автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электромеханические элементы систем управления со сложной геометрией подвижной части

Но ОД / 8 июн 1998

Пя пахвях ртксяаси

ИСМАГИЛОВ Флтор Рашотовнч

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СО СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ПОДВИЖНОЙ ЧАСТИ

Специальность: 05.13.05. - Элементы н устройства вычислительной техники я систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисклиае ученой степени доктора техюпесккх наук

УФА 1998

Работа выполнена е Уфимском государстенном авиационном техническом, университете

Научный консультант заслуженный деятель науки Республики Башкортостан, доктор технических наук, профессор И.Х. Хайруллин

Официальные оппоненты:

лауреат Государственной премии, доктор технических наук, профессор В.Г. Домрачее

заслуженный деятель науки н техники РФ доктор технических наук, профессор Н.Е. Конюхов

заслуженный деятель науки и техники РБ, доктор технических наук, профессор М.А. Ураксеев

Ведущая организация: РКК «Энергия» им. С.П. Королева (г. Королев Московской области)

Защита состоится "2"ик?ля 1998 г., в «14""» часов на заседании

Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, Уфа-Центр, ул. К. Маркса 12, УГАТУ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ Автореферат разослан "//" 1998 г.

диссертационного совета Д-063.17.02

Учений секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность

Электромеханические элементы систем управления (ЗСУ) находят широкое применение практически во всех отраслях техники и чаще всего используются в качестве исполнительных механизмов и датчиков параметров физических величин. Они отличаются простотой конструкции, высокой надежностью, малой энергией, затрачиваемой на управление. В системах управления ЭСУ используются для передачи крутящего момента, остановки и подтормаживания механизмов, создания крутильных колебаний и т.п. В амортизационных системах стыковочных механизмов космических аппаратов демпфирующие электромеханические элементы применяются для гашения кинетической энергии стыкующихся космических аппаратов.

Конструктивно электромеханические малоинерционные элементы - тормоза, демпферы, муфты - представляют собой индукционные устройства, подвижные части которых выполняются в виде полого цилиндра, конуса, диска или ленты и являются вторичной системой с распределенными параметрами. При выборе конструктивного исполнения подвижной части учитываются предъявляемые к элементу требования со стороны системы управления, в том числе крутящий или демпфирующий момент. Значительный интерес представляют элемент, имеющие подвижные части сложной геометрии, состоящие из дисковой, цилиндрической и конической зон или пластин, а также выполненные в виде спиральной пружины. Такие элементы, наряду с другими достоинствами, присущими ЭСУ с подвижной частью простой геометрической формы, обладают хорошей встраиваемостью, улучшенными массогабарит-ными показателями и возможностью получения в одном элементе нескольких механических характеристик.

В то же время теория и практика элементов со сложной геометрией ротора являются общими по отношению к теории элементов дисково-

го, цилиндрического и конического исполнения, т.е. теория последних является частным случаем общей теории ЭСУ.

Результаты исследования электромагнитных процессов в ЭСУ со сложной геометрией подвижной части представляют интерес и для анализа электромагнитных явлений в других физических объектах, имеющих сложную вторичную систему, например, в оболочках экранированных электрических машин, в тонких ободочках летательных аппаратов при их движении в магнитном поле и т.д.

В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе имеется ряд работ, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию электромеханических элементов с распределенными параметрами подвижной части, имеющей форму полого цилиндра, диска, или конуса.

В то же время, научных публикаций, посвященных исследованию элементов со сложной геометрией подвижной части, включающей дисковую, цилиндрическую и коническую зоны, имеется небольшое количество. В них рассмотрены только отдельные вопросы расчета. Хотя электромагнитные процессы во многом аналогичны явлениям, происходящим в МГД-машинах, экранированных микродвигателях, исследованию которых посвящено большое количество публикаций, результаты их также не могут быть непосредственно использованы при исследовании, расчетах и проектировании ЭСУ. Это обусловлено наличием существенных конструктивных отличий, которые в свою очередь, влияют на краевые явления, на распределение токов и интенсивность электромагнитных процессов.

Совершенствование электромеханических демпферов, тормозов и муфт, а также создание новых высокоэффективных элементов с электромагнитным управлением невозможно без общей теории ЭСУ со сложной подвижной частью, определяющей закономерности электромагнитных процессов с учетом сложной геометрии и физических

свойств материала подвижной части, интенсивности электромагнитных процессов. Поэтому разработка общей теории высокоэффективных конструкций ЭСУ со сложной геометрией подвижной части является

актуальной научной проблемой.

Основания для выполнения работы

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с:

1) Постановлением Совета Министров СССР № 322 от 27.12.1978 г. и приказом МВ и ССО РСФСР № 20 от 6.04.1979 г.;

2) научно-техническими программами АН РБ "Перспективные технологии машиностроения, приборостроения" и "Энергетика ресурсосбережения";

3) тематическим планом ЕЗН, финансируемого из средств Федерального бюджета Мннобразованием РФ.

Поддерживалась грантами АН РБ в 1994 и 1995 годах, комплексным планом НИОКР АК «Транснефть» Минтопэнерго РФ.

Цель и задачи работы - теоретическое обобщение, развитие теории и разработка научно обоснованных технических решений, совокупность которых позволила бы осуществить решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - создание электромеханических элементов систем управления со сложной геометрией подвижной часш.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи.

В Разработка совокупности математических моделей, позволяющих проводить исследование и расчет стационарных и динамических режимов ЭСУ со сложной геометрией подвижной части, совершающей вращательное, возвратно-поступательное, или колебательное движение.

М Исследование особенностей стационарных и динамических электромагнитных процессов в ЭСУ со сложной геометрией ротора, параметры которого распределены в пространстве.

■ Оптимизация геометрических соотношений в роторах сложной геометрической формы и оценка влияния зон с различной геометрией на выходные характеристики.

И Создание теоретических основ для разработки ЭСУ нового подкласса, который характеризуется признаками: спиральная пружина с током и колебательное движение в однородном магнитном поле.

В Исследование электромагнитных процессов в ЭСУ с коротко-замкнутым контуром и подвижной частью, совершающей возвратно-поступательное движение, и развитие теории проектирования таких элементов.

0 Разработка испытательных стендов, новых конструкции ЭСУ, выполнение экспериментальных исследований. Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований и новых образцов ЭСУ в серийное производство и учебный процесс.

Методы исследований. Теоретические исследования проведены методом математического моделирования электромагнитных процессов с использованием уравнений математической физики для стационарных и динамических режимов ЭСУ, применен метод "двух реакций" и метод Релея-Ритца. При вычислении использованы пакеты прикладных программ "Matematica" и "Math-CAD".

Экспериментальные исследования ЭСУ проведены на специально разработанных стендах.

На защиту выносятся,

1. Совокупность математических моделей ЭСУ со сложной геометрией вращающейся подвижной части с распределенными параметрами, позволяющие исследование стационарных и динамических режимов.

2. Результаты теоретических исследований ЭСУ с помощью математических моделей, которые позволили установить закономерности влияния различных зон вращающейся части на выходные характеристики.

3. Математическая модель ЭСУ с возвратно-поступательным движе-

нием подвижной части и результаты исследования влияния короткоза-мыкающего контура на выходные характеристики.

4. Математическая модель и конструктивная схема нового подкласса ЭСУ, характерной особенностью которого является наличие подвижной части, выполненной в форме электропроводящей спиральной пружины, находящейся в магнитном поле при работе в качестве двигателя, управляемого электропривода и в режиме первичного преобразователя.

5. Разработанные и серийно внедренные в промышленность новые ЭСУ с улучшенными массогабаритными и динамическими показателями.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней развита теория ЭСУ со сложной геометрией подвижной части, параметры которой распределены в пространстве.

Установлены закономерности распределения напряженности вторичного магнитного шля, плотности вихревых токов, а также значения электромагнитных сил и моментов в зависимости от геометрии ротора, интенсивности электромагнитных процессов, которые позволяют проводить разработку ЭСУ с требуемыми выходными характеристиками.

Создан новый подкласс ЭСУ с подвижной частью в виде электропроводящей спиральной пружины и исследованы технические возможности типовых конструктивных решений.

Установлены зависимости, характеризующие взаимодействие переменного магнитного поля и спиральной пружиной с током, что дает возможность проводить разработки указанных ЭСУ, работающих как в режиме импульсного микродвигателя, так и в режиме первичного измерительного преобразователя.

Получены аналитические выражения для расчета выходных характеристик элементов с линейной подвижной частью, которые позволяют проводить разработку ЭСУ с повышенной чувствительностью.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что

установленные закономерности, выводы, рекомендации по проектированию позволяют выполнить проектирование ЭСУ с улучшенными, по сравнению с существующими, динамическими характеристиками и уменьшенными массогабаригаыми показателями.

Разработаны охранно- и конкурентно способные образцы высокоэффективных ЭСУ, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ, которые внедрены в серийное производство.

Достоверность научных выводов подтверждена экспериментальными исследованиями, исследованием частных случаев разработанной обобщенной модели и сравнением с результатами работ других авторов, полученным для частных случаев.

Внедрение результатов работы. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических, экспериментальных исследований и практические разработки внедрены в следующих организациях:

1. Государственный ракетный центр "КБ ем. Академика В.П. Макеева " - внедрены управляемые электромагнитные тормозные и демпфирующие устройства для специальных динамических испытаний систем изделия для создания изменяющихся во времени перегрузок, действующих на разделяющиеся элементы.

2. Уфимское агрегатное производственное объединение (УАПО). -внедрены в серийное производство индукционные элементы систем управления приводами.

