Розроблення та дослідження нових конструкцій електромеханічних перетворювачів для пневмо–гідропідсилювачів

Размещено на http://www.allbest.ru

Національний університет “львівська політехніка”

05.09.01 - Електричні машини і апарати

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розроблення та дослідження нових конструкцій електромеханічних перетворювачів для пневмо-гідропідсилювачів

Харчишин Богдан Михайлович

Львів-2003

Размещено на http://allbest.ru

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник

кандидат технічних наук, доцент

Завгородній Віктор Дмитрович,

провідний науковий співробітник

спеціального конструкторського бюро

електромеханічних систем

Національного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Антонов Олександр Євгенович,

завідувач лабораторії багатостепеневих

магнітоелектричних систем Інституту електродинаміки

Національної Академії наук України, м.Київ

кандидат технічних наук, доцент

Василів Карл Миколайович,

доцент кафедри “Обчислювальна техніка моделювання технологічних процесів”

Українського державного лісотехнічного університету, м.Львів

Провідна установа Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “30”січня 2004 р. о “10” год. ”00” хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.02 Національного університету “Львівська політехніка” (79013, м.Львів, вул. С.Бандери, 12, ауд.114)

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (м.Львів, вул.Професорська,1).

Автореферат розісланий “24” грудня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д35.052.02 Коруд В.І.

Загальна характеристика роботи

У сучасних системах керування літальними апаратами, металообробними верстатами, системах наведення та супроводу широке застосування знайшли електрогідропідсилювачі, складовим елементом яких є електромеханічний перетворювач (переважно магнітоелектричний) вхідного електричного сигналу в пропорційне переміщення вихідного елемента.

Існуючим конструкціям магнітоелектричних перетворювачів (МЕП) властиві суттєві недоліки: планарність конструкції, низька її технологічність, незадовільні масо-габаритні показники. Розроблені за участю автора конструкції МЕП кільцевої структури, у тому числі з гребінцевими зонами, усувають ці недоліки. Вони адаптивні до застосування сучасних магнітів рідкісноземельної групи і характеризуються покращеними вихідними характеристиками при одночасному зменшенні їхньої маси та габаритів.

Особливо важливим при проектуванні нових типів перетворювачів є встановлення можливості технічної реалізації заданих статичних, динамічних та енергетичних показників, що може бути зроблено тільки на основі достовірної математичної моделі явищ електромеханічного перетворення енергії у конструкціях цього типу.

Актуальність теми. Перші електромеханічні перетворювачі такого типу для військової техніки були розроблені у США та Англії у роки другої світової війни. Розвиток ракетної техніки у післявоєнні роки в СРСР стимулював значний прогрес в області створення та випуску нових типів перетворювачів, особливо з герметичним відділенням активної частини перетворювача від робочої рідини електрогідропідсилювача.

На жаль, на початку 80-х років минулого століття науково-дослідні та конструкторські роботи в цій галузі були практично згорнуті, хоча підвищення вимог до систем приводів стосовно їхньої статичної та динамічної стабільності, збільшення чутливості, зменшення габаритних розмірів та маси, підвищення надійності у роботі вимагають розробки нових і вдосконалення старих конструкцій електромеханічних перетворювачів на базі останніх досягнень у галузі розробки нових матеріалів, а особливо - постійних магнітів.

До того ж історично склалося так, що підприємства ВПК колишнього СРСР, які займались розробленням і випуском перетворювачів, розташовані у Росії, а Україна, не маючи власного їхнього виробництва, змушена їх імпортувати. Усе це визначає актуальність досліджень у цій галузі, скерованих на забезпечення дослідно-конструкторських робіт і організацію випуску перетворювачів вітчизняною промисловістю.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи відповідає проблемам, якими займається СКБ електромеханічних систем НУ “Львівська політехніка”.

Розроблення нових конструкцій магнітоелектричних перетворювачів, метрологічної бази для забезпечення їхнього випуску за господарськими договорами з Львівським заводом біофізичних приладів (№№ 5855, 5856 у 1993-1994 рр.) та з Дніпропетровським КБ “Південне” (№ 6196 у 1995р., № 6663 у 1999 р.) показала можливість значного поліпшення характеристик МЕП. З 1996 року в НУЛП проводяться дослідження за вказаною тематикою у рамках держбюджетних НДР ДБ/68.МЕП (№ держреєстрації 0197U000214) та ДБ ВЕЕС (№ держреєстрації 0198U007856).

Участь здобувача як виконавця та відповідального виконавця у зазначених госпдоговірних та держбюджетних роботах полягала у теоретичному дослідженні та розробленні нових конструкцій МЕП, розробці конструкторської документації, проведенні серії експериментів із визначення характеристик розроблених ним макетів.

