автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электромеханический вибрационный преобразователь со спиральным вторичным элементом для систем управления

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ-ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

?Г6 од

' " 1 ■-—' • На правах рукописи

ЯНГИРОВ Ильгиз Флюсович

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СО СПИРАЛЬНЫМ ВТОРИЧНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

уфа

Работа выполнена на кафедре «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета.

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Хайруллин И. X.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Гусев В. Г., кандидат технических наук, доцент Чигвинцев С. В.

Ведущее предприятие указано в решении специализированного совета.

Защита состоится «_»_1993 г. в_часов на заседании специализированного совета К-063.17.01 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью просим направить по адресу: 450000, г. Уфа, ул. Карла Маркса, 12, УГАТУ, специализированный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «_»_1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. наук,

доцент А. М. Амииев

общая характеристика работы

Актуальность работы. Быстрое развитие науки и техники обуславливает большое разнообразие и усложнение автоматических систем. Создаются новые инвариантные, самонастраивающиеся и другие комплексные системы, выдвигающие повышенные требования к их составным частям - элементам систем. Широко используются в таких системах электромеханические вибрационные преобразователи (ЭМВП) в качестве еиб-родатчиков и вибродвигателей.

Большое количество'работ, связанных с проектированием новых конструкций эмвп различного назначения и совершенствованием уже известных, позволяет судить о неослабевающем интересе разработчиков к Этому классу устройств.

Специфика и многообразие решаемых задач обуславливают различие ЭМВП по целевому назначению, метрологическим, конструктивным и другим параметрам. Разработка новых конструкций преобразователей такого класса является актуальной задачей и вызвана необходимостью создания устройств, удовлетворяющие в той или иной мере многим, зачастую противоречивым требованиям по точности преобразования, частотному диапазону, пределам измерения, чувствительности, габаритным размерам, массе, стоимости, эксплуатационным характеристикам и др.

Важной предпосылкой решения поставленных задач является исследование и разработка новых перспективных элементов конструкции ЭМВП, материалов,, комплектующих изделий, специальных технологических процессов производства.

В результате проведенного а работе анализа конструкций и .характеристик ЭМВП установлено, что перспективным для ин'Еормационно-измерктельных и управляющих систем является ЭМВП со спиральным вторичным элементом. Преимуществами нового класса ЭМВП являются простота конструкции, высокая технологичность, надежность. Применение ЭМВП со спиральным вторичным элементом, например' в'электромеханических часах, позволяет снизить их весо-гэбардтные показатели в 2 раза за счет исключения сложных механических узлов. Применение ЭМВП в качестве вибродатчика позволяет снизить его весо-габаритные показатели в 1,5+2 раза за счет выполнения чувствительного элемента и сигнальных обмоток в виде спиральной пружины. . Вследствие этого уменьшаются и их стоимостные показатели.

Отсутствие основ теории, исследований характеристик и инженерных методик расета ЭМВП со" спиральным электропроводящим элементом в режимах как датчика, так и двигателя ограничивает возможности ра-

^тонального их проектирования для информационно-измерительных и управляющих систем. Поэтому задача исследования и создания высокоэффективных ЭМВП со спиральным вторичным элементом, наиболее полно , удовлетворяющих специальным требованиям со стороны систем управле-, ния, актуальна.

Цель работы. Создание основ теории и исследование характерно-. тик нового класса элементов автоматики и систем управления, а именно: электромеханических вибрационных преобразователей со спиральным вторичным элементом в качестве вибродатчика и виородвигателя, раз- ■ работка инженерной методики расчета.

Задачи диссертационной работы

1. Разработка математической модели ЭМВП в качестве датчика и исследование его основных характеристик в стационарном режиме работы*

2. Исследование точностных характеристик. ЭМВП. Построение ва- > роятностной модели датчика для оценки его механической надежности.

3. Разработка математической модели ЭМВП в качестве виородвигателя и исследование его выходных характеристик, получение выражения для анализа электромагнитных и прочностных нагрузок.

4. Теоретическое исследование преобразователя линейных ускорений (ШГУ) с дополнительным короткозамкнутым1 витком (КЗВ), определение основных геометрических соотношений.•

5. Создание инженерной методики расчета ЭМВП в качестве датчика, виородвигателя.

6. Проведение экспериментальных исследований • разработанных ЭМВП, проверка достоверности, основных теоретических положений.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории электрических- цепей, математического анализа, теории линейных колебаний, метод разделения переменных для решения дифференциальных уравнений, а также методы теории вероятностей.