3. Московский завод "Машиноаппарат" - результаты исследований использованы при разработке демпфирующих элементов для систем управления амортизаторами стыковочных устройств космических аппаратов.

4. Урало-Сибирские магистральные нефтепроводы им. Д.А. Черняева - внедрены взрывозагцищенные двигатели для систем управления электромеханическими приводами запорной арматуры магистральных

нефтепроводов.

5. УГАТУ - элементы теории ЭСУ со сложной подвижной частью используются в учебном процессе.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 29 конференциях, семинарах, совещаниях:

"Теория информационных систем управления с распределенными параметрами" - Всесоюзный симпозиум, Уфа, 1976; "Электромагнитные методы контроля качества изделий" - Ш Всесоюзная конференция, Куйбышев, 1978; "Современные методы неразру-шаюшего контроля и их метрологическое обеспечение" - 5-ая научно-техническая конференция, Ижевск. 1984; "Автоматизация и механизация производственных процессов" - Республиканская научно-практическая конференция, Уфа, 1984; "Проблемы внедрения достижений научно-технического прогресса в области автоматизации производственных процессов" - Республиканская научная конференция, Уфа, 1985; "Современные методы неразрушающего контроля и ids; метрологическое обеспечение" - 6-ая наутло-техническш! конференция, Свердловск, 1985; "Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение" - 7-ая Уральская научно-техническая конференция, Устинов, 1986; "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов" - 1-ая, Дальневосточная научно-техническая конференция, Комсомольск-на-Амуре. 1986; "Проблемы внедрения достижений научно-технического прогресса в области автоматизации и механизации производственных процессов'' - Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1986; "Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов" - IV Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1987; "Теория и практика разработки средств автоматизации и роботизации технологических и производст-

венных процессов" - V Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1989; "Перспективы использования энергии нетрадиционных источников" - Всесоюзное научно-техническое совещание, Дубки, 1990; "Датчики и средства первичной обработки информации" - Региональная научно-техническая конференция, Курган, 1990; "Проблемы повышения качества электроэнергии" - Региональная научно-техническая конференция, Астрахань, 1991; "Микроэлектроника в машиностроении" - Всесоюзная научная конференция, Ульяновск, 1992; "Научно-технические проблемы энергомашиностроения и пути их решения" - Республиканская научно-техническая конференция, С.-Петербург, 1992; 1-ая Международная конференция, по электромеханике и электротехнологии, МКЭЭ-94, Суздаль, 1994; "Датчики н преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" "Датчик-95" - VII Всероссийская научно-техническая конференция, Гурзуф. 1995г; 1-ая Международная конференция по автоматизированному электроприводу, "АЕВ-95" С - Петербург, 1995г.; "Роль технической диагностики в обеспечении промышленной безопасности" - Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1995; "Научно-технические проблемы космонавтики и ракетостроения" - Международная научно-техническая конференция, г. Калининград Московской обл., 1996; "Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления" - "УШ научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов, Гурзуф, 1996; П Международная конференция по электромеханике и электротехнологии, МКЭЭ-96, Крым, 1996; "Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития" - научно-техническая конференция с международным участием, Ульяновск, 1996; "Техническая диагностика в промышленности", П Всероссийская научно-техническая конференция - Уфа, 1996; "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Датчик -97 - IX научно-техническая конференция с участием зарубежных спе-

циалистов, Гурзуф, 1997; "The Third International Conference on New Energy Systems and Conversions" - Kazan, 1997; "Электромеханические комплексы автономных объектов" - научно-техническая конференция ЭКАО-97, Москва, 1997; "Новые методы, технические средства и техно-логин получения измерительной информации" - Всероссийская научно-техническая конференция, Уфа, 1997.

Публикации по теме диссертации и личный вклад диссерта-

ната.

По теме диссертации опубликовано 82 научных труда, в том числе - монография (8,6 печатных листов), учебное пособие (5 печатных листов), 23 статьи и 22 изобретения.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глаз, списка литературы из 282 наименований, заключен™ и 5 приложений, общим объемом 344 страницы. В работе содержатся 305 рисунков, б таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы и определены основные задачи в исследовании электромеханических элементов систем управления со сложной геометрией подвижной части.

В первой главе выполнен обзор, охватывающий известные конструкции электромеханических элементов систем управления и приведена их классификация по способу управления, по способу возбуждения магнитного поля, по форме подвижной части. В качестве примера при классификации использованы элементы, разработанные с участием автора данной работы. Проведен анализ возможных различных конструкций ЭСУ, отмечены преимущества и недостатки каждого рассматриваемого элемента. По конструкции подвижной части ЭСУ разделены на элементы, имеющие роторы в форме тонкостенного электропроводящего ци-

линдра, конуса, диска и сложной геометрической формы, а также в виде ленты, спиральной пружины. По способу возбуждения магнитного поля - магнитоэлектрические, электромагнитные и с самовозбуждением. По возможности регулирования механической характеристики на регулируемые и нерегулируемые со стабилизацией электромагнитного момента. Показано, что общим физическим явлением во всех ЭСУ является взаимодействие индуктированных токов во вторичной среде с магнитным полем. В тоже время для анализа ЭСУ, с учетом различной геометрии и конструктивных различий подвижных частей, наличия или отсутствия вылетов, а также различных электрических проводимостей зон, требуется создание общей теории ЭСУ со сложной подвижной частью.

В настоящее время имеется два метода анализа электромагнитных процессов в установившемся режиме в электромеханических преобразователях индукционного типа, независимо от конструкции ротора. Первый метод - это определение электромагнитного момента и механической характеристики с использованием схем замещения. Второй - решение задачи по определению результирующего магнитного поля в зазоре и распределения вихревых токов во вторичной среде с непосредственным использованием уравнений электродинамики.

Второй метод широко используется при исследовании индукционных МГД- преобразователей энергии.

Электромагнитные процессы в ЭСУ в общем случае схожи с процессами, происходящими в таких электромеханических преобразователях, как асинхронные машины с полым ротором, экранированные асинхронные машины, а также в тонких оболочках и пластинах, перемещающихся относительно магнитного поля.

Показано, что в ЭСУ со сложной геометрией подвижной части представляется возможным уменьшить массогабаритные показатели за счет более полного использования объема ЭСУ, в них возможно получение нескольких механических характеристик и «старт-стопные» резки-

и

мы. Такие ЭСУ имеют лучшую встраиваемость в конструкцию механизма.

Проведен анализ научно-технической литературы, из которого следует, что работ, непосредственно посвященных исследованию ЭСУ со сложной геометрией подвижной части, имеется небольшое количество. Не исследованы распределения напряженности магнитного поля и плотности вихревых токов, не определены силы иг моменты с учетом несимметрии подвижной части, не рассмотрены вопросы оптимизации вылетов и переходные процессы.

Установлено, что технические возможности ЭСУ со сложной геометрией подвижной части в полной мере не реализуются из-за неразработанности общей теории ЭСУ. Поставлена научная проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение, решение которой позволило бы проводить разработку высокоэффективных электромеханических элементов систем управления со сложной геометрией подвижной части с улучшенными, по сравнению с существующими, динамическими характеристиками и уменьшенными массогабаритными показателями.

Во второй главе представлена теория ЭСУ со сложной геометрией ротора. Электромагнитные процессы в ЭСУ описаны с помощью системы уравнений электродинамики, с использованием общепринятых при исследовании индукционных элементов допущений.

1. Толщина рабочего зазора значительно меньше среднего радиуса, и магнитное поле по высоте зазора не меняется.

2. Индукция первичного магнитного поля в воздушном зазоре задана основной пространственной гармоникой и не меняется вдоль зазора.

3. Шля рассеяния в лобовых частях отсутствуют.

4. Плотность индуктированных токов по толщине изотропного ротора постоянна.

5. Магнитная проницаемость материала ротора равна //0, а стали

магнитопровода равна ¿/ст = °о.

Принятые допущения вносят определенные погрешности в результаты исследования за счет искажения реальной картины происходящих электромагнитных процессов. Поэтому проведена оценка погрешностей, вносимых этими допущениями, получены коэффициенты, которые должны быть использованы при расчете выходной характеристики -электромагнитного момента для учета влияния принятых допущений.

На рис. 1 приведена расчетная схема ЭСУ со сложной геометрией, имеющей активные части в виде диска, цилиндра и конуса, конические и дисковые вылеты.

А

Рис. 1

Зона I (от т2 до г3) представляет собой активную дисковую часть. Зона П (от хг до т.\) активная цилиндрическая часть и зона Ш (от рг до рз) активная коническая часть с углом конусности р. Дисковый вылет ротора от Г] до т2 и конический вылет от р] до рг Толщина воздушного зазора равна 5. Вторичная электропроводящая среда вращается в маг-

нитном поле переменнополюсной магнитной системы на подшипниках.

Система уравнений электродинамики с учетом принятых допущений позволяет получить для вектора напряженности вторичного магнитного поля дифференциальные уравнения второго порядка. Для каждой зоны ротора, в комплексной форме эти уравнения будут иметь вид (в зоне конуса - в сферической системе координат (г, <р, (У), а в другах зонах - в цилиндрической системе координат (г, <р, г). Зона 1.

\_0_ г д г

( а гз \ 2

т

дг

/

где

Ню - напряженность вторичного магнитного поля в зоне 1; Яш, - напряженность первичного магнитного поля в зоне 1. Зона 2 имеет цилиндрическую форму.

