Линейные электромеханические приводы клапанов трубопроводной арматуры. Проектирование и оптимизация тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Медведев Виктор Владимирович

• Медведев Виктор Владимирович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Медведев Виктор Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ И МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА

1.1 Обзор конструкций линейных электромеханических приводов для трубопроводной арматуры

1.2 Линейные электромеханические приводы, применяемые в промышленности

1.3 Формулирование критериев выбора типа и конструктивного исполнения линейного электромеханического привода

1.4 Обзор методик проектирования линейных электромеханических приводов

1.5 Выводы по первой главе. Постановка задачи исследования

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТНОГО РАСЧЕТА ЛИНЕЙНОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

2.1 Выбор рациональной конструкции линейного электрического двигателя. Определение конфигурации магнитной системы

2.2 Методика проектного расчета линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя

2.3 Проектирование линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя для запорно-регулирующего клапана

2.4 Тепловой расчет цилиндрического вентильно-индукторного двигателя

2.5 Выводы по второй главе

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ ЛИНЕЙНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

3.1 Обзор методов и критериев оптимизации конструкции линейных цилиндрических вентильно-индукторных двигателей

3.2 Формирование целевой функции и функций ограничений для решения задачи оптимизации

3.3 Разработка математической модели линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя для оптимизационных расчетов

3.4 Разработка программного обеспечения для оптимизации

3.5 Анализ результатов оптимизации линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя

3.6 Формирование требований к системе управления линейным цилиндрическим вентильно-индукторным двигателем

3.7 Моделирование динамических характеристик линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя

3.8 Выводы по третьей главе

4 ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ЛИНЕЙНОГО ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

4.1 Опытный образец линейного ВИД и его система управления

4.2 Программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя

4.3 Проведение испытаний, анализ и обработка полученных результатов испытаний

4.4 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Документы, подтверждающие внедрение разработок

автора

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Программа оптимизации линейных цилиндрических вентильно-индукторных двигателей

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Линейные электромеханические приводы клапанов трубопроводной арматуры. Проектирование и оптимизация»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. При транспортировке жидких и газообразных продуктов широко используются запорно-регулирующие клапаны, предназначенные для регулирования расхода, поддержания давления и уровня в заданных пределах, а также смешивания различных сред в необходимых пропорциях. В зависимости от свойств и значений параметров рабочей среды к клапанам предъявляются различные требования, что приводит к множеству их конструктивных исполнений. Наиболее перспективным типом привода клапана запорно-регулирующей арматуры являются линейный электромагнитный или электродвигательный приводы, обеспечивающие дистанционное управление клапаном. В частности, для управления клапанами осевого потока целесообразно использовать линейный цилиндрический вентильно-индукторный двигатель (ВИД). Разработка новых конструкций цилиндрических линейных электромеханических приводов для широкого диапазона типоразмеров клапанов трубопроводной арматуры требует создания методики оптимального проектирования, учитывающей особенности линейного исполнения ВИД и основные факторы, влияющие на их работу, разработки новых математических моделей, алгоритмов и компьютерных программ для расчета характеристик и анализа электромагнитных и тепловых процессов в линейных приводах.

Работа соответствует научному направлению ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы».

Степень разработанности темы исследования. Особенностью ВИД является необходимость использования коммутаторов на базе полностью управляемых электронных ключей, вследствие чего первые промышленные образцы таких машин появились только в 1980-х годах. Основными положительными свойствами ВИД считаются простота их конструкций и схем управления, высокая надежность и относительно низкая стоимость, хорошие

регулировочные качества. Кроме того, ВИД хорошо подходит для использования в сложных условиях окружающей среды. К настоящему моменту в научно-технической литературе большое внимание уделялось вопросам проектирования ВИД вращения. Вместе с тем область применения линейных ВИД постепенно расширяется. Вопросам проектирования линейных ВИД уделялось внимание в работах Бута А.А., Коломейцева Л.Ф., Пахомина С.А., Рымши В.В., Смирнова Ю.В., Krishnan R. Процессы, происходящие в таких конструкциях, имеют специфические особенности по сравнению со своими вращающимися аналогами. Необходимость учета в линейных ВИД таких факторов, как краевые эффекты, увеличенные рабочие зазоры и т.п. делают актуальной задачу развития и совершенствования методов проектирования ВИД линейного исполнения.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является совершенствование конструкций линейных электромеханических приводов клапанов трубопроводной арматуры на основе создания новых математических моделей, алгоритмов, программ и методик для их исследования и оптимизационного проектирования. Это позволит сократить сроки проектирования и объемы экспериментальных исследований, а также повысит показатели ВИД.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведение анализа существующих конструкций линейных электромеханических приводов (ЭМП) для управления клапанами трубопроводной арматуры и методик их проектирования.

2. Разработка методики проектирования цилиндрического линейного ВИД из условия обеспечения заданного усилия на всем диапазоне изменения хода подвижной части.

3. Разработка математических моделей, алгоритмов и компьютерных программ для расчетов характеристик и параметров, анализа электромагнитных и тепловых процессов в линейных ВИД.

4. Разработка методики, алгоритма и программного обеспечения для оптимизации параметров линейного ВИД.

5. Разработка экспериментального образца линейного ВИД, программно-аппаратного комплекса для испытаний, проведение натурных испытаний.

6. Формулирование требований к системе управления линейным ВИД.

Научная новизна.

1. Разработана новая методика проектирования линейного цилиндрического ВИД с заданными параметрами, отличающаяся от известных тем, что позволяет сократить количество недостаточно обоснованно выбираемых коэффициентов и соразмерностей, обеспечивающая получение достоверных результатов проектирования.

2. Предложен алгоритм оптимизации линейного цилиндрического ВИД на основе использования генетического алгоритма, отличающийся от известных тем, что состоит из двух этапов, на первом из которых минимизируется диапазон изменения независимых переменных, а на втором происходит непосредственно оптимизация устройства в целом.

3. Получены соотношения для основных соразмерностей и технических параметров линейного цилиндрического ВИД, позволяющие оценить границы применимости разработанной методики проектирования.

Теоретическая и практическая значимость.

1. Предложена методика проектирования цилиндрического линейного ВИД из условия обеспечения заданного усилия на всем диапазоне изменения хода подвижной части.

2. На основании результатов исследований спроектированы и практически реализованы экспериментальные образцы цилиндрических линейных ВИД, проведены испытания в лаборатории НИИ Электромеханики ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск с использованием разработанного автором программно-аппаратного комплекса.

3. Сформулированы требования к системе управления цилиндрического линейного ВИД, обеспечивающие его работоспособность и заданные параметры.

Результаты работы приняты к внедрению в НИИ Электромеханики ЮРГПУ (НПИ), ООО НПП «МагнетикДон» и использовались при разработке

линейных электромеханических приводов для управления трубопроводной арматурой. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электромеханика и электрические аппараты» ЮРГПУ (НПИ) при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», направленностям «Электромеханика» и «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»; магистров по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», направленностям «Методы исследования и моделирования процессов в электромеханических преобразователях энергии» и «Электрические аппараты управления и автоматики».

Значительная часть исследований выполнена в рамках договоров и программ сотрудничества: государственный контракт № 02.513.11.3452 «Мехатронные приводы для запорно-регулируемых клапанов трубопроводной арматуры», при поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части государственного задания на проведение НИОКР, шифр заявки №2014/143; научный проект № 15.08 02283 от 16.02.2015 «Электромагнитные приводы исполнительных механизмов с повышенной устойчивостью к внешним механическим воздействиям. Анализ и синтез»; контракт для сторонних разработчиков: № 1321-ЮУ «Разработка научно-технических основ создания линейных электрических двигателей», заказчик - ABB Corporate Research.

Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационной работы является совокупность методов, основанных на использовании теории электрических, магнитных цепей и тепловых, теории поля, численных и аналитических методов решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений, численных методов решения систем нелинейных дифференциальных уравнений, методов оптимального проектирования.

Положения, выносимые на защиту.

1 Методика и алгоритм проектирования линейных цилиндрических ВИД с заданным усилием в диапазоне полного хода подвижной части.

2. Математические модели, алгоритмы и комплекс программ для анализа электромагнитных и тепловых процессов в линейном цилиндрическом ВИД.

3. Алгоритмы и программы оптимального проектирования линейных цилиндрических ВИД в двухэтапной постановке на основе применения генетического алгоритма.

4. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований для разных исполнений приводов клапанов.

Степень достоверности и апробация результатов. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке математических моделей, применением традиционных методологических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов и повторяемостью их результатов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на IV Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» г. Новочеркасск 17-19 июня 2003 г (ОАО «ВЭлНИИ»); на Международном науч.-практ. коллоквиуме «Проблемы мехатроники» г. Новочеркасск, 4-5 октября 2004 г (ЮРГТУ(НПИ)); на Всероссийской науч.-практ. конференции «Повышение эффективности электрического хозяйства» г. Москва, 16-20 ноября 2009 г; на Всероссийской научной школе для молодежи «Итоги и перспективы развития российско-германского сотрудничества в области мехатроники» г. Новочеркасск, 26-28 октября 2011г (ЮРГТУ(НПИ)); на IV Международной науч.-техн. конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» г. Тольятти, 24-25 апреля 2012 г; на научных семинарах кафедры «Электромеханика и электрические аппараты» ЮРГПУ(НПИ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе: 7 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 6 тезисов

докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях, получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 124 наименований и 2 приложений. Общий объем работы 186 страниц, включая 29 листов приложений и 55 иллюстраций.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ И МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА

1.1 Обзор конструкций линейных электромеханических приводов для

трубопроводной арматуры

При транспортировке жидких и газообразных продуктов широко используется запорно-регулирующая арматура, предназначенная для регулирования параметров рабочей среды: расхода, поддержания давления и уровня в заданных пределах, смешивание различных сред в необходимых пропорциях. К запорно-регулирующей арматуре относят различные устройства, в том числе и клапаны различных видов. Управление клапанами происходит с помощью приводов. Согласно классификации, приведенной в [1], приводы могут быть ручными, электромагнитными, электрическими (в состав которых входит электродвигатель), гидравлическими, пневматическими. Клапаны с резьбовым шпинделем управляются ручным или электрическим приводом, клапаны с гладким штоком - электромагнитным, пневматическим или гидравлическим приводом.

