автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Проектирование и разработка быстродействующих нейтральных электромеханических преобразователей лечебно-диагностических аппаратов

Б ОД

I !"ПП

" ' ' 'Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Тульский государственный университет

УДК 681.527.2:6

На правах рукописи Заславский Аркадий Аркадиевич

Проектирование и разработка быстродействующих нейтральных электромеханических преобразователей лечебно - диагностических аппаратов

Специальность 05.11.17 - Медицинские приборы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

\

Тула - 1997

Работа выполнена в НИИ Новых медицинских технологий МЗ РФ. объединенного с научно-исследовательским центром медицинского факультета Тульского государственного университета.

Научные руководители - доктор технических наук, профессор А.А.Яшин,

кандидат технических наук Б.А.Никаноров .

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ю. Б. Подчуфаров,'

кандидат технических наук, доцент Г. П. Елецкая . Ведущее предприятие - НИИ "Стрела", г.Тула.

Защита состоится " июня 1997г. в/2-"часов на заседании диссертационного совета К 063.47.06 в Тульском государственном университете по адресу: 300600, г.Тула, пр. Ленина, д.92 (9е учебный корпус, аудитория 101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан " мая 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент

Л.П.Семенов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ. Медицина на современном уровне развития не мыслима без широкого внедрения в свою практику новых медицинских технологий, позволивших благодаря всестороннему техническому оснащению наиболее эффективно использовать и развивать опыт многих поколений врачевателей недугов. Большинство современных медицинских приборов, таких как диагностические аппараты, аппараты терапевтического и хирургического воздействия, разноплановые тренажеры для профилактики и лечения и др., имеют в своем составе автоматические системы регулирования и управления. В аппаратах, в которых при обеспечении режимов регулирования и управления необходимо преобразование электрического сигнала управления в возвратно-поступательное перемещение исполнительного элемента (с управляющими или силовыми функциями) применяются электромеханические преобразователи (ЭМП).

Решение новых задач, которые ставит перед собой медицинская наука, неуклонно влечет за собой необходимость совершенствования обеспечивающих ее развитие технических средств, что приводит к изменению и ужесточению требований как к самим системам управления медицинских аппаратов, так и к входящим в них устройствам, в частности и к электромеханическим, преобразователям, от разрабатываемых для перспективных медицинских приборов ЭМП требуется при высокой динамической точности отработки сигналов управления низкая энергоемкость, малые габариты, возможность дистанционного управления как самим преобразователем, так и управляемым им элементом. ' высокая степень надежности функционирования. Поэтому, совершенствование медицинских приборов выдвигает актуальную задачу по разработке методик проектирования преобразователей в соответствии с совокупностью требований, предъявляемых к ним как элементам систем управления и составным частям указанных аппаратов, на основе создания математических моделей ЭМП с повышенной степенью детализации протекающих в них процессов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка математических моделей быстродействующих нейтральных ЭМП, учитывающих специфику их функционирования в составе систем управления медицинских аппаратов, и на основе указанных моделей с учетом теоретического и экспериментального анализа процессов, протекающих в преобразователях, создание методического аппарата для проектирования и экспериментальной отработки ЭМП с характеристиками; близкими к оптимальнда.

Исходя из указанной цели в настоящей работе, необходимо было поставить и решить следующие ЗАДАЧИ, при решении которых использовался положительный опыт по проектированию силовых систем управления и их элементов, накопленный в военно-промышленной области:

1. Проанализировать схемы и конструкции нейтральных ЭМП, перспективных для использования в силовых системах управления медицинских аппаратов. и классифицировать их по характерным признакам.

2. Разработать единую обобщенную математическую модель выбранных конструктивных схем преобразователей с учетом известных и дополнительных факторов, существенно влияющих на функционирование ЭМП в составе медицинских аппаратов.

3. На основе анализа обобщенной математической модели установить аналитические зависимости, связывающие конструктивные параметры ЭМП с его динамическими характеристиками, используя которые совместно с математическими моделями характерных конструкций преобразователей разработать -методики и алгоритмы проектирования ЭМП на ЦВМ по техническим требованиям, предъявляемым к ним со стороны силовых систем управления.

4. Разработать методики и экспериментальную оснастку для испытаний и отработки опытных образцов нейтральных ЭМП и провести их исследование.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являются быстродействующие нейтральные -электромеханические преобразователи силовых систем управления медицинских аппаратов лечебного и диагностического назначения.

ПРЕДМЕТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ служат статические и динамические характеристики нейтральных ЭМП, методы их проектирования с применением ЦВМ, а также методики экспериментальной отработки проектируемых образцов.

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ - комплексный, характеризуемый совместным использованием общих принципов теории электромеханического преобразования энергии, расчета на ЦВМ и натурного эксперимента.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1. Теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные технические решения, реализованные при создании новой конструкции электромеханического коммутатора многоканальной системы регистрации параметров жизнеобеспечения больного, обладающей минимальными габаритами и возможностью коммутации цепей за время, не превышающее 0.01С.

2. Разработку 3* типов оригинальных конструкций нейтральных ЭМП, функционирующих при различных видах типовых нагрузок в диапазоне потребляемых мощностей от 0,55 Вт до 8 Вт и обладающих требуемым быстродействием.

3. Математическое описание процесса проектирования нейтральных ЭМП, включающее нелинейную математическую модель и аналитические зависимости и позволяющее проектировать новые конструкции преобразователей

с учетом специфики их функционирования в составе управления силовой системы.

4. Методики и результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанных ЭМП. обеспечивающих их отработку на соответствие требований медицинских комплексов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Построена обобщенная математическая модель, адекватная реальным процессам функционирования нейтральных ЭМП в составе силовых систем управления медицинских аппаратов, отражающая дополнительно специфические функциональные связи - взаимовлияние ЭМП и нагрузок, действующей на якорь электромагнита через упругую механическую связь и влияние характера связи усилителя мощности с обмотками электромагнита на процессы, протекающие в них.

