автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Основы расчета моментных двигателей сканирующих устройств

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ . . , ... (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи САВЕНКО ЕЛЕНА ЮРЬЕВНА

УДК 621.313

ОСНОВЫ РАСЧЕТА МОМЕНТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СКАНИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ.

Специальность 05.09.01. - Электрические машины.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 1995

Работа выпрлнена на кафедре "Электроэнергетические и электромеханические системы" Московского государственного авиационного института.

Научный руководители - доктор технических наук, профессор Варлей В. В.

Официальные оппоненты • доктор технических наук, профессор Хрущев В.В.

- кандидат технических наук, директор НТЭ АО "Аэроэлектрик" Сагаловский В.И.

Ведущее предприятие - НПО "Геофизика", г. Москва.

Защита диссертации состоится " марта_ 1995 г. и

Ю часов на заседании диссертационного Совета К.053.18.08 в Московском государственном авиационном институте.

Отзывы на автореферат (в одном экземпляре), заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 125871, ГСП Москва, А-80, Волоколамское шоссе, 4, ученый Совет МАИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан февраля_1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета ^ В.Н. Базаров

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с перспективностью промышленного использования оптико-механических сканирующих устройств рядом отечественных и зарубежных фирм в настоящее время проводятся исследования по дальнейшему совершенствованию этих устройств, в том числе теоретическим и конструктивным решениям их привода.

Проведенные экспериментальные и опытно-промышленные работы показывают, что использование для указанных целей моментных двигателей (МД) с коммутацией магнитного потока позволяет получить существенные технико-экономические и функциональные преимущества. Однако рабочие процессы в МД данного типа, а также методы управления этими двигателями в сканирующих устройствах изучены недостаточно полно и требуют существенных уточнений в области разработки теории рабочего процесса, методик расчета и управления, рекомендаций к проектированию.

Представленная диссертационная работа способствует решению комплекса указанных задач, расширению области применения исследуемых МД в тепловизионных, локационных и астронавигационных системах и повышению эффективности использования сканирующих устройств с двигателями данного типа. Работа выполнялась в рамках НИР, проведенной на кафедре "Электроэнергетические и электромеханические системы" Московского государственного авиационного института.

Цель диссертационной работы - создание основ расчета моментно-го двигателя для сканирующих устройств.

Для достижения этой цели в данной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Обоснование рациональных конструктивных схем МД на основе общей теории электромеханического преобразования энергии.

2. Определение электромагнитного момента МД с коммутацией магнитного потока без учета и с учетом падения магнитного потенциала в стали.

3. Уточнение параметров основного поля и полей рассеяния путем решения полевых задач методами конечных элементов и конечных разностей.

4. Оценка влияния технологических погрешностей на электромагнитный момент двигателя.

5. Разработка математической модели, описывающей неустановившиеся режимы работы.

0. Определение законов управления МД с коммутацией магнитного потока.

7. Испытание макетных образцов рассматриваемого МД с целью проверки адекватности аналитических и экспериментальных зависимостей.

Методы исследования. При выполнении работы использовались основные положения общей теории электромеханического преобразования энергии, положения теории статических и динамических режимов электрических машин, операторные методы решения уравнений, численные методы решения систем линейных и нелинейных уравнений с использованием ЭВМ, аналитические методы исследования статических и динамических режимов работы МД.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

- на основе разработанных программ и алгоритмов создана универсальная методика определении электромагнитного момента двигателя с коммутацией магнитного потока по двухуровневой модели, учитывающая диапазон изменения коэффициента магнитной цепи, и определены условия использования модели 1-го и 2-го уровня при заданной погрешности моментной характеристики;

- расчетными исследованиями установлено, что для расширения диапазона линейности моментной характеристики МД по углу поворота зубцы статора должны быть смещены относительно ортогональных осей ротора;

- уточнены параметры разработанной схемы замещения на основе решения полевых задач методами конечных элементов к конечных разностей;

- даны количественные оценки влияния технологических погрешностей (разброса параметров постоянных магнитов и эксцентриситета ротора) на моментную характеристику исследуемого МД;

- получено аналитическое выражение электромагнитного момента двигателя;

- получены в аналитическом виде законы управления током и напряжением на обмотках электродвигателя для симметричного и несимметричного режимов сканирования для участков линейного движения ротора и реверса, с пружиной и без нее, для различных углов сканирования.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- обоснована рациональность конструктивной схемы МД с коммутацией потока для малогабаритных сканирующих устройств;

- создана расчетная методика для инженерных расчетов МД данного типа;

- разработаны алгоритмы и программы расчета на ЭВМ параметров основного магнитного поля и полей рассеяния;

- разработаны рекомендации по основным технологическим откло-, нениям эксцентриситета ротора и разброса параметров постоянного магнита, при которых максимальное отклонение от номинальной моментной характеристики не превышает 5%;.

