книги из ГПНТБ / Любчик, М. А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов

М . А . Л Ю Б Ч И К

ОПТИМАЛЬНОЕ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

СИЛОВЫХ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

МЕХАНИЗМОВ

© « Э Н Е Р Г И Я » МОСКВА 1974

П Р Е Д И С Л О В И Е

Прогресс науки и техники служит в наши дни глав­ ным источником роста производительности труда, сред­ ством неуклонного увеличения объема производства, преумножения общественного богатства, повышения жизненного уровня народа. В этой связи трудно пере­ оценить роль автоматики в промышленности, сельском хозяйстве, в науке, быту, специальных областях тех­ ники.

Развитие автоматики обеспечило создание новых областей науки и техники, а также способствовало усо­ вершенствованию и улучшению ряда существующих отраслей промышленности и производственных процес­ сов, в том числе связанных с передачей, управлением, контролем и распределением электрической энергии при ее использовании в различных современных приводах и установках.

■В свою очередь развитие автоматики немыслимо без

элементов, охватывающих также обширный класс сило­ вых электромагнитных механизмов, при помощи кото­ рых осуществляется преобразование поступившей на

муфты, пускатели, клапаны, вентили, защелки, фикса­ торы, тормозные, подъемные, тянущие или толкающие устройства и многие другие виды аппаратов и приборов, в конструкциях которых имеются силовые электромаг­ нитные механизмы, как основные или вспомогательные органы, выпускаются отечественной промышленностью десятками и сотнями тысяч штук в год. Следовательно, повышение их технико-экономических характеристик яв­ ляется важной научной и народнохозяйственной зада­ чей, решение которой должно опираться на достаточно

3

хорошо разработанную теорию, аналитические и экспе­ риментальные методы исследования, позволяющие пра­ вильно оценить влияние различных факторов на основ­ ные физические процессы, протекающие в указанных устройствах. Только на такой основе возможно создание промышленных образцов, которые при выполнении тре­ буемых функций отличались бы высокой надежностью, особенно в связи с ужесточением требований к систе­ мам, в которых они используются, и увеличением числа элементов в них, уменьшением габаритов и массы, уменьшением потребляемой энергии н расхода дефицит­ ных материалов, улучшенными статическими и динами­ ческими характеристиками н в том числе по быстродей­ ствию, износоустойчивости п др.

Таким образом, определяется задача о п т и м а л ь ­ ног о п р о е к т и р о в а н и я силовых электромагнитных механизмов, под которой в настоящей работе понимает­ ся поиск научно обоснованных инженерных решений, технически осуществимых и экономически целесооб­ разных.

. Оптимальное проектирование предполагает опреде­ ление значений варьируемых параметров, необходимых для конструкторско-технологической разработки изде­ лия, выбор которых приводит к экстремальному значе­ нию оптимизируемого показателя качества или целевой функции при заданных пли принятых ограничениях по условиям функциональной нагрузки на выходе механиз­ ма, допустимых нагрузках на активные материалы, по условиям производства, технологии, существующего сортамента на материалы и другим, специальным усло­ виям. При этом, естественно, оптимальное проектирова­ ние должно базироваться на достаточно строгих исход­ ных уравнениях, описывающих процессы работы силовых электромагнитных механизмов, и строгих математиче­ ских методах решения задачи. Приближенные методы, успешно использовавшиеся при предварительных про­ ектных расчетах указанных устройств и определившие возможность создания работоспособного образца, при оптимальном проектировании могут оказаться непри­ годными и привести к ложным (по оптимальности) ре­ зультатам.

Быстро развивающаяся техника вычислительных ма­ шин способствует положительному решению указанной, в ряде случаев достаточно сложной задачи. Последнее

4

определяется тем, что, несмотря на относительно не­ сложное исполнение конструкции силовых электромаг­ нитных механизмов и их магнитных систем, как, напри­ мер, приведенных в таблице, их расчет, а тем более оптимальное проектирование встречают ряд затрудне­ ний, определяющихся сложностью составления и со­ вместного решения системы нелинейных уравнений, ко­ торыми описываются процессы движения зарядов и масс, тепловое п магнитное состояние рассматриваемых устройств.

Особенные затруднения встречаются при учете дина­ мических режимов работы механизма, которые характер­ ны для этих устройств и должны учитываться при их оптимальном проектировании.

Теория электромагнитных элементов развивается многие годы и имеет свою историю. Работы отечествен­ ных и зарубежных ученых, изложенные в обширной тех­ нической литературе, только частично ук-азанной в при­ лагаемой библиографии, способствовали достижениям, полученным в области разработки и создания сущест­ вующих технических средств автоматики и в том числе электромагнитных механизмов. Особо большой вклад в развитие их теории внесли работы чл.-корр. АН СССР

Б. С. Сотскова, профессоров О. Б. Брона, Б. К. Буля, Б. Ф. Вашура.

