Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 7
1.1. Основные направления совершенствования автомобильных дизельных двигателей 7
1.2. Анализ исполнительных механизмов электронных систем управления дизелем 11
1.3. Последовательность проектирования электромагнитных исполнительных механизмов 27
1.4. Методы статического расчета магнитных систем 30
1.4.1. Аналитические методы 35
1.4.2. Графо-аналитические методы 38
1.4.3. Численные методы 46
1.5. Методы расчета динамических параметров исполнительных механизмов 52
1.6. Выводы к первой главе 61
2. Проектирование электромагнитных исполнительных механизмов 63
2.1. Проектирование электромагнитных исполнительных механизмов о CAD/CAE-технологии 63
2.2. Методика расчета магнитных систем с применением метода конечных элементов 65
2.3. Динамическая модель ИМ 71
2.4. Методы позиционирования выходного звена электромагнитных исполнительных механизмов 74
2.5. Выводы ко второй главе 78
3. Электромагнитные исполнительные механизмы для ЭСУ втомобильных дизелей (варианты разработок) 19
3.1. Поворотный ИМ 79
3.1.1. Определение требуемых параметров ИМ 79
3.1.2. Анализ применимости различных типов поворотных ИМ для привода рейки ТНВД 81
3.1.3. Разработка конечно-элементной модели магнитной системы 85
3.1.4. Параметрический анализ конструкции 93
3.1.5. Расчетное исследование динамических характеристик 101
3.2. Линейный ИМ 102
3.2.1. Определение требуемых параметров 102
3.2.2. Создание конечно-элементной модели магнитной системы 102
3.2.3. Параметрический анализ конструкции 106
3.3. Выводы к третьей главе 114
4. Верификация методики 115
4.1. Оборудование для статических испытаний 115
4.2. Подготовка объектов к испытаниям 119
4.2.1. Подготовка поворотного ИМ 119
4.3. Оценка точности статической модели 121
4.3.1. Анализ ТХ поворотного ИМ 121
4.3.2. Анализ статических характеристик линейного ИМ 124
4.4. Измерительный комплекс для динамических испытаний 127
4.5. Оценка точности динамической модели 129
4.5.1. Анализ динамических характеристик поворотного ИМ 129
4.6. Выводы к четвертой главе 130
Выводы 132
Список литературы
- Последовательность проектирования электромагнитных исполнительных механизмов
- Методика расчета магнитных систем с применением метода конечных элементов
- Анализ применимости различных типов поворотных ИМ для привода рейки ТНВД
- Анализ статических характеристик линейного ИМ
Введение к работе
Долгосрочные интересы государства - политические, экономические и социальные - диктуют необходимость развития отечественной автомобильной промышленности, регулируемого таким образом, чтобы отрасль не только удовлетворяла подавляющую часть внутреннего спроса, но и обеспечила в перспективе наибольшую долю экспорта в валовом внутреннем продукте.
В связи с этим по заданию Министра промышленности науки и технологий Российской Федерации была разработана Программа «Развитие отечественного автомобильного дизелестроения на период до 2010 года», основой которой является «Концепция развития автомобильной промышленности России» [1, 2]. В соответствии с программой до 2004 г. необходимо организовать выпуск автомобилей, удовлетворяющих требованиям Euro-2. В 2004 году должны быть закончены НИОКР по созданию двигателей, удовлетворяющих требованиям Euro-З и сертификация вновь осваиваемой продукции должна проводиться по показателям Euro-З [3].
Выполнение этих требований возможно только при осуществлении управления системами двигателя в совокупности с управлением системами автомобиля, осуществляемым электронными средствами [4, 5, 6]. Кроме того, применение электронного управления позволят существенно повысить показатели двигателей объектов бронетанковой техники [7].
Обязательным компонентом любой электронной системы управления (ЭСУ) являются исполнительные механизмы (ИМ), посредством которых осуществляется взаимодействие между системой управления и объектом управления [8].
Ввиду чрезвычайно малой номенклатуры выпускаемых промышленностью исполнительных механизмов, а так же особыми условиями их работы на дизельном двигателе неизменно актуальной является задача разработки конструкции компактных ИМ, обеспечивающих требуемое быстродействие.
Сокращение сроков, отводимых на разработку и доводку ИМ, внедрение CAD/CAE/CAM- технологий требует системного подхода к созданию новых ИМ.
В связи с этим создание ИМ и алгоритмов позиционирования выходного звена ИМ также является актуальным [9].
