Содержание

Введение……………………………………………………………………….6

Электромеханический преобразователь……………………………………..6

Теоретическая часть.

Конструктивные разновидности электромеханических преобразователей

и их магнитных систем……………………………………………………….7

Примеры применения электромеханических гидроприводов …………..12

Практическая часть.

Прямая задача… …………………………………………………………….18

Обратная задача. ……...……………………………………………………..22

Статическая характеристика электромагнита……………………………...42

Тяговая характеристика электромагнита ……………...…………………...43

Определение коэффициента жесткости пружины………………………....45

Приложение…………………………………………………………………..46

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.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СПИРЯКОВА

Известны электромеханические преобразователи, состоящие из цилиндрической катушки, намотанной изолированным проводником, в центральной части которой имеется канал, в котором с возможностью продольного перемещения размещен ферромагнитный сердечник. Эти устройства используются в качестве силовых приводов для аппаратов, машин и оборудования.

Известен также электромеханический преобразователь, содержащий сердечник с обмоткой управления и подвижную короткозамкнутую обмотку.

Известный электромеханический преобразователь имеет небольшую длину хода подвижного элемента.

С целью увеличения хода сердечник выполнен с двумя выступами на противоположных его торцах и снабжен второй короткозамкнутой обмоткой и кинематической связью, выполненной в виде гибкой тяги, перекинутой через блок, концы которой соединены с подвижными короткозамкнутыми обмотками, охватывающими выступ сердечника.

Увеличение хода в предложенном преобразователе по сравнению с прототипом обусловлено, во-первых, тем, что сердечник выполнен с двумя выступами на противоположных его торцах, причем длина выступов может быть заданной. Во-вторых, усилие, развиваемое одной короткозамкнутой обмоткой, суммируется с усилием другой короткозамкнутой обмотки посредством перекинутой через блоки гибкой связи. Это позволяет сконцентрировать усилие в заданном направлении и повысить мощность преобразователя, которая обеспечивается на всем протяжении движения подвижных короткозамкнутых обмоток.

Электромеханический преобразователь содержит обмотку управления, выполненную из изолированного проводника. Количество витков данной обмотки обусловлено рабочим напряжением источника переменного или пульсирующего тока. Катушка оборудована клеммами для подключения к источнику тока. Обмотка управления охватывает сердечник, выполненный из ферромагнитного материала, например, электротехнической стали, феррита и пр. Сердечник оборудован двумя выступами, длина которых определяется функциональной принадлежностью преобразователя. Обмотка управления оборудована двумя щечками из прочного диэлектрического материала. Щечки служат для крепления преобразователя в аппарате, машине и пр. Выступы охвачены двумя короткозамкнутыми обмотками, которые выполнены из полого цилиндра и шайбы из металла с высокой электропроводностью, например меди, алюминия и пр. Короткозамкнутые обмотки могут быть также выполнены из диэлектрика, покрытого слоем металла, обладающего высокой электропроводностью. Короткозамкнутые обмотки могут быть выполнены из изолированного проводника, концы которого замкнуты. Обмотки могут иметь систему охлаждения. С целью обеспечения движения короткозамкнутых обмоток по выступам минимальными и потерями на трение обмотки могут быть снабжены телами качения (или тела качения установлены в выступах). На щечке укреплены стойки, которых может быть заданное число. На стойках закреплены с возможностью вращения на неподвижной оси блоки, выполненные как и стойки из диэлектрического материала, поскольку они расположены в зоне сильного переменного магнитного поля выступов сердечника. Через блоки перекинута гибкая связь, концы которой закреплены на короткозамкнутых обмотках. Крепление возможно посредством клея, привязки, болтовое и пр. Гибкая связь может быть выполнена из шнура, троса из полимерных материалов и пр.

При подключении обмотки управления посредством клемм к источнику переменного тока, например, промышленной частоты 50 Гц, возникает переменное магнитное поле, которое усиливается сердечником и посредством выступов взаимодействует с короткозамкнутыми обмотками, в которых индуцируется сильный ток, направление которого отличается от тока возбуждения на 180^о. Известно, что токи, текущие в противоположных направлениях, отталкиваются. Поэтому короткозамкнутые обмотки стремятся удалиться от обмотки управления и слететь с выступов. При этом, если приводное устройство подключено к короткозамкнутой обмотке, то оно посредством гибкой связи воспринимает усилие и от короткозамкнутой обмотки. Это позволяет суммировать усилие обеих обмоток на общей нагрузке. При отключении тока от обмотки управления короткозамкнутые обмотки возвращаются в исходное положение или под действием силы тяжести, или под воздействием реакции нагрузки, или посредством возвратной пружины.

АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВОЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ НАСОС

Изобретение предназначено для использования в области гидроавтоматики в силовых следящих гидроприводах с дистанционно управляемым регулируемым насосом. Насос содержит механизмы регулирования и нуль-установителя с выполненными заодно исполнительными цилиндрами, подключенными к гидроусилителю. Последний связан линией гидропитания с вспомогательным насосом. Электромеханический преобразователь для управления гидроусилителем подключен к электрической цепи управления. Гидравлический автомат разгрузки включает распределитель и управляющий электромагнит с возможностью переключения линий гидропитания гидроусилителя и нагнетания вспомогательного насоса и линий исполнительных цилиндров. Электромеханический преобразователь выполнен с возбуждением от внутреннего источника энергии. Управляющий электромагнит подключен к сети питания электрической цепи управления. В качестве внутреннего источника энергии могут быть использованы постоянные магниты. Электромеханический преобразователь выполнен в виде электромагнита с поворотным якорем. Повышается надежность защиты гидропривода с управляемым насосом при обрыве сети питания электрической цепи управления от неуправляемых переходных процессов и быстродействие разгрузки насоса..