- реализованы экспериментальным путем законы управления МД для типовых режимов сканирования;

4

- рассчитан, изготовлен и испытан экспериментальный образец МД для сканирующего устройства тепловизоров.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы на предприятии НПО "Геофизика" при проведении эскизного и технического проектирования, изготовлении опытных образцов МД с коммутацией магнитного потока и создании стенда сканирующей системы для тепловизоров. Внедрение результатов подтверждается актом о практическом использовании материалов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на конференциях молодых специалистов Московского авиационного института, Московского энергетического института в 1982 - 1994 годах. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах и использованы в 10 научно-технических отчетах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из »ведения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации содержит 112 страниц машинописного текста, 50 рисунков и 9 таблиц на 56 страницах. Список литературы содержит 11 страниц машинописного текста и включает 138 наименований. Общий объем работы (включая приложения) составляет 209 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена решаемая научно-техническая проблема, обоснована актуальность темы и сформулированы цель и основные задачи диссертации, показана ее научная новизна и практическая значимость результатов. Представлен обзор и сопоставительный анализ существующих моментных двигателей с позиции эффективности электромеханического преобразования энергии (ЭМПЭ). Проведен выбор наиболее рациональной конструктивной схемы МД для сканирующих устройств на основе общей теории ЭМПЭ и условий реализуемости электромеханических преобразователей. На основании требований, предъявляемых к малогабаритным МД в сканирующих устройствах, показано, что наиболее рациональной является конструктивная схема МД с коммутацией магнитного потока (поляризованный МД) с двусторонней явнополюсностью и ограниченным углом поворота ротора (рис. 1,а)).

В цервой |у|амр разработаны основы теории и расчета МД с коммутацией магнитного потока для сканирующих устройств. Представлена разработанная двухуровневая расчетная модель МД, предусматривающая два этапа расчета. На первом этапе для прьдвярительных оценок используется упрощенная схема замещения без учета падения магнитного потенциала на стальных участках магнитной цепи. Прово-

5

димости рабочих зазоров рассчитываются по методу вероятных путей потока. В результате расчета получены зависимости электромагнитного момента в функции угла поворота ротора.

На втором этапе в зависимости от требований к точности характеристики Мэ(ф) учитывается падение магнитного потенциала в стали. Схема замещения с учетом стальных участков магнитопровода представлена. на рис. .1,6 . Электромагнитный момент определялся аналогично прежней методике расчета. Моментные характеристики, полученные с использованием полной и упрощенной схем замещения, в сравнении с экспериментальными кривыми представлены в разделе экспериментальных исследований (рис. 4).

Предложены уточняющие коэффициенты (кц=Кф, I)), позволяющие учитывать падение магнитного потенциала и производить расчеты по упрощенной схеме замещения.

При расчете электромагнитного момента с помощью схем замещения важна точность определения параметров этих схем. Для уточнения значений магнитных проводимостей и потоков были решены полевые задачи численными методами из-за сложной геометрии расчетных областей и нелинейности конструкционных материалов.

Полевая задача по расчету основного магнитного поля была решена с помощью Е1ЛиТ - интерактивной системы моделирования двухмерных краевых задач методами конечных элементов. В используемой версии программы конечно-элементная сетка может содержать не бо-6

лее 1000 узлов и не более 1700 треугольных элементов. Граничные условия - условия Дирихле (потенциалы равны нулю по внешней границе поперечного сечения машины, таким образом было сделано допущение, что электромагнитное поле вне машины отсутствует). Подобные граничные условия были приняты в связи с ограничениями по количеству узлов и элементов в данной рабочей версии программы и уменьшением ее времени расчета.

На выходе программы были получены необходимые для расчета векторные магнитные потенциалы и значения индукций, с помощью которых определялись величины магнитных проводимостей. Изменение картины электромагнитного поля в поперечном сечении исследуемого МД в зависимости от угла поворота ротора представлено на рис. ^а,б .