Мета і задачі дослідження. Метою теоретичних та експериментальних досліджень є уточнення кількісних параметрів електромеханічних процесів перетворення енергії у поляризованих структурах перетворювачів, скероване на подальше покращення їхніх технічних характеристик, та синтез нових різновидів нетрадиційного конструктивного виконання, що у процесі роботи визначило такі задачі:

- аналіз та класифікація відомих конструкцій МЕП, виявлення їхніх недоліків;

- синтез альтернативних конструкцій МЕП, особливо ж адаптивних до постійних магнітів рідкісноземельної групи;

- встановлення можливості забезпечення необхідних співвідношень між параметрами МЕП (крутизна механічної характеристики, жорсткість “магнітної пружини”, крутизна регулювальної характеристики) за рахунок відповідної варіації його конструктивних параметрів;

- розроблення математичних моделей МЕП з метою подальшої оптимізації їхніх конструкцій;

- розроблення рекомендацій щодо зменшення масо-габаритних показників МЕП при одночасному покращенні їхніх вихідних характеристик та енергетичних показників.

Об'єкт дослідження - особливості електромеханічного перетворення енергії у поляризованих конструкціях перетворювачів з обмеженим переміщенням вихідного елемента, в тому числі при двосторонній зубчастості активного об'єму.

Предмет дослідження - конструкції МЕП планарної, кільцевої та гребінцевої структур як керуючі елементи систем пневмо- та гідроелектропідсилювачів, а також натурні фізичні моделі та макети вказаних об'єктів. перетворювач електромеханічний гідропідсилювач

Методи дослідження: - теоретичні дослідження особливостей електромеханічного перетворення енергії у розглянутих конструкціях здійснено на основі енергетичних методів, методів теорії електричних та магнітних кіл із застосуванням положень теорії геометричного перетворення координат процесів;

- синтез нетрадиційних конструкцій МЕП здійснено на базі використання генетичних принципів теорії еволюційного синтезу електромеханічних систем та положень загальної теорії симетрії;

- аналіз достовірності отриманих теоретичних результатів проводився шляхом порівняння даних математичного моделювання (в тому числі і чисельного) з даними експериментальних досліджень, виконаних на натурних моделях та взірцях МЕП.

Наукова новизна одержаних результатів.

Встановлено причину наявності “магнітної жорсткості” у МЕП традиційних конструкцій - вплив магнітного опору кола керування, що дозволило легко впливати на крутизну механічної характеристики МЕП нових конструкцій.

Розроблено математичну модель, що описує електромагнітні процеси у синтезованих кільцевих конструкціях МЕП та математичну модель геометричної структури гребінцевих зон МЕП, що дозволила врахувати вплив дисиметризації на енергетичні характеристики та показники перетворювача.

Встановлено вплив структурних параметрів гребінцевих зон на величину коефіцієнта “магнітної жорсткості” та крутизни моментної характеристики.

Виявлено чинники, які визначають якість вихідних характеристик МЕП, що дозволило кількісно оцінити нелінійність коефіцієнта жорсткості “магнітної пружини” та нелінійність коефіцієнта крутизни моментної характеристики.

Практичне значення одержаних результатів.

Синтезовано два нових конструктивних різновиди перетворювачів - МЕП кільцевої структури та МЕП із гребінцевими зонами, які характеризуються значно кращим використанням об'єму активного простору, пристосованістю до використання магнітів рідкісноземельної групи, що відкриває шлях до подальшої їхньої мініатюризації.

Використання принципу дисиметрії щодо структур гребінцевих зон дало можливість уникнути нульового значення жорсткості “магнітної пружини” і суттєво впливати на параметри статичних характеристик МЕП.

Отримані розрахункові формули покладено в основу методики вибору головних розмірів МЕП, що використовувалась при розробленні перетворювачів для КБ “Південне” (м.Дніпропетровськ).

Синтезовані конструкції МЕП покладено в основу електропривода скануючого пристрою інтерферометра інфрачервоного діапазону з масою дзеркала 1100 кг при діапазоні частот 1…2 Гц і кутів сканування ±0,045 рад, який розробляється НДІ Прецизійного приладобудування (м.Москва) та КБ Спеціального машинобудування (м.С.-Петербурґ).

Особистий внесок здобувача. Викладені у цій дисертаційній роботі основні результати наукових та експериментальних досліджень отримані автором особисто. Доробок автора у публікаціях за темою дисертації: в [1] - розроблення топології структури МЕП кільцевого типу та порівняння її з МЕП планарного типу, в [2] - розроблення математичної моделі магнітних провідностей активної зони перетворювача на основі методу вторинних джерел, порівняння результатів розрахунку з даними за іншими методами, в [3] - математичний опис гребінцевих структур та аналіз параметрів їхніх магнітних опорів, у [4] - синтез активної частини магнітоелектричних перетворювачів із гребінцевими зонами, в [5] - розроблення геометричної моделі гребінцевих структур та визначення за нею функційних залежностей магнітних провідностей, у [6] - синтез структур активної частини індукційних давачів положення на основі геометричної моделі гребінцевих структур, у [7] - розроблення магнітної заступної схеми та числової математичної моделі МЕП планарного типу, в [8] - обґрунтування вибору геометричних примітивів для застосування генетичного підходу до синтезу МЕП нетрадиційних конструкцій та їхній порівняльний аналіз, у [9]-дослідження магнітних провідностей індукційних перетворювачів кута на базі геометричної моделі гребінцевих зон.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались та обговорювались на:

- 3й Міжнародній науково-технічній конференції “Нетрадиційні електромеханічні та електротехнічні системи” (UEES'97) (19-21 вересня 1997р., м.Алушта);

- Міжнародному симпозіумі “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика” (SIEMA'2000) (20-21 жовтня 2000 р., м.Харків);

- Міжнародній конференції з моделювання (MS'2001) (23-26 травня 2001р., м.Львів);

- Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання як засіб мінімізації енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах” (18-22 червня 2001 р., м.Шацьк);

- на науково-технічних семінарах кафедри “Електричні машини і апарати“ НУЛП у 1999-2003рр. (3 доповіді).

Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 9 публікаціях [1-9] у наукових фахових виданнях і працях міжнародних науково-технічних конференцій та симпозіумів, із них 5 статей у фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і трьох додатків. Повний обсяг дисертації становить 155 сторінок, в тому числі основний текст - 139 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми створення електромеханічних перетворювачів гідропідсилювачів нового покоління, адаптованих до використання рідкісноземельних постійних магнітів, з метою збільшення енергетичних показників при зменшенні потужності керування, габаритів та маси, сформульовано мету та основні задачі досліджень, охарактеризовано наукову новизну роботи і практичну цінність одержаних результатів, наведені відомості про апробацію роботи.

У першому розділі здійснено огляд та аналіз основних конструктивних виконань існуючих електромеханічних перетворювачів гідропідсилювачів. Здійснено класифікацію ЕМП гідропідсилювачів на основі даних відомих літературних джерел. Розглянуто основні функційні характеристики та параметри перетворювачів, а також їхні експлуатаційні характеристики. Встановлено, що ЕМП традиційного конструктивного виконання мають недоліки, які ускладнюють подальше їхнє вдосконалення внаслідок:

- відносної конструктивної складності нерухомої частини магнітопроводу, що складається як мінімум з восьми основних деталей, які необхідно об'єднати в єдину конструкцію, забезпечивши точність розмірних кіл на рівні сотих частин мм;

- призматичної форми більшості деталей магнітного кола, виконання яких вимагає великої кількості фрезерувальних та шліфувальних операцій;

- наявності значних полів розсіяння як постійних магнітів (ПМ), так і обмотки керування (ОК), що зменшує ефективність використання активних матеріалів;

- наявності чотирьох паразитних немагнітних проміжків відносно малої площі між магнітопроводами та полюсними наконечниками, що спричиняє збільшення об'єму обмотки керування;

- обмеженості області електромеханічного перетворення енергії об'ємом лише двох повітряних проміжків між індуктором та якорем при незначних кутових переміщеннях останнього (2…3 кут.град.), внаслідок чого для отримання відповідного моменту необхідно збільшувати радіус якоря або його аксіальну довжину, що пов'язане із збільшенням масо-габаритних показників та моменту інерції рухомої частини, а тим самим - із погіршенням динамічних властивостей ЕМП;

- конфігурації магнітного кола постійних магнітів, яка характеризується відносно малою площею його поперечного перетину при відносно великій довжині магніту, що не дозволяє використати переваги застосування рідкісноземельних постійних магнітів.

Вплив вище наведених недоліків можна усунути шляхом зміни топології магнітного кола ЕМП і заміни його прямокутної структури на кільцеподібну із збереженням принципу взаємодії магнітних потоків збудження та керування і мостового характеру еквівалентного магнітного кола.

Другий розділ присвячений розробленню конструкцій МЕП нового покоління, адаптованих до застосування постійних магнітів рідкісноземельної групи. Пошук можливих варіантів здійснено із застосуванням групи функцій геометричних перетворень над вибраними геометричними примітивами

Встановлено, що найбільш перспективною для подальшого вдосконалення є конструкція МЕП 1-го типу з переміщенням рухомого елемента в напрямку нормальному до вектора індукції магнітного поля

Механічна характеристика МЕП такого типу має від'ємний нахил до осі абсцис і характеризується внутрішньою від'ємною жорсткістю “магнітної пружини”, за рахунок чого і забезпечується стійкість якоря в його нейтральному положенні без механічної пружини, хоча застосування останньої не виключається, але вже як допоміжного елемента для юстування параметрів гідропідсилювача.

Використовуючи геометричне перетворення типу багатократної трансляції конфігурації вибраного примітиву за координатою руху, як показано на рис.3, можна перейти від планарної структури МЕП до кільцевої, що разом із збільшенням сумарного об'єму простору перетворення енергії забезпечує більш раціональне використання як обмоткової міді, так і матеріалу ПМ, характерне для кільцевих структур. Це є можливим завдяки особливості функціонування МЕП гідропідсилювачів у діапазонах кутів повороту якоря всього на декілька градусів (або переміщень якоря у межах часток мм при поступальному його русі).

Намагання зменшити число одиниць складання, збільшити питомий електромагнітний момент при одночасній мініатюризації конструкції МЕП унаслідок застосування рідкісноземельних магнітів відносно малої висоти, але великої площі їхнього поперечного перетину, реалізовано шляхом трансформації примітивів та в їхні різновиди та , які показані на

Виготовлені із магнітом'якого матеріалу зубчасті елементи 1 і 2 встановлюються на валі з кутовим зсувом, утворюючи між опозитними зубцями повітряні проміжки порядку одного мм, які аналогічні проміжкам між полюсними наконечниками базового примітиву . Для нормального функціонування МЕП зубці ротора повинні формувати періодичність полярності типу …N-S-S-N ...