Последовательность проектирования электромагнитных исполнительных механизмов
К электромагнитным устройствам предъявляются все более высокие конструктивно-технологические, экономические и эксплуатационные требования, а именно: технологичность конструкции; габаритные размеры; масса; КПД; сроки разработки. Возрастающие потребности, разнообразие применяемости электромагнитных устройств обусловливают их разработку в каждом случае применительно к конкретной аппаратуре.
Отсутствие достаточной номенклатуры стандартизованных ЭИМ, а так же сложность их компоновки на агрегатах топливной аппаратуры и двигателе вынуждает разработчиков конструировать их для вновь создаваемых ЭСУ. Это подтверждается и разработками ведущих производителей ТА и систем регулирования и управления.
Процесс разработки ЭИМ (рис. 1.18) состоит из следующих этапов: 1. Разработка, согласование и утверждение ТЗ на проектирование ЭИМ. 2. Эскизная компоновка в изделии, проработка способов крепления ЭИМ, крепления выводов. 3. Расчет ЭМ с целью определения геометрических размеров магнитопровода и параметров катушки, тягового усилия (или крутящего момента), теплового режима конструкции. 4. Конструирование и выпуск технической документации по результатам расчета с учетом предъявленных требований к ЭИМ, условиям эксплуатации, существующей технологии производства. 5. Изготовление макетного образца и его испытания, доработка и корректировка технической документации на ЭИМ. Не путать с электродинамическим ИМ. 6. Изготовление опытной партии ЭИМ, проверка, настройка и испытания на соответствие ТУ на изделие и ГОСТ [51, 149]. В случае отклонения параметров от требуемых или обнаружении неисправностей и дефектов в конструкцию ЭИМ вносятся необходимые изменения. После доработки испытания повторяются. 7. Серийное производство [50].
Его продолжительность во многом зависит от достоверности расчета ЭМ, достаточности расчетных параметров для принятия конструкторского решения, наглядности представления полученных результатов, опыта, накопленного расчетчиком и конструктором.
При конструировании ИМ проводятся расчеты электромагнитов, входящих в их состав. Для этого необходимо определить следующие выходные параметры ЭМ: - Статическая тяговая характеристика (ТХ) - зависимость тягового усилия1 или крутящего момента от положения неподвижного якоря при установившемся значении тока [51]. Для электромагнитов управления обычно ТХ представляет собой семейство кривых, определяющих зависимость тягового усилия от перемещения якоря для ряда заданных значений тока. - Удерживающая сила - сила ЭМ в конечном положении якоря при эксплуатационно-нагретом состоянии и напряжении, равном 90 % от номинального значения.
Динамику ИМ определяют следующие параметры2: - Время срабатывания якоря- время с момента начала движения якоря из начального положения в конечное под действием внутренней магнитной силы. - Время возврата якоря - время с момента начала движения якоря из конечного положения в начальное под действием внешних сил. - Время задержки якоря - время с момента включения или снятия питающего напряжения до начала движения якоря.
Тяговое усилие - развиваемая электромагнитом тяговая сила при прямолинейном движении якоря, действующая вдоль линии движения якоря, зависящая от положения якоря и не зависящая от рабочего положения электромагнита (согласно ГОСТ 19264-82 [51]).
В общем случае время срабатывания якоря, время возврата якоря, время задержки якоря определяется главными динамическими характеристиками ИМ, представляющими собой зависимость тока и перемещения якоря от времени при заданном значении управляющего напряжения на ЭМ (п. 1.5).
Для определения вышеперечисленных величин на этапе проектирования требуется знать параметры магнитного поля в системе (индукция магнитного поля В, напряженность магнитного поля Н), для чего применимы различные методы. По известным В и Н рассчитываются значения тягового усилия, индуктивности и др.
Т.е. одной из основных задач, решаемых при проектировании электромагнитных устройств является определение формы и геометрических размеров конструктивных элементов магнитной системы, обеспечивающих такие характеристики магнитного поля, которые позволяет получить требуемые выходные параметры исполнительного механизма, электрической машины или аппарата.
Методика расчета магнитных систем с применением метода конечных элементов
Требование сокращения времени научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а так же снижения себестоимости конечного продукта, диктует условие применения современных технологий проектирования при разработке новых изделий. Метод последовательного приближения недопустим для современной инженерной практики, когда доводка изделия состоит в изготовлении многочисленных макетных образцов, их испытаниях, корректировки конструкции, повторном изготовлении макетов и т.д. Зачастую даже обширные экспериментальные данные не могут позволить выявить суть физических процессов, происходящих в разрабатываемом изделии, а поиск оптимальных конструкций проходит вслепую.