Научная новизна

1. Впервые для улучшения конструкции и повышения надежности вибрационных датчиков и электродвигателей предложено выполнить рабочий орган в виде спиральной пружины из электропроводящего материала. Разработана'математическая модель обобщенной конструкции ЭМВП в качестве датчика и двигателя. • •

2. Получена вероятностная модель спиральной конструкции для оценки механической надежности ЭМВП в качестве датчика.

3. Найдены выражения для выбора предельных электромагнитных и

прочностных нагрузок иисродвигателя.

4. Предложено применение КЛб в ПЛУ для улучшения его метрологических характеристик. Установлено, что применение КЗВ позволяет повысить чувствительность и крутизну преобразовательной характеристики ПЛУ до двух-раз. Установлено таккв,' что предельная скорость вторичных процессов определяется.индукцией насыщения его магнито-провода.

5. Предложен!; оригинальный конструктивные решения для получения низкочастотных вибраций на основе электропроводящей спиральной конструкции,

Практичоская ценность

1. Разработаны орипиплишо конструкции преобразователей виО-. рационных ускорения (а.с. U>4:M04, I6b7í»7?, 1774¿6cj, 1774270, поло-жителыше решения по заявкам <45061 СЮ, ) и генераторов механических колебаний (положительное решение по заявке 4&i29ü5).

2. Полученные формулы дямт возможность .исследовать и рационально проектировать &УЫ1 со сииралып,'« рт.рич!шм элементом с заданным частотным диапазоном и шходшми характеристиками.

3. Полученные в работе расчетные. соотношения позволяют оценивать влияние КЗВ на мотрологичоскио характеристики ПЛУ, рационально проектировать магнитную систему датчиков. .

4. Создана инженерная методика расчета ОУЕЛ.

Рбализа.Щ1я результатов работы. Разработанные ЗМВП со спиральным вторичным элементом пр/.няти к внедрению на Уфимском агрегатно-. производственно.'.. объединении для создания' электромеханических часов.

На заииту 1;У1.'ссятся_

I. Оригинальные конструкции ЗМВП со спиральным вторичным элементом.

; • 2. Математические модели ЗМВП со спиральным вторичным элементом в качестве виородатчика и вибродвигателя.

3. Вероятностная модель ЗМВП для оценки его механической надежности.

4. Математическая модель ИЛУ с КЗВ.

5. Инженерная методика расчёта-ЭМВП в качестве вибродатчика и виородвигателя.

6. Результаты экспериментального исследования ЭМВП в качестве вибродатчика я вибродвигателя.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы док ладнвалйсь и обсуждались:

1. На зональной научно-технической конференции "Датчики и средств;) первичной обработки информации", г.Курган, 199и г.

2. Ив Всесоюзной ипучно-технической конференции "Микрос-лектро-ника в м шинное трое нии", г.Ульян.'век, Н':<2 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ , в том числе получено 4 авторских свидетельства и 3 положительных решения на изобретение.

Структура и объем щбстк Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, изложена на 233 страницах машинописного текста и содержит 209 страниц основного текста, 45 страниц рисунков и твблиц, 3 приложения. Список использованной литературы содержит 110' наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении обоснована актуальность теми исследования, сформу-; лированы цель и задачи, выделена научная и практическая ценность работы, представлено аннотационное содержание глав диссертации.

В первой главе проведен обзор известных технических решений и ранее выполненных исследований по преобразователям вибрационных ускорений, проанализированы их достоинства и недостатки. Сформулированы основные требования, предъявляемые к датчш<ам виброускорений со стороны систем управления.

На рис. I представлена конструкция исследованного в диссертационной работе датчика. Спиральная пружинка I расположена в воздушном зазоре постоянных магнитов 2. Корпус 3 датчика выполнен из маг-нитопроводящего материала и экранирован. Пружина I связана жестко с подвижным элементом 4, имеющим возможность вибрационного перемещения по направляющей оси 5. Выходной сигнал снимается с концов спиральной пружины I. При этом особенностью функционирования такого датчика является реакция его на варьируемые ускорения контролируемого объекта, когда нэ пружину I действует попеременное по величине и знаку усилие, вызывающее закручивание и раскручивание спирали, в результате при колебательном движении электропроводящей пружины I относительно магнитного поля постоянных магнитов 2 в ней наводится ЭДС движения, пропорциональная скорости изменения ускорения контролируемого объекта.

