автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Дистанционный тахометр с совмещенной магнитной цепью

г 6 ^

X ''"'КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им, А.Н. Туполева (КАИ)

На правах рукописи УДК 621.317:531.77

НИГМАТУЛЛИН ШАВКАТ МУХАМЕДОВИЧ

ДИСТАНЦИОННЫЙ ТАХОМЕТР С СОВМЕЩЕННОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПЬЮ

Специальность: 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЗАНЬ 1994

. Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева на кафедре электрооборудования.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Столов Л.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ференец В.А., кандидат технических наук Стахов A.A.

Ведущее предприятие: Казанское приборостроительное

конструкторское бюро.

Защита состоится "_" __ 1994 года в _ часов на

заседании диссертационного совета К 063.43.05 Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, Казань, ул. К. Маркса, д.10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 1994 г (

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

В.А.Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. В транспортных средствах и промышленных гановках для измерения частоты вращения вала широко применяются-гнитоиндукционные тахометры, действие которых основано на измере-и сил, возникающих в результате взаимодействия вращающегося маг-гного поля с индукционными токами, наведенными этим полем в тон-зтенном немагнитном токопроводящем роторе. Поле создается узлом с зтоянными магнитами, вращение которому передается от контролируе-'о вала посредством электрической синхронной передачи. Чувстви-тьный элемент, имеющий вид колпачка или диска в зависимости.от фавления магнитного поля в рабочем зазоре, вместе со стрелкой эеплен на отдельной оси, соосной с осью магнитного узла, и удер-шется от вращения спиральной пружиной, угол закрутки которой >порционален измеряемой частоте вращения. Для компенсации погрешней магниты шунтированы термомагнитным шунтом, резко меняющим >ницаемость в зависимости от температуры.окружающей среда.

Конструктивно дистанционный тахометр подразделяется на датчик шогофазный синхронный микрогенератор с постоянными магнитами - и ¡диненный с ним электрически указатель, который состоит из изме-■ельного узла (ИУ) и синхронного двигателя (СД), которым приводя во вращение магниты ИУ. Габариты, класс точности, конструк->ное исполнение датчика и указателя определяются конкретным называем тахометра и могут сильно отличаться между собой.

Наиболее сложными по устройству являются авиационные тахомет-где высокие требования к статической и динамической точности [етаются с жесткими условиями эксплуатации. В тахометрах типа ДТЭ 3 для обеспечения требуемых динамических характеристик имеется ифирующее устройство, аналогичное измерительному, но с неподвиж-и магнитами, а двигатель выполнен комбинированным: ротор содер-1 постоянные магниты, передающие момент валу с помощью пружины, и терезисные диски, обеспечивающие пуск двигателя. Тахометры с зкими техническими характеристиками выпускаются и ведущими зару-:ным фирмами General Electric, Hollsman Motor, Weston Instruis, Smiths Instruments, Elliot Brothers, Jaeger и др.

Используемые в автотракторной технике общепромышленные дистан-нные магнитоиндукционные тахометры (например, типа ТМи) во мно-: аналогичны авиационным, имеют расширенную номерклатуру диапазо-измерения, меньший класс точности, но больший ресурс. Наряду с ономными по питанию здесь применяются тахометры с внешним пита-

-г -

нием, в которых сигнал с датчика поступает на электронный усил: тель-преобразователь, а лишь затем в расположенный с ним в одн корпусе указатель. Это тахометры со счетчиками условных моточасов спидометры (например, СП3802), в которых один СД приводит в движ ние тахометрический и одометрический измерительные узлы.

Повышение требований к точности измерения, надежности и ресу; су приборного оборудования, развитие импульсной техники и микропр цессорных контрольно-измерительных комплексов привели к изменен концепции использования магнитоиндукционных тахометров. Их главны качествами, способными сохранить применение в современных условия стали автономность от источников питания, малые габариты и сто мость в сочетании с достаточной для конкретного потребителя точно тью, надежностью и ресурсом.

Изменение использования в традиционных областях и появлен новых - дельталеты и сверхлегкие самолеты, минитракторы и мотобло - привели к тому, что номерклатура выпускаемых промышленностью ма нитоиндукционных тахометров не полностью соответствует потребност техники. Требуется срочная модернизация существующих и организац производства нового поколения тахометров, направленная на упрощен конструкции, снижение массогабаритных показателей и стоимости, положительного решения этой задачи существенно зависят перспекти использования производственного потенциала приборостроительных з водов, успешная конкуренция как с производителями зарубежных анал гов, так с производителями других типов тахометров.

Выполненная работа направлена на разработку и исследован новой конструктивной схемы указателя тахометра, в котором упрощен достигается совмещением магнитных цепей измерительного узла и сии ронного двигателя, когда чувствительный элемент располагается неп средственно в рабочем зазоре СД. Указатели с совмещенной магнита цепью (УСМЦ) обладают более широкими возможностями снижения масс габаритов и стоимости по сравнению с указателями традиционной кс структивной схемы. Но одновременно усложняется процесс преобразо! ния входного сигнала в энергию вращения ротора-магнита и в устан« ливающий момент измерительного узла, которые происходят параллел! и взаимосвязанно.

Особенности процессов в таком указателе мало отражены в тех* ческой литературе. Отсутствуют систематические исследования влия* совмещения магнитной цепи на энергетические и метрологические пи затели тахометра. Затрудняет внедрение УСМЦ отсутствие рекоменда! по конструированию и методики проектирования.