В зоне 2 напряженность магнитного поля направлена по оси г, и ее распределение не зависит от г. С учетом этого, уравнение для этой зоны запишется в виде

р2 (Л ,

1 + \НЖ

дг г3 V р )

где

Нк - напряженность первичного магнитного поля в зоне 2; Н2С - напряженность вторичного магнитного поля в зоне 2. Зона 3 имеет форму конуса.

В зоне 3 напряженность магнитного поля направлена по оси 3 , и ее распределение не зависит от $ . С учетом этого, уравнение для этой зоны запишется в виде

1 д рг8р

2 Р

1 д Р р2Бт2А

где

Н1К - напряженность первичного магнитного поля в зоне 3; Н-2Х - напряженность вторичного магнитного поля в зоне 3. Зоны 4 и 5 - зоны вылетов, в которых отсутствуют, согласно принятому допущению, первичное магнитное поте.

Зона 4 - конический вылет. Уравнение приводится к виду

1 8

Ргдр

др

здесь Нгкв - напряженность вторичного магнитного поля в зоне 4. Зона 5 - дисковый вылет.

Здесь напряженность магнитного поля имеет одну составляющую, направленную по оси г, и ее распределение не зависит от оси г. С учетом этого, уравнение запишется в виде:

г д г

2ВВ

где Нгвз - напряженность вторичного магнитного поля в зоне 5. Напряженность вторичного магнитного поля Н, описываемая уравнениями, зависит от многих переменных, а именно: угловой частоты со, числа пар полюсов р, электрической проводимости с, магнитной проницаемости ротора, а также от его геометрии.

Введением базисных величин полученные уравнения можно привести к безразмерной форме, что позволяет сократить количество размерных переменных. За базисы можно принять - (максимальное значение из 2Х ,23 ;2Л ;25 ;26); <тш - (максимальное значение из <т1;сг2;ст3;<т4;сг5)й Нш- (максимальное значение из Нт;Н1С;Нхк).

После несложных преобразований получены безразмерные уравнения для напряженности магнитного поля соответствующих зон: зона I - диск:

1 д (

\

х д * д х

зона 2 - цилиндр:

дг5& х>г I \

—- -^—(1 + )е а'7ххг)7{:с = ]е а2р2^

д 22 X

£ г < г2; зона 3 - конус:

1 д

Угду

д ^

У

__¿—(1 +

. 2 7 /-> V.

ду 1 у"%\ъ ^

]£ а'ъу2 sin'

зона 4 - конический вылет:

1 я ( я аг 1 о \ 2°

у1 д у Г д у

у

зона э - дисковыи вылет:

! я ( В ^ ^ I о г а "ксг р

х д х

^ъв ~

В формулах

СГ, =-,сг, =-,(73 =-,сг4 =-,£Г5 =-,

'1 - > 2--

'БАЗ

'баз

а

ВАЗ

А/ • Н Ч

"ж "к

'Баз

аг _ ■^гл» у .аг ■

Нс

нк

аг - . о?* _ . ат - -^101 .

1с - ту - ¿с - "ту—.

ПБАЗ ПБЛЗ

Г Р , 2 х=-; у = —; г =-.

&ЕАЗ ^БАЗ КБАЗ

. _ Ро<ГБАЗ Я&и®

- безразмерная частота, широко используемая

в теории индукционных машин. Она является величиной, характеризующей интенсивность электромагнитных процессов во вторичной электропроводящей среде и связывающей геометрию и физические свойства материала ротора с числом пар полюсов системы возбуждения со скоростью перемещения среды относительно возбуждающего поля.

При работе ЭСУ во вращающемся роторе индуктируются вихревые токи, имеющие в общем случае три составляющие. Согласно принятому допущению о том, что толщина рабочего зазора значительно меньше среднего радиуса и магнитное поле по высоте зазора не меняется, вектор плотности вихревых токов имеет две составляющие: тангенциальную и радиальную (в цилиндре - тангенциальную и аксиальную). Радиальная (аксиальная) составляющая тока при взаимодействии с магнитным полем в зазоре создает тормозной или демпфирующий момент, а тангенциальная составляющая в общем случае приводит к увеличению сопротивления контура тока. Однако в некоторых ЭСУ тангенциальная составляющая тока может быть использована для управляющего воздействия. например, для осевого сдвига вращаю щегося ротора

Из уравнения электродинамики, с учетом принятых допущений, после соответствующих преобразований составляющие плотности индуктированных токов для активных зон будут иметь вид:

к <гг. к - а ° ■ к к - ■

°От- »^Д» °Оф - ~ » °сг~ -^С» °С<р »

х ох х а 2

Кр увшд к ^ у<?у[ к1 Для зоны вылетов:

/р & ^оз • ]р • • 1 @ Г • 1

йдвг- Щ)в'' 5 "> <>£Вр = дкв9 [уЩя}

х д х .у-Бшб уду

Используя ранее полученные выражения для напряженностей магнитного поля существующих зон, рассчитываются плотности вихревых токов в шшгбных зонах и в вылетах при различных конструктивных соотко-

шениях ротора, числа пар полюсов и безразмерной частоте. На рис. 2 приведено распределение радиальной (аксиальной) составляющей тока, и на рис. 3 - тангенциальной составляющей,

Рис.2

Проведен анализ плотностей вихревых токов в зависимости от геометрических соотношений, безразмерной частоты е и числа нар полюсов р. Показано, что в сложном роторе радиальная составляющая токз распределена более равномерно вдоль ротора. Это позволяет уве личить тангенциальную составляющую электромагнитной силы и тормозной момент. Во всех зонах ротора сила Р имеет две составляющие: тангенциальную и осевую (радиальную). Определена суммарная составляющая тангенциальных сил всех зон

^ = Р +Р

гч> 1 ^ Г1ч> ^ гз<р

где

— Н2ваз •

^ = п-——Ее I д 1т ■ х (к

— Н2

— н

Ръ9 = я • А"о Щк этб Ке 15^уйу

К.

в в

Рис.З

Определены осевые силы и проведен анализ этой силы в зависимости от геометрии сложного ротора, вдела пар полюсов и безразмерной частоты е.

На рис. 4 и рис. 5 приведены в качестве примера значения тангенциальных и осевых сил при одном из геометрических соотношений ротора в зависимости от безразмерной частоты при различных значениях числа пар полюсов.

Определен электромагнитный момент ЭСУ в виде

где

М^ - я Д ц, Нш^Жр ? Пр = Кедх.

тг - —— Б.е|)-Н*с <к. т.х = Н1К бшС?!^ ]'-Н'1с у Оу.

Ркс. 4

Проведен анализ зависимости относительного момента от, от безразмерной частоты, числа пар полюсов и геометрии ротора. На рис. 6 показана зависимость =/(е) при различных значениях числа пар полюсов р.

Рис.5

3 4

Рис.6.

В третьей главе проведено исследование электромагнитных переходных процессов в ЭСУ. С использованием полученных во второй главе уравнений для напряженности магнитного поля в стационарном режиме. Дополнительно принята базисная величина времени.

1баэ-й>-

£ Мо^БАЗ^ЗМ

к4

ВАЗ

безразмерная величина.

Переходный процесс сопровождается возникновением вынужденных (периодических) и свободных (апериодических) составляющих магнитных полей

где

Т- безразмерная постоянная времени.

Решение Неш получено во второй главе.

Решение для Нсе после преобразований и представления в ваде неоднородных уравнений Бесселя найдено в виде:

+ =С9ахр +С&-"

где

= h-EllL.it«-в £1.

Т°(х) = Щ1

Та — • 11 ~ •/1'\с >

К =

1р [к г) ] Яр № - Ур {Кх)]ир №

1 \ 1_а

У^зУ Ц'у2 \|/С3> Щу,

С"; ... С"0; Д.-,, -0А-2, - константы, которые определяются из граничных и начальных условий.

Принятые во второй главе допущения для переходного режима, дополнены следующими :

- амплитуда первичного магнитного поля во время переходных процессов не меняется;

- после мгновенного разгона ротор вращается с постоянной скоростью.

Приняты следующие условия для определения Н.

1. Начальные условия.

При мгновенном разгоне ротора потокосцепление от апериодиче-

ской и периодической составляющих вторичного магнитного потока равно нулю при 1=0. Очевидно, это условие должно выполняться в любой зоне.

2. Граничные условия.

Нормальные составляющие плотности электрического тока и тангенциальные составляющие напряженности электрического поля при переходе через границу раздела двух сред непрерывны, т.е.

^п = £и = Е1г

3. Условие для определения постоянной времени Т. Поскольку периодическая составляющая вторичного магнитного

поля, ось которой совпадает с осью первичного поля при I = 0 максимальна, то ее производная от суммарного вторичного поля равна нулю.

Используя начальное условие 1, уравнения дая напряженности магнитного поля, получены в виде:

-ГЗ *5

§Ж0(х)х дх, ск;

Ч Ч

21 гг

\&е(г) & = (к;

г,

Лз Щ х3

<к=~(ку 1жа(х)х дх=~[щ^(х)х ск:

*г 4 х!

где Ж - напряженность магнитного поля в безразмерной форме для соответствующих зон ротора в стационарном режиме;

- напряженность магнитного поля в безразмерной форме для соответствующих зон в динамическом режиме.

С учетом принятого условия 3, получено следующее уравнение

dx+js\&D{x)x сЬ~хъ\нс(г) dz +

h

h j Уг Уг

+jex3jtf-c (г) dz--¡^ka{y)y dysmQ+js sinQ¡STk(y)y dy-

г1 Уг Уг

dx-rj¡\^Dh{x)x (¿х-увтд]щ«(у)у dy + Уг Ъ

+}•£ sin Q¡&u(y)y dy |=0.

