Содержание

Введение……………………………………………………………………….5

Электромеханический преобразователь……………………………………..5

Теоретическая часть.

Конструктивные разновидности электромеханических преобразователей

и их магнитных систем……………………………………………………….6

Примеры применения электромеханических пневмоприводов …………12

Практическая часть.

Прямая задача. Расчет МДС, силы тока электродвигателя…………………………………………………………….17

Обратная задача. Тяговая характеристика электромагнита……...……….21

Статическая характеристика электромагнита……………………………...35

Определение коэффициента жесткости пружины………………………....36

Приложение…………………………………………………………………..37

Использованная литература…………………………………………………39

Введение Электромеханический преобразователь

Электромеханический преобразователь (ЭМП) - устройство для преобразования механических перемещений (колебаний) в изменение электрического тока или напряжения (электрический сигнал) и наоборот. Применяются главным образом как исполнительные устройства систем автоматического регулирования (управления) и в качестве датчиков механических перемещений в автоматике и измерительной технике. По принципу преобразования различают резистивные, электромагнитные, магнитоэлектрические, электростатические ЭМП; по типу выходного сигнала — аналоговые и цифровые (с непрерывными и дискретными выходными сигналами). Для оценки ЭМП учитывают его статическую и динамическую характеристики, чувствительность (или коэффициент передачи), рабочий диапазон частот выходного сигнала, статическую ошибку (погрешность) сигнала, статическую ошибку (погрешность) преобразования.

Повышение требований, предъявляемых к системам приводов по статической и динамической точности, увеличению чувствительности повышению стабильности параметров, уменьшению габаритных размеров и стоимости, увеличению надёжности работы, привело к необходимости разработки новых и совершенствования существующих ЭМП и электрических усилителей для их управления.

В системах управления современных летательных аппаратов широко применяются ЭМП, в которых удачно сочетаются такие положительные свойства силовых электромагнитов, как высокий КПД и быстродействие с параметрами, присущими измерительным приборам и датчикам (линейностью характеристики вход-выход, минимальной зоной нечувствительности, симметричностью отклонений при разнополярных сигналах и др.).

Высокие качественные показатели ЭМП обусловили их широкое применение в металлорежущих станках с программным управлением, в металлургическом оборудовании, в системах управления телескопами и антеннами, различного рода испытательных стендах и других устройствах для управления и регулирования.

Теоретическая часть Конструктивные разновидности электромеханических преобразователей и их магнитных систем

В настоящее время известно большое количество конструк­тивных разновидностей ЭМП с поворотным и поступательным движением якоря, без подмагничивания (нейтрального типа) и поляризованного типа с подмагничиванием от электромагнита или постоянного магнита. В зависимости от схемы магнитной цепи ЭМП подразделяются на дифференциальные, двойные дифференциальные и мостовые. Наиболее подробно классифика­ция ЭМП по различным признакам приведена в работах.

Из всего многообразия конструктивных разновидностей электромеханических преобразователей наибольшее практичес­кое применение в гидравлических и пневматических приводах ЛА получили электромеханические преобразователи двух модифи­каций. К первой из них относятся преобразователи с якорем, пе­ремещающимся поперек линий индукции магнитного поля в рабо­чем воздушном зазоре. Ко второй группе относятся преобра­зователи с якорем, перемещающимся вдоль линий магнитного поля в рабочем зазоре. Следует отметить принципиальную общ­ность преобразователей этих двух видов. Отличия же лучше все­го иллюстрируются видом обобщенных статических характе­ристик (рис. 1.1).

У преобразователя второго типа (с движением якоря вдоль линий индукции в рабочем зазоре) обобщенная статическая ха­рактеристика (рис, 1.1,а) имеет положительный наклон к оси уг­лов или положительную жесткость, что свидетельствует, в част­ности, о неустойчивом равновесии нейтрального положения яко­ря. Поэтому для выполнения своей основной функции (пропор­ционального отклонения якоря в обе стороны от нейтрали в зависимости от величины и знака тока управления) преобразо­ватели этого вида должны быть снабжены механической пружи­ной, удерживающей якорь в нейтральном положении. При этом угловые положения якоря, при которых моменты механической и магнитной пружин равны, должны совпадать. При работе преобразователя такого типа жесткость механической пружины должна быть больше "положительной" жесткости магнитной пру­жины. Суммарная (эквивалентная) жесткость в этом случае становится "отрицательной", и якорь устойчиво находится в нейтральном положении при отсутствии тока управления.