Рассмотрены также особенности преобразования электрической энергии в механические колебания. Показаны различные инструктивные решения на основе'спирального вторичного электропроводящего элемента и особенности их функционирования. Для ЭМЬП нового к.гк-сп характер™ простота, надеязгсеть, црхнологичносгь ксистругяиш, а так-;:-

минимальное потреблений энергии и регулируемость выходных характеристик, что обуславливает перспективность их применения в пркЯора-строении, часовой промышленности, битовой технике и др.

Таким образом, теоретическое исследование характеристик ЭМВП со спиральным вторичным элементом и их экспериментальная проверка позволяют решить поставленную задачу - создать вибрационный преобразователь, удовлетворяющий специальным требованиям со стороны информационно-измерительной и управляющей системы.

Вторая глава посвящена разработке обобщенной математической модели ЭМБП со спиральным чувствительным элементом в вибро-

датчика и анализу его характеристик.

Для решения поставленной зпдачи использовались с.непринятые допущения, значительно облегчанщие решение. Спиральная пружина была заменена геометрической моделью в виде последовательных круговых витков с сохранением геометрических размеров витка, шага и количества витков спирали. На рис. 2 представлена часть расчетной схемы спирали с указа1шем действующих сил. В результате составления уравнения движения участка в проекции на ось а'ь" и выражения ЭДС движения через геометрические и физические параметры датчика получена обобщенная математическая модель датчика в виде системы дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных

аг1ь 1 аи» 1 1-ц2 а2и«

а г г <эг

и « и

<эги* ан»

Ип = р

2п£ - + и« = -г % АВх ииси'аШ (1)С

д1г ' д г и« / - 0 ; (I)

О

'г^н ' = 1 :

о

е»у =-В_ Ш

а ии

« а г

где и* - радиальное перемещение и-го витка спирали; Е - модуль упругости первого рода; ц - коэффициент Пуассона,- п и £ - коэффициенты трения и демпфирования; шс - частота собственных колебаний," ш -частота вынужденных колебаний,' - радиус \v-ro витка; 1* - длина участка витка; Во - индукция магнитного поля; 1Ь (1)*- форма колебаний спирали.

2_ I

А. ©

5/У

Рис.1 Электромеханический вибрационный преобразователь со спи^алышм вторичным элементом

о' , Сгч1Сг

Рис.2..Часть расчетное схем^ спиральной пружины преобразователя

В результате решения этой системы уравнений методом Фурье получено общее выражение для статической характеристики датчика

О ч ,

вя(Ч) =- V Аря ---Ц»(Т) . (2).

где q = со/ш0 - относительная частота» Б = п?/и0 - относительная степень успокоения.

Функция приведения формы спирали имеет вид

где Т„=г„ /г! - относительный радиус; Н:и н - радиус 1-го и последнего витков соответственао; 1о=шо^ р/к ^Г^- витковый коэ(1фициент;

ГМ107„) - функции Бесселя первого и второго рода; Л^ (ио1| р/кпр. Но/Н1)/М1(ш0^~р71Г^"й0/Н1) - постоянная.величина.

'в § А «т

Если пршять за Оазис величину Ебаз= ^——• статическая характеристика в относительных единицах состазпт

е*(Ч) = 4 —1Ы7). (4)

(1 -я2 )2+4Б^2

В случав, когда собственная частота колебаний спиральной пружины датчика имеет малую величину, т.е. когда аргумент, функции Бесселя ■стремится к нулю (1от„-0), статическая характеристика определяется выражением

И п Н

е (п) = А 4_ У г2 <5>

ет1Ч; Вх |-5-5-"

и в случае упрощенной двухвитковой модели с большими геометрическими размерами гя-» <», т.е. когда аргумент функции Бесселя стремится к бесконечности (107„-* • будет

. 4 —г-<6>

т м ВХ г-=-о ?

Анализ полученных выражений проводился с использованием ПЭВМ. На рис. 3 изображена зависимость относительного выходного 'сигнала от относительной частоты входного воздействия. Анализ этих кривых показывает, что с уменьшением степени успокоения Б возрастает крутизна преобразовательной характеристики датчика со спиральным чув-стнлтелы.чм элементом и при 1>0 она максимальна.