Цель работы заключается в создании дистанционного тахометра, мчащегося существенной простотой конструкции, меньшими габарит и массой указателя по сравнению с серийно выпускаемыми, но не гупающего им в точности измерения.

Задача научного исследования состоит в разработке и исследова-I указателя дистанционного магнитоиндукционнсго тахометра с сов-ценной магнитной цепью измерительного узла и синхронного двигате-при различных схемах питания. Она решается в направлениях:

- разработка математических моделей и исследование электромеха-1еского преобразования УСМЦ;

- исследование связи параметров и схемы питания указателя с фгетическими и метрологическими показателями;

- исследование влияния совмещения магнитной цепи на статическую динамическую точность и определение путей и средств обеспечения гбуемой точности измерения;

- определение особенностей конструктивного исполнения УСМЦ и фаботка инженерной методики проектирования;

- экспериментальное исследование макетных образцов, организация прения разработки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель для расчета электромехани-жих процессоз УСМЦ в переходных режимах;

- исследованы процессы пуска и синхронизации ротора-магнита } дополнительных пусковых устройств при подключении указателя к иэтающему датчику;

- показано, что УСМЦ способен запускаться за счет синхронизующих свойств ротора-магнита в диапазоне частот вращения, охва-¡ающем пределы измерения большинства типов магнитоиндукционных сометров;

- получены аналитические выражения для определения способнос-указателя к самозапуску без решения дифференциальных уравнений;

- получены аналитические выражения, соответствующие им вектор> диаграммы и схемы замещения, описывающие электромагнитные про-!сы УСМЦ в статическом режиме;

- разработана математическая модель для расчета статических >актеристик УСМЦ с учетом реальных свойств датчика как источника гания и нелинейности магнитных свойств материала магнитопровода;

- проведен анализ связи электромагнитных параметров и схем гания УСМЦ с энергетическими и метрологическими показателями из-зительного преобразования;

- выявлены ограничения, накладываемые совмещением тгттнс цепи на конструкцию деталей, узлов и указателя в целом, определен пути и средства реализации в УСМЦ требуемых энергетических, динами ческих и точностных показателей.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- показано, что совмещение магнитной цепи ИУ и СД несуществе* но отражается на метрологических показателях указателя и позволя* реализовать УСМЦ класса точности до 1,0 включительно без ужесточи ния технологических допусков;

- показано, что УСМЦ присущи существенно меньшие по сравнеш с серийными указателями динамические погрешности и больший динам! ческий диапазон;

- разработаны ориентированные на УСМЦ конструкции узлов указг теля, новизна и полезность которых подтверждена 7 авторскими свид< тельствами Госкомизобретений;

- получены практические рекомендации по обеспечению точное измерения и работоспособности указателя, достоверность которых по, тверждена экспериментально;

- разработана инженерная методика проектирования УСМЦ.

Реализация и внедрение. Созданы макетные образцы УСМЦ для

модернизации тахометров типа ТМи и спидометров типа СП, которые и пытаны в лабораториях заводов-изготовителей и показали соответств: основным требованиям ТУ серийных устройств.

Результаты диссертационной работы использованы в ОКР Саранск го приборостроительного завода и Владимирского ПО "Автоприбор". Р зультаты работы внедрены в Казанском приборостроительном бюро в Н по созданию авиационного тахометра резервного комплекта приборов.

Материалы диссертации использованы при проведении 5 научн технических работ,

Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальн результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и п лучили одобрение на:

1. Республиканской конференции "Информационно-измерительные си темы и точность в приборостроении" (г.Москва, 1982 г.);

2. Республиканском научно-техническом семинаре машиностроитель* го факультета МВТУ им, Баумана (г.Москва, 1979 г.);

3. Итоговых научно-технических конференциях (1975-85 гг.) Казг ского государственного технического университета.

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 18 I чатных работах, в том числе 7 авторских свидетельствах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, че-рех глав и заключения, содержащих 159 страниц машинописного тек-а, 5 таблиц и 56 рисунков на 37 страницах, списка литературы из. наименований и 4 приложений на 28 страницах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки и исследования азателя с совмещенной магнитной цепью. В первой главе получена математическая цель электромеханических процессов УСМЦ и следозаны процессы пуска и синхронизации тора-магнита и установления показаний релки при подключении указателя к работа-ему датчику.

Принципиальные схемы указателя с сов-щенной магнитной цепью приведены на рис Л, е обозначено: 1-ротор-магнит; 2-статор; обмотка; 4-ЧЭ; 5-пружина; 6-вал; 7-стрел-; 8-шкала; 9~ось; 10-термомагнитный шунт.

Особенностью их является отсутствие в азателе не только отдельных магнитов из-рительного узла, но и демпфера качаний вствительного элемента (ЧЭ) и пусковых тройств для ротора-магнита, что обеспечи-ет наибольшую простоту конструкции.

