Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ теоретических и конструктивных направлений развития электрических машин линейного перемещения 12
1.1 Специфические особенности конструктивных реализаций линейных электрических машин 12
1.2 Анализ разрабатываемой конструкции цилиндрического линейного электродвигателя 26
1.3 Обзор методик проектирования линейных машин 31
1.4 Моделирование электромагнитных процессов на основе метода конечных элементов 38
1.5 Цель работы и задачи исследования 41
Глава 2 Алгоритмизация электромагнитного расчета бесконтактного цилиндрического линейного двигателя постоянного тока 43
2.1 Постановка задачи 43
2.2 Анализ цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с продольно - радиальной конструкцией магнитной системы 45
2.3 Алгоритм электромагнитного расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока 48
2.4 Оценка теплового состояния цилиндрического линейного двигателя 62
Выводы 63
Глава 3 Моделирование и выбор рациональных совокупностей выходных параметров цилиндрического линейного электродвигателя постоянного тока 64
3.1 Синтез линейного цилиндрического двигателя постоянного тока на основе критериев максимальных удельных тяговых, энергетических показателей 64
3.2 Моделирование цилиндрического линейного двигателя постоянного тока методом конечных элементов 69
3.2.1 Описание исходных данных для моделирования 69
3.2.2 Анализ результатов моделирования 78
Выводы 88
Глава 4 Практическая реализация и результаты экспериментальных исследований цилиндрических линейных двигателей 90
4.1 Макетные образцы цилиндрических линейных двигателей постоянного тока 90
4.1.1 Конструктивные компоненты архитектуры линейного двигателя 90
4.1.2 Макетная реализация цилиндрических линейных электродвигателей 95
4.1.3 Структура блока управления цилиндрическим линейным электродвигателем 96
4.2 Результаты экспериментальных исследований разработанных вариантов цилиндрических линейных электродвигателей 100
4.2.1 Исследование теплового состояния линейного двигателя 101
4.2.2 Экспериментальные исследования индукции в зазоре опытных образцов линейных двигателей 103
4.2.3 Исследования электромагнитной тяговой силы удержания от тока в обмотке 107
4.2.3 Исследование зависимости тяговой силы разработанных линейных электродвигателей от величины перемещения подвижной части 110
4.2.3 Механические характеристики разработанных образцов линейных двигателей 118
Выводы 119
Заключение 120
Список литературы 122
Приложение А 134
Приложение Б 144
Приложение В 145
- Анализ разрабатываемой конструкции цилиндрического линейного электродвигателя
- Алгоритм электромагнитного расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока
- Описание исходных данных для моделирования
- Структура блока управления цилиндрическим линейным электродвигателем
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время все большее распространение получают цилиндрические линейные двигатели, в качестве исполнительных элементов электроприводов специального назначения, реализуемых в рамках электротехнических комплексов, используемых, в частности, в космической, медицинской технике. При этом наличие непосредственного прямого действия исполнительного органа в цилиндрических линейных двигателях определяет их преимущество относительно плоских линейных двигателей. Это обусловлено отсутствием сил одностороннего притяжения, а также меньшей инертностью подвижной части, что определяет их высокие динамические качества.
Следует отметить, что в области разработки средств анализа конструктивных вариантов линейных двигателей имеются положительные результаты, полученные как отечественными (Вольдек А.И., Свечарник Д.В., Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н.), так и зарубежными исследователями (Ямамура, Wang J., Jewell Geraint W., Howe D.). Однако данные результаты нельзя рассматривать в качестве основы создания универсальных средств, позволяющих осуществлять выбор оптимальных конструктивных вариантов линейных электродвигателей применительно к конкретной объектной области. Это обуславливает необходимость проведения дополнительных исследований в области проектирования специальных линейных двигателей цилиндрической архитектуры с целью получения рациональных конструктивных вариантов, носящих объектно-ориентированный характер.
Таким образом, на основании вышеизложенного, актуальность темы исследования продиктована необходимостью проведения дополнительных исследований, ориентированных на разработку средств моделирования и анализа цилиндрических линейных двигателей с магнитоэлектрическим возбуждением с целью получения рациональных конструктивных решений.
Тематика диссертационного исследования соответствует одному из основных научных направлений ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы (Разработка и .исследование интеллектуальных и информационных технологий проектирования и управления сложными промышленными комплексами и системами. ГБ НИР № 2007.18).