2. На основе математических моделей и предложенного метода проектирования разработан методический аппарат, позволяющий рассчитать пара метрй ЭМП требуемой динамики с обеспечением минимально потребляемой мощности при ограничении по габаритам, с обеспечением минимальных габаритов при ограничении по потребляемой мощности, а также с обеспечением максимального быстродействия в условиях ограничения по габаритам и мощности по цепи управления.

3. Разработан новый тип конструкции шагового двигателя электромеханического коммутатора, защищенный а. с. СССР N№45161, 55772. 56740, в котором для обеспечения высокого быстродействия механическая пружина выполнена переменной жесткости, а рабочий ход двигателя совмещен с холостым.

4. разработаны методики и получены аналитические зависимости, позволяющие рассчитать при требуемой динамике ЭМП:

- минимально допустимый диаметр выходного вала электромагнита, при котором обеспечивается его функционирование без отскока якоря;

- соотношение между длиной распределительного устройства и углои поворота якоря электромагнита, при котором обеспечивается минимально потребляемая мощность.

ПРАКТИЧЕСКИ ПОЛЕЗНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Разработаны алгоритмы проектирования нейтральных ЭМП для систем управления медицинских аппаратов, позволяющие по требованиям технического задания определить параметры преобразователя, обеспечивающие его максимальное быстродействие, минимальные габариты или минимальш потребляемую мощность.

2. Для систем управления медицинских приборов созданы ( спроектированы. изготовлены, экспериментально отработаны) 4е конструкции нейтральных ЭМП.

-63. Разработан и выпущен 0CT3-2467-93 "Электромагниты нейтральные управляющие. Конструкции и размеры" (с участием автора, как одного из основных исполнителей).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на I и II Всесоюзных симпозиумах по пневматическим приводам и системам управления 1968г. и 1973г.. на научно-технических конференциях профессорс-копреподавательского состава ТГУ 1974, 1975, 1981 годов, отраслевых научно-технических конференциях 1990-96гг., секции НТС НИИ НМТ. 1996г., научно-технических конференциях ТВАКУ 1997г..

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации автором выполнено:

- 8 публикаций в центральной и отраслевой научно-технической периодической печати;

- 9 изобретений, защищенных авторскими свидетельствами СССР;

- 15 технических отчетов по НИОКР, проводившихся в 1980-93 годах по постановлениям руководящих и правительственных органов СССР и РФ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения с выводами и содержит 170 с машинописного текста, в том числе 40 рисунков, список литературы на 3 листах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Основы теории и расчета электромагнитных устройств на базе общей теории поля изложены в трудах Э.Яссе, В.С.Кулебакина, В.А.Коваленкова, Д.С.Уайта. Г,Х.Вудсона. Л.Р.Неймана, В.К.Аркадьева и др.. Практическая реализация теоретических разработок в области электромеханических устройств систем автоматики нашла отражение в работах многих авторов, из которых следует отметить работы Л. А. Бессонова, А. Я. Букова, М. И. Витен-берга, A.B.Гордона, А.Г.Сливинской, Ф.А,Ступеля, В.Л.Фабриканта. Проектирование электромагнитов типа коммутационных реле с применением вычислительной техники было рассмотрено в работах Н. И.Пеккера, А.Г.Ники-генко, М.А.Любчика, что дало возможность исследовать и учесть более глубокие процессы, протекающие в электромагнитах. Анализу и вопросам проектирования быстродействующих ЭМП как единой системы "электромагнит-усилитель мощности" посвящены работы Е.Е. Шорникова, В. М.Прошина, А.П.Панкова, В. И. Саблина, Г. П. Елецкой. Автоматизированному расчету параметров релейных силовых электромагнитных приводов на ЦВМ с учетом допусков посвящена диссертационная работа Н.С.Илюхиной. Применение ЭМП

-7в составе силовых систем управления перспективных медицинских аппара тов предъявляет новые требования к преобразователям, не рассматривав шиеся ранее. Специфика работы ряда медицинских аппаратов- требует дис танцирования исполнительного элемента от управляющего его работо электромагнита, что неизбежно приводит к снижению жесткости механичес кой связи якоря с исполнительным элементом. При этом возможно появле ние несанкционированного режима работы ЭМП, что требует учета при ег проектировании. При функционировании системы управления медицинског аппарата в зонах, опасных для обслуживающего персонала, или в специ альных средах (например, в зоне действия криоагента криотерапевтичес кой установки) управление работой электромагнита осуществляется дис танционно. Проводная линия, связывающая усилитель аппаратуры управле ния с обмотками электромагнита, обладает активным и реактивным сопрс тивлениями и оказывает заметное влияние на переходные процессы в с мотках.

При этом обеспечение портативности и мобильности современных ме дацинских аппаратов требует создание ЭМП с необходимыми характернее ками при условии минимизации потребляемой мощности и их габаритов. Д; выполнения поставленной задачи в настоящей диссертации в развитие пе речисленных работ строится обобщенная математическая модель нейтраль ного ЭМП как динамической системы, состоящей из усилителя мощности электрической линии связи, электромагнита, нагруженного через ynpyrj механическую связь на инерционный исполнительный элемент, испытывающр воздействие различного вида нагрузок (рис.1), и на основе указанной мс дели разрабатываются методики его проектирования. В качестве исследуб мых объектов для применения в перспективных медицинских аппарате рассматриваются нейтральные электромеханические преобразователи, коне труктивные схемы и схемы выходных каскадов мощности которых представлены на (рис.2). При этом электромагниты а), б), в), г) предназначе! для работы в релейном режиме, а электромагнит д)-в пропорциональном. Для ЭМП, работающих в релейном режиме на основе эквивалентных схем замещения магнитных цепей, а также схем замещения электрической цепи и механического звена (рис.3), отражающих специфику рассматриваемых объектов, построена обобщенная математическая модель: liTyi + UBX1 = ЕХ1 lj-w + 1В1 = <М Rlsl + Rzsi + R, + Rci

d4» t

- + lm-14 = UBUX1 i2-W + 1в2 , Ф2( R13Z + R2,2 + R, + RcZ

dt ®PI = Ii •W-Gp

Al"UßMXl + B, 'Im ~ UBXI Фрг = 1« •W-Gp

'^BUXl * Di Л = Ii * i =

"гу2 + ^BX2 = Ek2 * 2 - Уг + V

+ 1.