Из предыдущих уравнений получено

Rej^y+y'ffj j ЯГD(x)x dx+x3j\c(z) dz+sin(?j(y)ydy +

t ' ^ z¡ y¡

xi Уг

■¡^D¡(x)xdx + [^B(y)ydysinQ dyjj = 0

или

Яе

где

Ф - выражение в скобках. Из (3.6) получим

I -+JSJ-&

Re<X> 1

1т Ф е '

Используя ранее приведенные граничные условия, определены постоянные интегрирования.

Для определения электромагнитного момента ЭСУ со сложной геометрией ротора в переходном режиме, необходимо определить момент каждой зоны.

1. Дисковая зона.

Для этой зоны /? = /; dV = Аг dr ¿(р.

Тогда выражение для момента будет иметь вид

2л

м1=д|г,м с^Ф1~р<р)\ш\-1^н0{г)у2м<р,

где

Яд (г) - вторичное поле в дисковой зоне. В безразмерной форме выражение для М% перепишется

М = Д - рср)-^

-1'

[+ж/(ху

-1РЧ>

хс1х

йср

С использованием ранее полученных уравнений это выражение приводится к виду

хЛе

Нв {х)хах • | с о${о)( - р<р) •

л

;]^-Л>Ч> _ „ Т

г-Л1*»

йф

После интегрирования по (р

или

М^М^Яе

т

ТО

-,/гг—

1-е т

V

у

Также определены и электромагнитные моменты для других зон, и полный электромагнитный момент представлен в виде

М=М1+М2+М3

или

М = А/ Не т.

1-е 6

где

Проведены расчеты по определению т1 = /(г) при различных геометрических соотношениях размеров зон ротора и при различных значениях £> Р. Некоторые из полученных результатов приведены на рис. 7.

Приведены результаты исследования влияния явнополюсности магнитной системы на электромагнитные процессы при переходных режимах. Использованы коэффициенты приведения Ка, и К.ц по продольной и поперечной осям. Проведен анаши влияния явнополюсности на относительный электромагнитный момент при переходном режиме и показано уменьшение ударного момента при увеличе-

нии коэффициента рассеяния полюсов.

Рис. 7.

Проведена оптимизация геометрии подвижной части ЭСУ с использованием критерия получения максимальной добротности, т.е. максимального отношения тормозного момента к моменту инерции при заданном тормозном моменте.

Мк 2 тА

"Т-- Ш2 ■ 3 Г\ БА1 4 4Л МаГ^вв^Я Уз~У1

Определены максимальные значения коэффициента добротности Ко при различных геометрических соотношениях размеров ротора.

Кг> = &

Уз-Ух У;-У;

Следует отметить, что разработанная математическая модель позволяет анализировать электромагнитные процессы при работе ЭСУ в режиме первичного вихретокового измерительного преобразователя.

В измерительной катушке наводится ЭДС, обусловленная как первичным магнитным полем, так и вторичным.

Ё = Ё, + Ё2= • о5 - ■ с18 ^

где N - число витков ИК.

Проведен анализ ЭДС от первичного магнитного поля и вторичного магнитного поля в зависимости от свойств вторичной среды, геометрии, интенсивности электромагнитных процессов в стационарном режиме и при переходных процессах. Результаты анализа дают возможность проектирования преобразователя для контроля динамического состояния изделия.

В четвертой главе проведено исследование ЭСУ с линейной подвижной частью, совершающей возвратно-поступательное движение.

Расчетная схема преобразователя, состоящего из магнитопровода с круговым полюсом 1, с продетым на него электропроводящим витком 2, выполненным из немагнитного материала с большой электрической

проводимостью и имеющего возможность колебательного движения относительно магнита 3, представлена на рис. 8.

В системе координат, связанной с электропроводящей пластиной из системы уравнений Максвелла с учетом принятых во второй главе допущений получено

д2Н

—гг -)'той*=.М"осг^г1

¿к

Здесь

Я, =Ь\е]а"; Нг .

В безразмерной форме исследованы напряженности магнитного поля в зоне под индуктором 3 и в зоне, где нет первичного магнитного поля. Проведен анализ влияния магнитного поля вихревых токов в пла-стане 2 на первичное поле.

ъ

Рис. 8.

Получены уравнения для определения геометрических размеров магнита и магнитшровода в виде удобном для инженерных расчетов. При этом использована связь между механической энергией и энергией в магнитном поле

IZUE

где

р - плотность материала постоянного магнита; d0 - диаметр ферромагнитной оси;

Ъ, d¡¡ - диаметр и ширина радиально намагниченного кольца;

S - величина воздушного зазора;

jdH - относительный диаметр преобразователя.

При исследовании электромагнитных явлений в ЭСУ возникает необходимость рассмотрения возможности усиления электромагнитного поля на торцовых зонах электропроводящих подвижных частей. Рассмотрена расчетная схсмг рис.9.

Рис. 9.

Рассматривается проводящая немагнитная полоса с характеристиками цо, о, помещенная симметрично в плоский двухсторонний индуктор. Магнитная проницаемость стали сердечников Цсг = Индуктор представляет собой неограниченную плоскость, параллельную плоскости ХУ, по которой протекает поверхностный ток, имеющий только у-составляющую. Принимается, что линейная токовая нагрузка представляет собой бегущую волну в направлении оси X, тогда

А=4ЕхрЦ (ал-аг)) ЩЯх = ±8/2.

В установившемся режиме магнитное поле также будет представлять собой бегущую волну, которая расположена симметрично относительно индуктора. Решение найдено только при х > О, у > 0, в каждой области: в области 1 - при |х| < а/2, |у| < Ь/2 (проводящая полоса); в области 2 - при а/2< |х| 5 8/2, |у| < Ь/2; в области 3 - при |х| £ 5/2, |у| > Ь/2.

В этих областях магнитное поле должно удовлетворять следующим дифференциальным уравнениям: в области 1

д2Нк д2Нк

■ (а2 + ]<т а д,) Нх = 0 ,

дхг ду2

в области 2 и 3

- + —-г-а2 Н =0.

д х ду2

В областях 1 и 2 решения находятся так, чтобы Нх и Ну были непрерывны при у = Ь /2, а в области 3 решения рассматриваются в виде суммы поля индуктора при холостом ходе и добавки.

В результате решения задачи, показано, что в электропроводящей зоне, непосредственно примыкающей к торцу электропроводящей полосы, наблюдается усиление магнитного поля, которое может быть использовано, к примеру, для определения положения полосы в пространстве.

Пятая глава посвящена исследованию нового подкласса ЭСУ со спиральной подвижной частью, Эти электромеханические преобразователи являются обратимыми. В работе проведен анализ их работы в качестве микродвигателя и генераторного датчика параметров вибрации.

В двигательном режиме, при пропускании переменного тока через электропроводящую спираль, находящуюся в магнитном поле, происходит закручивание и раскручивание спиральной пружины. При исследовании использованы общепринятые допущения и метод Релея.

Показано, что электродинамические усилия, возникающие между витками спирали, в исследуемом микродвигателе на несколько порядков меньше электромагнитных усилий от взаимодействия витка спирали с током с магнитным полем. Учитывая это для выходной характеристики исследуемого двигателя получено следующее выражение:

р=I ВАЛ) , 'К»

+4£>У

где

/ - длина спирали;

Во - индукция в воздушном зазоре;

/Л - V !ЛШа-1ркг^АЫ^-:ркг')

г г- \ / г- \ -форма колебаний; ф)й,чр кЯй ] + АМ, к.%)

Я ~ 2 - относительная частота;

ш0

ы 2 - относительная степень успокоения;

и>0

(й - частота вынужденного колебания; £ -коэффициент трения; со с- частота собственных колебаний; р - плотность материала спирали; гК- радиус й'-го витка;

д(®о4Р С),(®о-,:Р к - функции Бесселя первого и второго рода;

л '^-¡ркг^

Рассмотрены частные случаи, когда ЭСУ имеет малую частоту собственных колебаний и аргумент функции Бесселя существенно

меньше единицы ( 10 г„. < 1) и функции Бесселя с)тцественно больше едшпщы (/о г„ > 7)/

В связи с тем, что рассматриваемые ЭСУ используются в импульсном режиме, который предполагает работу при больших значениях электромагнитных нагрузок для обеспечения достаточной механической надежности определены предельные значения индукции в воздушном зазоре Вг и плотность тока в спирали ] без ограничения на геометрию спирали и при малых и больших значениях аргумента функции Бесселя. Для случая, когда аргумент функции Бесселя бесконечно большая

величина а>й^р--к -><*>, предельное значение /,„В0 определено в следующем виде

в ^ЫМшА 15Г_±_ |Ш

0 **" Еш аЫ р Кл\\ + ц2

[ид] - предельно допустимое напряжение, Е - модуль упругости ГОнга; ¡X - коэффициент Пуассона; а,Ь,1- размеры сечения и длины спирати, Мпр - масса приведенной пружины. К- коэффициент динамичности пружины. При анализе работы ЭСУ со спиралькой пружиной в режиме преобразователя колебаний, учитывая малые амплитуды колебаний использован «метод приведения». При этом спираль заменена последовательными витками с сохранением, как геометрических размеров витка, так и числа витков. Наводимая в спирали ЭДС в относительных единицах получена в следующем виде:

где за базовую приняты:

В -Л. А

_ и~ т ех .

ЕЛЗ~ '

СОо

= - относительный радиус;

1й = ®0л/Р - витковый коэффициент;

К] - радиус первого витка спирали.