Магнітна система ОК також приймає кільцеву структуру, що складається із двох зубчастих циліндричних елементів верхнього та нижнього, у кільцевій порожнині між якими розташована ОК у вигляді кільцевої котушки. Зубці верхнього та нижнього елементів чергуються по внутрішній розточці і при живленні ОК мають опозитну полярність, яка залежить від напрямку струму. Для зменшення демпфуючого впливу короткозамкнених контурів елементів у них повинні бути виконані радіальні прорізи.

Кільцева структура МЕП забезпечує можливість використання тільки одного кільцеподібного магніту для поляризації p-полюсної системи ротора та однієї кільцеподібної обмотки для створення p-полюсного потоку керування [8].

Інша конструкція МЕП, обернена до вище описаної, отримана на базі цього ж примітиву , відрізняється рухомою обмоткою керування, що зменшує надійність перетворювача, особливо при значному робочому діапазоні кута повороту ротора. Однак зменшення об'єму міді призводить до зниження потужності керування. Ротор може виконуватись як зіркоподібний магнітопровід з обмотаними полюсами, так і з кільцеподібною ОК та кігтеподібними полюсами.

Розроблена на основі геометричного підходу кільцева структура МЕП дозволяє:

- покращити технологічність конструкції шляхом заміни елементів призматичної форми елементами, що мають конфігурацію тіл обертання;

- зменшити масо-габаритні показники завдяки застосуванню рідкісноземельних постійних магнітів, максимально використавши досягнення у галузі електротехнічних матеріалів;

- збільшити питомий електромагнітний момент за рахунок збільшення об'єму активного простору перетворення енергії.

Подальша мініатюризація МЕП кільцевої конструкції у рамках прийнятих конструктивних рішень наштовхується на певні труднощі зумовлені як технологічними так і феноменологічними факторами. Тому лише вдосконалення МЕП на базі синтезу активної частини перетворювачів з гребінцевими зонами (рис.6), які є характерними для структур магнітних кіл крокових двигунів, дозволяє перейти до значно більшої кількості взаємодіючих елементів ротора та статора і збільшити електромагнітний момент МЕП, уникаючи зростання магнітних потоків розсіяння полюсних систем. Це не порушує принципів взаємодії магнітних потоків у активній зоні вибраного примітиву [4].

Третій розділ присвячений спрощеному аналітичному дослідженню впливу конструктивних параметрів магнітного кола на характеристики магнітоелектричних перетворювачів. Основні висновки цього аналізу:

- наявність потоків розсіяння та випучування у зоні повітряного проміжку не змінює функційну залежність електромагнітного моменту від кута повороту вихідного елемента M(), а лише впливає на ефективність використання матеріалу ПМ та ОК;

- за своєю фізичною природою функційна залежність M(, ik ) є суттєво нелінійною і може розглядатись як лінійна функція з деякою середньоквадратичною похибкою лише у певних діапазонах зміни величин та струму керування ik, ширина яких визначається параметрами магнітного кола m та c (де m - відносна величина магнітного опору ПМ у частках усього магнітного опору кола ПМ; c - відносна величина магнітного опору осердя ОК у частках усього магнітного опору кола ОК);

- функційна залежність M(, ik , im ) є повністю симетричною відносно індексів k та m, що є відображенням симетрії магнітного кола МЕП відносно ПМ та ОК; (де ik - магніторушійна сила умовно одновиткової ОК; im - магніторушійна сила еквівалентного ПМ одновиткового контура);

- від'ємну жорсткість механічної характеристики M=f() можна отримати лише при неідеальному осерді ОК, що характеризується параметром c 0 (де с - магнітний опір осердя ОК);

- при інших рівних умовах жорсткість механічної характеристики лінійного МЕП прямопропорційна квадрату намагнічувальної сили ПМ, або величині запасеної магнітної енергії;

- при інших рівних умовах жорсткість механічної характеристики прямопропорційна магнітному опору осердя ОК, вираженому в частках сумарного магнітного опору кола цієї обмотки.

З огляду на складність функційної залежності M(, ik , im ) (навіть лінійного МЕП) забезпечення необхідної точності інженерних розрахунків з врахуванням насичення окремих ділянок магнітного кола вимагає розробки дискретної числової моделі.

У четвертому розділі з метою дослідження впливу конструктивних параметрів саме кільцевої структури магнітного кола МЕП на енергетичні характеристики досить детально розглянуто його магнітну заступну схему. Перетворена та зведена до однієї пари полюсів, вона має об'ємну структуру, проте шляхом відповідної трансформації їй надано планарного вигляду, де позначено x , y - магнітні провідності робочого повітряного проміжку зі сторони набігаючого та збігаючого країв якоря відповідно; m , c - еквівалентні магнітні провідності гілки підмагнічування ПМ та осердя ОК; уm , уc - провідності розсіяння між полюсами магнітного кола підмагнічування та керування відповідно; не позначені елементи - це магнітні провідності відповідних феромагнітних ділянок маг\'f1трук'e3о кола.