Для описания процессов преобразования МЦ рассмотрен с позиций общей теории элек-омеханических преобразователей. Используя дхода к анализу процессов асинхронных ин- и рмационных микромашинах и синхронных дви-телях с постоянными магнитами, расчетная ема УСМЦ как электромеханического преобра вателя (ЭП) с двумя степенями свободы в движных координатах й и ч представлена рис.2 ортогональными контурами обмоток атора (бия), контурами обмоток ЧЭ (В и и контуром фиктивной обмотки возбуждения ютоянного магнита (м). Ввиду симметрично- ч ■и т-фазной системы питания контурные на-¡якения и^ и Цд определены через угол ви,

Рис.2

равный пространственному углу рассогласования между поперечной осью ротора и максимумом волны напряжения ит. Через . Тг обозн, чены углы, определяющие положение ротора-магнита и 49 относитель: неподвижных координат аир, через р - число пар полюсов статори обмоток датчика и указателя.

Процессы электромеханического преобразования описываются ди< ференциальными уравнениями баланса напряжений контуров и уравнени: ми динамики выходных валов ЭП, которые и составляют математическ; модель электромеханических процессов УСМЦ:

а ц/<л = СтР(^1я - 4>ч1й + - Ч>#ь)/2 - м30 -

" Мзтз1п(мз^м~ - Мтм3§п Чг <1й)г/й1 = - - Мтг^п - сп^г]/лг;

- итсо3 0и - - .

1 '1

где

ц - +

С^ = {ЦСЦ, + 1^(1 +'ЬГ/Ьд)]}~1; Сц = {ЬдСЦ. + 1^(1 + ЦУЦ)]}-1;

V - сопз1- '

Здесь обозначено: Ц, Ц>й, - мгн

венные значения токов и потокосцеплений контуров; г3, гг - актив сопротивления контуров статорной обмотки и ЧЭ;- угловые ч

тоты вращения ротора-магнита и ЧЭ; Ц

ц--

индуктивности конту

статорной обмотки и ЧЭ от потоков рассеяния; Ц^, - индуктивн ти от продольной и поперечной составляющих рабочего магнитного по ка; Jr- моменты инерции ротора-магнита и ЧЭ с присоединенн массами; М^, Мтг, Мн - моменты потерь в опорах и внешней нагруз М30 и Мзт - составляющие момента зубцового тяжения ротора-магни

- число зубцов статора; сп - жесткость пружины.

Связь между углом Оц , характеризующим положение ротора отно-гельно оси одной из фаз статора, и электрическими углами, считая положительным, когда напряжение опережает ось q , определится:

ГМ= <^-Ои-*/2)/р.+ Г1(0. (2)

э 4>с = $ ь)с(1)<И + Ч0 - фаза напряжения статора; умо - началь-е положение продольной оси ротора относительно оси фазы.

Пуск и синхронизация ротора-магнита при подключении указателя работающему датчику, вращающегося с частотой верхнего предела из-рения, хотя и не соответствует реальным условиям, но часто пользуется для оценки работоспособности указателя в полевых услови-, а также является тестовым режимом при приемо-сдаточных испыта-ях для определения динамических показателей. Для УС-МЦ отдельный ализ этого режима важен ввиду отсутствия в нем пусковых устройств недостаточной исследованности режима самозапуска ротора-магнита счет собственных синхронизирующих свойств.

Решением уравнений (1) помощью ЭВМ показано, что и без допол-тельных пусковых устройств ротор-магнит способен запускаться и нхронизироваться с полем статора в достаточно широком диапазоне стот вращения. Характер переходных процессов и диапазон частот мозапуска зависят от начального угла рассогласования волны напря-ния и продольной оси магнитов, причем области благоприятных и не-агоприятных углов рассогласования примерно равны тс. При благо-мятном рассогласовании, когда полюса статора отстают от одноимен-х полюсов ротора более чем на х/2, пуск осуществляется при пер-м же их взаимодействии (рис.3). Предельная частота самозапуска |И этом наибольшая (рис.4). Более низкая предельная частота, при (Торой пуск осуществляется независимо от начальной фазы напряжения 'арайтированный самозапуск), соответствует неблагоприятной фазе :лючения напряжения, когда полюса статора отстают или опережают

полюса ротора менее чем на я/2, в этом случае синхронизации предш ствует несколько нарастающих негармонических колебательных движен: ротора (см.рис.3).

Рассмотрено влияние параметров УСМЦ на диапазон частот самоз; пуска. Показано, что предельная частота самозапуска определяется основном соотношением максимального удельного синхронизирующего м мента оинхронной части к моменту инерции ротора-магнита и присоед: ненных к нему частей. Получены графики и выражения, позволяют прогнозировать диапазоны частот гарантированного и условного сам запуска без решения уравнений динамики.

Одновременно с процессами пуска ротора-магнита рассмотрены п реходные процессы измерительной части указателя, сопровождающ; пуск. Показано, что по динамическому диапазону УСМЦ имеет сущес венное преимущество по сравнению с серийными указателями за сч резкого сокращения времени пуска и синхронизации ротора-магнит Процесс установления показаний в УСМЦ определяется собственным дв жением подвижной системы ЧЭ, а вынужденная составляющая проявляет лишь в виде модуляции, создаваемой неравномерностью вращения рото -магнита. Разработаны рекомендации по обеспечению требуемого кач ства переходных процессов при отсутствии демпфера качаний стрелки

Во второй главе рассмотрен статический режим работы УСМЦ. Уравнения электромагнитного преобразования УСМЦ в установившемся синхронном режиме работы получены как частный случай дифференциальных уравнений и для одной из фаз имеют вид:

"ф = Mrs + jxs> +

«5 = 3aodxad + J Vaq} ~ . (3)

U5 - -ir(rP + jxr);

*o = -^od + ^oq = +

Здесь Ig, Ir, xg , xr ~ токи и индуктивные сопротивления рассеян обмоток статора и ЧЭ; xad, xaq - синхронные индуктивные сопротивл ния продольной и поперечной реакций якоря; Цф, -Е0~ фазное напряж ние и противо-ЭДС статорной обмотки.