Наиболее универсальным считается электрический привод, так как он требует для работы только наличия источника электрической энергии, которая достаточно легко передается на большие расстояния. Электрические приводы подразделяют на электромагнитные и электродвигательные. Первые занимают нишу устройств, для которых характерен небольшой ход (порядка 10 мм) и небольшие усилия (не превосходящие несколько десятков ньютонов) [2].

Электромагнитные приводы разделяются на приводы прямого действия (рисунок 1.1) и приводы с мембранным или поршневым усилителем, который позволяет использовать энергию рабочей среды. Приводы первого типа используются для величин условных диаметров 6-40 мм, тогда как применение вторых позволяет расширить диапазон по условному диаметру до 100-200 мм.

Рисунок 1.1 - Клапан с электромагнитным приводом прямого действия

Рисунок 1.2 - Разрез электродвигательного привода арматуры

В остальных случаях для управления арматурой используются электродвигательные приводы.

«Усредненная» конструкция современного электродвигательного привода, используемая для приведения в действие гидропневмоарматуры, показана на рисунке 1.2 [3]. Он будет включать в себя электродвигатель 1, ограничительное устройство 2, редуктор 3, узел крепления к арматуре 4, ручной дублер 5, указатель положения 6, блок электрических соединений 7 (используется для подключений линий питания и управления, а также датчиков арматуры) и блок подключения к автоматизированной сети управления предприятия 8. Электропривод арматуры -это электромеханическая система, состоящая из преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

В качестве ЭМП для привода арматуры чаще всего используется двигатель переменного тока. Наибольшее распространение получили однофазные асинхронные двигатели; трехфазные асинхронные двигатели; однофазные синхронные двигатели; трехфазные синхронные двигатели. В качестве механического преобразователя в электроприводе трубопроводной арматуры используется редуктор, а при необходимости перехода от вращательного движения к поступательному - систему винт-гайка, зубчатую рейку, кривошипный механизм и т.п. [4-6].

Такой привод получил название косвенного привода. Системы с косвенным приводом имеют ряд недостатков [7,8]:

• мертвые точки в механической цепочке, которая может вызвать проблему для управления по положению;

• зазоры, которые уменьшают точность привода, особенно во время реверсивного движения;

• жесткость;

• упругость при кручении и изгиб валов, что вызывает резонанс, который представляет во многих случаях непреодолимый барьер и для точности позиционного управления устройства и для предельной скорости;

• дополнительные силы трения, которые вызывают потери мощности, следовательно, пониженная эффективность;

• дополнительные механические детали снижают надежность системы.

Как видно, практически все недостатки являются следствием использования

промежуточного передаточного механизма, поэтому, при его исключении, мы будем иметь возможность получить привод с лучшими характеристиками.

Сравнивая между собой электромагнитные приводы прямого действия и электрические прямоходные приводы, можно сделать вывод, что большее распространение последних вызвано техническими ограничениями, накладываемыми на существующие электромагнитные приводы. В частности, последние не могут реализовывать большие (более 10-15 мм) перемещения подвижной части и большие (более 100 Н) усилия), хотя обладают рядом потенциальных преимуществ перед электрическими (например, принципиально возможно получение более высокого КПД за счет устранения промежуточных звеньев). Таким образом, разработка свободного от технических ограничений электромагнитного привода прямого действия позволит расширить область применения последнего. Произойдет это путем частичного вытеснения электроприводов, построенных на базе двигателя вращения, за счет потенциально лучших эксплуатационных характеристик. В качестве наиболее перспективного варианта такого привода рассматривается привод с использованием линейного электрического двигателя.

Топологии современных линейных двигателей

В настоящее время подобные устройства (линейные двигатели) используются во многих отраслях промышленности: роботостроении, станкостроении, медицине, системах контроля и защиты, на транспорте. Использование такого привода позволит сэкономить до 30 процентов расходуемой энергии [9].

Существует несколько разновидностей линейного привода [117], каждая из которых имеет ряд топологий изготовления. Принцип работы привода и его топология являются одними из определяющих факторов, от которых зависит выбор того или иного привода, поэтому ниже будут рассмотрены и кратко охарактеризованы основные имеющиеся на сегодняшний день конструкции линейных электрических двигателей.

Линейные асинхронные двигатели (ЛАД) [6,9-11] состоят из основной части, на которой расположены питающие обмотки, и добавочной части, выполненной из электропроводящего материала (рисунок 1.3). Усилие в таком приводе достигается за счет взаимодействия токов питающих обмоток с наводимыми ими в проводящей подвижной части вихревыми токами. Возможно, плоское либо трубчатое строение основной и добавочной части привода. Трубчатое строение рекомендуется применять для перемещений, не превышающих 0,5 метра, в остальных случаях используется плоское строение. Максимальный ход подвижной части обычно не превышает 2-3 метров. Двигатель данного типа достаточно дешев в изготовлении и может использоваться в системах, где частое обслуживание привода затруднено.

Недостатком ЛАД является низкий КПД и повышенные потери по сравнению с другими типами линейных двигателей.

и и и и и и

а)

иииииииииииии

б)

в)

а) плоский ЛАД с поступательным движением вторичного элемента с коротким статором

б) плоский ЛАД с поступательным движением вторичного элемента с длинным статором

в) цилиндрический (трубчатый) ЛАД Рисунок 1.3 - Разновидности ЛАД

Линейные синхронные двигатели с постоянными магнитами (ЛСДПМ) (рисунок 1.4) [6,12-14] в настоящее время начинают использоваться в промышленности вследствие появления высокоэнергетических редкоземельных постоянных магнитов. По сравнению с ЛАД они обладают лучшими параметрами, в частности, большей плотностью силы и лучшими динамическими характеристиками. Особенно явно эти преимущества проявляются для приводов малых размеров, где растет доля тока намагничивания в общем токе. Однако такие приводы являются более дорогими, а также возможно взаимодействие постоянных магнитов с ядром статора, что может вызывать ряд нежелательных эффектов (колебания, ошибки при позиционировании, неравномерное перемещение на низкой скорости).

Возможно изготовление ЛСДПМ с трубной и плоской конфигурацией, первая применяется при перемещениях подвижной части до 1 метра, вторая - при ходе до 3 метров. Существуют разновидности ЛСДПМ, обеспечивающие больший ход подвижной части.

Рисунок 1.4 - Линейный синхронный двигатель с постоянными магнитами

Линейные синхронные реактивные двигатели [13,15,16] имеют строение основной части такое же, как ЛАД и ЛСДПМ, но в отличие от них вторичная часть не содержит обмоток либо постоянных магнитов (рисунок 1.5).

©

i_n_.ru

©

© © © ©

Рисунок 1.5 - Линейный синхронный реактивный двигатель

Сила тяги в двигателях данного типа образуется за счет взаимодействия основного магнитного поля и вторичной анизотропной магнитной системы. Данный тип двигателя обладает высоким быстродействием, однако требует сложной и дорогостоящей обработки подвижных частей, поэтому в промышленных приложениях практически не применяется.

Линейные шаговые двигатели [6,17,18] являются частным случаем линейных синхронных двигателей (двигатели дискретного действия) (рисунок 1.6). Как и в синхронной машине, ротор шагового двигателя так же следует за магнитным полем, создаваемым обмотками. Часто шаговый двигатель имеет зубцы на полюсах статора и зубчатую структуру подвижной части без явно выраженных полюсов. Такая конструкция явилась следствием необходимости получения малого шага перемещения, что позволило добиться хорошей плавности (уменьшения пульсаций) хода и момента.

Линейные шаговые двигатели с постоянными магнитами обладают такими же недостатками, как и ЛСДПМ.

\ Ъ 4 5

0 Г © / О ,/

1 - статор; 2 - подвижная часть; 3 - постоянный магнит; 4 - полюс ротора; 5 - обмотка

управления

Рисунок 1.6 - Линейный шаговый двигатель с постоянными магнитами:

Еще одним представителем линейных машин является линейный вентильный индукторно-реактивный двигатель (ЛВИРД) [19-22]. Конструктивно

данный двигатель напоминает реактивный синхронный двигатель (рисунок 1.7). Для работы такому двигателю необходим преобразователь и датчик положения ротора. Он обладает самой простой конструкцией из всех линейных машин, поэтому затраты на его производство являются наиболее низкими. Его обмотки являются концентрированными, а не распределенными, что делает их высокотехнологичными и простыми в обслуживании. Наличие на данный момент времени множества недорогих преобразователей для управления таким двигателем делает его более выгодным по сравнению с ЛАД и ЛСДПМ.

а)

б)

общий вид (а) и сечение одной фазы (б) Рисунок 1.7 - Цилиндрический вентильный индукторно-реактивный двигатель

Одним из недостатков такого двигателя является пульсация силы, что ограничивает его применение в высокоточных позиционирующих устройствах, а также повышенный шум. Как ЛАД, и ЛСДПМ, ЛВИРД может изготавливаться как в трубчатой, так и в плоской конфигурации. Обмотки двигателя не связаны между собой электрически, поэтому такой двигатель может работать даже при обрыве одной из фаз или коротком замыкании в ней. Таким образом, ЛВИРД обладает высокой отказоустойчивостью. Еще одним положительным качеством является хорошее охлаждение обмоток.

У цилиндрического вентильного индукторно-реактивного двигателя (ЦВИРД) [23,24] есть некоторые важные преимущества по сравнению с ЛВИРД, такие как более короткие концевые обмотки и более короткий путь линий потока. Также ЦВИРД имеет большую относительную плотность силы (отношение силы к объему), чем даже двухсторонний ЛВИРД. Все это делает подобный привод лучшим вариантом для обеспечения линейных небольших перемещений.

1.2 Линейные электромеханические приводы, применяемые в промышленности

В настоящее время линейные ЭМП на базе двигателей различных типов широко применяются в промышленности [25-41]. Области их применения различны, это приводы компрессоров [25-27], силовые приводы металлообрабатывающих центров [34-36], включая приводы столов [32]. Приводы малой мощности находят применение в медицинской технике.