Цель и задачи исследования. Целью работы является создание комплекса средств анализа конструкций цилиндрических линейных двигателей постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением, позволяющих осуществлять выбор их рациональных вариантов, ориентированных на использовании в рамках электроприводов специального назначения, реализующих предельные значения удельных энергетических показателей и уровня динамических свойств.
В соответствии с данной целью, в работе поставлены и решены следующие задачи:
анализ рациональных конструкций цилиндрических линейных двигателей постоянного тока, обеспечивающих в рамках электроприводов специального назначения предельные значения удельных энергетических показателей;
проведение теоретических исследований процессов, протекающих в линейных бесконтактных двигателях постоянного тока, как основы построения алгоритма электромагнитного расчета цилиндрического линейного электродвигателя;
разработка алгоритма электромагнитного расчета с учетом особенностей, обусловленных архитектурой магнитных систем цилиндрического линейного двигателя;
разработка структур конечно-элементных моделей для анализа электромагнитных процессов применительно к условиям цилиндрического линейного двигателя;
разработка рекомендаций по выбору рациональных конструктивных решений в рамках процедур проектирования цилиндрических линейных двигателей постоянного тока малой мощности;
- проведение экспериментальных исследований опытных образцов, под
тверждающих адекватность аналитических моделей и разработанного алгорит
ма проектирования цилиндрических линейных двигателей.
Методы исследований. В работе использованы методы теории поля, теории электрических цепей, теории проектирования электрических машин, вычислительной математики, физического эксперимента.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
предложена конструкция магнитной цепи цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с аксиально-намагниченными постоянными магнитами в составе магнитной системы с радиальной направленностью намагниченности, отличающаяся новой архитектурой построения подвижной части линейного электродвигателя;
разработан алгоритм расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с аксиально-намагниченными постоянными магнитами в составе магнитной системы с радиальной направленностью намагниченности, отличающийся учетом особенностей, обусловленных архитектурой построения подвижной части цилиндрического линейного электродвигателя;
разработаны структуры конечно-элементных моделей, отличающиеся специальным набором граничных условий в краевых зонах;
разработаны рекомендации по выбору рациональных проектных решений, направленных на повышение удельных энергетических показателей и динамических качеств цилиндрических линейных электродвигателей постоянного тока на основе количественных данных численных расчетов, а также результатов экспериментальных исследований опытных образцов.
Практическая значимость работы. Практическую ценность диссертационной работы составляют:
- алгоритм проектирования цилиндрических линейных двигателей
малой мощности;
конечно-элементные модели в двумерном анализе цилиндрических линейных двигателей, позволяющие сопоставлять удельные характеристики двигателей различных конструктивов магнитных систем;
рекомендации по проектированию цилиндрических линейных синхронных электродвигателей, направленные на повышение удельных энергетических показателей и динамических качеств.
Предложенные модели и алгоритм могут быть использованы в качестве математической основы создания специальных средств прикладного программного обеспечения систем автоматизированного проектирования бесконтактных двигателей постоянного тока.
Реализация результатов работы. Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы на предприятии «НИИ Механотроники - Альфа» при выполнении НИР «Исследование путей создания современных высокоресурсных механотронных исполнительных приводов различных видов движения в вариациях с цифровым информационным каналом и бездатчиковым управлением при идентификации фазовых координат, интегрированных в системы жизнеобеспечения космических аппаратов (КА)», НИР «Исследование путей создания «интеллектуальных» электроприводов линейного перемещения с управлением по вектору состояния для систем автоматики КА», НИОКР «Исследование и разработка интеллектуальных меха-тронных движителей линейного прецизионного перемещения с нетрадиционной модульной компоновкой для промышленного, медицинского и специального оборудования нового поколения», а также внедрены в учебный процесс кафедры «Электромеханических систем и электроснабжения» ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" в лекционный курс «Специальные электрические машины».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на региональной научно-технической конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве"
(Воронеж 2006, 2007), на межвузовской студенческой научно-технической
конференции "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники" (Воронеж, 2007), на всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2008), в международной школе-конференции «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж, 2008), на I международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (г. Невинномысск, 2008), на научно-техническом совете «Научно-исследовательского и проектно-конструкторского института Механотроники-Альфа» (Воронеж, 2008), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов кафедры автоматики и информатики в технических системах ВГТУ (Воронеж, 2006-2008). Кроме того, результаты диссертации опубликованы в сборниках научных трудов «Электротехнические комплексы и системы управления», «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники» (г. Воронеж 2005-2007 г.), в журнале «Электротехнические комплексы и системы управления» (г. Воронеж 2007-2008 г.), в Вестнике Воронежского государственного технического университета (2008 г).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 - в изданиях, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования, материал изложен на 145 страницах и содержит 53 рисунка, 6 таблиц и 3 приложения.