На их основе построены векторные диаграммы токов и напряжен (рис.5), наглядно представляющие процесс электромагнитного преоб зования и позволяющие получить аналитические выражения статичес характеристик обоих выходов УСМЦ.

Из характеристик измерительной части следует, что устанавли ющий момент ЧЭ состоит из нескольких слагаемых:

Маг = Мг1 + Мг2 + Мг3 = тггСКг1£2 + Кг211Е0 + Кг3и2]/Ос, (4)

е 2 2 Кг2=(к21со2©и+к22з1п©и)/гаа_; Кг3=(кзО+к31соз2Оц+кз2з1п20ц)/гйя.

означения: Ос - частота вращения статорного поля; К^, к21, к22, О- ^32 ~ Функционалы электромагнитных параметров,

При значениях параметров, характерных для УСМЦ, доминирующим ляется момент созданный потоком ротора-магнита и аналогичный менту ИУ. Это свидетельствует о том, что совмещение магнитной цене нарушает основной функциональной связи Маг с частотой враще-я. Расширение числа факторов, участвующих в создании момента, оявляется главным образом в слагаемом Мг2, отражающем перекресте взаимодействие токов в статоре и наведенных ков ЧЭ с полем магнитов. Это слагаемое, меня-ь вместе токами и углом нагрузки ротора-маг-та, нарушает линейность шкалы указателя, а кже является каналом воздействия помех со ороны синхронной части.Слагаемое момента Мг3, условленное трансформаторной связью ЧЭ с об-ткой статора мало и может рассматриваться :шь как канал действия помех.

Статические характеристики синхронной час-I во многом близки к аналогичным характеристи-¡м синхронных микродвигателей, но из-за экра-гоующего действия токов ЧЭ в создании вращаю-то и синхронизирующего моментов ротора-магни-I участвует не весь ток статора, а его синх->нная компонента в виде слагаемых и ¡м. рис.5):

Мам = о^о1«! + ^о^ад ~

результате не только снижаются энергетические показатели синхрон->й части по отношению к СД, но и сильно усложняются по сравнению с I расчетные соотношения, определяющие характеристики и показатели 1бочих режимов ротора-магнита. Показано, что явнополюсность ротора ШЦ не приводит к заметной разнице между индуктивными сопротивле-!ями контуров с1 и q и не вносит изменения в соотношение между сла-аемыми момента ЧЭ. Получены упрощенные выражения для неявнополюс-5го УСМЦ, допускающие аналитическое решение уравнения равновесия >ментов на валу ротора-магнита.

(5)

Сложность выражений статических характеристик измерительной синхронной частей указателя, невозможность их совместного аналити ческого решения, нелинейность связей параметров и напряжения пита ния с частотой вращения затрудняют обобщение результатов исследова ний, определение взаимосвязей между энергетическими и метрологичес кими показателями УСМЦ и значениями его параметров, что необходим для проектирования методом синтеза. Для этих целей служат упрощен ные уравнения электромагнитных процессов УСМЦ, полученные при пре небрежении явнополюсностыо магнитной цепи и преобразованные в отно сительную форму (в, единицах системы ха(1). Выражение (4) примет вид

где С , аи , ас , , 5С - функционалы относительных параметров: е = Е0/и - относительная ЭДС; шн = Мс/Мамш- относительная нагрузш ротора-магнита в долях его максимального вращающего момента.

Выражение (6) уже описывает измерительное преобразование УСМЦ I целом, но только на одной частоте вращения. Чтобы получить уравнение шкалы УСМЦ его следует дополнить линеаризованными зависимостям! параметров от частоты:

»4, »V /V «V .«Ч» N «>» Л, «V

гз = гг = гг1'{> ХЙ = Хэ1 ^ хг я Хг1 (7)

и линеализовать свойства источника питания указателя. Принято, чт< напряжение генераторного датчика соответствует отношению II = ( при питании от ЭУП и = Тогда (6) следует решать совместно с выражениями (8а) при автономном и (86) - при внешнем питании УСМЦ:

е-е^; МГМБ1Д; 1Б«1Б1/?;

(8а> ы П /,2,п2 (86)

н Н1 (1-еС)г с1УА2+В2

Индекс "1" отражает^ принадлежность величин к базисному режим; работы (при ? = 1), где ? = Ос/Пстах ~ относительная частота.

Аналогично преобразованы зависимости других величин ЭП в фун: ции от частоты: потребляемого тока Г3, максимальных значений враща] щего мамт и удельного синхронизирующего мсни моментов ротора-магнита:

1В = — - 4-^+е2(А2+В2)-2е\'А2+В2з1п{агсз1п[тн( 1-еО+еС]-аи-«с};

Чгс (9)

е==е1 1Б=1Б1!

т и 1.

т„ = т„<--— у~5—о'

Н Ш (1-еС^с1 'А2+В2 .

