МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

 

Кафедра Системы автоматического управления

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
 ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ ДЛЯ СТУДЕНТОВ 

 

по дисциплине

Электромеханические системы СУЛА

 

Уровень профессионального образования: высшее образование – специалитет

 

 

Специальность подготовки: 24.05.06 «Системы управления
летательными аппаратами»

Специализация подготовки № 9: «Системы управления движением
летательных аппаратов»

Квалификация (степень) выпускника: инженер

 

 

 

Форма обучения: очная

 

 

Тула 2015 г.

 

 

Методические указания по выполнению курсовой работы обсуждены и утверждены на заседании кафедры "Системы автоматического управления".

протокол № 1 от 28 августа 2015  г.    

Зав. кафедрой САУ               

_____________________О.В.Горячев  

 

 

Методические указания по выполнению курсовой работы составлены: канд. техн. наук, доц. Н.С. Илюхиной, канд. техн. наук, доц. А.П. Панковым и пересмотрены на заседании кафедры "Системы автоматического управления".

протокол №       от                 а   201  г.   

Зав. кафедрой САУ               

_____________________О.В.Горячев  

 

I. ВВЕДЕНИЕ

 

Электромеханические системы относятся к большому классу устройств, которые широко используются в различ­ных автоматических системах и средствах автоматики. При проектировании электромеханических систем (ЭМС) и вхо­дящих в них исполнительных устройств разработчики стал­ки­ваются со значительными трудностями, связанными, главным образом, с отсутствием литературы, обобщающей накопленный опыт проектирования и достаточно простых методов расчета и проектирования подобных уст­ройств.

Цель настоящего учебного пособия дать краткое описание типовых конст­рукций ЭМС и их элементов, изложить ос­новы проектирования и инженер­ные методы расчета элек­тромеханических систем, квазиоптимальных по выполняе­мой работе.

Основные типовые конструкции исполнительных уст­ройств ЭМС с по­ступательным перемещением подвижных частей приведены на рис. 1.

На рис. 1а представлено исполнительное устройство втяж­ного типа с не­зависимой регулировкой хода якоря и воз­вратной пружины. Электромаг­нит имеет плоский стоп и со­стоит из корпуса 4, стопа 5, якоря 6, обмотки 7, намотанной на немагнитный каркас 8, возвратной пружины 11, выход­ного штока 14. Позиции 9, 10, 12, 13 по­мечают специальные крепежные детали (гайки и контргайки). Колодка 1 с контак­тами 2 предназначена для подпайки выводов 3 обмотки. В качестве габаритных размеров приведены: наружный диа­метр корпуса D, полная длина исполнительного устройства L1 и макси­мальный ход якоря d_я. Начальное усилие P_н указывается без учета силы пру­жины.

На рис. 1б изображен электромагнит тянущего и толкаю­щего действия с неизменным рабочим ходом и регулируе­мой силой возвратной пружины. Он имеет усеченный кони­ческий стоп ( a = 60^о ) и состоит из корпуса 2, об­мотки 3, намотанной на составной каркас (же­стко соединенные фла­нец 5 и втулка 4), якоря 6, возвратной пружины 9. В якоре с обеих сторон жестко за­креплены тя­нущий 12 и толкаю­щий 1 штоки. Рабочий ход выставляется по­средством прокладки 7 и огра­ничивается крышкой 8. По­зициями 10, 11 по­мечены регулировочная и крепежные детали.

Электромагнит тянущего и толкающего действия с посто­янным рабочим ходом, без возвратной пружины (рис. 1в) имеет стоп 1 и якорь 2, которые в области рабочего зазора выполнены в виде фер­ромагнитного шунта (ФМШ). Пози­цией 3 помечен фланец слабо развитый в осевом направле­нии. ФМШ обеспечивает электромагниту сравнительно поло­гую тяговую характери­стику.

 

4 5                  6 7 8                             9 10 11 12 13  14  

 

             dя

 

         3

2

D                                                                                                                                                 P_н

1

 

 

                                                     L1

                                                          

                                                      a.

 

                          1      2     3       4   5      6         7 8 9 10 11 12

 

 

 

 

 

 

                                 б.

 

                                                                           1                  2

 

                                                                                                                               3

 

 

 

 

 

                                               в.

 

3        4  5     6 7     8                      9

 

2

 

                                   1

 

 

 

 

г.                                                                                      д.

 

Рис. 1. Конструкция типовых исполнительных устройств ЭМС.

Электромагнит втяжного типа с коническим якорем (рис. 1г) не имеет возвратной пружины. Характерная особенность элек­тромагнита: соприкос­новение стопа и якоря в конце хода происходит не по конической поверхно­сти, а по плоским торцевым поверхностям стопа и якоря.

Электромагнит (рис. 1д) с постоянным рабочим ходом не имеет возврат­ной пружины и отличается комбинированной формой рабочего зазора (соче­тание плоского стопа с кониче­ским). Электромаг­нит включает якорь 6 с внутренним кону­сом (для уменьшения массы) и наружными продольными па­зами 5 (уменьшение вихревых токов, увеличение быстродей­ствия), стоп 8, корпус 9, катушку 7. Поступательное движе­ние якоря осуществляется в на­правляющей развитого фланца 4, ход якоря ограничивается упором 2 и ре­гулируется про­кладкой 3. Серьга 1 служит для сопряжения электромагнита с нагрузкой. Тяговая характеристика объединяет достоин­ства конического и плоского стопов: повышенное начальное усилие и достаточно высокое уси­лие отрыва.

 

2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО РАБОТЫ

 

Цель курсовой работы - закрепление и углубление сту­дентами теорети­ческих знаний, приобретение практических навыков по проектированию электромеханических систем. Указанная цель опре­делила следующие задачи курсового проектирования [2]:

- овладение методиками проектировочного расчета элек­тромеханических систем;

- получение практического опыта применения ЭВМ для решения инженер­ных задач;

- получение начальных навыков разработки и оформления конструктор­ской документации;

- изучение требований ЕСКД, ЕСТД, и др.;

- приобретение навыков инженерного творчества.

