автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование поворотного индукционного преобразователя с плоскими многополюсными обмотками

На правах рукописи

Проворова Ирина Павловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВОРОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ПЛОСКИМИ МНОГОПОЛЮСНЫМИ ОБМОТКАМИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена на кафедре «Технические и информационные средства систем управления» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ГОУ ВПО) «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лотоцкий Владимир Леонтьевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Вильданов Камиль Якубович

кандидат технических наук, доцент Филатов Владимир Витальевич

Ведущая организация Государственное унитарное предприятие

«Научно-исследовательский институт автоматической аппаратуры им. академика В.С.Семенихина»

¡пЦо Защита состоится » й&'бЩ/ЪХ 2005 г. в_в ауд. Г-412 в

'часов на заседании диссертационного совета Д 212.131.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» по адресу: 119454, г. Москва, пр. Вернадского, 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)».

Автореферат разослан «' » IW. _2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Тягунов О.А.

mtn- l шем

4to№

n •

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Расширение промышленного производства средств и комплексных систем автоматизации в значительной степени обеспечивается развитием и внедрением перспективных устройств информационно-измерительной техники. К числу устройств, используемых при создании эффективных средств получения и обработки измерительной информации, относятся прецизионные измерительные преобразователи перемещений, область применения которых неуклонно расширяется. Обеспечение высокой точности этих преобразователей непосредственно зависит от качественных показателей первичных преобразователей, их технологичности в процессе изготовления и малой чувствительности к технологическим погрешностям. Среди них широко применяются многополюсные индукционные преобразователи с плоскими обмотками. Значительное увеличение точности, достигаемое в этих преобразователях, стало возможным благодаря применению принципа электрической редукции.

Поворотный индукционный преобразователь (ПИП) с плоскими многополюсными обмотками является важнейшим элементом устройств для автоматических измерений угловых перемещений повышенной точности. Чем качественнее спроектирован первичный преобразователь, тем выше итоговые точностные показатели автоматической системы.

Широкий круг аспектов расчета и проектирования индукционных преобразователей с электрической редукцией нашел свое отражение как в отечественных, так и в зарубежных публикациях. Основное внимание было уделено вопросам повышения точности указанных преобразователей за счет конструктивных, технологических и схемных методов их решений. Среди российских ученых в исследование и развитие теории рабочего процесса многополюсных индукционных преобразователей особо весомый вклад внесли: H.H. Александров, Э.В.Андреев, А.А.Ахметжанов, Д.А.Бы-чатин, И.Я.Гольдман, Б.К.Карпенко, Л.В.Копылова, Т.Д.Королева, Н.Д.Махотин, О.А.Павлов, Н.В.Петропольский, Д.А.Попов, Ю.М.Пульер, Б.Ф.Самойленко, Л.НСафонов, Г.В.Тазов, В.В.Хрущев, Ю.М.Чечет идругие.

Несмотря на достаточно большое количество различных подходов к исследованию электромагнитных процессов в индукционных преобразователях перемещений с плоскими многополюсными обмотками, к настоящему времени не создано единой общепризнанной теоретической базы для формирования стратегии проектирования. Причем некоторые исследовательские модели неадекватно, грубо отражают специфику исследуемых процессов и подчас совсем не отвечают требованиям оптимального проектирования. Так, в становлении электромагнитной теории многополюсного индукционного преобразователя перемещений получило распространение известное положение о достаточно точном соответствии кривой распреде-

ления магнитодвижущей силы (МДС) первичной обмотки и кривой магнитной индукции (или напряженности) поля в плоскости проводников вторичной (сигнальной) обмотки, от которой непосредственно зависит форма огибающей выходной ЭДС. Указанная методика приводит к недопустимым погрешностям в случае, если магнитная цепь индукционного преобразователя выполнена из немагнитных материалов, что характерно для конструкции ПИП.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в решении важной научно-технической задачи, заключающейся в разработке основ моделирования поворотного индукционного преобразователя с плоскими многополюсными обмотками. Необходимость данной разработки заключается в настоятельной потребности иметь эффективный аппарат для проведения дальнейших исследований и оптимального проектирования ПИП.

Для достижения поставленной цели в диссертации проведены следующие исследования и решены следующие основные задачи:

- обзор и критический анализ теоретических методов исследования основных параметров индукционного преобразователя с плоскими многополюсными обмотками, который показал необходимость углубленного исследования ПИП на основе моделирования его электромагнитных процессов;

- анализ работы ПИП в автоматической измерительной системе;

- моделирование процесса формирования возбуждающего магнитного поля ПИП;

- моделирование процесса формирования выходной ЭДС (полезного сигнала) ПИП;

- разработка методики проектирования ПИП.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения и законы электродинамики, теории поля, теории электромеханических преобразователей. Для формирования основных теоретических положений потребовалось привлечение математического аппарата интегрального и дифференциального исчислений, теории поля Для решения и анализа математических выражений использовалась вычислительная техника, пакет математического моделирования Mathcad 2001 Pro и программа Excel 2000.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые разработаны:

- методика моделирования магнитного поля, формируемого одиночным прямолинейным проводником с током, имеющим плоское поперечное сечение и конечную длину;

- принцип и методика моделирования магнитного поля, формируемого системой рабочих (радиальных) проводников обмотки возбуждения ПИП:

- методика построения и анализа картин результирующего магнитного поля, формируемого системами радиальных (рабочих) и тангенциальных (вспомогательных) проводников обмотки возбуждения ПИП;

- методика проведения гармонического анализа магнитного поля возбуждения ПИП;

- математическая модель для описания процесса формирования выходной ЭДС с выделением в ней полезного сигнала и сигнала помехи;

- методика проектирования ПИП.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что в ней:

- поставлена и обоснована задача двухэтапного представления формирования измерительной информации ПИП;

- на основе математической модели одиночного плоского проводника получена математическая модель системы рабочих (радиальных) проводников возбуждения ПИП, с использованием которой построены и проанализированы картины магнитного поля на одном периоде его изменения для различных относительных значений угловой ширины плоского проводника и воздушного зазора;

- проведен гармонический анализ поля возбуждения ПИП, получены и проанализированы графические зависимости поля с вычислением коэффициента гармоник при изменении величин воздушного зазора и угловой ширины радиальных проводников;

- получены и проанализированы выражения для вычисления полезного сигнала ПИП, формируемого основной (первой) гармоникой поля возбуждения, и помехи, формируемой высшими гармониками этого поля; сформулировано условие, при выполнении которого в сигнальной обмотке не наводится пятая гармоника выходной ЭДС;

- требование выполнения плоской сигнальной обмотки с предельно узкими проводниками объясняется необходимостью максимального снижения проходной ёмкости между первичной и вторичной обмотками ПИП, от которой зависит появление дополнительной методической погрешности;

- на основе математической модели одиночного тангенциального проводника разработана математическая модель системы тангенциальных проводников обмотки возбуждения, позволяющая получить рекомендации, при выполнении которых удается исключить появление методической погрешности, вызванной влиянием этих проводников;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и обоснованы основные положения методики проектирования ПИП.

Реализация результатов работы. На различных этапах работы были получены следующие практические результаты:

- в исследовательской лаборатории Раменского приборостроительного завода нашли применение основные положения разработанного автором аналитического аппарата для расчета и исследования поворотных индукционных преобразователей с плоскими многополюсными обмотками;

- методы моделирования магнитных полей, формируемых как отдельными плоскими проводниками с током, так и системами аналогичных проводников, использовались в качестве составных частей методик проектирования измерительных поворотных индукционных преобразователей в различных организациях Москвы: ОАО ПК «Электрозавод» и ФГУП НПЦ автоматики и приборостроения.

- ряд положений методики моделирования индукционных преобразователей перемещений с плоскими обмотками нашли применение в учебном процессе МИРЭА (НИРС, курсовое и дипломное проектирование).

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы, включая отдельные её разделы, докладывались и обсуждались на Первой Всесоюзной научно-технической конференции по электромеханотронике (г. Ленинград, ЛЭТИ, 1987) и ежегодных научно-технических конференциях МИРЭА (1981-2003 гг.).

Диссертационная работа в полном объеме рассматривалась на кафедре «Технические и информационные средства систем управления» МИРЭА (2005г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы, в том числе 4 авторских свидетельства СССР на изобретения (19811992).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 100 наименований, и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 206 страниц и 57 рисунков.