В [42] показана возможность использования плоского линейного вентильно-индукторного двигателя в качестве привода устройства для непрерывного ввода лекарств. Работы [43, 44] посвящены применению вентильно-индукторной машины в качестве привода для аппарата «искусственное сердце». Определению предварительных размеров привода, а также его основных характеристик посвящена работа [43]. По полученным геометрическим размерам был изготовлен опытный образец (рисунок 1.8), испытания которого описаны в [44]. Также для

образца была разработана система управления, которая должна обеспечивать закон перемещения подвижной части, близкий к гармоническому. По результатам испытания образца с системой управления были получены ряд опытных коэффициентов, необходимых для полноценной работы данной системы.

Рисунок 1.8 - Прототип привода аппарата «искусственное сердце» [44]

Вентильно-индукторные двигатели могут быть использованы для управления вспомогательными устройствами, в частности, автоматически открывающихся и закрывающихся дверей кабинок лифта. В [45] рассмотрены вопросы проектирования двухстороннего плоского вентильно-индукторного двигателя, предназначенного для привода дверей. Для двигателя заданных размеров с помощью специального программного обеспечения были получены величины усилий, действующих на подвижную часть, а также рассчитаны электрические параметры, в частности, индуктивности для различных величин перемещения. По результатам был изготовлен опытный образец и система управления для него (рисунок 1.9). Проведенные испытания [46] показали работоспособность системы в целом, подтвердив возможность двигателя перемещать груз заданной массы на определенное расстояние.

Рисунок 1.9 - Опытный образец привода дверей и его система управления [46]

Различные типы электрических двигателей, в том числе и линейных, находят применение в автомобильном транспорте. В [47] проведен обзор автомобильных систем различного назначения (антиблокировочные системы, системы фронтального освещения, системы активной подвески). Показано, что линейные двигатели могут быть применены в системах активной подвески, а также приведен прототип такой системы, где в качестве привода используется линейный вентильно-индукторный двигатель.

Пример расчета элементов подобной системы приведен в [48]. В качестве привода используются четыре трехфазных линейных привода, подвижный элементы которых объединены. Модель привода показана на рисунке 1.10. Для данной конструкции с помощью специализированного программного обеспечения были рассчитаны необходимые электромагнитные характеристики. Помимо этого, была создана модель системы управления линейными двигателями, которая была использована при последующем моделировании системы активной подвески в целом.

В отчете о НИР [49] были рассмотрены две конструкции линейных двигателей, предназначенные для использования в системах активной подвески. Первая из них - система с продольным магнитным потоком (рисунок 1.11).

а) Ь)

Рисунок 1.10 - Вид сверху а) и продольный разрез Ь) модели привода для активной

подвески [48]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Медведев Виктор Владимирович, 2018 год

- —

■

- í ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 .....

1 1 1

■

* * i * * i * * i* * *i* * * IIII 1 1 1 IIII IIII

0,05 ОД 0,15 0,2 0,25 0,3

t, сек

Рисунок 3.14 - Зависимость напряжений на обмотках от времени

Рисунок 3.15 - Зависимость тока в обмотках от времени

0,05 0,04 0,03

Е

0,02 0,01

0 ' 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

I, сек

Рисунок 3.16 Зависимость перемещения подвижного элемента от времени

Используя последний график, можно определить, что время перемещения транслятора из одного крайнего положения в другое составляет 0,276 секунды. Кроме этого, совмещая графики на рисунках 3.14 и 3.16, можно получить таблицу управления напряжения обмоток в функции от положения транслятора.

Результаты, приведенные в таблице 3.4, показывают, что наименьшее время срабатывания (0,219 с) будет при значении увкл = 62,9 эл. градуса и уоткл = 50,3 эл. градуса. Данная величина почти на 20% меньше, чем значение времени срабатывания для значений увкл и уоткл равных нулю.

3.8 Выводы по третьей главе

По результатам третьей главы сделаны следующие выводы:

1. В качестве метода оптимизации ВИД наиболее широко используются эволюционные методы, в частности генетический алгоритм. Большинство решаемых задач оптимизации ВИД используют комплексный критерий оптимизации.

2. В качестве целевой функции для решаемой задачи оптимизации наиболее рационально использование комплексного критерия, в состав которого входят

величины электромагнитных усилий, развиваемых ВИД, а также величина его объема.

3. Вследствие ограничений на использование внешних модулей для программ, в которых генетический алгоритм реализован в виде стандартной процедуры, существует необходимость создания оригинального программного обеспечения, которое позволит снять данное ограничение.

4. Проведенный анализ результатов оптимизации показал, что использование созданного программного обеспечения позволило получить конструкцию ВИД, имеющую лучшие показатели, чем начальный вариант. Вследствие этого можно сделать вывод, что предложенный алгоритм и соответствующее программное обеспечение корректно выполняют те задачи, для решения которых они были созданы.

5. Обоснована необходимость разработки системы управления для разработанного ВИД, сформулированы требования к данной системе, предложены возможные схемные решения для силового коммутатора системы управления.

6. Проведено моделирование динамических характеристик ВИД, которое позволило определить параметры системы управления, в частности в моменты подачи и отключения питания обмоток.

4 ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ЛИНЕЙНОГО ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА

4.1 Опытный образец линейного ВИД и его система управления

В предыдущей главе были определены геометрические размеры и обмоточные данные опытного образца, а также произведен расчет зависимости тягового усилия, создаваемого каждой из обмоток, от положения подвижной части. Для подтверждения правильности расчетов был изготовлен макетный образец ВИД, основные элементы которого представлены на рисунке 4.1.

ПоДЕ11ЖНЫЙ ЭПЕТЛЙИТ

3

Г 121

| 33!

Рисунок 4.1 - Внешний вид ВИД

Из представленного рисунка видно, что помимо элементов магнитной системы (подвижный элемент, модули статора, немагнитные разделители, обмотки) ВИД также содержит в себе конструктивные элементы, такие как корпус, фланцы и втулки. Вся конструкция скрепляется с помощью четырех шпилек (на рисунке не показаны).

Модуль статора выполнен разъемным и состоящим из двух частей. Это сделано для того, чтобы облегчить внедрение обмотки в модуль. Немагнитный

Ми шстчир 15В-5В н-^а/лт Фллкеч Капуии

разделитель представляет собой диск из немагнитного металла с центральным отверстием для того, чтобы не создавать препятствий перемещению транслятора.

Подвижный элемент ВИД имеет по бокам две цилиндрические направляющие, диаметр которых меньше, чем внутренний диаметр Drp. Длина этих направляющих должна превышать значение суммы хода подвижного элемента и толщины фланца.

Катушки ВИД выполнены по бескаркасной технологии. Они намотаны медным проводом диаметром 0,8 мм и содержат по 368 витков.

Все элементы магнитной системы ВИД, а также втулки, размещены в корпусе. Основной задачей корпуса является фиксация элементов ВИД в осевом и продольном направлениях. Корпус выполнен из немагнитного металла.

Втулки предназначены для фиксации элементов магнитопровода внутри корпуса в осевом положении, а также для создания внутри корпуса свободного места для перемещения подвижного элемента. Втулки изготовлены из немагнитного металла.

Фланцы предназначены для фиксации всех внутренних деталей внутри корпуса ВИД, а также для обеспечения перемещения подвижного элемента строго вдоль оси ВИД. На четырех углах фланца сделаны четыре отверстия для шпилек, с помощью которых фланцы фиксируются относительно корпуса.

Все элементы ВИД помещены в корпусе, который с торцов закрыт фланцами, как показано на рисунке 4.1. Фланцы зафиксированы с помощью четырех шпилек. Фотография ВИД в сборе показана на рисунке 4.2.

Отдельным блоком ВИД является его система управления, с помощью которой возможно обеспечивать перемещение подвижного элемента двигателя по необходимому закону управления. Модуль системы управления показан на рисунке 4.3.

Рисунок 4.2 - Внешний вид ВИД в сборе

Рисунок 4.3 - Модуль управления ВИД

На лицевой панели корпуса модуля управления располагаются элементы управления (кнопки) и жидкокристаллический дисплей для отображения информации. Кнопок управления пять, четыре из них располагаются под дисплеем, одна - слева сбоку от дисплея.

Система управления может работать в трех режимах. Для смены режима используется кнопка М, расположенная сбоку от дисплея. Первый режим работы - прямая подача напряжения на обмотки управления. Данный режим может быть использован для проверки работоспособности обмоток и является режимом по умолчанию. В этом режиме кнопка F1 подает сигнал на первую обмотку, кнопка F2 - на вторую обмотку, кнопка F3 - на третью обмотку. Кнопка F4 подает сигнал на четвертую обмотку управления.

Второй режим работы - это режим, при котором обеспечивается перемещение подвижного элемента из одного крайнего положения в другое. В этом режиме реализована поочередная подача питания на каждую из обмоток, в зависимости от сигнала датчика положения, т.е. в любой момент времени ток протекает по какой-либо одной обмотке. При таком управлении подвижный элемент при поочередной подаче питания на обмотки перемещается на величину около 7 мм.

Третий режим работы также обеспечивает перемещение подвижного элемента из одного крайнего положения в другое, но при выборе этого режима обратная связь по положению подвижного элемента не используется. Импульс управления на обмотки подается с выдержкой времени, достаточной для того, чтобы подвижный элемент совершил элементарное перемещение. При использовании такого режима работы ВИД фактически аналогичен линейному шаговому двигателю.

Переключение между режимами происходит циклично по нажатию на клавишу выбора режимов. Единичное нажатие переключает режим на следующий. После третьего режима следует первый.

Модуль системы управления крепится к корпусу ВИД. На рисунке 4.4 показан ВИД с установленным на нем датчиком перемещения и модулем системы управления.

Рисунок 4.4 - ВИД с модулем управления и датчиком перемещения

Для питания двигателя и системы управления используется внешний блок питания с выходным напряжением 12 В постоянного тока. Выводы блока питания с соблюдением полярности необходимо подключить к клеммам на блоке управления (рисунок 4.3). Выводы обмоток управления и датчика перемещения также нужно соединить с системой управления посредством проводников.

4.2 Программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований линейного цилиндрического вентильно-индукторного двигателя

Основными характеристиками линейных электромагнитных приводов, подлежащих теоретическому или экспериментальному определению, являются

зависимости потокосцепления и электромагнитного усилия (момента) в функции от тока обмоток и/или перемещения подвижной части привода. Эти характеристики могут быть использованы для различных задач, одной из которых является определение момента подачи сигнала на обмотки в случае бездатчикового управления двигателем [100]. Другое применение этих характеристик - использование для моделирования ВИД совместно с системой управления в различных прикладных программах.

