Файл: Любчик, М. А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов.pdf

ров п характеристик системы, необходимых для практи­ ческой реализации проектирования примятого исполне­ ния (модели) системы. К последним могут быть отне­ сены форма и основные размеры ядра электромагнитной системы и ее основных (рабочих) зазоров, обмоточные данные намагничивающих катушек, температура нагре­ ва и индукция насыщения на различных участках си­ стемы, а также тяговые характеристики, характеристики управления и противодействия системы. В настоящей работе в основном рассматривается второй случай.

Таким образом, под оптимальным проектированием будем понимать научно обоснованный выбор основных параметров и характеристик системы, полученных из анализа выбранной модели системы и исходных урав­ нений, описывающих основные физические процессы в ней.

Для реализации поставленной задачи оптимального проектирования в книге предлагается метод, который включает в себя:

1) Обоснование принятых моделей (структуры) си­ стемы и в том числе .ее тепловой, электрической, маг­ нитной и механической цепей.

2)Обоснование принятых технико-экономических критериев качества (целевых функций), уравнений дви­ жения и ограничений.

3)Рационализацию исходных уравнений за счет введения понятий функции состояния, базовой и кор­ ректирующих функций.

4)Рациональное ограничение числа варьируемых

параметров проектирования за счет введения понятий ядра и эквивалентного зазора электромагнитной систе­ мы, определяющего размера и коэффициентов крат­ ностей основных размеров.

5) Обобщение расчетных уравнений и зависимостей для подобных и однотипных систем.

1-1. Функциональная и структурная классификация. Определение подкласса силовых электромагнитных механизмов

Из множества известных электромагнитных элемен­ тов, находящих применение в автоматических устройст­ вах систем контроля, регулирования и управления, в предлагаемой (рис. 1-1) функциональной классифика­

10

ции рассматривается достаточно обширный класс ши­ роко используемых элементов — ферроиндуктивных пре­ образователей, отличительной энергетической особен­ ностью которых является:

1) Преобразование поступившей на вход элемента электрической энергии в механическую энергию (движе­ ния, удара, нажатия, удержания) или в электрическую энергию другого качества (в результате трансформа-

Рис. 1-1.

ции) или количества (в результате управления или уси­ ления) на выходе элемента. Из классификации исклю­ чены электрические машины (двигатели и генераторы), вращающиеся трансформаторы и подобные элементы.

2) Наличие энергии связи, сосредоточенной в маг­ нитном поле, связанном с индуктивными {намагничи­ вающими) катушками (катушкой, токопроводом) « фер­ ромагнитным замкнутым или почти замкнутым (в том числе с возможными подвижными и разветвленными участками) магнитопроводом. При этом управление процессом преобразования энергии может осуществлять­ ся за счет дополнительного внутреннего или внешнего воздействия на энергию связи.

Указанный класс электромагнитных преобразовате­ лей по основному назначению используемых свойств

11

магнитопровода можно разделить следующим образом: а) Силовые, в которых используются свойства магнптопровода создавать повышенную плотность магнит­ ного поля в заданных направлениях и участках эле­

мента.

б) Параметрические, в которых используются изме­ нения параметров характеристик магнитопровода пз-за нелинейности кривой намагничивания н гистерезиса.

Вследствие многообразия используемых в ферроиндуктнвных преобразователях электромагнитных явлений и отсутствия резких границ между ними указанное разграничение по силовым и параметрическим свойст­ вам несколько условно. Однако в большинстве случаев всегда можно выделить основное назначение используе­ мого магнитопровода, исходя из основного функцио­ нального назначения преобразователя, и тем опре­ делить его принадлежность к указанным группам.

По виду преобразования энергии, отличительному характеру воздействия на процесс преобразования энер­ гии пли движения исполнительного органа удобно вы­ делить следующие четыре обобщенных подкласса рас­ сматриваемого класса электромагнитных преобразова­ телей.

Преобразователи электромагнитомеханические

Подкласс 1. Электромагнитные механизмы (ЭММ) — подкласс, объединяющий электромагнитные преобразую­ щие элементы с конечным — фиксированным на опре­ деленных участках перемещения (движения) положе­ нием рабочего (исполнительного) органа, — электроме­ ханические управляющие элементы.

Подкласс 2. Электромагнитные регуляторы (ЭМР) — подкласс, объединяющий электромагнитные преобразую­ щие элементы с пропорциональным —зависимо изменяю­ щимся положением (движением) рабочего (исполнитель­ ного) органа, — электромеханические регулирующие элементы.

Преобразователи электромагнитоэлектрические

Подкласс 3. Электромагнитные датчики (ЭМД) — подкласс, объединяющий электромагнитные преобразую­ щие элементы с подвижным управляющим органом — элементы с механическим управлением одинарного, дифференциального или дифференциально-трансформа-

12 .

торного типа, контролирующие изменение положения управляющего органа, соответствующие перемещения или их производные (скорости, ускорения) и другие физические величины (усилия, давления, расход, уро­ вень и т. п.), предварительно преобразованные в перемещение.

Подкласс 4. Электромагнитные статические элементы (ЭМСЭ)—подкласс, объединяющий электромагнитные преобразующие элементы без подвижных звеньев, не­ управляемые или с дополнительным управлением,напри­ мер такие, как маломощные трансформаторы, неуправ­ ляемые и управляемые дроссели, магнитные усилители, электромагнитные стабилизаторы, преобразователи ча­ стоты, фаз и т. п.

