автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка программно-аппаратных средств автоматизированного исследования ферромагнитных материалов для повышения качества проектирования электромагнитных устройств

Р Г б ОАсковскии ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правше рукописи

ЗУБАРЕВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ.

(Специальности Об,09.01. - мектрические калины

05.13.16. - применение вычислительное техники, математического моделировании и математических методов в научны* исследованиях)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технически* наук »

ЯГ*

йосква 1993

Работа выполнена на кафедре энергоснабжения а электрооборудования летательных аппаратов Московского энергетического института.

Научный руководитель - кандидат технических наук

ведуний научный сотрудник АРБУЗОВ И. В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор ДЕЛЕКТОРСКИИ Б. А.

- доктор технических наук профессор ФИЛАРЕТОВ Г. Ф.

Ведущее предприятие указано в ревении специализированного Совета. _

Защита диссертация состоятся " /О " 1993г.

в час. ¿?£> мин. в ауд А/ б /У на заседания специализированного Совета К. 053.16.04 Московского энергетического института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организация, просим направлять по адрессу: 105835, ГСП. Москва Е-250, Красноказарменная ул., дом 14,Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан /Г" _1993г.

Ученый секретарь специализированного

Совета К. 053.16.04 ./с'

канд. техн. наук воиент

БЕСЕДИН И. М.

ОБШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Еярокое применение ферромагнитных материалов (№10 а электротехнике обусловлено тем, что он* является основой всех электромагнитных устройств (ЭМУ). Поэтому качественное проектирование в эксплуатация ЭМУ невозможны без понимания процессов, происходящих в их основных злекептах, выполненных из {■ИМ. Процессы перемагничивания ферромагнитных элементов является сложными для поникания я исследования я, следовательно, для формализация в силу их нелинейности. нестабильности, влияния предыстория иагнатного состояния, сложности геометричеохих форм элементов и граничных поверхностей между ними.

Основные магнитные характеристики широко распространенных ФММ приведены в справочной литературе. Однако, новые научные работы в области физики магнитных материалов, применение современных методов технологии их производства позволяют создавать новые ФММ и улучшать свойства известных. В настоящее время развитие ЭМУ связано с расширением режимов управления и их внедрением в новые области, применения. Становятся важными вопросы нееяедовалзя и ыоделирования не учитываемых ранее и поэтому слабо исследованных процессов: аккомодационных, импульсных, влияния вихревых токов, а также проблемы одновременного учета нескольких неординарных факторов. Получить необходимый набор характеристик ФММ сукествуши-ма средствам!! измерения достаточно трудно и не всегда возможно. Это влечет за собой постоянный рост требований разработчиков ЭМУ к средствам анализа ФММ, к набору магнитных характеристик, их качеству и времени определения.

С появлением средств автоматизации научных исследований и развитием управлягаей вычислительной техники, работаю«®« в реальном времена, стала возможной разработка средств оперативного исследования ФММ с получением полного набора нагнитных характеристик, требуемого при проектировании ЗМУ. разработка и создание новых высокоэффективных ЗМУ выдвигает специфические требования к набору аппаратных средств измерительных комплексов, и* программному и алгоритмическому обеспечение, а такж^ требует усовершенствования суаествусаих методов исследования Ф1»!М

Практическое пгсектирсг ание "МУ, работающих в неординарны?, усломчх, связано с бсяьол' кЧемом данных о перемагничивания va-терна£ илроком спектр частот Гдаэтому для разработки ко»-креткых устройств и сс*.р4х?чнг. гстрт-йчога объем* ;я<»рим»н?*я?.-иых данных целесообразно создание чатч'матячежей ws<-su г.с^мат-

ничивания ФММ, учитывасвей влияняе всех реальных факторов (например, вихревых токов). Это, в свою очередь, становится возможным на базе новое информация о процессах в ФММ, полученной новыми методами и средствами измерения.

Цель работы состоит в создании средств высокоточного оперативного анализа свойств ФММ и получении на их основе новой информации о физических процессах перемагничивания (аккомодация, влияние вихревых токов и т. д.) для улучшения качества и повышения эффективности проектирования новых ЭМУ.

Концепция работы основана на том, чтобы из опыта построения автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), накопленного в различных областях техники, сформировать АСНИ ФММ, разработать и реализовать автоматизированное рабочее место (АРМ) испытаний ФММ, выполнить испытания ряда материалов и обобщить их результат при формировании новых или усовершенствовании суцеству-бо.кх математических моделей перемагничивания ФММ.

