие малыми габаритами и стоимостью, высокой прочностью и надёжностью, большим сроком сохранности свойств и устойчивостью к помехам любого рода.

Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.

http://diplomrus.ru/raboti/29161

Электромагнитные генераторы вращающихся БП имеют обмотку и магнитную систему. Одна из частей генератора (магнит или деталь арматуры) может вращаться относительно другой под действием угловой скорости вращения БП. В результате изменяется магнитный поток, пронизывающий обмотку, в котором генерируется ЭДС. На рис. 1.3 показан генератор, использующий угловое ускорение БП. Он состоит из системы неподвижных обмоток, неподвижного магнита с кольцевой выточкой, намагниченного по торцам. В кольцевой выточке находится ферромагнитный шарик. В момент выстрела в результате углового ускорения снаряда начинается перемещение шарика по круговой орбите относительно магнита. Это перемещение вызывает изменение магнитного потока, порождающее ЭДС в обмотке.





Рис. 1.3. Генератор, использующий угловое ускорение:

1 – каркас, 2 – магнит, 3 – шарик, 4 – система катушек


Импульсные пьезоэлектрические генераторы


Сущность работы пьезоэлектрических генераторов основана на использовании пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в генерировании импульса электрического напряжения на обкладках пьезоэлемента при его ударном сжатии.

В качестве пьезоэлементов в генераторах используются пьезокерамические материалы из титаната бария или цирконата-титаната свинца, перспективные марки керамики типа ПКЛ-1.Возможно также использование пьезопластмасс и пьезоплёнок. Пьезопластмасса – двухкомпонентная смесь, связующий компонент в которой полипропилен, полиэтилен или фторопласт, а наполнитель – порошкообразный пьезокерамический материал типа ЦТС.

Пьезопластмассовые генераторы более технологичны по сравнению с используемыми в настоящее время керамическими пьезоэлементами, так как пьезопластмасса может непосредственно впрессовываться в металлическую арматуру, являющуюся внешним и внутренним электродами датчика. Дальнейшим развитием этого принципа является создание пьезоплёнки, которая может покрывать выступающие части боеприпаса.

Основными трудностями при применении пьезоэлектрических генераторов в качестве источников питания во взрывателях к боеприпасам малого калибра является высокое напряжение (около 1 кВ и выше), вырабатываемое данным генератором, и его высокое внутреннее сопротивление, что требует принятия специальных мер по электрической изоляции цепи взрывателя. При этом приходится использовать в схемах делитель напряжения или для понижения напряжения, вырабатываемого генератором, разбивать пьезоэлемент на пьезошайбы, соединяемые параллельно, что понижает технологичность данного изделия и удорожает производство взрывателя. Следует также отметить, что из-за высокого внутреннего сопротивления аккумулирующий конденсатор может не успеть зарядиться до требуемого напряжения при выстреле. Однако в целом пьезоэлектрические генераторы могут использоваться в качестве источников питания во взрывателях к боеприпасам малого калибра.



Струйные генераторы


Струйные генераторы (СГ) построены на принципе использования набегающего воздушного потока для приведения в действие пластины генератора. Ферромагнитная пластина является подвижным элементом (якорем) магнитной системы. Колебания пластины вызывают изменение магнитного сопротивления системы, в результате в обмотке наводится импульс ЭДС. В отличие от турбогенераторов, имеющих, как правило, выступающую турбинку, пластина генератора (вместе с магнитной системой) находится внутри ВУ. Генератор при этом отличается исключительной простотой.

Струйный генератор обеспечивает питанием электронную схему ВУ в течение всего времени полёта изделия, и поэтому может быть использован для построения ступени предохранения ВУ. С другой стороны, при встрече с преградой прекращение работы генератора может быть использовано для построения КДЦ.

Конструкция одного из СГ показана на рис. 1.4. Генератор состоит из корпуса 3, в котором помещён магнитоэлектрический генератор, состоящий из обмотки 2 и магнита 1. Сверху в корпус ввинчена втулка 5. В наружной расточке корпуса над генератором лежит ферромагнитная пластина 4, удерживаемая силой магнитного притяжения к магниту.



