Неруйнівний контроль електромагнітних параметрів елементів і вузлів електродвигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю

УДК 620.179

Неруйнівний контроль електромагнітних параметрів елементів і вузлів електродвигунів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Лапцевич Фелікс Феліксович

Харків 1999

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Харківському державному політехнічному університеті Міністерства освіти України.

Захист відбудеться "18" листопада 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.09 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 310002, Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий "15" жовтня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

тейлор магнітний квазиоднорідний

АНОТАЦІЇ

Лапцевич Ф.Ф. Неруйнівний контроль електромагнітних параметрів елементів і вузлів електродвигунів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контрою. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.

Захищається рукопис та 11 наукових праць, у яких розглянуто нові методики розрахунку установки для контролю магнітних характеристик елементів та вузлів електродвигунів і іншого енергетичного обладнання на базі критерію квазіоднорідного магнітного поля в середині замкнутих зразків і виробів, а також універсальних магнітних перетворювачів для поопераційного технологічного контролю. Отримано співвідношення для методичної похибки, обумовленої неоднорідністю магнітного поля та нелінійністю кривих індукції і намагнічування замкнутих феромагнітних та слабомагнітних виробів. Введено поняття критерію слабої неоднорідності магнітного поля в замкнутому виробі, який полягає в порівнянні дійсної та допустимої методичної похибки.

Наведено приклади відновлення квазіоднорідних характеристик феромагнітних виробів за експериментальними кривими індукції та намагнічування, які отримані в неоднорідних вздовж радіусу магнітних полях. Розроблені конструкції універсальних електромагнітних пристроїв для поопераційного контролю статорних пластин, статорів у зібраному стані та кілець підшипників. Розглянуті диференціальні давачі з високою чутливістю.

Отримані вирази для розрахунку апаратурних похибок контролю магнітної індукції, намагнічування та магнітної проникності.

Ключові слова: магнітна індукція, намагніченність, магнітна проникність, електромагнітний перетворювач, методична похибка, диференціальний та універсальний давачі.

Lapzewich F.F. A nondestructive examination of electromagnetic parameters of devices and clusters of electromotors. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.11.13 - gears and techniques. - Kharkov state polytechnic university, Kharkov, 1999.

The manuscript and 11 scientific operations is advocated, in which one the new procedures of calculation of installations for monitoring magnetic performances of devices both clusters of electromotors surveyed and other utilities equipment on the basis of measure of a quasi-homogeneous magnetic field inside made is model also of articles, and also universal magnetic transformers for пооперационного of a control technology. The relations for a methodical error stipulated dissimilarity of a magnetic field both nonlinearity of curves of an induction and magnetization made ferromagnetic and слабомагнитных of articles) on experimental curves of an induction and magnetization are obtained, which one are obtained in inhomogeneous on radius magnetic fields. The constructions of universal electromagnetic devices for пооперационного статорных of plates, stators in gathering and rings of bearing boxs designed. The differentiators high-resolution surveyed. The expressions for calculation of instrument errors of monitoring of a flux density, magnetization and magnetic permeability are obtained.

Keywords: a flux density, magnetization, magnetic permeability, electromagnetic transformer, methodical error, differential and universal transmitters.

Лапцевич Ф.Ф. Неразрушающий контроль электромагнитных параметров элементов и узлов электродвигателей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.

Защищается рукопись и 11 научных работ, в которых рассмотрены новые методики расчета установок для контроля магнитных характеристик элементов и узлов электродвигателей и другого энергетического оборудования на основе критерия квазиоднородного магнитного поля внутри замкнутых образцов и изделий, а также универсальных магнитных преобразователей для пооперационного технологического контроля.

На основе представления неоднородного магнитного поля в виде степенных рядов получены формулы с различными приближениями для определения магнитного потока в кольцевом магнитном образце с учетом неоднородности магнитного поля и нелинейности кривой индукции.

Найдены выражения для квазиоднородной магнитной индукции в ферромагнитном замкнутом образце и квазиоднородной намагниченности материала слабоферромагнитного образца; такие выражения включают в себя результаты измеренных значений магнитных индукций и намагниченностей в реальном, неоднородном магнитном поле образцов.

Получены соотношения для методических погрешностей, обусловленных неоднородностью магнитного поля и нелинейностью кривых индукций, намагниченностей ферромагнитных, слабомагнитных образцов и изделий.

Введен критерий квазиоднородности магнитного поля образце, состоящий в сопоставлении реальной и допустимой методических погрешностей.

Предложена методика расчета геометрических параметров ферромагнитного (магнитомягкого) и слабоферромагнитного кольцевого образца на основе установленного критерия квазиоднородности магнитного поля вдоль радиальной ширины образца.

С помощью полученных соотношений для методических погрешностей и введенного критерия создана методика восстановления квазиоднородных кривых магнитных индукций и намагниченностей материалов изделий.

Разработана методика расчетов параметров электрических цепей намагничивающих и измерительных обмоток замкнутых образцов установки, работающей на постоянном и переменном токе.

Установлены условия практически полного промагничивания сплошных образцов при диффузии в них импульсного магнитного поля, а также тонких пластин и изделий с круглым сечением, зондируемых синусоидальным магнитным полем.

Даны описания установок для определения статических и динамических характеристик замкнутых ферро- и слабомагнитных образцов и изделий, причем эти установки рассчитывались по разработанным методикам, критериям и полученным формулам.

Приведены примеры восстановления квазиоднородных характеристик ферромагнитных образцов, выполненных из электротехнических сталей, и слабомагнитных образцов (из нержавеющей стали и парамагнитного чугуна), при этом квазиоднородные характеристики были получены по результатам измерения кривых намагничивания и намагниченности.

