Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Перед исследователями и проектировщиками постоянно ставятся новые задачи по разработке электромагнитных аппаратов (ЭМА). При этом естественным является стремление получить возможно более надежную, обладающую высокими технико-эконо-мическими показателями конструкцию аппарата.
Возрастающая сложность указанных задач, большой объём проектных работ, определяет необходимость создания и использования систем автоматизированного проектирования ЭМА (САПР ЭМА).
В настоящее время в силу экономических причин прочное положение на рынке занимают универсальные САПР, пригодные для использования в различных отраслях производства. Они охватывают общие, ключевые направления конструирования, подготовки и выпуска чертежно-конструкторской документации любого профиля, технологической подготовки производства, решают другие проблемы. Существует также ряд пакетов программ, предназначенных для выполнения конкретных проектных работ, например, расчёта электромагнитных и температурных полей.
Основными недостатками таких систем и пакетов является их чрезвычайная громоздкость и высокая стоимость - для проектирования конкретного аппарата необходимо собрать и объединить несколько различных систем, решить проблему их информационной стыковки. С помощью существующих систем трудно моделировать сложные конструктивные узлы ЭМА, например, контактные и дугогасительные системы; для оптимального и системного проектирования необходима разработка дополнительного программного обеспечения.
Основная задача, решаемая при создании САПР - это разработка новых и совершенствование существующих математических моделей. Это модели, которые разработаны либо для новых типов ЭМА, например, электромагнитов систем магнитного подвеса, электромагнитых захватов корпусосборочных устройств, либо позволяющие анализировать такие процессы в известных ЭМА, которые раньше учитывались упрощенно или вообще не учитывались. Например, распределение магнитного поля и потерь энергии в стальных пластинах шихтованного магнитопровода электромагнитов переменного тока, сложные условия охлаждения.
Одним из главных узлов ЭМА является электромагнитный привод. Электромагниты применяются и как самостоятельные устройства, используемые в качестве тормозных, грузоподъемных, корпусосборочных и вентильных устройств, систем магнитного подвеса и т.д. Разработка новых электромагнитных приводов (как и ЭМА) требует больших затрат дефицитных и дорогостоящих магнитных, проводниковых и изоляционных материалов. Вместе с тем многие из существующих приводов, например, использующиеся на электроподвижном составе и в электромагнитных вентилях, не соответствуют современному уровню материалоемкости, экономичности и надежности.
Сказанное определяет необходимость разработки методов оптимального автоматизированного проектирования, установление соотношений геометрических размеров, обмоточных данных, магнитных параметров, определяющих выбор наилучшего варианта по заданным критериям оптимальности и техническим условиям.
Особенно актуальным представляется проектирование и оптимизация конструкции таких механизмов по заданным статическим и динамическим характеристикам, поскольку именно они определяют условия и режимы работы, а, следовательно, и все выходные показатели ЭМА (надежность и долговечность, экономический эффект и т.д.).
Задача сравнения и выбора конструкций основных узлов ЭМА, его кинематической схемы может рассматриваться как вполне самостоятельная. В современной литературе содержатся несистематизированные, фрагментарные сведения по этому вопросу. Множество критериев и множество альтернативных вариантов выбора приводит к необходимости постановки и решения так называемой дискретной задачи векторной оптимизации. Анализ математических методов, которые можно использовать для решения подобных задач показывает, что даже наиболее приемлемый из них – метод многокритериальной оптимизации “Электра” нуждается в серьезной доработке, например, в плане уменьшения присутствующего в нем субъективного фактора.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание научно-практических основ автоматизированного проектирования оптимальных ЭМА путем обобщения и развития существующих и разработки новых эффективных методов математического моделирования, комплекса алгоритмов и программ, объединённых в САПР ЭМА. Это должно привести к сокращению сроков проектирования и повысить технико-экономические показатели ЭМА.
Поставленная цель достигается путём решения следующих задач:
– Разработка и применение универсальной математической модели для выполнения проектных оптимизационных расчетов различных электромагнитов с заданными статическими параметрами и характеристиками.
– Разработка и применение модернизированных математических моделей для выполнения проектных оптимизационных расчетов электромагнитов с заданными динамическими характеристиками.
– Разработка и реализация модифицированных математических моделей для выполнения поверочных электромагнитных расчетов.
– Разработка и реализация модифицированных математических моделей для выполнения поверочных тепловых расчетов на основе теории цепей в одно- и многомерной постановке задачи.
– Разработка и применение экспресс-метода математического моделирования нестационарных магнитных полей и динамических характеристик электромагнитов на базе метода конечных элементов (МКЭ).
– Разработка и реализация модифицированных математических моделей для выполнения поверочных тепловых расчетов электромагнитов на базе МКЭ.
– Разработка и реализация математических моделей для расчета механических характеристик, параметров токоведущего контура, оптимальных параметров щелевой дугогасительной камеры с магнитным дутьем.
– Разработка и применение метода многокритериальной оптимизации, минимизирующего влияние субъективного фактора при решении задач выбора.