Проведенный обзор методов экспериментального определения потокосцепления показал, что их можно разбить на две группы - методы прямого измерения и косвенного измерения [101]. Для прямого измерения данного параметра, как показано в [102], могут быть использованы датчики на базе элемента Холла. Конструктивно данные элементы размещены на подвижной части. Несмотря на возможность прямого измерения потокосцепления, указанный подход требует установки дополнительных датчиков, что ведет к усложнению конструкции системы в целом и к ее удорожанию. Вследствие этого прямое измерение потокосцепления практически не встречается.

По указанным выше причинам применение косвенных методов для определения потокосцепление получило большее распространение. В основе подобных методов лежит подход, согласно которому потокосцепление может быть получено как результат интегрирования выражения:

^) = 1 (и - (4.1)

0

где и - напряжение на зажимах обмотки; I, Я - ток в обмотке и ее сопротивление соответственно.

Использование (4.1) позволяет получить зависимость потокосцепления от времени, а в дальнейшем, используя зависимость тока от времени, и характеристику потокосцепления от тока. Данный метод в [103] назван импульсным.

Полученная данным способом зависимость ¥(1) не будет являться статической, т. к. в моменты времени, когда ток в обмотке не достиг установившегося значения, в магнитопроводе будут присутствовать вихревые токи, которые окажут влияние на величину потокосцепления обмотки в целом. Для получения статической зависимости ¥(1) необходимо подключать обмотку к источнику питания, напряжение которого можно тем или иным способом изменять. Такой подход позволяет получить набор значений потокосцеплений при различных установившихся значениях тока, и подобную характеристику можно считать статической.

На практике в качестве источника питания может быть использован аккумулятор [100,105], программируемый источник напряжения [104,106], заряженный конденсатор [103], блок из автотрансформатора и тиристорного коммутатора [107]. У каждого из решений есть свои достоинства и недостатки. Аккумулятор не имеет пульсаций выходного напряжения, но для изменения напряжения на обмотке необходимо использование дополнительной схемы управления. Помимо этого, аккумулятор нуждается в периодической подзарядке. Конденсатор требует предварительной зарядки от источника напряжения, кроме того он не может обеспечить установившегося режима по току. Программируемый источник питания и автотрансформатор с блоком коммутации являются наилучшим решением при условии, что пульсации их напряжения малы. Источники питания целесообразнее использовать для ВИД малой мощности, для больших мощностей лучшим решением является комбинация автотрансформатора с блоком преобразования переменного напряжения в постоянное.

Величина электромагнитного усилия, так же как и потокосцепления, может быть получена с помощью прямых либо косвенных измерений. В отличие от потокосцепления, для определения усилия в большинстве случаев используется прямое измерение. Данное обстоятельство вызвано наличием большого числа различных датчиков усилия, другим доводом в пользу такого подхода выступают несложные схемы механического сопряжения таких

датчиков с подвижной частью привода. Практически всегда измерения производят, используя специализированные стенды. В [96-98,113,120] описаны стенды для измерения силовых характеристик различных электромеханических устройств - электромагнитов и линейных двигателей. В качестве измерителя использовались различные устройства - динамометр, тензодатчик и S-образный датчик усилия. В состав стендов входил также датчик положения и датчик тока.

Следует отметить, что измерительные стенды практически никогда не бывают универсальными, так как набор датчиков, их сопряжение с электромагнитным приводом определяются множеством различных факторов (габаритными размерами привода, типоисполнениями датчиков, диапазонами измеряемых величин и т. п.). Вследствие этого одной из задач, связанных с измерением интегральных характеристик, является разработка и изготовление измерительного стенда.

Косвенное определение электромагнитного усилия производится редко. Основной причиной использования данного подхода является невозможность применения датчиков по тем или иным причинам. В основу методов косвенного определения положена возможность расчетного определения величины усилия. Для этого предварительно расчетным либо экспериментальным путем необходимо определить такие величины, как магнитная индукция и потокосцепление.

В качестве иллюстрации метода косвенного определения усилия можно указать метод виртуальной работы [97]. Пример использования данного подхода описан в [108]. Автором работы были определены усилия для электромагнитов расчетным и экспериментальным путями. Сравнение полученных значений показало, что использование метода виртуальной работы позволяет получать результаты, близкие к величинам, определенным экспериментально.

Описанные выше подходы к измерению необходимых параметров позволяют сформировать требования к аппаратной части измерительного стенда. В его состав должны входить датчики тока, напряжения, усилия. Для определения положения транслятора можно использовать датчик, входящий в

систему управления. Помимо датчиков, необходим также источник питания с плавно меняющимся выходным напряжением.

Наиболее распространенными датчиками усилия в настоящее время являются тензодатчики. Большой диапазон изменения усилий (от нескольких килограммов до нескольких тонн), стабильные выходные характеристики, малые геометрические размеры обусловили их широкое распространение. В качестве датчика силы для испытательного стенда был выбран тензодатчик компании Zemic Inc. (USA) модели H3-C3-50kg-3B-D41. Внешний вид датчика показан на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - Датчик усилия Zemic Inc. (USA) В качестве датчика перемещения используется датчик LSC компании MegAuto (Германия), который входит в состав системы управления ВИД. Он позволяет регистрировать перемещение в диапазоне от 0 до 100 мм. Внешний вид датчика показан на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 - Датчик перемещения MegAuto (Германия)

Датчик перемещения закреплен на корпусе ВИД. Подвижный элемент датчика связан с транслятором с помощью тяги подобно тому, как это описано в

[99].

В качестве датчика тока использовалась модель ACS712ELCTR-05B-T с диапазоном измерения тока -5..+5А. Вследствие низкой величины напряжения питания (+ 12В) отдельного датчика напряжения не требовалось.

ВИД с датчиком перемещения, датчик усилия, механически связанный с транслятором, а также внешняя система для перемещения якоря составляют стенд для измерений тягового усилия. Внешний вид этого стенда показан на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 - Стенд для определения усилия

Для испытания конструкции, разработанной по заказу компании «Анод» (г. Нижний Новгород), использовался такой же набор датчиков, но на другие предельные параметры. Для измерения усилия был выбран датчик усилия Тензо-М с максимальным пределов 7 тонн, для измерения напряжения - датчик напряжения ДНХ (диапазон 0..400 В), датчики тока и перемещения не менялись. Помимо этого, в одну из обмоток был встроен датчик температуры МН1020 с диапазоном измерения -70°С .. +600°С. Внешний вид этого привода показан на рисунке 4.8.

Программная часть стенда должна позволять не только выполнение относительно несложных операций по измерению выходных величин датчиков и сохранение их на запоминающем устройстве, но и обеспечивать выполнения ряда специализированных математических операций (интегрирование функций). Вследствие этого программную часть разумно строить на базе имеющихся в настоящее время платформ, таких как программный продукт NI LabVIEW компании National Instruments.

Упомянутый пакет программ включает в себя графический язык G. Отличие данного языка от традиционных в том, что программа, написанная на нем, представляет собой не набор операторов, а блок-диаграмму (соединенные между собой элементы языка), что делает ее интуитивно понятной. В программе были использованы такие стандартные элементы, как ввод данных, суммирование, произведение, интегрирование.

Помимо возможности использования математических преобразований, среда NI LabVIEW обладает также широкими возможностями по построению интерфейса стенда. Для облегчения предоставления графической и текстовой информации в состав среды входят соответствующие компоненты. Получаемые с использованием этих компонент устройства National Instruments называет «виртуальными приборами». Внешний вид передней панели виртуального прибора, входящего в состав стенда, приведен на рисунке 4.9.

а)

б)

Рисунок 4.8 - Внешний вид исследуемого привода (а) и его сечение с указанием основных

узлов (б)

Для связи физических датчиков с виртуальным прибором National Instruments предлагает многофункциональные устройства сбора данных, что является еще одним основанием для выбора системы NI LabVIEW в качестве базы программной части стенда. Основными параметрами, определяющими выбор устройства сбора данных, являлось число входных каналов (не менее четырех) и возможность подключения устройства к порту USB персонального компьютера. Данным требованиям отвечало устройство сбора данных NI USB 6009, которое и было использовано в составе стенда.

4.3 Проведение испытаний, анализ и обработка полученных результатов

испытаний

Описанный в предыдущем разделе измерительный стенд позволяет измерять электромагнитное усилие ВИД и потокосцепление его обмоток. Для измерения последнего согласно (4.1) необходимо иметь мгновенные значения напряжения и тока в обмотке, а также знать величину активного сопротивления каждой обмотки.

Определение сопротивления обмоток проводилось согласно ГОСТ 1182886. В нем отмечено, что для измерения сопротивления свыше 1 Ом возможно использование метода вольтметра и амперметра. Кроме того, данный нормативный документ регламентирует минимальное число измерений (не менее трех), причем измерения должны проводиться при различных значениях тока. Допускается, чтобы измерение сопротивления проводились как в практически холодном состоянии, так и в состоянии практически теплового равновесия обмотки с охлаждающей средой.

Для определения температуры теплового равновесия с окружающей средой для конструкции, разработанной по заказу ОАО «Анод», на поверхности каждой из обмоток закреплялся датчик температуры, сами обмотки помещались

внутрь корпуса ЭМП. В таблице 4.1 приведены данные датчика температуры для обмотки первой фазы при ее нагреве током в течение пяти часов.

Таблица 4.1 - Результаты измерения температуры обмотки управления

^ мин 0 10 20 30 40 50 60 70

Т, °С 22 39 48 55 59 63 67 70

^ мин 80 90 100 110 120 130 140 150

Т, °С 72 75 77 80 83 84 86 88

^ мин 160 170 180 190 200 210 220 230

Т, °С 90 91 93 95 96 97 97 97

^ мин 240 250 260 270 280 290 300 310

Т, °С 97 97 97 97 97 97 97 97

Результаты, приведенные в таблице, показывают, что после длительного нагрева (более трех часов) температура обмотки установилось равной 97 градусам и после этого в течение всего оставшегося времени не менялась. Данное обстоятельство позволяет считать это значение температурой теплового равновесия обмотки.