Зважаючи на тотожність зведеної заступної схеми багатополюсного МЕП мостовій схемі геометричних примітивів, для опису енергетичних показників МЕП кільцевої структури можна скористатися результатами отриманими для перетворювачів базової конструкції. За основні енергетичні характеристики прийнято величину електромагнітного моменту Mm при =0 та iк= iкmаx, та крутизну механічної характеристики Km при =0 та iк=0 , які описуються виразами:

, (1)

, (2)

де p - кількість пар полюсів магнітопроводу системи керування; Dp - діаметр розточки якоря; hз - висота активної частини зубців; д - величина одностороннього повітряного проміжку; Bд - величина магнітної індукції у повітряному проміжку; kc - відношення м.р.с. ОК до м.р.с. ПМ (з умови заданої величини лінійності характеристики керування kc не перевищує 0,20,3), c* - відносна величина магнітного опору осердя ОК в частках базового магнітного опору повітряного проміжку в нейтральному положенні ротора.

Залежності (1) та (2) основних енергетичних характеристик МЕП кільцевого типу від його конструктивних геометричних параметрів можуть бути використані при проектних розрахунках.

Узагальнена статична характеристика МЕП як функція величин im , ik (м.р.с. ПМ та ОК, що припадають на повітряний проміжок), параметрів магнітного кола m , c і f() визначається:

, (3)

де ; ; - середньогеометрична величина між m та c; 0 - магнітна провідність між парою зубців у нейтральному положенні ротора; f() - деяка функція, що описує зміну магнітних провідностей міжзубцевого проміжку від кута повороту ; m* - відносна величина магнітного опору ПМ у частках базового магнітного опору повітряного проміжку в нейтральному положенні ротора.

Цей вираз покладено в основу аналітичного дослідження залежності метрологічних показників МЕП від інтенсивності джерел поляризації та керування (величин im та ik), параметрів магнітного кола та конфігурації зубцевих шарів активної зони, що описується функцією f() та її похідною за кутом переміщення .

У п'ятому розділі встановлено можливість суттєвого впливу на статичну характеристику і її параметри та уникнення нульової жорсткості “магнітної пружини” МЕП з гребінцевими зонами не за допомогою введення у коло керування додаткового магнітного опору, а шляхом внесення незначної асиметрії взаємної зміни магнітних провідностей гребінцевих зон [3]. Таку дисиметрію можна забезпечити різними способами:

- шляхом виконання різної кількості активних зубців q на різнополярних полюсах магнітопроводу обмотки керування;

- шляхом виконання зубцевих структур різнополярних полюсів магнітопроводу обмотки керування з різним кроком;

- шляхом організації на полюсах постійного магніту зон, магнітна провідність яких не залежить від кута повороту у межах його робочих переміщень при збереженні загального характеру залежностей магнітних провідностей гребінцевих зон.

Використовуючи останній спосіб, синтезовано та досліджено два варіанти дисиметрії структури гребінцевих зон МЕП

Для цього типовиконання МЕП коефіцієнти жорсткості “магнітної пружини” та крутизна моментної характеристики мають вигляд

; , (4)

де q i t - кількості активних зубців полюса статора та ротора відповідно; s i n - кількості пасивних зубців на тих же полюсах; - сумарна кількість розрахункових зубців, що припадають на пару полюсів ОК; m - магнітний потік кола поляризації у повітряному проміжку активної зони при нейтральному положенні ротора МЕП.

Перші множники у залежностях визначають вплив структури гребінцевих зон на коефіцієнт “магнітної жорсткості” та крутизну моментної характеристики відповідно, а останні - вплив зміни робочої магнітної провідності на метрологічні параметри МЕП.

Розроблена математична модель магнітного кола МЕП з гребінцевими зонами дозволила врахувати кількісно вплив дисиметрії і з достатньою точністю розраховувати їхні статичні характеристики на етапі проектних робіт.

Отримані вирази (4) покладено в основу методики вибору головних розмірів МЕП з гребінцевими зонами при заданих коефіцієнтах жорсткості “магнітної пружини”, навантажувальної пружини, номінальному куті повороту і номінальному струмі керування.

У шостому розділі здійснено числовий аналіз магнітного кола МЕП і приведено результати розрахунків та експериментальних досліджень.

Точність розрахунку вихідних характеристик та параметрів МЕП в основному визначається точністю визначення магнітних провідностей робочих повітряних проміжків між якорем та індуктором та їхніх похідних за координатою переміщення. Встановлено доцільність застосування отриманих з простої геометричної моделі Р.Поля [5] аналітичних виразів, про що свідчить розходження між розрахунковими та експериментально знятими характеристиками МЕП.

Аналіз аналітичних функційних залежностей дав можливість дослідити функції f1(*)=лx--лy, f2(*)=лx+лy , характер зміни яких визначає величину електромагнітного моменту.

З характеру кривих f1(*) побудованих для різних значень безрозмірного конструктивного параметра випливає, що в межах робочого діапазону кутів МЕП -0,5*0,5 при розрахунку його енергетичних характеристик залежність f1() можна з достатньою мірою точності апроксимувати лінійною залежністю f1()=k1, а при розрахунку метрологічних показників - синусоїдною залежністю f1()=k2 (де k1 та k2 - деякі коефіцієнти, величина яких залежить від параметра ; R - радіус розточки ротора; - кутовий розмір перекривання зубців у нейтральному положенні ротора; - безрозмірна координата переміщення).