– Создание базы данных для автоматизированного выбора конструкций и материалов основных узлов ЭМА.
– Создание САПР низковольтных электромагнитных аппаратов низкого напряжения.
– Определение оптимальных параметров и характеристик электромагнитов подвеса, клапанных, П- и Ш-образных электромагнитов контакторов и реле электровозов, электромагнитных вентилей, быстродействующих переключателей питания, корпусосборочных устройств.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
– Разработана универсальная математическая модель для выполнения проектных оптимизационных расчетов, учитывающая нелинейность магнитной цепи, возможность смещения якоря относительно сердечника в горизонтальной плоскости, влияние на один из 8-ми заданных критериев оптимальности соотношений геометрических размеров, материалов магнитопровода и обмотки 12-ти типов электромагнитов постоянного и переменного тока с заданными статическими параметрами и характеристиками. Она не ограничена по диапазону изменения соотношений геометрических размеров и позволяет дать количественную оценку каждому типу электромагнита при необходимости сравнения их друг с другом.
– Разработаны универсальные математические модели для выполнения проектных оптимизационных расчетов большинства известных типов электромагнитов постоянного и переменного тока с заданными динамическими параметрами и характеристиками.
Отличительной особенностью данных моделей является учет вибрации якоря при включении, зависимости динамических характеристик от фазы включения (на переменном токе), возможность определения оптимального типа электромагнита, реализующего заданные динамические характеристики.
– Разработаны модифицированные математические модели на базе цепевых методов и теории подобия для выполнения поверочных электромагнитных и тепловых расчетов широкого класса электромагнитов, обеспечивающие расхождение с экспериментом не выше 10% на постоянном токе и 20% на переменном токе. Они учитывают нелинейность, увеличение силы притяжения за счет прохождения части магнитного потока сквозь тонкий лист (якорь), наличие технологических зазоров и уплотнений, возможность охлаждения якоря и внутренней боковой поверхности обмотки водой и т.д. Эквивалентные тепловые схемы построены в двух- и трехмерной постановке задачи.
– Предложен экспресс-метод на основе МКЭ для расчета параметров нестационарных магнитных полей и динамических характеристик электромагнитов, исследованы условия его сходимости. Он является “быстрым”, учитывает наличие вихревых токов и гистерезиса в сплошных и шихтованных магнитопроводах.
– Разработаны модифицированные математические модели на основе МКЭ для моделирования стационарных и нестационарных температурных полей широкого класса электромагнитов, учитывающие их конструктивные особенности, зависимость от температуры параметров материалов, плотности источников тепла и т.д.
– Предложены оригинальные математические модели для расчета механических характеристик ЭМА, параметров токоведущего контура и оптимальных параметров щелевых дугогасительных камер с магнитным дутьем.
– Разработан обладающий новизной метод последовательного сужения исходного множества векторных оценок для решения дискретных задач векторной оптимизации - поиска и выбора конструкций и материалов основных узлов и общей компановки ЭМА. В отличие от известных методов многокритериальной оптимизации здесь путем ввода формализованной процедуры поэтапно выводятся из рассмотрения те или иные альтернативы, задаваемые исходным множеством альтернатив. Процедура не предусматривает задания какой-либо системы предпочтений, то есть результат носит объективный характер.
– Обобщена, систематизирована и дополнена (путем проведения численных экспериментов) информация, позволяющая сравнивать между собой различные конструкции и материалы коммутирующих контактов, способы и устройства гашения дуги, типы электромагнитных приводов и механизмов ЭМА.
– Процесс проектирования ЭМА представлен в виде ряда проектных работ. Предложены возможные последовательности их выполнения – маршруты проектирования, учитывающие взаимное влияние происходящих в ЭМА процессов разной природы, алгоритмы информационно-поисковых, расчетных и чертежных работ, структура, состав прикладного программного и других видов обеспечений САПР ЭМА.
– В виде таблиц, графиков и аппроксимирующих зависимостей предложены рекомендации по выбору оптимальных соотношений геометрических размеров, магнитных индукций (электромагнитов переменного тока) и других параметров широкого класса ЭМА в зависимости от критериев оптимальности, допустимой температуры нагрева, условий охлаждения, фазы включения и т.д.
Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе результаты представляют собой научно обоснованные технические решения, рекомендации, методики, алгоритмы, САПР, внедрение которых внесло существенный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области разработки ЭМА. Практическая ценность работы заключается в следующем.
1. Разработан комплекс алгоритмов и программ для оптимального проектирования традиционных и новых модификаций ЭМА разнообразного назначения и конструктивных форм в условиях нелинейных свойств ферромагнитной среды и других.
2. Установлены зависимости оптимальных параметров широкого класса электромагнитных приводов от критериев оптимальности, условий работы, конструктивного исполнения и других параметров, которые могут быть использованы для оптимального синтеза ЭМА.
