Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих конструкций линейных электромеханических приводов и методов их расчета 10
1.1 Обзор конструкций линейных электромеханических приводов для трубопроводной арматуры 10
1.2 Линейные электромеханические приводы, применяемые в промышленности 19
1.3 Формулирование критериев выбора типа и конструктивного исполнения линейного электромеханического привода 24
1.4 Обзор методик проектирования линейных электромеханических приводов 29
1.5 Выводы по первой главе. Постановка задачи исследования 42
2 Разработка методики проектного расчета линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя . 44
2.1 Выбор рациональной конструкции линейного электрического двигателя. Определение конфигурации магнитной системы 44
2.2 Методика проектного расчета линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя 46
2.3 Проектирование линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя для запорно-регулирующего клапана 59
2.4 Тепловой расчет цилиндрического вентильно-индукторного двигателя 66
2.5 Выводы по второй главе 71
3 Разработка методики оптимизации конструкции линейных цилиндрических вентильно-индукторных двигателей 73
3.1 Обзор методов и критериев оптимизации конструкции линейных цилиндрических вентильно-индукторных двигателей 74
3.2 Формирование целевой функции и функций ограничений для решения задачи оптимизации 83
3.3 Разработка математической модели линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя для оптимизационных расчетов 87
3.4 Разработка программного обеспечения для оптимизации 95
3.5 Анализ результатов оптимизации линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя 102
3.6 Формирование требований к системе управления линейным цилиндрическим вентильно-индукторным двигателем 107
3.7 Моделирование динамических характеристик линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя 110
3.8 Выводы по третьей главе 117
4 Проведение испытаний экспериментального образца линейного вентильно-индукторного двигателя 119
4.1 Опытный образец линейного ВИД и его система управления 119
4.2 Программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя 123
4.3 Проведение испытаний, анализ и обработка полученных результатов испытаний . 131
4.4 Выводы по четвертой главе 141
Заключение 142
Список литературы 144
Приложения 158
Приложение А – Документы, подтверждающие внедрение разработок автора . 159
Приложение Б – Программа оптимизации линейных цилиндрических вентильно-индукторных двигателей 164
- Линейные электромеханические приводы, применяемые в промышленности
- Методика проектного расчета линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя
- Анализ результатов оптимизации линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя
- Программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя
Введение к работе
Актуальность темы исследования. При транспортировке жидких и газообразных продуктов широко используются запорно-регулирующие клапаны, предназначенные для регулирования расхода, поддержания давления и уровня в заданных пределах, а также смешивания различных сред в необходимых пропорциях. В зависимости от свойств и значений параметров рабочей среды к клапанам предъявляются различные требования, что приводит к множеству их конструктивных исполнений. Наиболее перспективным типом привода клапана запорно-регулирующей арматуры являются линейный электромагнитный или электродвигательный приводы, обеспечивающие дистанционное управление клапаном. В частности, для управления клапанами осевого потока целесообразно использовать линейный цилиндрический вентильно-индукторный двигатель (ВИД), обладающий повышенной надёжностью. Разработка новых конструкций цилиндрических линейных ВИД для широкого диапазона типоразмеров клапанов трубопроводной арматуры требует создания методики оптимального проектирования, учитывающей особенности линейного исполнения ВИД и основные факторы, влияющие на их работу, разработки новых математических моделей, алгоритмов и компьютерных программ для расчета характеристик и анализа электромагнитных и тепловых процессов в линейных приводах.
Работа соответствует научному направлению ЮРГПУ (НПИ) «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы».
Степень разработанности темы исследования. Особенностью ВИД является необходимость использования коммутаторов на базе полностью управляемых электронных ключей, вследствие чего первые промышленные образцы таких машин появились только в 1980-х годах. Основными положительными свойствами ВИД считаются простота их конструкций и схем управления, высокая надежность и относительно низкая стоимость, хорошие регулировочные качества. Кроме того, ВИД хорошо подходят для использования в сложных условиях окружающей среды. К настоящему моменту в научно-технической литературе большое внимание уделялось вопросам проектирования ВИД вращения. Вместе с тем область применения линейных ВИД постепенно расширяется. Вопросам проектирования линейных ВИД уделялось внимание в работах Бута А.А., Коломейцева Л.Ф., Пахомина С.А., Рымши В.В., Смирнова Ю.В., Krishnan R. Процессы, происходящие в таких конструкциях, имеют специфические особенности по сравнению со своими вращающимися аналогами. Необходимость учета в линейных ВИД таких факторов, как краевые эффекты, увеличенные рабочие зазоры обуславливают актуальность задачи развития и совершенствования методов проектирования ВИД линейного исполнения.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является совершенствование конструкций линейных электромеханических приводов клапанов трубопроводной арматуры на основе создания новых математических моделей, алгоритмов, программ и методик для их исследования и оптимизационного проектирования. Это позволит сократить сроки проектирования и объемы экспериментальных исследований, а также повысит показатели ВИД.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи: 1. Проведение анализа существующих конструкций линейных
электромеханических приводов (ЭМП) для управления клапанами
трубопроводной арматуры и методик их проектирования.