Краткое содержание работы

Во введении проведен обзор и анализ требований к поворотным индукционным преобразователям с плоскими многополюсными обмотками по основным областям их применения. На этой основе сформулированы цель и основные задачи исследования, показаны пути решения указанных преобразователей.

В первой главе охарактеризованы особенности конструктивных решений ПИП с плоскими многополюсными обмотками, показана и обоснована исследуемая конструкция. Приведены результаты обзорною анализа теоретических методов исследования основных параметров индукционных преобразователей с плоскими обмотками.

Из обзора теоретических работ следует, что несмотря на достаточно большое количество подходов к исследованию электромагнитных пронес-

сов в индукционных преобразователях перемещений с плоскими обмотками для преобразователей с магнитной цепью без ферромагнетиков, не создано единой общепризнанной теоретической базы для формирования стратегии проектирования. Кроме того, в настоящее время не существует простых и надежных аналитических методов, реализующих непосредственную связь между конструкцией плоских обмоток и гармоническим составом распределения магнитного поля в зазоре ПИП и функциональной зависимости выходной ЭДС от углового перемещения. Не учитываются также технология изготовления плоских обмоток ПИП, способ возбуждения и режим работы ПИП в автоматической измерительной системе.

Выполненный анализ позволил сформулировать и обосновать задачи диссертационной работы. Для их решения предложено использовать методы математического моделирования с применением специальных программных средств.

Вторая глава посвящена исследованию процесса формирования измерительной информации ПИП. Предварительно дается описание конструктивных особенностей модели ПИП, характеризуются её геометрические параметры: размеры кольцевых обмоток, воздушный зазор на просвет между плоскими проводниками первичной и вторичной обмоток, количество пар полюсов, исходя из выбранной системы отсчета. Рассмотрен механизм формирования взаимоиндуктивной связи между первичной и вторичной обмотками ПИП с выделением в ней полезной информационной составляющей. Показано, что для построения прецизионного измерительного устройства вторичная обмотка ПИП должна работать в комплексе с электронным измерителем, в качестве которого используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) измерительной системы, а питание первичной обмотки (обмотки возбуждения) должно производиться стабилизированным синусоидальным током.

В процессе формирования измерительной информации ПИП четко выделяются два этапа. В качестве первого этапа выступает этап формирования и последующего качественного анализа магнитного поля возбуждения, имеющего многополюсный характер, благодаря которому реализуется принцип редукции, повышающий точность измерения. В качестве второго этапа выступает этап наведения двухфазной сигнальной ЭДС.

В процессе формирования измерительной информации ПИП на его первом этапе первостепенное значение имеют плоские радиальные проводники обмотки возбуждения, применение которых в структуре обмотки является очень важным конструктивным решением, позволяющим сформировать в воздушном зазоре ПИП магнитное поле синусоидальной формы с минимальным содержанием высших гармоник. Тангенциальные проводники, выполняя роль межпроводниковых перемычек, пассивно участвуют в измерительном процессе и формируют погрешность методического

характера. Отмечая немагнитный характер среды и её изотропные магнитные свойства, предлагается при моделировании поля возбуждения воспользоваться достаточно эффективными приёмами анализа: декомпозиции и суперпозиции. Принцип декомпозиции позволяет раздельно исследовать поля, наведенные отдельно системой рабочих (радиальных) проводников и системой вспомогательных (тангенциальных) проводников обмотки возбуждения. А принцип суперпозиции позволяет в указанных исследованиях исходить из анализа поля, формируемого отдельным плоским проводником, с последующим распространением результатов этого анализа на процесс формирования поля системой однотипных проводников. Для этого выполнено решение и получено выражение для расчета напряженности магнитного поля вокруг одиночного радиального проводника с током, т.е. проводника, имеющего плоский характер поперечного сечения при различных удалениях от него как вдоль плоскости сечения, так и в поперечном к нему направлении, характеризующем воздушный зазор ПИП. На основе полученного выражения, представляемого в относительной форме, построены и проанализированы графические зависимости поля от величины зазора и относительной ширины сечения проводника.

На основе математической модели одиночного плоского проводника реализуется математическая модель системы радиальных (рабочих) проводников обмотки возбуждения. Для этого система радиальных проводников представляется системами четных и нечетных проводников. Используя нумерацию натурального ряда чисел в виде п = 0,1,2,3..., представим порядки номеров четных и нечетных проводников: для четных - к] = 2п = 0,2,4... и для нечетных - к2 — 2п + 1 = 1,3,5... . Тогда общее выражение аксиальной напряженности для любого четного проводника

' « [а! 2-х(г)+2п\+у (г) и для любого нечетного проводника

Н= + + + (2)

* « [а/2+х(г)-2п-1\ +у{г)

Принцип суперпозиции позволяет получить результирующее магнитное поле возбуждения путем суммирования полей отдельных плоских проводников. Для конструкций ПИП с числом полюсов порядка нескольких сотен задача упрощается и превращается в двухмерную. Для этого кольцо, образованное радиальными проводниками, разворачивается в полосу. При этом проводники станут параллельными и отстоящими друг от друга на расстоянии, равном полюсному делению на некотором эквивалентном радиусе. Проведение суммирования полей достаточно большого количества рабочих проводников, определяемых по (1) и (2), дает формулу

Н =Х(Н-+Н") (3)

V* V V

" п-0

Использование (3) позволяет получить некоторую идеализированную картину магнитного поля, в середине которой при достаточно большом значении числа т вычленяется центральный участок, равный одному периоду изменения напряженности. Количество проводников, располагаемых с одной и с другой стороны от рассматриваемого центрального участка равно числу т. В этом случае ошибка от такой идеализации будет сведена к минимуму.

На основе модели по выражению (3) построены и проанализированы картины поля возбуждения на одном периоде его изменения для различных относительных значений угловой ширины плоского проводника и воздушного зазора. Рассмотрены предельные случаи влияния изменения ширины рабочих проводников на качественные характеристики магнитного поля возбуждения: случай применения достаточно узких проводников, приближающихся к нитевидному (а= 0,1), и случай применения достаточно широких плоских проводников, ширина которых приближается к полюсному делению (а = 0,9). Сопоставительный анализ графиков изменения напряженности поля позволяет предположить наличие такой оптимальной ширины проводников, когда достигается наименьшее искажение, то есть отход от синусоидальной формы. Эта оптимальная ширина имеет место при коэффициенте полюсного перекрытия, равном а = 2/3. Общая :енденция для всех трех случаев заключается в том, что синусоидальная форма достигается при увеличении воздушного зазора. Однако для крайних значений ширины проводников это достижение наступает при зазорах, больших 0,4 мм, при оптимальной ширине - уже, начиная с 0,25 мм. Но поскольку амплитуда напряженности поля, а значит и величины выходного сигнала, уменьшается с увеличением зазора, то применение проводников с оптимальной шириной позволяет получить наивысшее значение выходного сигнала ПИП.

Сопоставительный анализ графиков изменения напряженности поля возбуждения при фиксированной ширине проводников, но при изменении воздушного зазора, выявляет тенденцию изменения формы кривых при перемещении вдоль длины радиального проводника, то есть от минимального радиуса обмотки к максимальному. Поскольку математическая модель, представленная выражениями (1) - (3), выражена в относительных единицах и базовой величиной для отображения величины зазора является полюсное деление, изменяющееся вдоль радиального проводника, поэтому относительное значение воздушного зазора будет уменьшаться при перемещении от минимального радиуса к максимальному. Отсюда вытекает необходимость послойного (по цилиндрическим слоям) анализа формы

магнитного поля возбуждения с привлечением математического аппарата гармонического анализа.

Гармонический анализ поля возбуждения, проведенный для одного конкретного цилиндрического сечения, имеет не только частное, но и общее значение, так как с известным коэффициентом пропорциональности может быть распространен на любое сечение. На базе математической модели по (1) - (3) с использованием компьютерных программ математического моделирования Mathcad 2001 Pro и Excel 2000 был проведен гармонический анализ поля в одном слое (цилиндрическом сечении) системы плоских радиальных проводников обмотки возбуждения.