3. Выполнен анализ стационарных и нестационарных магнитных и температурных режимов электромагнитных приводов быстродействующих переключателей питания, захватов корпусосборочных устройств и электромагнитных вентилей. Получены зависимости расчетных характеристик от конструктивных особенностей аппарата, например, таких как толщина пластин шихтованных магнитопроводов, толщина и материал внешней изоляции обмотки электромагнитного вентиля, число витков и сопротивление обмотки быстродействующих приводов, частоты и фазы питающего напряжения.
4. Предложены и обоснованы конструкции электромагнитных приводов систем магнитного подвеса, тяговых электромагнитных контакторов, контактных систем автоматических выключателей.
5. Создано программное обеспечение и система автоматизированного проектирования ЭМА: приводов, реле, контакторов и пускателей, внедрение которой в практику проектирования позволило в 1,5-2 раза сократить сроки проектирования и значительно повысить качество проектных работ.
Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на корректности постановки задач исследования и принятых упрощающих допущений; подтверждается применением физически обоснованных математических моделей и удовлетворительным соответствием результатов расчетов с данными, полученными экспериментально на опытных и промышленных установках, как автором, так и другими исследователями, а также достаточно широкой публикацией результатов работы и их обсуждением на научных конференциях различного уровня.
Реализация результатов работы, полученных автором:
– Предложенные методы расчета и САПР ЭМА использовались при разработке конструкций электромагнитов подвеса, установленных на экспериментальных экипажах ВСНТ массой 1 и 3 т, модернизации клапанных электромагнитных приводов контакторов серии МК на заданную статическую тяговую характеристику, реле боксования серии РБ-469, перегрузки серии РТ-253, промежуточных серии РП-280 в ОАО “ВЭлНИИ” г. Новочеркасск. Созданный при непосредственном участии автора информационно- измерительный стенд для исследования силовой части электромагнитного подвеса и устройств автоматики также внедрен в ОАО “ВЭлНИИ”.
– САПР аппаратов постоянного тока внедрена во Всесоюзном научно-исследовательском институте низковольтного электроаппаратостроения (г. Харьков). С ее использованием разработаны конструкции электромагнитного привода гибридных переключателей питания, оптимизированы параметры контактных систем автоматических выключателей.
– Внедрение расчетной подсистемы САПР ЭМА на предприятии п/я Г-4406 (г.Тула) сократило время расчетных работ и снизило их трудоемкость.
– Программы расчетов броневых электромагнитных приводов постоянного и переменного тока внедрены на Санкт-Петербургском объединении “Знамя Труда” и позволили создать и освоить выпуск вентилей Т26560-006, Т26562-032, имеющих улучшенные параметры по сравнению с прототипами.
– Метод многокритериальной оптимизации использован при создании ФГУП ПКП “ИРИС” микропроцессорной системы управления движением.
– Выполнены расчёты восьмижгутовых шинопроводов трёхфазного переменного тока на ЗАО “Кузлит” г. Азов, полученные рекомендации использованы при изготовлении новых шинопроводов.
– САПР ЭМА использована ОАО “АОМЗ” г. Азов для выполнения поверочных расчётов электромагнитных датчиков момента.
– САПР ЭА рекомендована к внедрению в высших и средних специальных учебных заведениях решением экспертной комиссии АРПКОП от 14.09.95 г.
– Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе: учебных пособиях, лекционных разделах курсов: “Системы автоматизированного проектирования электрооборудования”, “Основы проектирования”, НИР аспирантов и студентов, курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы неоднократно докладывались на заседании секции электрических аппаратов НТС ВЭлНИИ (1996,2007), международных технических конференциях по нелинейной электротехнике (г.Ильменау, Германия, 1990, г.Крайова, Румыния. 1991), Всесоюзных конференциях “Состояние и перспективы развития электровозостроения в стране“ (г.Тбилиси, 1981, г.Новочеркасск, 1987г.), “Автоматизация проектирования электрических устройств и систем” (г.Истра, 1984г.), “Состояние и перспективы развития локомотивостроения” (г.Новочеркасск,1994, 2003гг.), межвузовских научно-технических семинарах (г.Иваново, 1978,1979,1980 гг.), межвузовских научно-практических конференциях “ Эффективность информационных технологий обучения в высшей школе” (г.Новоросийск,1994г.), “ Компьютеризация учебного процесса по электротехническим дисциплинам”(г.Астрахань, 1995г.), научно-техническом форуме “Высокие технологии-2004”(г.Ижевск, 2004г.), международных научно-практических конференциях и коллоквиумах (г.Новочеркасск, 2002,2003гг.), международной научно-технической конференции (г.Казань, 2005г.), научно-методической конференции (г.Вологда, 2009г.).
Работа проводилась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 78 работ, в том числе: 1 монография, 42 статей в центральных журналах; 2 статьи в реферируемых научно-технических журналах; 11 статей в Сборниках научных трудов; получено 3 патента и 2 сертификата; 18 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы: введение, 5 глав, заключение, список литературы из 305 наименований и приложений. Основной текст – 355 с., приложения – 98 c.
Похожие диссертации на Методы, модели и алгоритмы автоматизированного проектирования оптимальных электромагнитных аппаратов