Получены выражения для определения аппаратурных погрешностей измерения магнитной индукции, напряженности магнитного поля и магнитной проницаемости замкнутых образцов, испытуемых в постоянных и переменных магнитных полях, проведенные расчеты таких погрешностей показывают, что максимальные значения их не превышают 1,7%, 2,3% и 2,6% соответственно при магнитном контроле в переменном поле. Эти значения аппаратурных погрешностей существенно меньше рассматриваемых методических погрешностей.

Разработаны конструкции универсальных электромагнитных датчиков для пооперационного контроля статорных пластин (одиночных и в наборе), готовых статоров электродвигателей, колец подшипников в системах охлаждения энергетического оборудования.

Рассмотрены дифференциальные устройства для контроля с высокой разрешающей способностью магнитной индукции в пластинах статора и электропроводности проводников "беличьей клетки" ротора электродвигателя.

На основании полученных экспериментальных результатов рекомендованы практические предложения по улучшению технологии изготовления элементов и узлов электродвигателей.

Результаты диссертационной работы (методики, соотношения, критерии, устройства, универсальные датчики) были внедрены на ряде предприятий.

Получены соотношения для методической погрешности, обусловленной неоднородностью магнитного поля и нелинейностью кривых индукции и намагниченности замкнутых ферромагнитных и слабомагнитных изделий по экспериментальным кривым индукции и намагниченности, которые получены в неоднородных по радиусу магнитных полях. Разработаны конструкции универсальных электромагнитных устройств для пооперационного контроля статорных пластин, статоров в сборе и колец подшипников. Рассмотрены дифференциальные датчики с высокой разрешающей способностью. Получены выражения для расчета аппаратурных погрешностей контроля магнитной индукции, намагниченности и магнитной проницаемости.

Ключевые слова: магнитная индукция, намагниченность, магнитная проницаемость, электромагнитный преобразователь, методическая погрешность, дифференциальный и универсальный датчики.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У цей час важливе практичне значення набувають методи і прилади для неруйнуючого контролю елементів і вузлів пристроїв енергетичного обладнання.

Особливий інтерес в цьому плані мають питання розвитку і вдосконалення приладів для технічної діагностики виробів магнітопроводів електричних двигунів, генераторів, вимірювальних трансформаторів струму і напруги, силових трансформаторів, реле і інш. приладів. Ефективний контроль і розбраковка магнітопроводів за магнітними параметрами таких пристроїв дозволяє значною мірою поліпшити якість виготовлення виробів, підвищити їх надійність і, саме головне, збільшити коефіцієнт корисної дії енергетичного обладнання.

На даний період особлива увага приділяється електромагнітному контролю параметрів і характеристик замкнених феромагнітних і слабомагнітних суцільних і шихтованих виробів і зразків, оскільки вони в основному є елементами і вузлами вказаних пристроїв, що використовуються в енергетичному обладнанні.

Якщо розімкнені зразки ефективно використовуються в основному в замкнених магнітних ланцюгах (в так званих пермеаметрах), то замкнені вироби самі по собі представляють замкнений магнітний ланцюг і їх обмотки можуть бути включені безпосередньо у вимірювальний та намагнічувальний ланцюг установки. Контроль магнітних характеристик замкнених зразків і виробів має одну важливу особливість, яка полягає в тому, що всередині об'єкта дослідження напруженість магнітного поля неоднорідна по радіальній ширині виробу, а це, природно веде до ще більш складної неоднорідності магнітної індукції (або намагніченості), яка до того ж має нелінійну залежність від напруженості магнітного поля. Все це створює невизначеність виміряних кривих намагнічення і петель гістерезиса, оскільки на внутрішньому радіусі кільцевого зразка магнітна характеристика може бути доведена до насичення, а на зовнішньому радіусі магнітна індукція може бути на сприятливих дільницях кривої намагнічення. У існуючій літературі недостатньо приділяється увага цим питанням в процесі електромагнітного контролю замкнених зразків. Відомі декілька робіт, в яких оцінюється вплив на результати контролю радіальної неоднорідність магнітного поля в замкненому магнітомягкому зразку і даються рекомендації вибору розмірів такого зразка. Однак істотна різноманітність кривих магнітних індукцій феромагнітних матеріалів (починаючи від армко-заліза і кінчаючи сплавами типу пермалой), а також кривих намагніченості слабоферомагнітних матеріалів (таких, як парамагнітний чавун, нержавіючі сталі типу Х18Н10Т, НН-3, латуні і інш.) вимагають подальшого глибокого вивчення і уточнення питань раціонального вибору розмірів замкнених зразків на основі коректного обліку неоднорідності магнітного поля в зразках, виконаних з різних матеріалів і що мають істотно відмінні один від одного криві індукції і намагніченості.

Таким чином, з метою отримання достовірних співвідношень, пов'язаних з урахуванням неоднорідності магнітного поля по радіальній ширині зразка (вироба) і нелінійності кривої намагнічення необхідно враховувати можливість корекції магнітних характеристик замкненого об'єкта на основі отриманого нижче критерію квазиоднородності магнітного поля у виробі. Введення такого критерію шляхом отримання співвідношень для методичної похибки дозволило б раціонально вибрати розміри зразків і виробів, а, отже, і інші параметри вимірювального та намагнічувального ланцюгів об'єкту контролю, а також метрологічні характеристики магнітовимірювальної установки.