Современный уровень развития CAD/CAE-технологии1 позволяет значительно сократить время и материальные затраты на макетирование и доводку конструкции.
Процесс разработки ИМ (рис. 1.18) может быть сокращен, если имеется методика, позволяющая учитывать влияние многих факторов, что устраняет этап изготовления промежуточных макетных образцов для отладки конструкции.
Как известно (п. 1.4), наибольшей универсальностью и удобством реализации на ЭВМ обладает метод конечных элементов, что обусловливает его широкое распространение в машиностроении, в том числе и для расчета магнитных систем. Однако, данные для таких расчетов долгое время подготавливались «вручную», а на ЭВМ решалась суммарная система алгебраических уравнений.
CAD/CAE - системы автоматизации проектирования (САПР) и инженерной дея тельность с применением компьютерной техники. Отечественными и зарубежными специалистами создавались программы для решения задач электромагнетизма для конкретных магнитных систем по МКЭ [119, 120, 121, 122, 123]. Однако, эти разработки не были универсальными и могли быть применимы лишь для расчета определенных магнитных систем.
Новый этап развития МКЭ получил при совершенствовании персональных ЭВМ, когда были созданы мощные универсальные пакеты, реализующие МКЭ, например, ANSYS, COSMOS, NASTRAN, FEMME, Amperes. Их работа базируется на принципах CAD/CAE-технологии, которая обеспечивает: 1) оперативность создания моделей, 2) достоверность результатов, 3) информативность представления результатов.
Применение профессионального программного обеспечения твердотельного моделирования (Pro/Engineer, Unigraphics, CADDs, CATIA, Autodesk Inventor), программных комплексов, реализующих МКЭ. Следует заметить, что в основе программного обеспечения современных CAD-систем лежит твердотельное параметрическое моделирование, которое допускает возможность проведения многовариантных численных исследований с минимальными затратами времени и средств [124], т.е. возможность широкой параметризации проектируемых объектов.
Специально созданные интерфейсы связи служат для передачи данных между CAD- и САЕ-системами. Многие САЕ-системы имеют собственные модули для параметрического твердотельного моделирования.
Применение профессиональных программных средств, реализующих МКЭ, имеет большое преимущество перед созданием собственных расчетных моделей по МКЭ, поскольку расчетчик имеет возможность сосредоточиться на построении твердотельной модели, тем самым повысить точность моделирования. Достоверный анализ магнитного поля в магнитной системе приводит к сокращению времени доводки конструкции объекта.
Для корректного моделирования по МКЭ нет необходимости априорного представления о магнитном поле в системе, в чем состоит одно из его преимуществ перед другими методами, требующих высокой квалификации исследователя и глубокого знания теории электромагнетизма.
Моделирование по МКЭ позволяет учитывать нелинейность магнитных свойств материалов, их зависимость от температуры. Аналогия в расчетных методах механических, тепловых и др. задач позволяет импортировать данные из различных расчетных модулей. Например, результаты расчета магнитных сил можно использовать в расчетах на прочность, применяя при этом всего несколько команд системы, или после определения мощности, отдаваемой катушкой в теплоту, и потерь на вихревые токи и перемагничивание, передать соответствующие данные в модуль решения тепловых задач.
Метод конечных элементов пригоден для решения двух- и трехмерных задач электромагнетизма для стационарных, гармонических и нестационарных магнитных полей. Разработана теория и реализованы в системе ANSYS процедуры электромагнитных расчетов в постановке скалярного и векторного магнитного потенциала, которые относят к «узловым» методам, т.е. решение сводится к нахождению неизвестных компонентов векторного магнитного потенциала или значения скалярного магнитного потенциала в узлах конечно-элементной сетки. Система ANSYS также реализует построение конечно-элементной модели «кромочными» элементами, когда неизвестным при решении задачи является магнитный поток через грань КЭ [125].
Анализ применимости различных типов поворотных ИМ для привода рейки ТНВД
Применение ферритовых постоянных магнитов (из феррита бария и стронция) ограничено ввиду сильной зависимости их магнитных свойств от температуры, кроме того, как показали предварительные расчеты, ИМ с фер-ритовыми постоянными магнитами с габаритами, ограниченными развалом корпуса ТНВД не обеспечивает требуемого крутящего момента (см. п. 3.1.4).
В указанном диапазоне температур работают постоянные магниты на основе соединения неодим-железо-бор (NdFeB).
Постоянные магниты на основе соединения самарий-кобальт (SmCo) по сравнению с ПМ на основе NdFeB имеют сходные магнитные свойства, но более широкий диапазон рабочих температур (до 200С). Однако, их себестоимость почти в два раза превышает себестоимость неодимовых ПМ (табл. 1.2).