Проведенные в дальнейшем измерения тока и напряжения для каждой обмотки позволили рассчитать их активное сопротивление для холодного состояния и состояния теплового равновесия. Для первой обмотки данные параметры были равны 14,2 Ом и 20,0 Ом, для второй обмотки - 14,5 Ом и 20,5 Ом, для третьей обмотки - 14 Ом и 19,6 Ом, для четвертой обмотки - 14,4 Ом и 20,5 Ом соответственно.

После определения данных параметров становилось возможным вычисление потокосцепления каждой из обмоток для ряда значений положения транслятора. Положение транслятора определялось с помощью датчика перемещения. Панель виртуального прибора для случая измерения потокосцепления при зафиксированном положении подвижного элемента показана на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 - Лицевая панель виртуального прибора

Одновременно с вычислением потокосцепления производилось измерение электромагнитного усилия. Данный параметр отображался в специальном текстовом поле под графиками рядом со значением положения подвижного элемента.

Ниже на рисунках 4.10 и 4.11 представлены расчетно-экспериментальные зависимости потокосцепления от тока для согласованного и рассогласованного положения зубцов, а также график изменения усилия на трансляторе при перемещении из рассогласованного положения в согласованное при питании первой обмоткой номинальным напряжением. Для графика тяговой характеристики нулевое значение перемещения соответствует рассогласованному положению зубцов, максимальное значение перемещения -согласованному положению зубцов.

4 3 2 1 О

О 2 4 6 8 I, А

Рисунок 4.10 - Зависимости потокосцепления от тока __ для рассогласованного положения зубцов _ для согласованного положения зубцов

Рисунок 4.11 - Тяговая характеристика привода

Подобные измерения и расчеты были проведены для конструкции ВИД, геометрические размеры и обмоточные данные которой были рассчитаны во второй главе.

Величина активного сопротивления обмоток определялась методом вольтметра-амперметра для холодного состояния и состояния теплового равновесия. Для первой обмотки данные параметры были равны 4,2 Ом и 5,3 Ом, для второй обмотки - 4,5 Ом и 5,4 Ом, для третьей обмотки - 4,1 Ом и 5,3 Ом, для четвертой обмотки - 4,4 Ом и 5,2 Ом соответственно.

Измерения усилия производилось следующим образом. Подвижный элемент с помощью внешней системы перемещения устанавливался в начальное положение. На одну из управляющих катушек подавалось напряжение, вследствие чего на подвижный элемент начинало воздействовать электромеханическая сила. Значение данного усилия измерялось с помощью датчика силы. После этого без отключения напряжения с обмотки управления с помощью внешней системы перемещения производилось изменение положения

подвижного элемента на 1 мм, после чего также производилось измерение усилия, действующего на транслятор. Данные действия повторялись до тех пор, пока подвижный элемент не совершал полного перемещения (50 мм). Для других обмоток управления определение позиции транслятора и усилия проводились аналогично.

Для каждой обмотки измерения усилий проводились несколько раз. Усредненные результаты измерений и значения усилий, определенные с помощью пакета программ FEMM для одних и тех же положений подвижного элемента, приведены в таблицах 4.2-4.5. Общий график представлен на рисунке 4.12.

Таблица 4.2 - Опытные и расчетные значение усилий при подаче напряжения на выводы первой обмотки

х, мм Рехр, N Psolv, N х, мм Рехр, N Psolv, N х, мм Рехр, N Psolv, N

0 8,6 4,3 17 29,4 25,2 34 -54,4 -59,0

1 -2,2 -8,6 18 49,2 49,5 35 -54,8 -60,2

2 -28,8 -34,2 19 55,4 59,8 36 -58,2 -60,7

3 -48,2 -49,8 20 58,0 61,0 37 -57,6 -60,8

4 -50,8 -55,8 21 63,2 61,2 38 -57,4 -61,0

5 -51,6 -58,2 22 62,0 61,2 39 -56,2 -59,9

6 -52,6 -59,6 23 60,6 61,3 40 -38,6 -40,0

7 -56,2 -59,8 24 60,8 61,0 41 -13,2 -18,6

8 -59,2 -60,3 25 60,0 59,6 42 -2,6 -8,1

9 -55,6 -61,3 26 45,6 54,2 43 2,6 -1,4

10 -55,4 -60,2 27 30,6 33,5 44 8,0 5,1

11 -44,0 -46,7 28 8,0 9,1 45 17,2 14,5

12 -20,6 -22,1 29 5,4 -0,5 46 32,6 32,5

13 -4,2 -9,8 30 -15,8 -15,1 47 52,8 54,6

14 1,2 -2,8 31 -38,2 -40,8 48 56,4 60,1

15 5,0 3,4 32 -49,0 -53,3 49 56,8 60,6

16 16,6 11,1 33 -54,0 -57,2 50 57,8 61,2

х, мм Рехр, N Psolv, N х, мм Рехр, N Psolv, N х, мм Рехр, N Psolv, N

0 63,4 60,7 17 -55,6 -59,3 34 37,6 39,4

1 64,6 60,7 18 -53,0 -53,5 35 15,8 10,5

2 62,2 60,3 19 -26,8 -28,0 36 0,0 -2,5

3 62,0 59,3 20 -17,6 -11,6 37 -15,6 -20,2

4 61,6 57,0 21 -7,4 -3,1 38 -41,0 -46,4

5 51,2 47,9 22 -2,6 3,7 39 -57,0 -56,7

6 24,4 20,1 23 7,8 12,2 40 -63,0 -60,1

7 4,0 2,0 24 21,6 28,3 41 -63,6 -60,3

8 -8,2 -11,1 25 43,4 51,6 42 -64,2 -60,3

9 -28,6 -36,9 26 58,0 59,3 43 -64,8 -60,7

10 -50,6 -53,8 27 59,6 60,4 44 -65,2 -60,7

11 -61,0 -59,2 28 62,4 60,7 45 -64,8 -59,7

12 -59,4 -59,9 29 64,0 60,8 46 -63,0 -58,6

13 -61,0 -60,2 30 65,6 60,4 47 -47,0 -44,1

14 -60,6 -60,8 31 64,6 59,9 48 -26,2 -19,3

15 -62,6 -60,3 32 61,0 58,9 49 -15,8 -7,8

16 -57,6 -59,9 33 53,2 54,9 50 -5,2 -0,5

х, мм Рехр, N Psolv, N х, мм Рехр, N Psolv, N х, мм Рехр, N Psolv, N

0 -1,8 -1,8 17 -28,0 -48,9 34 61,4 60,2

1 5,6 4,5 18 -48,6 -57,3 35 59,6 60,6

2 11,0 13,3 19 -54,0 -59,7 36 60,6 61,0

3 22,0 30,7 20 -55,8 -59,9 37 57,4 61,0

4 42,6 55,4 21 -59,8 -60,6 38 57,2 60,8

5 56,0 60,0 22 -57,0 -60,9 39 57,2 60,5

6 59,6 60,6 23 -52,6 -60,0 40 53,6 56,8

7 57,0 60,8 24 -54,8 -59,7 41 38,0 45,9

8 58,8 61,0 25 -47,8 -54,3 42 13,4 16,8

9 59,4 60,8 26 -27,6 -34,0 43 0,6 1,4

10 60,6 60,6 27 -14,0 -15,2 44 -9,2 -10

11 56,2 58,7 28 -8,8 -5,9 45 -30,2 -36,8

12 47,0 51,3 29 -2,8 0,5 46 -49,2 -54,8

13 23,2 27,4 30 8,6 7,2 47 -58,2 -58,6

14 4,6 5,6 31 17,6 18,0 48 -60,4 -60,1

15 -2,8 -4,8 32 31,6 40,5 49 -57,8 -60,5

16 -18,6 -24,3 33 53,8 58,4 50 -58,6 -60,5

х, мм Рехр, N Psolv, N х, мм Рехр, N Psolv, N х, мм Рехр, N Psolv, N

0 -66,2 -60,6 17 56,0 58,5 34 -14,6 -16,1

1 -64,6 -60,7 18 55,0 56,2 35 -8,6 -5,6

2 -57,0 -59,9 19 39,2 49,2 36 -2,4 1,6

3 -53,0 -58,9 20 23,4 26,6 37 7,0 9,6

4 -45,6 -44,7 21 2,2 3,9 38 19,2 22,5

5 -13,8 -20,1 22 -13,8 -6,8 39 45,6 48,3

6 -5,4 -7,8 23 -33,4 -28,2 40 58,6 61,0

7 1,2 -0,3 24 -54,0 -51,8 41 53,6 61,2

8 8,2 6,9 25 -59,0 -58,6 42 56,6 61,0

9 14,0 16,9 26 -61,2 -60,6 43 54,8 60,7

10 36,4 36,9 27 -62,8 -61,1 44 54,2 60,1

11 58,8 59,8 28 -63,6 -60,9 45 53,6 59,0

12 61,4 61,6 29 -61,6 -60,6 46 53,0 56,9

13 61,2 61,5 30 -57,2 -60,8 47 48,4 53,5

14 63,2 61,3 31 -59,6 -60,0 48 25,2 42,3

15 64,2 60,9 32 -55,6 -57,6 49 -2,6 13,1

16 61,0 60,0 33 -31,6 -37,1 50 -16,0 -2,2

обмотка1_расч — обмотка2_расч —- обмоткаЗ_расч — обмотка4_расч обмотка! эксп -"-обмотка2 эксп-«-обмоткаЗ эксп-х-обмотка4 эксп

О 10 20 30 40 50

х, тт

Рисунок 4.12 - Расчетные и экспериментальные тяговые характеристики

В таблицах 4.2-4.5 и на рисунке 4.12 показаны средние значения экспериментальных усилий. Для оценки погрешностей измерений усилия на рисунке 4.13 показаны графики среднего усилия для каждой обмотки, а также графики их максимальных отклонений. Разница между отклонениями для одного и того же положения подвижного элемента не превышала 5 Н.

Рисунок 4.13 - Графики средних значений усилий и их максимальных отклонений

На основании расчетных и экспериментальных данных было определено среднеквадратичное отклонение данных графиков тяговых характеристик, его величина составила 3,17 Н. Результаты сравнения свидетельствуют о том, что максимальная абсолютная разница между экспериментально определенным и полученным расчетным путем электромагнитным усилием для диапазона усилий более 50 Н составляет менее 6Н. Среднее значение расчетного тягового усилия - 60,03 Н, среднее значение усилия, полученного экспериментальным путем - 59,11 Н. Таким образом, максимальная относительная погрешность между расчетными и экспериментальными величинами не превышает 10%.