Полуученое выражение для ЭДС, исследовано в некоторых частных случаях, в том числе, когда ЭСУ имеет малую частоту собственных колебаний и аргумент функции Бесселя существенно меньше единицы ( 1о у* « I), а также случай, когда ЭСУ имеет большую частоту собственных колебаний и аргумент функции Бесселя существенно больше единицы (¡о » 1). Для этих частных случаев получены математические выражения, удобные при разработке ЭСУ.

При исследовании электромеханических преобразователей возникает проблема учета взаимодействия магнитного поля вторичной среды на первичное поле, т.е. «реакция якоря». В работе проведена оценка значения этого взаимодействия и для рассматриваемого ЭСУ со спиральной вторичной средой

В связи с тем, что в режиме вибродатчика ЭСУ работает без нагрузки, то будет отсутствовать и ток в спирали, а значит и не будет вторичного магнитного поля, воздействующего на первичное. Поэтому, представляет интерес работа ЭСУ в режиме двигателя, когда через спираль пропускается тока /ив воздушном зазоре имеется индукции Во. В этом режиме, при колебании спирали, в ней индуктируется ЭДС, и ток от индуктированной ЭДС уменьшает ток витка. В работе определено влияние индуктированного тока на ток витка и показано, что влияние вторичного магнитного поля на электромагнитные явления, в рассматриваемых конструкциях можно не учитывать.

Для определения собственных частот колебаний использован метод Релея-Ритца. При этом максимальная кинетическая энергия колеба-

тельной системы приравнивается к максимальной потенциальной энергии. Определяется радиальное усилие, возникающее в \У-ом витке при свободном колебании и механическая работа, приведенная при перемещении витков пружины.

Полученное выражение для собственных частот колебаний щ проанализировано и показаны зависимости соо от геометрии пружины, массы, свойств материала.

Шестая глава посвящена экспериментальным исследованиям разработанных ЭСУ на специально изготовленных стендах и установках.

Программа экспериментальных исследований включала следующие виды работ.

1. Экспериментальное определение распределения магнитного поля в рабочем воздушном зазоре ЗСУ.

2. Экспериментальное определение механических характеристик ЭСУ и влияния величины вылетов ротора на тормозной монет.

3. Определение динамических характеристик ЭСУ.

4. Исследование характеристик ЭСУ со спиральным вторичным элементом в режиме двигателя и датчика.

В результате исследования магнитного поля в рабочем зазоре, показано, что:

- неравномерность первичного магнитного поля вдоль радиуса з активной части ротора достигает 3- 4 %. В то же время расчет на основании выражений, рекомендованных в [7] , даст неравномерность магнитного поля исследуемых моделей до 0,5 %. Разница между экспериментальными и расчетными значениями может быть объяснена неравномерностью зазора, допускаемой при изготовлении;

- первичное поле содержит высшие гармоники. Для исследуемых моделей 3-я гармоника составляет 5-6 % ; 5-ая: 1-4 % ; 7-ая: 1-2 % в зависимости от зон ЭСУ.

Е работе обоснован способ экспериментального определения момента ЗСУ. Сложность заключается в том, что демпфер является малоинерционным, и как правило, работает в кратковременном режиме. Поэтому принята схема, при которой ротор ЭСУ непосредственно присоединяется к разгонному двигателю и используется тензометрический метод непосредственного измерения момента. При этом проведен анализ возможных систематических погрешностей и предусмотрены меры для их исключения, уменьшения или учета.

Для экспериментальных исследований различных ЭСУ с широким диапазоном выходных характеристик и с различной интенсивностью электромагнитных процессов были разработаны несколько стендов, которые отличаются мощностью и номинальной скоростью привода, набором измерительных приборов.

На рис. 10 представлен один из разработанных стендов, позволяющих исследовать ЭСУ в динамическом режиме. А на рис. 11 представлены некоторые образцы разработанных ЭСУ со сложной геометрией ротора.

Рис.10 Рис.11

В ходе экспериментальных исследований были учтены или исключены систематические погрешности. Для оценки случайных погрешностей измерения момента я определения доверительного интервала результатов измерений использован коэффициент распределения Стьюдента. При этом для проверки отсутствия ранее не исключенных грубых ошибок (промахов) определяются критерии Фишера. Анализ результатов экспериментальных исследований н их сопоставление с расчетными значениями моментов подтверждает основные теоретические положения и выводы, полученные в работе.

Экспериментальные исследования ЭСУ со спиральной подвижной частью состояли из определения механических характеристик ЭСУ в режиме микродвигателя и статических характеристик при работе в режиме измерительного вибропреобразователя.

Были использованы опытные образцы разработанных ЗСУ и специально сконструированные стенды, в воздушном зазоре магнитной системы которого индукция магнитного поля достигала от 0 до 0,3 Тл. На спираль с помощью безмоменгпшх проводов подавалось напряжение с регулируемой частотой от низкочастотного генератора. Сигнал с теп-зодатчиков, наклеенных на спираль, усиливался и фиксировался осциллографом. При экспериментальном определении допустимых значений электромагнитных нагрузок на спиральную подвижную часть ЭСУ, помещенную в магнитное поле, подавалось напряжение с конденсаторов, разряд которых коммутировался специальным устройством.

Экспериментальное исследование ЗСУ в режиме датчика проводилось на специально разработанной установке. Спиральная пружина, расположенная в магнитном поле постоянных магнитов приводилась в колебательное движение инерционным элементом, жестко связанным с эксцентриковым электроприводом. Выводные концы подключались к осциллографу н определялась ЭДС, наводимая в спирали.

Результаты экспдшыентальных исследований к их сопоставление с расчетными значениями усилий в спирали, подтверждают основные теоретические положения и выводы, полученные в пятой главе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является итогом теоретических и экспериментальных исследований автора по созданию электромеханических элементов систем управления со сложной геометрией за период с 1976 по 1997 годы. Работа выполнялась в рамках тем в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР № 322 от 27.12.1978 г., приказом МВ и ССО РСФСР № 20 от 6.04.1979 г., научно-техническими программами, АН РБ "Перспективные технологии машиностроения, приборостроения" и "Энергетика и ресурсосбережение", тематическим планом ЕЗН финансируемого из средств Федерального бюджета Министерством образования РФ, поддерживалась грантами АН РБ в 1994 и 1995 годах и комплексными планами НИОКР АК «Транснефть» Минтопэнерго РФ.

Основная научная и практическая значимость работы состоит в развитии и обобщении теории, создании математической модели для анализа и синтеза электромеханических элементов систем управления со сложной геометрией подвижной части. Разработка научно обоснованных технических решений, совокупность которых позволяет осуществить решение научной проблемы создания электротехнических, исполнительных элементов с лучшими, чем у известных, удельными массога-баритными и энергетическим показателями, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Основные результаты работ состоят в следующем.

1. Разработана совокупность математических моделей ЭСУ со сложной геометрией подвижной части, совершающей вращательное, возвратно-поступательное линейное и сложное колебательное движения, позволяющие исследовать их стационарные и динамические режимы

работы.

2. Проведены теоретические и экспериментальные исследования стационарных и динамических электромагнитных процессов в ЭСУ со сложной геометрией ротора, имеющего распределенные параметры. Получены аналитические выражения для расчета электромагнитных сил и моментов с учетом реакции поля вихревых токов, определены оптимальные соотношения ротора, позволяющие разработать ЭСУ с требуемым быстродействием и механическими характеристиками.

3. Разработана математическая модель ЭСУ с подвижной частью, совершающей возвратно-поступательное движение, проведены теоретические исследования, предложены новые конструктивные решения.

4. Создан новый подкласс электромеханических элементов с подвижной частью в форме спиральной пружины, выполняющей колебательные движения. Выполнены теоретические исследования разработанной математической модели, обоснована возможность использования данного подкласса ЭСУ для работы в режиме двигателя, и в режиме первичного измерительного преобразователя. Полученные аналитические соотношения, подтвержденные экспериментально, позволяют разработку ЭСУ с требуемыми параметрами и выходными характеристиками.

5. Предложены оригинальные конструкции ЗСУ, разработанные на основе теоретических и экспериментальных исследований, защищены 22 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретение.

6. Разработаны и исследованы управляемые демпфирующие устройства, с улучшенными массогабаритными показателями, которые внедрены в промышленность и используются в Государственном ракетном центре "КБ им. академика В.П. Макеева" при специальных динамических испытаниях систем изделий для создания изменяющихся во времени нагрузок, действующих на разделяющиеся элементы конструкций в невесомости.

7. Разработан полный комплект технической документации к передан в Уфимское агрегатное производственное объединение, где освоено серийное производство 9 типоразмеров изделий АИМ-А100Ь(8)2(4)ЕхеУхл1, а также результаты исследований используются на предприятии "Мапшноаппарат" г. Москвы.

8. Разработана, внедрена серия двигателей с уменьшенными в 2,5 раза массогабаритными показателями для управляемых приводов в Урало-Сибирских магистральных нефтепроводах.

В результате проведенных исследований сделаны следующие основные выводы.

1. Потенциальные возможности ЭСУ со сложной подвижной частью до настоящего времени не реализованы, в том числе из-за недостаточных исследований и отсутствия по этой причине развитой теории.

2. Установлено, что у ротора со сложной геометрией, при наличии активной конической иди дисковой части, распределение составляющей плотности тока вдоль оси является более равномерным, чем в роторе простой цилиндрической формы, что до 25-30 % увеличивает электромагнитный момент на валу' при увеличении объема ЭСУ до 10-12 %. Это может быть использовано для существенного уменьшения массога-баритных показателей.