Рис. 1.4. Струйный генератор:

1 – магнит, 2 – обмотка, 3 – корпус, 4 – ферромагнитная мембрана, 5 – втулка

В полёте под действием набегающего потока струя воздуха поступает в центральный канал во втулке 5 и затем через зазор между втулкой и корпусом выходит через боковые отверстия в корпусе наружу. Согласно принципу Бернулли, при перемещении струи воздуха с определённой скоростью от центра к краю корпуса в зазоре образуется атмосферное разряжение воздуха. Перепад давления заставляет мембрану двигаться вверх. При достижении мембраной нижнего торца втулки происходит перекрытие центрального канала. Разрежение прекращается, и скоростной напор воздушного потока отбрасывает мембрану вниз. Цикл повторяется.


Уравнение движения мембраны в поле сил аэродинамического давления и магнитного притяжения имеет вид [2]

,

где F1(t) – сила, обусловленная давлением разрежения, F2(x) – сила магнитного притяжения, Fт – сила трения при перемещении мембраны в расточке.

Определение величины F1(t) является сложной аэродинамической задачей, для решения которой необходимо знать характеристики распределения скоростей в каналах вдоль и поперёк струи, потери в центральном канале и при повороте струи др.

Один из возможных методов определения величин и сил давления струи на мембрану – метод конформных отображений для решения задач плоских разрывных течений [3].

Определение силы F1(t) осложняется влиянием силы магнитного притяжения F2(x). Поэтому в первом приближении ЭДС e(t), вырабатываемая генератором на нагрузку rн, рассчитывается при известном законе перемещения мембраны, т.е. предполагаются известными скорость Vм(t) и путь xм(t) перемещения мембраны при определённой скорости V0 набегающего воздушного потока.

Согласно [3] ЭДС e(t) определяется как

.

Ток, вырабатываемый генератором, определяется выражением вида

,

тогда, если пренебречь членом , то можно записать


,

тогда ,

где ω – число витков обмотки, kп – коэффициент потерь, Ф0 – начальный магнитный поток, Δ1 – первоначальное расстояние между мембраной и торцом магнита, а1 – коэффициент, учитывающий затухание по оси потока х, , , .

Однако во взрывателях к гранатомётному выстрелу данный вид источника питания пока не применим в связи с ограниченным объёмом источника питания во взрывателе, требованиями по его герметизации.


1.1.3.Термоэлектрические источники энергии


Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.

http://diplomrus.ru/raboti/29161

5. При достаточно высокой крутизне и малой длительности импульсов ЭДС и тока может возникнуть необходимость учета также и паразитных параметров обмотки генератора: емкостей, дополнительных индуктивностей рассеяния и соответствующих параметров внешней цепи.

Отмеченные положения обуславливают достаточную сложность решения задачи расчета рабочих переходных электромагнитных процессов в цепях генераторов и задачи выбора оптимальных параметров и основных конструктивных размеров генераторов при их проектировании.


Уравнение баланса энергии

Составим уравнение баланса энергии в электромагнитной системе генератора в следующей форме [5]:


,

где dA – приращение энергии подводимого к генератору внешнего импульса, т.е. элементарная работа внешних сил, изменяющих конфигурацию магнитной системы,
dWm – приращение энергии магнитного поля в генераторе, dWu – приращение энергии, выделяемой в электрической цепи генератора в форме потерь энергии в сопротивлениях dWa и энергии электрического поля в ёмкостях dWc.

.

Приращение энергии магнитного поля в генераторе состоит:

,

где dWmм – приращение энергии магнитного поля в объёме магнита, dWmя – приращение энергии поля в магнитопроводах генератора (в ярме, якоре и других элементах), dWmв – приращение энергии поля в области эквивалентного воздушного зазора.

Под эквивалентным воздушным зазором понимается зазор, заменяющий совокупность:

1) действительных воздушных зазоров в стыках поверхностей магнитов, ярма, якоря, обусловленных допусками на обработку и неточностью обработки этих деталей, в дальнейшем называемых технологическими зазорами;

2) действительных рабочих зазоров, образующихся в ходе относительных перемещений деталей магнитной системы;

3) областей, заполненных потоками рассеяния.

Приращение магнитной энергии в области какого-нибудь участка магнитной цепи, как известно, может быть выражено в форме:

,

где F – намагничивающая сила (н.с.) на данном участке, dФ – приращение магнитного потока.


Тогда согласно [5] dWu можно записать следующим образом

,

Уравнение (1.4) позволяет раскрыть энергетическую сторону процесса срабатывания импульсного магнитоэлектрического генератора. Приращение используемой энергии в электрической цепи генератора равно убыли энергии в его магнитной цепи.