 

 

3. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

 

3.1. Тематика курсовой работы

 

Тематика курсовой работы посвящена разработке элек­тромеханических систем, используемых в качестве исполни­тельных устройств в мехатронных системах и системах управления.

Основными объектами курсового проектирования явля­ются электромеха­нические системы с электромагнитами по­стоянного тока, имеющими посту­пательное перемещение подвижных частей (с дисковым якорем, с втяжным якорем различной формы стопа, с ферромагнитным шунтом).

При определении тематики курсовой работы руководи­тель должен учи­тывать индивидуальные наклонности сту­дентов, исполь­зуя результаты работ, выполненных ими в рамках НИРС и УИРС.

 

3.2. Исходные данные к курсовой работе

 

Исходные данные к курсовой работе выдаются препо­давателем и включают:

- требования к статическим и динамическим характеристи­кам системы;

- параметры, характеризующие источник питания;

- условия эксплуатации.

Помимо перечисленных данных, оговаривается режим ра­боты электроме­ханической системы.

 

3.3. Задание на курсовую работу

 

В большинстве случаев задание должно быть типовым, основанным на методиках проектирования, приведенных в лекционном курсе и учебных по­собиях. Наиболее способным и хорошо подготовлен­ным студентам целесо­образно выда­вать индивидуальные задания, содержа­щие элементы науч­ного исследования.

Типовое задание на проектирование предусматривает проработку сле­дующих вопросов:

- выбор типа конструкции электромагнита;

- проектный расчет электромагнита, включающий опреде­ление параметров магнитопровода, обмотки и составление эскиза маг­нитной цепи;

- поверочный расчет электромагнита;

- выбор схемы и расчет усилителя мощности;

- разработка программы расчета статических и динамиче­ских характери­стик;

- анализ статических и динамических характеристик элек­тромеханической системы;

- расчет источника питания.

 

3.4. Объем курсовой работы

 

Курсовая работа должен включать пояснительную за­писку объемом 25-30 листов (формата А4) рукописного тек­ста и графическую часть объемом 2-3 листа формата А4.

Графическая часть курсовой работы должна содержать:

- сборочный чертеж спроектированной системы (формат А4);

- рабочие чертежи деталей (формат А4);

- принципиальные схемы усилителя мощности и источ­ника питания (формат А4).

 

3.5. Организация работы над курсовой работой

 

Курсовая работа выполняется студентами направления подготовки: 160400 – Системы управления движением и навигация специальности: 160403 «Системы управления летательными аппаратами» в 6-ом семестре. Работа над кур­совой работой строится в соответствии с планом-графи­ком, согласно кото­рому предусмотрено вы­полнение сле­дующих этапов:

- выбор типа конструкции электромагнита, проектный рас­чет размеров магнитопровода и параметров обмотки;

- поверочный расчет электромагнита;

- разработка программ расчета и анализ статических ха­рактеристик сис­темы;

- выбор схемы и расчет усилителя мощности;

- разработка программ расчета и анализ динамических ха­рактеристик сис­темы;

- расчет источника питания;

- разработка конструкции электромеханической системы;

- разработка принципиальных электрических схем электро­механической системы;

- разработка рабочих чертежей 4...5 деталей (по указанию руководителя);

- оформление пояснительной записки и графической части курсовой работы.

План-график выполнения индивидуального задания раз­рабатывается сту­дентом и утверждается руководителем работы. Студент обязан регулярно регистрировать выполнение каждого этапа работы у руководителя.

Курсовая работа считается законченной, если выполнены все пункты за­дания, пояснительная записка и чертежи под­писаны студентом и руководи­телем. Срок защиты работы указывается в специ­альной графе задания на проектирова­ние.

В процессе выполнения курсовой работы руководитель проводит груп­повые и индивидуальные консультации со студентами. Тематика группо­вых консультаций регламенти­руется рабочей про­граммой дисциплины " Специальные главы теоретических основ электротехники и основы электромеханики ". На индивидуальных консультациях руко­во­дитель контролирует ход выполнения курсовой работы, делает замеча­ния по проделанной работе и дает рекоменда­ции по решению конкретных вопросов.

 

3.6. Защита курсовой работы

 

Защита курсовой работы представляет собой форму про­верки степени овладения студентом методами проектирования электромеханических систем и уровня приобретенных им практических инже­нерных навыков.

Защита курсовой работы состоит в устном сообщении студента (5...6 минут) по существу проделанной им работы и ответах на вопросы. В своем сообщении студент должен осветить поста­новку задачи проектирования, методы ее ре­шения и полученные резуль­таты. Студент должен сопрово­ж­дать устный рассказ обращением к графи­ческим материа­лам, поясняя ска­занное.

Защита работы проводится перед комиссией из препода­вателей кафедры САУ с участием руководителя работы. Во­просы, за­даваемые студенту чле­нами комиссии, как правило, относятся к содержа­нию работы, но могут ка­саться и смеж­ных дисциплин.

 

 

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

4.1. План построения и содержание разделов пояснительной записки к курсовой работе

 

Рубрикация и содержание разделов расчетно-пояснитель­ной записки должны соответствовать ГОСТ 7.32-81, в соот­ветствии с которым записка должна иметь:

- титульный лист;

- задание на курсовую работу;

- реферат;

- содержание;

- введение;

- основную часть;

- заключение;

- библиографический список;

- приложения.

Образец оформления титульного листа приведен в при­ложении 1.

Задание на курсовая работа оформляется в соответствии с образцом, приве­денным в приложении 2.

Реферат должен содержать: сведения об объеме, количе­стве иллюстраций, таблиц, библиографических источников, перечень ключевых слов, текст реферата.

