книги / Применение постоянных магнитов в электромеханических системах
..pdfЕсли необходимо осуществить длительное растяжение (сжатие) ро тора при отстройке от критических частот изгибных колебаний, а также изменить радиальную жесткость Ср МО на длительный период то с целью снижения энергопотребления МО можно использовать прин цип импульсного управления намагниченностью постоянного магнита, изложенный в [ 4 ] .
Данные варианты управления позволяют улучшить динамические характеристики, а также повысить надежность роторных сист м на МО с постоянными магнитами и пассивной радиальной стабилизацией эа счет совершенствования алгоритмов управления токами электро механических элементов МО. Основное достоинство МО таких типов - сохранение простоты конструкции электромеханических элементов.
Для реализации предложенных алгоритмов требуется введение до полнительных элементов только на информационном уровне.
Рассмотренный принцип демпфирования МО в тангенциальном на правлении можно применять и при пассивной зубчатой стабилизации в аксиальном направлении. Управление жесткостью МО ротора, а так же его иэгибными колебаниями за счет аксиального растяжения (сжатия) может быть использовано в других типах МО: электромаг нитных, комбинированных, магниторезонансных и т.д .
ЛК Т Е Р А.Т У Р А
1. Пат. 4266095 США, МКК Р16 С 39/06. Магнитная опора/
А.Р.Миллнер/Д 981,
2 . Пат. 3937533 США, МКК |
Р 16 С 39/00. Аксиально |
и радиаль |
||
но управляемая магнитная опйра/Л.Вейлетт/Д976. |
|
|||
3 . Пат. 3976339 |
США, МКИ |
ПЬ С |
39/00. Система магнитной |
|
подвески/ А.В.Сябнис// 1976. |
Р 16 С |
|
|
|
4 . Пат. 4090745 |
США, МКИ |
39/00. Магнитное |
подвеши |
|
вание. с усилением жесткости магнитного поля/Д.Р.Дохон, А.В.Сабнис /Д 9 78 .
5 . А .с. 1337979 СССР, МКИ Н 02 Р 1/18 . Способ пуска электро двигателя цилиндрической конструкции на радиальных упругих опорах/А.А.Карпов, В.А.Трегубоэ//0ткрытия. Изобретения. 1987. №34.
6 . Карпов А. А ,, Тт >губов-В.А. Снижение энергопотребления маг нитных опор при импульсном управлении намагниченностью магнита// Сб.науч.трудов. №179. М .: Моск.энерг.ин-т, 1968. С .119-126,
1Ш ВШ И4ЕСШ МОДЕЛЬ ТРАНСФОРМАТОРА МАЛОЙ МОЩНОСТИ
С ОТКРЫТЫЙ СЕРДЕЧНИКОМ
Мд-.науч.сотр. Ю.П.ИВАНОВ, хацд. техн. наук доц.Н. 3 .!/1АСТЯЕЗ, канд.техн. наук ст.н ауч .сотр . Г.С.МЫЦЫК
На разных стадиях разработки источников вторичного электропи
тания (ИБЭЮ требования к точности проектирования всех элементов,
в том числе и электромагнитных, различны. Так, на стадии структур, но-аягоритмической оптимиэации.ИВЭП проводятся сравнительные рас
четы варигнтоь, не требующие высокой точности, поскольку все па раметры системы еще не известны. На этой стадии можно не рассмат ривать многие второстепенные явления, учитываемые при окончатель
ном конструктивном расчете. |
|
|
|
"* В данной работе |
при создании |
математической |
массоэнер |
гетической модели трансформаторов малой мощности |
(ТМ1.1), т .е . си |
||
стемы алгебраических |
и логических уравнений, определяющей зависи |
||
мость удельной млссы |
ГПу и КЦД |
ТММ, введены следующие допущения, |
|
необходимые на стадии структурно-алгоритмической |
оптимизации: |
||
трансформаторы проектируются нг, заданное превышение температуры обмоток ТГЖМ; расчетная электромагнитная мощность равна полезной; намагничивающий ток не влияет на потери в первичной обмотке; плотности тока р обмотках принимаются равными; сечение окна дели* ся меаду ебмотками поровну.