Преобразователи же первого типа (с поперечным движением якоря относительно линий индукции в рабочем зазоре) облада­ют исходной отрицательной жесткостью "магнитной пружины" (рис. 1.1,6). Поэтому устойчивость якоря в нейтральном поло­жении его при отсутствии тока управления обеспечивается без дополнительной механической пружины за счет выбора опреде­ленной геометрии поверхностей, образующих рабочий зазор. Ис­пользование же механических пружин осуществляется и в этом случае, но уже как дополнительная составляющая суммарной-жесткости преобразователя, регулируемая при юстировке пара­метров электрогидроусилителя.

ЭМП второго типа используются там, где можно обойтись относительно малым перемещением якоря, но при этом полу­чить такое важное качество, как герметизирующую упругую подвеску подвижной системы.

Преобразователи первого типа преимущественно использу­ются при повышенных требованиях к линейности угловой харак­теристики и к величине максимального углового перемещения.

Рассмотрим несколько схем построения магнитных цепей преобразователей первого и второго типов, получивших промыш­ленное применение в различных системах автоматики (рис. 1.2, 1.3). В этих схемах можно выделить преобразователи с электро­магнитным возбуждением и с возбуждением от постоянного магнита. Применение постоянных магнитов из сплавов типа ЮНДК-24 или ЮНДК-25 с высокой удельной энергией дает оп­ределенные преимущества в объеме и массе магнитной системы, а также в надежности и стабильности параметров в различных условиях эксплуатации.

Рис.1.1. Обобщенные характеристики двух видов ЭМП: а)- ЭМП с движением якоря вдоль магнитной индукции; б)- ЭМП с движением якоря поперек магнитной индукции.

Рис. 1.2. Конструктивные схемы магнитных систем ЭМП с движением яко­ря поперек линий магнитной индукции: а — ЭМП дифференциального типа с неуравновешенным якорем; б — ЭМП с двойной дифференциальной схемой и уравновешенным якорем; в — ЭМП мостового типа с электромагнитным возбуждением и совмещенными участ­ками цепей управления и возбуждения; г — ЭМП мостового типа с электро­магнитным возбуждением и разделенными участками цепей управления и возбуждения; д— ЭМП мостового типа с возбуждением от постоянных маг­нитов и с обмотками управления на неподвижных магнитопроводах; е — ЭМП мостового типа с возбуждением от постоянных магнитов и с обмотка­ми управления вокруг подвижного якоря; ж — ЭМП мостового типа с воз­буждением от постоянных магнитов и с независимыми цепями обмоток уп­равления; з — ЭМП мостового типа с несколькими обмотками управления, обеспечивающими управляющий сигнал в двоичном код

Рис. 1.3. Принципиальные схемы магнитных систем ЭМП с продольным движением якоря:а — дифференциального типа; б — дифференциального типа с подвижным магнитопроводом; в — мостового типа.

Исторически раньше других были созданы и исследованы ЭМП первого типа с дифференциальной схемой магнитной цепи типа РЭП (рис. 1.2,а) и с двойной дифференциальной схемой ти­па ПРП (рис. 1.2,6). В этих схемах магнитные потоки возбужде­ния (подмагничивания) и управления замыкаются по общим деталям магнитопровода. В рабочих воздушных зазорах дейст­вует постоянный во времени поток возбуждения, создаваемый обмотками подмагничивания №_п.

При наличии потока возбуждения на края якоря в нейтраль­ном положении действуют равные, но противоположно направ­ленные электромагнитные силы, удерживающие якорьТв нейт­ральном положении при отсутствии тока в обмотке управления 1У_у. Схема, приведенная на рис. 1.2,6 , имеет уравновешенный якорь и обладает большой устойчивостью к механическим пере­грузкам. Недостатками этих систем, как и других с электро­магнитным возбуждением, являются: постоянное потребление энергии обмотки возбуждения; зависимость параметров ЭМП от колебаний питающего обмотки возбуждения напряжения и от параметров окружающей среды; нагрев обмоток возбуждения и старение изоляции этих обмоток; наличие нерабочего (пара­зитного) воздушного зазора между уширенной частью якоря и магнитопроводом; повышенная трудоемкость изготовления деталей, образующих рабочий воздушный зазор; трансформатор­ная связь между обмотками возбуждения и управления.

Дальнейшим развитием магнитных систем ЭМП первого ви­да явились магнитные цепи мостового типа с совмещенными участками потоков возбуждения и управления (рис. 1.8,в) и с разделенными участками (рис. 1.2,г). Повышенная чувствитель­ность ЭМП вблизи нуля управляющего сигнала с магнитными це­пями мостового типа определила их преимущественное распро­странение. В схеме рис. 1.2,в имеется шунт между боковыми магнитопроводами, по которому замыкаются потоки возбужде­ния.