1МШ

!НШ

"амш

"снш-

{1-еСВз1пал-А(1-сойа.)]};

Мг

еУл2+В2

л» 4

2,

(10)

(И)

Б "с

Частотные характеристики УСМЦ в виде выражений (6)-(11) позво-)Т не только легко рассчитать показатели рабочего режима на любой (етке шкалы, но и однозначно их определяют их как функцию парадов в базисной точке шкалы. Последнее позволяет распространить УСМЦ подходы "параметрического" метода проектирования, когда урологические показатели обеспечиваются реализацией требуемых (чений относительных параметров, а энергетические показатели достают за счет базисных величин.

.,тНм

— авт.пит. 1,АМам,тНм —внеш.пит. 1_ авт.пит.

\\\---внеш. пит.

4* \\\

/\\\ =0,2 2.0,6 ^Х1

0,4 ^ ■

0,4 40'

0,3' '30"

0,2 '20'

о,г •10'

О

Рис. 8

Рис.7

Показано, что вид частотных характеристик УСМЦ определяется змой питания, причем главным образом это отражается на характере определения по диапазону потребляемых токов и моментов ротора-гтата (рис.6). Шкала УСМЦ от схемы питания зависит в меньшей сте-т: она, несмотря на введенные упрощения, имеет нелинейный харак-5 - растянутый в верхней части диапазона при автономном питании I - в нижней части при внешнем питании.

Проведено исследование связи степени нелинейности шкалы с от-зительными параметрами. Показано, что задача улучшения линейности злы не всегда актуальна, так как при реальных значениях парамет-з нелинейность шкалы не превышает 5% и по эргономическим свойст-л относится к условно-линейным. Степень нелинейности шкалы опре-яяется значениями параметров гз1, хз1, е^ (рис.7) и при оптималь-а сочетании параметров снижается до 1...2%.

Для инженерного расчета характеристик УСМЦ разработана матема-теокая модель электромагнитных процессов, основанная на совмест-

ном решении уравнений электрической схемы замещения диотанционноп тахометра с УСМЦ (рис.8) и схем замещения магнитной цепи указателе для продольной (а)и поперечной (б) осей ротора-магнита (рис.9). Электрическая схема замещения отражает электромагнитные про-

цессы в тахометре, состоящем из УСМЦ

зп Азп

-0-

и питающего Н.,

его датчика -

гг

1 И-

Рис.8

Рис, 9

микрогенератора с постоянными магнитами, иллюстрируемые векторной диаграммой (рис.10) Необходимость совместного рассмотрения процессов вызвана взаимной коррелирпранног-ты процессов в датчике и указателе из-за близости их мощностей.

Особенности расчета по схеме замещени. связаны с различием параметров р и рп, соответствующих аналогично именованным углам н, векторной диаграмме. Уравнения схемы замещения полностью включают в себя выражения (3) - (5),записаны в комплексной форме и решайте, только численными методами.

Особенностью схем замещения магнитно цепи указателя являются отдельные нелинейны сопротивления Кр^ и соответствующи

путям потока через магнитопровод. Это позволь Рис.10 ляет учесть в расчете глубокое насыщение фер ромагнитных участков, но требует численного решения уравнений.

Разработан алгоритм и программа совместного решения уравнени схем замещения, что позволяет учесть в расчете реальные свойств датчика как источника питания и нелинейность магнитных свойств маг нитопроводо, что зктуальпо при поверочных расчетах указателя.

Третья глава посвящена исследованию погрешностей указателя

вязанных с совмещением магнитной цепи, поиску путей-повышения точ-эсти и определению предельного класса, который может быть реализо-зн УСМЦ без ужесточения производственных допусков.

Рассмотрены методические погрешности математической модели' пектромагнитных процессов от допущения о синусоидальности магнит-эго поля в воздушном зазоре.

Дополнительный устанавливающий момент ЧЭ определен как сумма оментов от высших пространственных гармоник, обусловленных дис-ретностью распределения проводников обмотки статора по пазам Мгп и ысшими временными гармониками напряжения питания Мгв;

.2 „ т2

иУх^г^

ГП 0ПСг?,+(Х-+*яд)23

с'-'гГ ЧЛГ)ГЛЮ\)"

,2

гв

_ л, л< ^ «V Г—2

Пе{[Гв+(1+Х3)гг+г3хг] +[)АХ3+ ^(1+х3)хг- -—2] }

(12)

(13)

де , гщу , хГ1, , х0у - параметры схемы замещения УСМЦ по 9 -той ространственной гармонике; и^- действующее значение ]<-той времен-ой гармоники.

Показано, что несинусоидальность напряжения питания практиче-ки не отражается на точности расчета (Мгв < Магх10-^), тогда как ,искретность распределения проводников обмотки по пазам статора и ызванные этим вращающие моменты ЧЭ слабо проявляются на фоне мо-:ента от основной гармоники (Мгп < Магх10-3 в одном из наиболее не-:лагоприятных случаев, когда = 2). Для учета методических погреш-остей достаточно определить величины добавочных моментов от одной • двух ближайших к основной высших пространственных гармоник МДС ¡татора.