Получены и проанализированы графические зависимости гармонического ряда амплитуд разложения поля возбуждения при изменении воздушного зазора для предельно узких, предельно широких и оптимальных по ширине проводников. Для аналогичных условий построены и проанализированы графики изменения амплитуд 1,3,5 и 7 гармоник поля возбуждения ПИП.

С целью определения степени искажения гармонической картины поля возбуждения ПИП в одном слое (цилиндрическом сечении) построены зависимости изменения коэффициента гармоник поля от ширины плоского рабочего проводника при различных значениях воздушного зазора. Проведен также сравнительный анализ изменения коэффициента гармоник в зависимости от величины зазора для трех значений ширины плоского проводника (предельно узкого, предельно широкого и оптимального).

При выборе оптимального значения угловой ширины плоского рабочего проводника, когда выбираем а = 2/3, исследование гармонического состава поля возбуждения ПИП следует проводить с учетом только пятой и седьмой гармоник. Вносимая погрешность в этом случае будет составлять сотые доли процента.

Исходя из предложенного подхода, был проведен гармонический анализ поля возбуждения ПИП с учетом только пятой и седьмой гармоник вдоль длины рабочих (радиальных) проводников. При этом радиальный плоский проводник, имеющий переменную ширину, замещается набором одинаковых по длине элементов, а ширина при переходе от одного элемента к другому изменяется дискретно, причем полюсное деление определяется по средней линии соответствующего элемента. Так формируется дискретная геометрическая модель радиального проводника.

Сравнение усредненных результатов поэлементного гармонического анализа и гармонического анализа, проведенного по среднему сечению рабочих проводников (определяется по среднему радиусу обмотки возбуждения), указывает на наличие расхождений в полученных результатах, не превышающих 0,5%. Это подтверждает возможность расчета и анализа ПИП по среднему радиусу обмотки возбуждения, когда реальный провод-

ник с переменным сечением замещается одним прямоугольным проводником, имеющим постоянное сечение с шириной, определяемой по указанному среднему радиусу.

Моделирование процесса формирования в активной зоне ПИП возбуждающего магнитного поля составляет сущность первого этапа формирования измерительной информации. Качественный анализ этого поля показал наличие в его составе двух составляющих: полезной составляющей и составляющей помехи. Полезная составляющая, формируемая основной гармоникой поля возбуждения, является материальным носителем измерительной информации. Составляющая помехи образуется высшими и низшими гармониками поля, наличие которых в составе результирующего поля оценивается при помощи коэффициента гармоник, для вычисления которого требуется предварительное проведение гармонического анализа поля Поскольку из состава поля наиболее сильная третья гармоника удаляется путем выбора оптимальной угловой ширины плоских проводников обмотки возбуждения, то искажение полученной картины поля будет оцениваться коэффициентом гармоник, вычисляемым по наличию только пятой и седьмой гармоник поля.

Переходя ко второму этапу формирования измерительной информации ПИП, необходимо рассмотреть процесс формирования потокосцепле-ния одного полюса системы возбуждения. Здесь также реализуется подход, используемый при гармоническом анализе. Замещение каждого рабочего (радиального) проводника обмотки возбуждения набором элементов равной длины, но с шириной изменяющейся дискретно, позволяет представить формирование одного полюса поля набором элементарных полей (по числу элементов), образуемых парами элементов от двух смежных рабочих проводников. Поскольку изменение поля вдоль длины одного элемента можно считать линейным, то определение элементарного потокосцепления следует проводить по средней линии указанной пары элементов.

Максимальное среднее значение потокосцепления полюса, образуемого к-ой нечетной гармоникой поля от х-ой пары элементов (из числа разбиения К), равно

а 2 Я -Я

срк к 1С о тк N

Здесь цо = 4я 10 Гн/м - магнитная постоянная;

т(в) - полюсное деление, соответствующее 5-ому элементу по его средней линии;

Нт^в) - максимальное значение напряженности, образуемое к-ой

гармоникой от «-ой пары элементов; а * - коэффициент, определяемый из гармонического анализа поля;

Я/, Яг - наружный и внутренний радиусы обмотки возбуждения.

Анализ (4) показывает, что с увеличением порядка вклад нечетной гармоники в образование потокосцепления полюса уменьшается обратно пропорционально величине порядка. Он также может быть уменьшен путем уменьшения коэффициента ак. Для обнуления наиболее сильной третьей гармоники (а4 = 0) выбирается коэффициент полюсного перекрытия а = 2/3

Дня получения полного потокосцепления полюса производится суммирование по всем элементарным парам. Для основной гармоники поля

2ц (Я -я ) N

Расчет по (5) достаточно сложен, так как требует предварительного проведения гармонического анализа по всем сечениям (цилиндрическим) обмотки возбуждения от минимального до максимального радиуса. При этом точность расчета будет зависеть от принятого количества разбиений. Расчеты подтверждают возможность эквивалентной замены операции суммирования произведением средних величин. Погрешность от такого приближения не превышает 0,1%. В результате получаем более удобную формулу для расчета результирующего потока одного полюса, формируемого основной гармоникой поля возбуждения

V =—ц (Д -Я )Н т (6)

Ч>1 Я О 1 V т1ср ср К '

Здесь амплитуда основной гармоники напряженности поля и полюсное деление принимаются для сечения, соответствующего среднему радиусу.

В основе реализации второго этапа формирования измерительной информации ПИП лежит процесс наведения выходной (сигнальной) ЭДС по закону электромагнитной индукции в проводниках сигнальной обмотки.

Различие физической сущности электромагнитных процессов, реализующих первый и второй этапы, отражает различие подходов при конструировании первичной и вторичной обмоток ПИП. Если первичная обмотка (обмотка возбуждения) составляется из плоских радиальных проводников оптимальной угловой ширины, то вторичная (сигнальная) обмотка составляется из проводников, имеющих практически нулевое сечение, и называется поэтому нитевидной. Для обмотки возбуждения с целью обеспечения идентичности полюсов поля возбуждения обязательно полношаговое исполнение. Для сигнальной обмотки предпочтительно неполношаго-вое исполнение, принимаемое в целях фильтрации высших гармоник наведенной ЭДС. Обычно стремятся из выходного сигнала удалить пятую, наиболее сильную после третьей, гармонику, для чего используют укорочение витков, характеризуемых коэффициентом укорочения (3 = 4/5. Это важное условие, реализуемое на втором этапе измерительного процесса

Возможность выполнения нитевидной сигнальной обмотки существует теоретически. В действительности реализуется плоская обмотка с доста-

точно узкими проводниками, причем настолько узкими, возможность выполнения которых определяется технологией их изготовления.

Требование выполнения плоской сигнальной обмотки с предельно узкими проводниками объясняется необходимостью максимального снижения проходной ёмкости между первичной и вторичной обмотками ПИП, от которой при высокочастотном питании обмотки возбуждения возможно появления дополнительной погрешности измерения.

В случае выполнения сигнальной обмотки, составленной из плоских проводников, анализ процесса наведения выходной ЭДС проводится по внутреннему контуру обмотки. Для расчета основной гармоники выходной ЭДС (полезного сигнала) получено выражение

Е = -Л/и (Я -Л )т к N Н (7)

1 -"(Г 2 Г ср I 2 т1 у '

где N2 - число проводников фазной сигнальной обмотки.

Реальный сигнальный виток выходной обмотки с целью исключения влияния полей от тангенциальных проводников обмотки возбуждения делают немного короче (в радиальном направлении), чем аналогичный виток обмотки возбуждения. Это приводит к некоторому сокращению площади, охватываемой этим витком. Указанное сокращение учитывается в (7) коэффициентом к/.

Так как среднее значение потокосцепления полюса по к-ой гармонике отличается от соответствующего потокосцепления по основной гармонике в а*/к раз, то во столько же раз будут отличаться ЭДС помехи по к-ой гармонике в сравнении с соответствующим значением полезной ЭДС (по основной гармонике).

Поскольку третья гармоника обнуляется на первом этапе измерительного процесса, а пятая - на его втором этапе, поэтому учет погрешности измерения следует проводить по седьмой гармонике, которая существенно уменьшается с увеличением воздушного зазора. В этом случае при выборе величины воздушного зазора необходимо учитывать возможное уменьшение полезного сигнала.

Третья глава посвящена исследованию методической погрешности измерения ПИП от полей вспомогательных (тангенциальных) проводников обмотки возбуждения.

