Моментный двигатель с ограниченным углом поворота ротора

• Автор: Овсянников, Владимир Николаевич
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 180 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ МД И ТРЕБОВАНИЙ К НИМ

1Л Конструктивные типы моментных двигателей и требования к ним

в зависимости от области применения

1.2 МД с ограниченным углом поворота ротора

1.2.1. Двигатели с подвижной обмоткой

1.2.2.Двигатели с магнитами на роторе

1.3 Обоснование выбора конструкции

1.3 Л. Выбор типа обмотки

1.3.2. Выбор типа возбуждения

1.4 Выводы
2 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ПАРАМЕТРЫ МОМЕНТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
2.1 Математическое описание электромагнитного поля МД
2.2 Расчет и анализ магнитного поля МД
2.2.1. Геометрическая модель и ее физические свойства
2.2.2. Магнитное поле возбуждения и реакции якоря
2.3 Расчет моментных характеристик
2.4 Способы повышения стабильности моментной характеристики
2.5 Расчет параметров МД
2.6 Выводы
3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МД
3.1 Особенности проектирования МД с гладким якорем и ограниченным углом поворота ротора
3.2 Критерий оптимальности
3.3 Структура математической модели

3.3.1. Функциональные связи параметров
3.3.2. Расчет коэффициента рассеяния
3.3.2.1. Аналитический расчет
3.3.2.2. Моделирование потоков рассеяния МКЭ
3.3.3 Алгоритм расчетной математической модели
3.4 Поверхность отклика целевой функции
3.4.1. Штрафные функции
3.4.2. Рельеф поверхностей отклика с учетом штрафных функций
3.5 Выводы
4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ОПТИМИЗАЦИОНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..
4.1. Постановка задачи и выбор метода оптимизации
4.2. Оптимизация МД методом Бокса-Уилсона
4.2.1. Построение матрицы факторного эксперимента и оценки градиента
4.2.2. Движение по линии кратчайшего спуска
4.3. Результаты оптимизационного проектирования двигателей
МД-100-1 иМД-
4.4. Экспериментальные исследования статических и динамических характеристики двигателей МД
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Бесконтактные моментные двигатели (МД) предназначены, как правило, для работы в локально замкнутых (с датчиком положения ротора) или разомкнутых по углу поворота быстродействующих системах автоматического регулирования. Требования по точности для таких систем определяются динамической ошибкой, не превышающей 1-3 угловых минуты [11,90]. Для обеспечения такой точности недостаточно только системных средств - МД, как силовое звено, должен обеспечивать ряд специфических параметров, которые позволяют строить подобные системы заданной точности. К таким параметрам относятся: линейность моментной характеристики в функции сигнала управления, стабильность момента от угла поворота ротора, минимальное значение зоны нечувствительности моментной характеристики. Для двигателей бортового применения в системах стабилизации и управления летательных аппаратов важнейшими критериями являются масса и потребляемая мощность. Экономические критерии во многом определяются себестоимостью изделия, которая не в последнюю очередь зависит от массы используемых магнитов - самого дорогостоящего компонента двигателя.
В бортовых авиационных системах для ориентации и стабилизации платформ, на которых расположены приборы наблюдений и контроля в качестве силовых элементов используются моментные двигатели, которые работают в пределах ограниченного угла поворота ротора. Отличительной особенностью работы таких МД является то, что они создают вращающий момент в режиме упора, когда ротор либо неподвижен, либо вращается с весьма малой скоростью. Рабочий угол поворота ротора может быть ограничен величиной всего в несколько градусов. Применение двигателей традиционной конструкции для работы в качестве моментных сопряжено с рядом трудноустранимых недостатков - большие габариты и масса, наличие скользящего контакта в двигателях постоянного тока, зубцовые пульсации момента и невысокое быстродействие. Поэтому для

железо - бор. Последние имеют очень высокие энергетические показатели Нсв = 950 ... 1100 кА/м и Вг = 0,9 ...1,2 Тл. К достоинству этих магнитов следует отнести и более низкую стоимость за счет отсутствия такого дорогого и дефицитного компонента, как самарий. Единственным существенным недостатком магнитов N6 - Бе - В на сегодняшний день является их низкая температурная стабильность. При рабочих температурах выше 100°С эти магниты существенно теряют свои свойства. Хотя в этой проблеме в настоящее время наметилось продвижение вперед, использовать этот материал в высоконагруженных МД для авиационных систем пока не представляется возможным.
Высококоэрцитивные редкоземельные магниты на основе Бт - Со (КС -37, КС - 37А, КСП- 37 и т.п.) лишены недостатков, перечисленных выше, и отвечают всем требованиям к материалам для индуктора МД. Основной недостаток магнитов на основе Бт - Со - их высокая стоимость. Поэтому при выборе конструкции индуктора необходимо исходить из соображений использования минимального по массе количества магнитов. Естественно, что после выбора типа конструкции ротора, необходимо провести оптимизационный расчет (см гл.З). Существует несколько основных конструктивных схем ротора с постоянными магнитами [90]: литые роторы типа “звездочка” с неявновыраженными полюсами, когтеобразный ротор, ротор с тангенциальным намагничиванием постоянных магнитов (коллекторного типа) и др. (рис 1.8). Индукторы типа “звездочка” и с неявновыраженными полюсами (рис 1.8 а, в) не могут быть рекомендованы для изготовления из Бш - Со магнитов по причине трудности намагничивания и из-за большого объема магнитов. В системах с полюсными наконечниками, например, показанной на рис 1.8 б или с когтеобразными наконечниками (рис1.8 г) есть два существенных недостатка, отмеченных ранее:
- в полюсных наконечниках из магнитомягкой стали шунтируется значительная часть потока постоянных магнитов (по данным [16] до 10. ..15%, а при неправильном выборе размеров и до 50%);