Обычно коэффициент заполнения окна Кок принимается постоян ным, не зависящим от размеров ТММ, т .е . от мощности и частоты пи-
тания, но среннитель:ше расчеты свидетельствуют 6 заметном влияли
его* |
на удельные' характеристики ТММ. В табл.1 |
приведены результа |
|
ты расчета по методике [ 2 ] |
отношения удельной |
массы ГПу?при теку |
|
щем значении К0ц - ОД - |
0,607 к минимальному значению ту2 |
||
при |
>%н- 0,607 (для трансформатора с броневым сердечником из |
||
стали 34^2 и оптимальной геометрией). Ошибка в определении ту
при малых размерах (и малых |
Кок ) может достигать 50$ |
и необходи |
|||||
мо учитывать |
изменения |
кон |
с размерами даже а |
сравнительных рас |
|||
четах. В расчетах зависимость кои от размеров |
учитывается |
по-раз |
|||||
ному: либо кон задается г зависимости от базового размера |
й таб |
||||||
лично, как в |
нормали НПО. С06.С01, что, однако, |
приводит к |
появ |
||||
лению циклоп |
итерации |
в программе расчета ту |
и |
ф , |
что |
услож |
|
няет программу и увеличивает машинное время, либо осуществляется аналитическая аппроксимация, что проще и нагляднее. Анализ таблич ных зависимостей нормали НПО 6С6.С01 поко-зал, что они достаточно хорошо аппроксимируются зависимостью вида
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( I ) |
Отклонения |
иом от |
табличных не |
превышают 10-15 |
$ , |
/77« - |
не |
||||
более 8-10 |
$. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица I |
|
|
|
Рг, |
|
Л |
|
Значение ту1/т1г, |
при |
Кон , |
равном |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Вт |
|
Гц |
0.1 |
0.2 |
, 0.3 |
С,4 |
| |
0.5 |
\ 0,607 |
|
20 |
|
1С0С |
1.46 |
.1,16 |
1,05 |
1,01 |
1 1,003 |
:[ т |
г - |
|
2000 |
|
хсоо |
1,48 |
1,18 |
Т,07 |
1,02 |
1,005 |
1 .0 |
||
2000 |
|
50 |
1,27 |
1,08 |
1,02 |
1,0 |
| 1,00011 |
1,0 |
||
|
Часто в сравнительных и даже конструктивных расчетах коэффици- |
||||||
ент |
теплоотдачи |
&к |
принимают постоянным. Но фактически изменение |
||||
<ХНпри изменении базового |
размера О. весьма заметно: при увели |
||||||
чении базового |
размера а |
от 0,8 до 4 см |
ССН уменьшается на 30$. |
||||
Влияние СХ.Н на удельные характеристики Т1С4 велико :_^по эдной из |
|||||||
моделей ТММ [23 |
для естественного режима |
Ссс^ ‘ |
и |
||||
погрешность в определении ГПу может быть недопустимо большой |
|||||||
(до |
30-40$). Поэтому даже в |
сравнительных расчетах следует |
учиты |
||||
вать |
изменение |
ССН от размеров. Зта зависимость предложена в [ I ] |
|||||
|
и „ = сс„У авн/ м / У % 75 |
|
м 'Г |
||||
Здесь (Хно - значение <ХН |
при превышении температуры поверхности |
||||||
катушки Д6Н* 50 |
°с |
и высоте катушй |
« 5 см; согласно [ I ] , |
||||
Нк-2/а. , где |
|
2 - безразмерный геометрический коэффициент. |
|||||
|
Уравнение (2) |
следует использовать при разработке массоэнерге |
|||||
тической модели ТММ. |
|
|
|
|
|||
|
Проектирование ТММ проводится на заданной превышение |
темпера |
|||||
туры катушки* В соответствии с классической методикой на стадии теплового расчета должны быть известны все потери и размеры всех