Волнообразная конфигурация обмотки возбуждения формируется системами радиальных и тангенциальных проводников. Радиальные проводники, являясь рабочими, при протекании по ним высокочастотного синусоидального тока формируют полюсы магнитного ноля возбуждения. Тангенциальные проводники пассивно участвуют в работе ПИП. Их вспомогательная роль в формировании полюсов возбуждающего поля ПИП в научной литературе не выяснена до конца. Существует мнение, что эти про-

водники вносят в измерительный процесс лишь методическую погрешность, но способы их количественного учета весьма спорны и бездоказательны. Именно этому важному вопросу посвящена третья глава.

Анализ участия всей системы тангенциальных проводников обмотки возбуждения в измерительном процессе ПИП целесообразно проводить на основе анализа поля от одиночного плоского тангенциального проводника при протекании по нему тока возбуждения. Для этого формируется его геометрическая модель, позволяющая представить плоский тангенциальный проводник в виде токовой прямолинейной нити ограниченной длины.

На основе геометрической модели одиночного тангенциального проводника моделируется его поле в полном соответствии с законом Био-Савара-Лапласа. С помощью этого закона разработана математическая модель указанного проводника, позволяющая рассчитать и построить картину созданного им магнитного поля при различных удалениях как вдоль оси, так и в поперечном направлении к оси проводника. Данная модель представляет собой выражение для вычисления корректирующего множителя, учитывающего краевой эффект, вызванный наличием конечного размера прямолинейного проводника с током по сравнению с проводником бесконечной протяженности, расчет поля вокруг которого производится по закону полного тока. Физически корректирующий коэффициент представляет собой относительное значение напряженности магнитного поля, где за базовое значение принимается напряженность, вычисленная по закону полного тока для бесконечно длинного прямолинейного проводника.

На основе математической модели одиночного тангенциального проводника разработана математическая модель системы тангенциальных проводников, которая учитывает взаимное влияние этих проводников друг на друга. При достаточно большом числе проводников обмотки возбуждения ПИП (несколько сотен), можно принять, что группа из 7-9 проводников располагаются в одну прямую линию. Влияние искривления при этом будет незначительно. Большее число проводников для анализа брать нерационально в силу их незначительного влияния на центральный проводник из этой группы.

При формировании математической модели указанной группы сначала записывается общее выражение корректирующего коэффициента для любого одиночного тангенциального проводника, имеющего номер в группе, определяемый из натурального ряда чисел п = 0,1,2,3... . Учитывая сказанное и реализуя суммирование для группы из ш проводников, получим

Выражение (8) представляет собой суммарный корректирующий коэффициент группы в предположении, что только один центральный про-

водник испытывает электромагнитное влияние соседних проводников. Анализ выражения (8) позволяет выявить важные закономерности формирования поля центрального проводника. При этом следует рассматривать только область поля, равную двум полюсным делениям, так как только в этой области полноценно учитывается влияние обрамляющих проводников В (8) координаты в тангенциальном и аксиальном направлениях представлены в относительной форме, при которой в качестве базовой величины принимается длина одиночного тангенциального проводника.

Анализ графиков, построенных по выражению (8), показывает, что при смещении от оси тангенциального проводника, равном одной его длине, наблюдается значительная пульсация около некоторого среднего значения, равного 0,496 при перепаде переменной составляющей в 28,3%. При смещении в две длины наблюдается незначительное снижение среднего значения до величины 0,488 при перепаде уже в 1,64%. При смещении в три длины имеем соответственно 0,474 и 0,35%, то есть пульсация практически исчезает полностью и поле становится беспульсационным (гладким). Для приближенного учета влияния тангенциальных проводников можно принять КНср = 0,5, а для уточненного учета использовать аппроксимирующую функцию вида КНср = 0,5 (1 - 0,03г).

Таким образом, анализ картины поля, формируемого системой тангенциальных проводников, позволяет рассматривать круговую цепочку тангенциальных проводников (наружную и внутреннюю) в виде одного непрерывного кругового (эквивалентного) проводника, ток в котором в упрощенном виде принимается равным половине тока возбуждения, а в уточненном виде описывается линейно-убывающей функцией, начиная от половинного значения.

Для исключения методической погрешности ПИП, вызванной влиянием системы тангенциальных проводников, внутренний радиус проводников сигнальной обмотки должен быть на два полюсных деления больше, чем аналогичный для обмотки возбуждения, а внешний радиус - соответственно меньше аналогичного примерно на три полюсных деления. Данная рекомендация относится к случаю применения обмотки возбуждения без обратного проводника.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям и разработке методики проектирования ПИП. Объектом исследования являлся макетный образец ПИП, спроектированный с учетом положений диссертации. Для определения погрешностей, вызванных несовершенством технологии производства, разработана и реализована на практике методика эксперимента. Получены и статистически обработаны результаты эксперимента. Кроме этого в четвертой главе представлена методика расчета и проектирования ПИП и приведен пример расчета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе была рассмотрена важная научно-техническая проблема, заключающаяся в разработке основ моделирования поворотного индукционного преобразователя с плоскими многополюсными обмотками, что позволило получить эффективный аппарат для проведения дальнейших качественных исследований и оптимального проектирования ПИП. Перечислим основные результаты работы:

1. Проведены обзор и критический анализ теоретических методов исследования основных параметров ПИП, из которых вытекает необходимость его углубленного исследования на основе моделирования электромагнитных процессов.

2. Дана научно обоснованная характеристика объекта исследования, показавшая наличие принципиальных свойств ПИП, отличающих его от воздушного индуктосина, свойства которого определены по ГОСТ.

3. Предложен и обоснован принцип анализа процесса формирования измерительной информации ПИП, в соответствии с которым первоначально на первом этапе проводится качественное исследование магнитного поля возбуждения, а на втором этапе исследуется процесс наведения двухфазной сигнальной ЭДС ПИП.

4. Разработана методика моделирования магнитного поля, формируемого одиночным плоским прямолинейным проводником с током, имеющим конечную длину.

5. Предложен принцип и разработана методика моделирования магнитного поля, формируемого растровой системой рабочих проводников обмотки возбуждения ПИП.

6. Разработана методика построения и анализа графиков результирующего магнитного поля, формируемого раздельно системами рабочих (радиальных) и вспомогательных (тангенциальных) проводников обмотки возбуждения ПИП.

7. Разработана методика проведения гармонического анализа магнитного поля возбуждения ПИП, показавшая возможность исключения из выходного сигнала третьей гармоники.

8. Получены и проанализированы выражения для вычисления полезного сигнала, формируемого основной гармоникой поля возбуждения, и помехи, формируемой высшими гармониками этого поля.

9. На основе математической модели одиночного тангенциального проводника разработана математическая модель системы тангенциальных проводников обмотки возбуждения, позволившая сформулировать рекомендации для проектирования ПИП, при выполнении которых исключается методическая погрешность, вызванная влиянием этих проводников.

10. Разработана математическая модель для описания процесса наведения выходной ЭДС с выделением в ней полезного сигнала и помехи.

11. Разработана методика проектирования ПИП.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1 Андреев Э.В., Игнатов В.А., Королева Т.Д., Проворова И.П. Функциональная аппроксимация нормального закона погрешности изготовления печатной обмотки многополюсных датчиков перемещения. //Межвуз. сборник научных трудов. М.: МИРЭА, 1977. - с. 116-122.

2. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П Метод расчета погрешности измерительного преобразователя перемещений. // Межвуз. сб. научн. трудов «Теория автоматического управления». М.: МИРЭА, 1979. - с. 89-94.

3. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Обмоточная функция двухслойной плоской обмотки измерительного преобразователя. //Межвуз. сб. научн. трудов «Теория автоматического управления». М.: МИРЭА, 1979. - с. 139-143.

4. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Метод расчета погрешности измерительного преобразователя перемещений от воздействия конструктивно-технологических факторов. //Межвуз. сб. научн. трудов «Новые элементы и методы расчета информационных систем». М.: МИРЭА, 1980. - с. 68-70.

5. Андреев Э.В., Корицкий A.B., Королева Т.Д., Проворова И.П. Исследование несимметрии ЭДС в слоях многослойной обмотки измерительного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов «Новые элементы и методы расчета информационных систем». М.: МИРЭА, 1980. - с. 72-78.

6. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Элементы рационального проектирования измерительного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов. М.: МИРЭА, 1981.-е. 93-96.

7. Андреев Э.В., Корицкий A.B., Проворова И.П. Миниатюрный датчик положения с плоскими обмотками. //Межвуз. сб. научн. трудов «Вопросы теории автоматического управления и робототехнических систем». М.: МИРЭА, 1984.-е. 182-186.

8. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П. К методике проектирования измерительного преобразователя круговых перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов «Автоматическое управление и робототехнические системы». М.: МИРЭА, 1982. - с. 133-137.

9. Корицкий A.B., Королева Т.Д., Проворова И.П. Погрешность от токов в лобовых частях многополюсных плоских обмоток вращающегося трансформатора. //Межвуз. сб. научн. трудов «Автоматическое управление (теория и проектирование)». М.: МИРЭА, 1982. - с. 129-133.

10 Королева Т.Д., Проворова И.П Математическая модель индукционного датчика перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов «Вопросы управ-

ления в гибких автоматизированных производствах и робототехнических комплексах». М.: МИРЭА, 1986. - с. 146-149.

11. Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Прецизионное устройство измерения угловых перемещений. //Тезисы докладов на 7-ой ВНТК «Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности"» Тбилиси: 1987.

12. Потоцкий B.JL, Лузинский В.Т., Проворова И.П. Моделирование ноля однофазной непрерывной обмотки возбуждения поворотного индукто-сина. //Тезисы докладов 50-й НТК МИРЭА. М.: МИРЭА, 2001.

13.Лузинский В.Т., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Повышение дискретности преобразователей «перемещение - код». //Межвуз. сб. научн. трудов «Новые элементы и методы расчета информационных систем». М.: МИРЭА, 1979.-с. 84-88.

14. Лузинский В.Т., Миров В.А., Проворова И.П. Индукционный преобразователь угловых перемещений. //Тезисы докладов Первой Всесоюзной НТК по электромеханотронике. Л.: ЛЭТИ, 1987. - с. 258-259.

15. Проворова И.П. Исследование погрешности индукционного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов «Автомашческое управление». М.: МИРЭА, 1982. - с. 149-153.

16. Проворова И.П. Гармонический состав огибающей выходной ЭДС измерительного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов «Автоматическое регулирование и управление». М.: МИРЭА, 1984. -с. 110-114.

17. Проворова И.П. Процесс формирования измерительной информации поворотного индукционного преобразователя //Рукоп. деп. в Информэлек-тро, № 1-эт05,М„ 2005.

18. Проворова И.П. Влияние полей от тангенциальных проводников обмотки возбуждения на формирование методической погрешности измерения поворотного индукционного преобразователя //Рукоп. деп. В Инфор-мэлектро, №2-эт05, М., 2005.

19. A.c. СССР №658582, 1979, бюл. №15. //Лузинский В.Т., Игнатов В.А., Корицкий A.B., Петропольский Н.В., Андреев Э.В., Королева Т.Д., Проворова И.П., Лауцис Э.Ж. Бесконтактный индуктосин.

20. A.c. СССР № 868327, 1981, бюл. №36. //Андреев Э.В., Корицкий A.B., Королева Т.Д., Лузинский В.Т., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Преобразователь перемещений.

21. A.c. СССР № 879287, 1981, бюл. №41. //Андреев Э.В., Корицкий A.B., Королева Т.Д., Лузинский В.Т., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Датчик угловых перемещений.

22. A.c. СССР №1272102, 1986, бюл. №43. //Адаскин С.И., Андреев Э.В., Королева Т.Д., Кузин И.В., Проворова И.П. Индукционный преобразователь угловых перемещений.

Подписано в печать 02.11.2005. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л.0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 799

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

»22 03 4

РНБ Русский фонд

2006-4 17067

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПИП И

МЕТОДОВ ЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ. ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Принцип действия и особенности конструктивного выполнения ПИП.

1.2. Характеристика режимов работы ПИП и выбор оптимального объекта исследования.

1.3. Анализ работы ПИП совместно с источниками возбуждения различных типов. 1.4. Общая характеристика объекта исследования. Постановка задачи диссертационной работы.

1.5. Выводы по главе.

ГЛАВА ВТОРАЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ФОРМИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

2.1. Геометрическая модель ПИП. Предпосылки образования измерительной информации.

2.2. Моделирование поля одиночного рабочего проводника обмотки возбуждения.

2.3. Моделирование магнитного поля, формируемого системой рабочих (радиальных) проводников обмотки возбуждения.

2.4. Гармонический анализ поля возбуждения в одном слое (сечении) системы рабочих проводников.

2.5. Гармонический анализ поля возбуждения ПИП вдоль длины рабочих (радиальных) проводников.

2.6. Анализ процесса формирования потокосцепления одного полюса системы возбуждения ПИП.

• 2.7. Наведение ЭДС в сигнальном витке. Выбор конфи-V гурации витка и выходной обмотки в целом.

2.8. Выводы по главе.

1 ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКОЙ Ч? ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПИП ОТ ПОЛЕЙ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ (ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ) ПРОВОДНИКОВ.

3.1. Геометрическая модель системы тангенциальных проводников.

3.2. Моделирование поля одиночного тангенциального проводника обмотки возбуждения.

3.3. Моделирование поля, формируемого системой тангенциальных проводников.

3.4. Анализ влияния системы тангенциальных проводников обмотки возбуждения ПИП на формирование по-токосцепления сигнальной обмотки и погрешности выходной ЭДС.

3.5. Выводы по главе.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПИП.

4.1. Объект и методика эксперимента.

4.2. Анализ результатов эксперимента.

4.3. Методика проектирования ПИП.

4.4. Пример расчета ПИП.

4.5. Выводы по главе.

Расширение промышленного производства средств и комплексных систем автоматизации в значительной степени обеспечивается развитием и внедрением новейших систем информационно-измерительной техники. Требования, предъявляемые к таким системам, неуклонно повышаются, что стимулирует совершенствование элементной базы, которая должна обеспечивать высокую точность передачи измерительной информации, быстродействие, высокую надежность при достижении минимальной массы и габаритов как отдельных элементов, так и всей системы в целом.

К числу устройств, используемых при создании эффективных средств получения и обработки измерительной информации, относятся прецизионные измерительные преобразователи перемещений, область применения которых неуклонно расширяется. Обеспечение высокой точности этих преобразователей непосредственно зависит от качественных показателей первичных преобразователей, их технологичности в процессе изготовления и малой чувствительности к технологическим погрешностям.

Необходимо особо отметить значительный прогресс в повышении точности измерения угловых и линейных положений и перемещений, который был достигнут благодаря использованию принципа электрической редукции. Среди измерительных устройств с электрической редукцией все большее внимание исследователей привлекает индукционный преобразователь с плоскими обмотками, получивший в зарубежной научно-технической литературе название индуктосинов. В отечественной литературе [24,47,55,69,70,82] наряду с заимствованным термином «индук-тосин» применяются также термины: «датчик», «трансформатор» и «преобразователь». В данном исследовании будет использоваться понятие «индукционный преобразователь», как наиболее полно отражающее специфику указанного измерительного устройства. В зависимости от вида измеряемых перемещений различают поворотные и линейные индукционные преобразователи. С помощью поворотных преобразователей измеряется и позиционируется угловое перемещение, а в случае линейных - линейное перемещение. Объектом исследования данной диссертационной работы является многополюсный индукционный преобразователь угловых перемещений, называемый в дальнейшем поворотным индукционным преобразователем или сокращенно - ПИП.

Широкое внедрение индукционных преобразователей угловых перемещений с электрической редукцией в различных областях техники и производства и непрерывное повышение требований к точности преобразования приводят к необходимости создания новых конструктивных решений данных преобразователей с улучшенными качественными показателями. Все это свидетельствует об актуальности данной тематики. Здесь следует отметить, что высокая точность, порядка нескольких угловых секунд, малая потребляемая мощность, приемлемые массо-габаритные показатели с учетом универсальности делают этот преобразователь весьма полезным в системах управления, следящих системах и при измерении неэлектрических величин электрическими методами. Особенно широкое применение ПИП получил в системах числового программного управления (ЧПУ) металлорежущими станками. Производство индукционных преобразователей с плоскими обмотками развито достаточно широко. Эти преобразователи производятся в больших количествах в США, Англии, Германии, Италии, Франции и Японии и др.