Для достихения указанной цели на основе концепции работы нужно решить следуйте задачи:

1. Создать автоматизированные средства исследования магнитных характеристик ФММ.

3. Спланировать и провести экспериментальные исследования электромагнитных устройств и их ферромагнитных элементов.

3.Исследовать аккомодационные процессы перемагничивания и влияние вихревых токов на характеристики ФММ.

4. Идентифицировать параметры математической модели перемагничивания массивного материала с учетом влияния вихревых токов.

5. Выполнить синтез магнитомягкнх композиционных материалов (ММКМ) с заданными свойствами.

Методы исследования. Для выполнения работы в качестве базового выбран индукционный метод, на основе которого разработана его модификация - индукционно-цифровой способ измерений. Для его реализации в работе использованы методы непосредственной оценки электрических сигналов, кодово-импульсная модуляция при преобразовании измеряемых сигналов в цифровой код, электроаналогия оценки магнитных характеристик. Для проведения эксперимента использованы методы планирования эксперимента, статистических испытаний и вероятностных оценок. Для формализации экспериментальных данных использованы методы идентификации параметров, аппроксимации характеристик и алгебры матриц при решении систем уравнений. Математически? мололи роалиэованы системой программ на алгоритмичес-

ких лэыхах ФОРТРАН, АССЕМБЛЕР, Си в операционных системах ПЭВМ -KS DOS, мини ЭВМ - РАФОС, для микропроцессорных систем - СР/М.

Научная новизна:

1.Разработана модификация индукционного нетода измерений -индукционно- цифровой способ, позволяюоий оперативно, с высокой Точностью и в наглядной форме получить полный набор динамических и статических характеристик ФНН.

2. Разработана математическая модель ФММ, позволяющая рассчитывать на ЭВМ процессы динамического перемагничивания магнитного материала с учетом вляянпя вихревых токов.

Практическая дойность:

1. Разработаны и внедрены в опытную эксплуатации три автоматизированные системы для исследования статических и динамических характеристик ФММ на базах КАМАК-СМ4, МЭК-ГВВМ. КАМАК-микро-процессорных средств.

2. Разработана и внедрена в учебный процесс подсистема учебной АСНИ, состоящая из стенда и компьютерной обучавдей программы.

3. Разработана математическая модель ММКМ, позволявшая прогнозировать магнитные свойства материала, содержащего Fe, Si, Sn в зависимости от его состава и условий изготовления.

4. Разработана и реализована пакетом прикладных программ математическая модель динамического перемагничивания ФММ с учетом влияния вихревых токов.

Реализация работы. Разработанное АРМ исследования ФММ в полном объеме внедрено в опытную эксплуатацию на кафедре ЭЭЛА МЭИ. Результаты исследования конкретных материалов на АРМ нспользова-тись акционерным обществом "Детали машин" при разработке ММКМ; Российским НИИ Космического Приборостроения при проектировании !Ж?ктромягатеяей для трсхоидной роторной компрессорной установ-си; кафедрой Электромеханики МЭИ при проектировании гистерезисных 1 возвратно-поступательных двигателей с улучшенными механическими I рабочими характеристики. Автоматизированная система включена в сомплекмс лабораторных работ по курсу "Основы АСНИ", изучаемому в ©И.

Апробация—М&э™^ Результаты работы докладывались на XIV Все-¡оюзнсй научной конференции по проблемам авиации и космонавтики Тагаринские чтения" в 198?г. (г. Москва). IX Всесоюзной к*.нферен-;ии по постоянным магнит3.« в 19ЯЧг (г Суздаль), а так»? на нчуч-•ш семинарах я заседаниях ка^яры ЭЭЛА МЭИ в 1987-10<йгг Лвто-йтизкрованная система демонтг рнрсмпгзь на ВДНХ СССР е i^jir.,

где удостоена серебряной медали С удостоверение N14629 пост. Н199-Н от 25.11.91г.) и на международное выставке "Дни мирового бизнеса-91" в 1991г.(г.Москва).

Публикации. Основною положения нашли отражение в 3 печатных работах и 4 отчетах по научно-исследовательским работам.