Проведенные расчеты показывают, что расхождения между прово-димостями рабочего зазора, найденными из решения полевой задачи, по сравнению с проводимостями,. определенными по методу вероятных путей потока, составляет от 3% (при ф=0°) до 5% (при <р=13°). Учет падения магнитного потенциала в этой задаче происходит за счет сравнения падения потенциала на стальных участках магнитной цепи (статорный зубец, угол ротора и т.д.) и падения потенциала в рабочем зазоре. Решение полевой задачи.позволило проверить правильность установленных ранее коэффициентов магнитной цепи кц. Проведенные расчеты показали, что коэффициенты магнитной цепи кй=Г(ф,1) были определены правильно с погрешностью 3-4%. Далее проводился расчет по схеме замещения с полученными величинами магнитных проводимостей, в результате которого были определены уточненные значения электромагнитного момента.

Программа позволяет рассчитать параметры поля в областях сложной формы с учетом падения магнитного потенциала на стальных участках.

Полевая задача по расчету полей рассеяния постоянного магнита (ПМ) и обмотки управления (ОУ) была решена с помощью программы, позволяющей рассчитать потенциальное поле в сложных областях с учетом изменения их конфигурации, что происходило при повороте ротора на определенные углы.

Программа предназначена для расчета полей произвольной многоугольной области, имеющей граничные условия первого рода (задача Дирихле). Решение задачи производилось методом конечных разностей.

На выходе программы были получены графики эквипотенциален, значения массива потенциалов в цифровой форме, потоки и проводимости рассеяния. Значения проводимостей рассеяния постоянного маг-кита и обмотки использовались в схеме замещения и, по предложенной выше методике, определялся уточненный электромагнитный момент. Несмотря на значительное уточнение проводимостей рассея-

7

ия (7-9%), расчетами было установлено, что они практически не гшяют на величину электромагнитного момента.

Решение полевых задач по определению параметров основного поя и полей рассеяния по сравнению с методом вероятных путей пото-а дало уточнение проводимостей рабочих зазоров на 3-5% и позво-ило уменьшить расхождение между расчетными и экспериментальны-и кривыми электромагнитного момента до 5-7%.

Получено аналитическое выражение электромагнитного момента МД с коммутацией магнитного потока в функции угла поворота ротора, геометрических размеров активной зоны и МДС ОУ и ПМ. Задача решалась без учета падения потенциала в стали и при упрощенной картине поля, позволяющей представить сопротивления рабочих зазоров в явном виде. Из схемы замещения и соответствующих ей уравнений МДС находится энергия электромагнитного поля и момент м = —_

Согласуясь с теорией ЭМПЭ, электромагнитный момент исследуемого МД состоит из трех составляющих, первая из которых пропорциональна квадрату МДС ОУ, вторая - произведению МДС ОУ и ПМ, третья -квадрату МДС ПМ. Однако в рассматриваемом случае в отсутствие тока управления момент от постоянного магнита при малых углах практически не существенен и на режим сканирования не влияет, поэтому в выражении момента третьей составляющей можно пренебречь. Основная роль магнита - поляризацйя магнитной системы при ¡у=0 для однозначного установления магнита в исходное нулевое положение при отсутствии управления.

Полученное аналитическое выражение электромагнитного момента имеет вид:

Мэ=-С1ф1у2+с21у, (1)

а21* п 2зР ,г

где с =?-. с_=7-; а = ц„^;

1 (ИП О,Л ' 2 2 . К 0„ ] ®

\ П1 0/ \ т О/

б0 - проводимость рабочего зазора при среднем положении ротора (ф=0°); I - длина и г - радиус ротора; 5 - рабочий зазор; Рт - МДС ПМ; ¡у - ток и W - количество витков в ОУ; 1*т - магнитное сопротивление ПМ; ф - угол поворота ротора.

Уравнение (1) получено для ограниченного диапазона углов поворота ротора , соответствующих линейному участку моментной характеристики (-13°<=ф<=+13°). При среднем положении ротора относительно статорных зубцов момент прям^пропорционален произведению МДС обмотки управления и МДС постоянного магнита. По проведенным расчетам вторая составляющая наиболее существенна. Поэтому при небольших токах можно считать момент МД с коммутацией магнитного потока прям^пропорциональным току в обмотке.

Исследовано влияние некоторых технологических погрешностей (неравенства параметров постоянных магнитов и эксцентриситета ротора) на моментную характеристику исследуемого МД.