2. Разработка методики проектирования цилиндрического линейного ВИД
из условия обеспечения заданного усилия на всем диапазоне хода подвижной
части.
-
Разработка математических моделей, алгоритмов и компьютерных программ для расчетов характеристик и параметров, анализа электромагнитных и тепловых процессов в линейных ВИД.
-
Разработка методики, алгоритма и программного обеспечения для оптимизации параметров линейного ВИД.
-
Разработка экспериментального образца линейного ВИД, программно-аппаратного комплекса для его испытаний, проведение натурных испытаний.
-
Формулирование требований к системе управления линейным ВИД.
Научная новизна.
1. Разработана новая методика проектирования линейного цилиндрического
ВИД с заданными параметрами, отличающаяся от известных тем, что позволяет
сократить количество коэффициентов и соразмерностей, выбираемых на
основании эмпирических данных, и обеспечивающая получение достоверных
результатов проектирования.
2. Предложен алгоритм оптимального проектирования линейного
цилиндрического ВИД на основе использования генетического алгоритма,
отличающийся от известных тем, что состоит из двух этапов, на первом из
которых минимизируется диапазон изменения независимых переменных, а на
втором происходит непосредственно оптимизация устройства в целом.
3. Получены соотношения для основных соразмерностей и технических
параметров линейного цилиндрического ВИД, которые могут быть использованы
при анализе и синтезе электромеханических преобразователей и позволяют
оценить границы применимости разработанной методики проектирования.
Теоретическая и практическая значимость.
-
Предложена методика проектирования цилиндрического линейного ВИД из условия обеспечения заданного усилия на всем диапазоне хода подвижной части.
-
На основании результатов исследований спроектированы и изготовлены экспериментальные образцы цилиндрических линейных ВИД, проведены испытания в лаборатории НИИ Электромеханики ЮРГПУ (НПИ), г. Новочеркасск с использованием разработанного автором программно-аппаратного комплекса.
3. Сформулированы требования к системе управления цилиндрического
линейного ВИД, обеспечивающие его работоспособность и заданные параметры.
Результаты работы приняты к внедрению в НИИ Электромеханики ЮРГПУ (НПИ), ООО НПП «МагнетикДон» и использовались при разработке линейных цилиндрических электромеханических приводов для управления трубопроводной арматурой. Материалы диссертационной работы используются в учебном
процессе кафедры «Электромеханика и электрические аппараты» ЮРГПУ (НПИ) при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», направленности «Электромеханика» и «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»; магистров по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», направленностям «Методы исследования и моделирования процессов в электромеханических преобразователях энергии» и «Электрические аппараты управления и автоматики».
Значительная часть исследований выполнена в рамках договоров и программ сотрудничества: государственный контракт № 02.513.11.3452 «Мехатронные приводы для запорно-регулируемых клапанов трубопроводной арматуры», при поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части государственного задания на проведение НИОКР, шифр заявки №2014/143; научный проект № 15.08 02283 от 16.02.2015 «Электромагнитные приводы исполнительных механизмов с повышенной устойчивостью к внешним механическим воздействиям. Анализ и синтез»; контракт для сторонних разработчиков: № 1327-ЮУ «Разработка научно-технических основ создания линейных электрических двигателей», заказчик – ABB Corporate Research.
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационной работы является совокупность методов, основанных на использовании теории электрических, магнитных цепей и тепловых, теории поля, численных и аналитических методов решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений, численных методов решения систем нелинейных дифференциальных уравнений, методов оптимального проектирования.
