CC BY
73
УДК 621.318.3.001.63
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ
© 2014 г. Д.В. Батищев, И.А. Большенко, В.П. Гринченков, С.А. Пахомин
Батищев Денис Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (86352) 55-1-13. E-mail: batishchevd@gmail.com
Большенко Ирина Александровна - ассистент, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (86352) 55-1-13. E-mail: irenka84@mail.ru
Гринченков Валерий Петрович - канд. техн. наук, профессор, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (86352) 55-113. E-mail: grinvp@yandex.ru
Пахомин Сергей Александрович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электромеханика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (86352) 25-52-17.
Batishchev Denis Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electromechanics and Electrical Devices», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (86352) 55-1-13. E-mail: batishchevd@gmail.com
Bolshenko Irina Aleksandrovna - assistant, department «Elec-tromechanics and Electrical Devices», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (86352) 55-1-13. E-mail: irenka84@mail.ru
Grinchenkov Valeryi Petrovich - Candidate of Technical Sciences, professor, department «Electromechanics and Electrical Devices», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (86352) 55-1-13. E-mail: grinvp@yandex.ru
Pachomin Sergei Alexandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Electrician», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (86352) 25-52-17.
Рассмотрены вопросы проектирования электромагнитного привода пилота гидрораспределителя автономного транспортного средства, предложена методика проектирования электромагнитного привода с насыщенным магнитным шунтом, выполнено численное моделирование электромагнитного привода с использованием программного комплекса FEMM, представлены результаты расчетов и моделирования динамики электромагнитного привода в пакете OpenModelica. В программном комплексе FEMM проведена оценка влияния внешнего постоянного магнитного поля на тяговую характеристику электромагнита путем имитации однородного магнитного поля, вектор напряженности которого направлен под различным углом по отношению к оси симметрии электромагнита.
Ключевые слова: электромагнитный привод; пилот гидрораспределителя; методика проектирования; моделирование; система управления; FEMM; OpenModelica.
In article questions of design of the electromagnetic actuator of the pilot of the hydraulic control valve of the autonomous transport are considered, the technique of design of the electromagnetic actuator with the saturated magnetic shunt is offered, numerical modeling of the electromagnetic actuator with use of the program FEMM is executed, results of calculations and modeling of dynamics of the electromagnetic actuator in an OpenModelica are presented. In the program FEMM the assessment of influence of an external constant magnetic field on the force-position characteristic of an electromagnet by simulating a uniform magnetic field vector of intensity is directed at a different angle in relation to an axis of symmetry of an electromagnet is carried out.
Keywords: electromagnetic actuator; pilot solenoid controlled valve actuator; design technique; modeling; control system; FEMM; OpenModelica.
В судовой автоматике широко применяются золотниковые гидрораспределители с дистанционным управлением, выполненным на базе электромагнитного привода. Характерными особенностями в технических требованиях, предъявляемых к подобным приводам, являются:
- достаточно пологая тяговая характеристика электромагнита со значительным усилием в исходном положении;
- широкий диапазон изменения температур рабочей жидкости в гидрораспределителе, что увеличивает диапазон изменения начального усилия электромагнита;
- минимальные массогабаритные показатели и потребляемая мощность привода, являющиеся общими для всех типов автономных транспортных средств.
Задача проектирования электромагнитного привода состоит в выборе конструкции электромагнита,
определении основных геометрических размеров, обмоточных данных и системы управления, обеспечивающих заданные технические характеристики.
Несмотря на разнообразные конструктивные исполнения, электромагнитные приводы в своей основе, как правило, имеют магнитные системы электромагнитов (ЭМ) с втяжным или дисковым якорем [1, 2].
При этом формирование требуемых тяговых характеристик ЭМ осуществляется:
а) конструктивными способами - путем выбора формы и геометрии взаимодействующих поверхностей рабочего зазора, выполнением магнитной системы с изменяемой геометрией подвижных частей (якоря или стопа);
б) выбором формы взаимодействующих поверхностей якоря и охватывающего его фланца, применением вставок из магнитотвердых материалов;
в) механическими способами - применением механических передаточных средств, предварительным свободным разгоном якоря и подвижных частей, использованием упругой связи якоря с нагрузкой;
г) электрическими способами - форсированием пускового тока, изменением тока в обмотке, импульсным питанием обмотки, комбинированным питанием переменным и постоянным токами.
Выбор рациональной конструкции ЭМ, определение квазиоптимальных соотношений основных размеров ЭМ, учет рекомендаций по выбору значений магнитной индукции в магнитопроводе, параметров катушки, паразитных зазоров, немагнитной прокладки, места расположения рабочего зазора и применение внутреннего воротничка способствуют рациональному использованию МДС, повышению КПД, максимальным значениям развиваемых тяговых сил [2, 3].