Содержание работы
В первой главе проведен обзор и анализ современного состояния в области разработки линейных электродвигателей прямого действия. Выполнена классификация линейных электродвигателей прямого действия по принципу действия, а также по основным конструктивным исполнениям. Рассмотрены вопросы теории разработки и проектирования линейных двигателей с учетом особенностей линейной машины. Обосновано использование метода конечных элементов, как современного инструмента проектирования сложных электро-
механических систем. Поставлена цель работы и сформулированы задачи исследований.
Во второй главе рассмотрены вопросы формирования методики проектирования бесконтактных цилиндрических линейных двигателей постоянного тока, представлен электромагнитный расчет различных конструктивных реализаций магнитных систем линейного двигателя, содержащий следующие этапы: выбор основных размеров, расчёт мощности; расчёт машинной постоянной; определение тепловых и электромагнитных нагрузок; расчёт обмоточных данных; расчет электромагнитной тяговой силы; расчет магнитной системы, выбор размеров постоянных магнитов. Произведен оценочный расчет процесса теплообмена линейного электродвигателя.
В третьей главе приведены выражения универсального критерия оптимизации позволяющего, выполнить сравнительный анализ двигателей постоянного и переменного тока малой мощности с учётом требований по энергетике и быстродействию. Сформированы положения методики моделирования цилиндрического линейного двигателя постоянного тока методом конечных элементов, определены основные допущения, на которых построен математический аппарат для анализа моделей указанных типов двигателей. Получены двумерные конечно-элементные модели для цилиндрического линейного двигателя для различных конструкций подвижной части: с псевдо-радиальной намагниченностью магнитов-сегментов на штоке и с аксиально-намагниченными магнитами-шайбами.
В четвертой главе представлена практическая разработка образцов цилиндрических линейных синхронных двигателей, показана схемотехническая реализация блока управления цилиндрическим линейным двигателем. Освещены принципы управления указанным электродвигателем. Продемонстрированы результаты экспериментальных исследований цилиндрического линейного синхронного двигателя с различной конструкцией магнитной системы подвижной части, включающие: исследования тепловых режимов электродвигателя,
зависимость тягового усилия электродвигателя от токов и перемещения. Проведено сопоставление результатов моделирования методом конечных элементов с физическим экспериментом, оценка полученных параметров линейного двигателя с современным техническим уровнем.
В заключении изложены основные результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований.
Анализ разрабатываемой конструкции цилиндрического линейного электродвигателя
Линейный электропривод с управлением по вектору состояния предъявляет ряд конкретных требований к конструкции и работе ЦЛСД. Поток энергии из сети через управляющее устройство поступает в якорную обмотку, что обеспечивает правильную последовательность взаимодействия электромагнитного поля обмотки с полем постоянных магнитов подвижного штока согласно адекватным законам коммутации. Если на штоке расположен высококоэрцитивный постоянный магнит, то реакция якоря практически не искажает основного магнитного потока. Качество электромеханического преобразования энергии определяется не только рационально выбранной магнитной системой, но и соотношением энергетических параметров марки магнита и линейной нагрузки якорной обмотки статора. Расчет электромагнитного поля МКЭ и поиск рациональной конструкции электрической машины методом численного эксперимента, направленного при помощи полученного критерия оптимизации позволяет сделать это с минимальными затратами средств.
С учетом современных требований в отношении ресурса, диапазона регулирования и позиционирования компоновка ЦЛСД строится по классическому принципу динамического взаимодействия магнитного потока возбуждения подвижного штока с магнитным потоком якорной обмотки беспазового статора.