теплопередакщих поверхностей, лоз толу она непригодна на стадии
проектировочного расчета. Обойти э.то ‘противоречие удалось в [ I ] Обобщив результаты •большого .объема экспериментальных исследов*
ний тепловых процессов, |
автор [ . I ] |
предложил сравнительно |
прос |
тую аппроксимацию уравнения теплопередачи в ТММ |
|
||
Рк |
Л,г , |
|
(3) |
«>,=(/+ V)/ [ |
/ + М ( %б+ у)/(/+0,г У0) 3; |
(4) |
|
V -Рс/Рн ~ отношение потерь в стали |
Рс к потерям в меди |
Рн % |
|
^~Лс/Рн~ отношение плошядей поверхностей охлаждения сердечнюв
Пс и катушки Л# ♦ |
|
|
к„ |
|
|
|
|
Еще .более простое выражение для |
предложено в [2 ] |
||||||
|
а Куо+(Ку1 ~ НГо)У> |
|
|
(5) |
|||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(6) |
значение |
к»ф йэ (4 ) при |
Р = 0; |
|
|
|
|
|
|
« „ • 2/ и + р и в 1 Ъ + щ ) |
- |
(7) |
||||
значение |
Ку/ из (4 ) при |
У = 1^ |
|
|
|
|
|
Использование аппроксимации |
Ну |
по |
(5 ) |
позволяет |
значительна |
||
упростить анализ основных соотношений, в ТММ. |
|
||||||
По (3 ) определяется средняя |
объемная |
|
температура, близкая |
||||
к температуре, измеренной |
по сопротивлению, |
и близкая |
к темпера* |
||||
туре поверхности катушки. Однако в расчетах необходимо знать тем пературу наиболее нагретой точки. В ^ 1 ] показано, что для боль шинства ТММ с открытым сердечником температура наиболее негретой
точки превышает температуру поверхности 5-10%; что соответст вует погрешности тепловых расчетов. Поэтому можно принять » что Двц в (3 ) - это температура наиболее нагретой точки. Для трак*
форматоров с закрытым сердечником этого сделать нельзя из-за за
метной погрешности (20-40 $) , и для ТММ с |
тороидальным сердечников |
следует разрабатывать свою модель. • |
|
Составим математическую модель Ш 1, |
предназначенную для раем |
та их удельных характеристик. |
|
Уравнение связи между расчетной мощностью Р , В*А, и базо вым размером й имеет.вид
Р-20 Кр/пТНсквк % %к/ва*, |
<е) |
где Кф- коэффициент формы кривой' напряжения: |
т - число фаз; |
^- частота? Ис - коэффициент заполнения сердечника сталью;
Рл |
, |
рои -общеизвестные |
геометрические коэффициенты [ I ] |
у |
- |
плотность тока; В - |
индукция. |
|
Масса активных частей - |
сердечника и катушки с учетом массы |
|
изоляции равна |
|
||
|
м=т\_(Гм- Г») % «он+Гс Ус«с+Г»?«] о3, |
|
.;?) |
||
где |
^ |
, р* - |
плотность меди, изоляции, стали, |
г/см |
о |
; |
|||||
% |
• 9с ~ геометРическ1ге коэффициенты. |
|
|
||
|
Удельная масса трансформатора вычисляется по форл^ле |
|
|||
|
|
ГПу Жм/р. |
|
(9а) |
|
|
Для расчета /77у необходимо знать базовый размер Т&А а |
, вхо |
|||
дящий в выражение (8 ), гда,однако, плотность тока ^ |
и индукция |
||||
В |
неизвестны и определяются при заданном превышении температу |
||||
ры А&и.. |
|
|
|
|
|
|
Потери |
в катушке равны |
|
|
|
|
|
Р «= № |
*;*<?« а 3 - |
|
< » ) |
Решая совместно ( I ) , |
(2 ), (3 ), (1 0 ), получим |
|
|
||
|
/ - < * ? & . » „ / / * , % р е ? / (г * 'а * ), |
ш > |
|||
где р - удельное электрическое сопротивление материала обмоток г
(рпи - геометрический коэффициент [_ I ] .