С целью стабилизации магнитного потока возбуждения при колебаниях питающего напряжения и температуры окружа­ющей среды в схеме рис. 1.2,г используют насыщенный магнитопровод, на котором расположёна обмотка возбуждения.

Имеются примеры использования магнитных систем рассмот­ренных типов ЭМП с электромагнитным возбуждением при уп­равлении сигналами переменного тока, когда угол поворота якоря пропорционален фазовому сдвигу между токами в об­мотках возбуждения и управления.

Следует отметить достоинство преобразователей с электро­магнитным возбуждением, заключающееся в отсутствии изме­нения магнитного поля в течение времени хранения. В этом слу­чае уменьшается возможность засорения внутренних полостей преобразователей ферромагнитными частицами, особенно при длительном пребывании в загрязненной рабочей жидкости. При­менение фильтров тонкой очистки значительно уменьшает такую возможность для преобразователей, в том числе и тех, где для возбуждения используются постоянные магниты.

На рис.1.2. д, е, ж, з показаны мостовые магнитные схемы ЭМП первого типа с возбуждением от постоянных магнитов с различным расположением обмоток управления и постоянного магнита.

Перечисленные конструктивные схемы ЭМП мостового типа с подмагничиванием от постоянных магнитов практически рав­ноценны по характеристикам и отличаются лишь конкретным конструктивным исполнением и компановкой элементов маг­нитной цепи.

С развитием вычислительной техники получили распростране­ние электромеханизмы дискретного действия. На рис.1.8,з представлена магнитная схема ЭМП мостового типа с набором обмоток управления, число витков которых отличается вдвое, что обеспечивает при дискретной подаче управляющего сигнала постоянной амплитуды на определенные обмотки обработку ЭМП любого угла в пределах рабочего диапазона с точностью, соответствующей младшему разряду управляющего сигнала.

На рис. 1,3,а, б, в показаны схемы магнитных цепей преобра­зователей второго типа, нашедшие практическое применение на ЛА и в других отраслях народного хозяйства. Дифференциаль­ная схема магнитной цепи, показанная на рис. 1.3,а, имеет сме­шанные магнитные цепи управления и возбуждения, а система на рис. 1.3,6 — раздельные.

Для магнитной системы (см. рис. 1.3,а) характерны типич­ные недостатки дифференциальных схем: большая мощность, потребляемая обмоткой управления (увеличение мощности про­исходит в результате наличия паразитного воздушного зазора между якорем и магнитопроводом и потерь магнитного потока обмотки управления в постоянном магните); требуется поста­новка балансировочной массы для уравновешивания подвижных элементов. Отмеченные недостатки этих ЭМП обусловили непер­спективность их применения в современных автоматических системах.

Дифференциальная магнитная система, показанная на рис. 1.3,6, свободна от отмеченных ранее недостатков. Наличие подвижного магнитопровода; выполняющего одновременно функцию дополнительной пружины, приводит к тому, что под­вижная система оказьгаается устойчивой к воздействию механи­ческих перегрузок. Однако подвижная система в этой схеме от­носительно массивна из-за наличия в ней постоянного магнита, что может отрицательно сказываться на динамических характе­ристиках устройства (уменьшение резонансной частоты и отно­сительного демпфирования).

Показанная на рис. 1.3,в мостовая схема магнитной це­пи является наиболее распрост­раненной и применяемой как у нас в стране, так и за рубе­жом. Это — следствие общих преимуществ мостовой схемы с активными сопротивления­ми в плечах по сравнению с дифференциальной, а также возможности миниатюризировать подвижную систему ЭМП с одновременным обеспечени­ем развязки цепей управления и возбуждения.

В качестве источника возбуждения в современных ЭМП при­меняются только постоянные магниты. В зависимости от специ­альных требований по надежности системы управления ЭМП они могут иметь различные схемы обмоток управления. Управляющим сигналом может быть постоянный ток меняющей­ся величины и полярности, переменный ток с меняющейся фа­зой (в ЭМП с электромагнитным возбуждением). Применяется также управление с широтно-импульсной модуляцией входного сигнала. Для уменьшения петли гистерезиса статических характе­ристик ЭМП в одну из его обмоток может подаваться сигнал осцилляции. Несмотря на многообразие схем и конструкций существую­щих ЭМП, они характеризуются однотипными выходными па­раметрами.