Використання аналітичних виразів для зміни магнітних провідностей гребінцевих структур дозволяє уникнути числового розв'язку рівнянь Лапласа, забезпечуючи при цьому прийнятні за точністю результати розрахунку.

y=б* та

Електромагнітні сили, що виникають у конструкціях МЕП унаслідок взаємодії потоків збудження та керування, розраховуються через приріст магнітної коенергії, який має місце при малому переміщенні ротора і при збереженні незмінними намагнічувальних сил кіл збудження та поляризації. У процесі роботи встановлено недоцільність визначення електромагнітних сил за сумою приростів коенергії окремих гілок магнітного кола, котрих в декілька разів більше ніж збуджуючих контурів, яких всього два. Внаслідок лінеаризації моделі магнітні коенергії збуджуючих контурів вираховуються з великою точністю, тому приріст координати переміщення ротора можна вибирати як завгодно малим, що суттєво зменшує похибки визначення похідних від коенергії.

Для отримання правильних приростів коенергії контурів нелінійне магнітне коло МЕП еквівалентується його лінійним аналогом, після чого і розраховуються прирости коенергії для лінійної системи.

Розрахункові характеристики спроектованого МЕП кільцевого типу. У результаті розрахунку встановлено, що крутизна його механічної характеристики є більшою на 54 відсотки від крутизни МЕП старої конструкції (МП-220) при зменшенні маси активної частини перетворювача у 4 рази, у тому числі маси магніту. Така конструкція МЕП дозволяє регулювати крутизну механічної характеристики у широкому діапазоні за допомогою зміни величини регулювального проміжку в колі керування, що було однією з вимог до нової конструкції.

Механічні та регулювальні характеристики фізичного макета МЕП з гребінцевими зонами, створеного шляхом переконструювання крокового двигуна ДШР57-0,006-1,8. За ними можна оцінити жорсткість “магнітної пружини” Km=4,78 Нм/рад. Розрахункові характеристики такого МЕП приведені на рис.12а (тонкі лінії). Розбіжності експерименту з розрахунком можуть бути викликані деякими особливостями конструкції макета (напр. ширина зубця менша від ширини паза) а також можливим відхиленням фізичних параметрів матеріалу ПМ (Br та Hc) від нормованих величин.

Адекватність розробленої числової моделі МЕП, обґрунтованість прийнятих допущень та обмежень підтверджені розрахунком статичних характеристик МЕП гребінцевого типу і порівнянням їх з експериментальними даними. Здійснений порівняльний аналіз створених конструкцій МЕП з прототипом (МП-220), за допомогою умовних питомих характеристик та показників.

Висновки

Аналіз сучасних вимог до пневмо-гідроприводів, характеристик та параметрів існуючих конструкцій МЕП підтвердив актуальність розроблення їхніх нових модифікацій, адаптивних до застосування сучасних рідкісноземельних магнітних матеріалів.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень упродовж розроблення нових топологічно-модифікованих конструкцій МЕП на основі принципів теорії еволюційного синтезу ЕМП, теорії симетрії та теорії електромеханічного перетворення енергії, характеризуються новизною в теоретичному та прагматичному аспектах.

1. Застосування функцій геометричних перетворень над вибраним геометричним примітивом МЕП полегшують процес алгоритмізації синтезу їхніх нових конструкцій.

2. Виявлено причину наявності „магнітної жорсткості“ в традиційній конструкції МЕП - вплив магнітного опору кола керування, що дозволило впливати на крутизну механічної характеристики МЕП нових конструкцій.

3. Встановлено чинники, що визначають якість вихідних характеристик:

- нелінійність коефіцієнта жорсткості “магнітної пружини” обумовлена властивостями другої похідної від квадрата функційної залежності магнітної провідності від кута повороту.

- нелінійність коефіцієнта крутизни моментної характеристики обумовлена властивостями першої похідної від тієї ж функції;

4. Уточнено функційні залежності вихідних характеристик МЕП та їхніх параметрів від конструктивних структурних величин і встановлено вплив структурних параметрів гребінцевих зон на величину коефіцієнта „магнітної жорсткості“ та крутизни механічної характеристики.

5. Застосування принципу дисиметризації топології стосовно структур ЕМП, як необхідного чинника подальшого їхнього еволюційного розвитку, зумовлює значне покращення вихідних характеристик та параметрів і розширює діапазон можливих варіацій останніх.

6. Підтверджено доцільність застосування простої геометричної моделі Р.Поля для розрахунків функційних залежностей магнітних провідностей між двома зубцевими структурами МЕП, що забезпечує економію часу та обчислювальних ресурсів, при розбіжності у декілька відсотків між розрахунковими та експериментально знятими характеристиками МЕП, які визначаються похідними від цих залежностей.

7. Продемонстровано доцільність розрахунку електромагнітних моментів ЕМП за приростом магнітної коенергії джерел, а не віток магнітного кола, яких завжди набагато більше.