Остальные слагаемые инструментальной погрешности, обусловлен-ие совмещением магнитной цепи, в соответствии с общей теорией по-■решностей определены в виде аддитивной суммы: п

= (ш

1=1 ^

'Де ¿,11= ~ первичная погрешность параметра; <Зп1 - функция

¡лияния относительной первичной погрешности на результирующую приеденную погрешность измерения. Основываясь на выражениях (6) -(8), юлучены аналитические выражения функций влияния возмущений на ус-ганавливающий момент ЧЭ. Показано, что погрешности, возникающие

вследствие отклонений параметров от номинальных значений меняйте с измеряемой частотой вращения и не сводятся к аддитивно-мультжш кативной сумме. Вследствие этого используемые в УСМЦ компенсато? производственно-технологических и температурных погрешностей * обеспечивают полного подавления погрешностей и всегда присутствуй некомпенсируемая часть погрешности. Помимо компенсаторов повышен» точности возможно за счет снижения величины которых зависят с значений электромагнитных параметров. Это более перспективный пут улучшения точности, который и расмотрен подробно для каждого елг гаемого погрешности.

Неполная компенсируемость производственно-технологических пог решностей УСМЦ несколько повышает уровень результирующей погрешнос ?и, который может быть реализован без ужесточения относительно се рийного указателя производственных допусков. Показано, что СКО эте погрешности при значениях параметров, соответствующих рационалы-спроектированному указателю, не превышает 0,1...0,15%, т.е. они Н£ существенны по сравнению с допуском на неточность настройки для тг хометров класса ниже 1,0.

•Температурные погрешности УСМЦ вызываются как отклонениях температуры окружающей среды от нормальной, так и неравномерности теплового поля от собственного тепловыделения. Условие их компе! сации (в пренебрежении изменениями линейных размеров) имеет вид:

«мРм(ам-кшаш)/(1-кш) + Ргаг+ %Ьа1Г Рпап = (15)

Здесь , а^ , ^ - функции влияния, температурные коэффициент (ТК) и относительные превышения температур (индексы м, ш,з, г, н, соответствуют индукциям магнита и термомагнитного шунта, сопротш лениям обмоток статора и ЧЭ, моменту потерь в подшипниках опор упругости пружины); кщ=Фщ/Фм - степень термошунтирования магнитов,

Вследствие изменения с частотой вращения функций влияния усл< вие (15) может быть выполнено только в одной точке шкалы, в цел« по диапазону за счет ТМШ можно лишь минимизировать ТК погрешност* указателя. При этом коррекция температурных погрешностей требу«

большей (в 1,1____1,3 раза) чем в ИУ степени термошунтирования,

величина кш зависит как от активных материалов,-так и от соотношения параметров.

Наличие нескольких слагаемых температурных погрешностей услоз няет выбор оптимального термошунтирования. Показано, что некомпе! сируемая часть погрешности, связанная с совмещением магнитной цега достаточно мала и подлежит учету лишь в виде погрешности от собс-

иного тепловыделения, входящей в основную погрешность указателя. Э этой погрешности определяется формулой:

бст = О.29а;(Озтах-0зш1п), (16) •

г ^ - минимальный ТК погрешностей указателя; тем~

ратуры перегрева статора на концах рабочего диапазона частот, В оти обеспечения термостабильности показаний в широком интервале кператур погрешности УСМЦ не превышают уровня серийных указателей также как в ИУ, ограничиваются нелинейностью зависимости потока стоянных магнитов от температуры.

Совмещение магнитной цепи указателя обуславливает возникнове-е новых по отношению к ИУ слагаемых погрешности, причем для этих грешноетей не предусмотрены компенсаторы и они могут быть снижены лько за счет подбора электромагнитных параметров (рис.11). Из афиков видно, что снижение функции влияния еспечивает рост всех параметров, но наибо-е эффективен рост параметров и хд1. раничителем выступает сопровождающее рост их параметров снижение энергетических по-зателей (е^ может повышаться до ~ 0,5 без удшения энергетики). Показано, что наи-льший диапазон повышения относительных составлений при сохранении работоспособности азателя обеспечивает насыщение магнитопро-да магнитным потоком ротора-магнита, кото- Рис.11

е снижает взаимоиндуктивную связь обмоток, но не ухудшает рабочую рактеристику постоянного магнита на его диаграмме состояния.

Погрешности от вариации напряжения питания занимают доминирую-е положение среди других слагаемых и наиболее актуальны для авто-мных тахометрических систем, в которых они входят в основную пог-шность. Поэтому насыщение .магнитопровода характерно для указате-й с автономным питанием: в макетном образце тахометра СКО погреш-сти от технологического разброса напряжения датчика составляют 21$, а при насыщении магнитопровода снижаются до 0,08%. В указа-лях с внешним питанием погрешность нормируется как дополнительная при необходимости вводится стабилизация напряжения питания ЭУП.

Нестабильность механической нагрузки ротора-магнита от старе-:я и износа подшипниковых опор практически не отражается на точ-сти измерения (в тахометрах). В спидометрах погрешность проявля-ся также во время переключения показаний старших разрядов механи-

ческого счетчика и из-за значительных набросов нагрузки на вал} создаваемых цевочным зацеплением числовых дисков, достигает 0,5? при одновременном зацеплении 3-х барабанов, что вполне допусти» на уровне требований к их точности.

Расчетом суммарной погрешности одного из макетных образце УСМЦ показано, что наличие новых слагаемых погрешности и их непо; ная компенсируемость встроенными компенсаторами не препятствует ре ализации УСМЦ классов точности до 1,0 при внешнем питании указе теля и 1,5 - при автономном питании при равных с серийными указать лями технологических допусках. Использование же насыщения магните провода потоком ротора-магнита позволяет повысить класс точное! автономной тахометрической системы до 1,0 не только за счет пода! ления чувствительности к технологическому разбросу напряжения дат чика, но и благодаря общему снижению других слагаемых погрешноси Насыщение также снизило нелинейность шкалы, что позволяет рекоме! довать его как эффективный способ общего повышения метрологическ! характеристик УСМЦ.