Предварительный технический анализ разработанной конструкции позволил установить следующее:
- вопрос энергетики двигателя, зависит от числа фаз и схемы включения обмотки якоря, при этом важную роль играет форма результирующего магнитного поля в воздушном зазоре и формы напряжения, подводимого к фазам обмотки;
- на подвижном штоке располагаются редкоземельные постоянные магниты с псевдо - радиальной структурой намагничивания, каждый из которых состоит из шести сегментов, объединённых в конструкцию полой цилиндрической формы;
- в разработанной конструкции возможно обеспечить технологическое единство рабочего механизма и штока ЦЛСД;
- подшипниковые опоры с оптимизированными коэффициентами нагрузок обеспечивают необходимый качественный запас по уровню гарантированной наработки и диапазону регулирования скорости перемещения штока;
- возможность прецизионной сборки с минимальными допусками и обеспечение необходимой селективности сопрягаемых поверхностей деталей и узлов позволяет повысить ресурс работы;
- возможность совмещения поступательного и вращательного видов движения в единой геометрии двигателя позволяет расширить его функциональные возможности и расширить область применения.
Якорь ЦЛСД представляет собой цилиндр, выполненный из магнитомяг-кой стали, то есть имеет беспазовую конструкцию. Магнитопровод ярма якоря выполнен из шести модулей - втулок, соединяющихся внахлёст и выполненных из стали 10 ГОСТ 1050-74. Во втулках имеются отверстия для выводных концов катушек двухфазной обмотки якоря. Втулки, собранные в пакет, образуют, по существу, ярмо для проведения основного магнитного потока и получения требуемой величины магнитной индукции в суммарном немагнитном рабочем зазоре. Беспазовая конструкция якоря наиболее перспективна с точки зрения обеспечения высокой равномерности скорости в области минимальных значений диапазона регулирования линейной скорости, а также точности позиционирования подвижного штока (в немагнитном зазоре пульсации электромагнитной тяговой силы зубцового порядка отсутствуют). Катушки якорной обмотки имеют барабанную форму, витки обмотки из провода с самоспекаемой изоляцией ПФТЛД или с эмалевой изоляцией ПЭТВ ГОСТ 7262-54, пропитанного термореактивным компаундом на основе эпоксидной смолы, намотаны на алюминиевый каркас, обладающий жёсткостью формы и рассчитанный на температурный режим до 200 С. После формовки и полимеризации пропиточного компаунда катушка представляет собой жесткий монолитный узел. Подшипниковые щиты собираются вместе с модулями ярма якоря. Корпуса подшипниковых щитов изготовлены из алюминиевого сплава. В корпусах подшипниковых щитов установлены втулки из бронзы.
По результатам проведенного патентного поиска были определены две конструктивные реализации магнитных систем, отличающиеся главным образом магнитной системой подвижной части цилиндрического линейного двигателя.
Подвижный шток базовой конструкции электродвигателя содержит редкоземельные постоянные магниты N35, между которыми установлены неферромагнитные делительные шайбы, имеет 9 полюсов (из них в область активной длины машины перекрывают не более 4-х). Конструкция машины обеспечивает симметрирование магнитного поля от постоянных магнитов с целью снижения первичного продольного краевого эффекта. Высококоэрцитивные магниты обеспечивает требуемый уровень индукции в воздушном зазоре. Постоянные магниты защищены неферромагнитной гильзой, обеспечивающей функции направляющей и имеющие заданные свойства поверхности скольжения. Материал гильзы - направляющей должен быть неферромагнитным, то есть втулка не должна экранировать магнитное поле обмотки и модулей магнитов, потокосцепление которых должно быть максимальным. В то лее время гильза должна обладать заданными механическими свойствами, гарантирующими высокий ресурс работы и малый уровень механических потерь на трение в линейных опорах - подшипниках. В качестве материала гильзы предлагается использовать коррозионно стойкую и жаропрочную сталь.
Следует отметить, что повышение удельных энергетических показателей обычно достигается за счет использования постоянных магнитов, обладающих большой магнитной энергией, в частности из сплавов с редкоземельными металлами. В настоящее время в подавляющем большинстве лучших изделий применены магниты неодим - железо - бор (Nd—Fe—В) с присадками из таких материалов, как диспрозий, кобальт, ниобий, ванадий, галлий; и т.д. Добавление названных материалов ведет к улучшению стабильности магнита с температурной точки зрения. Эти модифицированные магниты могут быть использованы до температур +240С.
Так как втулки постоянных магнитов должны быть намагничены ради-ально, в ходе их изготовления возникла технологическая проблема, связанная с необходимостью обеспечить требуемый поток для намагничивания и малыми геометрическими размерами. Ряд разработчиков постоянных магнитов [121], отмечали, что их предприятия не выпускают радиально намагниченные постоянные магниты из редкоземельных материалов. В результате было принято решение разработать втулку постоянного магнита в виде магнита - сборки из шести криволинейных призм - сегментов.