Относительная чувствительность такого датчика определяется из выражения _

= 4 и„(7). (7) '

^ (1-Ч2)+4Б2Я2 в

где за базовую чувствительность принята величина 30аз= "оГ^»

о

Исследована нелинейность статической характеристики вибродат-» чика методом наименьших квадратов, и получено выражение для еа определения:

50 .

е % -

А - 4" 18>

В работе получены общие выражения для определения коэффициентов А,В,С. Так, в частном случае, когда отсутствует успокоение в вибродатчике (Б=0): :

2 2 2

В(Ч) = ; 00)

4 6'

С^) = -Ц3 , - ' • (И)

3

а когда значение степени успокоения вибродатчика принимает значение

А(Ч) = —1п

qг-\pГq+1

1 2q

-—;атс гв -5- ; (12)

1 -сС

В(ч)=^С^ + 4.р(агс соз^з1--Р)-Е(агс соз ^ ■ , (13)

где Р, Е - интегралы Лежандра первого и второго рода.

На рис. 4 представлены графические зависимости степени нелинейности датчика от частоты возмущения. Анализ этих кривых показывает, что степень нелинейности датчика монотонно возрастает с ростом частоты возмущения и степени' успокоения.

На основе приведенной модели датчика получено общее выражение . для расчета собственной частоты упругой системы

£ г, ^оУ+ЦУУЦ г ,

ви , Е . ¿^аоун^^а^)]--!^"^";

шо~ . 2 ? n 2 n 2 : и4>

^ 4^2^(1 )+и2Ли«(1)

I В случае, когда аргумент функции Бесселя стремится к нулю(1 ^

•*0) и отсутствует дополнительная сейсмическая масса, выражение (14) перепишется в виде N

(.г3- 1 1 ... Е ПР , „с,

% - ^ » -ург — • .<15)

В результате обработки расчетных данных в выражение (15) был введен поправочный коэффициент, учитывающий толщину ленты спирали, после чего исходное выражение приняло вид-'

со = ■ о

100011

N и

1 . 1 „ ™

21С2 1С(Н.+Н )* " 'а

1 ° и*!1*

(16)

где кг= 2...3 выбирается с учетом толщины ленты. При этом толщина ленты лежит в диапазоне Ь-(1.5 - 3.5)"Ю-3 м. Исходная формула применима для инженерных расчетов устройств со спиральным упругим элементом.

В третьей главе исследованы точностные и надежностные характеристики спирального вибродатчика. В зависимости от причин возникло-Ьения погрешности разбиты на три группы: осювные, дополнительные (функции влияния), динамические. Источниками основной погрешности являются: нелинейность статической характеристики, неточность изготовления спиральной конструкции, магнитопровода и постоянных магнитов ЭМВП, гистерезис материала магнитопровода, механический гистерезис, люфт между- подвижными и неподвижными деталями конструкции. Дополнительные погрешности связаны с изменением, внешней температуры, влиянием внешних электромагнитных полей и ферромагнитных масс. Количественная оценка погрешностей, вызванных перечисленными факторами, показала, что наибольшую погрешность вызывают нелинейность статической характеристики (методическая погрешность), неточность изготовления спиральной конструкции (инструментальная) и изменение внешней температуры (дополнительная погрешность). Методическая погрешность принимает значение до 12 %, а инструментальная - до I % от каждого витка, причем инструментальная погрешность имеет меньшее значение на наружных витках, а большее - на внутренних витках спирали.

Температурная погрешность спирального преобразователя связана с зависимостью модуля упругости материала и геометрических размеров спирали от температуры и с изменением магнитных свойств постоянных магнитов от внешней температуры. Получено дифференциальное соотношение для гчсчета температурной погрешности преобразователя от из-

менения модуля упругости материала спирали.

Получено также соотношение в дифференциальной форме для учета температурной погрешности датчика от изменения обобщенной длины спирали. Так, температурная погрешность при изготовлении спирали из фосфористой бронзы может достигнуть значения до 7^=0,2 % на 10°с.

Установлено, что температурная погрешность от изменения магнитных свойств постоянных магнитов, например из материалов ОДДК . 24Б, ЮНДК 35Т5, может достигнуть значения до 0,1 %.