Все це приводить до актуальної задачі створення нових типів установок для неруйнівного контролю магнітних характеристик і параметрів елементів і вузлів замкнених магнітопроводів енергетичного обладнання і, зокрема, виробів: статорів і роторів електродвигунів, генераторів, кілець підшипників, корпусів, пластин трансформаторів і інш. деталей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до Проекту, який пройшов конкурс Державного комітету науки і технологій (ГКНТ) тема КН6108 згідно з Наказом ГКНТ №15 від 01.03.1993 м., напрям 5.1.6 термін 1993-1996, а також по темах, що пройшли конкурси Міністерства освіти України: М5203; координаційний план №48, Наказ №37 від 13.02.96 (термін дії 1996-1999 р. м.) і тема М5202 Наказ Харківського державного політехнічного університету (ХГПУ) №377 ІІІ від 17.04.1997 м. (термін 1997-1998 р. м.)

Мета і задачі дослідження - це розробка і дослідження методики розрахунку параметрів установки для контролю магнітних характеристик елементів і вузлів електродвигунів і інших енергетичних пристроїв на основі критерію квазиоднородного магнітного поля всередині замкнених зразків і виробів, а також використання універсальних магнітних датчиків для поопераційного контролю.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- отримати вирази у вигляді рядів Тейлора з різними наближеннями для визначення магнітного потоку всередині замкненого зразка з урахуванням неоднорідності магнітного поля і нелінійності кривої намагнічення;

- визначити формули для розрахунку квазиоднорідної магнітної індукції в феромагнітному замкненому зразку і квазиоднорідної намагніченості матеріалу слабомагнітного зразка;

- отримати співвідношення для методичної похибки, зумовленої неоднорідністю магнітного поля і нелінійністю кривих намагнічення замкнених феромагнітних і слабомагнітних зразків. На основі цієї похибки ввести критерій квазиоднорідності (або слабої неоднорідності) магнітного поля в замкненому зразку;

- за допомогою такого критерію розробити методику розрахунку геометричних параметрів замкненого зразка;

- на основі отриманих співвідношень для методичної похибки і введеного критерію слабої неоднорідності магнітного поля створити методику відновлення квазиоднорідних кривих магнітних індукцій і намагніченостей матеріалів замкнених зразків;

- розглянути методику розрахунку параметрів електричних ланцюгів намагнічувальних і вимірювальних обмоток замкнених зразків установки, що працює на постійному струмі;

- знайти критерії міри промагнічування ферро- і слабомагнітних суцільних зразків при проникненні в них імпульсного магнітного поля, а також при дифузії в тонкі пластини і циліндричні вироби синусоїдального магнітного поля;

- дати опис установок для визначення статичних і динамічних характеристик замкнених феро- і слабомагнітних зразків, розрахованих по розробленим критеріям і отриманих формулах;

- привести конкретні приклади відновлення квазиоднорідних характеристик феро- і слабомагнітних замкнених зразків, виконаних з електротехнічних сталей, нержавіючих сталей і парамагнітних чавунів по експериментальним кривим індукції і намагніченості тих же зразків, виміряних в неоднорідних по радіусу магнітних полях;

- отримати співвідношення для розрахунку апаратурних похибок вимірювання магнітної індукції, напруженості магнітного поля і магнітної проникності при випробуваннях замкнених зразків в постійних і змінних магнітних полях; провести розрахунки таких похибок вимірювання магнітних характеристик конкретних зразків;

- розробити конструкції універсальних електромагнітних датчиків для поопераційного контролю статорних пластин (поодиноких і в наборі), готових статорів електродвигунів і кілець підшипників, працюючих в охолоджувальних системах енергетичного обладнання; привести співвідношення що описують роботу таких датчиків на постійному і змінному струмі, отримати співвідношення для похибки, пов'язаної з неточністю установки зразка на магнітопровід датчика;

- розглянути диференціальні пристрої для контролю з високою чутливістю до зміни магнітної індукції в пластинах статора і питомої електричної провідності матеріалу провідників білячої клітки ротора електродвигуна;

- на основі результатів поопераційного електромагнітного контролю спинок і зубців пластин статорів, самих пластин, готових статорів дати практичні рекомендації поліпшення технології виготовлення елементів і вузлів магнітопроводів електродвигунів.

Методи досліджень, застосовані в роботі, засновані на використанні теорії електромагнітного поля, електродинаміки суцільних середовищ, степеневих рядів, інтегрального і диференціального числення, апарату спеціальних функцій, методів розрахунку електричних і магнітних ланцюгів, теорії похибок вимірювань.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в тому, що:

- отримані формули у вигляді степеневих рядів Тейлора з різною мірою наближення для визначення магнітного потоку всередині замкненого зразка з урахуванням неоднорідностї магнітного поля і нелінійності кривої намагнічення;

- визначені вирази для квазиоднорідної магнітної індукції в феромагнітному замкненому зразку і квазиоднорідну намагніченість матеріалу слабомагнітного зразка; ці вирази включають в себе результати виміряних значень магнітних індукцій і намагніченостей у реальному, неоднорідному магнітному полі замкнутих зразків;

- отримані співвідношення для методичної похибки, зумовленої неоднорідністю магнітного поля і нелінійністю кривих індукції і намагнічення замкнених феромагнітних і слабомагнітних зразків і виробів;

- введено критерій слабої неоднордності магнітного поля в замкненому зразку, що полягає в порівнянні реальної і допустимої методичних похибок;

- запропонована методика розрахунку геометричних параметрів феромагнітного (магнітом'якого) і слабоферомагнітного кільцевого зразка на основі введеного критерію квазиоднорідності магнітного поля вздовж радіальної ширини зразка;