Путем разработки, а затем сравнения энергетических показателей магнитных систем оценим энергетические возможности, а также рассмотрим соответствие показателей электродвигателя современному техническому уровню.
Схема цилиндрического линейного синхронного двигателя с продольно радиальной магнитной системой показана на рисунке 1.8.
В результате сопоставления и анализа уровня энергетических показателей двух, разработанных в ходе НИР, конструктивных реализаций магнитных систем, полученных в результате физического эксперимента, адекватность аналитических, численных методов расчета и проектирования рассматриваемого типа линейного электродвигателя будет подтверждена в последующих разделах.
Алгоритм электромагнитного расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока
Основой для расчёта ЦЛСД являются следующие данные:
- габаритные размеры;
- длина хода подвижной части (штока)
- синхронная скорость штока Vs, м/с;
- критическое (максимальное) значение электромагнитной тяговой силы FT Н;
- напряжение питания /, В;
- режим работы двигателя (продолжительный, ПВ);
- диапазон температуры окружающей среды АТ,С;
- исполнение двигателя (защищенное, закрытое).
В индуктивных электрических машинах энергия электромагнитного поля концентрируется в рабочем зазоре и зубцовой зоне (в ЦЛДПТ с гладким якорем зубцовая зона отсутствует), поэтому выбор объёма рабочего зазора при синтезе электрической машины имеет первостепенное значение.
Удельная плотность энергии в рабочем зазоре может быть определена как отношение активной мощности машины Рг к объёму рабочего зазора. В основе классических методов расчёта электрических машин лежит выбор машинной постоянной СА (постоянной Арнольда), связывающей основные конструктивные размеры с допустимыми электромагнитными нагрузками (им соответствует предельная тепловая нагрузка)
Для обеспечения скольжения штока на постоянные магниты одевается гильза толщиной Аг Величина Аг зависит от технологических факторов и выбирается минимально возможной.
Линейная синхронная скорость штока ЦЛДПТ и эквивалентная синхронная частота вращения связаны соотношением
Для обеспечения требуемого значения тяговой силы при минимальном значении постоянной времени и отсутствии фиксирующей силы (уменьшении её до приемлемого значения) предпочтение отдано беззубцовой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов на основе высокоэнергетических магнитотвердых материалов (неодим - железо — бор). При этом двигатель имеет рабочий зазор, достаточный для размещения обмотки.
Основная задача расчета магнитной системы состоит в определении конструктивных параметров, оптимальных по энергетическим параметрам, силе тяги и другим показателям, обеспечивающим в рабочем зазоре заданную величину магнитного потока. На начальной стадии проектирования наиболее важным является нахождение рационального соотношения между толщинами спинки магнита и катушки.
Расчет магнитной системы с постоянными магнитами связан с определением кривой размагничивания и магнитных проводимостей отдельных участков. Постоянные магниты неоднородны, картина поля в зазоре имеет сложный характер из — за продольного краевого эффекта и потоков рассеяния. Поверхность магнита не является эквипотенциальной, отдельные участки в зависимости от положения относительно нейтральной зоны имеют неодинаковые магнитные потенциалы. Это обстоятельство затрудняет расчет магнитных проводимостей рассеяния и потока рассеяния магнита.
В целях упрощения расчета принимаем допущение о единственности кривой размагничивания, а действительный поток рассеяния, зависящий от распределения МДС по высоте магнита, заменяем расчетным, который проходит по всей высоте магнита и целиком выходит из поверхности полюса.
Существует ряд графоаналитических методов расчета магнитных цепей с постоянными магнитами, из которых наибольшее применение в инженерной практике нашли метод размагничивающего фактора, применяемый для расчета прямых магнитов без арматуры; метод отношений, используемый для расчета магнитов с арматурой, а также метод электрической аналогии, применяемый при расчёте разветвленных магнитных цепей с постоянными магнитами.
Точность дальнейших расчётов в существенной степени зависит от погрешностей, связанных с определением состояния магнитов с полезной удельной энергией со з.опт, развиваемой ими в немагнитном рабочем зазоре 8v. Последняя должна соответствовать максимуму произведения индукции результирующего поля в рабочем зазоре на удельную энергию магнита.