4.4 Выводы по четвертой главе

По результатам исследований сделаны следующие выводы:

1. Предложенная система управления приводом позволяет реализовывать различные режимы работы ВИД: подача управляющего сигнала на любую из обмоток при любом положении подвижного элемента; перемещение подвижной части ВИД из одного крайнего положения в другое без использования сигнала датчика положения для коммутации обмоток (режим шагового двигателя); перемещение подвижной части ВИД из одного крайнего положения в другое с использованием сигнала датчика положения для коммутации обмоток.

2. Созданный программно-аппаратный комплекс позволяет определять различные характеристики ВИД с помощью прямых либо косвенных методов и существенно упрощает процесс проведения экспериментальных исследований. Полученные характеристики используются для проверки адекватности используемых математических моделей.

3. В состав программно-аппаратного комплекса входят современные датчики физических величин, аппаратные модули сбора данных с гальванической развязкой, что позволяет обеспечить достаточную для практических целей точность измерений. Использование виртуального прибора в составе комплекса позволило обеспечить максимальное удобство для исследования при эксплуатации системы в целом.

4. Результаты экспериментальных исследований подтверждают работоспособность исследуемого экспериментального образца и адекватность используемых при проектировании ВИД математических моделей. Максимальная абсолютная разница между экспериментально определенным и полученным расчетным путем электромагнитным усилием для диапазона усилий более 50 Н составляет менее 6Н, что соответствует относительной погрешности 10%.

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача разработки методики проектирования цилиндрических линейных ВИД на основе создания математических моделей, алгоритмов и программ для их исследования и оптимизации. Получены следующие результаты:

1. Установлено, что перспективным направлением является использование в качестве привода линейного цилиндрического ВИД, однако разработка новых конструкций цилиндрических линейных электромеханических приводов для широкого диапазона типоразмеров клапанов трубопроводной арматуры требует создания методики оптимального проектирования, учитывающей особенности линейного исполнения ВИД и основные факторы, влияющие на их работу, разработки новых математических моделей, алгоритмов и компьютерных программ для расчета характеристик и анализа электромагнитных и тепловых процессов в линейных приводах. В соответствии с этим сформулирована постановка задачи исследования диссертационной работы.

2. Для решения поставленных в диссертационной работе задач разработаны математические модели на основе методов теории цепей и поля, связывающие геометрические размеры, параметры обмоток, свойства материала магнитной системы.

3. Разработана методика проектирования линейного цилиндрического ВИД, позволяющая определить его основные геометрические размеры и обмоточные параметры при выполнении условия обеспечения постоянства тягового усилия во всем диапазоне хода его подвижной части.

4. Предложен алгоритм для оптимизационных расчетов, который реализован с использованием языка программирования высокого уровня. Использование данного программного обеспечение позволяет находить

оптимальный вариант конструкции линейного цилиндрического ВИД путем проведения экспертной оценки большого числа вариантов.

5. На основе разработанной методики расчета спроектированы опытные образцы линейных цилиндрических ВИД, обеспечивающие получение заданных технических характеристик.

6. Сформулированы требования и предложены схемотехнические решения к системе управления ВИД, обеспечивающие заданные параметры при срабатывании привода.

7. Разработанные методики, алгоритмы и программы могут быть эффективно использованы при разработке линейных цилиндрических ВИД для управления клапанами запорно-регулирующей арматуры.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Гуревич, Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры: Промышленная трубопроводная арматура. Конструирование трубопроводной арматуры / Д.Ф. Гуревич.- Изд. 5-е.- М.: Издательство ЛКИ, 2008.- 418 с.

2 Щучинский С.Х. Электромагнитные приводы исполнительных механизмов /С.Х. Щучинский. - М.: Энергоатомиздат, 1984 - 152с.

3 Электрический привод арматуры [электронный ресурс] / Электрический привод арматуры - Википедия, Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1 %82%D1 % 80%D0%B8%D 1%87%D0%B5%D 1 %81 %D0%BA%D0%B8%D0%B9 %D0%BF% D 1%80%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D0%B4 %D0%B0%D 1 %80%D0%BC%D0% B0%D 1 %82%D 1%83%D 1 %80%D 1 %8B

4 Varanasi, K. K. and Nayfeh, S. A., The Dynamics of Lead-Screw Drives: Low-Order Modeling and Experiments, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, ASME, 126: 388-396, 2004.

5 Compensation of Lead Errors and Elastic Deformations in Ball Screw Drives; International conference on Smart Machining Systems, 13-15 march 2007.

6 Онищенко, Г.Б. Электрический привод. Учебник для вузов / Г.Б. Онищенко. - М.: РАСХН. 2003. - 320 с., ил.

7 Балковой, А.П. Прецизионный электропривод с вентильными двигателями / А.П. Балковой, В.К. Цаценкин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - 328 с.: ил.

8 Design optimization and control strategies for PM Multiphase Tubular Linear Actuators by Milanesi, Filippo, Ph.D., University of Bologna, 2009, 102 pages.

9 Linear Induction Motor at Present Time / R. Rinkeviciene, A. Smilgevicius // Electronics and Electrical Engineering, 2007, №3, с. 3-8.

10 The Generalized Model of the Linear Induction Motor / T. Radzevicius, E. Matkevicius // Electronics and Electrical Engineering. Kaunas: Technologija, 2006.

11 Wisuwat Plodpradista / Dynamic Performances of Tubular Linear Induction Motor for Pneumatic Capsule Pipeline System // WORLD ACADEMY OF SCIENCE, ENGINEERING AND TECHNOLOGY ISSUE 53 MAY 2009. P 891-896.

12 Polinder, H., Slootweg, J.G., Hoeijmakers, M.J. and Compter, J.C., Modeling of a Linear PM Machine Including Magnetic Saturation and End Effects: Maximum Force-to-Current Ratio ,IEEE Trans. on Industry Applications, Vol.39,No.6. 2003. P. 1681-1688.

13 Performance assessment and design optimization of linear synchronous motors for manufacturing applications by Chayopitak, Nattapon, Ph.D., Georgia Institute of Technology, 2007. 250 p.

14 Design, Construction and Evaluation of a Modified Tubular Linear Synchronous Motor by Andr'e Willem van Zyl, Ph.D., University of the Witwatersrand, 2006. 204 p.

15 Свечарник, Д.В. Электрические машины непосредственного привода: Безредукторный электропривод / Д.В. Свечарник.- М.: Энергоатомиздат, 1988. 208 с.: ил.

16 Ogawa K. «Lateral Force of a Linear Synchronous Reluctance Motor» 5th International Symposium on Linear Drives for Industrial Applications, KobeAwaji, Japan, September 2005.

17 Проектирование шагового электропривода. Ивоботенко Б.А., Козаченко В.Ф./Под ред. Л.А. Садовского. М.: Моск. энерг. ин-т, 1985. 100 с.

18 Hajri sondes, Ben Amor Abdessattar, Gasmi Moncef / Improvement Characterization Resulting from the Losses Reduction in a Linear Stepping Motor // Journal of Electrical Systems, 2009.

19 N.C.Lenin and R. Arumugam, ''A Novel Linear Switched Reluctance Machine : Analysis and Experimental Verification", American Journal of Engineering and Applied Sciences Vol.3 , No:2. 2010. P.433- 440.

20 Watkins, S.J. and Corda, J., "Object-oriented model for inductance computation of a linear SRM", Proceedings of LDIA '03, the 4th International

Symposium on Linear Drives for Industry Applications, Birmingham, UK, 8 - 10 September, 2003. P. 45 - 48.

21 Kolomeitsev L., Kraynov D., Pakhomin F., Rednov F., Kallenbach E., Kireev V., Schneider T., Bцcker J. "Linear Switched Reluctance Motor as High Efficiency Propulsion System for Railway Vehicles" Proceedings SPEEDAM 2008. P. 155-160.

22 Santo A. E., Calado M. R., Cabrita C. / Static Simulation of a Linear Switched Reluctance Actuator with the Flux Tube Method // Advances in Electrical and Computer Engineering Volume 10, Issue 2, Year 2010. P. 35-42.

23 L. Elamraoui, F.Gillon, P. Brochet and M. Benrejeb, Performance estimation of linear tubular actuators, International Conference MAGLEV'02, Lausanne, 2002.

24 I.A. Viorel, Larisa Strete, K. Hammeyer, Transverse Flux Tubular Switched Reluctance Motor, Proceedings of 11th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, Bra§ov, Romвnia, 2008. P. 131-136.

25 Hyuk Lee, Sunghyun Ki, Jongchan Park, Junghwan Kang "Characteristics of Suction Process and its Noise Reduction in Linear Compressor", 17th International Congress on Sound and Vibration (ICSV17), Cairo, Egypt, 18-22 July 2010. Vol. 4. P. 2927-2932.

26 "Free Piston Linear Motor Compressor". Research Project Summaries, Utilization Technology Development, NFP, 2012-2013. P.141-142.

27 J. Wang, D. Howe, and Z. Lin, "Comparative studies on linear motor topologies for reciprocating vapour compressors," in Proc. Int. Electrical Machines and Drives Conf., Antalya, Turkey, May 3-5, 2007. P. 364-369.

28 2D Planar Motors - a literature survey [Электронный ресурс] // URL:http://158.132.178.85/norbert/Papers/C050.pdf, свободный. (Дата обращения: 01.04.2014).

29 J. R. Wells, P. L. Chapman, and P. T. Krein, "Development and application of a linear induction machine for instructional laboratory use," in PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference, 2002. P. 479-482.

30 Danson Joseph, Design and Construction of an Electric Microscope Stage Using an X-Y Linear Motor, Final Report, 22 October 2004. 6 p.

31 Szabo, L., Viorel, I.A., Szepi, I., "Linear and Planar Variable Reluctance Motors for Flexible Manufacturing Cells," Advances in Electrical and Electronic Engineering (Slovakia), 2004. Vol. 3, № 2. P. 39-42.

32 Brecher C., Klar R., Wenzel C., "Development of a dynamic high precision miniature milling machine", Third International Conference on Multi-Material Micro Manufacture : 3rd-5th October 2007, Borovets, Bulgaria. P. 327-330.