- за допомогою отриманих співвідношень для методичної похибки і введеного критерію створена методика відновлення квазиоднорідних кривих магнітних індукцій і намагніченостей матеріалів замкнених зразків і виробів;

- розроблена методика розрахунку параметрів електричних ланцюгів намагнічувальних і вимірювальних обмоток замкнених зразків установки, що працює на постійному струмі;

- встановлені критерії практично повного промагнічування суцільних зразків при проникненні в них імпульсного магнітного поля, а також тонких пластин і циліндричних виробів при дифузії в них синусоїдального магнітного поля;

- наведено описи установок для визначення статичних і динамічних характеристик замкнених феро- і слабомагнітних зразків, які розраховано за розробленими критеріями і отриманих формулах;

- наведені приклади відновлення квазиоднорідних характеристик конкретних феро- і слабомагнітних замкнених зразків за експериментальними кривими індукції і намагніченості тих же зразків, виміряних в неоднорідних по радіусу магнітних полях;

- отримані вирази для розрахунку апаратурних похибок вимірювання магнітної індукції, напруженості магнітного поля і магнітної проникності замкнених зразків що випробовуються в постійних і змінних магнітних полях; наведені розрахунки таких похибок;

- розроблені конструкції універсальних електромагнітних датчиків для поопераційного контролю статорних пластин (поодиноких і в наборі), готових статорів електродвигунів і кілець підшипників, які працюють в охолоджувальних системах енергетичного обладнання;

- розглянуті диференціальні пристрої для контролю з високою чутливістю до зміни магнітної індукції в пластинах статора і питомої електричної провідності матеріалу провідників білячої клітки ротора електродвигуна;

-вироблені практичні рекомендації виготовлення елементів і вузлів електродвигунів, що дозволяють поліпшити якість продукції, яка випускається.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що знайдені співвідношення, встановлені критерії, створені методики розрахунків основних характеристик і відновлення квазиоднорідних магнітних параметрів, а також розроблені універсальні датчики і диференціальні пристрої, що дозволяють проектувати установки для електромагнітного контролю замкнених феро- і слабомагнітних зразків і визначати метрологічні характеристики (діапазони вимірювання магнітних параметрів, похибки вимірювань; чутливість датчиків до таких параметрів і інш.), вибрати вимірювальні прилади і встановити оптимальні режими роботи установок з точки зору досягнення малих похибок і високої чутливості.

Результати дисертаційної роботи (методики, співвідношення, критерії, універсальні датчики, диференціальні пристрої) були впроваджені на підприємстві ВАТ "Електромотор", м. Полтава і на підприємстві ВАТ "Дніпропетровський електромеханічний завод", м. Дніпропетровськ.

Особистий внесок здобувача полягає у наступному:

-здійснення вимірювань магнітних характеристик статорних пластин (поодиноких) і в наборі;

-запропоновано технологію збирання статора електродвигуна, якщо відомі магнітні характеристики кожної пластини;

-отримання формул для визначення магнітного потоку в замкненому зразку, квазиоднорідної магнітної індукції, методичної похибки, зумовленої неоднорідністю магнітного поля в зразку, розрахунок розмірів зразка;

-з допомогою розроблених методик контролю замкнених феромагнітних зразків, запропоновано контролювати стан підшипників;

-отримано співвідношення для амплітуди е.р.с. трансформаторного перетворювача з феромагнітною пластиною і знайдено зв'язок цієї е.р.с. з механічним напруженням в пластині, приведені розрахунки градуіровочних характеристик перетворювача;

-розробка функціональної схеми установки для магнітних випробувань, обробка результатів контролю і обговорення їх;

-запропоновано використання методики визначення електромагнітних параметрів елементів асинхронного двигуна з метою отримання готового виробу з покращенними характеристиками.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на:

- Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні технології: наука; техніка, технологія, освіта, здоров'я", Мішкольц (Угорщина)-Магдебург (Німеччина), 1998 р.;

- Українській науково-технічній конференції "Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика", Алушта, Крим, 1998 р.;

- Міжнародній науково-технічній конференції "Силова електроніка енергоефективність" (СЭЭ-98), Алушта, Крим, 1998 р.;

- 1ій Міжнародній науково-технічній конференції "Метрологія в механіці", Харків, 1998 р.

Публікації: основні результати дисертації опубліковані в 7 наукових роботах, в тому числі один патент України та авторське свідотство на винахід, а також в 4 матеріалах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, заключення, списку літератури з 111 найменувань та додатків, викладених на 211 сторінках. Робота проілюстрована 26 малюнками, 10 таблицями і додатками на 21 сторінці.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обгрунтована актуальність теми досліджень, показана практична спрямованість роботи в різних галузях промисловості, науки і техніки, відмічена новизна дисертації, сформульована мета і задачі теоретичних і експериментальних досліджень, показано особистий внесок автора дисертації в результати роботи, приведена структура дисертації.

У першому розділі проведено аналіз існуючих методів і пристроїв для визначення магнітних параметрів і характеристик магнітом'яких матеріалів, зразків і виробів в постійних і змінних магнітних полях. Показано, що оскільки магнітопроводи більшості пристроїв енергетичного обладнання, (пластини статорів електродвигунів, генераторів, трансформаторів, реле і інш.) є замкненими, то доцільно розглядати в дисертаційній роботі зразки і вироби такого типу.