Анализ конструкций ЭМ, используемых в гидрораспределителях, показывает, что наиболее эффективными являются броневые электромагниты с различной формой сопряжения якоря и стопа. Для увеличения начального тягового усилия ЭМ при максимальном зазоре используется ферромагнитный шунт [1, 3].
Далее полагаем, что проектируемый ЭМ имеет конструкцию, представленную на рис. 1. Он имеет плоский якорь и стоп, в котором предусмотрено отверстие для прохода немагнитного вала гидрораспределителя. Для обеспечения эффективного сопряжения тяговой характеристики ЭМ с пружинной характеристикой гидрораспределителя используется насыщенный магнитный шунт [3].
Задача проектирования ЭМ решается в два этапа. На первом этапе проводится оптимизация базовых параметров ЭМ и с использованием методов теории электромагнитного поля, на втором этапе уточняются интегральные характеристики и корректируются размеры конструкции.
В качестве исходных данных в проектном расчете первого этапа используется граничная точка тяговой характеристики ЭМ при минимальном зазоре. При этом мощность, потребляемая ЭМ в продолжительном
режиме, не должна превышать заданное значение, а его объем должен быть минимальным.
Рис. 1. Эскиз электромагнита: 1 - корпус; 2, 3 - пусковая и удерживающая обмотки; 4 - гильза и верхний фланец; 5 - нижний фланец; 6 - якорь
Мощность, потребляемая ЭМ, определяется по формуле:
N _ 12R _ F 2 р/ср
"к k з
где I - ток в обмотке электромагнита, имеющей омическое сопротивление R; F - МДС обмотки; р - удельное электрическое сопротивление провода обмотки; 4р - средняя длина витка обмотки; "к - площадь сечения обмоточного окна; к - коэффициент заполнения обмотки.
При проектировании ЭМ полагаем, что базовыми (определяющими) размерами являются: D - наружный диаметр ЭМ; d - диаметр якоря; h - толщина корпуса ЭМ; Lк - размер обмоточного окна в осевом направлении.
Определим параметры 1ср и "к через базовые размеры:
_ ЬК(Б - d - 2И)
1ср _ ;; , "к _"
2
2
При ограниченном внешнем диаметре D мощность будет являться функцией только двух независимых параметров d и Lк:
N^, Ьк) _ F, ¿к) %р(° + ^ . к КЬк(Б -d - 2Н)
Значение h можно определить исходя из равенства магнитных потоков в воздушном зазоре и стали магнитопровода:
h =
1 d 2 - d02 К 4D
4
где кс = Бст/Б8 - коэффициент, учитывающий насыщение стали магнитопровода через соотношение Бст с индукцией в рабочем воздушном зазоре.
Аналогично определим МДС обмотки намагничивания:
с
F(й, Lк) = — Б, (й) + Н(Бст)(D - к +
Ц о
где 8 - суммарный «паразитный» воздушный зазор в магнитной системе ЭМ, складывающийся из остаточного зазора между якорем и стопом и зазором в воротничке между якорем и направляющей.
Таким образом, задача определения оптимальных параметров проектируемого ЭМ может быть связана с минимизацией целевой функции
2 = шт(^(й, Lк) - N)2,
где N - заданное значение мощности, потребляемой ЭМ.
При этом значение искомого размера й ограничено неравенством й < (В - 2^к+к)). Значение кс может варьироваться в диапазоне от 1,2 до 1,6. Изменением кс, а следовательно, степенью насыщения магнитной системы можно воздействовать на величину усилия в конечном положении якоря.
В дальнейшем предложенный алгоритм проиллюстрируем на примере проектирования электромагнитного привода с параметрами:
- ход якоря ЭМ от 3,25 до 0,1 мм;
- противодействующее усилие, создаваемое возвратной пружиной золотника, изменяется от 80 Н в
Расчетные п
начальном положении якоря до 190 Н в конечном при температуре жидкости -30 °С, при температуре +50 °С эти параметры снижаются соответственно до 40 и 100 Н;
- потребляемая ЭМ мощность в продолжительном режиме не более 8 Вт;
- внешние габариты ЭМ должны вписываться в квадрат со стороной не более 60 мм.
В качестве исходных данных при проектировании принимается: ^ = 8 Вт; кз = 0,5; р = 1,7610-8 Ом-м; 8 = 0,0003 м; Рэм = 190 Н; = 0,0065 м; В < 0,059 м. Магнитопровод ЭМ выполнен из конструкционной стали марки Ст10. В расчетах кривая намагничивания Н(Бст) аппроксимирована сплайнами.
Расчеты оптимальных параметров конструкции ЭМ, выполненные на ЭВМ по приведенному выше алгоритму, представлены в табл. 1.