и-

¿11

вихг

^г'^вихг + В2'1Н2 = ^вхг •1Н2 =

1 ЙФ.

И 1+1„ /V

1.

МД1 =

8

— / %<!( 14 + - ) .

а 0 и

И 1+1в /V

1«| - ~

в 1

1

1» = -

Г, 2 ага

<п

ЙФ2

(11 йа

лЛ2

1.8

/ ЦгС1( 1г + - ) ..

о V,

¿5

I,- + Г, -

, <1г5

1г - + Сг+ Гз) -

(Пг сП

+ с4а = Щ1 - МЕг - Г2--Сг5

сИ

а2а (За

(35

+ с.6 = I.

+ Гя

<1 <1ъ

Сказанная модель построена в соответствии с принятым подходом к описали) электромагнитных устройств данного класса как квазистационарных зистем и учитывает насыщение магнитопровода, вихревые токи, потоки вы-хучивания и рассеяния, нелинейность выходных каскадов усилителя мощ-юсти, влияние линии связи и жесткости выходного вала при действии ¡агрузки, т.е. учитывает особенности функционирования всей совокупности рассматриваемых объектов.

На основе обобщенной математической модели в соответствии с отли-штельными признаками конкретных конструктивных схем построена система мдивидуальных математических моделей, имеющих следующие характерные

133ЛИЧИЯ. ■ (

1. В уравнениях магнитной цепи. В выражении для сопротивления ра-ючего воздушного зазора

1я-(ан ± а) Кэ--

1я-ан а

ц0-Ба- [1+- -(1+ —)]

Ав ан

еличина Б0 в случае управляющих электромагнитов (с учетом а^ < 5°) исленно равна площади полюса магнитопровода. Для силовых электромаг-итов «Хп, - 8 - 15°)

+ мн.

Б, = 1я-в-Х(а).

При этом для электромагнитов с прямоугольным сечением якоря

в 1 1

r2(tgocm-tga)+ — (---)

2 cosctn, cosa

Х(а) = ln- ,

в 1 1

1*1 • (tgOn-tga) +--(---—Т—)

t Z COSOa cosa

а для клиновидного сечения якоря:

r2tg(am-a) (í+tgc^-smaj-rgtga,,,- (cosa-cosctn)

X(a) = m-

Г! •tg(<xm-a)+r3tg(aB-a)tgamsina-r3tgam- (cosa-cosa,,)

2. В уравнениях электрической цепи. При непосредственной запитке обмоток электромагнита от усилителя мощности уравнение имеет вид: сШ

-+ Иг + гу) = Ек ,

dt

где сопротивление гу в открытом состоянии транзисторного ключа определяется его внутренним сопротивлением, а при переходном процессе после закрытия ключа зависит от дифференциального сопротивления стабилитрона защиты и напряжения его стабилизации. При этом в правой части уравнения. описывающего переходный процесс в, закрытом ключе, напряжение равно нулю в случае подключения стабилитрона защиты параллельно обмотке, и равно Ек при его подключении параллельно транзистору. В схеме с реку перацией указанное напряжение равно (-Ек).

При управлении электромагнитом через проводную линию связи (ПЛС) показано, что последняя является цепью с распределенными параметрами и электрическая цепь должна описываться системой уравнений:

dUi 1 Egygj Egyg!

- = — [--U, (-+ gg) + Uzg2]

<" Сл gy + gt gy + gt

dU2 1

---- ( Ui - 2U2 + U3) • g2

dt Сл

dWZj

dt

+ ii-Rgi = Vi

<даг

+ = ^пм

(11

2п С01

2-вг = = gn--; Сл--

г01 ' п

Здесь г, и С, - первичные параметры линии; 1. п - длина линии и количество участков линии в цепной схеме ее замещения.

Количество участков цепной линии определяется из обеспечения условия:

1г 1г

Го-Со -З-О)----(г0 -С0-ш--)2

п2 пг

120

< 0.1

где ш - 11я гармоника частоты сигнала управления.

3. Нагрузка, момент от которой входит в правую часть уравнения механического звена, носит инерционный характер при наличии в пневмоприводе силовой системы управления медицинского аппарата распределительного устройства типа "струйной трубки". При распределительном устройстве типа "сопло-заслонка" на якорь электромагнита действует помимо инерционной силовая нагрузка пружинного характера, зависящая от хода заслонки и перепада давления в полостях пневмопривода: ? = К^Х + К2-Др.

В силовых электромагнитах возможно действие ряда нагрузок - инерционной, силовой пружинного характера и в виде сигнатуры от . сил трения. При этом наличие существенной массы исполнительного устройства требует учета упругости выходного вала ЭМП, т.к. после прихода якоря на упор происходит отскок якоря и колебательное движение исполнительного устройства. амплитуда и частота которых зависят от жесткости вала, внутреннего трения его материала и соотношения масс якоря и исполнительного устройства.

Полученные математические модели приведены к безразмерному виду, что упрощает проектирование ЭМП, при котором необходимо изменять его параметры, и обеспечивает возможность распространения результатов моделирования при создании аналогичных конструкций.

Разрабатываемый в работе процесс проектирования нейтральных ЭМП, являющихся нелинейными динамическими системами, предусматривает два этапа. Первый,этап служит для определения по упрощенным аналитическим

зависимостям параметров образца первого приближения при обеспечении оптимизации таких характеристик, как быстродействие, потребляемая электрическая мощность или габариты. Полученная при этом конструкция электромагнита на втором этапе проектирования исследуется на ЦВМ по нелинейной математической модели с целенаправленной корректировкой его параметров. Для расчета образца первого приближения необходимо провести следующие операции:

- выбрать конструктивную схему электромагнита;

- выбрать материалы магнитопровода и марку обмоточного провода;

- выбрать величину магнитной индукции для расчетного режима и коэффициенты, учитывающие потоки выпучивания и рассеяния;

- определить основные размеры магнитопровода и жесткость пружины;

- определить потребную намагничивающую силу;

- определить намоточные данные катушки.

Для проведения расчета образца первого приближения получены зависимости. связывающие динамику ЭМП с его конструктивными параметрами, и разработаны алгоритмы проектирования.