Відмічається основна перевага замкнених магнітопроводів, яка полягає в тому, що такі вироби феро- і слабомагнітні дозволяють отримати магнітні характеристики (криві магнітної індукції і намагніченість) безпосередньо матеріалу виробу. Вказано і недолік таких зразків, що полягає в неоднорідному розподілі напруженості магнітного поля, індукції по ширині зразка.

У другому розділі розглянуті питання обліку впливу неоднорідності розподілу напруженості магнітного поля вздовж радіальної ширини кільцевого феромагнітного і слабомагнітного зразків, а також впливу нелінійності кривої індукції і намагніченості на результати контролю магнітних характеристик вказаних зразків.

На малюнку показано кільцевий магнітний зразок з намагнічувальну обмоткою. Позначення на малюнку: н, в и 0 - зовнішній, внутрішній і середній радіуси зразка; ; 2 и h - радіальна ширина і висота зразка; Ф - магнітний потік всередині зразка; I - струм обмотки, що намагнічує; X і Y - декартова система координат. Якщо прийняти, що Х<0, то вираз для напруженості Н магнітного поля можна представити рядом Тейлора з додатками, розташованими в ряду за степенями х/0. Тоді магнітну індукцію всередині зразка представимо у вигляді

В = Н (1)

де - абсолютна магнітна проникність матеріалу зразка; =0r , 0 - магнітна постійна; 0=410-7 Гн/м; r - відносна магнітна проникність матеріалу.

Розглядається два випадки визначення магнітного потоку в зразку і потокозчеплення, першому, коли r=const (начальна дільниця кривої магнітної індукції і другий загальний випадок, який відповідає rconst (всі дільниці кривої намагнічення).

У другому випадку, більш цікавим для практики, враховується не тільки неоднорідність розподілу Н по радіальній ширині, але і неоднорідність кривої індукції або намагніченість матеріалу, отриманих експериментальним шляхом на реальних замкнених зразках. Для цього індукція В представляється у вигляді добутку двох степеневих рядів, тобто рядів функцій =f1(H)= f2(x) і H= f(x). Після цього проінтегрувавши магнітну індукцію В по перетину S зразка і обмежившись в степеневому ряду В доданком порядку x4/04, отримаємо вираз для потокозчеплення (магнітного потоку з вимірювальною обмоткою зразка у вигляді)

(2)

де W2 - число витків вимірювальної обмотки; Н0 - напруженість магнітного поля, що розраховується на середньому радіусі 0 зразка; r(H0) і rд(H0) статична і диференціальна відносна магнітна проникність матеріалу зразка; drд/dH и d2rд/dH2 - перша і друга похідні rд по Н (це похідні, як і самі величини r(H0) і rд(H0)) беруться при Н=Н0 з експериментальної кривої індукції.

Враховуючи, що доданки у фігурних дужках невеликі в порівнянні з 1, то на основі (2), формулу для квазиоднорідної магнітної індукції Вк можна записати у вигляді

(3)

де Вэ - експериментально отримане (інтегральне) значення магнітної індукції для кожного значення Н0 кривої індукції Вэ=f(H0);

(4)

Формулу (3) зручно записати у вигляді

(5)

де м - методична похибка, зумовлена неоднорідністю магнітного поля в зразку і нелінійністю кривої магнітної індукції, що контролюється Вэ=f(H0). При цьому для практичних розрахунків величини м зручно в виразі (3) обмежитися членом порядку і тоді

(6)

де G - параметр, який визначають із формули

(7)

Уточнювана формула для G включає в себе члени порядку і (див. (3)).

На основі (6) і (7) був отриманий критерій квазиоднорідного магнітного поля, який має вигляд

(8)

де Gmax - максимальне значення параметра G, відповідне певному значенню Н*0; мд - допустима методична похибка.

При використанні уточненого виразу для розрахунку Вк (див. (3)) критерій квазиоднорідності поля виглядає, як

(9)

Критерій квазиоднорідності поля (див. (8) або (9)) дозволяє розрахувати параметри замкненого зразка за виміряною кривою індукції Вэ=f(H0). При цьому, задавшись значенням мд і знайшовши за формулою (7) G по знайденим з кривих Вэ=f(H0) значенням rд(H0); r(H0)= drд/dH для кожного Н0, визначають Gmax при Н*0, Потім з (8), використовуючи знак рівності, знаходять величину /0. Після цього знаходять співвідношення н/вн за формулою

(10)

На практиці зручно вибирати виріб з квадратним перетином зі стороною а=2. Тоді для суцільного і шихтованого замкненого зразка (або вироби) сторону а (або площу перетину зразка) вибирають в залежності від вигляду механічної обробки, відпалу і чутливості вимірювальних приладів магнітного потоку. При відомому а, використовуючи формулу

а = 0 - вн (11)

і (10), знаходять н; вн; 0.

При таких параметрах виробу (або зразка) квазистатична крива індукції Вк=f(H0), побудована по формулі (5), буде відрізнятися від експериментальної кривої Вэ=f(H0) на величину методичної похибки м не більш, ніж мд у всіх точках Н0, і тільки при Н0=Н0*, де G=Gmax відмінність обох кривих досягне заданого значення мд. Якщо відомі параметри замкненого зразка (або виробу), тобто н; вн; 0 і а, то після експериментального визначення залежності Вэ від Н0 і обчислення по ній значень r(H0), rд(H0), drд/dH і d2rд/dH2 знаходять за формулою (5) перебудовану криву Вк=f(H0) і визначають, порівнюючи її з кривий Вэ=f(H0), величину максимальної методичної похибки мmax, яка наступає при Н0=Н0*.