Исследованы динамические погрешности эмвп-датчика. Амплитудная ■ погрешность вынужденных колебаний спирального датчика

7Л(Ч.П) = * —- 1 , (17)

а фазовая погрешность определяется из выражения

Ф(Ч,В) = агс ' (18)

41

при этом, когда Б < 1 и я < 0.3, амплитудную погрешность можно с точностью до I % вычислить по формуле

7Х = (2Б2-1^2-1М1) . _ (19)

В работе приведены кривые зависимостей для амплитудной и фазовой погрешностей.Разработана вероятностная модель для оценки механической (вероятности неразрушения) спиральной конструкции методом "нагрузка-прочность". Вероятность неразрушения определяется из выражения

Р = 0,5+Ф(7), (20)

где Ф(7) - нормализованная функция Лапласа; 7 - гауссовский уровень надежности

К,-1

7 = , (21) ЩЩ ■

где v3 - коэффициент вариации нагрузки; К3 - коэффициент запаса прочности; ук - коэффициент вариации несущей способности:

" Йпр +г,г +4г,ь • <22>

Где ^пр' '•в* гг' \ ~ коэффициенты вариации прочности и размеров спирали.

По этому методу определено, что при механической надежности Р=0,999 коэффициент запаса К3=2,2. 1;

В четвертой главе проведено теоретическое исследование влияния

короткозамкнутого электропроводящего витка (КЗВ) на метрологические характеристики преобразователя линейных ускорений (ПЛУ). На рис. б представлена расчетная схема ПЛУ с КЗВ.Для анализа вторичных процессов, протекающих в КЗВ, использованы общепринятые допущения, которые могут быть учтены введением поправочных коэффициентов. Для исследования электродинамических процессов в КЗВ использована система уравнений Максвелла. В принятой при решении расчетной схеме система координат жестко связана с КЗВ и считается, что первичное магнитное поле перемещается по координате х со скоростью

Ч1 - У1тсоз иг (¿3)

Преобразованием системы уравнений электродинамики для КЗВ получено неоднородное дифференциальное уравнение относительно напряженности вторичного магнитного поля . •

где о - удельная электрическая проводимость КЗВ. КЛ~ коэффициент приведения по продольной оси, показывающий заполнение воздушного зазора материалом КЗВ.

При условии, что первичные и вторичные процессы имеют гармонический характер, исходное уравнение преобразуется в комплексной форме к виду

где А.2 = а+^цоа ш;КЛ = а2 (1 + ^), (25)

' -г

е, = %- т , а =-5-, * а2 2в

е1 - магнитное число Рейнольдса.

Решение уравнения имеет вид

е.а2 .

НР -- С.вЬЛу + С„сЬАу -J-V-H1 . (26)

СШ 1 с ус. 1ЕШ

Постоящше интегрирования С1, С.г находятся из граничных условий. Из условия симметричности составляющих магнитного и электрического полей комплексная амплитуда напряженности вторичного магнитного поля примет вид

с2 г

—ЧГ * 3—2 1+е { 1+6%

Н!т » <27>

ЭЛС ¿итхния, нзподимая в КЗВ, определяется исходя из

выражения

*2т -

(28)

где 1 - активная длина КЗВ.

Трансформаторная ЭДС, определяемая изменением магнитного потока в круговом полюсе магнитопровода во времени, находится из выражения

Результирующая ЭДС в сигнальных обмотках по принципу суперпозиции определяется из соотношения

+ 3

Ет = -

ш

1+2е?

1+е2, 1+в 2

(30)

к •'~ г Действующая ЭДС в сигнальных обмотках

Е =

«К

об

в1у

1

1т

1+е,

{н5е2 -4е*

(31)

ГГ

где и-число витков сигнальной обмотки;Коб-обмоточный коэффициент.

Анализ выражения (31) показывает, что при е^ <» (идеальное сверхпроводящее КЗВ) ЭДС удваивается, т.е. применяя рверхпроводящев КЗВ, можно повысить чувствительность и крутизну преобразовательной хара^еристики ПЛУ в два раза.

Исходя из закона сохранения энергии, получены расчетные соотношения для определения основных геометрических размеров ПЛУ.. Так» ширина кругового полюса равна

Ъ ч

Р з

В.

< Вй '(1-р2) наружный диаметр постоянного магнита

16ц Д

о О ш

(32)

(33)

где Ит - энергия магнитного поля; К0 - коэффициент рассеяния;

р-ао/ан - относительный..дйаметр; (10 - диаметр ферромагнитной оси; В1 и Вб- максимальная индукция магнитного поля в сечении оси и ин-'■-дукция в воздушном зазоре ПЛУ. а

Установлено, что максимальная скогя^ть мчгнитнэгс- к.^ьца раЕна

3

л-

134)

где р - плотность материала постоянного магнита. Частота собственных колебаний системы

=

1с

V

в„

(35)

^ 2рц0'

Из этих.выражений видно, что поскольку величины индукции ограничены, то ограничена и предельная максимальная скорость, т.е. ограничена и преобразовательная характеристика с чувствительность») ШГУ.