Распределение индукции в рабочем зазоре ЦЛСД наиболее точно можно определить в ходе конечно- элементного анализа конкретной расчётной модели. На начальном этапе расчёта, когда речь идёт о выборе некоторой совокупности геометрических размеров, обмоточных данных и физических свойств материалов, усреднённым эффективным значением индукции в рабочем зазоре Bscp целесообразно задаваться. Адекватность задания В3ср в пределах рекомендуемого интервала будет фактически определять трудоёмкость поверочного электромагнитного расчёта машины методом конечных элементов.
Применяемые магнитотвердые редкоземельные магниты на основе редкоземельных металлов имеют практически релейную кривую размагничивания, поэтому в широком диапазоне изменения напряжённости магнитного поля величина соответствующей индукции изменяется сравнительно мало.
Для решения задачи определения высоты спинки магнита-сегмента hM на первом этапе синтеза ЦЛСД предлагается следующий подход.
Описание исходных данных для моделирования
В основе электромагнитного расчета численным методом лежит модель, включающая в себя геометрию машины, магнитные и электрические свойства её активных материалов, режимные параметры и действующие нагрузки. В ходе расчёта определяются индукции и токи в сечениях модели. Затем определяются силы и моменты, а также энергетические показатели.
Построение модели включает в себя определение системы основных допущений, устанавливающую идеализацию свойств физических и геометрических характеристик конструкции и нагрузок, на основе которой строится модель. Конструкция машины, изготовленная из реальных материалов, имеет ряд особенностей, включающих в себя несовершенство формы, разброс и неоднородность свойств материалов, (отклонение их магнитных и электрических свойств от установленных значений) и т.п.
Типичным примером идеализации реального материала является присвоение ему свойств однородности. В ряде конструкций линейных двигателей такая идеализация невозможна, т.к. она приводит к неверным результатам расчета. Примером может служить цилиндрический линейный синхронный двигатель с неферромагнитным токопроводящим слоем (гильзой), в котором электрические и магнитные свойства меняются скачкообразно при переходе границы раздела материалов.
Помимо насыщения на выходные характеристики двигателя большое влияние оказывают поверхностный и продольный краевой эффект. При этом одной из главных задач становится задание начальных условий на границах активных областей машины.
Таким образом, модель может быть наделена лишь частью свойств реальной конструкции, поэтому её математическое описание упрощено. От того, на сколько удачно выбрана модель, зависит трудоёмкость расчета и точность его результатов.
Математический аппарат для анализа моделей цилиндрических линейных синхронных двигателей базируется на основе уравнений электромагнитного поля и построен на следующих основных допущениях [24]:
1. Электромагнитное поле является квазистационарным, так как токи смещения и запаздывание в распространении электромагнитной волны в пределах области поля пренебрежимо малы.
2. По сравнению с токами проводимости в проводниках, токи проводимости в диэлектриках и конвекционные токи, возникающие при движении зарядов вместе со средой, пренебрежимо малы, в связи с чем последними можно пренебречь. Так как токи проводимости, токи смещения и конвекционные токи в диэлектрике, заполняющем зазор между статором и ротором не учитываются, скорость перемещения диэлектрика (газа или жидкости) в зазоре не оказывает. влияния на электромагнитное поле.
3. Величина ЭДС электромагнитной индукции много больше ЭДС Холла, Томпсона, контактной и т.д., в связи с чем последними можно пренебречь.
4. При рассмотрении поля в неферромагнитной среде относительная магнитная проницаемость этой среды принимается равной единице.
Следующим этапом расчета является математическое описание поведения модели, или построение математической модели.
Электромагнитный расчёт МКЭ состоял из следующих этапов:
1. Выбор типа анализа и создание геометрии модели для МКЭ.
2. Выбор типов элементов, ввод свойств материалов, назначение свойств материалов и элементов геометрическим областям.
3. Разбиение областей модели на сетку конечных элементов.
4. Приложение к модели граничных условий и нагрузок.
5. Выбор вида электромагнитного анализа, установка опций решателя и численное решение системы уравнений.
6. Использование макросов постпроцессора для расчёта интересующих интегральных величин и анализ результатов.
Этапы 1-4 относится к препроцессорной стадии расчёта, этап 5 - к процессорной стадии, этап 6 - к постпроцессорной стадии.