При разбросе параметров постоянных магнитов принято, что МДС и магнитные сопротивления ПМ не равны и отличаются на малые веди ДИ

личины дРт и дИ,,,, где --3- « I и «I. По схеме замещения и

т т

уравнениям МДС получено аналитическое выражение отклонения энергии дУ/т и момента лМт в виде:

ДМ = к

т 2 + Сп1г О т

С-Д!* И аД1* Р. др О т т___т к

т 2 + 0^ +

От От

(2)

Аналитическое выражение (2) показывает, что изменение электромагнитного момента пропорционально приращению МДС ПМ при прочих равных условиях и зависит от геометрии активной зоны двигателя и угла поворота ротора. Расчеты показали, что при заданной погрешности (5%) моментной характеристики допустимое отклонение МДС ПМ от номинала не должно превышать 5%.

Получено аналитическое выражение отклонения электромагнитного момента от относительного эксцентриситета ротора (ДМс=Ке,ф,1,...)). При учете членов с первой степенью эксцентриситета в выражениях отклонений проводимостей рабочих зазоров проведенные преобразования показывают, что ДWC и ДМС превращаются в .величины 2-го порядка малости и с точностью до Д12 и Д1ДЯ равны нулю. Доказана необходимость учета членов со 2-ой степенью эксцентриситета в формулах Д05(ДНб). Аналогично предложенной выше методике находятся ДWe и ДМЕ. Полученное аналитическое выражение отклонения электромагнитного момента ДМЕ можно представить в упрощенном виде:

ДМе=е2(01ф3+02ф2+0зф4-04). •• (3)

Установлено, что отклонение момента, вызванное эксцентричным положением ротора в исследуемых МД, пропорционально квадрату относительного эксцентриситета. Зависимость ДМС от угла поворота ротора ф имеет сложный характер о виде полинома третьей степени, а коэффициенты полииомп Г)|, Пг, Од, Г>4 лпписнт от МДС обмотки, параметров "ПМ и геометрических размеров активной зоны двигателя. Отклонение ДМС может быть отрицательным или положительным в зависимости от фиксированного угла-поворота ф, при котором оно рассчитывается. Как показал анализ, при практически наиболее распространенных эксцентриситетах е<=0.3 относительное отклонение энергии <1%; относительное отклонение момента <= 2%.

V/ М

Эксцентриситет ротора и разброс параметров постоянных магнитов ведут к искажению линейности моментной характеристики и оказывают отрицательное влияние на точность отработки законов сканирования. Допустимая величина эксцентриситета определяется по заданной точности отработки законов сканирования.

Во второй главе рассмотрена возможность расширения диапазона углов сканирования исследуемого электродвигателя, проведен анализ гармонического состава его моментной характеристики и на основе разработанной математической модели получены законы управления 10

током ¡у(0 и напряжением иу(() на обмотках исследуемого МД для симметричного и несимметричного режимов сканирования, для участков линейного движения ротора и для участков реверса, для двух диапазонов сканирования.

Общий подход к методике определения ¡у(0 и иу(0 заключается в следующем. Задан произвольный закон сканирования ф(0=1оэ(0си (его форма, время цикла, временные интервалы рабочего и нерабочего участков, максимальный угол сканирования), параметры МД: суммарный момент инерции ротора Ре), угловая характеристика МД Мэ=Мэ(ср,'|у), параметры управляющей статорной обмотки (Ьу, Иу), суммарный момент сопротивления Мс£.

Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих движение сканирующего устройства и электромагнитные процессы в обмотке управления моментным двигателем:

(4)

где еу - ЭДС вращения.

di

у

L —i- + г i + е = и , У dt У У У У'

Ф = ГО) ;

Мэ =K<P,iy),

Для решения уравнений относительно iy и иу необходимо знать:

- аналитическую зависимость М, от угла сканирования <р и тока управления iy;

- ладанный периодический закон изменения ф(0 сканирующего устройства.

Зависимость M9=[(iy,<p) в рабочем диапазоне углов -13°<=ф<=+13° представлена в виде:

M3=-c^iy2+c2iy, где c,,c2=const. Однако при некоторых режимах сканирования диапазон рабочих углов увеличивается и достигает 50°, двигатель уходит за пределы линейного участка Моментной характеристики. Для определения; законов управления в аналитическом виде необходимо моментную характеристику представить аналитическим выражением. В этом случае моментная характеристика представлена в виде гармонических составляющих.