|
Потери в стали сердечника,с одной стороны, |
можно определить |
||||||
как |
|
|
|
$/л |
ГГ/б/ |
*/б |
||
|
= уРн- |
Лк/л,, |
||||||
|
уЛ&д |
<хт <рто |
К г / 12) |
|||||
а с |
другой |
- |
|
|
|
|
|
|
|
Рс =РсоВ &? У с «е <рс а*-/ 0 '3, |
|
|
|
(1 з) |
|||
где |
Рс0- |
потери |
в стали, В т/кг, |
при |
# = I |
Тл |
и |
7е = I кГц» |
|
И» (I?.) |
и (13) |
найдем индукцию |
В |
|
|
|
|
в •[ т <хко <р„н
Подставив |
( I I ) , |
(14) |
в (8 ), |
поля*™1 |
|
|
, |
|||
Р * 6,26нфт ^ |
|
|
|
|
|
|
е Щ |
|
^ г к щ \ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(10) |
Продифференцировав |
(16) |
по |
V |
и приравняв |
производную к |
|||||
нулю, можно найти отношение |
потерь |
^орЪ |
» ПРИкотором при задан |
|||||||
ном & |
развиваемая |
мощность максимальна или при:данной модности • |
||||||||
размера ТММ минимальны: |
|
|
|
_ / |
|
|
|
|||
|
^орЬ ~ ^ Кро |
(*у/ - |
|
|
|
|
(16) |
|||
Заменим в |
(15) |
величину |
Ну |
с |
использованием |
Р0р$ |
||||
.. /,п |
_(Ну?~нро)у+Нро |
г^+бУорг |
*уо |
2 » + 6 »ор* . |
||||||
«у/Г п н - |
ф |
|
= |
<?»ч>ь |
<р„н |
в'Чрй *Рп |
||||
|
|
Фон |
|
'Рпн |
||||||
Р-6,2бкфт(*ке) <р9 у>он |
*РрА@н &&ааЪ |
>»-у-®*У0рх) |
(17)
/& <***■*$&*
(Ш $*а
(р % Л ъ г с У с) Ж
(18)
Из (18) найдем базовый размер
|
|
|
|
|
М и |
|
(19) |
|
Используя |
(9 ) и (9 а ), определяем |
/77у . Вычислив из (И ) |
||||||
и (74) р и |
В |
, можно |
оценить потери |
Рк |
по |
(10) и Рс |
по (13) |
|
■ ю и |
|
/ |
|
|
|
|
|
(20) |
|
Р =Р/( Рк +Рс+Р) |
|
|
|
|
|||
"им/г/альные размеру и ?/инимель.нал удельнай масса достигаются, |
||||||||
если в уравнении (19) |
выбрать |
1/ * |
» |
Во при малых |
||||
мощностях, |
частотах сети и потерях в |
стали |
оптимальное |
отношение |
||||
:о * ;е с ь 1^ ,$ |
не |
может бы ть реализовано: |
для |
этого пришлось бы в ы - |
||||
брать индукцию э сердечнике, значительно |
превышав-ей Вп |
допу |
||
стимое по условиям насыщения. В этом случае приходится отходить |
||||
от оптимального |
отношения потерь |
и оптимальной индукции |
||
д0 >Вп . Как |
известно, режим работы трансформатора при индук- |
|||
ции В^Вр называется вынужденные, а при |
В0^В - |
естественным [ I ] . |
||
Мерой отступления' от оптимальности режима является |
коэффициент |
|||
вынужденности |
Ь = В 0/ 5П |
|
|
(21) |
|
|
|
||
Установим взаимосвязь между параметрами трансформатора и до пустимым рабочим соотношением потерь \»р. Подставляя л из.