Внешняя механическая энергия, подводимая к генератору в связи с изменением конфигурации магнитной системы, локализуется в области эквивалентного воздушного зазора и освобождается, частично преобразуясь в используемую электромагнитную энергию Wu и частично компенсируя небаланс в изменениях энергии магнита и магнитопроводах генератора (убыль энергии магнита отрицательная, а убыли энергии в области воздушного зазора и магнитопроводов положительны).

Конечная величина энергии Wu, выделившейся в электрической цепи генератора в течение некоторого времени его действия, выразится уравнением

,

где Фм0, Фя0, Фв0 – начальные значения магнитного потока в магните, магнитопроводах генератора (ярме и якоре) и в воздушном зазоре, Фмk, Фяk, Фвk – соответственно конечные значения потоков.

Если принять за Фм, Фя, Фв те составляющие соответствующих потоков, которые сцепляются с обмоткой генератора и положить, что Фм=Фя=Фв=Ф, то


, (1.1)

так как

,

где Ф0 – значение магнитного потока генератора, сцепляющегося с обмоткой в начальный момент процесса, Фk – значение магнитного потока генератора, сцепляющегося с обмоткой в конечный момент рассматриваемого диапазона процесса, ω – число витков обмотки генератора, i – ток переходного процесса в электрической цепи генератора, l – длина замкнутого контура в магнитной цепи.


Электромагнитная энергетическая диаграмма генератора


Энергетические зависимости, имеющие место в процессе срабатывания генератора, могут быть наиболее точно отображены путем построения электромагнитной энергетической диаграммы (рис. 1.7).

На диаграмме наносятся: кривая размагничивания магнита Фм (Fм) и ряд зеркально отображённых относительно оси ординат кривых намагничивания остальной части магнитной цепи (арматуры генератора) Фа (Fa), включая и воздушные зазоры, построенных для ряда соответствующих положений подвижного элемента.




Рис. 1.7. Электромагнитная энергетическая диаграмма генератора:

Ф – магнитный поток, F – намагничивающая (магнитодвижущая) сила (на основе ряда последовательных расчётов магнитной цепи генератора при различных положениях подвижного элемента)

Точки пересечения с0, с1,…, сk кривых Фа (Fa) с кривой Фм (Fм) отвечают ряду магнитных состояний генератора при отсутствии тока в обмотке, т.е. при разомкнутой электрической цепи.


При замкнутой электрической цепи генератора ток, протекающий в обмотке, в силу принципа электромагнитной инерции, создаёт магнитное поле, которое накладывается на убывающее поле магнита и задерживает уменьшение магнитного потока генератора.

Принцип электромагнитной инерции проявляется наиболее полно в электрических цепях при сопротивлении, равном нулю. Если бы сопротивление электрической цепи генератора, как внешней цепи, так и обмотки, было равно нулю, т.е. если бы осуществить идеальный режим короткого замыкания, то при этих условиях магнитный поток генератора, сцепляющийся с обмоткой, должен был бы остаться неизменным и равным начальному потоку генератора Ф0 при любом перемещении подвижного элемента.

Иными словами, убыль потока магнита была бы компенсирована приращением магнитного потока, создаваемого током. При этом магнитному состоянию магнита отвечала бы точка с0 , а магнитному состоянию арматуры генератора – точки g1, g2,…, gk в зависимости от перемещения подвижного элемента. В самом деле, так как магнитный поток оставался бы неизменным, то все точки должны были бы лежать на прямой d0c0gk.

С другой стороны, по закону полного тока



или

.

Так как величина н.с. магнита отрицательна, а н.с. арматуры генератора и н.с. обмотки положительны, то по абсолютным величинам:

.

Следовательно, отрезки , ,…, изображают намагничивающую силу арматуры генератора Fа, а отрезки , ,…, изображают в том же масштабе соответствующие н.с., созданные током в обмотке.


Итак, при режиме холостого хода генератора магнитные состояния магнита и арматуры генератора будут соответствовать точкам c0, с1,…, сk, при воображаемом режиме короткого замыкания магнитные состояния арматуры соответствуют точкам g1, g2,…, gk, а магнитное состояние магнита – точке с0.

В любом действительном режиме работы генератора при некотором конечном значении сопротивления электрической цепи генератора будет иметь место ряд промежуточных магнитных состояний, которые будут

определяться для магнита точками b1, b2,…, bk, для арматуры генератора точками a1, a2,…, ak.