Основной динамической характеристикой нейрального ЭМП является время срабатывания, включающее времена трогания и движения: top = tTp + tiB. На основе анализа указанных составляющих времени срабатывания, проведенного с применением уравнений математической модели, определена функциональная связь времени движения с жесткостью механической пружины и моментом инерции якоря электромагнита. При этом в процессе его функционирования для сжатия пружины с жесткостью "С" за указанное время движения электромагнит должен развить мощность

Момент инерции Л и момент, развиваемый Электромагнитом для сжатия пружины. определяются конструктивными размерами якоря и магнитопровода преобразователя, а также параметрами обмотки управления ( при располагаемом напряжении питания). Следовательно, время движения ЭМП функционально связано с параметрами, определяющими развиваемую им мощность. Поэтому предварительное проектирование проводится, исходя из времени движения, а время трогания, вторая составляющая времени срабатывания нейтрального ЭМП, проверяется по точной математической модели и при необходимости корректируется за счет изменения схемы усилителя мощности, а также соотношения моментов пружины и развиваемого электромагнитом (например, применение пружины с нелинейной характеристикой).

При анализе переходных процессов нейтральных ЭМП рассматриваемого класса, полученных как с применением разработанных математических моделей, так и экспериментально, установлено:

J

2

-121. Перемещение якоря от упора к нулевому положению осуществляется в основном под действием сжатой пружины при несущественной величине (из-за большого воздушного зазора) электромагнитного момента, носит колебательный характер , и для времени движения на этом участке справедливо выражение:

2 / 14*

2. При движении якоря от среднего положения к упору увеличивающийся в процессе движения электромагнитный момент и момент пружины действуют с разными знаками и для нормального функционирования ЭМП необходимо, чтобы момент пружины нигде не превышал момент, развиваемый электромагнитом. Т.К. при этом указанные моменты принимают значения, близкие друг другу по модулю в зоне угла отклонения якоря (0.4-0,5)-Оп,, выше названное условие нормального функционирования электромагнита можно записать в виде:

Мэ = О.б-С-сСщ-К,,

3. Из зависимости для электромагнитного момента

1 IV/ сЖв

Мэ ---(—)2--следует, что при располагаемых ампервитках

2 !?„ сЗх

величина Мэ принимает максимальное значение при минимальном значении сопротивления магнитолровода для чего необходимо обеспечить максимальную магнитную проницаемость участка магнитопровода, имеющего минимальную площадь сечения. В качестве участка с минимальным сечением следует выбирать якорь электромагнита, уменьшение массы которого способствует повышению собственной частоты электромагнита.

При обеспечении максимальной величины цг сопротивление железа магнитопровода пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением рабочего воздушного зазора и выражение для электромагнитного момента принимает вид:

1 айв

Мэ---(Во-Бя)2--

2 йа

где В0 - индукция в якоре при а = 0.5-Ощ. соответствующая максимальному значению магнитной проницаемости его материала.

Указанные зависимости с учетом особенностей конструктивных схем ЭМП и решаемых ими задач послужили основой для разработки методик проектирования наиболее характерных конструкций нейтральных электромагнитов, представленных ниже.

-131. Нейтральный ЭМП для управления распределительным устройством силового двигателя пневматической системы управления с обеспечением минимально потребляемой мощности. Конструктивная схема рис.2а).

Исходные данные:

- время эквивалентного запаздывания;

- величина рабочего хода подвижного элемента распределительного устройства типа "сопло-заслонка" и нагрузка, действующая на него;

- напряжение источника питания;

- ограничение по габаритам.

Аналитические зависимости для расчета параметров образца первого приближения получены при решении системы уравнений, отражающих зависимости Мэ. (,„, момента инерции якоря, потребных ампервитков, магнитного сопротивления рабочего зазора и размеров катушки от конструктивных параметров электромагнита выбранной схемы:

X Пг-Пз-П4-П5-Х

ат -- . 1р = п4-п5, й --, 1Я = п3-(п4-п5) -Ки

п4-п5 п44

пг-п3-п4-п5г-Х - п,4 Кпр = ,

ПИ

■ -кс

где п4=2, 2 Ц'Вц

К-(Кн+1)(1 +А1-Кг)[(1 +А1-Кг)г+3]К11КвК2)Хо

12 • Кн К

пг = - . п3 = - • ар-вр

КГ(1 +А1-Кг)[(1 +А.1-Кг)2+ЗЬ* 12

0,04-Хг-Г-Мо-К2-Кв2

п4 =

Азв-Во^Ке-К^-К.

4.84-гог-В04-К„-Ксг-К13

п5 ='

Г-Х-К- (1+Кн) • (1+1,1-Кг) [(1+1,1 -Кг)2+3] -КвЗ-К^-До2 4р1И[Кст•1я(1.1 ■-Кг)Я■У1я■К!•(3+2Д1 „• 1,1-Кг)Л+4КИ2 Ш

Я-и-(1,1-К2)-1я

-14В уравнениях присутствуют постоянные коэффициенты, значения которых выбираются, как на основе проводимых в работе исследований, теоретических и экспериментальных, так и с учетом литературных рекомендаций. Величина коэффициента Кн, определяющего соотношение моментов инерции якоря и заслонки распределительного устройства и влияющего на качество отработки сигнала управления, в соответствии с проведенными далее теоретическими исследованиями, выбирается в пределах 0.7-1,3. Коэффициент связи рабочего магнитного потока с витками Кс и коэффициент • выпучивания Кв выбираются равными их средним значениям для электромагнитов рассматриваемого класса и впоследствии уточняются по известным зависимостям для размеров магнитопровода полученного образца первого приближения на втором этапе проектирования. Плотность тока зависит от режима работы преобразователя и назначается в соответствии с результатами экспериментальных исследований аналогичных конструкций. Величина зазора от залипания в соответствии с рекомендациями технической литературы составляет 0,04 - 0,07мм.

Полученная система аналитических зависимостей для расчета параметров ЭМП состоит из 6 уравнений с 8 неизвестными, в результате чего при исследовании рассматриваемой системы возникает неопределенность. При этом смысл многозначности результатов расчета заключается в том. что общее решение уравнений отвечает не единичному образцу ЭМП. а целому классу.