Структура ■ объем работа. Диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 91 наименования и приложения. Работа содержит 177 страниц основного текста, 58 рисунков на 51 странице и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель, определена концепция, выполнена детализация цели и с формулированы задачи, которые нужно решить для достижения цели. Приведено краткое изложение основных результатов, выносимых на защиту.

В первой главе, исходя из состояния теории и практики ЭМУ, предъявляемых к ним требований и в соответствии с поставленной целью, определена совокупность магнитных характеристик ФММ. необходимых при проектировании ЭМУ. Отмечено, что . для качественного проектирования ЭМУ, наряду с характеристиками материалов, приведенными в справочной литературе, требуется дополнительные сведения о перемагиичявании ферромагнитных элементов. Так, например, устойчивое самовозбуждение генераторов зависит от величины остаточной намагниченности индуктора. Если не удается обеспечить пе-ремагничивание материала по предельной петле, характеристики которой приведены в справочной литературе, а перемагничивание осуществляется по одному из симметричных частных циклов из семейства петель, то необходимы характеристики этого цикла, отсутствуйте в справочной литературе. Поскольку, на условия самовозбуждения влияет массивные участки магнитопровода (например, для машин с внешним магнитопроводом: корпус, вал, втулки, хогти), процессы в которых, в свов очередь, существенно зависят от вихревых токов, то для точного расчета режима самовозбуждения генераторов, помимо ограниченной справочной информации о статических характеристиках, трубуются более детальные сведения о динамических характеристиках и семействе динамических петель гистерезиса ФММ.

В индукторных генераторах индукция в любой точке магнитной цепи изменяется только по величине без изменения знака. При этом магнитные материал« перемагничивастся по несимметричным частным

циклам. _ Следовательно, для качественного проектирования индукторных генераторов требуется характеристики симметричных и несимметричных частньгх циклов перенагиичивания ФММ.

При проектировании гистерезисннх двигателей (ГД), работающих в управляемых приаодах, требуется полный набор магнитных характеристик магнитожесткого ротора для всех режимов работы: функциональные зависимости ВСНЭ,Вг(Вт),НсСВт), Кв(Вт), РоСВт) для се~ мзйства петель гистерезиса, а также основная кривая намагничивания ВтСНт). Здесь В,Вт,Вг - индукции соответственно текущая, максимальная в вершине петли гистерезиса, остаточная; Н.Нш.Нс - напряженности магнитного поля соответственно текущая, максимальная в вершине петли гистерезиса, коэрцитивная сила; Кв,Ро-соответствен-но коэффициент выпуклости и потери на гистерезис. Существующая инженерная практика проектирования ГД базируется на использовании эмпирических методик, построенных в результате обобщения многолетнего опыта. Наиболее приемлемые результаты получаются при проектировании ГД с тонким шихтованным ротором и достаточно линеаризованными характеристиками магнитотвердых материалов (с Кв£0.65). При этом, как правило, предполагается, что все точки ротора в процессе запуска перемагничиваются по одной статической петле из семейства. Т^к как момент, развиваемый ГД, определяется удельными потерями на гистерезис, зависящими от формы петли гистерезиса, практически не изменяющейся на низких частотах перемагничивания шихтованного материала, то погрешность расчета характеристик при замене динамической петли гистерезисё статической -незначительна. Однако, в процессе запуска ГД, особенно работающих в цепях с повышенными частотами С400 и более Гц), с учетом реальной толщины ротора, магнитное состояние каждой из его точек характеризуется различными динамическими петлями из семейства, зависящими от частоты и уровня индукции Отсутствие в справочной литературе полного набора динамических характеристик перемагничивания магнитотвердого материала ротора ГД в широком спектре час-гот и недоступность их получения обусловили постановку и выполнение целого г)ялг сложнейших работ по построение инженерных методик 1роект!фования и анализа ГД с учетом реальных эффектов проявления ?ихревых токов. Однако, не смотря на важность результатов этих забот в целом, важность выводов и положений, расчетные соотчсле '.ия, полученные в , громоздки, не предполагает учета Фор* петель перемагничивания. имеют эмпирический характер, ограничс-еич;1 габером материалов, существупаих мэ момент выполнения рчбот и к:: ■