Коэффициенты тригонометрического полинома рассчитывались по стандартной программе на IBM PC. Анализ коэффициентов ряда Фурье показал, что существенное влияние оказывают четные гармоники (2,4,6 и 8). Основной гармоникой является 2-ая. По проведенным расчетам при некоторых режимах сканирования с допустимой погрешностью на линейность угловой характеристики ф(0 порядка 6-8% ана-

11

литичрское выражение электромагнитного момента может быть представлено в виде основной гармонической составляющей: M3=(-diiy-d4)cos2v+(d3iy2-d2iy+d5)3irt 2ср, (5)

где d1,d2,d3,d4,d5=const.

Система уравнений (4) решается с учетом (1) и(5) и требуемого закона сканирования cp(t).

Зависимость cp(t) при симметричном режиме сканирования и -25°<=ф<=+25° представлена на рис Зд .

Закон движения сканирующего устройства характеризуется следующими параметрами:

Тц - полный период цикла;

Тс - время сканирования (рабочая зона);

Тр - время реверса;

2фг - максимальное изменение угла в рабочей зоне.

На линейном участке движения ротора:

JIdt2 Jdt

так как со2=СОП5^ - на рабочем участке.

Мс^М^а^ПСйг. Из уравнений моментов в совокупности с системой (4) и уравнением (5) находим 1у(1>, иу(0 на участке аЬ рис.^а .

5МШСИЫСХЛИ U,(0 при симметричном РОКИ МО склниро«*им» (лч-fcr)

*

20 <0

-10 -20

1 А

<.0 0,Ь

-0,5 -1,0 -1,5 -1.0

1.4

ч .is-

~S / ю

i.MC.

t,MO

1в 20

1Sp

Рис. За)

16 1в

Рис. 36)

На участке реверса (рис. 3,а, участок Ьс) закон сканирования может быть представлен в виде:

<р = ф2 + Дф2 бш л

_2

т = ф = Аср— сох я ——

I I 2 -р у

1> Т

М

М СОБЛ--

с шах 7

Из уравнения моментов в совокупности с системой (4) находим ¡у(0, цу(0 на участке реверса.

По проведенным расчетам построены графики зависимостей ¡у(0, иу(0 при симметричном режиме сканирования (Дср«50°) (рис За,б ).

Аналогично предложенной выше методике найдены законы управления током и напряжением на рабочем диапазоне углов Дф«26° (линейный участок моментной характеристики) при симметричном режиме сканирования).

На линейном участке движения ротора:

Гс2 _4с.М ».О^

-гг

2

А

12

В

2

u (t) = r i „ У У уо

где i

U-J-« t 2

L с „ У 1 -2 + ——— I ло> i 4 с2 УО 1

уо

Как показывают расчеты,¡уШ и иу(1) на рабочих участках при симметричном режиме сканирования можно считать постоянными с погрешностью до 5%.

¡„(t) = •

На участке реверса: 1/

-сп+А/2

2clBl

(8)

где

с] , 4с,

Т 1

t--

«р| I А<р, sin

-М cos л —— с mnx т

-Лср. -- sin л — 'Г 1

U (0 = —i—-ir

У 2с,В, 1 У

( 1/1 L Г

-с2 + А/2

1

Ч J

В, = ш, + Дер, sin л-

111 J

A /2Bj -2-с2 +А/2В2

(9)

1 2

где В2 = Acpj —cosтс ^ # Р Р

Графические зависимости iy(t), uy(t) при симметричном режиме сканирования (Дф»26° и Дф«50°) показывают, что зависимости носят одинаковый характер, но при диапазоне Дф«26° ротор рсверсирустси меньшим током управления и, соответственно, напряжением управления, чем при больших диапазонах углов (Дф«50°-60° - диапазон углов близкий к максимально возможному для исследуемого МД).

Проанализирована возможность обеспечения минимального времени реверса путем установки возвратной пружины, действующей только на интервале Тр, и включения постоянного тока обратного направления - iymax. Момент пружины: Мпр=-к0(ф-ф1);

;2

dt

2

I d Ф • -i I / \

J —i- = -c.i -c.i -к.(ф-ф,) P j,2 2 у max 1 у max 04T M'

*

Начальные условия при t=Tc/2: ф=фь ф^ = ojj.