Изобретение относится к области гидроавтоматики и может быть использовано в силовых следящих гидроприводах с дистанционно управляемым регулируемым насосом.

К силовым следящим гидроприводам с управляемым насосом предъявляются высокие требования по надежности и быстродействию, в том числе в режиме разгрузки управляемого насоса при аварийном отключении электрического питания (неуправляемый переходный процесс).

Изобретение направлено на повышение надежности защиты гидропривода с управляемым насосом при обрыве сети питания электрической цепи управления от неуправляемых переходных процессов и повышение быстродействия разгрузки насоса за счет использования в автомате разгрузки в качестве источника его включения сети питания электрической цепи управления и дополнительного использования скорости возвращения в нулевое положение электромеханического преобразователя, быстродействие которого на порядок выше, чем у механизма нуль-установителя, в течение времени до разъединения цепи гидропитания гидроусилителя с вспомогательным насосом при обрыве или отключении сети питания электрической цепи управления, а также за счет исключения в электромеханическом преобразователе самой цепи электропитания.

Это достигается тем, что в аксиально-поршневом регулируемом насосе, содержащем механизмы регулирования и нуль-установителя с выполненными заодно исполнительными цилиндрами, подключенными к гидроусилителю, связанному линией гидропитания с вспомогательным насосом, электромеханический преобразователь для управления гидроусилителем, подключенный к электрической цепи управления, а также гидравлический автомат разгрузки, включающий распределитель и управляющий электромагнит, с возможностью переключения линий гидропитания гидроусилителя и нагнетания вспомогательного насоса и линии исполнительных цилиндров, электромеханический преобразователь выполнен с возбуждением от внутреннего источника энергии, а управляющий электромагнит подключен к сети питания электрической цепи управления. Использование в качестве внутреннего источника энергии постоянных магнитов, выполнение электромеханического преобразователя в виде электромагнита с поворотным якорем повышает надежность и стабильность работы и может применяться в частных случаях.

Такое выполнение предлагаемого изобретения позволяет обеспечить надежную защиту гидропривода с управляемым насосом при обрыве сети питания электрической цепи управления и повысить быстродействие автомата разгрузки насоса.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежом, где приведена принципиальная гидравлическая схема аксиально-поршневого регулируемого насоса.

Аксиально-поршневой регулируемый насос включает собственно насос, механизм регулирования, механизм нуль-установителя с исполнительными цилиндрами, гидроусилитель, электромагнит с поворотным якорем с возбуждением от постоянных магнитов, гидравлический автомат разгрузки, содержащий распределитель, управляющий электромагнит, возвратную пружину.

Электромагнит управляется по электрической цепи управления. Линия гидропитания гидроусилителя соединена с одной из нормально-разъединенных линий распределителя. Линия нагнетания вспомогательного насоса соединена со второй нормально-разъединенной линией распределителя. Исполнительные цилиндры линиями соединены с выходом гидроусилителя и нормально-соединенными линиями распределителя.

В исходном положении якорь электромагнита под действием постоянных магнитов возбуждения занимает нулевое положение, исполнительные цилиндры по линиям и распределитель соединены между собой, механизм регулирования под действием механизма нуль-установителя также занимает нулевое положение - подача насоса равна нулю.

При включении сети питания электрической цепи управления включается управляющий электромагнит, при этом срабатывает распределитель, разъединяя линии исполнительных цилиндров и соединяя линию гидропитания гидроусилителя с линией нагнетания вспомогательного насоса. При отсутствии управляющею сигнала на электромагните его якорь находится в нулевом положении - подача насоса равна нулю. При наличии управляющего сигнала на электромагните якорь занимает положение, определяемое величиной и полярностью сигнала, подача насоса определяется положением якоря электромагнита и может достигать максимального значения.

В случае обрыва или отключения сети питания электрической цепи управления в электромагните исчезает управляющий ток - якорь устанавливается в нулевое положение с большой скоростью, определяемой быстродействием электромагнита.

Одновременно начинает спадать ток в электромагните, при достижении током величины, при которой сила электромагнита становится меньше силы возвратной пружины, возвратная пружина устанавливает распределитель в исходное положение, разъединяя линию гидропитания гидроусилителя с линией нагнетания вспомогательного насоса и соединяя линии исполнительных цилиндров нуль-установителей.

В течение некоторого времени, определяемого временем переключения распределителя, гидроусилитель при нулевом положении якоря электромагнита возвращает механизм регулирования в нулевое положение с большой скоростью, определяемой работой гидроусилителя, снижая величину подачи насоса до остаточного значения.

Если за время переключения распределителя механизм регулирования не успел занять нулевое положение, то после завершения переключения распределителя дальнейшее перемещение механизма регулирования до нулевого положения осуществляется уже механизмом нуль-установителя.

Таким образом, возвращение механизма регулирования в нулевое положение при отключении сети питания электрической цепи управления происходит в два этапа:

1) быстрый возврат под действием гидроусилителя при нулевом положении якоря электромагнита до остаточного значения подачи в течение времени переключения распределителя. При этом точность возврата механизма регулирования в нулевое положение определяется гистерезисом возврата якоря электромагнита, осуществляемого под действием только собственных упругих сил электромагнита, производственными и методическими погрешностями гидроусилителя.

2) возврат на оставшуюся величину до полной остановки в нулевом положении под действием механизма нуль-установителя с компенсацией гистерезиса электромагнита 6, производственных и методических погрешностей гидроусилителя.

Наличие этапа 1) позволяет увеличить быстродействие автомата разгрузки по сравнению с ближайшими аналогами.