Положения, выносимые на защиту
1 Методика и алгоритм проектирования линейных цилиндрических ВИД с заданным усилием в диапазоне полного хода подвижной части.
2. Математические модели, алгоритмы и комплекс программ для анализа
электромагнитных и тепловых процессов в линейном цилиндрическом ВИД.
-
Алгоритмы и программы оптимального проектирования линейных цилиндрических ВИД в двухэтапной постановке на основе применения генетического алгоритма.
-
Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований для разных исполнений приводов клапанов.
Степень достоверности и апробация результатов. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке математических моделей, применением традиционных методологических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов и повторяемостью их результатов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на IV Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» г. Новочеркасск 17-19 июня 2003 г (ОАО
«ВЭлНИИ»); на Международном науч.-практ. коллоквиуме «Проблемы мехатроники» г. Новочеркасск, 4-5 октября 2004 г (ЮРГТУ(НПИ)); на Всероссийской науч.-практ. конференции «Повышение эффективности электрического хозяйства» г. Москва, 16-20 ноября 2009 г; на Всероссийской научной школе для молодежи «Итоги и перспективы развития российско-германского сотрудничества в области мехатроники» г. Новочеркасск, 26-28 октября 2011г (ЮРГТУ(НПИ)); на IV Международной науч.-техн. конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» г. Тольятти, 24-25 апреля 2012 г; на научных семинарах кафедры «Электромеханика и электрические аппараты» ЮРГПУ(НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе: 7 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 6 тезисов докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях, получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 124 наименований и 2 приложений. Общий объем работы 186 страниц, включая 29 страниц приложений и 55 иллюстраций.
Линейные электромеханические приводы, применяемые в промышленности
В настоящее время линейные ЭМП на базе двигателей различных типов широко применяются в промышленности [25-41]. Области их применения различны, это приводы компрессоров [25-27], силовые приводы металлообрабатывающих центров [34-36], включая приводы столов [32]. Приводы малой мощности находят применение в медицинской технике.
В [42] показана возможность использования плоского линейного вентильно-индукторного двигателя в качестве привода устройства для непрерывного ввода лекарств. Работы [43, 44] посвящены применению вентильно-индукторной машины в качестве привода для аппарата «искусственное сердце». Определению предварительных размеров привода, а также его основных характеристик посвящена работа [43]. По полученным геометрическим размерам был изготовлен опытный образец (рисунок 1.8), испытания которого описаны в [44]. Также для образца была разработана система управления, которая должна обеспечивать закон перемещения подвижной части, близкий к гармоническому. По результатам испытания образца с системой управления были получены ряд опытных коэффициентов, необходимых для полноценной работы данной системы.
Вентильно-индукторные двигатели могут быть использованы для управления вспомогательными устройствами, в частности, автоматически открывающихся и закрывающихся дверей кабинок лифта. В [45] рассмотрены вопросы проектирования двухстороннего плоского вентильно-индукторного двигателя, предназначенного для привода дверей. Для двигателя заданных размеров с помощью специального программного обеспечения были получены величины усилий, действующих на подвижную часть, а также рассчитаны электрические параметры, в частности, индуктивности для различных величин перемещения. По результатам был изготовлен опытный образец и система управления для него (рисунок 1.9). Проведенные испытания [46] показали работоспособность системы в целом, подтвердив возможность двигателя перемещать груз заданной массы на определенное расстояние.
Различные типы электрических двигателей, в том числе и линейных, находят применение в автомобильном транспорте. В [47] проведен обзор автомобильных систем различного назначения (антиблокировочные системы, системы фронтального освещения, системы активной подвески). Показано, что линейные двигатели могут быть применены в системах активной подвески, а также приведен прототип такой системы, где в качестве привода используется линейный вентильно-индукторный двигатель.
Пример расчета элементов подобной системы приведен в [48]. В качестве привода используются четыре трехфазных линейных привода, подвижный элементы которых объединены. Модель привода показана на рисунке 1.10. Для данной конструкции с помощью специализированного программного обеспечения были рассчитаны необходимые электромагнитные характеристики. Помимо этого, была создана модель системы управления линейными двигателями, которая была использована при последующем моделировании системы активной подвески в целом.
В отчете о НИР [49] были рассмотрены две конструкции линейных двигателей, предназначенные для использования в системах активной подвески. Первая из них – система с продольным магнитным потоком (рисунок 1.11).