33 J.F. PAN, N.C. CHEUNG, Guangzhong CAO, Hong QIU, "Design and Analysis of a Novel X-Y Table", 3rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications, Hong Kong, 20-22 May 2009. P.1-5.

34 J. F. Gieras "Linear Electric Motors in Machining Processes" Journal of International Conference on Electrical Machines and Systems, 2013. Vol. 2, № 4. P. 380-389.

35 Donohue, Barbara. "How It Works - The Line on Linear (Motors)." Todaysmachiningworld. Today's Machining World Archive, June 2010. [Электронный ресурс] - URL:http://todaysmachiningworld.com/magazine/the-line-on-linear-how-linear-motor-works/.

36 K. Nakamoto, S. Matsumoto, and M. Anzai, "Development of High-Acceleration and Ultra-Precision Linear Motor Driven Machining Center and its Characteristics, Kazuo Nakamoto," Int. J. of Automation Technology, Sep. 2010. Vol.4, № 5. P. 454-459.

37 Electric Power Generation, Transmission, and Distribution, Third Edition (Electric Power Engineering Series) / Edited by Leonard L. Grigsby, - CRC Press, 2012. - 789 p.

38 R. Krishnan, "Switched Reluctance Motor Drives: Modeling, Simulation, Analysis, Design, and Applications", Boca Raton, FL : CRC Press, 2001. 446 p.

39 J.F. Pan, Norbert C. Cheung, Yu Zou "High-precision control of LSRM based X-Y table for industrial applications," ISA Transactions 52(2013), P. 105-114.

40 Pan, J. F., Cheung, N. C., Gan, W. C. and Zhao, S. W., "A Novel Planar Switched Reluctance Motor for Industrial Applications", IEEE Trans. on Magnetics, 2006. Vol. 42, № 10. P. 2836-2839.

41 Ji-lin Fang, Su-dan Huang, Guang-zhong Cao, Jian-fei Pan, Ji-an Duan, Optimization Design of Planar Switched Reluctance Motors Based on Electromagnetic Force Characteristics, International Conference on Power Electronics Systems and Applications 2013, 5th.

42 MAHMOUD Imed, REHAOULIA Habib and AYADI Mahfoudh "Design and modelling of a linear switched reluctance actuator for biomedical applications", International Journal of the Physical Sciences, 2 October, 2011. Vol. 6(22). P. 5171-5180.

43 J.-F. Llibre, N. Martinez, B. Nogarede and P. Leprince, "Linear Tubular Switched Reluctance Motor for Heart Assistance Circulatory: Analytical and Finite Element Modeling," 10th International Workshop on Electronics, Control, Measurement and Signals (ECMS), Liberec, 1-3 June 2011. P. 1-6.

44 Llibre, J.-F.; Martinez, N.; Leprince, P.; Nogarede, B. Analysis and Modeling of Linear-Switched Reluctance for Medical Application. Actuators 2013. № 2. P. 27-44.

45 M. Dursun, H. Ozbay, "Design and analysis of a double sided linear switched reluctance motor driver for elevator door", Przeglad Elektrotchniczny, 2011. Vol. 5. P. 293-298.

46 M. Dursun, F. Koc, H. Ozbay, S. Ozden, "Design of linear switched reluctance motor driver for automatic door application", International Conference on Information and Industrial Electronics, 2011. P. 424-427.

47 K. W. E. Cheng, "Recent development on electric vehicles," in 2009 3rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications, PESA 2009. P.1-5.

48 Zhang Zhu, Norbert Cheung, and K.W.E. Cheng, "Application of Linear Switched Reluctance Motor for Active Suspension System in Electric Vehicle", EVS-25, Nov. 2010. P. 1-7.

49 Direct-Drive Linear Switched Reluctance Actuator for Automobile Active Suspension Systems: Research and Development / The Hong Kong Polytechnic Unyversity; Prof. K. W. E. Cheng, Dr. X. D. Xue and Dr. N. C. Cheung.- Hong Kong, 2011.

50 Zhang Zhu, Application linear switched reluctance actuator in active suspension system, Thesis (Ph. D.) - The Hong Kong Polytechnic University, 2012.

51 Gieras, J. F. e Piech, Z. J., Linear Synchronous Motors - Transportation and Automation Systems, CRC Press LCC, 2000.

52 I. Boldea, S. Nasar: Linear Electric Actuators and Generators, Cambridge University Press, 1997. - 237 p.

53 Ion Boldea, Syed A. Nasar, "The Induction Machines Design Handbook, Second Edition" CRC Press, 2009. - 824 p.

54 Емельянинов, И.Я. Основы проектирования механизмов управления ядерных реакторов / И.Я. Емельянов, В.В. Воскобойников, Б.А. Масленок; под ред. И.Я. Емельянова.- М.: Атомиздат, 1978.- 272с.

55 Емельянинов, И.Я. Основы конструирования исполнительных механизмов управления ядерных реакторов / И.Я. Емельянов, В.В. Воскобойников, Б.А. Масленок. Под ред. И.Я. Емельянова.- 2-е изд. перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1987.- 232с.

56 Lee, B.S., Linear Switched Reluctance Machine Drives with Electromagnetic Levitation and Guidance Systems, Ph.D. thesis, The Bradley Dept. of Electrical and Computer Engineering, Virginia Tech., Blackburg, VA, 2000

57 Kaw Krishnan, R. 2001. Switched Reluctance Motor Drives: Modelling, Simulation, Analysis, Design, and Applications. ak U.S.A. CRC Press LLC

58 L. EL Amraoui, "Conception Electromécanique d'une Gamme d'Actionneurs Linéaires Tubulaires à Réluctance Variable," PH.D. Thesis, University of Sciences and Technology of Lille, Lille, 2002.

59 M. Ruba, I. Ben^ia and L. Szabo, "Novel Modular Fault Tolerant Switched Reluctance Machine for Reliable Factory Automation Systems," in Proceedings of the

IEEE-TTTC International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics (AQTR '2010) THETA 17, Cluj (Romania), Tome III, pp. 47-52, 2010.

60 Рымша, В.В. Проектирование линейных вентильно-реактивных двигателей / В.В. Рымша // Науковi пращ Донецького нащонального техшчного ушверситету. Серiя: "Електротехшка i енергетика", випуск 67. - Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2003, с. 120-125.

61 EL MANAA BARHOUMI, MANSOUR HAJJI, BOUJEMAA BEN SALAH "Design of a double-stator linear switched reluctance motor for shunting railway channels," Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences, Vol.22, Is.2 (2014), p.302-314.

62 Вентильно-индукторные двигатели: учебное пособие для студентов по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / В.А. Кузнецов, В.А. Кузьмичев. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 70 с.

63 WichertT. Design and Construction Modifications of Switched Reluctance Machines / Ph.D. Thesis. Warsaw. 2008. - 161c.

64 M. Galea, C. Gerada, T. Raminosoa, and P. Wheeler, "A thermal improvement technique for the phase windings of electrical machines," IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 48, № 1, P. 79-87, Jan./Feb. 2012.

65 B. SOBHI-NAJAFABADI et О GOL : An sqp-based optimization algorithm for the derivative design of a generator. In International Conference on Renewable Energy and Power Quality, 2005, P. 1-6.

66 H. Kierstead, R-J Wang, M.J. Kamper, "Design optimization of a single-sided axial flux permanent magnet in-wheel motor with double-layer non-overlap concentrated winding", Proc. of the 18th Southern African Universities Power Engineering Conference, 2009, Stellenbosch, P.36-40.

67 M. B. B. Sharifian, H. Vahed Kalankesh, M. R. Feyzi, Multi-objective optimization of induction motor slot design using finite element method, The IEEE International Conference on Evolutionary Computation ICECS-2003, 0-7803-8163-7, P.1308-1311.

68 Sonia Cafieri, Leo Liberti, Fréedéric Messine, Bertrand Nogarède, Optimal design of electrical machines: Mathematical Programming formulations, COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 2013, № 32(3). P.977-996.

69 D. Fodorean, D.C. Popa, F. Jurca, M. Ruba: "Optimizing the Design of Radial/Axial PMSM and SRM used for Powered Wheel-Chairs", Proceedings of the International Conference on Electrical, Computer, Electronics and Communication Engineering, Paris, France, 14-16 November 2011, P.120-125.

70 Bill Sesanga, Frédéric Wurtz, Albert Foggia. RANGES OPTIMIZATION OF ELECTRICAL MACHINE USING COMPONENT SHARING XI-th International Workshop on Optimization and Inverse Problems in Electromagnetism (OIPE 2010), Sep 2010, Sofia, Bulgaria. P.51-52.

71 Majchrowicz M., Jazdzynski W.: Selected Problems of Optimization of a Switched Reluctance Motor for an Electric Vehicle using Analytical Calculations. International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ'10). Granada, Spain, 23-25 March 2010, paper ID 483.

72 HAMIDREZA AKHONDI, JAFAR MILIMONFARED. "Design and optimization of tubular permanent Magnet Linear Motor for Electric Power Steering System", Asian Electric Vehicles , December2009. Vol.7 , №.2. P.1283-1289.

73 N. Roshandel Tavana, A. Shoulaie,"Modeling and Design Optimization of Permanent Magnet Linear Synchronous Motor with halbach Array", 17th International Conference on Electrical Engineering, 12-14 May 2009, Vol. 3, Power - Electric Machines and Power Electronics, P. 441-446.

74 Xu Wei, Zhu Jianguo, Tan Longcheng, Guo Youguang, Wang Shuhong, Wang Yi. 'Optimal Design of a Linear Induction Motor Applied in Transportation', Proceedings of International Conference on Industrial Technology, 2009, P. 790-795.

75 C. Lucas, F. Tootoonchian and Z. Nasiri-Gheidari, "Multi-Objective Design Optimization of a Linear Brushless Permanent Magnet Motor Using Particle Swarm Optimization (PSO)", Iranian Journal of Electrical & Electronic Engineering, 2010, Vol. 6, No. 3. P.183-189.

76 A.Z. Bazghaleh, M.R. Naghashan, and M.R. Meshkatoddini, "Optimum design of single-sided linear induction motors for improved motor performance" IEEE Trans. Magnetics, 2010. Vol. 46, No 11. P. 3939-3947.