Для решения поставленной задачи в работе путем перехода по двум параметрам, толщине якоря и толщине полюса, от их абсолютных величин к 11 1г

этносительным К1 -- и К2 = - применен метод,обобщенного ана-

1« 1.

таза, на основе которого разработан алгоритм расчета системы.

Полученное при этом решение системы представляет собой обобщенный шдивидуальный случай соединяющий в себе бесчисленное множество конструкций ЭМП, отвечающих требованию по динамике при заданных параметрах эаспределительного устройства и напряжения питания. 1ереход от бесчисленного множества решений к единственному осуществляйся при помощи второго алгоритма автоматизированного поиска парамет-юв требуемого варианта. Критерием поиска варианта является минимально готребляемый ток преобразователем при заданных ограничениях по габари-'ам. При этом поиск проводится в области тех обобщенных параметров К, [ К2. при которых в соответствии с результатами первого расчета выполнился требования по ограничению габаритов.

Алгоритмы представлены на рис.4.

После проработки эскизного варианта электромагнита с основными параметрами полученного образца первого приближения производится расчет его динамики по точной математической модели.

2. Нейтральный ЭМП с максимальным быстродействием для дистанционного управления работой пневматической силовой системы.

Исходные данные:

- угол поворота распределительного устройства, его момент инерции и момент нагрузки;

- напряжение на входе проводной линии связи;

- активное сопротивление линии связи и ее распределенная емкость;

- предельно допустимые габариты.

Дистанционное управление ЭМП предопределяет существенное сопротивление проводной линии связи, благодаря чему потребляемая электрическая мощность электромагнитом оказывается ограниченной. Поэтому критерием при разработке таких преобразователей является обеспечение максимального быстродействия при заданных габаритах для размещения ЭМП. Конструктивная схема электромагнита аналогична предыдущему случаю и исходные зависимости для расчета параметров ЭМП получены на основании ранее проведенного анализа.

При этом ввиду изменения критерия проектирования зависимости отличны от предыдущих:

К*-Мн-(1+Кпр)-ц0-Квг-Кг

1.

О.б-Во^Д-Кс-К!2

Л /Го, + •(1+Кпр)2]-20.

1в ш — / -

2 В04-с1-Ксг-К13-М„-(НКПр)

ч>>

Из условия обеспечения минимального значения ^ получена зависимость.

11 - 1*

связывающая конструктивные параметры К! --, Кг --и коэф-

1« 1«

фициент жесткости пружины Кпр:

Г*Г

К„Р = /--1 .

N2

Здесь N,=3-^ -В04-с1-Ксг -К^; Иг=К-Кг2 (1+А,Кг) [(1+А1Кг)г+3]К1|гМнгМогКв4 Исходя из заданных габаритов, условие соответствия располагаемых ам-первитков потребным записывается уравнениями, связывающими размеры катушки. диаметр намоточного провода, размеры якоря и габаритный размер

й„р=/N3 + /(N3) - ы/

1К = 1я-2-(Д + 0.25-1г) - А

1 К ' _-.

И- - {/--1яг(1-0,5-К2)г-[2Д+1я-(ап'+0.5К1)+/1я-(1-1с1 -кср]}

2 4 ________ _

и-1к-Ь-Кг ' 16р-1к-И-(|/КгкеР-1я-й + 2Д+ю'

N3--: м4--

г-к^к^-Нл-Ки2-!, Кл-л-Ки

Проектирование ЭМП осуществляется в соответствии с полученными зависимостями при помощи алгоритма, обеспечивающего автоматический по-.иск из множества преобразователей, удовлетворяющих поставленным условиям функционирования, варианта с максимальным быстродействием. Поиск нужного варианта проводится при помощи двух замкнутых расчетных циклов, внутреннего, с итерацией по жесткости пружины (Кпр), и внешнего, с итерацией по безразмерному параметру К4. Для сокращения машинного времени область поиска сужается путем определения в процессе каждой итерации по Кпр или К1 значения безразмерного параметра К2, при котором обеспечивается расчет варианта преобразования с максимальным быстродействием. Для обеспечения возможности изготовления рассчитанного ЭМП в алгоритме предусмотрено ограничение по минимальному диаметру провода, выпускаемого промышленностью.

3. Силовой НЭМП с минимальным потреблением энергии.

Силовые НЭМП, применяемые в аппаратах медицинской техники, должны развивать существенные усилия для перемещения элементов автоматики силовой системы управления за определенное время. Существенные усилия требуют значительных токов потребления ЭМП, а потому наряду с требованием по быстродействию к ним предъявляются требования по обеспечению минимально возможной потребляемой электрической мощности.

Исходными параметрами служат:

- время эквивалентного запаздывания;

- момент инерции исполнительного элемента автоматики;

- максимальный угол отклонения якоря;

- напряжение источника питания;

- момент нагрузки,действующий на якорь электромагнита.

Конструктивная схема ЭМП соответствует рис.2в).

Для обеспечения минимального момента инерции якоря выбрана клиновидная форма его сечения, применяемого при углах отклонения якоря более 8°. Аналитические зависимости для расчета образца первого приближе-

ЭМП. При этом ввиду отличия конструктивной схемы силового ЭМП от управ-, ляющих (наличие двух одинаковых рабочих зазоров и отсутствие технологического зазора) аналитические зависимости существенно отличаются от полученных для управляющих электромагнитов. В качестве обобщенных конструктивных параметров выбраны новые - отношение ширины полюса срдеч-

в

ника к ширине якоря К^ — и отношение половины толщины верхней кром-

1.

ки якоря к расстоянию от плоскости кромки до центра вращения якоря,

а

К2= — , более удобные для анализа и разработки алгоритма проектирования.