пользуемых в них. Для качественного проектирования ГД необходимо знать не только параметры семейства статических петель гистерезиса. определявших его характеристики в наиболее важном синхронном режиме, но и параметры целого семейства динамических петель, характеризуют леремагничивание ротора во всем спектре частот от частоты питания в пуске до нулевой в синхронизме. Причем, из-за влияния предыстории магнитных состояний ФММ, характеристики ротора ГД и в синхронном режиме будут зависеть от особенностей пере-магничивания его в запуске. При сложности процессов перемагничи-вания магнитотвердого материала ротора, при наличии вихревых токов процессы в роторе и в ГД в целом в ряде режимов пока не поняты и не осмыслены. Поэтому становится важной задача создания средств исследования процессов перемагничивания массивных ФММ в различных режимах с наглядной и доступной формой представления результатов.

Проведенный анализ существующих методов исследования ФММ показал, что они не удовлетворяют разработчиков ЭМУ в силу или сложности и трудоемкости процессов измерений и обработки результатов, или недостаточной их точности.или ограниченного объема получаемой информации. Создать средство полного и опереативного контроля и обработки результатов измерений магнитных характеристик ФММ возможно с использованием средств автоматизации. Наибольшими преимуществами при испытаниях ФММ обладает индукционный мет-п измерений. Он прост в реализации и удобен для автоматизации. Однако, известные версии индукционных способов дают ограниченный объем информации и относительно невысокую точность.

Предложенная и разработанная в настоящей работе модификация индукционного метода - индукцяонно-цифровой способ отличается от известных индукционных способов тем, что измерение производится с помоцыз быстродействуювих АЦП. а интегрирование и расчет всех характеристик ФММ осуществляет ЭВМ.

Суть разработанного способа состоят в следуюжем. Образец периодически перемагничивается переменным магнитным полем, создаваемым намагничивающим устройством. В течение одного периода перемагничивания с помощью двух синхронизированных быстродействующа АЦП измеряется мгновенные значения ЭФ, наведенных в измерительных обмотках на образце ев(1) я в катушке контроля напряженности поля ев(0. Мгновенные значения индукции ВС!) я напряженности поля ЖО исследуемого образца определяются путем численного интегрирования на ЭВМ и масштабного преобразования ЭДС е(1):

В(1) =2-10в 'СУв'Ьв *(0в-с1в) • к в 1 ~1 •/е (О -сЛ , (1)

ь

0 I

Н(0=2*10в*(^ •Ун*Нн-(Вн-с1н)-кн)"1 •/ е^СО-сИ , (2) о л н

о

где Ув,Ун-числа витков измерительной обмотки и датчика тока; Ьв(И1, БекН;, с)вш>-геометрические размеры контролируемого образца Сдатчика тока), соответственно высота, внешний и внутренний диаметры; кв.кн-коэффициенты усиления по каналам В и Н; ^-магнитная постоянная.

Для определения статических характеристик при заданном значении Н проводят измерения на ряде частот, программно устраняют фазовое рассогласование массивов В и Н, и семейство петель гистерезиса, полученных для разных частот, экстраполируют на нулевую частоту. При наличии семейства петель гистерезиса, полученных для различных уровней напряженности и частоты перемагничивания, параметры Вт,Ня|,Вг,Нс,Кв,м,Р определяют с использованием численных методов аппроксимаций функций и интегрирования.

Индукционно-цифровой способ позволяет фиксировать процесс аккомодации ФММ и определять характеристики частных циклов при наличии в магнитном по."е постоянной составляющей.

Таким образом, разработанный способ, позволяет оперативно измерить и в доступной форме представить полный набор магнитных характеристик ФММ в отличие от способов, существующих ранее.

Вторая глава посвящена разработке программнях и аппаратных средств автоматизированной системы испытаний ФММ.

На основе анализа состояния теории и практики применения ФММ, состояния и технического уровня оснащенности предприятий, принципов построения АРМ выбраны следующие варианты автоматизированных систем: на базе автономного крейта и интерфейса КАМАК, на базе мини ЭВМ и интерфейса КАМАК, на базе ПЭВМ и интерфейса МЭК.