В пятой главе разработана обобщенная математическая модель ЭМВП со спиральным рабочим элементом в режиме вибродвигателя, и рроведен анализ его характеристик.

Решение поставленной задачи проводилось аналогично решению задачи ЭМВП в режиме вибродатчика. Были использованы аналогичные допущения и расчетная схема. Однако в случае вибродвигателя входной величиной является синусоидальный ток, протекающий по электропроводящей спирали, а выходной - усилие, рйзвиваемоа спиральной конструкцией. При этом развиваемое усилие определено энергетическим методом, т.е. по изменению энергии системы. В результате составления уравнения движения спирали с учетом действующих на него электродинамических сил получена обобщенная математическая модель вибродвигателя в виде системы дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных

а2Цу»

К

1

аи« аг„

1

и* = р

1

е.

II */г№=г0 = 0 ;

¿1 n

n n

Ч/г^Но = 1

+2,

n n

2« 2,М )

й1 n

иг «А^ +

н n

+21 Т^К»}

1 п=1 }

(36)

1и

где Н - активное сопротивление спирали; « Ц) - подводимое напряженно; и М„_ „ - индуктивность и взаимоиндуктивность в статичес-

Уп Отт | П

ком состоянии; Кт„ и К - постоянные коэффициенты. Путем дальней-

ШП

ших математических выкладок из известных соотношений получены выражения для практических расчетов собственной индуктивности и взаимоиндуктивности спиральной пружины, выражения для расчёта индуктивно-1 сти и взаимоиндуктивности спирали .в любой момент времени в зависимости от радиального перемещения витков пружины в линейной форме.

Решением системы уравнений (36) получено общее выражение для расчета характеристики спирального двигателя

гг, 11 сЦ, и ы <Ш , г м

н н

I В 1

Ш О

+2 У У К ]1 '

—- 1 п 1---соз (гшг+ср-) — — в1пм+<р.)к (зт)

Установлено, что электродинамические усилия, возникающие между маг-нитосвязанными витками на несколько порядков меньше усилий от взаимодействия синусоидального тока с магнитным полем постоянных магнитов. Поэтому механическая характеристика ЭМВП-двигателя определяется выражением вида

а2

Гт=1гаВ01 —====== и< 1 >, (38,

(1-<1 ) +4Б^ где коэффициент формы приведения

n

0(1) 1-1 ._ ' _ • (39)

В случае, когда спиральный двигатель имеет малую частоту собственных- колебаний и аргумент функции Бесселя стремится к нулю (1от„-0),характеристика двигателя рассчитывается исходя из соотно-

шения

Д N ^^ . _!

о V т о ч

2

1Вр X ^ —— - (40)

В случае двухвитковой спиральной машины, когда аргумент фунЯ-ции Бесселя стремится к бесконечности (1о7„-*0,>- выракк'.к имеет вид

р(я) = Щ- I

ш о

(41)

развиваемого

На рис. 6 показана графическая зависимость ЭМПВ-двигателем усилия от частоты протекающего тока.

В работе получено общее выражение для выбора электромагнитных нагрузок спирального вибродвигателя с использованием прочностных нагрузок, что позволяет учитывать их на стадии эскизного проектирования. В случае, когда спиряльшй двигатель тлеет малую частоту собственных' колебания и аргумент функции Еосселя стремится к нулю (1о7тг-0), получено после упрощения соотнесение вида

Го ] К ш2 1 ^ где К3 - коэффициент'запаса прочности;

допустимое

напряжение; Епр - приведенный модуль упругости первого рода, а*Ь

Р2+г2

»-1 о и

ТС.