В аналитических зависимостях, представленных ниже, функция Х(а), учитывающая клиновидность рабочего зазора, на участке отклонения якоря от 0 до ат аппроксимирована прямой Х(а) = та + п с коэффициентами ш и п, зависящими от максимального угла отклонения якоря а^, что упростило математические выкладки, практически не снижая точности расчетов: Во^К^вОи) / 1г-Кн-(т-ат+п) "

1Я = 6,9-/-;

0,5-т-ат+п К-Кя-Ми-Кя•(1+Кпр)•(1+Кв)-К!Мо

4/48-Л2-Кн ^-(НКпр)-^

гг = / ; Кпр = 1,23 ;

(1 - 4г)-10г-мн

Кг 48Кгг 2К2 К2г

кя = (1+-)4(8г£3ага481вага+15|/з tg4аm--(1+-+-);

tgaш ^ зг®*, 6tg2am

/tgaв + 2кг

= 2гг /-к„ ; 1к - (1,-2в)-2Д ;

ж

1Шр[2^г21к-1/л-(гкг+геа,,,)-ксх + 2лдлк + 41у*киг]

1 --

и-(1я-2в)

2В0гг (2К2+1иат) {Д3 (0,5таП1+п)+о, бс^Гг [1-1еатз1пат (1-с180шКг)]}

"»■т--

К8-д0-в- (0.бтОщ+п) • [1-1еатз1шт(1-аЕ0п-Кг)]

Расчет искомого варианта ЭМП осуществляется при помощи двух алгоритмов. В результате решения первого алгоритма получаем номограмму для определения конструктивных параметров множества вариантов конструкций ЭМП, обеспечивающих требуемое быстродействие при заданных параметрах нагрузки. Вторым алгоритмом осуществляется автоматизированный поиск параметров электромагнита, обеспечивающих минимальный ток потребления. При этом поиск проводится в области тех обобщенных параметров К! и К2, при которых в соответствии с полученной номограммой выполняются требования по ограничению габаритов.

4. Силовой НЭМЛ с минимальными габаритами.

В переносимых и возимых медицинских аппаратах вопросы обеспечения минимальных габаритов (веса) силового электромеханического преобразователя приобретают немаловажное значение. При разработке методики проектирования силового нейтрального ЭМП с обеспечением минимальных габаритов учитывалось, что в процессе его функционирования, возможно воздействие на него всего комплекса нагрузок - инерционной, силовой пружинного характера, от сил трения в управляемом устройстве и от перегрузок. действующих на электромагнит при работе медицинского аппарата в процессе транспортировки больного. Исходными данными для проектирования являются:

- время срабатывания электромагнита;

- момент инерции нагрузки, моменты в виде сигнатуры от сил трения в подвижных частях регулируемого устройства и в виде силового воздействия механических пружин;

- напряжение питания и максимально допустимый ток;

- ограничение по ширине ЭМП;

- обеспечение минимального размера г.

Нечувствительность параметров функционирующего ЭМП к транспортным перегрузкам можно получить за счет введения в конструкцию балансировочного груза, что увеличивает момент инерции якоря электромагнита и учитывается в аналитических зависимостях для проектирования коэффициентом К'бал:

1-1,-КгКг-п* Jl■= - [3(К2+1)г+К,г+К2г]-К6ал ;

12

мн

(;0 = /-агссоз- ;

С Мн - о^С

в = О.б-К^-Кг-п4-(К2+1) ■Вог/мо-Квг(0.5-ат-С+ Мн-К,,);

-19-

В0•[2Д3+0,5-П-Ощ•(Кг+1)-К1ж] IV = -:-

Мо'ВКв

4-1И-Киг

1 = 1,- 2в - 2Д; Ь =

• Я3(1.:2в-2А)

йс

гк = — + Д + Л; <3С =

{ гк+ /{т

'КгП

(Гк+А)2+ [ - + (А + Гк) -ССц + Гк]2}

2

На основе метода обобщенного анализа с использованием полученных аналитических зависимостей разработан алгоритм автоматизированного расчета на ЦВМ совокупности ЭМП, удовлетворяющих требованиям по динамике при нагрузках, инерционных и силовых, действующих на якорь электромагнита. В алгоритме поиск параметров ЭМП осуществляется при помощи

11

2х замкнутых циклов с инерцией по обобщенным параметрам К! = - и

1.г п

К2 = -. где 1, и 12 соответственно ширина якоря и ширина полюса, а

п

п- размер, определяемый диаметром внешнего кольца подшипника оси якоря. Из полученных решений для области параметров, обеспечивающих требование по величине потребляемого тока, выбирается вариант электромагнита с минимальным размером г.

В соответствии с предложенным методом проектирования и полученными методиками разработаны (спроектированы, изготовлены, исследованы и экспериментально отработаны) 4 конструкции нейтральных ЭМП, основные параметры которых представлены в таблице.

Исследование разработанных ЭМП, отличающихся широким диапазоном потребляемой электрической мощности и функционирующих при различных видах нагрузок, показало, что отличие теоретических и экспериментальных динамических характеристик не превышает 6%, что подтверждает достоверность разработанного методического аппарата для проектирования быстродействующих нейтральных ЭМП.

Для экспериментального определения динамических характеристик разработано фотоэлектронное устройство,"позволяющее оценивать динамику ЭМП безконтактным методом, не нагружая его. При этом обеспечивается одновременный вывод на экран однолучевого электронного осциллографа переходных процессов по токам в обмотках электромагнита и углу отклонения якоря, что позволяет определить все динамические характеристики

Таблица

Я/п Характеристика ЭМП Нагрузка Максимальный угол отклонения, Рад Время срабатывания или эквивалентного запаздывания. Мс Мощность потребле ния, Вт. Критерий проектирования

ТЗ Теор ЭКСП

1. Управляющий с непосред ственной запиткой Инерционная -10"7 кгм2 0,28 0,0155 2,2 2.14 2.00 2, 35 Минимальный ток потребления при ограничениях по габаритам и динамике

Пружинная с жесткостью Сн-10"г. Нм/рад 110

2. Управляющий с запиткой через ПЛС Инерционная • 10~7 КГМ2 5,8 0,39 г" 5.4 5.25,7 0,55 Максимальное быстро действие при ограни чении по габаритам

Пружинная с жесткостью С„-10"г. Нм/рад 0,11

3. Силовой с упругостью выходного вала Инерционная -10*7 КГМг 7,0 0, 21 7,6 7.37.5 8,0 Минимальный ток потребления при ограничениях по габаритам и динамике

Пружинная с жесткостью Сн-10"2. Нм/рад 7,16

4. Силовой Инерционная -10"7 КГМ2. 38 Минимальные габариты при ограничениях по току потребления и динамике.