Для проведения заводских приемо-сдаточных испытаний и оперативного контроля свойств материалов при их изготовлении целесообразно' использовать АРМ на базе автономного крейта, отличающегося предельной простотой и компактностью. Здесь функции управления и обработки экспериментальной информации возложены на микропроцессорные средства, реализованные, например, в виде модулей КАМАК. Программное управление всеми устройствами системы в процесс» съема и предварительной обработки информации выполняет контроллер автономного крейта типа 130А. Для окончательной обработки зкопс-

ло-

риментальной информации и вывода ее на алфавитно-цифровой дисплей САЦД) и на алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ) слупит модуль периферийного процессора типа 580. Если необходимо хранение и использование экспериментальных данных большого объма (превышающего 360 Кбайт - емкость накопителя на гибком магнитном диске), то мохно организовать общую базу данных на ЭВМ более высокого уровня иерархии. Последовательную передачу данных между АРМ и ЭВМ выполняет телетайпный модуль типа 505. Для сокращения времени обработки и вывода экспериментальных данных осуществляется параллельная работа модулей 180А и 580. В этом случае полное время получения результатов с выдачей графических данных не превышает 5 минут. Программное обеспечение реализовано на языках Ф0РТРАН-80 и МАКР0-80 для восьмиразрядных микропроцессорных средств 580 серии под управлением операционной системы СР/М. Программа реализована по блочно-модульному принципу и занимает не более 40 Кбайт ОЗУ.

Для научного исследования свойств WW требуются аппаратные средства с более высоким быстродействием и большим объемоа памяти. Решить эту задачу возможно на вычислительных машинах более высокой производительности. Стуктурная схема системы на базе ПЭВМ -МЭК приведена на рис. 1 и включает в свой состав: намагничивающее устройство (НУ) трансформаторного типа;объект исследования (ОН);датчик тока (ДТ); блок измерительных преобразователей (БИП), усиливающий аналоговые сигналы; стабилизированный истсчик питания постоянного тока (Б5-49), управляемый ПЭВМ; источник питания (УИП), управляемый ПЭВМ по двум независимым каналам; интерфейс. выполненный в международном стандарте МЭК и состоящий из набора функциональных модулей:(АЦП), синхронизатор-таймер (С/Г), регистр управления реле (РУР), крейт контроллер (КЮ; ПЭВМ типа IBM PC/AT 286; устройства отображения информации: (АЦД) и (АЦПУ).

Испытания разработанной системы показали, что она позволяет: исследовать характеристики магнитных материалов в полях до 375 А/см с частотами перемагничивания 20-1000 Гц^ снять полное семейство динамических характеристик на одной дискретно заданной частоте перемагничивания в течение 10-15с; получить статические характеристики ФММ; фиксировать процесс аккомодации & переменных магнитных попях в диапазоне частот 20-120 Гц; испытать WW при одновременном воздействии переменного и постоянного полей; оперативно обработать и получить графическую и цифровую информации по всем магнитным характеристикам на АЦД и АЦПУ, а также записать данные о результатах исследования в банк данных на магнитных на-

yun

PeOi I«

J^f:

Ль

%

4 4 цо-

Р>Л fa

Q/m 60-

2-. ftV-

40-

копителях ПЭВМ. Полное время обработки всех результатов с получением протокола не превышает 3 минут. Программное обеспечение реализовано на языках ФОРТРАН-4 и Си для ПЭВМ, реализовало по блоч-но-модульному принципу и занимает не более 160 Кбайт олереативной памяти.

Для повышения эффективности процесса обучения в области измерения магнитных характеристик на АРМ создана диалоговая компьютерная обучающая программа. Программа реализована на ПЭВМ типа 1ВМ РС/АТ и занимает около 2 Мбайт памяти. Минимальное время прогона (без пауз) составляет около 30 минут. 'Обучающая программа предполагает диалоговый интерактивный рехим работы с пользователем. Она содержит четыре раздела: информационно-справочный раздел о данных самой обучающей программы; два обучающих раздела с полным объемом необходимой информации и контрольными вопросами; раздел, содержащий конкретные инструкции оператору.

Третья глава посвящена результатам исследования ФММ на разработанном АРМ.

Проведены испытания около 500 образцов различных магнитных материалов' массивных, шихтованных, порошковых, магнитомягких и магнитожестких при различных частотах и уровнях напряженности поля. Оценка точности и стабильности разработанных средств измерения ФММ выполнена путем сравнения с данными эталонных образцов Результаты контрольных замеров параметров основной кривой намагничивания Вт и Нт эталонных образцов викаллоя отличаются от паспортных данных в пределах 1-3'/., причем наибольшее отклонение соответствует зоне насыщения материала. Для оценки достоверности результатов измерений проведены контрольные статистические испытания разработанной системы. Один и тот же образец викаллоя в течение месяца испытывапся в одних и тех же режимах. При этом установлено, что доверительный интервал при вероятности 0.99 составил 4'/., что свидетельствует о высоком уровне повторяемости результатов (рис.2).