(42)

плотность предельно

тока; Вс -

ПР

поперечные размеры витка спирали,- М - масса спирали,- К^ - коэффициент динамичности упругой системы. »

. В случае, когда сшфальный двигатель имеет большие геометрические размеры и аргумент функции Бесселя стремится к бесконечности (107„~>. Формула для прочностных расчетов выглядит в виде

3 В„К, = 2% "ш о 3

г.'о1

,пр р

1

к,

1

1+цс

(43)

пр " "" "¿11

Наиболее спаским участком спирали является его вновний радиус, поэтому прочностный расчет, лучше вести, на •-один "опасный" виток. Тогда выражение (42) упрощается и принимает вид,, наиболее приемлемый для практических расчетов в случае проектирования микродвигателей такого класса:

1С

К

(44)

где К0 - радиус Эти

¿1

опасного" витка, соотношения могут быть использованы при проектировании спиральных электродвигателей.

В шестой главе изложены метода и результаты экспериментальных исследований характеристик ЭМВП со спиральным элементом в качестве датчика.и двигателя, целью которых является проверка основных теоретических положений, выводов и рекомендаций.

Рис.3. Зависимость ылсшюго сиг- Ыс.4. Степень нелинейности нала ¿атчика от чястоты ларактеристики ыЮро-

возкущения датчика

ж ч\\\\\>

-г-, *

. ' ^ *

рщ N 1 2Ü 1 г " ■

г£п

20 1.6 12 F« °Ь

¡ис.Ь. Расчетная сле:.:а преоо^азо-йателя линеинцл ускоиений

О 05 10 1$ ¿й ¿5 30

я--*

Рис.о. зависимость усилия, раз-ьиваек ох'о i'üüi олиигате-ле;.',от Чиспч.и тока

Проведены стендовые испытания разработанного и изготовленного образца спирального вибродатчика на основе постоянных магнитов и различных спиральных конструкций. Исследование статической характеристики опытного образца проводилось на экспериментальной установке, имитирующей гармонический вид внешних кинематических возмущений с плавным регулированием частоты до 100 Гц и амплитудой до 5 мм. Результаты экспериментального исследования статической характеристики датчика, проведенного при нормальных условиях, в целом совпали с теоретическими. Максимальное расхождение между экспериментальными и расчетным! данными составило 13 %.

Исследованы механические характеристики разработанного образца вибродвигателя со спиральным рабочим органом. Для измерения величин усилий, развиваемых двигателем, использован тензометрический датчик с тензоусилителем 4 АНЧ-22. Сигналы датчика регистрировались осциллографом. Анализ полученных результатов показал их удовлетворительное совпадение с расчетными данными. Расхождение составило не более 16 % .

В приложении приведены методика инженерного расчета ЭМВП-дат-чика и двигателя, акты внедрения результатов работы в промышленности и учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе проведено исследование электромеханического вибрационного преобразователя со спиральным вторичным элементом в качестве датчика и двигателя и получены следующие результаты. . '

1.Из приведенного сравни-эльного анализа существующих типов электромеханических вибрационных преобразователей установлено, что ЭМВП■ со спиральным вторичным элементом характеризуются простотой конструкции, высокой надежностью и технологичностью, уменьшенными весо-габаритными показателями.

2.Впервые разработана обобщенная математическая модель вибрационного датчика со спиральным чувствительным элементом с учетом сил трения и успокоения, действия инерционных сил и возмущений, возникающих в результате виброускоренного движения преобразователя, и позволяющая проводить анализ закономерностей работы вибродатчика. Эта модель позволяет получить зависимости метрологических характеристик датчика от конструктивных параметров и параметров вибрации.

Установлено, что ЭМВП может работать в частотном диапазоне 0+100 Гц и вибрсускорениях ''до 30 Чувствительность такого датчика составляет Солее 5'10~2мВ/£.

3. Метолом наименьших квадратов-получены выражения для анализа и расчета степени нелинейности статической характеристики преобразователя. Установлено, что степень нелинейности статической характеристики преобразователя является функцией частоты преобразуемой величины, степега успокоения и представляет собой монотонно-возрастающую зависимость от частоты возмущения и степени успокоения, а также от конструктивно-технологических параметров датчика (коэффициента Форш приведения).

4. Проведен анализ существующих погрешностей виородатчика. вы- • явлены■основные и дополнительные' погрешности, причины их возникновения. Получены выражения для количественной оценки методической, инструментальной и дополнительной (температурной) погрешностей. Установлено, что наибольшую /погрешность датчика вызывают нелинейность статической характеристики(до 10 %), неточность изготовления спиральной конструкции(не более I % от каждого витка) и температурная погрешность (до I % на Ю°С) с учетом изменения магнитных свойств магнитопровода.

