Программное обеспечение по исследованию моделей электромагнитных устройств Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Литература

1. Загорняк М.В., Бранспиз Ю.А. Приближенная формула напряженности магнитного поля над серединой зазора двухполюсного матитного железоотделителя // Изв. Вузов. Электромеханика. -1992. - № 3. - С. 62-65.

АНДРЕЕВА Елена Григорьевна, д.т.н., доцент кафедры прикладной математики и информационных систем Омского государственного технического университета.

ТАТЕВОСЯН Александр Сергеевич, к.т.н., доцент кафедры электрической техники Омского государственного технического университета.

А. С. ТАТЕВОСЯН А. А. ТАТЕВОСЯН

Омский государственный технический университет

УДК 621.314

Электромагнитные устройства (ЭмУ) широко используются в качестве электромагнитных реле, контакторов, тяговых, подъемных и тормозных электромагнитов, электромагнитных двигателей в приводах машин и механизмов возвратно-поступательного и ударного действия. Конструкции ЭмУ разнообразны, а проходящие в них физические процессы сложны для математического описания. Расчет определенных конструкций ЭмУ, удовлетворяющий выбранному критерию оптимальности, может быть в значительной степени автоматизирован с применением программного обеспечения. Для этого требуется построение математических моделей ЭмУ, описывающих происходящие в них физические процессы при определенных условиях. Математическая модель ЭмУ представляет собой систему уравнений, в которой связаны между собой параметры ЭмУ и применяемое к нему воздействие. Параметрами ЭмУ являются геометрические размеры, обмоточные данные, масса подвижных частей, жесткость упругих элементов и другое. Управляющим воздействием служит изменение тока в обмотке ЭмУ, вызванное изменением приложенного напряжения. В математическую модель вводят также уравнения, описывающие тепловые процессы в ЭмУ, характеристику намагничивания материала магнитопровода, удельные сопротивления обмоточного провода и тепловые параметры элементов конструкций.

Для облегчения решения задачи оптимизации магнитной системы ЭмУ при заданных технических условиях при разработке программного обеспечения целесообразно предварительно вывести соотношения размеров катушечного окна и сечения магнитопровода, при которых масса активных материалов будет минимальной. Массу любого ЭмУ можно найти по выражению:

тЭМу =тс+т,+тм (1)

где тс - масса магнитопровода, тя - масса якоря; ти - масса обмотки.

Исходя из условия обеспечения выходных параметров ЭмУ, будем полагать, что площади поперечных сечений катушечного окна под намагничивающую обмотку и магнитопровода заранее определены. Тогда в зависимости от типа магнитной системы и конструкции магнитопро-

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ_

В СТАТЬЕ РАССМОТРЕНО ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ С ПРЯМОУГОЛЬНЫМ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ МАГНИТОПРОВОДАМИ, СОСТОЯЩИХ ИЗ ШИХТОВАННЫХ И СПЛОШНЫХ МАССИВОВ СТАЛИ. ПРИВЕДЕНЫ ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ ПО МИНИМУМУ МАССЫ АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МАКСИМУМУ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ НА ЗАДАННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ.

вода массу ЭмУ можно выразить через независимые переменные, определяющие отношение размеров катушечного окна и сечения магнитопровода. Для нахождения минимума массы ЭмУ необходимо определить частные производные от* выражения ( 1 ) по независимым переменным и приравнять их к нулю. В табл. 1. представлены соотношения составляющих минимальных масс конструкций ЭмУ для прямоугольных (рис.1 а, б; рис. 2 а, б ) и цилиндрических (рис.3 а, б) магнитопроводов с одной и двумя намагничивающими обмотками. На рисунках приняты обозначения: 1 - обмотка, 2 - магнитопровод, 3 -якорь, 2( - ширина среднего стержня, - ширина окна магнитопровода, Л - высота катушечного окна; о -наружный диаметр магнитопровода, Ь - диаметр якоря; Ь - толщина диска полюса.