Создание конечно - элементной модели является трудоемким этапом расчёта МКЭ, т.к. связано с воспроизведением по возможности более точной геометрии объекта и описанием физических свойств его областей. Обоснованное приложение нагрузок и граничных условий также представляет определенные трудности.
Численное решение системы уравнений выполняется автоматически и при всех прочих равных условиях определяется аппаратными ресурсами используемой вычислительной техники. Анализ результатов несколько облегчён имеющимися в составе используемых программных средств (ПС) инструментальными средствами визуализации, вместе с тем это один из наименее формализованных этапов, имеющий самую большую трудоёмкость.
Определялись следующие параметры: комплексный векторный потенциал магнитного поля А, скалярный потенциал Ф, величина индукции магнитного поля В и напряжённость Н. Анализ переменных во времени полей использовался для нахождения влияния вихревых токов в системе.
Решение (7) для случая переменного тока имеет вид комплексного потенциала (характеризуется амплитудой и фазовым углом) для каждого узла модели. Магнитную проницаемость и электрическую проводимость материала области можно задать как константу или как функцию от температуры. Используемые ПС позволяют применить на стадии постпроцессора соответствующие макросы для вычисления ряда важнейших параметров: энергии электромагнитного поля, электромагнитных сил, плотности вихревых токов, потерь электрической энергии и т.д.
Следует подчеркнуть, в ходе конечно - элементного моделирования главной задачей является определение структуры моделей: выбор конечных элементов с конкретными базовыми функциями и степенями свободы, описание физических свойств материалов в различных областях, задание приложенных нагрузок, а также начальных условий на границах.
Как следует из основной концепции МКЭ, все части модели делятся на множества конечных элементов, соединенных между собой в вершинах (узлах). Используются конечные элементы достаточно простой формы, в которых параметры поля определяется с помощью кусочно-полиномиальных аппроксимирующих функций.
Границы конечных элементов при двумерном анализе могут быть кусочно-линейными (элементы первого порядка) или параболическими (элементы второго порядка) [116]. Кусочно-линейные элементы имеют прямые стороны и узлы только в углах. Параболические элементы могут иметь промежуточный узел вдоль каждой из сторон. Именно благодаря этому стороны элемента могут быть криволинейными (параболическими). При равном количестве элементов параболические элементы дают большую точность вычислений, т. к. они более точно воспроизводят криволинейную геометрию модели и имеют более точные функции формы (аппроксимирующие функции). Однако расчет с применением конечных элементов высоких порядков требует больших аппаратных ресурсов и большего машинного времени.
Существует большое количество используемых типов конечных элементов, среди которых есть элементы, конкурирующие между собой, при этом для различных моделей нет математически обоснованного решения, как эффективнее разбить область [4].
Поскольку для построения и решения рассматриваемых дискретных моделей вследствие большого объема перерабатываемой информации используется компьютер, важным является условие удобства и простоты вычислений, что и определяет выбор допустимых кусочно-полиномиальных функций. При этом важнейшее значение приобретает вопрос о точности, с которой они могут аппроксимировать искомое решение.
В рассматриваемых задачах неизвестными являются значения векторного магнитного потенциала А в узлах (вершинах) конечных элементов соответствующих областей конкретной конструкции машины, при этом теоретическое и численное решение совпадают в центральной части конечного элемента [42], поэтому максимальная точность вычисления магнитных потенциалов и плотностей токов будет в центре элемента.
Структура блока управления цилиндрическим линейным электродвигателем
Блок управления реализует программные алгоритмы управления линейного электропривода. Функционально блок управления разбит на две части: информационную и силовую. Информационная часть содержит микроконтроллер с цепями ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов, а также схему обмена данных с компьютером. Силовая часть содержит схему преобразования ШИМ-сигналов в напряжения фазных обмоток.
Схема электрическая принципиальная блока управления линейным электродвигателем представлена в приложении Б.
Для организации питания информационной части блока управления используются следующие элементы:
- формирование питания стабилизированным напряжением +15 В (питание микросхем DD5, DD6): фильтрующие конденсаторы СІ, С2, стабилизатор + 15 В, защитный диод VD1;
- формирование питания стабилизированным напряжением +5 В (питание микросхем DD1, DD2, DD3, DD4): резистор R1 для снижения тепловых нагрузок стабилизатора, фильтрующие конденсаторы СЗ, С5, С6, регулируемый делитель напряжения на резисторах R2, R3, сглаживающий конденсатор С4, регулируемый стабилизатор +5 В.