Б работе получена вероятностная модель для оценки механической надежности спиральной конструкции датчика. Установлено, что при вероятности неразрушения спиральной конструкции преобразователя Р=0,999.коэффициент 'запаса К3=2,2. • ■

5. Решением системы"уравне-шгй электродинамики установлено, что применение коротксзамкнутого' витка позволяет повысить чувствительность и крутизну преобразовательной характеристик преобразователя линейных ускорений в два раза. " "

Получены расчетные соотношения для определения основных геоые- . трическ:ас размеров ПЛУ.'Выведен® аналитическое выражение для.расчета предельной скорости колебания магнитного кольца.

Предложены новые конструкции ПЛУ с улучшенными метрологическими характеристиками. ■■'

6. Впервые получена математическая модель и решена задача по определению механической'характеристики вибропреобразователя в режиме электродвигателя. Полученные выражения позволяют выявить раци- ■ опальные диапазоны изменения конструктивно-технологических параметров, обеспечивающих высокое качество преобразователя. Выведено соотношение для расчета коэффициента формы приведения спиральной пружины двигателя.

.В работе получена формула для выбора электромагнитных нагрузок спирального.электродвигателя с использованием предельных прочностных нагрузок, что позволяет их учитывать на стадии эскизного проек-

2.1

тировшшя.

7. Обоснованы способы экспериментального определения метрологических характеристик спирального виородатчика и усилил, развиваемых спиральным электродвигателем, спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, с помощью которой исследованы ЭМВП в различных режимах и подтверждены основные теоретические положения работы. Расхождение экспериментальных данных с расчетными при определении метрологических характеристик вибродатчика не превышает 13 X, а механических характеристик спирального вибродвигателя - 16 %.

8. Создана методика инженерного проектирования ЭМВП в качестве датчика и двигателя.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

I. Преобразователь линейных ускорййий / И.Ф.Янгиров, Ф.Р.Исмагилов, И.Х.Хайруллин // Датчики и средства первичной обработки информации (февраль 1990 г.): Тез.докл. Зональной науч.-техн.конф. -Курган, 1990. - С.38.

2». A.c. Ji 1642404 (СССР), ШИ5, G01 315/11. Преобразователь линейных ускорений / И.Х.Хайруллин,' О.Р.Исмагилов, И.Ф.Янгиров, Р.К.Фаттахов. - Jé 4667856/10; заявлено 27.03.89; опубл. 15.04.91, Бюл. JÜ4. - Зс.;илл.

3. A.c. Я 1657977 (СССР), МКИ5, G01 HIIC0. Бесконтактный датчик вибрации ферромагнитных и электропроводяют тел / И.Х.Хайруллин, Ф.Р.Исмагилов, И.Ф.Янгиров. - » 4670135/28; заявлено 30.03.89; опубл. 23.06.91, Бюл. Jí 23. - 4с.:илл.

4. Хайруллин И.Х., Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф. Датчики // Машиностроитель. - 1992. - » 9. - С.24. •

5". Хайруллия И.Х., Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р., Хайруллш ^Т.И. Магнитоэлектрический преобразователь - электродвигатель // Машиностроитель. - 1992. - Л 9. с.14.

6. Магнитоэлектрический преобразователь / И.Ф.Янгиров, И.Х. Хайруллин, Ф.Р.Исмагилов // Микроэлектроника в машиностроении (март 1992 г.): Тез.докл.Всесоюзн.науч.-техн.конф. - Ульяновск, 1992. -С.18.

7. A.c. И 1774269 (СССР), МКИ5, G01 PI5/II. Преобразователь линейных ускорений / И.Х.Хайруллин, И.Ф.Янгиров, Ф.Р.Исмагилов. -4885361/10; заявлено 26.11.90; опубл. 07.11.92, Бюл. J» 41. - 2с.: илл<

8..Á.C. Л 1774270 (СССР), МКИ5, G01 PI5/II. Преобразователь

линейных ускорений / И.Х.Хайруллин, И.Ф.Янгиров, Ф.Р.Исмагилов. -» 4892170/10; заявлено 17.12.90; опубл. 17.12.92, Бюл. А 41. -2С.5ИЛЛ.

9. Хайруллин И.Х., Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р. Преобразователь линейных ускорений // Изв.вузов. Приборостроение.-1993.-М 7. 10.Хайруллин И.Х., Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р., Хайруллин Т.И. Устройства для возбувдения колебаний // Машиностроитель. - 1993. -Л 7,8. - С.19.

#