ШШ

Лх2^

а)

2(, 2'

Рис. 1. Конструкция ЭмУ на основе Ш-обраэного магнитопровода а) с одной обмоткой; б) с двумя обмотками.

2к_: л.

а )

Рис. 2. Конструкция ЭмУ на основе П-образного магнитопровода а) с одной обмоткой; б) с двумя обмотками.

■

«

г§

а !

< X V

а) б)

Рис. 3. Конструкция броневого ЭмУ: а) с цилиндрическим якорем и корпусом; 6) с цилиндрическим якорем и корпусом в виде скобы.

Таблица 1

Кон-струк-иил Сосгааляющие массы ЭмУ Оптимальные соотношения * "г>я/л - ^ . '■ "1 А гнпт " ^

Рис. 1 а т, п ^ - ] + * ■''акни Гм К* """' 2 /, 2 л-,. V; ■ Ь \ г с 'опт - - =■1 + - -' *1' Гм "г

Рис 16 т, +

Рис 2 а м,. = 2.?СЛГ1)'С(& 21, " 2 Л, Кс и ' , Он'*. 'опт ~ э» с * " ОКНО Л 1 У У

Рис 7 6 тш ^гХсКсГс^ + 2/) ».и = 2Л„И,„ К 2/ * Я » ^ | А , . Я $окиа % 1 Ум попт = ~ ' л г— 7, ~ > 2<| 4 Ас Кс Г с г опт 2 г V V у " тна 'м

Рис 3 а т.. =лс»гсгс('1*3'»2г,) «.и = *)) А /г V™ Ли "опт = т~ с 1 + 1 '", т, 2 Лс. Кс г с

Рис 3 6 тс + 2Ь*г/,), щ. = ,г М<1 *1 * -Чинна К 3 Г и Попт , 1 .. 1Г' 2 \с Кс у,

Приведенные в табл.1 соотношения были использованы при разработке программного обеспечения «Статика и динамика ЭмУ» (рис. 4). В состав программного модуля «Статика ЭмУ» входят программы:

-по исследованию статических характеристик ЭмУ с прямоугольными и цилиндрическими магнитопроводами (рис. 5 а,б);

-по оптимизации конструкций ЭмУ, обеспечивающих заданные значения тяговых усилий при конечных значениях рабочих зазоров, исходя из условия минимума массы активных материалов (рис. 6 а,б).

Программный модуль «Динамика ЭмУ» содержит программы:

-по оптимизации конструкций ЭмУ для привода машин и механизмов возвратно-поступательного движения на заданный закон движения якоря по максимуму коэффициента полезного действия (рис.7).

-по синтезу многоконтурных схем замещения ЭмУ с массивными сердечниками для оценки влияния вихревых токов в стали на энергетические показатели привода (рис.8).

В программном обеспечении расчет магнитного поля при определении статических характеристик ЭмУ заменен расчетом магнитной цепи [1]. Такая замена позволяет существенно повысить эффективность используемых алгоритмов [2,3] на предварительных стадиях оптимального проектирования ЭмУ с последующим уточнением их геометрических размеров и обмоточных данных на основе численного расчета магнитного поля [4].

Рис.4. Диалог выбора типа магнитной системы ЭмУ в программе «Статика ЭмУ».

112

129

01606 6 23 13.54

0 0861 11.76 099

00604 1666 425

0 0479 26 66 2 86

0 0404 24 77 206

о.оз.и. 26.36...... ...... '65

0 0316 31 68 1 21

0 0298 34 72 097

0 0267 37 49 079

0 0250 39 99 0 66

0 0237 18 0.66

Рис.5 Результаты расчета статических характеристик ЭмУ в табличной (а) и графической (б) формах отображения информации

штшттвщт

ЫЪ=]

' ^ < |)И||"М11|||8

ЩшНЫ рё--

где?

(гаг

*( - Г—

%

Твя^рр.чФбФ-сферам рро^.