8. Синтезовано два нових конструктивних різновиди перетворювачів - МЕП кільцевої структури, та МЕП із гребінцевими зонами, які характеризуються значно кращим використанням об'єму активного простору, питомими масо-габаритними показниками та адаптивністю до використання магнітів рідкісноземельної групи.

9. Встановлено можливість суттєвого впливу на статичні характеристики і параметри та уникнення нульової жорсткості “магнітної пружини” МЕП із гребінцевими зонами не за допомогою введення у коло керування додаткового магнітного опору, а за рахунок внесення незначної асиметрії взаємної зміни магнітних провідностей гребінцевих зон при збереженні загального характеру їхніх залежностей від кутової координати.

10. Отримані розрахункові формули покладено в основу методики вибору головних розмірів МЕП з гребінцевими зонами при заданих коефіцієнтах жорсткості “магнітної пружини”, навантажувальної пружини, номінальному куті повороту та номінальному струмі керування, яка використовувалась при розробці МЕП для КБ „Південне“.

11. Розроблена числова модель магнітного кола МЕП як кільцевого типу, так і з гребінцевими зонами дозволяє достатньо точно розраховувати їхні статичні характеристики на етапі проектних робіт і легко дослідити функції відгуку на зміну довільного параметра конструкції, внаслідок чого може бути використана для оптимізації МЕП різних конструктивних виконань. Адекватність розробленої числової моделі розрахунку магнітних кіл МЕП, обґрунтованість прийнятих допущень і обмежень при її розробці підтверджені розрахунком статичних характеристик МЕП гребінцевого типу й порівнянням їх з експериментальними даними.

Промисловості України, в т.ч. і оборонній, у майбутньому при створенні пневмо- та гідропідсилювачів систем керування доцільно перейти до випуску вітчизняних магнітоелектричних перетворювачів нового покоління, які характеризуються значним покращенням енергетичних та масо-габаритних показників.

Основні публікації за темою дисертації

1. Завгородній В.Д., Харчишин Б.М. Удосконалення конструкції електромеханічних перетворювачів для електрогідроприводів // Вісник ДУЛП. Електроенергетичні та електромеханічні системи. -1997. -№ 334. -С.37-41.

2. Хай М.В., Будіщев М.С., Харчишин Б.М. Розрахунок магнітних провідностей повітряних проміжків електромеханічних актюаторів // Вісник ДУЛП. Електроенергетичні та електромеханічні системи. - 1997.-№ 334. -С.131-134.

3. Завгородній В.Д., Харчишин Б.М. Математична модель гребінцевих зон магнітоелектричних перетворювачів та їх параметри // Вісник НУЛП. Електроенергетичні та електромеханічні системи. - 2000. - № 400. -С.43-48.

4. Харчишин Б.М. Синтез активної частини магнітоелектричних перетворювачів з гребінцевими зонами // Вісник НУЛП. Електроенергетичні та електромеханічні системи. - 2000. -№ 403. -С.175-180.

5. Харчишин Б.М., Завгородній В.Д. Аналітичне визначення магнітних провідностей гребінцевих зон магнітоелектричних перетворювачів // Вестник ХГПУ. Новые решения в современных технологиях. -2000. - № 84. -С.185 -188.

6. Завгородній В.Д., Снітков І.Ф., Харчишин Б.М. Математична модель індукційного давача положення ротора електронно керованих безконтактних виконавчих двигунів // Вісник НУЛП. Електроенергетичні та електромеханічні системи. -2001. -№421. -С.61-66.

7. Б.Харчишин, В.Павлына, М.Хай. Расчет статических характеристик магнитоэлектрических актюаторов электрогидроусилителей. Proc. 3rd International Scientific and Technical Conference on Unconventional Electromehanical and Electrical Systems. -Alushta (Ukraine). -1997. - P. 261-266.

8. Б.Харчишин, В.Завгородний. Тенденции развития конструкции электромеханических преобразователей для электрогидроприводов. Proc. 3rd International Scientific and Technical Conference on Unconventional Electromehanical and Electrical Systems. -Alushta (Ukraine). -1997. - P. 255-260.

9. B.Kharchishyn, I.Snitkov, V.Zavgorodny. Mathematical model of induction type angle position transducer. Proc. International Conference on Modeling & Simulation. -Lviv (Ukraine). -2001. -P. 105-108.

Анотації

Харчишин Б.М. Розроблення та дослідження нових конструкцій електромеханічних перетворювачів для пневмо-гідропідсилювачів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. - Національний університет ”Львівська політехніка”, Львів, 2003.

Дисертацію присвячено теоретичним та експериментальним дослідженням електромеханічних процесів перетворення енергії у поляризованих структурах магнітоелектричних перетворювачів (МЕП).

Використовуючи генетичні принципи теорії еволюційного синтезу електромеханічних систем та положення загальної теорії симетрії, синтезовано ряд нових нетрадиційних конструкцій МЕП кільцевого типу та з гребінцевими зонами. Вони адаптивні до застосування сучасних постійних магнітів рідкісноземельної групи і мають підвищені питомі енергетичні показники.

Встановлено можливість забезпечення необхідних співвідношень між параметрами МЕП (крутизною механічної характеристики, жорсткістю “магнітної пружини”, крутизною регулювальної характеристики) за рахунок варіації його конструктивних величин. Розроблено математичну модель МЕП з метою оптимізації їхніх конструкцій.