Розглянуті співвідношення для визначення квазиоднорідної кривої намагніченості Jк=f(H0), замкнених зразків з слабоферомагнітних матеріалів, таких як нержавіюча сталь, парамагнітний чавун та інш. При цьому

(12)

де Jе - експериментальна крива намагніченості, отримана на реальному зразку з неоднорідним магнітним полем.

Якщо нехтувати доданком порядку, то вираз для розрахунку м в (12) можна записати у вигляді

(13)

де Кд(Н0), К(Н0) диференціальна статична відносна магнітна сприйнятливість матеріалу виробу, dKд/dH0 - похідна Кд по Н0; Кд(Н0), К(Н0) і dKд/dH0 беруться в точках Н0 кривої Jк=f(H0). При урахуванні у формулі для м складового порядку, треба записати в (3) Вк і Jк; rд(H0) на Кд(Н0), r(H0) на К(Н0), drд/dH на dKд/dH0 і d2rд/dH2. Використовуючи ті ж заміни у формулах (8) і (9) можна записати критерії квазиоднорідності магнітного поля всередині зразків, виконаних з слабоферомагнітних матеріалів.

Третій розділ присвячений розв'язанню питань визначення параметрів замкнених зразків і виробів, які зондуються постійним і змінним магнітним полем і використовуються в магнітопроводах статорів, роторів електродвигунів, генераторів, трансформаторів і інш. Наводяться співвідношення для розрахунків зразків, які зазнають різні види механічних і термічних обробок (токарне різання, штампування і відпал), даються рекомендації щодо вибору і визначення параметрів електричного ланцюга вимірювальної обмотки при магнітному контролі замкнених зразків і виробів у постійному і змінному магнітному полі. Після цього пропонується методика розрахунків параметрів ланцюга обмотки (одношарової і багатошарової) замкненого зразка, що намагнічує при його контролі в постійному і змінному магнітному полі. На основі отриманих критеріїв квазиоднорідного поля і співвідношень визначають значення струму, що намагнічує, кількість витків намагнічувальної і вимірювальної обмоток, діаметри їх проводів і інші параметри.

У цьому ж розділі розглянуті питання вибору вимірювальної апаратури і розрахунку елементів електричних схем установок для магнітного контролю виробів у різних магнітних полях.

Цікавими моментами даного розділу є знайдені тут умови практично повного промагнічування суцільних зразків і пластин імпульсним і синусоїдальним магнітними полями. Така умова при проникненні в зразок імпульсного поля дозволяє знайти поперечний розмір а зразка за формулою

(14)

де tимп - час імпульсу струму у вимірювальному ланцюгу зразка; - питома електрична провідність матеріалу зразка.

При дифузії синусоїдального у часі магнітного поля у феромагнітну тонку пластину або в зразок, набраний з таких пластин отримана умова практично повного промагнічування, яка записується у вигляді

(15)

де эd - еквівалентна глибина проникнення поля в пластину; d - товщина пластини; Kd - модуль комплексного параметра, що характеризує нормований магнітний потік у тонкій пластині;

 (16)

де х - узагальнений параметр; xmin=0,1; xmax=1; діапазон 0,1х1 відповідає майже повному промагнічуванню зразка Kd(xmin)=0,9512; K(xmax)=0,6074.

(17)

де f - частота зміни поля.

У таблиці Додатку А1 приведена залежність параметра Kd від х в діапазоні зміни х від 0 до 10 з дискретом 0,02.

Еквівалентна глибина проникнення магнітного поля в пластину знаходилася з умови рівності магнітних потоків реального з неоднорідною індукцією (затухаючого) і однорідного(умовного) з магнітною індукцією, рівною індукції поля на поверхні пластини (або шихтованого зразка). Формули (15)-(17) дозволяють визначити товщину d, при якій буде хороше промагнічування пластини. Наприклад, нехай f=50 Гц; по кривій Вэ=f(H0) знайдено значення rmax=4279; =0,2.107 См/м для пластини із електротехнічної сталі 1514. Тоді задавшись параметром х=0,5, відповідним діапазону 0х1 хорошого промагнічування, знайдемо за формулою (17) значення d =0,385 мм, змінивши цей d в меншу сторону до стандартного d =0,35 мм. По таблиці Додатку А1 визначимо при х=0,5 параметр Kd=0,779. Потім по (15) знайдемо эd =0,14 мм, яке близьке до d/2=0,175 мм, що свідчить про практично повне промагнічування пластини.

Розглянуті умови хорошого промагнічування синусоїдального магнітного поля у замкнуті суцільні зразки круглого перерізу. Для випадку, коли малий радіус ац тороїдального зразка багато менше великого радіуса Rт тора, умова практично повного промагнічування має вигляд

(18)

де эц - еквівалентна глибина проникнення в тороїдальний зразок, ber1x, bei1x, ber0x і bei0x - спеціальні функції Кельвіна першого і нульового порядків; хц - узагальнений параметр;

(19)

При використанні довідкових даних функцій Кельвіна, в роботі була побудована залежність відносної еквівалентної глибини проникнення 'эц=эц/ац від хц, при цьому розрахунки показали, що 'эц min=0,757, а 'эц max=0,9998 формули (18) і (19) дозволяють знайти поперечні розміри тороїдального зразка при заданій частоті. Ці розміри забезпечують промагнічування перерізу тороидального зразка. Показано, що слабомагнітні зразки, які контролюють у змінному магнітному полі можуть бути виготовлені з суцільного матеріалу. Феромагнітні суцільні зразки повинні мати порівняно малі поперечні розміри, тому для їх контролю необхідно використовувати високочутливу магнітометричну апаратуру. В такому випадку часто доцільно виготовляти шихтовані зразки, або у вигляді стрічкового навиву.