л*— I

Pio|ect1

-С01517ВД1 м №il 1 -.OÖ037Ä32 he M -О/МбЕБС

I М 5

Л '

.МРЧ77379 И »(.1C&D783

Пщщм^онт (м2| ■ «¿0306271401

Cfeverf« првесц,а'[|«0 »Т®011ЭЕ-в (

Bhtw -3453J2M

nopt «2BQ&t85 UnWa ' 0 01677379

fcüN -=01088284

ki «2104375

.i, >

Рис.6. Оптимизация магнитной системы ЭмУ по минимуму массы активных материалов на заданное значение тягового усилия при конечной величине рабочего зазора в программе «Статика ЭмУ».

¡6» iW/a

! hs 1иянмГ,

!< 115213000 "

^ 1<iU вв2.шгпмо«

Рис.7. Расчет оптимальных параметров электромагнитного привода в программе «Динамика ЭмУ».

ssra В5ЧГ5

ШЯБ74 ПНЮ9 7&ВЕК 071GZ9 7«7<9 121Г.К]?1«]52ЯП7]29&ЧШ14&21меГ7Э | В1ОЕ1ЭК11«ДО0Э1!К!»007Г»?123ЯЭ6ЭЛ10Г4а ;

ВШ) 0020 0.0М ОЯЗ

Рис.В. Синтез многоконтурной схемы замещения электромагнитного привода по методу затухания постоянного тока в обмотке намагничивания в программе « Динамика ЭмУ».

Литература

1. Никитенко А. Г: Автоматическое проектирование электрических аппаратов.-М.: Высш. шк., 1983-192 с.

2. Ковалев Ю.З., Татевосян A.C., Мягков А Д. Оптимизация параметров-'электромагнитных двигателей по максимуму КПД // Изв. вузов. Электромеханика. -1987. -№7.-С.25-31.

3. Ковалев Ю.З., Татевосян A.C., Ощепков В.А. Математическое моделирование электромагнитных двигателей с массивными сердечниками. // Изв. вузов. Электромеханика. - 1992. - №2 . - С. 38-44.

4. Андреева Е.Г., Татевосян A.C. Анализ конструкций электромагнитных двигателей с различным профилем рабочего зазора на основе численного эксперимента. Изв. вузов. Электромеханика. -1992. - №3. С. 22-26.

ТАТЕВОСЯН Александр Сергеевич, к.т.н, доцент кафедры электрической техники ОмГТУ.

ТАТЕВОСЯН Андрей Александрович, студент группы Э-417 ОмГТУ.

в и СТЕПАНОВ УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЛАСТИ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ

Омский государственный технический университет

УДК 621.3.078

В СТАТЬЕ РАССМАТРИВАЕТСЯ МЕТОД УВЕЛИЧЕНИЯ ОБЛАСТИ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ. МЕТОД ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПУТЕМ ДОБАВЛЕНИЯ ЧАСТИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ МОДУЛЯТОРА (РЕГУЛЯТОРА) К СИГНАЛУ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ. ПРОВЕДЕН АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЕ, ПОЛУЧЕНЫ РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ, НА ОСНОВЕ КОТОРЫХ МОЖНО ВЫБРАТЬ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ. МЕТОД МОЖЕТ БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАН ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ОБЛАСТИ УСТОЙЧИВОСТИ ДРУГИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.

Сущность метода увеличения области устойчивости систем стабилизации напряжения осуществляется путем Добавления выходного напряжения модулятора к сигналу обратной связи и поясняется чертежами, где на рис. 1 показана структурная схема системы; йа рис. 2 амплитудно-фазовые характеристики непрерывной части системы: сплошной линией - выходное напряжение от частоты ^(со); штриховой линией - напряжение обратной связи ия(со).

Входное напряжение им(со) системы регулируют по ширине импульсов ключом Э (регулирующим элементом) и фильтруют сглаживающим фильтром или непрерывной линейной частью НЛЧ. Напряжение между входом и выходом непрерывной части делят с помощью индуктивного делителя (дроссели И, 1.2) так, что полученные напряжения на плечах делителя отличаются друг от друга во много раз, например, на два порядка. С общей точки