3. Установлено, что увеличение числа пар полюсов преобразователя, ведет к возрастанию как максимального, так и относительного тормозного момента, зависящего от паевых явлений. Предельное значение числа пар полюсов, при котором действует это положение, зависит от относительной частоты, электропроводности материала и геометрии сложного ротора, магнитного сопротивления стали магнитопровода и определяется по аналитическому выражению, полученному в работе.

4. Показано, что увеличение числа пар полюсов преобразователя ведет к возрастанию тангенциальной составляющей и уменьшению радиальной составляющей электромагнитной силы.

5. Показано, что при переходных процессах с ростом безразмерной частоты и электромагнитной постоянной времени максимальный момент переходного процесса увеличивается и может превосходить на порядок момент ЭСУ в установившемся режиме, причем момент при переходном процессе достигает своего максимума в первом полупериоде. Это позволяет создать новое поколение демпфирующих элементов для систем управления.

6. Установлено, что увеличение ширины активной зоны ротора при данном числе пар полюсов, а при заданной ширине активной зоны увеличение числа пар полюсов приводит к уменьшению оптимальной длины вылетев. При этом обеспечивается максимальное отношение электромагнитного момента к моменту инерции подвижной части. Вывод позволяет принять обоснованные технические решения при разработке ЭСУ.

7. Анализ общих закономерностей электромагнитных процессов в ЭСУ с линейной подвижной частью позволил установить возможность увеличения чувствительности и крутизны преобразовательной характеристики до 2 раз введением дополнительного короткозамыкающего контура.

8. Показано, что разработанная математическая модель позволяет анализировать ЭСУ работающего и в режиме вихретокового первичного преобразователя, при этом установлено, что увеличение ЭДС, происходящее при увеличении относительной частоты электромагнитных процессов имеет более интенсивный характер при увеличении числа пар полюсов системы возбуждения.

9. Установлены закономерности работы ЭСУ со спиральной пружиной с током в импульсном режиме, позволяющие определит параметры, обеспечивающие требуемую надежность. Показано, что вторичное магнитное поле (поле реакции) может не учитываться из-за их относительно малых величин при работе ЭСУ в режиме первичного измери-

тельного преобразователя.

10. Показано, что значение наведенной в спирали ЭДС возрастает и достигает максимума при резонансной частоте, как при увеличении относительной частоты, так и при уменьшении относительной степени успокоения.

11. Показано, что результаты экспериментальных исследований подтверждают достоверность разработанных математических моделей. Расхождение между экспериментальными данными и расчетами составляет до 10-14%.

Научные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанные ЭСУ внедрены в серийное производство. Вышеизложенное позволяет, представленную к защите совокупность научных положений и технических решений, автору классифицировать как работу, в которой осуществлено решение научной проблемы создания высокоэффективных электромеханических элементов систем управления, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Содержание диссертации отражено в следующих остеит публикациях:

1.Хайруллин И.Х., Нурмухаметов М.Н., Исмагилов Ф.Р. К расчету электромагнитного момента демпфера с коническим ротором // Электричество, 1979,-№ 11.-С. 68-71.

2. A.c. 694953 (СССР), МКИ Н02К 49/04. Электромагнитный тормоз / И.Х.Хайруллин, В.С.Сыромятников, Д.Н. Батыргареев, Ф.Р.Исмагилов, О.В. Хоменко/ Заявлено 30.05.78; Опубл. 30.10.79 в Б.И. - № 40.

3. Хайруллин И.Х., Нурмухаметов МЛ., Исмагилов Ф.Р. Влияние вторичной системы на электромагнитный момент конического демпфера // Электротехника, 1980 . - № 6. - С. 62-64.

4. A.c. 750670 (СССР) МКИ Н02К 49/04. Управляемая муфта-тормоз /

И.Х.Хайруллин, B.C. Сыромятников, Ф.Р.Исмагилов, Афанасьев Ю.В., Нурмухаметов М.Н. / Заявлено 24.03.78; Опубл. 23.07.80 в Б.И. - № 27.

5. Хайруллин И.Х., Нурмухаметов М.Н., Исмагилов Ф.Р. Оптимальные соотношения в коническом электромагнитном демпфере при работе в системе управления // Электротехника, 1981. - № И. - С, 49-50.

6. Нурмухаметов М.Н., Исмагилов Ф.Р. Сравнение механических характеристик электродинамических тормозов с дисковыми и коническими роторами // Межвузовский научный сборник "Электромеханические и электромагнитные элементы систем управления", - Уфа: УАИ, 1983.- С. 56-59.

7. Исмагилов Ф.Р. Использование индукционных муфт и тормозов в автоматизированном приводе // Автоматизация и механизация производственных процессов: Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции, - Уфа, - 1934, С. 76-77.

8. Исмагилов Ф.Р. Вихревые токи в тонких оболочках к&гическок формы, В Информэлектро 16.09,85. № 36-ЭТ. 14 с.

9. Исмагилов Ф.Р, Исследование быстродействия вихретоковых преобразователей // Тезисы докладов 7-ой научно-технической конференции "Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение". - Устинов, 1986. - С. 50-51.

10. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Нурмухаметов М.К. Расчет оптимальных геометрических соотношений конического ротора с учетом реакции поля вихревых токов // Электротехника, 1986. - № 8. - С.21-23.

11. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Нурмухаметов М.Н. Расчет электромагнитного момента демпфера с немагнитным коническим ротором с учетом реакции магнитного поля вихревых токов // Электромеханика, 1986. - № 8. - С.20-26.

12. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Батыргареев Д.И. Управляемый электромагнитный тормоз. // Машиностроитель, 1986, № 5, - С. 26.

13. A.c. 1555777 (СССР) МКИ Н02К 49/60. Электродинамический тор-

моз /И.Х.Хайруллин, Ф.Р.Исмагилов, В.й. Ивашин, А.З, Меркулов / Заявлено 25.05.87; Опубл. 04.04.90 в Б.И. -№ 13.

14. A.c. 1539918 (СССР) МКИ НОЖ 49/04. Электромагнитный тормоз / И.Х.Хайруллин, Ф.РИсмагилов, В.й. Ивашин/ Заявлено 27.04.87; Опубл. 30.01.90 Б.И.-№ 4.

15. A.c. 1599600 (СССР) МКИ F16D 37/02. Электромагнитный порошковый тормоз / И.ХХайруллин, Ф.Р.Исмагилов, А.М. Шторк / Заявлено 04.12.87; ОпублД5.10.90 вБ.И. -№38

16. A.c. 1642404 (СССР) МКИ G01P 15/11. Преобразователь линейных ускорений / И.Х.Хайруллин, И.Ф. Янгиров, Ф.Р.Исмагилов/ Опубл. в Б.И. -1991, № 34, кл.

17. A.c. 1657977 (СССР). Бесконтактный датчик вибрации ферромагнитных электропроводящих тел. / Исмагилов Ф.Р., Хайруллнн И.Х., Янгиров И.Ф. / Опубл. Б.И. № 23,1991, кл. G01 Р 15/11.

18. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф. Магнитоэлектрический преобразователь-электродвигатель /Машиностроитель, 1992.-№ 9, -С. 14.

19. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф. /7 Датчики. Машиностроитель, 1992, N2 5, - 27 с.

20. A.c. 1774270 (СССР). Преобразователь линейных ускорений. / Хайруллин И.Х., Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р.У' Опубл. Б.Й. № 41, 1992, кл.СЮ1Р 15/11.

21. Ас. 1774269 (СССР). Преобразователь линейных ускорений / И.Х.Хайруллин, И.Ф. Янгиров, Ф.Р.Исмагилов/ Опубл. в Б.И. - 1992, № 41, Kn.GOlP 15/11.

22. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф., Хайруллин Т.Й. Устройство для возбуждения колебаний // Машиностроитель, 1993,№ 7,8, - С.19.

23. Пат. 2003110 Россия, МКИ G01P 15/08. Акселерометр/ И.Х.Хайруллин, Ф.Р.Исмагилов, И.Ф. Янгиров/ Опубл. в Б.И. - 1993, №

41-42.

24. Хайруллин Й.Х., Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф. Преобразователь линейных ускорений // Изв. вузов. Приборостроение. 1993. № 9-10, С.68-72.

25. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф. Электромеханический преобразователь со спиральной вторичной системой / Тезисы докладов I Международной конференции по электромеханике и элекгро-технологми. МКЭЭ-94. Г. Суздаль, 1994.

26. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Валетов А.И. Оптимизация геометрических размеров дискового генератора. // Энергетическое строительство. 1994, №1, С. 35-37.

27. Пат. 2020697 Россия, МКИ Н02К 33/16. Магнитоэлектрический преобразователь / И.Х.Хайруллии, Т.И.Хайруллин Ф.Р.Исмагилов, И.Ф. Янгиров / Опубл. в Б.И. - 1994, №18.

28. Хайруллин И.Х., Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р. // Датчик виброу-сксреннй. //Машиностроитель, 1995, №2, - С. 12.

29. Хайруллин Й.Х., Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф. Датчик вибрационных ускорений со спиральным чувствительным элементом // Материалы Всероссийской научно-технич. конференции "Датчики и преобразователи информации, систем измерения, контроля и управления. Датчик -95.

30. Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Янгиров И.Ф. Спиральный электродвигатель автоматизированного электропривода // Тез. I международной конференции по автоматизированному электроприводу. АЕО -95.-С,-Петербург, 1995,-С.42.