Неуклонно совершенствуется конструкция индукционных преобразователей, о чем свидетельствуют публикации в разных странах. Очень часто изменение конструкции, отраженное в новом патенте или статье, вызывается новыми возможностями совершенствования технологии изготовления преобразователей. Так в связи с усовершенствованием технологических процессов нанесения проводящих и изоляционных материалов и разработкой тонких фольгированных диэлектриков появилась возможность выполнения многослойных плоских обмоток. Как показано в [45,47,79], последние являются очень перспективными для увеличения точности, так как они позволяют повысить усреднение технологических погрешностей в процессе изготовления плоских проводников обмотки преобразователя. Основное достоинство индукционного преобразователя заключается в том, что при его производстве обеспечивается высокая повторяемость характеристик, малая стоимость изделия, снижение вероятности брака. В ряде западных фирм изготовление индукционных преобразователей с плоскими обмотками полностью автоматизировано.

Необходимо заметить, что хотя высокие точности можно получить лишь при достаточно больших диаметрах (более 20-30 см), однако объём, занимаемый преобразователем, остается весьма малым из-за сравнительно малого аксиального размера. Это является большим достоинством ПИП, так как позволяет создавать встроенные конструкции преобразователей, когда стабильность рабочих плоскостей обмоток обеспечивается жесткостью конструкции основного изделия. Кроме этого могут быть выполнены совмещенные конструкции, когда обмотки ПИП выполняются непосредственно на взаимно перемещающихся деталях основного изделия.

Несмотря на явные достоинства ПИП с плоскими обмотками, их производство сдерживается недостаточным опытом проектирования, вызванным не только недостатками применяемой технологии, хотя здесь намечается определенный прогресс, но, что особенно важно, неразработанностью целого ряда вопросов теории. Общеизвестно, что доминирующими в основной погрешности индукционного преобразователя являются технологические погрешности, доля которых при неразвитой технологии может составлять до 90% от их общей величины [79,81,82]. Но не менее важным является всемерное снижение и методических погрешностей. В этих условиях возникает задача повышения достоверности расчетных соотношений, которые на стадии проектирования, позволяют определять требования и к конструкции и к технологии производства преобразователей.

Общие вопросы рабочего процесса поворотного индукционного преобразователя с плоскими обмотками как разновидности многополюсного поворотного трансформатора рассмотрены и сформулированы российскими учеными Чечетом Ю.М., Хрущевым В.В., Ахметжановым, а вопросы учета погрешностей освещены в работах Андреева Э.В., Копыловой Л.В., Павлова O.A., Попова Д.А. и Тазова Г.В. Более глубоко некоторые вопросы теории индукционного преобразователя разработаны в трудах

Сафонова Л.Н., Бычатина Д.А., Гольдмана И.Я., Карпенко Б.К., Самойленко Б.Ф., Махотина Н.Д., Петропольского Н.В., Королевой Т.Д.

Однако вопросы исследования рабочего процесса поворотного индукционного преобразователя с учетом особенностей конструкции и технологии изготовления плоских обмоток пока не получили достаточно эффективной теоретической разработки и практической реализации. В этом плане актуальной остается задача дальнейшего развития теории и расчета индукционного преобразователя с плоскими обмотками с целью выработки единого теоретического подхода к исследованию электромагнитных и точностных характеристик.

Диссертационная работа посвящена исследованию поворотного индукционного преобразователя и содержит следующие новые научные положения:

- теорию рабочего процесса прецизионного ПИП с плоскими обмотками, позволяющую учесть рациональную компоновку плоских обмоток и неточность их изготовления;

- методику электромагнитного расчета и основные критерии проектирования ПИП с плоскими волновыми однослойными обмотками;

- методику инженерного расчета погрешности ПИП от геометрических параметров проводников плоских обмоток с учетом конструктивных ограничений.

В результате теоретических исследований предложены новые технические решения, позволяющие, благодаря оптимизации активной зоны, повысить точность и надежность ПИП с плоскими обмотками, рационализировать технологический процесс его изготовления.

В первой главе дается подробная характеристика объекта исследования, для чего: изложены особенности конструктивного решения обмоток с плоскими проводниками и технология их изготовления, проведен анализ работы индукционного преобразователя в автоматической измерительной системе, сформулированы требования к источнику электропитания на основе анализа работы трансформатора от стабилизатора тока, дан краткий обзор литературы по исследованию выходной ЭДС и погрешности её определения в зависимости от конструкторско-технологических факторов. Обоснованы и сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе проведено исследование процесса формирования измерительной информации. Для этого: дана характеристика активной зоны, формируемой рабочими (активными) проводниками, на основе решения поля плоского проводника и его анализа определены области формирования измерительной информации, проведены анализ поля полюса по слоям вдоль рабочего проводника и послойный гармонический анализ поля с определением коэффициентов гармоник при различных зазорах и коэффициентах полюсного перекрытия, разработана модель для определения поля, сцепленного с витком сигнальной обмотки по всем гармоникам, проанализирован процесс формирования и определена модель для расчета выходной ЭДС, проведен гармонический анализ выходного сигнала, сформулированы требования к форме сигнальной обмотки, обеспечивающей фильтрацию высших гармоник выходной ЭДС.

В третьей главе проведено исследование методической погрешности измерения от полей вспомогательных (тангенциальных) проводников обмотки возбуждения. Для этого: проанализирована геометрическая модель вспомогательного проводника и определена возможность представления его нитевидным проводником конечной длины, на основе закона Био-Савара-Лапласа и с учетом кривизны пространства разработана математическая модель, проанализирован процесс формирования результирующего поля от одной системы вспомогательных проводников (наружной и внутренней), исследована деформация поля внутри кольца обмоточного пространства, проведен послойный гармонический анализ результирующего поля, исследовано потокосце-пление витка сигнальной обмотки, разработана модель для расчета методической погрешности, образуемой полями вспомогательных проводников, анализ полей от систем вспомогательных проводников при наличии и отсутствии обратного проводника в структуре обмотки возбуждения, анализ формы витка сигнальной обмотки с целью фильтрации высших гармоник помехи.

В четвертой главе разработана и апробирована методика инженерного расчета ПИП. Приведены и проанализированы результаты лабораторных и промышленных испытаний разработанных ПИП.

В заключении даются наиболее важные выводы по проведенному исследованию.

4.5. Выводы по главе

1. Применительно к макетному образцу, выполненному в соответствии с материалами теоретических исследований, разработана методика экспериментальных исследований. Методика учитывает двухэтапный подход к исследованию процесса формирования измерительной информации ПИП.

2. Разработана методика проектирования поворотного индукционного преобразователя перемещений, в которой учтены рекомендации по улучшению качества измерительного процесса ПИП.

3. Приведен вариант расчета ПИП, который был положен в основу изготовления макетного образца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе была рассмотрена важная научно-техническая проблема, заключающаяся в разработке основ моделирования поворотного индукционного преобразователя (ПИП) с плоскими многополюсными обмотками, что позволило получить эффективный аппарат для проведения дальнейших качественных исследований и оптимального проектирования ПИП. Перечислим основные результаты работы:

1. Проведены обзор и критический анализ теоретических методов исследования основных параметров ПИП, из которых вытекает необходимость его углубленного исследования на основе моделирования электромагнитных процессов.

2. Дана научно обоснованная характеристика объекта исследования, показавшая наличие принципиальных свойств ПИП, отличающих его от воздушного индуктосина, свойства которого определены по ГОСТ.

3. Предложен и обоснован принцип анализа процесса формирования измерительной информации ПИП, в соответствии с которым первоначально на первом этапе проводится качественное исследование магнитного поля возбуждения, а на втором этапе исследуется процесс наведения двухфазной сигнальной ЭДС ПИП.

4. Разработана методика моделирования магнитного поля, формируемого одиночным плоским прямолинейным проводником с током, имеющим конечную длину.

5. Предложен принцип и разработана методика моделирования магнитного поля, формируемого растровой системой рабочих проводников обмотки возбуждения ПИП.

6. Разработана методика построения и анализа графиков результирующего магнитного поля, формируемого раздельно системами рабочих (радиальных) и вспомогательных (тангенциальных) проводников обмотки возбуждения ПИП.