Введение расчетно-пояснительной записки должно содер­жать краткую характеристику объекта проектирования, формулировку цели и задач работы, обоснование принятого в работе метода реше­ния.

В основной части расчетно-пояснительной записки должны помещаться сведения, отражающие существо, мето­дику и основ­ные результаты выпол­ненной разработки. Рас­четы, приводимые в за­писке, должны содержать эс­кизы, расчетные схемы, иллюстрирующие фи­зический смысл вы­полняемого расчета.

 

 

5. МЕТОДИКИ ПРОЕКТНЫХ РАСЧЕТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИ­ТОВ.

 

При проектировании втяжных электромагнитов (ЭМ) можно выделить два основных типа расчетов: проектный и поверочный. В зависимости от тех­нического задания про­ектный расчет проводится по двум методикам:

- по заданному усилию, ходу якоря, тепловому режиму рассчитываются размеры магнитопровода и параметры ка­тушки, обеспечивающие заданные параметры при мини­мальных габаритах;

- по заданным габаритам, ходу якоря, тепловому режиму рассчитываются размеры магнитопровода и параметры ка­тушки, обеспечивающие макси­мально возможное тяговое усилие при заданных параметрах.

Поверочный расчет позволяет по известным размерам маг­нитопровода, параметрам катушки, ходу якоря определить тяговое уси­лие электромагнита, его тепловой режим, по­требление тока, степень насыщенности магнитопро­вода.

 

5.1. Выбор конструктивного типа и формы стопа.

 

В инженерной практике широкое распространение полу­чил способ вы­бора типа электромагнита и формы стопа по конструктив­ному фактору (КФ) [1]

 

                                                    (1)

 

где P – тяговое усилие, d – ход якоря.

Для количественного сопоставления экономичности ос­новных типов элек­тромагнитов ( с дисковым якорем, втяж­ным якорем с различной формой стопа, ферромагнитным шунтом) с различными конструктивными факторами и выбора соответствующего типа электромаг­нита можно поль­зоваться диаграммой (рис. 2а).

Из всего многообразия конструктивных исполнений ЭМ с помощью рис.2а по значению конструктивного фактора (1), известному в начале про­ектирования , выбирается опти­мальный тип ЭМ (по максимальным значе­ниям критериев A/Q, A/V, A/N, A/F – здесь A – номи­нальная мощность, Q – масса ЭМ, V – скорость перемещения подвижных частей, N – мощность, F – мдс катушки). На стыках областей примене­ния (не заштрихованные области на рис. 2а) возможно ис­пользование обоих смежных типов ЭМ.

При выборе электромагнита с втяжным якорем рациональ­ная форма стопа определяется по значению коэффициента формы и усе­ченности конуса h    как отношение малого диа­метра конуса к боль­шому, равному диаметру якоря.

Применение стопов с a > 120^о нерационально, так как тяговая характе­ристика при этом близка к характеристике плоского стопа и выигрыш по усилию незначителен. Кони­ческие стопы с a < 30^о целесообразны для сравнительно больших ходов якоря и для по­лучения пологой тяговой ха­рак­теристики, когда нельзя применять маг­ниты с ФМШ.

С дисковым

якорем

С втяжным

якорем

С ферромагнит-

ным шунтом

                      20    40    100 200   400 10³ 2×10³ 4×10³ 10⁴    2×10⁴              КФ,Н^0,5/м

а.

 

 

 

0,4

 

0,2

0

 1,5×10² 2×10² 4×10² 6×10² 10³              2×10³            4×10³ 6×10³ 10⁴            КФ,Н^0,5/м

б.

Рис. 2. Области применения: а) рациональных типов элек­тромагнитов;

б) рациональных форм стопов электромаг­нитов с втяжным якорем.

 

5.2. Аналитический метод расчета электромагнитов

 

Электромагниты с коническим и плоским стопами кон­структивно раз­личаются только формой исполнения стопа. Различие в их расчете обуслов­лено разными выражениями тяговых сил, которые достаточно сложны, особенно для усеченно-конического стопа. Поэтому на этапе синтеза при­меняются упрощенные выражения для тяговых сил:

- для плоского стопа

- для конического стопа

где a – угол конуса при вершине (для плоского стопа a =180^о ).

При этом электромагнит с плоским стопом можно рас­сматривать как част­ный случай электромагнита с коническим стопом.

Расчет электромагнитов с дисковым якорем проводится аналогично расче­там электромагнитов с плоским стопом.

Отличия в формулах для электромагнитов втяжного типа с коническим стопом будут помечаться литерой "а", для электромагни­тов с дисковым яко­рем – литерой "б".

 

Проектный расчет 1-го типа

 

Допустим, заданы следующие основные параметры про­ектируемого

электромагнита: P – тяговое усилие, которое должен разви­вать электромаг­нит в начале хода якоря, Н; – ход якоря, м; U – напряже­ние источника пита­ния, В; Q_доп – допустимое превышение температуры электромагнита при продолжительном режиме работы, ^оС.

Требуется определить размеры магнитопровода и пара­метры катушки, обеспечивающие заданные характеристики при мини­мальных габаритах.

Расчет электромагнитов производится в следующей по­следовательно­сти.

1. Уточнение формы стопа. Форма стопа уточняется по значению

конструктивного параметра КФ в соответствии с графиками рис. 2б.

где d=d_я+d_нп – рабочий зазор, м; – толщина немагнитной прокладки, м; обычно d_нп=(0,05…0,1)d_я , причем большему ходу соответст­вует мень­шее значение коэффициента и наоборот. В некоторых случаях немагнитная про­кладка может отсутствовать (d_нп =0).

 

2. Определение основных размеров электромагнита:

а) диаметр якоря электромагнита

                                                                    (2)

                                                        (2а)

                                                                 (2б)

где B_d – магнитная индукция в рабочем зазоре, Тл.