У четвертому розділі отримані результати відновлення квазиоднорідних кривих магнітної індукції і намагніченість замкнених зразків, виконаних з феромагнітних електротехнічних сталей і слабомагнітних матеріалів (неіржавіюча сталь і парамагнітний чавун). Це відновлення реалізоване шляхом перерахунку виміряних магнітних характеристик конкретних кільцевих зразків з неоднорідністю магнітного поля вздовж радіальної ширини в магнітні квазиоднорідні характеристики тих же зразків. Розглянуті випадки, коли відносні відмінності характеристик з неоднорідним магнітним полем від характеристик з однорідним полем становлять 15, 30 і 50%. Ці цифри характеризують методичні похибки, зумовлені радіальною неоднорідністю кривих намагнічування і намагніченості.

Отримані співвідношення для визначення апаратурних відносних похибок вимірювання магнітної індукції, напруженості магнітного поля і магнітної проникності при випробуваннях зразків у постійних і змінних магнітних полях в різних точках кривої намагнічування. Показано, що найменші похибки вимірювання магнітної індукції, напруженості поля і магнітної проникності досягають в схемі, яка працює на постійному струмі з цифровим веберметром Ф 5050, і ці похибки не перевищують 1,1%; 0,95% і 1,4% відповідно. У схемі установки для магнітних випробувань в постійному полі з балістичним гальванометром значення похибки вказаних величин не більше за 1,55%; 0,95% і 1,7% відповідно. А в схемі установки, працюючій на змінному струмі з цифровим ферометром Ф 5063 чисельні значення таких похибок не перевищують 1,7%; 2,3% і 2,6%.

Розглянуті конструкції універсальних електромагнітних датчиків для поопераційного магнітного контролю статорних пластин (одиночних і в наборі), а також статорів загалом у зібраному вигляді. Основною перевагою описаних датчиків є те, що вони дозволяють визначити магнітні характеристики замкнених (і розімкнених) зразків без нанесення на них намагнічувальних і вимірювальних обмоток. Запропоновані конструкції датчиків, що дозволяють здійснювати магнітний контроль як шихтованих, так і суцільних виробів (наприклад, кілець підшипників, труби, патрубки і інш.). Розглянуті співвідношення для визначення магнітної індукції і напруженості магнітного поля в зразках, які випробуються у постійному і змінному магнітному полі. Отримано вираз для визначення відносної похибки, пов'язаної з неточністю установки зразка по відношенню до магнітопроводу датчика.

Розроблені диференціальні пристрої для контролю магнітної індукції в пластинах статора і електропровідності "білячої клітки" ротора електродвигуна. Основною перевагою розроблених пристроїв є вельми висока чутливість, тобто чутливість одного пристрою до магнітної індукції в зразку, а іншого до питомої електричної провідності матеріалу "білячої клітки" ротора. Прилад для вимірювання магнітного параметра може розрізнити зміну 0,01 Тл у дослідному зразку, в порівнянні з індукцією стандартного зразка. Прилад для визначення електропровідності розрізнює останню величину в 0,1.107 См/м досліджуваного матеріалу "білячої клітки", в порівнянні зі стандартним матеріалом.

На основі результатів проведеного магнітного контролю магнітних характеристик і параметрів спинки пластин статорів, самих статорних пластин, зубців, осі яких направлені як вздовж так і поперек напряму прокату заготовки електротехнічної сталі, а також статорів загалом були вироблені рекомендації щодо поліпшення технології виготовлення електродвигунів.

Найважливішою рекомендацією є відмова від зварювальних швів на готових статорах з метою істотного зменшення втрат на вихорові струми, отже підвищення коефіцієнта корисної дії електродвигунів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ

Внаслідок теоретичних і експериментальних досліджень автором дисертації вирішені важливі задачі створення методик і пристроїв для неруйнівного контролю магнітних параметрів і характеристик елементів і вузлів електродвигунів та іншого енергетичного обладнання. Основними результатами роботи є те, що:

- на основі представлення неоднорідного магнітного поля у вигляді степеневих рядів отримані формули з різними наближеннями для визначення магнітного потоку в кільцевому магнітному зразку з урахуванням неоднорідності магнітного поля і нелінійності кривої індукції;

- знайдені вирази для квазиоднорідної магнітної індукції в феромагнітному замкненому зразку і квазиоднорідної намагніченості матеріалу слабоферомагнітного зразка; ці вирази включають в себе результати виміряних значень магнітної індукції і намагніченості в реальному, неоднорідному магнітному полі зразків;

- отримані співвідношення для визначення методичних похибок, зумовлених неоднорідністю магнітного поля, нелінійністю кривих індукцій і намагніченістю феромагнітних, слабомагнітних зразків і виробів;

- введений критерій квазиоднорідності магнітного поля зразка, який полягає у зіставленні реальної та допустимої методичних похибок;

- запропонована методика розрахунку геометричних параметрів феромагнітних (магнітом'яких) і слабоферомагнітних кільцевих зразків на основі встановленого критерію квазиоднорідності магнітного поля вздовж радіальної ширини зразка;

- за допомогою отриманих співвідношень для методичних похибок і введеного критерію створена методика відновлення квазиоднорідних кривих магнітної індукції і намагніченості матеріалів виробів;

- розроблена методика розрахунку параметрів електричних ланцюгів намагнічувальних і вимірювальних обмоток замкнених зразків установки, яка працює на постійному і змінному струмі;