Для обеспечения значительного начального усилия при максимальном рабочем зазоре и эффективности действия магнитного шунта необходимо увеличивать МДС обмотки ЭМ, чтобы создать насыщение магнитопровода в зоне магнитного шунта. Из технической литературы известно, что высота шунта соответствует максимальному значению воздушного зазора [3].
Для оптимизации параметров шунта и определения необходимой МДС обмотки необходимо рассчитать распределение индукции магнитного поля в зоне шунта. Аналитического решения такая задача не имеет, поэтому выполняется численное моделирование электромагнитного поля в ЭМ с помощью программного комплекса FEMM [4].
Таблица 1
аметры ЭМ
Параметр D, мм d, мм h, мм LK, мм B5, Тл Вст, Тл F, А N, Вт
Значение 59 29 1,8 55 0,88 1,68 1034 8,0
а б в
Рис. 2. Расчетная область (а) и результаты расчетов (б), (в) в программном комплексе FEMM
Расчетная схема модели, построенная на базе геометрических размеров, определенных в проектном расчете, приведена на рис. 2. После корректировки диаметра якоря электромагнита, длины ЭМ и зоны магнитного шунта результаты расчета тяговой характеристики ЭМ гидрораспределителя при его включении для различных температур рабочей жидкости представлены в табл. 2 и на рис. 3.
Из расчета следует, что необходимая МДС обмотки при включении ЭМ составляет 2000 А, а для удержания якоря в притянутом состоянии достаточно 750 А. Из приведенных данных видно, что во всем температурном диапазоне тяговая характеристика ЭМ превышает заданную противодействующую характеристику по всему ходу гидрораспределителя.
Обмотка управления ЭМ разделена на пусковую, обеспечивающую форсировку при включении ЭМ, и удерживающую, соединенную последовательно с пусковой и обеспечивающую фиксацию якоря в притянутом положении. Для улучшения теплообмена пусковая обмотка наматывается непосредственно на металлическую разделительную гильзу (рис. 1, поз. 4), жестко соединенную с направляющей.
При форсировке тока в обмотке самоуправляемый электронный ключ шунтирует удерживающую обмотку. Электрическая схема ключа приведена на рис. 4.
Время замкнутого состояния ключа на транзисто-
ре УТ определяется параметрами цепи, состоящей из резистора R и конденсатора С. Стабилитрон VD2 защищает затвор транзистора от перенапряжений. Аналогичную функцию выполняет диод VD для стока транзистора УТ.
Резистор R представляет собой терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Это позволяет корректировать длительность форсировки в зависимости от температуры окружающей среды.
Диод УП1 защищает электронный ключ от неправильной полярности подключения источника питания. Предохранитель Е обеспечивает защиту от токов перегрузки и короткого замыкания.
Модель электромагнита и его схемы управления в программном пакете ОpenModelica [5] приведены на рис. 5 а. В результате моделирования получены зависимости изменения токов в пусковой и удерживающей обмотках (рис. 5 б), перемещения якоря (рис. 5 в) и его скорости (рис. 5 г).
При температуре окружающей среды -30 °С время форсировки составляет 2,0 с, а при повышении температуры до +20 °С снижается до 0,6 с.
Компактное расположение электрооборудования на автономных транспортных средствах приводит к необходимости оценивать влияние внешних постоянных и переменных электромагнитных полей на работоспособность используемых устройств.
Таблица 2
Тяговые характеристики ЭМ для различных температур рабочей жидкости
5, мм 3,25 3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1
t = 20 °C, IW = 2000 А
Рэ, Н 184 183 183 183 184 184 185 186 189 192 196 202 210 221 237 261 308
t = -30 °C, IW = 1795 А
Рэ, Н 167 167 167 167 168 169 170 171 174 177 181 187 195 205 221 244 292
t = 50 °C, IW = 1416 А
Рэ, Н 134 133 134 134 136 137 139 141 145 148 153 158 165 175 190 213 266
Рис. 3. Тяговые и механическая характеристики ЭМ гидрораспределителя: 1 - зависимость Рэм(8) при t = 20 °С, Ш = 2000 А; 2 - зависимость Рэм(5) при t = -30 °С, Ш = 1795 А; 3 - зависимость Рэм(5) при t = 50 °С, Ш = 1416 А; 4 - механическая (противодействующая) характеристика ЭМ Рпр(8)
Рис. 4. Электрическая схема ключа
Для спроектированного ЭМ была проведена оценка влияния внешнего постоянного магнитного поля на тяговую характеристику ЭМ. Расчет проводился в программном комплексе FEMM, при этом на границах расчетной области (рис. 6) формировались граничные условия, имитирующие однородное магнитное поле, вектор напряженности которого направлен под различным углом по отношению к оси симметрии ЭМ.
Вектор напряженности внешнего магнитного поля может или совпадать с направление оси г, имея только компоненту Нг, или совпадать с направлением оси г -Нг, или направлен под углом к указанным осям.