Пружинная с жесткостью С„-10-г, Нм/рад. 2,6^ 0,0785 10,5 8,5 8,89.0 7,2

Момент трения. Ни. 4 •

Распределение температуры по глубине обмотки при функционировании ЭМП определялось при помощи термометров сопротивлений, монтируемых в процессе изготовления обмоток управления. Результаты исследований показали, что максимальная температура во всех слоях обмотки устанавливается на 9... 10 секунде работы электромагнита. При этом определено, что плотность тока в проводе катушки, при которой не происходит термического разрушения изоляции провода типа ПЭВ, не должна превышать 25А/ммг.

В процессе отработки ресурса управляющих ЭМП были выявлены слабые звенья, приводящие к параметрическому отказу - постепенному увеличению времени срабатывания из-за износа рабочих поверхностей регулировочных винтов и к резкому увеличению его при поломке механической пружины. Для исключения поломки пружины ее прямоугольная форма изменена на тра-пециидальную, позволяющую равномерно распределить напряжения в поперечных сечениях пружины по ее длине. Исследования различных форм рабочих поверхностей винтов, их чистоты поверхности и материала позволили установить, что для обеспечения их стойкости при выработке ресурса ЭМП, винты изготовленные из стали СТ2Х17, должны иметь сферическую рабочую поверхность размером не менее 1,6мм и чистотой не менее 1-г5/~~и с твердостью НИ£46.

Симметричность характеристики управляющих ЭМП обеспечивается соответствующей технологией изготовления статоров, при которой тхнологи-ческие и рабочий зазоры выполняются в общей заготовке для 2х сопряженных статоров. При этом отверстия в крепежных деталях, объединяющих все детали электромагнита в единый узел, проводятся в приспособлении, обеспечивающем постоянный по величине технологический зазор при- помощи размещения в нем фольги толщиной'0,06мм.

Для силового ЭМП при анализе причин отскока якоря после прихода его на упор по точной математической модели установлено, что в основе указанного явления лежит обмен между кинетической энергией, приобретенной исполнительным устройством за время движения якоря электромагнита, и потенциальной энергией закручиваемого выходного вала после прихода его на упор. Величина отскока и длительность зависят от соотношения моментов инерции якоря и исполнительного устройства Кн и жесткости вала и механической пружины С]/Св. Площадь отскока, определяемая его амплитудой и длительностью действия, можно оценить на основе построения математической экспериментальной модели, устанавливающей зависимость величины отскока от рассматриваемых факторов:

^р а с ч= во+в1Х1+вгХ2+в1гХ1Хг .где в0- истинное среднее значение совокупности,из которой получена выборка. Коэффициенты регрессии в, и вг характеризуют влияние каждого фактора, а в12- эффект воздействия

факторов. При этом уровни варьируемых факторов X, и Х2 (Кн и Ct/C,,) заводятся в точную математическую модель, при решении которой определяют площадь отскока якоря S. На основании полученной зависимости ¡Зрасч определяются значения Кн и Cj/CB. при которых обеспечивается допустимая величина отскока якоря. При незначительной величине отскока якоря, уменьшающей команду управления не более, чем на 1,5%, кн)0,7, т.е. момент инерции нагрузки не должен превышать момент инерции якоря Ci

более, чем на 30% при — >0,03.

С2

ВЫВОДЫ

Нейтральные электромеханические преобразователи, применяемые в машино- и приборостроении в качестве надежных и простых преобразователей электрического сигнала управления в механическое -перемещение исполнительного органа, широко используются и в аппаратах медицинской техники. При этом внедрение новых медицинских технологий требует разработки новых видов конструкций ЭМП с новыми качествами, отвечающих специфике их применения - возможности дистанционного управления электромагнитом или только исполнительным элементом, связанным с якорем упругой механической связью, обеспечение минимальных габаритов, минимально потребляемой электрической мощности, максимального быстродействия. Исходя из проведенной с целью решения этой актуальной задачи работы можно сделать выводы.

1. На основе теоретически обоснованных технических решений разработана новая конструкция быстродействующего электромеханического коммутатора для многоканальной системы регистрации параметров, обладающего минимальными габаритами и обеспечивающего коммутацию цепей за время не превышающее 0,01с. которая защищена а.с. СССР NN 45161, 56740 и 55772.

2. Разработано математическое описание процессов в нейтральных ЭМП аппаратов медицинской техники в виде обобщенной математической модели устройств данного класса, включающей специфические функциональные связи, присущие электромагнитам рассматриваемого назначения и отражающие взаимовлияние между ЭМП и нагрузкой, действующей на якорь электромагнита через упругую механическую связь, и влияние характера связи усилителя мощности с обмотками электромагнита на процессы, протекающие в них.

3. На основе обобщенной математической модели посредством анализа специфики магнитных цепей, схемы усилителя мощности и способа передачи управляющих токов от усилителя к обмоткам электромагнита, характера и

зида нагрузки, действующей на электромагнит со стороны исполнительного элемента конкретных наиболее распространенных конструкций НЭМП, получена система целенаправленных математических моделей, обеспечивающих зозможность разработки инженерных методик проектирования электромеханических преобразователей рассматриваемого вида.

4. Теоретически определено и экспериментально подтверждено,что проводная линия связи для дистанционного управления НЭМП может быть представлена эквивалентной цепной схемой ЕС элементов, определяемой первичными параметрами линии и ее длиной.

5. Предложена и теоретически обоснована методика разработки нейтральных ЭМП, включающая предварительный расчет образца первого приближения по аналитическим зависимостям, исходя из требуемой величины времени движения ^ с последующей корректировкой параметров преобразователя, влияющих на время трогания. при моделировании на ЦВМ по точной математической модели динамики указанного образца.

6. Для совокупности исследуемых устройств выведены аналитические зависимости, на основе которых разработаны алгоритмы расчета на ЦВМ конструктивных параметров с требуемой динамикой при ограничении по габаритам и потребляемой мощности.