- встановлені умови практично повного промагнічування суцільних зразків при дифузії в них імпульсного магнітного поля, а також тонких пластин і виробів з круглим перерізом, що зондуються синусоїдальним магнітним полем;

- приведені установки для визначення статичних і динамічних характеристик замкнених феро- і слабомагнітних зразків і виробів, причому ці установки розроблялись згідно з методиками і критеріями, які отримані в роботі;

- наведені приклади відновлення квазиоднорідних характеристик феромагнітних зразків, виконаних з електротехнічних сталей, і слабомагнітних зразків (з нержавіючої сталі і парамагнітного чавуна), при цьому квазиоднорідні характеристики були отримані за результатами вимірювання кривих намагнічення та намагніченості;

- отримані вирази для визначення апаратурних похибок вимірювання магнітної індукції, напруженості магнітного поля і магнітної проникності замкнених зразків, при дослідженні в постійних і змінних магнітних полях, проведені розрахунки таких похибок показують, що максимальні значення їх не перевищують 1,7%, 2,3% і 2,6% відповідно при магнітному контролі в змінному полі. Ці значення апаратурних похибок істотно менше за методичні похибки, які розглядались;

- розроблені конструкції універсальних електромагнітних датчиків для поопераційного контролю статорних пластин (одиночних і в наборі), готових статорів електродвигунів, кілець підшипників в системах охолоджування енергетичного обладнання;

- розглянуті диференціальні пристрої для контролю з високою чутливістю зміни магнітної індукції в пластинах статора і електропровідності провідників "білячої клітки" ротора електродвигуна;

- на основі отриманих експериментальних результатів рекомендовані практичні пропозиції щодо поліпшення технології виготовлення елементів і вузлів електродвигунів;

- результати дисертаційної роботи (методики, співвідношення, критерії, пристрої, універсальні датчики) були впроваджені на ряді підприємств.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Лапцевич Ф.Ф. К расчету параметров замкнутого образца, предназначенного для магнитного контроля материалов и изделий. -Вестник Харьковского государственного политехнического университета, Харьков, 1999, вып.24, с.70-77.

2. Себко В.П., Горкунов Б.М., Лапцевич Ф.Ф., Котуза А.И. Измерение механических напряжений в изделиях энергетического оборудования.-Український метрологічний журнал, вып. 1,1999 р., с.17-20.

Автор здійснив вимірювання магнітних характеристик статорних пластин (поодиноких) і в наборі.

3. Лапцевич Ф.Ф. К выбору параметров плоского образца для магнитного контроля на переменном токе. -Вестник Харьковского государственного политехнического университета, Харьков, 1999, вып. 37, с. 54-57.

4. Лапцевич Ф.Ф. Универсальное устройство для магнитного контроля замкнутых плоских изделий. - Сборник научных трудов Харьковского государственного политехнического университета, вып. 7, ч. 3, с. 117-120.

5. Патент України № 21493А. Шихтований статор електричної машини / Ф.Ф. Лапцевич, М.П. Білоус, В.Г. Бочаров, А.К. Дука, В.С.Колосов. - Заявл. 16.12.97 р.

Автор запропонував технологію збирання статора електродвигуна, якщо відомі магнітні характеристики кожної пластини.

6. Себко В.П., Наний В.В., Лапцевич Ф.Ф. Определение квазиоднородных характеристик материала замкнутых образцов. Технічна електродінаміка, 1998, вып.2,т.2, с. 255-258.

Автор отримав формули для визначення магнітного потоку в замкненому зразку, квазиоднорідної магнітної індукції, методичної похибки, зумовленої неоднорідністю магнітного поля в зразку, а також провів розрахунок розмірів зразка.

7. А.с. 1466606 СССР, Устройство для контроля состояния подшипников / Лапцевич Ф.Ф., Ю.В. Бабин, С.Т. Тильчин, В.Ф. Лучук. - Заявл. 15.11.88 г.

Автор запропонував контролювати стан підшипників з допомогою розроблених методик контролю замкнених феромагнітних зразків.

8. Себко В.П., Наний В.В., Лапцевич Ф.Ф. Определение магнитных характеристик элементов электродвигателя. - Сборник научных трудов Харьковского государственного политехнического университета, Харьков, 1998, вып.6, ч.2, с. 317-319.

Автором отримано співвідношення для амплітуди е.р.с. трансформаторного перетворювача з феромагнітною пластиною.

9. Наний В.В., Лапцевич Ф.Ф., Сиренко М.М. Установка для магнитных испытаний элементов электродвигателей. Вестник Харьковского государственного политехнического университета "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика.", Харьков 1998, с.349-350.

Автор розробив функціональну схему установки для магнітних випробувань, обробив результати контролю.

10. Себко В.П., Горкунов Б.М., Лапцевич Ф.Ф. Контроль механических напряжений в пластинах магнитопроводов энергетического оборудования. -Труды Іой Международной научно-технической конференции "Метрология в механике", Харьков, 1998, с. 139-141.

Автором знайдено зв'язок е.р.с. трансформаторного перетворювача з феромагнітною пластиною з механічним напруженням в пластині, приведено розрахунки градуіровочних характеристик перетворювача.

11. Лапцевич Ф.Ф., Рябоконь Л.И., Наний В.В., Петренко Н.Я. Разработка асинхронных двигателей малой мощности. - Труды международной научно-технической конференции, Харьков, 1997, т. 3, с. 129-131.

Автор запропонував використання методики визначення електромагнітних параметрів елементів асинхронного двигуна з метою отримання готового виробу з покращенними характеристиками

Размещено на Allbest.ru