Обратимся к рис. 1.8, на котором в большем масштабе представлена часть диаграммы рис. 1.7.




Рис. 1.8. Энергетическая диаграмма генератора


Отрезок изображает собой убыль магнитного потока генератора, созданного постоянным магнитом, в течение первого интервала времени , соответствующего перемещению подвижного элемента .

Отрезок изображает приращение магнитного потока , созданного током, а отрезок соответствует убыли суммарного магнитного потока генератора за первый интервал процесса.


Отрезок изображает н.с. обмотки генератора в конце первого интервала процесса.

Величина будет зависеть от параметров электрической и магнитной цепей генератора, от величины и скорости перемещения якоря.

Для второго интервала процесса аналогичные состояния и величины будут определяться по точкам a2, b2, d2, p2, для n-го интервала – рис. 1.7.

Поток генератора Фn будет измеряться

,

н.с. магнита (по абсолютной величине) будет измеряться

,

н.с. арматуры генератора будет измеряться

,

и н.с. обмотки генератора с током in

.

Таким образом, нахождение на диаграмме точек an и bn позволяет найти величину тока i генератора в момент времени tn при перемещении якоря на величину zn.

Построение электромагнитной диаграммы (рис. 1.7) в целом, т.е. нахождение совокупности точек an, означало бы решение задачи расчета переходного процесса в генераторе.

Более того, построение диаграммы одновременно давало бы возможность определения количества энергии, выделившейся к данному моменту времени в цепи генератора.


Электромагнитная диаграмма генератора, изображенная на рис. 1.7, имеет и энергетическое содержание.

Согласно (1.1) полная электромагнитная энергия генератора, выделяемая в его электрической цепи, равна:

.

Кривая, проведённая через точки с0, а1, а2,…, аk, является графиком функции , построенным относительно криволинейной оси Фм (Fм). Нетрудно видеть, что площадь фигуры с0а1а2,…аn аkсkс0, заключённая между кривыми Фм (Fм) и , с учётом масштабов, принятых для построения, измеряет величину интеграла

.

Таким образом, величина энергии Wu может быть определена при построении электромагнитной диаграммы.


1.3. Общая классификация импульсных магнитоэлектрических генераторов


Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.

http://diplomrus.ru/raboti/29161

Таблица 1.6

Физико-механические свойства редкоземельных магнитов

Наименование параметра

Марка материала


NdFeB

SmCo5

Sm2Co17

Плотность, г/см3

7,4...7,5

8,3…8,5

8,3…8,5

Температура Кюри, 0С

310...320

740…750

820...830

Температурный коэффициент магнитной индукции ТКИм, %/0С:

от -40 до +20 0С,

от +20 до +150 0С



-0,1

-0,12



-0,045

-0,045



-0,03

-0,03

Температурный коэффициент коэрцитивной силы по намагниченности ТКНм, %/0С:

от -40 до +20 0С,

от +20 до +150 0С



-0,6

-0,8



-0,3

-0,3



-0,22

-0,22

Удельное сопротивление, Ом·м·10-6

1,5...1,6


0,5…0,6

0,85…0,9

Коэффициент теплового расширения, К-1·10-6.

Вдоль направления магнитной анизотропии

Поперек направления магнитной анизотропии


(3,4...5)

(от 1 до
-4,8)


11

8


6

11

Предел прочности, МПа:

на изгиб

на сжатие

на растяжение


200...270

1050

70...90


Продолжение таблицы 1.6





35…45






30…40

Твердость по HRC

50...70

50…70

50...70




Рис. 1.12. Характерные кривые размагничивания редкоземельных магнитов:

1 – НМ 200/1800, 2 – НМ 240/1440, 2 – НМ 245/1360, 4 – НМ 240/1400, 5 – HМ 130/1000, 6 – НМ 270/1150,

7 – НМ 240/1200, 8 – НМ 285/850


Материалы магнитотвердые деформируемые

Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.


http://diplomrus.ru/raboti/29161

Результаты указанного анализа приведены в табл. 2.1. В связи с полученными результатами следует отметить, что №№ п. 1, 5 и 9 соответствуют случаям согласования (равенства) реактивных сопротивлений генератора и нагрузки: , где ω – циклическая частота (псевдочастота) ЭДС генератора, определяемая при длительности импульса ЭДС, равной tи, как .