Результаты исследования ФММ на АРМ использованы АО "Детали машин" при изготовлении новых ММКМ. Оптимальная структура материала, содержащего Ге. . 5п .найдена методами теории планирования эксперимента. В соответствии с ортогональным планом второго порядка (ПФЭгп) проведены испытания соответствующих материалов и построены полиномы, связывающие магнитные характеристики ММКМ с плотностью материала и процентным содержанием при фиксированном количестве Нп;

,СЗ)

Bm=l. 235-0. 0475-Х. -0.0525•Хг-0.025-X. -X»

__________________Р=0 212-0.0025-Х,-0.032-Хг~0. 017-Х, -Хг

fj-(0. 615-0. 025-СХ, +Хг)~0. 005-Х, -Хг^-Ю" Кв*0. 44-0.005-Xi -0.06-Хг-0.025-Х, -Хг где X, ,Хя - параметры, учитывающие соответственно относительную плотность материала и процентное содержание Si. При условии постоянства одного из факторов С плотность материала Xi =consO путем табулирования системы СЗ) построены семейства характеристик (рис.3) Адекватность полученных расчетных соотношений проверена путем сравнения экспериментальных и расчетных кривых намагничивания двух контрольных образцов ММКМ с относительной плотностью 92'/. и процентным содержанием кре^ 'ия 2% и 4%. Основные кривые намагничивания, построенные расчетным путем (сплошные линии) и снятые экспериментально (пунктирные линии) приведены на рис.', Они отличаются — на 2'/.,

При проектировании синхронного генератора с самовозбуждением на базе справочных данных о' свойствах материалов ошибка определения характеристик достигала 100-150%. Экспериментальные (1) и расчетные (2) характеристики холостого хода (а) и короткого замыкания (б) приведены на рис 5. Причина в том, что у иатериалов с высокой индукцией насыщения (49КФ, 27КХ) скльная зависимость магнитных характеристик от режимов обработки (термической и механической). Данные, приведенные в справочнике, характеризуют, как правило, предельную петлю, полученную после термообработки. В реальном объекте использовались нетермообработанные материалы. Характеристики холостого хода (а) и короткого заикания (б), рассчитанные по данным экспериментов на АРМ (3), приведены на рис.5 (пунктирные линии).

Для улучшения условий самовозбуждения в реальных объектах зачастую используют нетериообработанные материалы (например СтЮ). Они имеют большую величину остаточной намагниченности. Это приводят к увеличению начальной ЭДС враценяя генератора в 5 я более раз. Их характеристики отсутствуют в справочной литературе. На ряс.5,а приведена характеристики холостого хода генератора, рассчитанные по данным экспериментов, проведенных на АРМ, с термо-обработанной (1) я нетермообработаяной (4) втулкой, яэготовленной из материала Orló.

Исследования аккомодационных процессов проведены на шихтованном вшсаллоевом сердечнике при частоте перемагяячяваняя 50Гц с разными уровнями напряженности пом. Оказалось, что основное ах-

4 г 3 4 4 2 3-4

Рис. 3.

(

Тжс, 5.

хонодацяояиое изменение цикла происходит эа первых два периода перемагничивания. Траектории всех последующих циклов практически совпадают со вторым циклом. Изменение амплитуды инлукции Вт составило 0-23%, причем наибольшее значение соответствует области максимальной магнитной проницаемости.

Использование АРМ для динамических испытаний ФММ и контрольных образцов магнитопроводов ЭМУ с учетом процессов аккомодации позволяло оптимизировать режимы управления ЭМУ (в том числе ШИМ регулирование генератора с самовозбуждением) и дать рекомендации по формированию конкретных схем регуляторов на минимум потерь в транзисторных ключах и на частных циклах перемагничивания.