Данная система была построена на базе четырех двухсторонних линейных двигателей, имеющих общую подвижную часть. Характерной особенностью такой конструкции является большая величина плотности усилия. Вторая конструкция – цилиндрический линейный двигатель с поперечным потоком (рисунок 1.12). Обе конструкции предназначались для работы в одинаковых условиях. Для каждой конструкции было проведено математическое моделирование магнитной системы для определения электромагнитных параметров, а также разработана система управления. В дальнейшем были проведены эксперименты по проверке работоспособности системы в целом. В сравнении с пассивной подвеской, амплитуда перемещения в системе с активной подвеской уменьшилась в несколько раз, а также исчезли затухающие колебания подпружиненной массы.
Исследования первой конструкции продолжены в [50]. Для плоского линейного двигателя было рассмотрено влияние продольного и поперечного конечного эффектов. Также проведена многокритериальная оптимизация, что позволило получить двигатель, обладающий минимальной пульсацией усилия и имеющий максимальную плотность силы. Исследование вопросов, связанных с позицией переключения обмоток, позволило определить такие их значения, при котором коэффициент полезного действия всей системы в целом стал максимальным.
В целом проведенный обзор конструкций линейных вентильно-индукторных двигателей показал, что приводы на их основе используются или могут быть использованы в различных промышленных применениях. Это подтверждается наличием промышленных устройств или опытных образцов. Также из приведенных литературных источников можно сделать вывод, что изучение двигателей в целом и их возможностей продолжается, данный тип двигателя обладает большим потенциалом.
Методика проектного расчета линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя
Рассмотренные в предыдущем разделе несколько методик проектирования ЛВИД показали, что ни одна из них не может быть использована для расчета цилиндрического ЛВИД. Это приводит к необходимости разработки методики для проектирования подобных устройств.
Наиболее рационально строить методику проектирования на базе подходов, применяемых для определения размеров для двигателей вращения. Это позволяет использовать опыт, накопленный ранее конструкторами этих машин.
В [52] показано, что перейти от машины вращения к линейной машине можно, если «разрезать» машину вращения вдоль оси и «развернуть» ее в плоскость. ВИД вращения 6/4 показан на рисунке 2.1, a, плоскостной линейный ВИД – на рисунке 2.1, b. Если линейную машину повторно «свернуть» вдоль линии перемещения подвижной части, получим цилиндрический линейный ВИД, который показан на рисунке 2.1, c.
Для того, чтобы подвижная часть начала перемещаться, необходимо подать ток в фазные обмотки, например в те из них, которые располагаются на зубцах 2 и 2 статора. В этом случае основной магнитный поток, который создает тяговое усилие, пройдет через зубцы статора 2 и 2 и зубцы подвижного элемента 5 и 5 (рисунок 2.2, а). Однако помимо этого потока, в системе также будут созданы магнитные потоки между зубцами 1 и 4, 3 и 5 , которые не будут принимать участие в создание тягового усилия и уменьшат основной магнитный поток через зубцы 2, 2 , 5 и 5 . Кроме того, большая протяженность линии магнитного потока приведет к падению части МДС в ферромагнитных частях, что также вызовет уменьшение основного магнитного потока.
Избежать этих недостатков можно путем использования модульной структуры двигателя (рисунок 2.2, b). В этом случае магнитная система статора представляет собой не сплошное тело, а состоит из набора С-образных (в сечении) модулей. Подобная конструкция для двигателей вращения представлена в [59]. Модули разделены между собой немагнитными разделителями (на рисунке 2.2, b разделители показаны в виде заштрихованных тел). Между зубцами двигателя располагается кольцевая обмотка. Видно, что в этом случае длина контура, вдоль которой проходит основной магнитный поток, существенно уменьшается, а потоки, не участвующие в создании тягового усилия, отсутствуют.Методика проектирования ВИД вращения, на базе которой будет построена методика для линейного цилиндрического ВИД взята из [62]. В основе ее лежит известное выражение связывающее размеры электрической машины (внутренний диаметр статора (диаметр проточки) D и длину ротора 1) с ее мощностью Р и угловой скоростью 2 через универсальную машинную постоянную (постоянную Арнольда).
При определении размеров зубцовой зоны ротора и статора расчет необходимо начинать с определения угловых размеров полюсов. Минимальный зубцовый угол статора выбирается из условия наличия минимального (в пределе нулевого) перекрытия зубцов ротора и статора одной из фаз при условии, что зубцы ротора и статора другой фазы находятся в согласованном положении. В [62] рекомендуется использовать параметр, названный коэффициентом перекрытия индуктивности соседних фаз.