Разъем ХР1 служит для подключения датчика положения. Через разъем ХР2 осуществляется программирование микроконтроллера. Резистор R29 и транзистор VT9 автоматически формируют сигнал логической «1» в цепи сброса в режиме управления и не участвует в работе блока управления в режиме программирования.
Разъем ХРЗ, микросхема DD1, конденсаторы С39, С40, С41, С42 осуществляют передачу данных между персональным компьютером и блоком управления в обоих направлениях.
Для образования обратной связи по напряжению каждой мостовой схемы используются следующие элементы: делители напряжения R19-R20, R45-R46, усилитель DD3, фильтрующие RC-цепочки R27, R28, С23, С24.
Реализованные, с помощью микросхемы DD4, логические схемы позволяют реализовать двухполярную симметричную коммутацию одной фазы двигателя с помощью одного ШИМ-сигнала, подаваемого непосредственно с ножки микроконтроллера.
Для реализации необходимых законов управления двухфазным линейным электродвигателем используется раздельное формирование токов в каждой обмотке статора (неподвижной части) с помощью двух мостовых схем, обеспечивающие выходной ток до 20 А в каждой фазе при напряжении питания от 20 В до 45 В. В качестве силовых ключей использованы МОП-транзисторы VT1-VT8 IRF540N фирмы International Rectifier (США), имеющие достаточно низкое сопротивление сток-исток RCH = 44 мОм, приемлемую цену и наличие отечественного аналога 2П769 фирмы ВЗПП (Россия), изготавливаемого с приемкой ОТК иВП.
Специфические требования к параметрам управляющего сигнала МОП-транзистора: сравнительно большое напряжение затвор-исток, необходимое для полного включения МОП-транзистора, для обеспечения быстрой коммутации необходимо изменять напряжение на затворе в течение весьма малого времени (доли микросекунд), значительные токи перезарядки входных емкостей МОП-транзистора, возможность их повреждения при снижении управляющего напряжения в режиме «включено», как правило, диктуют необходимость использования дополнительных элементов кондиционирования входных сигналов управления.
Для быстрого перезаряда входных емкостей МОП-транзисторов импульсный ток управления должен составлять примерно от 1А для приборов малой и до 7А у транзисторов большой мощности. Согласование малоточных выходов микросхем общего применения (контроллеров, ТТЛ или КМОП - логики, и т.п.) с высокоемкостным затвором осуществляется с помощью специальных импульсных усилителей (драйверов).
Проведенный обзор драйверов позволил выявить два драйвера Si9978DW фирмы Vishay Siliconix (США) и IR2130 фирмы International Rectifier (США) наиболее подходящих для управления мостом МОП-транзиторов.
Данные драйверы имеют встроенную защиту транзисторов от пониженного напряжения питания, гарантируя при этом необходимое напряжение питания на затворах МОП-транзисторов, совместимы с 5-вольтовой КМОП- и ТТЛ-логикой, обеспечивают очень большие скорости переключения, малую мощность рассеивания и могут работать в бутстрепном режиме (на частотах от десятков Гц до сотен кГц), т.е. не требуют дополнительных взвешенных источников питания, что позволяет получить схему с минимальным количеством элементов.
Помимо этого эти драйверы имеют встроенный компаратор, позволяющий реализовать схему защиты от токовой перегрузки, и встроенную схема исключения протекания сквозных токов во внешних МОП-транзисторах.
В качестве драйверов блока управления использованы микросхемы IR2130 фирмы International Rectifier DD5, DD6, так как при прочих равных технических условиях более широко распространены на российском рынке электронных компонентов и имеется возможность их розничного приобретения .
Датчик тока мостовых схем реализован с помощью резисторов R11, R12, R37, R38, выбранными для реализации токоограничения на уровне 10 А.
С помощью встроенного в драйвер усилителя тока, резисторов R7, R8, ЮЗ, R34, фильтрующих RC-цепочек R6, С18-С20, R30, С25-С27 реализуется обратная связь по фазным токам электродвигателя. Компоновка макетного образца панели блока управления линейным электроприводом прямого действия приведена на рисунке 4.8.
Для реализации алгоритмов управления и быстрой обработки поступающей информации в качестве микроконтроллера DD2 использован цифровой микроконтроллер AVR ATmega 32 семейства Mega производства фирмы «At-mel». Микроконтроллеры семейства Mega являются 8-разрядными микроконтроллерами. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление.