/, А
0.1
0,2
хх 10 3, м
Пусковая обмотка
Удержив ающая обмотка
0.3 0.4
б
v, м/с
0.3 0,2 0,1 о -(11
0.5
0.6
0,7
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
-0 5
t, С
0.02
0.06
t, с
(I 07
0,04 0,06
р
0.08
t, с
Рис. 5. Результаты моделирования
а
t.
В последнем случае компоненты Hz и Hr определяются следующими соотношениями:
Hz = H sin (a); Hr = H cos (а),
где H - модуль вектора, который направлен под углом а к оси r.
При этом расчетная область имеет размеры, представленные на рис. 6.
Рис. 6. Границы расчетной области
Рассмотрим вариант, когда вектор напряженности внешнего магнитного поля совпадает с направлением оси г и равен Нг. Учитывая выражение для г составляющей вектора А, запишем
1 d(rA) r dr
= Р о Hz.
Интегрируя последнее соотношение, получим
А = Н •
Следовательно, на граничной стороне расчетной области аЬ должно выполняться условие А = 0, на h
стороне cd - А = р,0— Н г ,на сторонах Ьс и ad значение А изменяется по закону
A = Hz.
Аналогично для варианта, когда вектор напряженности внешнего магнитного поля совпадает с осью г и равен Нг, запишем
дА
— = -Цо Нг • дг
После интегрирования получим следующие граничные условия на границах расчетной области:
- сторона ad - А = 0;
- сторона dc - А = -ц0^Нг;
- на сторонах аЬ и cd А изменяется по линейному закону: А = -ц0 Нг2.
Используя принцип суперпозиции, получим граничные условия в расчетной области для произвольного направления действия вектора внешнего магнитного поля, задавая угол а по отношению к оси г:
- на стороне аЬ - А = -ц0Нг;
г
- на стороне Ьс - А = -ц0^Нг + ц0 — Нг;
h
- на стороне cd - А = -ц0 Нгг + ц0 — Нг;
г
- на стороне ad - А = №0~ Н г .
Расчеты тяговой характеристики ЭМ, выполненные для режимов, в которых вектор напряженности внешнего магнитного поля Н , равный 400 А/м, совпадает или противоположен по отношению к оси симметрии ЭМ, представлены в табл. 4. Там же, для сравнения, приведена тяговая характеристика при Н = 0.
Из полученных данных видно, что корпус ЭМ является эффективным магнитным экраном, и внешнее магнитное поле напряженностью Н = 400 А/м практически не влияет на тяговую характеристику ЭМ.
Если вектор внешнего магнитного поля перпендикулярен оси симметрии ЭМ, то его влияние не только ослабляется экранирующим действием материала корпуса, но и не влияет на осевую составляющую тягового усилия, направленную вдоль перемещения якоря.
Таблица 4
Расчетные тяговые характеристики для Н = +400 и Н = -400 А/м
5, мм 3,25 3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1
H = 0 А/м
Рэ, Н 184 183 183 183 184 184 185 186 189 192 196 202 210 221 237 261 308
H = +400 А/м
Рэ, Н 183 182 182 182 183 183 184 186 188 191 196 201 210 221 237 260 308
H = -400 А/м
Рэ, Н 184 184 184 184 185 186 187 189 191 194 199 205 214 225 241 264 311
в
Рис. 7. Трехмерные модели и опытные образцы ЭМ приводов. Пояснения в тексте
На рис. 7 представлены трехмерные модели и опытные образцы электромагнитных приводов (а и б) с ручным дублером на электромагните (а) и ручным дублером на пилоте (в), а также гидрораспределитель с электромагнитными приводами на пилоте (в).
Опытная эксплуатация спроектированного электромагнитного привода подтвердила соответствие его технических характеристик заданным требованиям и обеспечила надежную работу гидрораспределителя.
Работа выполнена в рамках проекта № 2829 по теме «Электромеханические преобразователи для специальных и промышленных технологий» в рамках гос. задания № 2014/143, а также при поддержке стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки
Поступила в редакцию
по приоритетным направлениям модернизации российской экономики № СП-6838.2013.1.
Литература
1. Щучинский С.Х. Электромагнитные приводы исполнительных механизмов. М., 1984. 152 с.
2. Казаков Л.А. Электромагнитные устройства радиоэлектронной аппаратуры. М., 1978. 168 с.
3. Любчик М.А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. М., 1974. 392 с.
4. Meeker D.C. Finite Element Method Magnetics, Version 4.2 (080ct2013 Build), URL: http://www.femm.info (дата обращения 10.06.2014).
5. Проект OpenModelica. URL: http://www.openmodelica.org (дата обращения 06.06.2014).
24 июня 2014 г.