При проектировании ГД используется математическая модель статического перемагничивания ротора, которая представляет функции намагничивания (размагничивания) в виде:

Ь« А-ЬР*1 + 2-В-Ьр + С-Ь + 2-Ь , (4)

где Ъ учитывает направление процесса - размагничивание СбЬлИ/О) или намагничивание СбЬ/б1>0) 2-+1, а коэффициенты А.В.С.П определяются из условия прохождения ветрей петли через с.тр*Р',ч!!«-или экспериментальные точки (-1;- 1); (0;Ьгц); (ИсцЮ); Степень р выбирается аз неравенства:

гп

м пс(/4ьг(.'

1п ИсЦ^БгЛТ ] -ГЖБпТ!--

5 Р

(5)

где индекс ^ указывает на петли с максимальной магнитной проницаемостью; Ьс^.Ьг^ - относительные коэрцитивная сила и остаточная индукция петля.

От значения р зависят степень приближения расчетной петля гистерезиса к экспериментальной. Использование р, вычисленного по (5} для построения петель гистерезиса различных материалов показало. что наилучшие результаты получаются для материалов с Кв<0.65 при уровнях индукции 1.1-Втр >Вв£ 0.5'Вш^. Для "выпуклых" материалов с высоким значением Кв петля гястерезяса. построенные с использованием (5), получаются с большими погрешностями я даже физически противоречивыми (например, на рис.6 петля (1} имеет двухзначными функции намагничивания Сразмагничивания)) Поэтому к возникла необходимость уточнения р для каждого конкретного материала. Набор экспериментальных данных испытаний ФММ на АРМ позволил усовершенствовать математическую модель их перемагнячяваняя методами идентификация параметров. В результате точность аппроксимации петля гистерезиса увеличилась * на 12%. Например, для материала 52К11Ф петля гистерезиса (экспериментальная (2), расчетные при значениях р на границах интервала (1,4) я вычисленная по уточнённому (идентифицированному) значение р (3)) показаны на рис.6. Погрешность аппроксимации для петель (1) я (4), построенных по (5), составляет 2:14%. Если хе выбрать р по рекомендациям данной работы, то погрешность аппроксимации уменьшится до 2%.

Применение усовершенствованной модели перемагничивания ротора при расчете характеристик ГД позволило снизить погрешность * до 15Х. Электромеханические характеристики ГД в пусковом (а) я синхронном (б) режимах приведены на рис.7, где экспериментальные зависимости изображены пунктирной линией,4 а рассчитанные до и после идентификации - штрихпунктирной и сплошной линиями соответственно.

Четвертая глава посвящена разработке математической модели магнитожесткого массивного материала с учетом влияния вихревых токов.

Из анализа существующих моделей вытекает, что, несмотря на большое количество работ по расчету процессов перемагничивания массивных магнитопроводов, до настоящего времени не создано достаточно точной и удобной математической модели перемагничивания массивных элементов даже простейших форм, типа торонда. Известные модели описывают либо статические петли гистерезиса, либо пере-мэгничивание на высоких частотах с заменой петель равновеликим эллипсом Если массивный тороил поместить в переменнс" магнитное

ряс.7.

поле, в нем наводится вихревой ток. В результате образец находится под воздействием суммарного поля, создаваемого возбуждаюмм и вихревым токами. Вихревая составлявшая напряженности оказывает размагничивавшее действие на образец и увеличивает фазовый сдвиг между индукцией и результирующей напряженностью пола. Основой для математической модели динамического перемагничивания массивного материала выбрана известная модель статического перемагничивания С4),как описывающая все семейство симметричных и несимметричных петель. Результирующая напряженность (fit ) магнитного поля в массиве представляется геометрической суммой' двух составлявши -намагничивающей (fio) и вихревой СЙв): fir » fio + Йв. Составлявши напряженности fto определяет по С4) статическую индукцию в образце СЁо). При известных.геометрических размерах образца и законе распределения индукции BoCt) в нем можно определить ЭЛС (£в) и ток С1в), наведенные в эквивалентном вихревом контуре и его параметры Rb и Хв;

ebco-S-CdBoCU/dt). !в«£в/2ь, Zb«Rb+JXb, Rb=p-(L3/S3). XB=2-n-f-LK3«f-h*^Q-LnCD/d). i6) Где р.цс - соответственно удельное сопротивление и статическая магнитная проницаемость материала; S, D, d.h-геометрические размеры образца, соответственно площадь поперечного сечения, внешний и внутренний диаметры и высота; Ls.Sa.Lra - геометрические размеры (длина и площадь поперечного сечения) и индуктивность эквивалентного контура. Параметры эквивалентного контура вычисляются при отсутствии потоков рассеяния. Удельное сопротивление материала, если возможно, берется ь справочной литературе или определяется экспериментально по результатам частотных испытаний образца на АРМ 4