N

Т

Р

ч

/

В результате преобразования получаем

'Г =

1

Р п

2о

'П,

(Ю)

где П, =

к. +с.1 О 1 ушах

В частном случае, когда ¡угпах=0 (обмотка на интервале реверса обесточена)

т = -£-р

1

(11) - время реверса обес-

печивается только достаточно жесткой возвратной пружинои.

При заданном времени реверса коэффициент жесткости пружины к0 определяется вирдтеисм ко=я2.1рТр"2. Поскольку выбором к0 сравнительно легко обеспечить заданное Тр, то применение комбинированного способа реверса путем создания тормозного момента от тока управления ¡утпх и пружины одновременно при симметричном режиме сканирования, по-видимому, нецелесообразно.

При отсутствии возвратной пружины время реверса определено, исходя из закона сохранения момента количества движения при токе обратного направления на участке реверса: ¡у-'|у1ШХ, где ¡ушах определяется допустимой плотностью тока в катушке и минимальным значением Тр:

21 со. Р 1

• 2

С-1 +С,| ф,

2 у шах 1 у гаах 1

(15) - время реверса обес-

печивается только -1

углах-

Это выражение позволяет оценить время реверса при допустимом токе в обмотке управления.

Несимметричный режим сканирования представлен па рис. 5^,6 . В этом случае осуществляется однонаправленное сканирование. Как правило, отношение времени сканирования к времени реверса (Тс/Тр) находится в пределах 6-8. В конце рабочего участка для быстрого реверса подается импульс тока, обеспечивающий изменение скорости вращения ротора (с до -«2)- Несимметричный режим сканирования является более сложным по предъявляемым требованиям к МД, чем

Л - аГС5!П

симметричный, так как время реверса в отличие от симметричного режима включает не трлько время изменения Ш| на -coj, но и время движения ротора в обратном направлении к начальной точке сканирования.

Для снижения времени реверса к валу МД прикрепляется тороион (Мпр^-сф), действующий на всем протяжении времени цикла Тц. Уравнение моментов записываются в виде:

dt э "Р

По изложенной выше методике определены расчетные зависимости ¡ (t), uy(t), представленные на рис. 5fat6 .

Как показывают расчеты (рис. 5,а ), в конце рабочего участка сканирования при угле ср=Ф( в обмотке управлений формируется импульс тока противоположной полярности. Время импульса тока зависит от постоянной времени обмотки управления и не должно превышать

F + ^7Tp>Ti>TL^ ^CJIH электромагнитная постоянная времени

обмотки управления Т^ то либо последовательно с обмоткой

включается балластное сопротивление, либо форсируется напряжение управления на участке реверса.

В третьей главе приведено описание: экспериментальных установок для снятия моментных характеристик электродвигателя с коммутацией магнитного потока и проверки линейности показаний датчика угла; блока управления сканирующим электродвигателем для определения законов управления.

Для снятия экспериментальных зависимостей электромагнитного момента от угла поворота ротора и токов в статорных обмотках при различных рабочих зазорах использована соответствующая установка, позволяющая измерить величину вращающих моментов по тормозному моменту. Экспериментальные данные были сняты при рабочих зазорах: 5=0.05; 0.1мм и токах в обмотках 1=0.5; 1; 2; 4А. По результатам эксперимента были построены графические зависимости М3=Г(ф) при I=const, которые приведены при сопоставлении с расчетными на рис. 4.

Проведена проверка характеристик датчика угла. Приведено описание экспериментальной установки, включающей, кроме прочего, автоколлиматор, и позволяющей определить, соблюдается ли линейность показаний датчика угла.

Измерены магнитные потоки в обмотках, прилежащих к зоне рабочего зазора. Изменяя соответствующим образом положение измерительной катушки, определялись с помощью баллистического гальванометра магнитные потоки и зубцах статора, и продольном и поперечном сечениях ротора, а также в углах ротора. Полученные эксперимен-16

тальиые данные были учтены при разработке методики расчета исследуемого МД.

расчет по полной еяем» »амоцвмио

Рис. 4

Проведено экспериментальное определение законов управления сканирующим электродвигателем. Блок управления (рис. 6) состоит из следующих функциональных узлов: генератор "пилы", датчик угла, сглаживающий фильтр, дифференциатор и датчик тока. Представленная схема с тремя отрицательными обратными связями: по углу, скорости и току позволяет воспроизвести закон сканирования ср(0 с заданной точностью. При этом погрешности не выходят за пределы допустимых: 1ре1)<=3мс, отклонение Аф от фтах не прспышает 0.5е, погрешность на линейность закона сканирования ф(0 - в пределах 10%. Экспериментальные законы управления и сканирования приведены в соответствии с расчетными на рис. ^а,б .