Ключові слова: магнітоелектричний перетворювач, генетичний синтез, кільцева конструкція, гребінцеві зони, рідкісноземельні постійні магніти, енергетичні характеристики, математична модель.

Харчишин Б.М. Разработка и исследование новых конструкций электромеханических преобразователей для пневмо-гидроусилителей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - Электрические машины и аппараты. - Национальный университет ”Львивська политехника”, Львов, 2003.

Диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям электромеханических процессов преобразования энергии в поляризованных структурах магнитоэлектрических преобразователей (МЭП) и синтезу ряда новых нетрадиционных конструкций на базе использования генетических принципов теории эволюционного синтеза электромеханических систем и положений общей теории симметрии.

Осуществлен анализ основных конструктивных исполнений и характеристик существующих конструкций электромеханических преобразователей.

Установлено, что недостатков МЭП традиционной планарной конструкции можно избежать, изменяя топологию магнитной цепи, путем замены его прямоугольной структуры на кольцеобразную с сохранением принципа взаимодействия магнитных потоков возбуждения и управления и мостового характера эквивалентной магнитной цепи. Осуществлено обоснование выбора геометрических примитивов, выбрана наиболее перспективная конструкция, которая позволяет дальнейшую ее миниатюризацию и есть адаптивной к применению современных постоянных магнитов редкоземельной группы. Синтезированная на основе геометрического подхода кольцевая структура МЭП разрешает улучшить технологичность изготовления и сборки, уменьшить массу и габариты, увеличить удельный электромагнитный момент за счет увеличения объема активного пространства преобразования энергии. Дальнейшее усовершенствование МЭП кольцевой структуры осуществлено на базе синтеза активной части преобразователей с гребенчатыми зонами.

Проведено аналитическое исследование влияния конструктивных параметров на характеристики магнитоэлектрических преобразователей. Впервые установлено, что отрицательную жесткость механической характеристики можно получить лишь при неидеальном сердечнике обмотки управления, магнитное сопротивление которого не равно нулю.

Установлена возможность обеспечения необходимых соотношений между параметрами МЭП (крутизной механической характеристики, жесткостью “магнитной пружины”, крутизной регулировочной характеристики) за счет вариации его конструктивных параметров.

Результатом исследования влияния конструктивных параметров МЭП кольцевого типа на их энергетические и метрологические показатели являются зависимости, которые могут быть использованы при конструировании. Установлены зависимости, которые служат основой методики выбора главных размеров МЭП с гребенчатыми зонами при заданных коэффициентах жесткости “магнитной пружины”, нагрузочной пружины, номинальному углу поворота и номинальном току управления.

Исследована возможность существенного влияния на статическую характеристику и его параметры а также избежание нулевой жесткости “магнитной пружины” МЭП с гребенчатыми зонами не с помощью введения в цепь управления дополнительного магнитного сопротивления, а за счет внесения диссиметрии взаимного изменения проводимостей гребенчатых зон. Это можно осуществить, например, путем организации на полюсах постоянного магнита зон, проводимость которых не зависит от угла поворота в пределах его рабочих перемещений. Теоретические исследования показали, что жесткость механической характеристики пропорциональна квадрату разности активных зубцов под разноименными полюсами обмотки управления.

Разработанная математическая модель магнитной цепи МЭП с гребенчатыми зонами позволяет учитывать количественно влияние такой диссиметрии.

Установлены факторы, которые определяют качество выходных характеристик МЭП - нелинейности коэффициента жесткости “магнитной пружины” и нелинейность коэффициента крутизны моментной характеристики.

Осуществлен числовой анализ магнитной цепи МЭП и аналитически определены магнитные проводимости гребенчатых зон и исследованы их зависимости от угла поворота ротора. Приведены результаты расчетов и экспериментальных исследоаpanose 000e8й физической модели. Выполненный сравнительный анализ синтезированных конструкций свидетельствует о значительных преимуществах МЭП гребенчатого типа.

Ключевые слова: магнитоэлектрический преобразователь, генетический синтез, кольцевая конструкция, гребенчатые зоны, редкоземельные постоянные магниты, энергетические характеристики, математическая модель.

Kharchishyn B.M. Designing and researching of new type electromechanical converters for pneumatic and hydraulic amplifiers. - Manuscript.

Thesis for obtaining the technical sciences candidate degree by speciality 05.09.01 - Electrical machines and apparatus. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2003.

The thesis is devoted to the theoretical and experimental researching of electromechanical energy conversion processes in permanent magnet polarised structures of converters.

On the base of the electromechanical systems evolution theory and general symmetry theory principles a few unconventional converter designs of circular type and with comb zones was synthesised. These are adaptive to the rare-earth permanent magnets and the specific power parameters increasing are characterised.

The possibility of necessary ratio maintenance between converter parameters (such as mechanical characteristic incline, “magnetic spring” stiffness and controlling characteristic incline) owing to designing data variation is established. The converter mathematical models were elaborated with purpose of converter designing optimization.

Key words: permanent magnet excited converter, genetic synthesis, circular type design, comb zones design, rare earth permanent magnet, power characteristic, mathematical model.

Размещено на Allbest.ru