7. Для проектирования НЭМП максимального быстродействия при ограничении потребляемой мощности по цепи управления на основе выбранного критерия оптимизации по жесткости пружины разработан алгоритм автоматизированного проектирования образца первого приближения на ЦВМ.

8. Адекватность построенных математических моделей рассматриваемых устройств и достоверность разработанных методик проектирования подтверждены результатами целенаправленных экспериментальных исследований спроектированных по этим методикам 4х конструкций НЭМП,.функционирующих при сочетании различных видов нагрузок и потребляющих мощность от 0,55 Вт до 8 Вт, обеспечивающих динамические характеристики, отличающиеся от расчетных не более чем на 12%.

9. Разработана методика, позволяющая теоретически определить минимально допустимую величину диаметра выходного вала электромагнита, при которой гарантируется функционирование электромагнита с допустимой величиной отскока якоря.

10. Разработана методика и аппаратура для экспериментальных исследований макетных образцов НЭМП, позволяющая достоверно оценивать динамику маломощных быстродействующих преобразователей.

11. Предложена технология изготовления и методика отработки конструкций НЭМП, позволившие обеспечить стабильность характеристик при эксплуатации и требуемый ресурс работы электромагнитов.

иВх ¿г ногрязка

¿4 | М»

усилитель мощности линия с&я»и ■ЭЛвктОО- магниг упругая мел-сбязь исполнит элемент

Рисунок I. Динамическая сметем», отраженная основные связи нейтрального ЭМП

Рисунок 2. Конструктивная схема и схемы выходных каскадов ЭМП

-ЛЛг- ■л Л ы п Л (та)

-3}

/г

Рисунок 5. Эквивалентные схемы »вменения электрической, магнитной и механической цепей ЭМП

й

Вбод исходной информации

0

Вбод начального значения Кг

Й

т

Вбод начальною значения /< у

|5| Кг-Ка*ЛКг

Расчет </т1р1, Ё

С конец 3 [?3 Печатьрвзу/цгатоб

I

а)

конец

Рисунок 4. Алгоритмы проектирования нейтральных ЗИП а - с минимальным током потребления) ~6 - с максимальным быстродействием

Й

~ВЗо<? исходной информации

Вбод начальных Значений К-Г.КПР

и

итерации по Кпо

Вычисление К4

Г

ШЛоЫ 4 Л ¿0 итерация по К1

ЖЕ

(¡3 Печать рвзумтатоб

б)

Конец ^

Рисунок 5. Устройство для определения динамических характеристик нейтральных ЭМП а - схема электрическая; 6 - пульт

Рисунок 6. Образцы разработанных управляющих ЭПМ а - с минимальным потреблением тока; б - с максимальным быстродействием

Рисунок 7. Образец разработанного силового ЭМП с минимальным объемом

ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 17 публикациях автора.

1. А.А.Заславский, В.М.Прошин. Ф.Ф.Тонов, Е.Е.Шорников.

К динамике электромеханического преобразователя пневматического привода с-широтно-импульсным управлением. Тезисы докладов всесоюзного симпозиума по пневматическим (газовым) приводам и системам управления. Тула. 1968, стр.32-33.

2. А.А.Заславский. К анализу функциональной взаимозаменяемости электромеханического преобразователя. В кн.: Динамика и точность функционирования тепломеханических систем. Тула, 1973, вып.8, стр.89-96.

3. В.М.Прошин, А.А.Заславский. К динамике преобразователя пневматического сервомеханизма. В сб.: Пневматические приводы и системы управления. "Наука", М., 1971.

4. А.А.Заславский. К проектированию электромеханического преобразователя пневмопривода. В сб.: Вопросы оптимизации и автоматизации конструкторских работ. Тула, 1972, вып.14. стр.102-107.

5. А.А.Заславский. Нейтральный электромеханический преобразователь в автоколебательной.системе управления. Автоматизация современной технологии. Москва. 1997, вып. 9 (в печати).

6. А.А.Заславский, В.М.Прошин. Некоторые вопросы проектирования электрического привода. Отраслевой научно-технический сборник. 1973, ВЫП. 44, стр. 22-29.

7. А.А.Заславский, Н.С.Илюхина, Е.Е.Шорников. Проектирование ЭМП с проводной линией связи в цепи управления на ЭЦВМ. Отраслевой научно-технический сборник, 1973. вып.63, стр.24-28.

8. А.А.Заславский, В.Н.Мызников, В.М.Лихтров и др..а.с. СССР № 35628, Электропневмоклапан, 1966.

9. А.А.Заславский. Б.М.Корнаухов. а.с. СССР № 45161. Электромеханический преобразователь с переменной жесткостью пружин, 1968.

10. Б.М.Корнаухов. А.А.Заславский. Электромеханический преобразователь. 1968.

11. Б. М. Корнаухов, А.А.Заславский, Ю.Г.Журавлев и др. а. с. СССР № 56740. Электромеханический коммутатор, 1969.

12. В.К.Борисов, А.А.Заславский, Б.М.Подчуфаров и др. а.с. СССР № 68898. Пропорциональный электромеханический преобразователь с обратной связью по углу отклонения якоря. 1971.

13. А.В.Белкин, А.Д.Козлов, А.А.Заславский и др. а.с. СССР № 84540. Электромагнит с повышенным быстродействием. 1975.

-2914. Ю. Г. Журавлев, А. А. Зелявинский. А. А. Заславский и др. а. с. СССР № 127435. Система управления быстродействующего привода с изменением начальных условий функционирования управляющего электромагнита, 1978.

15. Л.П.Полин. А.А.Заславский, Е.Е.Шорников, а.с. СССР № 137435. Пневмопривод с клапанным распределителем, 1977.

16. А.П.Панков, Н.С.Илюхина. А.А.Заславский, а.с. СССР № 151585. Силовой электромеханический преобразователь с уменьшенным моментом инерции якоря. 1980.

17. А.А.Заславский. Б.А.Никаноров. А.А.Яшин. Применение малогабаритного преобразователя в приборах лазерной хирургии. Вестник новых медицинских технологий. Тула. 1997. №1, стр. 114-117.