Проведенные экспериментальные исследования на макетных образцах подтверждают основные положения, правильность предложенных математических моделей и сделанных на их основе расчетов:'

- экспериментально снятые макетные характёристики при различных токах в обмотках, с разными рабочими воздушными зазорами двигателей с коммутацией магнитного потока соответствуют расчетным с погрешностью не больше 5-7%;

- измеренные магнитные потоки в зубцах статора, в продольном и поперечном сечении ротора, в углах ротора соответствуют расчетным (с точностью 2-5%);

- расчетное токи управления соответствуют экспериментальным с приемлемой погрешностью (5-8%).

Зависимости i,(0, Ufr) ПРИ несимметричном режиме сканирования

В заключении работы приведены основные результаты и выводы, полученные автором в процессе исследований:

1. Обоснована целесообразность и рациональность использования малогабаритных МД с коммутацией магнитного потока для сканирующих устройств.

2. Разработана двухуровневая модель исследуемых МД, пред- . усматривающая два этапа расчета. На первом этапе для предварительных оценок используется схема замещения без учета падения магнитного потенциала в стальных участках магнитной цепи, проводимости определяются по методу вероятных путей потока. На втором этапе в зависимости от требований к точности моментной характеристики МЭ(Ф) учитывается падение магнитного потенциала в стали и уточняются параметры основного поля и полей рассеяния путем решения полевой задачи методом конечных элементов.

3. Получено аналитическое выражение электромагнитного момента МД с коммутацией магнитного потока без учета падения магнитного потенциала в стали и при упрощенной картине поля. Это выражение выведено для ограниченного диапазона углов поворота ротора, соответствующего линейному участку моментной характеристики.

4. Установлено, что разброс параметров .постоянных магнитов (МДС и магнитных сопротивлений), а также эксцентриситет ротора . ведут к искажению линейности моментной характеристики и оказывают отрицательное влияние на точность отработки законов сканирования. При заданной погрешности моментной характеристики не более 5% от номинальной допустимое отклонение МДС магнита от номинала также не должно превышать 5% при прочих равных условиях, а допустимое отклонение эксцентриситета не должно превышать е<=0.3- 0.4.

5. По разработанной математической модели, включающей уравнения электромагнитных процессов МД и уравнения движения сканирующего устройства, определены аналитические законы управления током и напряжением на обмотках электродвигателя от времени для различных режимов сканирования: симметричного и несимметричного, для участков линейного движения ротора и реверса, с пружиной и без нее, при различных диапазонах углов сканирования. Полученное законы управления МД реализованы для типовых режимов сканирования.

6. Из проведенного анализа гармонического состава моментной характеристики двигателя установлено, что для расширенного рабочего диапазона углов сканирования (максимальное значение Дф=50° -С0°) аналитическое выражение электромагнитного момента исследуемого МД может быть представлено в виде основной гармонической составляющей. При этом погрешность на линейность угловой характеристики ф(0 не превышает 6-8%.

7. На основе проделанной работы в рамках НИР кафедры были рассчитаны, изготовлены и испытаны на НПО "Геофизика" макетные образцы двигателей с коммутацией магнитного потока, которые под-

твердили правильность расчетно-теоретических положений диссертации. Проведенные экспериментальные исследования показывают, что моментные характеристики, параметры электромагнитных полей и токи управления соответствуют расчетным с погрешностью 5-7%.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Савенко ЕЛО. Определение электромагнитного момента электродвигателя с коммутацией магнитного потока. //Тематический сборник научных трудов.: Электрические сети и преобразователи энергии. ЛП. - М.: МАИ, 1989.

2. Савенко Е.Ю. Условия реализуемости электромеханических преобразователей применительно к моментным двигателям. - М.: ВИНИТИ. №18, 1994.

3. Савенко Е.Ю. Применение элементов обобщенной теории электромеханических преобразователей энергии для анализа рабочих процессов моментных двигателей. - М.: ВИНИТИ. №15, 1994.

4. Савенко Е.Ю. Анализ рабочего процесса электродвигателя с коммутацией магнитного потока. - М.: ВИНИТИ. №16, 1994.

5. Савенко Е.Ю. Анализ существующих моментных двигателей с позиций эффективности электромеханического преобразования энергии. -М.: ВИНИТИ. №17, 1994.