7. Разработана методика проведения гармонического анализа магнитного поля возбуждения ПИП, показавшая возможность исключения из выходного сигнала третьей гармоники.

8. Получены и проанализированы выражения для вычисления полезного сигнала, формируемого основной гармоникой поля возбуждения, и помехи, формируемой высшими гармониками этого поля.

9. На основе математической модели одиночного тангенциального проводника разработана математическая модель системы тангенциальных проводников обмотки возбуждения, позволившая сформулировать рекомендации для проектирования ПИП, при выполнении которых исключается методическая погрешность, вызванная влиянием этих проводников.

10. Разработана математическая модель для описания процесса наведения выходной ЭДС с выделением в ней полезного сигнала и помехи.

11. Разработана методика проектирования ПИП.

1. Александров H.H. Исследование магнитных полей в междужелезных пространствах электрических машин методом конформных отображений. Харьков: ХВКИУ, 1967.

2. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1967.

3. Андреев Э.В. Влияние смещения оси проводника печатных обмоток на точность отсчета угла. //Труды МИРЭА, вып. 47, «Электрические машины и автоматика». М.: МИРЭА, 1970.

4. Андреев Э.В., Игнатов В.А., Королева Т.Д., Петропольский ^ Н.В. Погрешность индукционных датчиков положения интегрального исполнения с многофазными обмотками. //Труды МИРЭА, вып. 81, «Теория автоматического регулирования и управления». М.: МИРЭА, 1975.

5. Андреев Э.В., Игнатов В.А., Королева Т.Д., Петропольский Н.В. Гармонический анализ обмоточной функции торцевой обмотки с плоскими проводниками. //Межвуз. сб. научн. трудов. «Автоматическое регулирование и управление». М.: МИРЭА,1976.

6. Андреев Э.В., Игнатов В.А., Королева Т.Д., Петропольский ф Н.В. Магнитное поле в воздушном зазоре торцевого датчика перемещения с плоскими обмотками. //Межвуз. сб. научн. трудов.

7. Автоматическое регулирование и управление». М.: МИРЭА,• 1976.

8. Андреев Э.В., Алешин A.B., Игнатов В.А., Королева Т.Д., Проворова И.П. Функциональная аппроксимация нормального закона погрешности изготовления печатной обмотки многополюсных датчиков перемещения. //Межвуз. сборник научных трудов. М.: МИРЭА, 1977.

9. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Метод расчета погрешности измерительного преобра• зователя перемещений. // Межвуз. сб. научн. трудов «Теория автоматического управления». М.: МИРЭА, 1979.

10. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Обмоточная функция двухслойной плоской обмотки7» измерительного преобразователя. //Межвуз. сб. научн. трудов «Теория автоматического управления». М.: МИРЭА, 1979.

11. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Элементы рационального проектирования измерительного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов.• М.: МИРЭА, 1981.

12. Андреев Э.В., Корицкий A.B., Проворова И.П. Миниатюрный датчик положения с плоскими обмотками. //Межвуз. сб. научн. трудов «Вопросы теории автоматического управления и ро-бототехнических систем». М.: МИРЭА, 1984.

13. Асиновский Э.Н., Ахметжанов A.A., Габидулин М.А. и др. Высокочастотные преобразователи угловых перемещений. М.: Энергоатомиздат, 1986.

14. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. М., «Высшая школа», 1999.• 22. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. Пер. с англ. И.И. Талалова. М.: Энергия, 1970.

15. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1992.

16. Бычатин Д.А., Машков В.Е. Поворотный индуктосин (элементы теории и расчета). // «Вопросы радиоэлектроники, серия XII общетехнич.», 1962, вып. 11.

17. Бычатин Д.А., Гольдман И.Я. Поворотный индуктосин. Л.: Энергия, 1969.

18. Бычатин Д.А., Вильнер Г.А. Индукционные прееобразова• тели информации. JL: Энергоиздат, 1981.

19. Гиттис Э.И., Пискулов Е.А. Аналого-цифровыее преобразователи.- М.: Энергоиздат, 1981.

20. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. M.-JI.: Госэнергоиздат, 1960.

21. Гольдман И.Я. Влияние эксцентриситета на точность работы индуктосина. //«Вопросы радиоэлектроники, серия XII общетехническая». 1962, вып.11.

22. Гольдман И.Я. Исследование идеального индуктосина в режиме вращающегося поля. «Вопросы радиоэлектроники, серияф XII, общетехн.», 1962, вып. 11.

23. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм,4 рядов и произведений. М.: Наука, 1971.

24. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1977.

25. Демирчян К.С., Чечулин B.JI. Машинные расчеты электромагнитных полей. М.: Высшая школа, 1986.

26. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитного поля в электрических машинах. М.: Энергоатом-издат, 1983.

27. Домрачев В.Г., Матвеевский В.Р., Смирнов Ю.С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1987.

28. Дризовский Л.М., Игнатов В.А., Королева Т.Д. Пути совершенствования измерительных преобразователей типа «индук-тосин». //В сб. «Средства вычислительной техники и оргтехники», вып.З. М.: ЦНИИТЭИ прибоостроения, 1975.

29. Иванов-Смоленский A.B. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. М., Энергия, 1969.

30. Игнатов В.А., Вильдансв К.Я. Торцовые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления. М.: Энергоатомиздат, 1988.

31. Игнатов В.А., Лауцис Э.Ж., Мордвинов В.А., Кузнецов Ю.В. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре миниатюрного индуктосина. //Труды МИРЭА, вып. 77, «Электрические машины и элементы автоматики». М.: МИРЭА, 1975.

32. Игнатов В.А., Мордвинов В.А., Андреев Э.В., Лауцис Э.Ж., Тимофеев Э.Ф. Индукционные датчики положения с печатными обмотками. Рига, ЛатИНТИ, 1976.

33. Игнатов В.А., Корицкий A.B., Мордвинов В.А. Электрические машины переменного тока интегрального изготовления. М.: Энергия, 1975.

34. Игнатов В.А., Корицкий A.B., Лауцис Э.Ж., Мордвинов В.А. Индуктосин в чертежно-графических устройствах. Рига: Звайзгне, 1976.

35. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

36. Конголовский В.Ю. Цифровые измерительные устройства.- М.: Энергоатомиздат, 1985.

37. Карпенко Б.К., Рубан Н.С. Элементы теории и расчета ин-дуктосина. // «Электричество», 1964, №9.

38. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973.

39. Карпенко Б.К., Рубан Н.С. Элементы теории и расчета ин-дуктосина. // «Электричество», 1964, №9.

40. Копылова JI.B. Исследование погрешности поворотных трансформаторов. Информстандартэлектро. Бесконтактные электрические машины, ч. III, «Электромашинная автоматика». М., 1967.

41. Корицкий A.B., Игнатов В.А., Андреев Э.В., Дризовский JI.M. Испытания индуктосина и прогнозирование точности в условиях серийного производства. //«Приборы и системы управления», 1976, № п.

42. Корицкий A.B., Королева Т.Д., Проворова И.П. Исследование критериальной зависимости выходной ЭДС измерительного преобразователя перемещений. //Межвуз сб. научн. трудов. М.: МИРЭА, 1981.

43. Корицкий A.B., Королева Т.Д., Проворова И.П. Погрешность от токов в лобовых частях многополюсных плоских обмоток вращающегося трансформатора. //Межвуз. сб. научн. трудов. М.: МИРЭА, 1982.

44. Королева Т.Д. Динамический режим работы поворотного индуктосина. //Труды МИРЭА, вып. 77, «Электрические машины и элементы автоматики». М.: МИРЭА 1975.

45. Королева Т.Д. Исследование электромагнитного поля поворотного трансформатора с плоскими двухслойными обмотками. // Межвузовский сборник научных трудов. М.: МИРЭА, 1977.

46. Королева Т.Д. Исследование поворотных трансформаторов с плоскими обмотками. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МИРЭА, 1978.

47. Королева Т.Д., Проворова И.П. Математическая модель индукционного датчика перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов «Вопросы управления в гибких автоматизированных производствах и робототехнических комплексах». М.: МИРЭА, 1986.

48. Круг К.А. Основы электротехники. М., Госэнергоиздат, 1943.

49. Ложеницын B.C. Исследование высокоточных печатных обмоток для торцевых вращающихся трансформаторов. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук. Казань, КАИ, 1975.