(19) в (1 4 ), получим
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(22) |
|
Подставляя V = Уоръ и (2 2 ), |
чаДдем |
д0 |
и, |
используя (2 1 ), |
|
|||||||
определим |
Кр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 4$0УСйЬ'^ (с&коД9к |
<Р„<эУ ‘*(б.25МКт |
Ф..)г 1 |
|
|||||||
> в„~в„ \&оГс%)\ |
*+* |
|
) |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
В0 |
|
|
(23) |
|
С другой |
стороны, |
найдем из |
(22) |
при У«*У |
^ и предельную |
|
||||||
______ |
я |
___ __ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
' 1 > « |
( 1 + ё ) |
] |
__ |
} |
|
|
(245 |
|
|
|
|
|
* |
. |
|
|
25,5Л226-7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
&Уов$ |
\ |
|
|
|
(25) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
■р \ * ъ * * уч* 1 -1 |
|
|
|
|
|||||
Подстановка В0 и Вп |
з (21) |
дает уравнение для определения Чр |
||||||||||
|
в-о,з!в_ сгур/Уррг +&У-™ |
|
|
|
|
|
||||||
. |
* |
|
~ (»р/Уорс)(2 |
|
|
|
|
|
(26) |
|
||
Порядок расчета по предложенной модели следующий: |
|
|||||||||||
1 . |
По |
( б ) , (7 ),.(1 6 ) определяется |
кУ0, Л>, , |
м0(Л . |
|
|||||||
2 . |
По |
(23) рассчитывается |
коэффициент |
вынужденкости ре'^ма |
- |
|||||||
3 . |
Если |
I , |
то |
УорЪ' |
и '8*Ва |
если Н^ > / , то ур |
||
находится по |
(26) |
« 8 =8„. |
|
|
|
|
||
4 . По (I ? ) вычисляется |
Л . |
|
|
|
|
|||
5 . По (I ) определяется |
Кок • |
|
|
|
||||
6 . |
Производится |
расчет |
М |
ин Му по |
(9 ) |
и (9 а ). |
||
7 . |
Находятся ^ |
и В по (IX ) |
и (1 4 ). |
|
||||
8. Рассчитываются Р и |
Рц |
по |
(10) |
и (1 3 ). |
||||
9. Определяется К1Щ по |
(2 0 ). |
|
|
|
||||
Алгоритм расчета не содержит циклов, а включает в себя толь |
||||||||
ко одно разветвление. Значения Я |
, у |
и В могут быть использо |
||||||
ваны в |
конструктивном расчете |
выбранного варианта ТММ. |
||||||
Для проверки правомерности введенных при составлении модели допущений сравним результаты расчетов, по данному алгоритму и ма шинной методике конструктивного расчета НПО ''Якорь" и базирующей
ся на общеизвестных положениях. Методика НПО "Якорь" учитывает реальное заполнение окна, значение намагничивающего тока, но при постоянной,заранее‘заданной “индукции. Поэтому результаты, полу
ченные по методике НПО "Якорь", приведены к оптимальней по мини муму общих потерь индукции и постоянному превышению температуры
А $ н = 50 °С. Результаты расчетов |
даны в табл.2 , |
где |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
Рг ,В-А |
1 |
Значение |
т |
при / |
Гц, |
равном |
||
1 |
|
|
|
|
|
|
||
50 |
4С0 |
|
ХОСО |
| |
5000. |
|||
|
1 |
|
||||||
50 |
0,95 |
• |
1,С6 |
|
1,17 |
|
0,87 |
|
100. |
1,03 |
|
1 ,0 |
|
|
1,12 |
|
0,86 |
200 |
.0,96 |
|
1,03 |
|
1 ,0 |
|
0,9 |
|
500 |
|
|
1,11 |
.• |
Х.С85 |
|
1,17 |
|
ту* , Щг - значения удельной массы, |
определенные по методике |
|||||||
НПО "Якорь" и предлагаемому алгоритму. Как видно, в основном раз ница в значениях удельной массы не превышает 10&, что может слу жить доказательством правомерности использования разработанной модели в сравнительных расчетах.