Для получения минимальных габаритов, объема, массы, потерь магнито­движущей силы значение B_d необходимо при­нимать 0,7...1,1 Тл (для элек­тротехнических сталей марки 29895)[3].

б) наружный диаметр электромагнита D = 2d;

в) длина электромагнита

                                                                       (3)

                                                          (3а)

                                                                            (3б)

 

 

где d_п – паразитный зазор, м, d_п=(4...5)е ; е – эксцентри­ситет якоря по отно­шению к фланцу (равен половине разности диаметров направляющей втулки и якоря с учетом предельных отклонений их разме­ров); обычно d_п=(0,015...0,05)10 м (в случае примене­ния развитого воротничка d_п»0); r – удельное сопротивление про­вода, Ом.м; оп­ределяется для заданного превы­шения температуры Q по фор­муле r=r₀(1+a₀Q); r₀ – удельное сопротивление провода при 20^o С, для медного провода r₀ =1,75.10^-8 Ом.м; α₀ – темпера­тур­ный коэффици­ент металла провода, для медного провода

α₀=0,004 1/^oС; n_уд – удель­ная мощность рассеяния, Вт/м²; определяется по графику Q =f(n_уд) (рис.3);

г) отношение габаритных размеров электромагнита L/D и их оценка. Наи­более удачное конструктивное оформление втяжных электромагнитов обес­печивается при L/D=0,7...1,8, электромагнитов с дисковым якорем - при L/D=0,4...0,8. Если полученное отношение га­баритных размеров электро­магнитов не соответствует желаемому, то расчет повторяют с п.2а, задаваясь при этом другим значением магнит­ной индукции;

д) по принятому диаметру якоря уточняется значение магнитной

индукции

                                                                  (4)

                                                      (4а)

                                                               (4б)

е) по графику Ф=f₁(B_d) (рис. 3) определя­ется значение по­правочного коэф­фициента относительного падения магнито­движущей силы Ф;

ж) максимальное значение магнитной индукции B = B_d/Ф;

 

 

   q^о,С

 

         

     140

                                                                                        3

     120

                                              1

     100

                                                                     2

       80

 

           

       60

        

       40

 

       20

 

        0

                  200 400 600 800 1000                   П_уд,/м²

 

Рис. 3. Зависимость между превышением температуры и удельной

мощностью рассеяния при различных условиях те­плопередачи:

1 - плохие, 2 - средние, 3 - хорошие.

 

 

3. Определение остальных размеров магнитопровода:

а) внутренний диаметр магнитопровода

D₁= 0,87D

б) толщина фланца; для дискового якоря - толщина якоря и толщина фланца

 

С = 0,12D                       (5;5а)

С = 0,12D                       (5б)

в) толщина фланца на периферии

c1 = 0,06D

г) длина окна магнитопровода под катушку

l = L - 2c

д) длина стопа l_ст =(0,3...0,55)

4. Определение параметров катушки:

а) средний диаметр катушки

D_ср = 0,5(D_н + d_вн) = 0,5[(D1 - 2d_кк) + (d + 2b)]

где b – толщина каркаса, м (обычно b=(0,05...0,25)10^-2 м; d_кк – зазор между катушкой и корпусом, м (для низковольтных электромагнитов d_кк=(0,025...0,2)10^-2 м);

б) диаметр провода

                                                                 (6)

* sin0,5a                                           (6а)

                                                                     (6б)

в) диаметр провода округляется до стандартного значения в соответствии с таблицей проводов и для принятой марки провода находится его диаметр в изоляции d_из;

г) высота намотки катушки

h_к = 0,5(D_н – d_вн) = 0,5[(D₁ - 2δ_кк) - (d + 2b)]

д) длина катушки

l_к = L - 2(b₁+ c)

е) число витков катушки

W = 0,865l_кh_к/d²_из

ж) сопротивление катушки при нормальных условиях (+20^о С)

R₀ =pрD_срW/q = 7×10^-8 D_срW/d²_пр

з) длина намоточного провода

L_пр =pD_срW

 

Проектный расчет 2-го типа

 

Пусть заданы: D – наружный диаметр электромагнита, м; L – длина элек­тромагнита, м; δ_я – ход якоря, м; U – напряже­ние источника питания (рас­четное напряжение), В; Q_доп – допустимое превышение темпера­туры элек­тромагнита при продолжительном режиме работы, 0 С.

Требуется определить размеры магнитопровода и пара­метры катушки, обеспечивающие максимально возможное тяговое усилие при заданных па­раметрах.

Расчет электромагнита производится в следующей по­следовательности.

1. Оценка тягового усилия:

а) тяговое усилие, которое может быть получено при за­данных исходных данных:

                                                                    (7)

                                                         (7а)

                                                                            (7б)

Здесь величины n_уд, δ, δ_п, р определя­ются аналогично проектному расчету 1-го типа, приведенному выше;

б) для втяжного электромагнита форма стопа уточняется по значению кон­структивного фактора в соответствии с рис. 2б.

для электромагнита с дисковым якорем тип электромагнита также уточняется по значению конструктивного фактора в соответствии с рис. 2а.

2. Определение конструктивных размеров магнитопровода:

а) внутренний диаметр магнитопровода втяжных электро­магнитов

D₁ = 0,87D

б) диаметр якоря

d = 0,5D                                                                    (8;8а)

Диаметр сердечника дискового электромагнита

d = 0,5D                                                                     (8б)

в) толщина фланца втяжных электромагнитов

c = 0,12D                                                                       (9;9а)

Толщина дискового якоря и толщина фланца дискового элек­тромагнита

c = 0,12D                                                                         (9б)

г) толщина фланца на периферии

c1 = 0,06D

д) сечение якоря

S =πd² /4

е) длина окна магнитопровода под катушку

l = L - 2l

ж) длина стопа l_ст =(0,3...0,55)l.