Широко известны также работы докторов техн. наук Р. С. Кузнецова, Е. Л. Львова, Н. П. Ряшенцева, И. С. Таева, кандидатов техн. наук А. М. Бела-Белова, М. И. Витенберга, А. В. Гордона, В. А. Дулина, М. Г. Кобленца, Г. В. Могилевского, А. Г. Никитенко, И. И. Пеккера, П. В. Сахарова, А. Г. Сливинской, Ф. А. Ступеля, А. К. Тер-Акопова и др., способствовав­ шие практической реализации качественных разработок устройств рассматриваемого класса.

В настоящее время достаточно полно разработаны методы, связанные с проведением так называемых про­ верочных расчетов электромагнитных механизмов, при которых определяются их статические и динамические характеристики по заданным формам, размерам, обмо­ точным данным и другим исходным параметрам меха­ низма. В меньшей мере развиты методы проектных рас­ четов, дающих возможность предварительного опреде­ ления основных параметров устройства, необходимых для его конструктивной разработки и изготовления по

5

исходным критическим условиям. К работам, развиваю­ щим последние методы, автор относит также (Л. 50, 51]. И совершенно недостаточно разработаны и представ­ лены в литературе методы оптимального проектирования в указанном выше смысле. С целью хотя бы частичного восполнения пробелов в теории и практике оптималь­ ного проектирования силовых электромагнитных меха-

6

Внешний якорь, н.с. распределена Вдоль оси катушми.

В 0

Ш

' Г" I

низмов, аппаратов и устройств автоматики постоянного и переменного тока и написана настоящая книга.

При этом следует помнить, что принятие окончатель­ ного решения об оптимальности проектируемого меха­ низма, особенно в случаях, если он входит составной частью в достаточно сложное устройство автоматики и требует компромиссной оценки ряда характеризующих

7

его параметров, не может базироваться только на мате­

о том, что «оптимальность становится опасной, если принимать ее слишком всерьез» [Л. 21], понимая это хотя бы в том смысле, что решение технической задачи на оптимальность требует исключения формального подхода к результатам. В то же время разумный под­ ход к экстремальным задачам оптимального проекти­ рования силовых электромагнитных механизмов при возросших требованиях, предъявляемых к ним, и при увеличивающемся объеме их производства, как показы­ вают опыт автора, а также данные отечественной и за­ рубежной практики, облегчает задачу разработчика и способствует улучшению технических и экономических характеристик изделий, сокращению сроков проектиро­ вания.

Следует указать, что содержание книги базируется частично на материалах, ранее опубликованных, ссылки на них приведены с целью систематизации и строгости изложения вопроса. В большей части приведенные ма­ териалы отражают резуль+аты последних работ автора, выполненных им или под его руководством на кафедре «Электрические аппараты» Харьковского политехниче­ ского института нм. В. И. Ленина.

Приведенный в книге материал частично излагался в лекциях, которые автор читал студентам по специаль­ ности «Электроаппаратостроепие».

В заключение автор с благодарностью вспоминает участие и внимание чл.-корр. АН СССР Б. С. Сотскова к данной работе.

Автор выражает признательность доктору техн. наук, проф. Н. А. Бабакову за обсуждения и замечания по рукописи, а также товарищам' по работе доктору техн. наук В. Т. Омельченко, канд. техн. наук Б. В. Клименко, инж. С. Л. Дуну и Г. С. Беру, .совместная работа с ко­ торыми способствовала подготовке к изданию книги.

Автор благодарен рецензенту книги канд. техн. наук А. В. Гордону и редактору Е. Н. Зейну за замечания, которые были учтены.

Автор

Г Л А В А П Е Р В А Я

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИСХОДНЫЕ УРАВНЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

ПРИ ОПТИМАЛЬНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Проектирование различных по назначению электро­ магнитных элементов, устройств, аппаратов или их се­ рий предполагает принятие научно обоснованных ре­ шений, технически осуществимых и экономически или социально целесообразных.

Научно обоснованные о п т и м а л ь н ы е решения можно получить, базируясь на математических методах экстремальных исследований. Однако условия производ­ ства, наличие определенного сортамента используемых материалов, разнообразность зачастую противоречивых требований и ограничений, предъявляемых к проекти­ руемому объекту, требуют критического подхода к по­ лученным, математически обоснованным, оптимальным решениям. Логически оправданные при проектировании отклонения от экстремальных решений принимаются ни­ же как основа оптимального проектирования.

Проблема оптимизации может быть поставлена вшироком или несколько ограниченном плане. В первом случае понимается определение оптимального типа и исполнения проектируемой системы, например, по роду тока (постоянный, переменный, выпрямленный), по

-структуре электрического и механического входа и вы­ хода, по структуре и исполнению магнитной системы, оболочки и т. п. В такой постановке задача очень слож­ на и на данном этапе практически решается тривиаль­ ным путем, заключающимся в сравнении нескольких возможных вариантов по принятым технико-экономиче­ ским критериям.

Во втором случае предполагается определение до­ статочно обширной совокупности оптимальных парамет-

9