Структурные схемы указанного класса электромаг­ нитных преобразователей приведены на рис. 1-2, где на рис. 1-2,а представлена схема простейшего преобра­

выхода). Пунктиром условно обозначена область маг­ нитной энергии связи — №магНа рис. 1-2,6 показан дополнительный внешний вход управления (Wy — энер­ гия управления). В соответствии с подклассом принятой классификации полезная энергия выхода й энергия управления могут быть представлены механической или

13

электрической энергией. На рис. 1-2,в показана струк­ турная схема с внутренним управлением за счет наличия

В общем случае (рис. 1-2,5) преобразователь может иметь п" электрических и т" механических выходов и п' электрических и т' механических входов, в том числе и входов управления (электрических, механических и от постоянного магнита).

В качестве примера, иллюстрирующего указанные структурные схемы, на рис. 1-3,я—з приведены упро­ щенные эскизы некоторых исполнений простейших элек­ тромагнитных элементов. Например, к структурной схе­ ме без управляющего воздействия можно отнести: а) электромеханический преобразователь с подвижным

электромагнитные муфты; в) статический электромаг­

отнести: д) трансформатор с подмагничиванием; е) то

управляемый дроссель и т. п.

Анализ физических процессов, происходящих в элек­ тромагнитных элементах, отнесенных к четырем указан­ ным подклассам, дает возможность выделить ряд об­ щих проблем, характерных для элементов рассматри­ ваемого класса. К таким проблемам можно отнести анализ магнитных и температурных полей в указанных элементах, вопросы теплоотдачи с поверхности и тепло­ передачи в объеме намагничивающих катушек и магнитопроводов, а также теплообмена между ними. В не­ которой части общими являются вопросы расчета магнитных цепей и потокораспределения (потокосцепления) в электромагнитных элементах, проблемы на­ дежности и технико-экономической оптимизации пара­ метров и характеристик преобразователей.

Возможен также общий подход к вопросам проект­ ного расчета (синтеза) указанных элементов, например, по предложенному в 1958 г. автором методу определяю­ щего размера ядра электромагнитного элемента {Л. 50], в последующем уточненному им за счет введения поня­ тия базовой и корректирующих функций (подробно см.

14

далее). Однако наряду с общими проблемами элементы указанных подклассов требуют решения специфических задач, связанных с их функциональным назначением, особенно в динамических режимах работы.

Значительное число вопросов, связанных с анализом работы элементов выделенных подклассов, фундамен­ тально исследовано рядом авторов и освещено в науч-

Рис. 1-3.

15

ной и технической отечественной и зарубежной литера­

в большей мере относится к электромагнитным элемен­ там с подвижными звеньями (электромагнитные меха­ низмы, регуляторы, датчики), анализ и синтез которых несколько усложняется за счет взаимозависимости элек­ трических, магнитных, тепловых п механических про­ цессов и определяющих их величин.

В свою очередь функциональное различие указанных элементов с подвижными звеньями несколько затруд­ няет возможные обобщения при разработке теории их оптимального синтеза. Ниже подробно рассматриваются вопросы теории, ее инженерного приложения и практи­ ческие рекомендации при оптимальном проектировании (синтезе) силовых электромагнитных механизмов аппа­ ратов п устройств автоматики постоянного п перемен­ ного тока.

Возможность использования некоторых полученных обобщенных решений и рекомендаций с целью распро­

чрезвычайно большое количество различных механизмов и может быть по функциональному назначению разде­ лен на три характерные группы:

Приводные электромагнитные механизмы: электро­ магниты управления тянущего, толкающего или пово­ рачивающего исполнения, электромагнитные механизмы приводов электромагнитных контакторов, пускателей и электромагнитных реле, электромагнитные приводы клапанов и вентилей гидро- и пневмоустановок, растор­ маживающие электромагнитные механизмы, электро­ магнитные приводы шаговых искателей и др.

Удерживающие электромагнитные механизмы: элек­ тромагнитные защелки и фиксаторы положений, элек­ тромагнитные фрикционные устройства, электромагнит­ ные механизмы, осуществляющие задержку движения подвижных звеньев при отпуске якоря (в том числе электромагнитные реле времени), электромагнитные муфты трения и др.

16

Нажимные электромагнитные Механизмы: электро­ магнитные расцепители автоматических выключателей, прессовые электромагнитные устройства, ударные элек­ тромагнитные молотки и другие ударные механизмы.

Возможна классификация указанного подкласса и по другим признакам, наиболее полно представленная в [Л. 14]. Полезным является также условное объедине­ ние характерных исполнений, указанных элементов по расположению подвижного звена (якоря) относительно намагничивающей катушки и, принятой модели распре­ деления н. с. вдоль ее оси (см,;.табл. в предисловии).

1-2. Определение обобщенной системы исходных уравнений ограничений, движения и эффективности СЭММ

а) Общие положения

■Электромагнитный механизм в общем случае явля­ ется сложной динамической системой, которая согласно определению (§ 1-1) может состоять из п электрических и т механических связанных входов и выходов. ВГэтом случае предполагается наличие п намагничивающих катушек и т подвижных ферромагнитных звеньев (участков магнитопровода), связанных между собой магнитным полем. В дальнейшем электромагнитный ме­ ханизм рассматривается как совокупность электриче­ ских, магнитных, тепловых и механических цепей 'с со­ средоточенными параметрами. Указанное допущение принято вследствие малых скоростей протекания физи­ ческих процессов и низких частот изменения величин в рассматриваемых механизмах, что позволяет форми­ ровать уравнения движения на основе параметров, опре­ деленных с помощьпо измерений или расчетов статиче­ ского поля и состояния.

При простейшем (неразветвленном) исполнении ука­ занных входов и выходов электрическая и механическая цепи описываются одной переменной: электрическая цепь — током i в цепи намагничивающей катушкй, под­ ключенной непосредственно к источнику питания, а ме­

ного с упругой, гравитационной или какой-либо иной нагрузкой. — ---- --