3. Определение размеров и параметров катушки:

а) средний диаметр катушки

D_ср = 0,5(D_н + d_вн) = 0,5[(D₁ - 2δ_кк) + (d + 2b)]

где D_н – наружный диаметр катушки, м; d_вн – внут­ренний диаметр катушки, м; δ_кк – зазор между катушкой и корпусом, м; b – толщина каркаса, м;

б) высота намотки

h_к = 0,5(D_н – d_вн) = 0,5[(D₁ - 2δ_кк) - (d + 2b)]

в) длина намотки l_к =L - 2(b₁ + C);

г) сопротивление катушки, необходимое для обеспечения заданного теп­лового режима:

R_доп = U² / πD(L + 0,5D)n_уд

д) диаметр провода

е) диаметр провода округляется до стандартного значения в соответствии с таблицей проводов и для принятой марки провода находится его диаметр в изоляции d_из;

ж) число витков катушки W = 0,865l_кh_к/d²_из

з) сопротивление при нормальных условиях (+20^о С)

R₀ = 7×10^-8D_ср W/d²_пр

и) длина намоточного провода L_пр = pD_ср W

4. Уточнение значения тягового усилия, развиваемого электромагнитом при расчетном напряжении:

а) полная магнитодвижущая сила F = WU/R;

б) максимальная магнитная индукция

B = m₀ F/(d + d_п)                                                                     (10)

B = m₀ F/(dsin0,5a + d_п)                                                        (10а)

B = m₀ F/2d                                                             (10б)

в) по графику j = f(B) (рис. 4) находится значение по­правочного коэффи­циента j;

г) тяговое усилие, развиваемое электромагнитом:

Р =m₀j²F²S/2(d+d_п)²

Р =m₀j²F²S/2(dsin0,5a+d_п)²

Р =m₀j²F²S/4d²

 

 j

 

 0,95

 0,90                                                                                   1 - j = f₁(B_б)

                                                                                     2 - j = f₂(B)

 0,85

                                                                                                    2

 0,80

                                                   1

 0,75

 

0       0,2  0,4  0,6    0,8   1,0  1,2  1,4  1,6  1,8 В,Т 

  

 

 

Рис. 4. Области разброса и усредненные зависимости поправочного коэффициента от магнитной индукции: 1 - в рабочем зазоре; 2 -максимальной.

 

Поверочный расчет

 

Поверочный расчет производится при известных конст­рукции, размерах и параметрах электромагнита:

а) размерах магнитопровода D, D₁, d, C, C₁, L, l, l_cт, a;

б) размерах и параметрах катушки D_н, d_вн, l_к, b, d_пр, d_из, W, R;

в) других параметрах d_я, d_нп, d_п, U.

Требуется определить тяговое усилие электромагнита, его тепловой ре­жим, потребление тока, степень насыщенности магни­топровода.

Расчет электромагнита производится в следующей по­следовательности.

1. Проверка размеров магнитопровода и параметров ка­тушки:

а) D₁ = 0,87D;

б) d = 0,5D;

в) C = 0,12D;

г) С₁ = 0,06D;

д) l = L - 2C;

е) l_ст = (0,3...0,55)l;

ж) сечение якоря S = pd² /4;

з) средний диаметр катушки D_ср = 0,5(D_н + d_вн);

и) высота намотки h_к = 0,5(D_н – d_вн) ;

к) число витков катушки W = 0,865l_кh_к /d²_из;

л) сопротивление катушки R₀ = 7×10^-8 D_срW/d²_пр;

м) значение потребляемого тока I = U/R.

2. Определение тягового усилия, развиваемого электро­магнитом

при расчетном напряжении:

а) полная магнитодвижущая сила F = WU/R;

б) максимальная магнитная индукция:

B = m₀ F/(d + d_п)                                                                   (11)

B = m₀ F/(dsin0,5a + d_п)                                                        (11а)

B = m₀ F/2d                                                             (11б)

в) по графику j =f(B) (рис. 4) находится значение по­правочного коэффи­циента j;

г) тяговое усилие, развиваемое электромагнитом:

Р =m₀j²F²S/2(d+d_п)²                                                                              (12)

Р =m₀j²F²S/2(dsin0,5a+d_п)²                                                                (12а)

Р =m₀j²F²S/4d²                                                                                    (12б)

3. Проверка правильности выбора формы стопа или типа электромагнита в соответствии с рис. 2

4. Определение превышения температуры электромагнита:

а) удельная мощность рассеяния

n_уд = U² / pD(L + 0,5D)R

б) по графику Q = f(n_уд) (рис. 3) для найденной удельной мощности рас­сеяния определяется превышение температуры электромагнита Q.

 

5.3. Расчет винтовой пружины

 

Проектирование винтовых пружин растяжения - сжатия состоит в выборе материала проволоки и определении размеров пру­жины: среднего диаметра D , диаметра проволоки d , числа рабочих витков i_р и длины H₀ пру­жины в свободном состоянии. Решение за­дачи проектирования винтовой пружины неоднозначно, так как заданным свойствам могут удовлетворять пружины различной геомет­рии и из разных материалов. Поэтому при проек­тировании обычно на­ходят размеры нескольких пружин, удовлетворяющих заданным условиям, и из них выбирают ту, которая лучше других подходит к механизму прибора. Для выбранного материала необходимо назначить ве­личину до­пускаемого касательного напряжения при кручении [ T ]. Свойства пружинных материалов приведены в [4, прил. 43].

Наиболее удобно расчет размеров пружины вести по тре­буемой жесткости пружины k и максимальной растягивающей или сжимающей силе P_max. Же­сткость пружины связана с максимальной си­лой соотношением

где X_max - максимальное перемещение подвижных час­тей.

