Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Обеспечение высокой надежности систем управления на базе электромагнитных механизмов является важной проблемой современной науки и техники и одним из условий предупреждения системных техногенных аварий и катастроф. Наиболее распространенным и ответственным видом коммутационной аппаратуры в системах управления являются электромагнитные устройства. Качество их функционирования определяет степень надёжности работы всей системы как в нормальных, так и в аварийных режимах. В настоящее время отсутствует диагностическая аппаратура, обеспечивающая автоматизацию диагностики электромагнитов, в том числе без необходимости испытаний в специальных условиях. Решение этой задачи требует разработки новых подходов диагностики электромагнитных механизмов, которые позволят своевременно принимать меры по выводу в ремонт или для замены неисправных или исчерпавших свой ресурс устройств.

Наиболее перспективным подходом к диагностике электромагнитных устройств является анализ их электромагнитных, вебер-амперных характеристик [1]. Контроль магнитных свойств изделий позволяет идентифицировать дефекты без необходимости проведения долговременных операций разборки/сборки механизмов. Задача усложняется тем, что наиболее информативные характеристики электромагнитов, к которым относятся вебер-амперные характеристики, как правило, невозможно получить с помощью известных сенсоров магнитных величин [2, 3]. Поэтому актуальной задачей является разработка методов технической диагностики наиболее распространенных неисправностей электромагнитных устройств. К таким неисправностям относится в первую очередь появление межвитковых замыканий в намагничивающей обмотке устройства.

Для диагностирования данного дефекта предлагается использовать метод, основанный на анализе вебер-амперной характеристики устройства. Рассмотрим электромагнитную систему, включающую: источник тока, намагничивающую обмотку электромагнитного устройства с числом витков w, два ферромагнитных элемента (например, сердечник и якорь электромагнита) и воздушный зазор между этими элементами. Для анализа применим подход на базе эквивалентных электрических схем [4]. Магнитную систему для каждого момента времени t можно описать выражением:

,

где Ф(t) – мгновенное значение магнитного потока в последовательной магнитной цепи; R_ф1, R_ф2 – магнитные сопротивления ферромагнитных элементов магнитной системы; R_в(l_в) – магнитное сопротивление воздушного зазора длиной l_в; i(t) – мгновенное значение тока в намагничивающей обмотке устройства.

В общем случае, магнитное сопротивление любого участка магнитной цепи Rуч определяется выражением [4]:

,

где l_уч – длина средней линии участка, м; µ_уч – относительная магнитная проницаемость участка; µ₀ – магнитная постоянная; S_уч – площадь поперечного сечения участка, м2.

Заменим в данном выражении магнитный поток Ф выражением [2]:

,

где ψ(t) – мгновенное значение потокосцепления с намагничивающей обмоткой w.

Получим:

,

, (1)

где K(d) = , d – обобщенное геометрическое состояние магнитной системы, определяемое, в основном, l_в.

Рассмотрим случай, при котором с помощью одного источника тока с заданной идеальной дискретностью изменения i(t), измерены две вебер-амперные характеристик ψ₁(i) и ψ₂(i) двух электромагнитов с числом витков соответственно w₁ и w₂, причем . Тогда, для некоторого тождественного геометрического состояния магнитной системы этих электромагнитов d₁=d₂=d в момент времени t, используя выражение (1), получим:

, .

Тогда:

. (2)

Таким образом, при условии тождественности геометрических состояний магнитных систем устройств, магнитных свойств их соответствующих ферромагнитных составляющих элементов, при изменении числа витков в n раз отношение потокосцеплений изменится в n² раз для каждого значения тока i(t).

На базе данного вывода, предложен метод технической диагностики межвитковых замыканий в электромагнитных устройствах на базе их вебер-амперных характеристик, заключающийся в следующем:

Производится измерение вебер-амперной характеристики ψ_гj(i_j) годного электромагнитного устройства и сохраняется в памяти для последующего сравнения (j=1,2..m, где m – число точек на вебер-амперной характеристике).

Производится измерение вебер-амперной характеристики ψ_дj(i_j) диагностируемого электромагнитного устройства.

Рассчитывается среднее значение отношений (2):

.

В случае, если средняя величина отношения nср больше приемлемой для данного типа изделия, делается вывод о наличии межвиткового замыкания в устройстве.

Данный метод опробован на результатах измерений прибора [5]. Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических выводов.