31. Пат. 2028835 Россия, МКИ В06 В 1/04. Устройство для возбуждения крутильных колебаний / Хайруллин Й.Х., Янгиров Й.Ф., Исмагилов Ф.Р., Хайруллин Т.И./ Опубл. Б.И. - 1995, №5.

32. Хайруллин И.Х., Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р. Вибрационный Электромеханический преобразователь со спиральным вторичным элементом. // Электричество. 1995. № 11. С. 47-50.

33. Исмагилов Ф.Р.. Хайруллин Й.Х., Янгиров Ж.Ф. Датчик линейных ускорений в системе управления движущихся объектов // Материалы международной конференции "Научно-технич. проблемы космонавтики и ракетостроения". - Калининград, Моск. обл., 1996, С. 47-50.

34. Исмагилов Ф.Р., Сыромятников B.C., Хайруллин Й.Х. Быстродействие демпфера в системе управления стыковочных механизмов // Материалы международной конференции "Научно-технические проблемы комонавтики и ракетостроения" - Калининград, Моск. обл.: ЦНИИмаш, 1996.-С. 300-301.

35. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф. Чувствительность датчика линейных ускорений // Тез. Доклада научно-технич. конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Датчик - 96 ". - Гурзуф, 1996. - С. 65-66.

36. Исмагилов Ф.Р. Электромеханический преобразователь со сложной геометрией ротора // Тезисы П Международной конференции по электромеханике и электротехнологии. - Крым, 1996. - С, 186-187.

37. Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х. Вопросы надежности электромеханических преобразователей // Тез. док. П Международной конференции по элеиромеханике и электротехнологии. - Крым, 1996,- С. 194-195.

38. Исмагилов Ф.Р. Электромагнитные элементы систем управления со сложной геометрией вторичной системы // Тез. научно-технической, конференции, с Международным, участием "Проблемы промышленных систем и перспективы их развития."- Ульяновск, 1996. - С. 63-64.

39. Хайруллин И.Х., Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р. Повышение чувствительности преобразователя линейных ускорений// Межвузовский научный сборник "Теория и проектирование систем автоматического управления и их элементов". - Уфа' УГАТУ, 1996. - С. 118-123.

40. Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х. Собственная частота колебаний спирального чувствительного элемента датчика. Тезисы IX Всероссийской научно-технич. конференции "Датчики и преобразователи инфор-

мации и систем измерения, контроля и управления. Датчик - 97". - Гурзуф, 1997, - С.248-250.

41. Хайруллин ИХ., Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф. Электромеханический преобразователь со спиральной вторичной системой II Электротехника,^.- №4.-С. 4043.

42. Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Янгиров И.Ф. Определение допустимых значений электромагнитных нагрузок для электромеханических преобразователей со спиральным вторичным элементом // Электричество, 1997. -J6 6. - С. 47-58. .

43. Хайруллин И.Х., Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р. Определение размеров магяитопровода и частоты собственных колебаний преобразователя линейных ускорений // Изв. вузов. Приборостроение. 1997. Ш 1.-С.59-62.

44. Ismagilov F.R., Hairullin I.H. How-speed electromechanical energy convector for windmills // Proceedings of the Third International Conferencing New Energy Systems and Conversions. - Kazan, 1997. P. 149-151.

45. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Сатаров П.Р. Вихретоковой датчик для поверхностей сложной геометрии // Материалы Всероссийской научно-технич. коференции "Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации"- УфаД997. С. 46-47.

46. Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Сапаров Р.Р. Моделирование переходных процессов в малоинерционных электромагнитных демпферах // Труды научно-технич. конференции "Электротехнические комплексы автономных объектов ЭКАО-97 ". -Москва, 1997, С. 83-84.

47. Пат. 2074488 Россия, МКИ Н02 K33/I б, В 06 В1/04 . Трансформаторный преобразователь / Хайруллин Й.Х., Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р./ Опубл. В Б.й. - 1997, № 6.

48. Шг. 2085012 Россия, МКИ Н02 КЗЗ/00,. Магнитоэлектрический преобразователь / Хайруллин И.Х., Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р./ Опубл. В Б.И.- 1997, №20.

49. Пат. 2084719 Россия, МКИ F16 D27/00, 27/09 .Электромагнитная

муфта I Хайруллия И.Х., Исмагилов Ф.Р., Закиров йTJ Опубл. В Б.И. -1997, №20.

50. Исмагилов Ф.Р. Электромагнитные элементы систем управления со сложной геометрией ротора. - Уфа: УГАТУ, 1997. -139 с.

51. Исмагилов Ф.Р.Днгиров Н.Ф., Хайруллин И.Х. Оценка механической надежности спиральной конструкции электромеханических элементов систем управления //Приборы и системы управления, 1998г, № 4, -С.53-54.

/ / *

/

УФИМСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫМ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ИСМАГИЛОВ Флюр Рашитович

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СО СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ

ПОДВИЖНОЙ ЧАСТИ

Специальность 05.13.05 -Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Глава 1. Электромеханические элементы систем управления 17

1.1 Классификация электромеханических элементов систем управления (ЭСУ) 17

1.2 Анализ конструктивных схем электромеханических элементов систем управления 28

1.3 Состояние вопроса и постановка задач и исследования 42

Глава 2. Теория ЭСУ со сложной геометрией ротора 56

2.1 Расчетная схема исследуемого ЭСУ 56

2.2 Математическая модель магнитного поля ротора со сложной геометрией 64

2.3 Исследование распределения напряженности магнитного поля вихревых токов ротора ЭСУ 72

2.4 Математические модели для частных случаев конструктивного исполнения ЭСУ 84

2.5 Исследование распределения плотности вихревых токов в роторе со сложной геометрией 90

2.6 Определение электромагнитных сил и моментов ЭСУ 99

Глава 3. Электромагнитные переходные процессы в

малоинерционных ЭСУ со сложной геометрией ротора 112

3.1 Исследование напряженности магнитного поля при переходных процессах в неявнополюсном ЭСУ 113

3.2 Исследование электромагнитного момента неявнополюсного ЭСУ в переходном режиме 123

3.3 Электромагнитные переходные процессы в малоинерционных явнополюсных ЭСУ 132

3.4 Оптимизация геометрии вторичной системы ЭСУ 142

3.5 ЭСУ со сложной геометрией ротора в режиме вихретокового преобразователя 151

Глава 4.ЭСУ с линейной подвижной частью 164

4.1 Преобразователь линейного ускорения с возвратно-поступательным движением подвижной части 165

4.2 Определение размеров магнитопровода и частоты собственных колебаний ЭСУ с линейной подвижной частью 180

4.3 Исследование явления усиления электромагнитного поля в

ЭСУ 185

Глава 5. Исследование ЭСУ со спиральной подвижной частью 196

5.1 ЭСУ со спиральной подвижной частью в режиме двигателя 198

5.2 Определение допустимых значений электромагнитных нагрузок для электромеханических преобразователей со спиральной подвижной частью 215

5.3 Исследование ЭСУ со спиральной подвижной частью в режиме вибропреобразователя 223

5.4 Исследование собственной частоты колебаний ЭСУ со спиральной подвижной частью 249

5.5 Исследование надежности подвижных частей ЭСУ, имеющих форму спиральной пружины 256

Глава 6. Экспериментальные исследования ЭСУ 263

6.1 Экспериментальное определение распределения магнитного поля в рабочем зазоре ЭСУ 263

6.2 Обоснование способа экспериментального определения момента ЭСУ 267

6.3 Стенды для экспериментальных исследований и описание разработанных конструкций ЭСУ 277

6.4 Экспериментальное определение механических характеристик ЭСУ и влияния вылетов ротора на тормозной момент 284

6.5 Анализ результатов экспериментальных исследований механических характеристик ЭСУ 293

6.6 Экспериментальные исследования ЭСУ со спиральной подвижной частью 298

Заключение 307

Список литературы 312

Приложения 340

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Электромеханические элементы систем управления (ЭСУ) находят широкое применение практически во всех отраслях и выполняют роль исполнительных механизмов. Они отличаются относительной простотой конструкции, достаточной надежностью, малым потреблением энергии на управление и используются в системах управления для передачи крутящего момента, остановки, подтормаживают механизмов, создания колебательного движения и т.д. В амотризационных системах стыковочных механизмов космических аппаратов демпфирующие электромеханические элементы применяются: для гашения кинетической энергии стыкующихся космических аппаратов.

Конструктивно электромеханические малоинерционные элементы -тормоза, демпферы, муфты - представляют собой индукционные устройства, подвижные части которых выполняются в виде полого цилиндра, конуса, диска или ленты и являются вторичной системой с распределенными параметрами. При выборе конструктивного исполнения подвижной части учитываются предъявляемые к элементу требования со стороны системы управления, в том числе крутящий или демпфирующий момент. Значительный интерес представляют элементы, имеющие подвижные части сложной геометрии, состоящие из дисковой^цилиндрической и конической зоны или пластины, а также в виде спиральной пружины. Такие элементы, наряду с другими достоинствами, присущими ЭСУ с подвижной частью простой геометрической формы, обладают хорошей встраиваемостью, улучшенными массогабарит-ными показателями и возможностью получения в одном элементе несколько механических характеристик.

В то же время теория и практика элементов со сложной геометрией ротора являются общими по отношению к теории элементов дискового, цилин-

дрического и конического исполнения, т.е. последние являются частным случаем общей теории ЭСУ.