Подбор среднего диаметра пружины D, диаметра прово­локи d и числа рабочих витков i_p производят, используя уравнения прочности и жесткости преобразовав их к виду

d =    8Pmax cK T /( П [ T] )                                                     (14)

                                                                                              (15)

где c – индекс пружины; KT – коэффициент увеличения напряжения у внутренней стороны витка (сравнительно с напряжением, возникающим при кручении прямого стержня). Его величина зависит от ин­декса пружины и может быть найдена по приближенной формуле

kT = (4c + 2)/(4c - 3)                                                         (16)

Для упрощения расчетов целесообразно вначале вычис­лить значения

8P max /( П [ T ] ) и G/(8k). Затем следует задаться несколькими значе­ниями индекса пружины c = D/d в пределах от 4...6 до 16...20. Пружины меньших индексов применяют редко. Редко ис­пользуются пру­жины и с большим значением индекса. При индексе выше 16...20 сущест­венно увели­чивается диаметр пружины, резко уменьшается их изгибная прочность. Если нет каких-либо специальных требова­ний, следует выбирать среднее значение индекса с = 8...12.

Задавшись рядом значений индекса и найдя отвечающие им значения ко­эффициента k T, определяют по (14) диаметры проволоки, соответст­вующие выбранным значениям индекса c. Выбрав из сортамента пружинной про­волоки [4, прил.3] ближайшие большие зна­чения диаметров, подставляют их в формулу (15) и определяют рабочее число витков пружин при каждом зна­чении индекса. По значениям c и d определяют средний диа­метр пружины D = d×c, наружный D_н =d(c+1) или внутренний D_вн = d(c-1) диаметры пру­жины. Величины d и i_р используют для определения начальной длины (вы­соты) пру­жины H₀. Для пружин сжа­тия

H₀ = (s×i_р + i_к)d + X_max                                                          (17)

Коэффициент s определяется зазором между витками в ее наиболее сжа­том состоянии, т.е. когда она сжата силой P_max. Зазор необходим для компен­сации погрешности шага витков. Величину s обычно выбирают в пределах 1,2...1,5; i_к - число опорных, кон­цевых витков. Величина i_к зависит от кон­струкции пружины, ее назначения. Для неответственных пружин i_к =1,5. При повышенных требованиях к точности характеристики пружины число концевых витков увеличивают до i_к =3 (по 1,5 витка с каждой стороны).

Для пружин растяжения, навиваемых обычно без зазора между витками высота пружины

H₀ = i_р ×d + Ф×D                                                         (18)

Коэффициент Ф учитывает размеры зацепов [5] и в зави­симости от их конструкции принимается в пределах от 0,5 до 2.

В результате такого проектирования получают ряд пружин с соответст­вующими значениями d, D и H₀, из этого ряда вы­бирают пружину, наилуч­шим образом подходящую к разрабатываемой конструкции.

 

5.4. Разработка программ расчета и анализ

статических характеристик системы

 

Расчет статических и динамических характеристик элек­тромеханической системы рассматриваемого класса основан на приме­нении методик, изло­женных в [5], и использует нелинейную математи­ческую модель.

К основным статическим характеристикам относятся: уравнения связи Ф = f(i,a), внешняя характеристика a = f(i), механическая характеристика F_дв = f(i,a). Для получения выражений, позволяющих рассчитать статиче­ские характеристики, необходимо соста­вить схему замещения магнитной цепи исполнительного устройства и записать нелинейное алгебраическое уравнение (уравнение Кирхгофа для магнитной цепи). Решение этого урав­нения требует использования соответствующих численных методов и при­менения ЭВМ.

Пользуясь методикой и алгоритмами, изложенными в [5], составить схему замещения магнитной цепи, записать уравнения связи и нелинейное алгебраическое уравнение магнитной цепи, соста­вить программы расчета и рассчитать механическую характеристику разработанной системы для мак­симального тока нагретого электромаг­нита.

 

5.5. Выбор жесткости возвратной пружины и элемен­тов

ключевого усилителя мощности

 

Для выбора возвратной пружины и элементов ключевого усилителя мощ­ности необходимо провести анализ влияния их парамет­ров на динамические характеристики системы.

При включении электромагнита якорь преодолевает со­противление воз­вратной пружины F_пр = К_пр×d и внешней силы нагрузки F_н, причем чем больше жесткость пружины, тем больше сила сопротивления и время сраба­тывания электромагнита.

При отключении электромагнита (при подаче на базу транзистора усили­теля мощности запирающего напряжения) ток в об­мотке начинает умень­шаться, сила, прижимающая якорь к упору, также уменьшается и, когда ее величина становится меньше силы пружины, якорь начинает возвратное движение. Причем, чем быстрее в цепи обмотки спадает ток и чем больше жесткость возвратной пружины, тем быстрее якорь возвращается в исход­ное состояние.

При отключении обмотки на ней появляется напряжение самоиндукции, направленное в одну сторону с напряжением источника питания, что может привести к выходу из строя транзистора. Для за­щиты транзистора от пробоя используются стабилитроны, ограничи­вающие напряжение на коллекторе транзистора. Спад тока при отключении будет тем быстрее, чем больше пре­дельно допустимое напряжение на коллекторе транзистора, защищенного от пробоя стабилитроном. Таким образом, для обеспечения быстрого спада тока необходимо использо­вать высоковольтные транзисторы.

 

Для определения жесткости пружины и элементов выход­ного каскада усилителя мощности можно рекомендовать следующую методику:

 

- повторяя несколько раз процесс расчета динамических характеристик электромагнита подобрать величину жесткости пружины так, чтобы время срабатывания было на 5...10 % меньше требуе­мого по заданию;

 

- задать предельно допустимое напряжение на транзисторе на два порядка больше напряжения источника питания и для вы­бранной величины жестко­сти пружины рассчитать время возврата якоря электромагнита в исходное положение. Если это время на 10...15 % меньше требуемого, то величина же­сткости пружины выбрана правильно;

 

- повторяя несколько раз процесс расчета динамических характеристик,

определить предельно допустимое напряжение, при котором время воз­врата якоря электромагнита исходное положение будет равно заданному;

- по предельно допустимому напряжению и требуемому току коллектора транзистора i_k = (1,2...1,4)i_max выбрать типы транзистора и стабилитрона.