. По величине вихревого тока, используя закон полного тока, рассчитывается напряженность вихревого поля (Йв): fe=la/La. В результате формируются два массива данных - массив мгновеных значений индукций BoCU и соответствующий ему массив мгновенных значений напряженности внешнего намагничивасцего поля HiCt), представлявшие в табличной форме динамическую пьт/гс перемагничивания материала. На рис.8 приведены динаьеическме петел»! гистерезиса вккаллоя, построенные расчетные путем (сплошные /thhjüO к снятые зкспериыентально С пунктирные линии) на частотах перемагк«чивани>: 50. 125 . 250 Гц. Наибольшее расхождение фсо.'^ расчетных петель п:стер»зяса ст экспериментальных составило 10-15*/.

изложены основная результата работы.

В приложении приведены протоколы испытания различных ФММ, результаты исследования аккомодационных процессов, фрагменты компьютерной обучающей программы, акты о внедрении и использовании результатов работы в научных исследованиях, в прмышленности и в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан и технически, реализован индукционно-цифровой способ исследования процессов перемагничивания ФММ.

2. Разработаны и внедрены в опытную эксплуатацию три Сна базах ПЭВМ, мини ЭВМ, автономного крейта) автоматизированные системы с соответствующей пакетами прикладных программ для исследования свойств ФММ широкой номенклатуры (викаллои, пермаллои, электротехнические стали, ММКМ). АРМ на базе ПЭВМ позволяет: оперативно (в течение 10-15 с) с погрешностью 1-37. при многократном повторении снять полный набор магнитных характеристик в разрешенном диапазоне частот 20-1000 Гц и получить результат в графической и цифровой формах на АЦД и АЦПУ; собирать и хранить данные о результатах исследования различных материалов в банке данных.

•3. Проведены практические испытания около 500 образцов различных ФММ, в результате чего:

- построено семейство характеристик, позволяющее формировать структуры ММКМ, обеспечивающие требуемые магнитные свойства;

- проанализирована особенность аккомодационных процессов перемагничивания магнитожестких материалов при различных уровнях индукции и выработаны рекомендации по , формирование конкретных схем регуляторов;

- идентифицированы параметры математической модели перемагничивания магнитожесткого материала, что позволило уменьшить погрешность расчета характеристик ГД до 15Х.

4. Разработана математическая модель перемагничивания ФММ с учетом влияния вихревых токов, реализованная системой прикладных программ, позволяющая:

- по пяти типовым экспериментальным или справочным данным о материале iBwp. Hmp,Br(j.Hcfj,p) и геометрическим размерам c.^r.rr.а моделировать на ЭВМ процессы перемагничивания мзссим с гктр-мг-ностью 10-1

- снизить количество эксйоримвнтальных данных с пермп-чачир wa массива в юир^к^м "л-'ттре чл:- . н^хздимых при пг'-^т:»; т ЭМУ;

- математическая модель может быть использована как подмодель в существующих моделях ГД, синхронных генераторов ж других ЭМУ.

Основные положения джссертация опубликованы в следующих работах:

1. Арбузов С.В. .Зубарев С.Н.,Конан A.A. Автоматизированная система для исследования магнитных характеристик ферромагнитных материалов. // Тезисы докладов XIV Всесоюзно! конференци по проблемам авиации и космонавтики "Гагарннскне чтения". -М. : КАТИ, 1988. -с. 8-9.

2. Арбузов Ю. В. .Зубарев С.Н. .Конин А. А. .Огукалик В.Н. Автоматизированная система для исследования магнитных характеристик на базе управляющей мини-ЭВМ к интерфейса КАМАК. // Тезисы докладов sa IX Всесоюзной конференции по постоянным магнитам - Суздаль 1988. -с. 105-106.

3.Арбузов D.В. .Зубарев С.Н. .Конин A.A. .Стукалин В.Н. Микропроцессорная система для исследования магнитных характеристик ферромагнитных материалов. // Сб.научн.тр. МЭИ N218.-М. ,1989.- о. 47-53

Типография МЭИ, Крвси9М«яры<ииая. 13,