В [62] значение коэффициента рекомендуют брать в диапазоне (20..30), в [63] границы расширяются до (15..35).
Подвижный элемент цилиндрического линейного двигателя (см. рисунок 2.4) характеризуется внешним и внутренним диаметрами Drc и Drp. Данные параметры связаны между собой соотношением: Drc = Drp + 2hr .
При неудачно подобранных комбинациях значений Кн, Зик значение Drp, определяемое по (2.18), может быть отрицательным либо очень малым, что вызовет сильное насыщение стали на данном участке. Вследствие этого было принято решение ввести в методику дополнительное условие о равенстве сечения узкого участка подвижного элемента (с радиусом Drp) и поверхности зубца подвижного элемента.
В линейном двигателе фазные модули разделены между собой немагнитными вкладками (см. рисунок 2.4). Толщина данных вкладок с должна быть выбрана таким образом, чтобы при активации каждой фазы подвижный элемент перемещался на величину Ах. Для выполнения данного условия значение с должно быть определено по формуле.
После вычисления МДС обмотки можно провести определение размеров обмоточного окна, в котором будет размещена обмотка. В цилиндрическом линейном двигателе катушка занимает практически всю площадь паза статора, исключая изоляцию. Также следует учитывать тепловой режим работы обмотки, который при определении геометрических размеров обычно задается посредством плотности тока/ Исходя из вышеизложенного, можно записать.
При определении размеров эквивалентного двигателя вращения одним из параметров, оказывающих существенное влияние на величины геометрических размеров двигателя, является отношение длины ротора к диаметру проточки статора к — l$/D. Данная величина имеет диапазон изменения от 0,5 до 2, выбор ее значения осуществляется проектировщиком. Ввод в предложенную методику проектирования соотношений, связывающих геометрические размеры цилиндрического ВИД и эквивалентного двигателя вращения, позволил отказаться в расчетах от данного параметра, что в целом снизило число недостаточно обоснованно выбираемых величин при расчетах.
После определения геометрических размеров и МДС катушек можно проводить дальнейшие электромагнитные и тепловые расчеты для определения интегральных электромагнитных и тепловых характеристик линейного двигателя.
Для этого предполагается использовать программу FEMM (автор David Meeker), которая позволяет решать электромагнитные и тепловые задачи с помощью метода конечных элементов. При расчете электромагнитных полей программа использует уравнения Максвелла и набор граничных условий (Дирихле, Ньюмана, Робина и ряд других.) FEMM может решать осесимметричные и планарные задачи, что позволяет использовать его для моделирования цилиндрического линейного вентильно-индукторного двигателя.
Анализ результатов оптимизации линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя
Как было отмечено ранее, оптимизация производилась в две стадии. В ходе первой стадии целевая функция для каждой особи вычислялась с использованием модели на базе теории цепей. По результатам данной стадии оптимизации были уточнены диапазоны изменения значений независимых переменных. Для оптимизации на второй стадии были уменьшены пределы изменения внутреннего диаметра транслятора Drp до границ от 0,8 Drpin до 1,5 Drpin , пределы изменения остальных независимы переменных оставлены прежними.
В ходе второго этапа оптимизации было сформировано двадцать популяций по двадцать особей в каждой, для всех особей был произведен расчет электромагнитных усилий и вычислен объем. Результатом работы программы будет являться популяция из особей, каждая из которых характеризуется своим набором параметров. Параметры особей приведены в таблице 3.1.
По результатам, представленным в таблице, видно, что наименьшим значением функции f(X) обладает особь 17. Данная особь обладает лучшими значениями усилий по сравнению с исходной, расчет которой был выполнен в предыдущих пунктах, однако имеет большее значение объема. Для исходной особи Pэм max = 61,52 Н; Pэм min = 52,55 Н; Vsrm = 0,00211 м3; f1 = 0,017; f2 = 0,3333; f3 = 0,3333; f(X) = 0,6837. Для оптимального решения Pэм max = 57,96 Н; Pэм min, = 52,57 Н; Vsrm = 0,00222 м3; f1 = 0,0171; f2 = 0,2003; f3 = 0,3507; f(X) = 0,5681.