 

5.6. Разработка программ расчета и анализ

динамических характеристик системы

 

Основными динамическими характеристиками электро­механической системы являются переходные характеристики по току в об­мотке и переме­щению якоря электромагнита. Расчет этих характери­стик сводиться к ре­шению нелинейной математической модели [5]:

                                 (19)

 

В математической модели (19) используются следующие обозначения: x, x_c – координата и скорость якоря; F_д – движу­щая сила; F_н – сила нагрузки, E_к – коллекторная эдс; i – ток в обмотке; B – индукция в минимальном сече­нии магнитопровода S_min; m – масса подвижных частей; С – жесткость пру­жины; h – коэффициент вязкого трения; i_в – вихревой ток; r, r_в – сопротивле­ние обмотки и эквива­лентное сопротивление путей вихревых токов; G_р – проводимость рас­сеяния; U_со – напряжение стабилизации стабилитрона; r_то, r_тз – со­противление открытого и закрытого транзистора.

Для получения динамических характеристик необходимо, пользуясь мето­дикой и алгоритмами, приведенными в [5], составить программу и рассчи­тать переходные процессы по току в обмотке элек­тромагнита, перемеще­нию якоря, скорости перемещения якоря, индук­ции в минимальном сече­нии и движущей силе в зависимости от времени переключения транзистора выходного каскада усилителя мощности.

Используя полученные данные и при необходимости по­вторяя потребное число раз расчет динамических характеристик, по­добрать пружину, исполь­зуя методику, изложенную выше.

 

5.7. Расчет источника питания

 

Расчет источника питания постоянного тока включает вы­бор трансформа­тора, выбор схемы, элементов и расчет параметров выпрямителя, выбор типа фильтра.

Режим выпрямителя в значительной степени определя­ется типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпря­мителях, пи­тающихся от однофазной сети переменного тока, применя­ются емкостные фильтры Г-образные LC, RC и П-образные CLC и CRC фильтры.

Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчи­танных на ма­лые токи нагрузки. На выходе выпрямителя параллельно нагрузке включа­ется конденсатор для уменьшения пульсации вы­прямленного напряжения. Реакция нагрузки на выпрямитель зависит от емко­сти конденсатора, сопро­тивление которого для переменной состав­ляющей много меньше сопротив­ления нагрузки.

Если фильтр выпрямителя начинается с дросселя, обла­дающего боль­шой индуктивностью, то нагрузка выпрямителя - индук­тивная.

Выпрямитель характеризуется: выходными параметрами; параметрами, характеризующими режим диодов, и  параметрами трансформатора.

Наиболее распространенный вентиль в маломощных устрой­ствах - полупро­водниковый диод.

К выходным параметрам выпрямителя относятся: номи­нальное среднее выпрямленное напряжение U₀; номинальный сред­ний выпрямлен­ный ток I₀; коэффициент пульсации выпрямленного напряже­ния k_п01; частота пульсации выпрямленного напряжения f_п; внутреннее сопротивление выпрямителя r₀.

Коэффициентом пульсации k_п01 называется отноше­ние амплитуды пер­вой гармоники выпрямленного напряжения U₀₁ к среднему значе­нию вы­прямленного напряжения U₀.

Диоды в выпрямителях характеризуются средним значе­нием прямого тока I_{пр ср}; действующим значением тока I_пр; ам­плитудой тока I_{пр max}; амплиту­дой обратного напряжения U_{обр max}; средней мощностью P_{пр ср}.

Для трансформаторов, работающих в выпрямителях, оп­ределяются дей­ствующие значения напряжений U₁, U₂ и то­ков I₁, I₂ первичной и вторичной обмоток; мощности первичной и вторичной обмо­ток S₁, S₂; габаритная мощность трансформатора S_г.

В выпрямителях для питания аппаратуры от однофазной сети переменного тока применяются однополупериодная схема вы­прямления, двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки, мостовая

схема.

Однофазный выпрямитель по мостовой схеме рис. 5. среди прочих вари­антов двухполупериодных выпрямителей обладает наи­лучшими технико-экономическими показателями. Применяется в основном с емкостным, Г-об­разным и П-образным RC и LC фильтрами. Достоинства такого выпрямителя - повышенная частота пульсации, относительно не­большое обратное напря­жение, хорошее использование трансформа­тора, возможность работы от сети переменного тока без трансформатора. К недостаткам выпрямителя от­носятся повышенное падение напря­жения в диодном комплекте, невозмож­ность установки однотипных полупроводниковых вентилей на одном радиа­торе без изолирующих прокла­док.

Пример расчета выпрямителя приведен в [6].

 

 

 

                             TV                        VD4 VD1

                                           I₂                                       a

                        I₁

          U₁                                     U₂

                                                                VD2 VD3    U_om1

                                            

                                                                                          б

 

 

Рис. 5. Схема однофазного выпрямителя

 

 

 

5.8. Разработка конструкции электромеханической сис­темы

 

Конструктивное исполнение магнитопровода. При конструкторской проработке и назначении технологии изготовления деталей магнитопровода следует по возможности строго выдерживать следую­щие требования: рабо­чие воздушные зазоры в собранном электромаг­ните должны быть воз­можно ближе к расчетным, а паразитные - возможно меньшими; магнитные характеристики материалов должны быть близ­кими к расчетным; шихтован­ные детали магнитопроводов не должны иметь заусенцев во избежание за­мыкания соседних пластин.

Детали магнитопровода изготавливают из прутков, полос, листов или от­ливают. При этом в основном используют обработку на металлорежущих станках и холодную штамповку. После механиче­ской обработки детали маг­нитопровода должны подвергаться термической обработке - отжигу, кото­рый необходим для восстановления магнитных свойств, нарушенных в про­цессе изготовления деталей.