В четвертой главе рассмотрены вопросы конструирования и прое; тирования указателей, результаты экспериментального исследования внедрения УСМЦ в ОКР заводов-изготовителей тахометрических систем,

Выявлены ограничения, обусловленные совмещением магнитной ц< пи, предложены конструкции ротора-магнита и устройств настройки пс казаний, учитывающие требования самозапуска и ограничения магнитш материалов с двойной текстурой.

Получены расчетные формулы, связывающие относительные параме: ры и базовые величины с конструктивными данными указателя. На ост вании этих выражений и результатов исследований связи энергетичес ких и метрологических показателей с относительными параметрам! проведенных в 2 и 3 главах, разработана инженерная методика, ра< пространившая на УСМЦ подходы "параметрического" метода проектир< вания.

Используя разработанную методику, спроектированы макетные о< разцы указателей, предназначенные для замены серийных указател« тахометра ТМи и спидометров СП3802. Указатель тахометра имеет габг риты 4 60x70 мм и массу 0,38 кг, существенно лучшие чем у серийно] 60x100 мм и 0,55 кг) и обладает нехудшими метрологическими пок! зателями. Указатель спидометра также обладает лучшими массогабари' ными показателями 100x60 мм и 0,58 кг) чем СП3802 100x115 I и 0,85 кг), которые могут быть еще больше снижены при переходе ] питание от ЭУП с биполярным выходным напряжением.

Проведены экспериментальные исследования макетных образцов, ¡твердившие основные выводы теоретического анализа электромехани-¡ких процессов в УСМЦ.

Проведены работы по внедрению УСМЦ в НИОКР заводов-изготовите-I тахометрических систем. Испытания, проведенные в заводских лекториях и по методикам ТУ серийных устройств, подтвердили соот-гствие спроектированных указателей основным требованиям ТУ указа-юй тахометра ТМи-4 и спидометра СП3802, а также способность ука-гелей после доработок реализовать требования ТУ в полном объеме.

В заключении работы приведены основные результаты и выводы, чученные автором в процессе исследований.

В приложениях приведены результаты испытаний указателей в ла-эаториях заводов-изготовителей дистанционных тахометров, акты эдрения диссертационной работы.

ВЫВОДЫ

1. Получены уравнения электромеханического преобразователя с умя роторами, один из которых электрически и магнитно анизотро-н, другой - изотропен. В рамках общепринятых .а теории электроме-нических преобразователей допущений они составляют математическую дель электромеханических процессов УСМЦ.

2, Исследованы процессы пуска и синхронизации ротора-магнита 'И подключении указателя к датчику, работающему с частотой близкой верхнему пределу измерения. Показано, что ротор-магнит за счет |бственных синхронизирующих свойств способен запускаться и еинхро-[зироваться с полем статора в достаточно широком диапазоне частот адения, что позволяет исключить дополнительные пусковые устройст-I. Получены выражения, определяющие условия ¿амозапуска в задан->м диапазоне частот вращения без решения дифференциальных уравне-Л.

3. Уравнения электромагнитных процессов УСМЦ в статическом ре-ше получены как частный случай уравнений электромеханических эоцессов. На их основе разработаны схемы замещения и математичес-5Я модель, позволяющие рассчитать статические характеристики УСМЦ учетом реальных свойств датчика как источника питания и нелиней-эсти свойств магнитопровода.

4. Введена система относительных параметров и получены выраже-ия частотных характеристик, позволяющие рассчитать (в линейной по-гановке задачи) показатели рабочего режима при любой частоте вра-

щения в функции параметров в базисной точке шкалы. Проведен ана; связи базисных параметров с энергетическими и метрологическими е казателями, результаты которого совместно с уравнениями связи с зисных параметров с конструктивными данными составили основу разр ботанной инженерной методики проектирования УСМЦ.

5.'Показано, что совмещение магнитной цепи, существенно сниа сложность и массогабаритные показатели УСМЦ по сравнению с серийн ми указателями, несущественно отражается на его метрологических п казателях: шкала остается близкой к линейной, точность измерен не препятствует созданию на основе УСМЦ тахометров классов точное до 1,0 без ужесточения технологических допусков.

• 6. Предложено использовать насыщение магнитопровода поток ротора-магнита для общего повышения метрологических показателей. Показано, что насыщение позволяет повысить класс указателя и не н рушает работоспособности указателя.

7. Разработаны устройства УСМЦ радиального исполнения, рото -магнита для УСМЦ с улучшенным использованием магнитов и с термор лятором магнитного потока малой инерционности, устройства для нас ройки показаний УСМЦ при вращающемся роторе. Их новизна и поле ность подтверждены 7 авторскими свидетельствами.

8. Спроектированы и изготовлены макетные образцы УСМЦ, предн значенные для замены серийных указателей . Проведено их экспериме тальное исследование в лабораторных и заводских условиях. Результ ты испытаний подтверждают основные теоретические положения и пра тические рекомендации диссертационной работы и использованы в О предприятий - разработчиков и изготовителей тахометрических систе

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Столов Л.И., Хуснутдинов P.A., Нигматуллин Ш.М. Некотор характеристики двигателя указателя тахометра с обмоткой вокруг зу ца // Труды КАИ. Вып. 175 : Межвуз. сб., Казань, Казан.авиац. ин-1974.- С. 3-5.