Сравнение начальной и оптимальной конструкций показывает, что для последней величина пульсации усилия уменьшилась приблизительно в 1,5 раза. При этом внешний диаметр индуктора и длина подвижного элемента практически совпадают, что говорит о том, что объемы конструкций также будут практически идентичны. Сопротивление обмотки управления оптимальной конструкции больше, чем у обмотки начальной конструкции, что при одинаковом напряжении питания свидетельствует о том, что мощность, потребляемая оптимальным двигателем, будет меньше.
Для оптимальной конструкции ВИД с указанными геометрическими размерами рассчитана зависимость тягового усилия от положения подвижного элемента, показанная на рисунке 3.9.
На рисунке 3.10 изображены для сравнения графики тяговых характеристик начальной конструкции (показаны ранее на рисунке 2.6) и оптимальной конструкции.Из рисунка 3.9 видно, что минимальное и максимальное значение усилия совпадают с данными, представленными в таблице 3.1, следовательно, результаты оптимизации можно считать корректными.
Программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя
Основными характеристиками линейных электромагнитных приводов, подлежащих теоретическому или экспериментальному определению, являются зависимости потокосцепления и электромагнитного усилия (момента) в функции от тока обмоток и/или перемещения подвижной части привода. Эти характеристики могут быть использованы для различных задач, одной из которых является определение момента подачи сигнала на обмотки в случае бездатчикового управления двигателем [100]. Другое применение этих характеристик - использование для моделирования ВИД совместно с системой управления в различных прикладных программах.
Проведенный обзор методов экспериментального определения потокосцепления показал, что их можно разбить на две группы - методы прямого измерения и косвенного измерения [101]. Для прямого измерения данного параметра, как показано в [102], могут быть использованы датчики на базе элемента Холла. Конструктивно данные элементы размещены на подвижной части. Несмотря на возможность прямого измерения потокосцепления, указанный подход требует установки дополнительных датчиков, что ведет к усложнению конструкции системы в целом и к ее удорожанию. Вследствие этого прямое измерение потокосцепления практически не встречается.
Использование (4.1) позволяет получить зависимость потокосцепления от времени, а в дальнейшем, используя зависимость тока от времени, и характеристику потокосцепления от тока. Данный метод в [103] назван импульсным.
Полученная данным способом зависимость (ї) не будет являться статической, т. к. в моменты времени, когда ток в обмотке не достиг установившегося значения, в магнитопроводе будут присутствовать вихревые токи, которые окажут влияние на величину потокосцепления обмотки в целом. Для получения статической зависимости (і) необходимо подключать обмотку к источнику питания, напряжение которого можно тем или иным способом изменять. Такой подход позволяет получить набор значений потокосцеплений при различных установившихся значениях тока, и подобную характеристику можно считать статической.
На практике в качестве источника питания может быть использован аккумулятор [100,105], программируемый источник напряжения [104,106], заряженный конденсатор [103], блок из автотрансформатора и тиристорного коммутатора [107]. У каждого из решений есть свои достоинства и недостатки. Аккумулятор не имеет пульсаций выходного напряжения, но для изменения напряжения на обмотке необходимо использование дополнительной схемы управления. Помимо этого, аккумулятор нуждается в периодической подзарядке. Конденсатор требует предварительной зарядки от источника напряжения, кроме того он не может обеспечить установившегося режима по току. Программируемый источник питания и автотрансформатор с блоком коммутации являются наилучшим решением при условии, что пульсации их напряжения малы. Источники питания целесообразнее использовать для ВИД малой мощности, для больших мощностей лучшим решением является комбинация автотрансформатора с блоком преобразования переменного напряжения в постоянное.
Величина электромагнитного усилия, так же как и потокосцепления, может быть получена с помощью прямых либо косвенных измерений. В отличие от потокосцепления, для определения усилия в большинстве случаев используется прямое измерение. Данное обстоятельство вызвано наличием большого числа различных датчиков усилия, другим доводом в пользу такого подхода выступают несложные схемы механического сопряжения таких датчиков с подвижной частью привода. Практически всегда измерения производят, используя специализированные стенды. В [96-98,113,120] описаны стенды для измерения силовых характеристик различных электромеханических устройств – электромагнитов и линейных двигателей. В качестве измерителя использовались различные устройства – динамометр, тензодатчик и S-образный датчик усилия. В состав стендов входил также датчик положения и датчик тока.