В рассматриваемой конструкции применены высокоэнергетические постоянные магниты на основе NdFeB, остальные ферромагнитные элементы магнитопровода выполнены из отожженной стали 10. Для обеспечения требуемого рабочего диапазона 35 поворотный ИМ выполняется шестиполюсным. Постоянный магнит- шестиполюсной с осевым намагничиванием [150].
С целью проведения структурно-параметрического анализа ИМ, определения оптимальных основных размеров построена конечно-элементная модель электромагнита. В качестве расчетной среды использовался пакет программ ANSYS 6.0 (ANSYS Inc.).
Поскольку конструкция, магнитное поле, эпюра распределения магнитных сил имеют циклическую симметрию, то при построении модели использован принцип «циклической» симметрии (рис. 3.3.) и расчетная область ограничена двумя полюсными делениями, соответствующими сектору в 120.
При решении задачи приняты следующие допущения: - температура электромагнита во время работы постоянна; - магнитная проницаемость ферромагнитных элементов конструкции не зависит от температуры; - остаточная индукция и коэрцитивная сила постоянных магнитов не зависит от температуры; - постоянный магнит намагничен однородно; - между полюсами постоянного магнита отсутствуют переходные зоны; - магнитное поле не выходит за пределы расчетной области; - трение отсутствует. Описание геометрии расчетной области
Построение модели проводится по технологии «сверху вниз» средствами пакета конечно-элементного анализа ANSYS с применением возможности параметрического моделирования [151]. Параметризация удобна для автоматизации расчетного исследования, что позволяет более целесообразно использовать машинное время. На начальной стадии моделирования определяются параметры, характеризующие главные размеры ЭМ [152, 153] и их взаимосвязи с остальными геометрическими параметрами. Задача решается в постановке векторного магнитного потенциала, поскольку при этом возможна формулировка уравнений связи для сопряжения зон с разнородной сеткой. Формулировка граничных условий
Ввиду относительно большого количества неизвестных (табл. 3.4.) задача решается в линейной постановке, т.е. не учитывается нелинейность кривой намагничивания стали 10 и кривой размагничивания постоянных магнитов, т.к. предполагается, что магнитная система не насыщена. При этом решение находится за одну итерацию. Однако, при интерпретации результатов расчета следует учитывать, что значения индукции для ферромагнитных участков, превышающие значение (1.8. ..2.1) Тл, являются некорректными и свидетельствуют о том, что фактически этот участок насыщен, и требуются меры, чтобы увеличить магнитную проводимость рассматриваемого участка магнитной системы. Магнитные свойства материалов в модели задаются в соответствии с табл. 3.5. Для постоянных магнитов относительная магнитная проницаемость рассчитывается по формуле:
Сетки ротора и статора имеют разный характер и их сопряжение в зоне воздушного зазора посредством общих узлов затруднено, поэтому при построении модели заданы уравнения связи (Consrtaint equiations) для сопряжения фаничащих областей с разнородной сеткой (рис. 3.8) (третье фаничное условие). При этом значения компонентов векторного магнитного потенциала (А) для каждого из узлов для одной зоны находятся путем интерполяции значений соответствующих компонентов А близлежащих узлов из второй области. Уравнения связи (Элементы ротора условно повернуты) Расчет магнитных сил проводится методом Максвелла и методом виртуальных работ.
Анализ статических характеристик линейного ИМ
Межполюсной зазор S оказывает существенное влияние на вид тяговой характеристики. При варьировании S ТХ реактивного1 крутящего момента претерпевает качественное изменение: при меньших значениях S наблюдаются большие максимальные значения и реактивного, и рабочего крутящего момента. При увеличении S ТХ протекает более полого.
При работе ЭМ в составе ИМ используется не вся ТХ, а только ее рабочий участок, ограниченный упорами (рис. 3.13) и, несмотря на большое значение максимального крутящего момента, при S = (5...7) мм ИМ является неработоспособным, поскольку в этом случае необходима возвратная пружина с
Тяговая характеристика при 1=0 А. предварительным натяжением не менее значения реактивного крутящего момента в положении упора выключенной подачи топлива. В положении же максимальной подачи величина крутящего момента ЭМ будет недостаточна для преодоления усилия возвратной пружины.