2. Об улучшении пусковых свойств двигателя указателя авиацио ного тахометра / Л.И.Столов, М.Д.Нотариус, В.А.Зубарев, Л.В.Пол ских, Ш.М.Нигматуллин, Р.А.Хуснутдинов // Авиационная промышле ленность. № 3, 1975,- С. 12-13. •

3. Нигматуллин Ш.М., Хуснутдинов P.A. К расчету синхронно микродвигателя с самозапуском для измерителя тахометра // Электр оборудование летательных аппаратов : Межвуз.сб. - Казань: Каза авиац. ин-т, 1978.- С. 24-26,

4. Нигматуллин Ш.М, Хуснутдинов P.A. Привод измерителя с сов-]енной магнитной целью для тахометрических систем / Науч.-техн. шнар машиностроит. факульт. Тез. докл. и сообщ,- М.: Московс.

техн. училище им. Баумана, 1979.- С. 25.

5. Математическая модель для исследования синхронизации изме-'еля дистанционного магнитоиндукционного тахометра / О.Ю.Афанась-1, Ш.М.Нигматуллин, Л.В.Польских, Р.А.Хуснутдинов // Электрообо-(ование летательных аппаратов : Межвуз, сб. - Казань: Казан, ави-

ин-т, 1980,- С. 21-23. "

6. Хуснутдинов P.A., Нигматуллин Ш.М. Температурные погрешности герителя магнитоиндукционного тахометра с совмещенными магнитными ¡темами // Электрооборудование летательных аппаратов : Межвуз.сб. [азань: Казан, авиац. ин-т, 1980,- С, 17-19.

7. A.c. СССР !S 760310. Четырехполюсный ротор электрической Malí / Р.А.Хуснутдинов, Ш.М.Нигматуллин. - Опубл. в БИ № 32, 1980.

8. A.c. СССР № 853548. Измеритель дистанционного тахометра / i.Хуснутдинов, Ш.М.Нигматуллин. - Опубл. в БИ К 29, 1981.

9. A.c. СССР ÍS 815633. Индикатор тахометра / Р.А.Хуснутдинов, [.Нигматуллин. - Опубл. в БИ № 11, 1981.

10. Столов Л.И., Ш.М. Нигматуллин Ш.М,, Хуснутдинов P.A. Спи-[етр о совмещенной магнитной цепью / Информационно-измерительные ;темы и точность в приборостроении. Тез. докл. Респ. науч.-техн. :ф.- М.: Московс. ин-т электрон, машиностр., 1982.- С. 46.

11. A.c. СССР 1008860. Спидометр / Р.А.Хуснутдинов, Ш.М.Ниг-уллин, М.Г.Сунгатуллин.- Опубл. в БИ № 12, 1983.

12. A.c. СССР № 1056366. Ротор с терморегулятором магнитного ока / Ш.М.Нигматуллин, Р.А.Хуснутдинов, В.Я.Царев. - Опубл. в БИ ,3,' 1983.

13. Нигматуллин Ш.М. К расчету указателям совмещенной магнит; цепью дистанционной тахометрической системы / Казан, авиац, •т. - Казань, 1984,- 15 с. - Деп. в ЦНИИТЭИприборостроения !221пр - Д83. Опубл. в библ. указателе ВИНИТИ № 2, 1984,- С. 108,

14. Нигматуллин Ш.М. Измеритель с совмещенной магнитной цепью танционной магнитоиндукционной тахометрической системы / Казан. :ац. ин-т. - Казань, 1984.- И с. - Деп. в ЦНИИТЭИприборостроения !222пр - Д83. Опубл. в библ. указателе ВИНИТИ № 2, 1884.- С. 108.

15. Столов Л.И., Нигматуллин Ш.М., Хуснутдинов P.A. Спидометр с мещенной магнитной цепью / Казан, авиац. ин-т. - Казань, 1984. -С. - Деп. в ЦНИИТЭИприборостроения № 2223пр - Д83. Опубл. в л, указателе ВИНИТИ Ш 2, 1984,- С. 108.

16. A.c. СССР № 1072198. Четырехполюсшй ротор электрической машины / Р.А.Хуснутдинов, Ш.М.Нигматуллин, Р,Р.Юсупов. -Опубл. в Б № 5, 1984.

17. A.c. СССР № 1089519. Измеритель скорости / Ш.М.Нигматуллин Р.А.Хуснутдинов, - Опубл. в БИ № 16, 1984.

18. Нигматуллин Ш.М., Хуснутдинов P.A., Столов Л.И. Указбате дистанционного тахометра с совмещенной магнитной цепью // Электре технические устройства и системы летательных аппаратов : Межвуз сб.- Казань, Казан, гос. техн. ун-т, 1994.- С. 127-132.

Формат 60x84 1/16. Бумага оНртсШаЯ ■ Печать офсетная. Печ.л.1,25. Усл.печ.л.1,16. Усл.кр.-оттДДб. Уч.-изд.л.1,0. Тираж 100. Заказ 2>£Яф/¥(6р

Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева.

Ротапринт Казанского государственного технического универоитета им.А.й.Туполева, 420111, Казань, К.Маркса, 10.