Следует отметить, что измерительные стенды практически никогда не бывают универсальными, так как набор датчиков, их сопряжение с электромагнитным приводом определяются множеством различных факторов (габаритными размерами привода, типоисполнениями датчиков, диапазонами измеряемых величин и т. п.). Вследствие этого одной из задач, связанных с измерением интегральных характеристик, является разработка и изготовление измерительного стенда.
Косвенное определение электромагнитного усилия производится редко. Основной причиной использования данного подхода является невозможность применения датчиков по тем или иным причинам. В основу методов косвенного определения положена возможность расчетного определения величины усилия. Для этого предварительно расчетным либо экспериментальным путем необходимо определить такие величины, как магнитная индукция и потокосцепление.
В качестве иллюстрации метода косвенного определения усилия можно указать метод виртуальной работы [97]. Пример использования данного подхода описан в [108]. Автором работы были определены усилия для электромагнитов расчетным и экспериментальным путями. Сравнение полученных значений показало, что использование метода виртуальной работы позволяет получать результаты, близкие к величинам, определенным экспериментально.
Описанные выше подходы к измерению необходимых параметров позволяют сформировать требования к аппаратной части измерительного стенда. В его состав должны входить датчики тока, напряжения, усилия. Для определения положения транслятора можно использовать датчик, входящий в систему управления. Помимо датчиков, необходим также источник питания с плавно меняющимся выходным напряжением.
Наиболее распространенными датчиками усилия в настоящее время являются тензодатчики. Большой диапазон изменения усилий (от нескольких килограммов до нескольких тонн), стабильные выходные характеристики, малые геометрические размеры обусловили их широкое распространение. В качестве датчика силы для испытательного стенда был выбран тензодатчик компании Zemic Inc. (USA) модели H3-C3-50kg-3B-D41. Внешний вид датчика показан на рисунке 4.5.
В качестве датчика перемещения используется датчик LSC компании MegAuto (Германия), который входит в состав системы управления ВИД. Он позволяет регистрировать перемещение в диапазоне от 0 до 100 мм. Внешний вид датчика показан на рисунке 4.6.Датчик перемещения закреплен на корпусе ВИД. Подвижный элемент датчика связан с транслятором с помощью тяги подобно тому, как это описано в [99].
В качестве датчика тока использовалась модель ACS712ELCTR-05B с диапазоном измерения тока -5..+5А. Вследствие низкой величины напряжения питания (+ 12В) отдельного датчика напряжения не требовалось.
ВИД с датчиком перемещения, датчик усилия, механически связанный с транслятором, а также внешняя система для перемещения якоря составляют стенд для измерений тягового усилия. Внешний вид этого стенда показан на рисунке 4.7.
Для испытания конструкции, разработанной по заказу компании «Анод» (г. Нижний Новгород), использовался такой же набор датчиков, но на другие предельные параметры. Для измерения усилия был выбран датчик усилия Тензо-М с максимальным пределов 7 тонн, для измерения напряжения – датчик напряжения ДНХ (диапазон 0..400 В), датчики тока и перемещения не менялись. Помимо этого, в одну из обмоток был встроен датчик температуры МН1020 с диапазоном измерения -70С +600С. Внешний вид этого привода показан на рисунке 4.8.
Программная часть стенда должна позволять не только выполнение относительно несложных операций по измерению выходных величин датчиков и сохранение их на запоминающем устройстве, но и обеспечивать выполнения ряда специализированных математических операций (интегрирование функций). Вследствие этого программную часть разумно строить на базе имеющихся в настоящее время платформ, таких как программный продукт NI LabVIEW компании National Instruments.
Упомянутый пакет программ включает в себя графический язык G. Отличие данного языка от традиционных в том, что программа, написанная на нем, представляет собой не набор операторов, а блок-диаграмму (соединенные между собой элементы языка), что делает ее интуитивно понятной. В программе были использованы такие стандартные элементы, как ввод данных, суммирование, произведение, интегрирование.
Помимо возможности использования математических преобразований, среда NI LabVIEW обладает также широкими возможностями по построению интерфейса стенда. Для облегчения предоставления графической и текстовой информации в состав среды входят соответствующие компоненты. Получаемые с использованием этих компонент устройства National Instruments называет «виртуальными приборами». Внешний вид передней панели виртуального прибора, входящего в состав стенда, приведен на рисунке 4.9.