50. Лотоцкий В.Л., Лузинский В.Т., Проворова И.П. Моделирование поля однофазной непрерывной обмотки возбуждения поворотного индуктосина. //Тезисы докладов 50-й научно-технической конференции МИРЭА. М.: МИРЭА, 2001.

51. Лузинский В.Т., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Повышение дискретности преобразователей «перемещение код». //Межвуз. сб. научн. трудов «Новые элементы и методы расчета информационных систем». М.: МИРЭА, 1979.

52. Лузинский В.Т., Миров В.А., Проворова И.П. Индукционный преобразователь угловых перемещений. //Тезисы докладов Первой Всесоюзной научно-технической конференции по элек-тромеханотронике. Л.: ЛЭТИ, 1987.

53. Лузинский В.Т. Исследование линейного измерительного преобразователя индукционного типа с плоскими многополюсными обмотками. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук. М.: МИРЭА, 2004.

54. Минц М.Я., Махотин Н.Д., Цунгин Л.М., Самойленко Б.Ф. Расчет электромагнитного поля многополюсного индукционного датчика угла поворота. // «Электричество», 1975, № 3.

55. Мордвинов В.А. Нагрев поворотного индуктосина. // «Труды предприятий отрасли», вып. 73. М., 1972.

56. Павлов O.A. Проблема повышения точности индукционных преобразователей электромашинного типа. //Труды ЛИАП, вып. 100. Л.: ЛИАП, 1976.

57. Петропольский Н.В. Исследование индукционных датчиков положения для прецезионных систем автоматики. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук. М.: МИРЭА, 1973.

58. Петропольский Н.В., Расовская С.Э. Эквивалентная схема замещения индуктосина с многослойными печатными обмотками. //Труды МИРЭА, вып. 77 , «Электрические машины и элементы автоматики». М.: МИРЭА, 1975.

59. Петропольский Н.В., Андреев Э.В., Королева Т.Д. Измерительные преобразователи перемещений. М.: МИРЭА, 1981.

60. Петропольский Н.В. Методы расчета и проектирования многополюсных поворотных трансформаторов. М.: МИРЭА, 1985.

61. Проворова И.П. Исследование погрешности индукционного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов. М.: МИРЭА, 1981.

62. Проворова И.П. Исследование погрешности индукционного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов «Автоматическое управление». М.: МИРЭА, 1982.

63. Проворова И.П. Гармонический состав огибающей выходной ЭДС измерительного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов «Автоматическое регулирование и управление». М.: МИРЭА, 1984.

64. Проворова И.П. Процесс формирования измерительной информации поворотного индукционного преобразователя //Рукоп. деп. в Информэлектро, № 1 эт 05, М., 2005.

65. Проворова И.П. Влияние полей от тангенциальных проводников обмотки возбуждения на формирование методической погрешности измерения поворотного индукционного преобразователя //Рукоп. деп. в Информэлектро, № 2 эт 05, М., 2005.

66. Самойленко Б.Ф. Вероятностный анализ ошибки индукто-сина, вызванной отклонением постоянной фазы выходного сигнала от расчетного значения. //В сб. «Бесконтактные электрические машины», вып. 9. Рига: Зинатне, 1970.

67. Сафонов JI.H. Вопросы теории воздушных индуктивных датчиков угла с печатными обмотками. //«Автоматика и телемеханика», 1962, № 10.

68. Сафонов JI.H. Исследование прецезионных датчиков угла на печатных торцевых обмотках. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук. М., МЭИ, 1963.

69. Сафонов JI.H. Интегральный эффект в многополюсных датчиках угла. // «Электричество», 1975, № 4.

70. Сафонов JI.H. Прецизионные датчики угла с многослойными печатными обмотками. // «Электричество», 1976, № 12.

71. Сафонов Л.Н., Волнянский В.Н., Окулов А.И., Прохоров В.Н. Прецезионные датчики угла с печатными обмотками. Библиотека приборостроителя. М., Машиностроение, 1977.

72. Хрущев В.В. Электрические машины автоматических устройств. Л., Энергия, 1976, 384 с.

73. Цейтлин Л.А. Индуктивности проводов и контуров. М., ГЭИ, 1950, 152 с.

74. Чечет Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств. М., Энергия, 1964, 384 с.

75. Шмиц Н., Новотный Д. Введение в электромеханику. Пер. с англ. под ред. Ильинского Н.Ф. М., Энергия, 1969, 336 с.

76. Юферов Ф.М. Электрические микромашины автоматических устройств. М., Высшая школа, 1976.

77. A.c. СССР № 335557, 1972, бюл. №13. //Лунгин Л.М., Самойленко Б.Ф., Махотин Н.Д. Поворотный индукционный датчик с печатными много слойными обмотками.

78. A.c. СССР №381891, 1972, бюл. №22. //Лунгин Л.М., Самойленко Б.Ф. Поворотный индукционный датчик.

79. A.c. СССР №530400, 1976, бюл. №36. //Королева Т.Д., Якимчук М.С. Воздушный многополюсный поворотный трансформатор.

80. A.c. СССР №658582, 1979, бюл. №15. //Лузинский В.Т., Игнатов В.А., Корицкий A.B., Петропольский Н.В., Андреев Э.В., Королева Т.Д., Проворова И.П., Лауцис Э.Ж. Бесконтактный ин-дуктосин.

81. A.c. СССР № 868327, 1981, бюл. №36. //Андреев Э.В., Корицкий A.B., Королева Т.Д., Лузинский В.Т., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Преобразователь перемещений.

82. A.c. СССР № 879287, 1981, бюл. №41. //Андреев Э.В., Корицкий A.B., Королева Т.Д., Лузинский В.Т., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Датчик угловых перемещений.

83. A.c. СССР №1272102, 1986, бюл. №43. //Адаскин С.И., Андреев Э.В., Королева Т.Д., Кузин И.В., Проворова И.П. Индукционный преобразователь угловых перемещений.

84. Finden H.L., Horlok В.A., The inductosin and its application, the Journal of the British Institution of Radio Engineers, 1957, 17, N 7, 363.

85. James H. Davis. U.S. Naval Observatory Inductance of Pvinteol Circuit Windings. "IEEE Trans. Power Appar. and Syst.", 1974, 93, N4, 1076-1082.

86. Farrand C.L. Multi-layver windings for position measuring transformers United States Patent, N 3, 441, 88, U.S.C1.: 336-123, 29.4.69.

87. Winget N.J., Foster F.R. Multi-layver polyphase winding member and transformer. United States Patent N 3, 668, 587, 6.6.1972.

88. Foster V.F. Lagemesstransformator. Deutsches Patent N 2, 154.731. Deutsche KL.: 42 d 1/12. Int. KL.: G 01 d 5/243, Inductosyn Corp. 11.10.73.

89. Исследование поворотного индукционного преобразователя (ПИП) с плоскими многополюсными обмотками» Проворовой Ирины Павловны

90. Результаты диссертационной работы обладают практической ценностью, разработанный теоретический аппарат позволяет решать задачи оптимального проектирования и оценивать достижимые точностные параметры систем на основе ПИП

91. Начальник отдела, дтн, снс Е.И.Виноградов

92. Начальник лаборатории, снс * < В.И.Белов1. ОАО1. ПК ХК ЭЛЕКТРОЗАВОД»

93. Система менеджмента сертифицирована

94. Р/с 407ШаттЮ001795 КБ «Русский Банк Развития» (ЗАО) ОКПО 49890270 ОКОНХ 14171 ОКВЭД311. БИК 044585297

95. ИНН 7718183890 / КПП 771801001 К/с 30101810500000000297 ОГРН 10277001574181. У А

96. Заместитель гл ОАО «Раменский призавод» .Фузеев1. АКТ

97. О внедрении результатов диссертационной работы Проворовой Ирины Павловны «Исследование поворотного индукционного преобразователя (ПИП) с плоскими многополюснымиобмотками»

98. Член совета главных метрологов Авиационной промышленности Главный метролог ОАО «РПЗ»1. В.Н.Махалов1. АКТ

99. Настоящий акт удостоверяет применение и внедрение результатов диссертационной работы доцента кафедры «Технические и информационные средства систем управления» (ТИССУ) И.П. Проворовой в учебный и учебно-методический процесс университета.