При значениях S более 12 мм величина крутящего момента убывает медленнее, однако, сильно падает значение номинального крутящего момента, что приводит к существенному снижению рабочего диапазона. Таким образом, оптимальным значением S является 12 мм при остальных главных размерах, соответствующих указанным в табл. 3.8. Влияние высоты постоянных магнитов (L) Материалы высокоэнергетических постоянных магнитов являются дорогостоящим. Поэтому величина и соотношение главных размеров ротора, влияющих на свойства тяговых характеристик ЭМ, должны быть экономически обоснованными. Исследование влияния высоты постоянных магнитов проводилось при остальных фиксированных главных размерах (табл. 3.9).
По результатам анализа влияния высоты постоянного магнита на тяговую характеристику (табл. 3.10) можно сделать вывод, что с увеличением высоты ПМ увеличение крутящего момента замедляется. Это явление объясняется ростом магнитного сопротивления ротора и явлением «переключения» магнитных линий. Отсюда следует, что применение ПМ с высотой L более определенного значения LKp (в рассматриваемом случае LKp=4 мм) является нецелесообразным, поскольку даже незначительное увеличение крутящего момента приводит к существенному росту массы ПМ, а значит и момента инерции ротора, что неблагоприятно сказывается на динамических свойствах ИМ, а так же приводит к удорожанию ПМ, ИМ, и ЭСУ дизелем в целом.
Влияние диаметра ротора (D) Изменение диаметра ротора D практически не влияет на характеристику реактивного крутящего момента (рис. 3.15). С увеличением D увеличение крутящего момента не значительно, однако сопровождается увеличением момента инерции ротора.
Из анализа ТХ поворотного ИМ с активным ротором при различных значениях рабочего воздушного зазора G (рис. 3.16) следует, что уменьшение G сопровождается значительным ростом реактивного и номинального крутящего момента (в начале хода). В конце хода уменьшение G не приводит к увеличению крутящего момента. Для последующего расчета принимается G=1.0 мм.
Тяговое усилие определялся из условия обеспечения требуемого быстродействия ИМ и обеспечения перевода реек ТНВД из положения выключенной подачи в положение стартовой подачи при температуре минус 20С. Для этого ИМ должен иметь номинальное тяговое усилие не менее, чем 70 Н (7 кгс), не менее. Тяговая характеристика при значении силы тока, равном 50 % номинального должна быть максимально приближенной к линейной, а начальное тяговое усилие - не менее 40 Н (4 кгс). Форма тяговых характеристик- максимально приближенная к линейной. В начальном положении требуется подъем ТХ для улучшения страгива-ния якоря ЭМ. Тип ЭМ - толкающий. Габаритные размеры определяются из условий компоновки ТНВД с ИМ на двигателе и составляют: 070x80 мм, не более.
Остальные требования - аналогично указанным в п. 3.1.1.
Создание конечно-элементной модели магнитной системы Выбор типа ИМ За основу принят ИМ с нейтральным электромагнитом. Для обеспечения линейности ТХ рассматривался вариант с ферромагнитным шунтом насыщения (рис. 3.21). Базовый вариант электромагнита: 1 - корпус; 2 - шунт; 3 - крышка; 4 - якорь; 5 - обмотка катушки; 6 - шток; 7 - упор Описание геометрии расчетной области
Поскольку конструкция, магнитное поле, эпюра распределения магнитных сил являются осесимметричными, то задача решалась в осесимметрич-ной постановке. Для построения конечно-элементной модели использованы четырех- и трех-узловые КЭ с линейной функцией формы (рис. 3.22). КЭМ — полностью параметризуема. КЭМ содержит 6453 элементов. Задача решалась с 6351 неизвестными. При решении задачи приняты следующие допущения: - температура электромагнита во время работы постоянна; - магнитные свойства материалов не зависит от температуры; - магнитное поле не выходит за пределы расчетной области; - трение отсутствует.
Средний размер конечных элементов равен 1 мм. В зоне воздушного зазора необходимо уменьшение размеров конечных элементов, т.к. в этой зоне наблюдается наибольшее значение энергии магнитного поля и размер КЭ составляет порядка (0.3...0.5) мм. Решение плоской задачи по МКЭ возможно только в постановке векторного магнитного потенциала. Число степеней свободы в узле - одна.
Формулировка граничных условий Наличие в магнитной системе элемента насыщения - ферромагнитного шунта, при нелинейности магнитных свойств его материала (рис. 3.23), требует решения задачи в нелинейной постановке. Для чего использована процедура Ньютона-Рафсона, реализованная в системе ANSYS.
Ферромагнитные элементы магнитной системы выполняются из отожженной стали 10 и в КЭМ для них задается кривая намагничивания (рис. 3.23) в табличном виде.