Таблица 2.1

Параметры и показатели действия МЭГа

№ п/п

w

dп, мм

R, Ом

Lсредн, мГн

C, мкФ

ε0, В

i0, А

U0, В

W0, мДж

1

275

0,10

19,3

14,0

1

215

1,03

146

10,7


2

3

1,18

81

9,7

3

14

1,28

31

6,7

4

150

0,15

4,7

4,1

1

117

1,82

138

9,6

5

3

1,87

86

11,2

6

14

2,27

38

10,0

7

70

0,20

1,2

0,9

1

55

2,20

88

3,9

8

3

3,56

73

8,0

9

14

3,97

39

10,8



В этих случаях аккумулирующие конденсаторы заряжаются до максимально возможной энергии ( мДж), почти одинаковой для указанных случаев (при различных значениях C). В остальных случаях (при других сочетаниях значений C, L, R) величина W0 не достигает максимально возможного значения.

На основе качественного (физического) и количественного (расчётного) анализа ИП, представляющего собой импульсный МЭГ (с размыканием его магнитной цепи при действии) в сочетании с аккумулирующим конденсатором, можно сделать следующие выводы:


  1. При постоянной энергии, выделяемой постоянным магнитом в магнитной цепи генератора (при определённых и постоянных геометрических и физических параметрах магнитной системы и при определённых показателях движения якоря), остаётся постоянной и величина энергии (и мощности), вырабатываемой МЭГом, независимо от числа витков обмотки генератора w (и, следовательно, от диаметра провода обмотки) при условии постоянства площади окна обмотки, поскольку время импульса ЭДС, вырабатываемой генератором, остаётся практически почти постоянным.
  2. Максимальная энергия, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, т.е. аккумулирующему конденсатору и возможная при условии согласования (равенства) реактивных сопротивлений генератора и нагрузки, равна разности между энергией магнитной системы генератора и энергией, теряемой в обмотке (эта энергия пропорциональна отношению , где и , т.е. не зависит от w). Следовательно, при указанном выше постоянстве двух последних энергий, сохраняемом при изменении числа витков обмотки w, энергия, накапливаемая на аккумулирующем конденсаторе, остаётся постоянной независимо от числа витков обмотки и от ёмкости этого конденсатора.


  3. Показатели источника питания (МЭГа в сочетании с аккумулирующим конденсатором): , ε0, , i0, , U0, при его проектировании могут легко варьироваться для получения требуемых их значений путём изменения числа витков обмотки при постоянной площади окна обмотки и полном его заполнении проводом, что позволяет создать типоразмерный ряд источников питания, причём каждому типоразмеру может соответствовать группа ИП с различными физическими и функциональными параметрами: w, dп, R, L, C, ε0, i0, U0, W.

  4. При увеличении числа витков обмотки w увеличивается время заряда аккумулирующего конденсатора.

Таким образом, приведённый выше пример расчёта МЭГа, действующего при размыкании его магнитной цепи, показывает, во-первых, практическую применимость методики проектирования МЭГов указанного типа, и, во-вторых, возможность и целесообразность использования такого МЭГа в сочетании с аккумулирующим конденсатором в качестве ИП для взрывателей гранатомётных выстрелов с удовлетворением при этом требований по миниатюризации ИП.

2.2. Методы теории поля. Расчёт магнитоэлектрических генераторов в пакете прикладных программ FEMM


Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.

http://diplomrus.ru/raboti/29161

Значения частот, используемых обычно в классических электротехнических устройствах (трансформаторах, электродвигателях и генераторах, электромеханических аппаратах), позволяют пренебречь токами смещения. Поэтому далее будем полагать JD=0 для всех типов полей. При этом суммарная плотность тока проводимости


.

Здесь напряжённость электрического поля

,

где Eext определяется из уравнения (2.15), а .

Будем пока считать, что механическое движение отсутствует (, поэтому ).

Связь между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля определяется выражением

, (2.16)

где μ – абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м – магнитная постоянная (абсолютная магнитная проницаемость вакуума), М – намагниченность.

Абсолютная проницаемость в общем случае может быть тензором (её значения могут зависеть от направления намагничивания).

Уравнение (2.16) предполагает расчёт по основной кривой намагничивания материала, которая снимается при симметричном намагничивании (от –H до +H и наоборот). При несимметричном намагничивании (от 0 до +H и наоборот), а также для систем с постоянными магнитами используется формула

, (2.17)

где Br – остаточная индукция, μ – абсолютная магнитная проницаемость, в общем случае отличная от μ в формуле (2.16), она также может быть тензором, тоже зависит от температуры, частоты и напряжённости магнитного поля.