Результаты исследования электромагнитных процессов в ЭСУ со сложной геометрией подвижной части представляют интерес, и для анализа электромагнитных явлений в других физических объектах, имеющих сложную вторичную систему, например, в оболочках экранированных электрических машин, в тонких оболочках летательных аппаратов при их движении в магнитном поле и т.д.

В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе имеется ряд работ, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию электромеханических элементов с распределенными параметрами подвижной части, имеющей цилиндрическую форму, к примеру [1], с дисковым [2], и с коническим ротором [3].

В то же время, научных публикаций, посвященных исследованию эле-

ими V

ментов со сложной геометрией^ подвижной части, включающей дисковую, цилиндрическую и коническую зоны, имеется в небольшом количестве [4, 5, 10, 11]. В работах [4,5] рассмотрены отдельные вопросы расчета, а в работах [10, 11] исследованы тормоза со сложной геометрией лобовых частей (вылетов). Хотя электромагнитные процессы во многом аналогичны явлениям, происходящим в МГД-машинах, экранированных микродвигателях, исследованию которых посвящено большое количество публикаций, к примеру [6-9], результаты их также не могут быть непосредственно использованы при исследовании, расчетах и проектировании ЭСУ из-за существенных конструктивных отличий, которые в свою очередь^ влияют на краевые явления, на распределение токов и интенсивность электромагнитных процессов.

Совершенствование магнитоэлектрических демпферов, тормозов и муфт, а также создание новых высокоэффективных элементов с электромагнитным управлением невозможно без общей теории ЭСУ со сложной под-

вижной частью, включающей обобщенную математическую модель ЭСУ, описывающую электромагнитные процессы с учетом, сложной геометрии и физических свойств материала подвижной части, интенсивности электромагнитных процессов. Поэтому разработка общей теории высокоэффективных конструкций ЭСУ со сложной геометрией подвижной части является актуальной научной проблемой.

Основания для выполнения работы Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР № 322 от 27.12.1978 г. и приказом МБ и ССО РСФСР № 20 от 6.04.1979 г.

Научно-техническими программами АН РБ «Перспективные технологии машиностроения, приборостроения» и «Энергетика ресурсосбережения»

Тематическим планом ЕЗН финансируемого из средств Федерального бюджета Минобразованием РФ;

Поддерживалась грантами АН РБ в 1994 и 1995 годах; комплексным планом НИОКР АК «Транснефть» Минтопэнерго РФ

Цель и задачи работы - теоретическое обобщение, развитие теории электромагнитных элементов со сложной геометрией подвижной части и разработка научно обоснованных технических решений, совокупность которых позволила бы осуществить решение научной проблемы создания электромеханических элементов систем управления^ имеющей важное народнохозяйственное значение.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

■ Разработка совокупности математических моделей, позволяющих проводить исследование и расчет стационарных и динамических режимов ЭСУ со сложной геометрией подвижной части, совершающей

вращательное, возвратно-поступательное, или колебательное движение сложной формы.

■ Исследование особенностей стационарных и динамических электромагнитных процессов в ЭСУ со сложной геометрией ротора, параметры которого распределены в пространстве.

■ Оптимизация геометрических соотношений в роторах сложной геометрической формы и оценка влияния зон с различной геометрией на выходные характеристики.

■ Создание теоретических основ для разработки ЭСУ нового подкласса^ который^ характеризуется признаками! спиральная пружина с током и с колебательным движением в однородном магнитном поле.

■ Исследование электромагнитных процессов в ЭСУ с короткозамкну-тым контуром и подвижной частью, совершающей возвратно-поступательное движение, и развитие теории для проектирования таких элементов .

■ Разработка испытательных стендов, новых конструкций ЭСУ, выполнение экспериментальных исследований. Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований и новых образцов ЭСУ в серийное производство и учебный процесс.

Методы исследований

Теоретические исследования проведены методом математического моделирования электромагнитных процессов с использованием уравнений математической физики для стационарных и динамических режимов ЭСУ, применен метод «двух реакций» и метод Релея-Ритца. При вычислении использованы пакеты прикладных программ «Matematica» и «Math-CAD».

Экспериментальные исследования ЭСУ проведены на специально разработанных стендах.

На защиту выносятся:

1. Совокупность математических моделей ЭСУ со сложной геометрией вращающейся подвижной части с распределенными: параметрами, позволяющие исследование стационарных и динамических режимов.

2. Результаты теоретических исследований ЭСУ с помощью математических. моделей,, которые позволили установить закономерности влияния различных зон вращающейся части на выходные характеристики.

3. Математическая модель ЭСУ с возвратно-поступательным движением подвижной: части и результаты исследования влияния короткоза-мыкающего контура на выходные характеристики.

4. Математическая модель и конструктивная схема нового подкласса ЭСУ, характерной особенностью которого является наличие подвижной части, выполненной в форме электропроводящей спиральной пружины, находящейся в магнитном поле для работы в качестве двигателя, управляемого электропривода и в режиме первичного преобразователя.

5. Разработанные и серийно внедренные в промышленность новые ЭСУ с улучшенными массогабаритными и динамическими показателями.

Научная новизна: работы заключается в том, что в ней развита теория ЭСУ со сложной геометрией подвижной части, параметры которой распределены в пространстве.

Установлены закономерности распределения напряженности вторичного магнитного поля, плотности вихревых токов, а также значения электромагнитных сил и моментов в зависимости от геометрии ротора, интенсивности электромагнитных процессов , которые позволяют разработку ЭСУ с требуемыми выходными характеристиками.

Создан новый подкласс ЭСУ с подвижной частью в виде электрпрово-дящей спирапьной пружины и исследованы его технические возможности.

Установлены зависимости, характеризующие взаимодействие переменного магнитного поля: со спиральной пружиной с током, что дает технические возможности разработки указанных ЭСУ как для режима микродвигателя в импульсном режиме, так и для режима первичного измерительного преобразователя.

Получены аналитические выражения для расчета выходных характеристик элементов с линейной подвижной частью, которые позволяют проводить разработку ЭСУ с повышенной чувствительностью.

Практическая ценность результатов состоит в том, что установленные закономерности, выводы^ рекомендации по проектированию позволяют выполнить проектирование ЭСУ с улучшенными по сравнению с существующими динамическими и уменьшенными массогабаритными характеристиками.

Разработанные охранно- и конкурентно способные образцы ЭСУ, с существенно улучшенными показателями, защищенные 22 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ, внедрены в серийное производство.

Достоверность научных выводов подтверждена экспериментальными исследованиями, исследованием частных случаев, сравнением с результатами работ других авторов, полученным для частных случаев, завершенными ОКР, внедрением и практическим использованием разработанных ЭСУ.

Внедрение результатов работы. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических, экспериментальных исследований и практические разработки внедрены в следующих организациях:

1. Государственный ракетный центр «КБ им. Академика В.П. Макеева» - внедрены управляемые электромагнитные тормозные и демпфирующие устройства, для: специальных динамических испытаний систем изделия для создания изменяющихся во времени перегрузок, действующих на разделяющиеся: элементы.

2. Уфимское агрегатное производственное объединение (УАПО).

- внедрены в серийное производство индукционные элементы систем управления приводами.

3. Московский завод «Машиноаппарат».

- результаты исследований использованы при разработке демпфирующих элементов для систем управления амортизаторами стыковочных устройств космических аппаратов.

4. Урало-Сибирские магистральные нефтепроводы им. Д.А. Черняева.

- внедрены взрывозащищенные двигатели для систем управления приводами запорной арматуры.

5. УГАТУ - элементы теории ЭСУ со сложной подвижной частью используются в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 29 конференциях, семинарах, совещаниях:

«Теория информационных систем управления с распределенными параметрами» - Всесоюзный симпозиум, Уфа, 1976; «Электромагнитные методы контроля качества изделий» - Ш Всесоюзная конференция, Куйбышев, 1978; «Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение» - 5-ая научно-техническая конференция, Ижевск. 1984; «Автоматизация и механизация производственных процессов» Республиканская научно-практическая конференция, Уфа, 1984; «Проблемы внедрения

достижений научно-технического прогресса в области автоматизации производственных процессов», Республиканская научная конференция, Уфа, 1985; «Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение» - 6-ая научно-техническая конференция, Свердловск, 1985; «Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение», 7-ая Уральская научно-техническая конференция, Устинов, 1986; «Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов», 1-ая, Дальневосточная научно-техническая конференция, Комсомольск-на-Амуре. 1986; «Проблемы внедрения достижений научно-технического прогресса в области автоматизации и механизации производственных процессов», Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1986; «Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов», IV Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1987; «Теория и практика разработки средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов», V Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1989; «Перспективы использования энергии нетрадиционных источников», Всесоюзное научно-техническое совещание, Дубки, 1990; «Датчики и средства первичной обработки информации», Региональная научно-техническая конференция, Курган, 1990; «Проблемы повышения качества электроэнергии», Региональная научно-техническая конференция , Астрахань, 1991; «Микроэлектроника в машиностроении», Всесоюзная научная конференция, Ульяновск, 1992; «Научно-технические проблемы энергомашиностроения и пути их решения», Республиканская научно-техническая конференция, С.-Петербург, 1992; 1-ая Международная конференция, по электромеханике и электротехнологии, МКЭЭ-94, Суздаль, 1994; «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» «Датчик-95», VII Всероссийская научно-техническая конференция, Гурзуф,

1995г; 1-ая Международная конференция по автоматизированному электроприводу, «AED-95» С.- Петербург, 1995г.; «Роль технической диагностики в обеспечении промышленной безопасности», Республиканская научно-техническая конференция, Уфа, 1995; «Научно-технич