Конструктивное исполнение катушек. В зависимости от конструк­тивного исполнения различают каркасные и бескаркасные. Каркасные ка­тушки могут собираться на металлических или изоляци­онных каркасах. Ме­таллические каркасы обычно выполняют в виде ла­тунной или

стальной трубы, на краях которой устанавливаются металли­ческие шайбы, укрепляемые либо развальцовкой трубы либо пайкой. Такие катушки отли­чаются хорошим теплоотводом, однако требуют на­дежной изоляции об­мотки от каркаса, что делает их недостаточно техно­логичными. Каркасы из изоляционных материалов могут быть прессо­ванными или сборными. Прессованные каркасы наиболее просты, техноло­гичны и обладают хоро­шими изоляционными свойствами. Сборные каркасы более сложны и вы­полняются клееными.

Бескаркасные катушки по сравнению с каркасными значи­тельно проще в производстве, поскольку не требуют каркаса, имеют лучший теплоотвод и изоляционные свойства, но допуски на их размеры больше, их неудобно крепить на сердечнике.

Обмотки бескаркасных катушек, а также каркасных в слу­чае металличе­ских каркасов изолируются от сердечника или каркаса пленкой из фторопла­ста, стеклотканью, триацетатной пленкой и т.д. Снаружи обмотки защища­ются обычно кабельной бумагой, шелковой или стеклянной лакотканью, ла­кированной бумагой.

Низковольтные обмотки выполняются лишь с наружной изоляцией,  а в высоковольтных отдельные слои изолируются друг от друга. Толщину и ко­личество слоев изоляции выбирают в зависимости от ве­личины рабочего на­пряжения обмотки.

Обмоточные провода. Для электромагнитов прибор­ных устройств обычно применяются медные обмоточные провода круглого сечения. Реко­мендуется избегать проводов очень малого диаметра (ме­нее 0.1 мм), так как из-за малого сечения такой провод будет иметь низ­кую прочность и рваться при намотке.

В зависимости от выполнения изоляции различают обмо­точные провода трех видов: с эмалевой изоляцией (ПЭВ,ПЭЛ,ПЭТВ), с волокнистой изоля­цией (ПЭЛШО) и комбинированной изоляцией.

Основные характеристики обмоточных проводов приве­дены в [7].

Квалитеты точности, допуски, посадки, классы шеро­ховатости. В электромагнитах целесообразно использовать только часть квалитетов точ­ности допусков и посадок. Их применение можно про­иллюстрировать таб­лицей, приведенной в приложении 3[4].

Наиболее распространенными в электромагнитах допус­ками и посадками сопрягаемых деталей являются допуски и посадки, вы­полненные по 8...13-му квалитетам точности. По 8, 9-му квалитетам точно­сти рекомендуется изго­тавливать сопрягаемые детали, у которых за­зоры в месте должны выдержи­ваться небольшими. В некоторых слу­чаях применяются 6, 7-й квалитеты. Сопряжение деталей, не требующее точности, следует выполнять по 11...13-му квалитетам точности. При­менение посадок с большими допусками особенно большое значение имеет в условиях массового производства.

Допуски и посадки деталей электромагнитов, сопрягаемых с шарико- и роликоподшипниками, выполняются в основном по 7-му квалитету точно­сти. Резьбовые крепежные соединения, к которым не предъявляют особых требований, обычно выполняются по 6...8-му квали­тету точности.

Свободные размеры механически обрабатываемых деталей выполняются, как правило, по 14-му и 15-му, реже по 16-му квалите­там точности.

Допуски и посадки сопрягаемых плоских деталей прини­маются такими же, как и для цилиндрических деталей при условии, что поверхность сопря­гаемой площади не превышает величину 5p² (p - сопрягаемый размер). Если же сопрягаемые плоскости велики, то необходимо принимать посадки бо­лее свободные для компенсации неиз­бежных температурных и прочих де­формаций плоскостей.

При выборе класса шероховатости поверхности деталей электромагнита следует пользоваться рекомендациями, характерными для общего приборо­строения. Для свободных несопряженных обрабо­танных поверхностей можно ограничиться 4-м и даже 3-м классом ше­роховатости. Для подвиж­ных сопряжений с линейными перемещениями при невысоких скоростях и нагрузке рекомендуется 5-й класс шероховато­сти. Для деталей, вращаю­щихся при небольших нагрузках и скоростях, следует применять 7-й класс шероховатости, а при более тяжелых условиях работы - 8-й класс.

 

 

6. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

 

1. Руководство по проектированию систем автоматиче­ского управления: Учеб. пособие для студ. спец. "Автоматика и телеме­ханика"./ под ред. Бессе­керского В.А. - М.: Высшая школа, 1983. - 236 с.

2. Казаков Л.А. Электромагнитные устройства РЭА: Справочник. - М.: Ра­дио и связь, 1991. - 352 с.

3. Справочник по электротехническим материалам/ Под ред. Ю.В. Кориц­кого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - Л.: Энерго­атомиздат, 1988. - том 3, 728 с.

4. Элементы приборных устройств: Курсовое проектиро­вание. Учебное пособие для вузов. В 2-х частях / Под ред О.Ф. Ти­щенко. - М.: Высшая школа, 1978. - 328 с, 232 с.

5. Илюхина Н.С., Елецкая Г.П., Панков А.П. Электромеханические системы.: Учебное пособие. - Тула, 1990. - 104 с.

6. Справочная книга радиолюбителя-конструктора / под ред. Н.И. Чистя­кова. - М.: Радио и связь, 1990. - 624 с.

7. Витенберг М.И. Расчет электромагнитных реле для ап­паратуры автома­тики и связи. - М.: Энергия, 1966. - 724 с.

 

Приложение 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

---

Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 19; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!