В программе ANSYS используется аналогичная формула:

, (2.18)

где [μ] – матрица абсолютной магнитной проницаемости, учитывающая её зависимость от температуры θ и/или напряжённости магнитного поля H, Mr – вектор остаточной намагниченности.

Связь между плотностью электрического потока D и напряжённостью электрического поля E определяется выражением:

,

где ε – абсолютная диэлектрическая проницаемость, в общем случае может быть тензором, ε0 – электрическая постоянная, P – поляризованность.


Виды электромагнитного поля


Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.

http://diplomrus.ru/raboti/29161

Поле, в котором эффект излучения и ток смещения нужно учитывать, будем называть быстропеременным. Эффектом запаздывания можно пренебречь, если линейные размеры устройства много меньше длины электромагнитной волны. Большинство электромагнитных полей электротехнических устройств, работающих на промышленной частоте, можно отнести к квазистационарным.

Нестационарным электромагнитным полем будем называть любое из перечисленных, но в переходных (нестационарных) режимах. Например, поле электромагнита постоянного (и переменного тока) в процессе его срабатывания от момента подачи напряжения на обмотку до установления тока в обмотке, включая процесс движения якоря.

Рассмотрим стационарное магнитное поле.

Стационарное магнитное поле – магнитное поле, постоянное во времени. Источниками такого поля (далее просто источниками) являются постоянные токи в проводниках, обмотках; постоянные магниты. В зависимости от того, расположены источники вне рассматриваемой области поля или внутри ее, стационарное магнитное поле можно описать либо с помощью скалярного потенциала φм, либо с помощью векторного потенциала А.


Рассмотрим стационарное магнитное поле при отсутствии источников (источники расположены вне рассматриваемой области). Поскольку в этом случае J=0, из (2.11)

. (2.19)

Уравнение (2.19) показывает, что при J=0 стационарное магнитное поле является безвихревым, а значит, может быть охарактеризовано скалярным магнитным потенциалом φм:

. (2.20)

При этом остаются справедливыми уравнения (2.13) и (2.16), а для систем с постоянными магнитами – (2.17) или (2.18).

Дифференциальное уравнение для расчета стационарного магнитного поля можно получить, если взять дивергенцию от левой и правой частей уравнения (2.17):

.

Учитывая (2.20), получим основное уравнение для расчета стационарного магнитного поля при отсутствии источников:

. (2.21)

Это уравнение можно решить относительно φм численными методами, по (2.20) найти Н, а по (2.17) или (2.18) — магнитную индукцию В. Если поле создается внешними источниками в воздухе (с магнитной проницаемостью μ=μ0) и отсутствует остаточная намагниченность, то (2.21) упрощается, так как μ0 можно вынести за знак дивергенции и привести к нулю divBr:

.

Окончательно получаем уравнение Лапласа:

или . (2.22)


Рассмотрим стационарное магнитное поле при наличии проводников с током. При наличии проводников с током, а также в случае и J=Jext для описания стационарного (магнитного) поля нужны следующие уравнения:

rotH=Jext, (2.23)

divB=0,

В=μ·Н. (2.24)

Уравнение (2.23) показывает, что при наличии проводников с током стационарное магнитное поле является вихревым. Если в устройствах с этим полем используются постоянные магниты или материалы со значительными величинами остаточного намагничивания, то вместо (2.24) следует использовать (2.17), которое представим в виде

. (2.25)

Возьмем ротор левой и правой частей уравнения (2.25), получим

. (2.26)

Расчет этого поля обычно упрощается после введения специальной переменной –векторного потенциала А, связанного с магнитной индукцией формулой

rotA=В. (2.27)

После подстановки В из (2.27) и rotH из (2.23) в (2.27) получаем основное уравнение для расчета стационарного магнитного поля с источниками:

, (2.28)

которое можно решить численными методами.