-а?.-
ЛИ Т Е Р А Т У Р А
1. БальянР.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники. Сов. радио, 1971..
2 . Дворников С.М, Вопросы оптимального проектирования авиа ционных трансформаторов повышенно?* частоты: Азтореф. дис. канд.техн.наук. М., 1976.
■анализ мАПМТоажягричгоик опор цаприроадяин НА ОСНОВЕ ЗКСПЕРИМЕИТАЛЬНыХ ИССЛВДОБАЛИЯ
Мл. науч. сотр. . В.МОСЯГИН, кацд. техн. Неук вед.науч.сотр.В.АЛРЕГУБОВ, инж. В.С.РОДЙН, йнж. Т. Н.НОВИКАС
Используемые в настоящее время электромагнитные опоры (ЭМО) центрирования чувствительного элемента поплавковых гироскопов наряду с достоинства.ми(например, хорошие энергетические характе ристики) тлеют существенный недостаток: наличие уводящих момен тов, обусловленных-гистерезисом и анизотропией материала ротора, недостаточной динамической жесткостью. Постоянная времени обмо ток магнитоэлектрических опор (МЭО) центрирования по сравнению
с аналогичном параметрогЭМО на порядок меньше [ I ] , а динами ческая жесткость больше пр.плерно на два порядка» что позволяет уменьшить время приведения поплавка в центральное положение,т.е. время готовности. Кроме того, МЭО обладает свойством реверсиро-- вания силы (определяется направлением тока в обмотке), высокой степенью линейности зависимости силы от •*тока, возможностью ре гулирования сил и момента путем перераспределения токов и ста бильностью параметров. Эти особенности должны обеспечить малое значение и стабильность уводящего момента. Отметим, что столь важные преимущества МЭО используются недостаточно. Одна из при чин этого - слабая изученность их свойств. В данной работе ста вилась задача: восполнить этот пробел путем экспериментально го исследования разных конструктивных модификаций МЭО.
На рис.1-3 представлены три модификации исследованных МЭО.
Они состоят из датчиков силы (опор) |
по продольной, вертикальной |
и горизонтальной.осям (ДС^ , ДСу , |
ДСз ). Устройство центрирова- |
Рис Л . Модификация I МЭО
ния снабжено датчиком угловых (ДУ) перемещений подвижной части от носительно оси X , датчиками положения (ДО) относительно осей X ,
У 2 |
'.РГ-х ’ |
ДДуо |
ДО2 ) к датчиком момента (ДМ), отличакшксл |
||
от ДСу |
только |
схемой |
подключения обмотки |
управления/ Все эти |
|
элементы на рис Л -3 |
не |
показаны. Сигналы с |
ДУ, ДО-^ , Д О у, ДП2 |
||
поступают в систему управления токами в обмотках ДС^ , ДСу , ДС2
Д’л. Подвижная часть МЭО модификации I (рисЛ |
) включает в себя |
||
внешний I и внутренний 6 полые чагяитопроводы цилиндрической фор |
|||
мы. На внутренней |
поверхности магнитолровода I расположены посто |
||
янные магниты 3, |
намагниченные радиально с чередованием направлвг |
||
ния |
по охружности. На статоре расположены аксиальные ? и радиаль |
||
ные |
4,5 обмотки управления. Токи в обмотках 4 ,5 ,2 ДСу , ДС/, ДС^ |
||
взаимодействуя с |
магнитным полем магнитов -3. |
создают электромаг |
|
нитные силы ь направлениях осей У , 2 и X соответственно. Эти силы обеспечивают свободный подвес подвижной.части МЭО в требуе
мом положении. Активные части проводников |
обмоток 4 ,5 , находящие |
||
ся в области рабочего воздушного |
зазора, ориентированы вдоль оси Л; |
||
обмоток 2 |
в тангенциальном направлении. |
|
|
Модифпкшр'Я 2 ыЭС (р :;с.2 ) |
отличается |
от пег- |
|