Если значение Вr можно принять равным нулю (тогда μ из формулы (2.16) будет равно μ из формулы (2.17)), то

. (2.29)

Если значение μ можно принять постоянным, то μ можно вынести за знак ротора и перенести в правую часть уравнения. Если учесть также известную из векторного анализа формулу




и принять divA=0, что означает grad(div A)=0 и

, (2.30)

то окончательно получим уравнение Пуассона:

. (2.31)

Расчеты по (2.28), (2.29) и по (2.31) особенно эффективны для двумерных задач, так как в этом случае приходится определять только одну составляющую А, перпендикулярную плоскости, в которой изображается поле

С помощью векторного потенциала А можно рассчитать не только вихревое поле, но и безвихревое на тех участках, где плотность тока внешних приложенных источников равна нулю (Jext=0), а также поле, создаваемое внешними по отношению к моделируемому устройству источниками. Для этих случаев уравнение (2.31) преобразуется в уравнение Лапласа для трехмерного и двумерного полей соответственно:

,

.

В последнем уравнении А — это модуль А, являющийся одновременно перпендикулярной плоскости поля составляющей этого вектора, причем единственной. При этом граничные условия будут существенно отличаться от граничных условий для скалярного магнитного потенциала, соответствующего уравнению (2.22).

Для трехмерных полей одно уравнение с векторным потенциалом А превращается в систему из трех уравнений для проекций А на оси координат. Это усложнение приводит к тому, что в некоторых компьютерных программах вихревые поля заменяются эквивалентными им полями, основную часть которых составляет безвихревое поле, определяемое одним уравнением для скалярного магнитного потенциала.


В областях стационарного магнитного поля, свободных от источников, т.е. там, где Jext=0 (безвихревые участки поля), уравнения (2.21 и (2.22) для скалярного магнитного потенциала φм справедливы без замены вихревого поля на эквивалентное.

Рассмотрим квазистационарное электромагнитное поле, для которого , поэтому электрическое и магнитное поля квазистационарного электромагнитного поля нельзя рассматривать независимо друг от друга. Электромагнитное квазистационарное поле подчиняется следующим уравнениям:

,

,

divB=0,

.


Как и в случае стационарного магнитного поля, введем векторный потенциал А по формуле

В=rotA. (2.32)

По (2.16) с учетом (2.32) .

Зададимся калибровкой векторного потенциала по формуле

,

где φ — скалярный электрический потенциал, определяемый формулой

.

Тогда после разделения переменных можно получить следующие уравнения:

,

.

Эти уравнения позволяют рассчитать электромагнитное квазистационарное поле в самом общем случае.


В электротехнике встречаются устройства, в которых отсутствуют заряды, или ими можно пренебречь.

Такими устройствами являются, например, многие классические индукционные установки. Поскольку для них , то при калибровке divA=0 с учетом того, что φ=0 и gгadφ=0, можно получить

механизму).


Времязадающие RC-цепочки, собственно временные устройства, состоят из резисторов R1, R2 и конденсатора С3. Необходимость включения в состав RC-цепочек резистора R2 объяью ограничения максимального напряжения на заT1, поскольку даже для высоковольтных МДП транзисторов максимальное напряжение «исток-затвор» ограничивается величиной 20–30 В.

Вторичным источником питания обеих схем временных устройств являются аккумулирующие кзаряд которых происходит при выстреле через диодный мост DA1, к входу которого подключён перния – ывающиеение, подаваемое на вход чка положительной обратной связи С4, R3 обеспечивает практически мгновенный перевод «нуль органа» из состояния, когда транзисторы VT1 и VT2 закрыты, в откмент, времязадающем конденсаторе С3 станет равным напряжению на истоке транзисторанапряжение на конденсаторе С3 станет равнна истоке VT1 и его порогового напряжения).

Использование моста и из С1, С2, R1, R2, и «нуль органа», включённого в его диагональ, позволяетпряжения, вырабатываемого МЭГом или ПЭГом, на фактическое время действия т.е. ослабить влияние напряжения, до которого заряжаются аккумулирующие конденсаторы С1, С2

Действительно, если бы «нуль орган» в идеале срабатывал точно при разнице напряжений на плечах моста, равной нулю, и не происходило бы перезаряда конденсаторов С1, С2 на конденсатор С5, время действия обоих ЭВремУ вообще бы не зависеконденсаторах С1, С2.


Для подтвеассмотрим идеализированную схему (рис. 3.2).


Рис. 3.2. К вопросу пояснения рабВремУ:

НО – «нуль-орган», U0 – начальное напряжех конденсаторах С1 и С2, UП – пороговое напряжение


Положим, что ёмкость конденсатора С 3 много меньше общей ёмкости конденсаторов С1, С2, поэтому при заряде ёмкости С3 через времязадаС1, С2 сущенсаторе С3 –

EMBED Equation.3 µ


следующая страница >>