77 Lucas C., Nasiri-Gheidari Z. and Tootoonchian F., "Using Modular Pole for Multi-Objective Design Optimization of a Linear Permanent Magnet Synchronous Motor by Particle Swarm Optimization (PSO)", Iranian Journal of Electrical and Electronic Engineering, 2010. Vol. 6, No. 4. P. 214-223.

78 M. Ashabani , Y. A. R. I. Mohamed and J. Milimonfared "Optimum design of tubular permanent magnet motors for thrust characteristics improvement by combined Taguchi-neural network approach", IEEE Trans. Magn., 2010. Vol. 46, No. 12. P.4092-4100.

79 Vaez-Zadeh, Sadegh, Hosseini, Monir Sadat. "Design Optimization of Linear Synchronous Motors for Overall Improvement of Thrust, Efficiency, Power Factor and Material Consumption". Journal of Power Electronics, 2011. Vol. 11, Is. 1. P. 105-111.

80 Abbas Shiri and Abbas Shoulaie, "Multi-Objective Optimal Design of Low-Speed Linear Induction Motor using Genetic Algorithm", Przegl^d Elektrotechniczny (Electrical Review), Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran, 2012. Vol.9. P.185-191.

81 I. Amdouni, L. El Amraoui, F. Gillon, M. Benrejeb, P. Brochet "Optimal Design Approaches for Linear Tubular Actuators" Proceedings of Progress In Electromagnetics Research Symposium, 2012. P.186-190.

82 Walid El Fezzani, Abdessattar Ben Amor and David Chin "Optimizing Linear Stepping Actuator Using Evolutionary Strategy Method", World Applied Sciences Journal, 2014. Vol. 32, № 3. P.429-435

83 S. E. Skaar, R. Nilssen Genetic Optimization of Electric Machines, a State of the Art Study Proceedings of Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics, Trondheirn, Norway 14-16 June, 2004 Proceedings on CD

84 Tea Tusar , Peter Korosec , Gregor Papa , Bogdan Filipic , Jurij Silc, A comparative study of stochastic optimization methods in electric motor design, Applied Intelligence, 2007. Vol. 27, No.2. P.101-111.

85 Yasodha, S., Ramesh, K., Ponmurugan, P. "Evolutionary Multiobjetive Optimization Algorithms For Induction Motor Design - A Study", International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 2012. Vol. 2, Issue 11. P.627-633.

86 Guliashki V., Toshev H., Korsemov Ch. Survey of Evolutionary Algorithms Used in Multiobjective Optimization. Problems of Engineering Cybernetics and Robotics, 2009. Vol. 60. P. 42 - 54.

87 Razali N.M., Geraghty J. Genetic Algorithm Performance with Different Selection Strategies in Solving TSP / Proceedings of the World Congress on Engineering, London, UK, 2011, Vol. II, P. 1134-1139.

88 Pencheva T., K. Atanassov, A. Shannon, Modelling of a Stochastic Universal Sampling Selection Operator in Genetic Algorithms Using Generalized Nets, Proceedings of the Tenth International Workshop on Generalized Nets, Sofia, Bulgaria, December 5, 2009, P.1-7.

89 H. Muhlenbein and D. Schlierkamp-Voosen, Predictive Models for the Breeder Genetic Algorithm, Evolutionary Computation, 1993, Vol. 1, № 1, P. 25-49.

90 Byoung-Tak Zhang, Jung-Jib Kim, Comparison of Selection Methods for Evolutionary Optimization, Evolutionary Optimization An International Journal on the Internet, Vol.1, 2000, P. 55-70.

91 JORGE MAGALHAES-MENDES, A Comparative Study of Crossover Operators for Genetic Algorithms to Solve the Job Shop Scheduling Problem, WSEAS TRANSACTIONS on COMPUTERS, April 2013, Is. 4, Vol. 12, P.164-173.

92 B. Chakraborty and P. Chaudhuri, On the Use of Genetic Algorithm with Elitism in Robust and Nonparametric Multivariate Analysis, Austrian Journal of Statistics, 2003, Vol. 32, № 1 and 2, P.13-27.

93 Rimcharoen S., Sutivong D., Chongstitvatana P., Optimal stopping time of compact genetic algorithm on deceptive problem using real options analysis, IEEE Congress on Evolutionary Computation 2007, P. 4668-4675.

94 Буль, О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / О.Б. Буль.- М.: Издательский центр "Академия", 2005.- 336 с.

95 Программирование и применение ЭВМ в расчётах электрических аппаратов: Учеб. пособие для вузов по спец. «Электрические аппараты» / А.Г. Никитенко, В.П. Гринченков, А.Н. Иванченко - М.: Высш шк. 1990.

96 Cazacu D., Stanescu C., Performance analysis of a solenoidal electro-magnet, Scientific Bulletin of the Electrical Engineering Faculty, "Valahia" University of Targoviste, Romania, Vol. 2 (16) 2011, P. 5-10.

97 Dolan, Alin-Iulian, Contributions to modeling of the fields and of the transient regimes in electrical equipments, Abstract Of Phd Thesis, University Of Craiova, Craiova, 2009, P. 40.

98 Ian Hunter, and Serge Lafontaine, Analysis of a Highly Nonlinear Lorentz Force Linear Motion Electromagnetic Actuator Using EMS, Massachusetts, USA, Nucleolus Scientific, URL: http://www.emworks.com/media/pdfs/testimonials/AnalysisLorentzForceLinearActuato r.pdf.

99 Yoshiki Kanno and Yasukazu Sato, Linear and Rotational Position Sensing for Two-degrees-of freedom Motor, Proceedings of 8th International Conference of Sensing Technology, Sep 2014, P. 500-505.

100 V. K. Sharma, S. S. Murthy and B. Singh, "An improved method for the determination of saturation characteristics of switched reluctance motors," IEEE Trans. Instrum. Meas., 1999, vol. 48, no. 5, pp. 995-1000.

101 Shi Wei Zhao. Robust and Sensorless Control of Linear Switched Reluctance Motors / Ph.D. Thesis, Dept. of Electrical Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, 2008, 182 p.

102 Шатков, А.П. Экспериментальное исследование асинхронного электропривода с релейно-векторным принципом управления при непосредственном измерении параметров магнитного поля / А.П. Шатков // Вестник ИГЭУ.- 2013.- №1, с. 1-6.

103 Порайко, А.С. Экспериментальная оценка адекватности полевых математических моделей вентильно-реактивных двигателей / А.С. Порайко //

Електромашинобудування та електрообладнання: Респ. мiжвiд. наук.-техн. зб. 2004. Вип.63. С. 77-81.

104 A. Asgharmemon, I. Hussain, J. Daudpoto. Modeling of Static Characteristics of Switched Reluctance Motor // Mehran University Research Journal of Engineering & Technology, 2013, Volume 32, No. 1, pp. 141-146.

105 R. Saxena, B. Singh, Y. Pahariya. Measurement of Flux Linkage and Inductance Profile of SRM // International Journal of Computer and Electrical Engineering, 2010, Vol. 2, No. 2, pp. 389-393.

106 C. S. Dragu, R. Belmans, "Measurement of magnetic characteristics of switched reluctance motors ". IEEE 10th Conf. Power Electr. Appli., Sep 2003, on CD.

107 F. J. P. Cebolla, A. Martínez, J. Vicuña, B. Martín, E. Laloya. On line magnetic characterization of a switched reluctance motor based on a Dspace data acquisition board. 11 Conferencia Hispano Lusa de Ingeniería Eléctrica(11 CHLIE). 2011. URL http://www.aedie.org/11chlie-papers/RESUMEN/252-Perez-summary.pdf

108 Ковалев, О.Ф. Комбинированные методы моделирования магнитных полей в электромагнитных устройствах / О. Ф. Ковалев. - Ростов н/Д. : Изд-во СКНЦ ВШ, 2001.- 220с.

109 Красовский, А.Б. К вопросу о положении точки номинального режима на механической характеристике вентильно-индукторного двигателя / А.Б. Красовский, М.Г. Бычков // Вестник государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2005. - №1. - С. 32-43.

110 Никитенко, А.Г. Об оптимизации нейтральных электромагнитов по временным и габаритным показателям / А.Г. Никитенко, В.П. Гринченков, В.В. Медведев и др. // Известия вузов. Электромеханика.-1998. -№ 5-6.- С.16-20.

111 Павленко, А.В. Математическое моделирование электромагнитных систем с использованием Pspice / А.В. Павленко, П.Г. Колпахчьян, В.В. Медведев и др. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2004. - № 4. - С. 45-48.

112 Медведев, В.В. Проектирование цилиндрического линейного электромагнитного привода трубопроводной арматуры / В.В. Медведев // Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2013. -№1. - С. 46-50.

113 Медведев, В.В. Экспериментальное определение интегральных характеристик линейного электромагнитного привода / В.В. Медведев, Д.В. Батищев, А.А. Гуммель // Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2014. -№1. - С. 22-25.

114 Медведев, В.В. Оптимальное проектирование линейного вентильно-индукторного двигателя с использованием генетического алгоритма / В.В. Медведев // Изв. вузов. Электромеханика.-2014.- № 2. - С.49-52.

115 Лобов, Б.Н. К расчету характеристик электромагнитных приводов электрических аппаратов / Б.Н. Лобов, А.В. Павленко, И.Б. Подберезная, В.В. Медведев // Изв. вузов. Электромеханика.-2017.- № 1. - С.35-41.

116 Медведев, В.В. Проектирование и оптимизация линейного цилиндрического индукторного двигателя / В.В. Медведев // Изв. вузов. Сев. -Кавк. регион. Техн. науки. - 2017. -№2. - С. 10-17.

117 Медведев, В.В. Выбор приводного механизма для запорного клапана трубопроводной арматуры / В.В. Медведев.- Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).-Новочеркасск, 2011.- 24 с.: ил. - Библиогр.: 47 назв.- Рус.- Деп. в ВИНИТИ.

118 Ковалев, О.Ф. Оптимизация тяговых характеристик электромагнита с использованием системы автоматизированного проектирования / О.Ф. Ковалев, В.В. Медведев // Электрические аппараты: Межвуз. сб. науч. тр. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1998. -с.112-115.

119 Гринченков, В.П. Пакет программ для расчета и оптимизации электромагнитных механизмов / В.П. Гринченков, В.В. Медведев // Сборник статей по материалам 48-й науч-техн. конф. студ. и асп. ЮРГТУ.

120 Ковалев, О.Ф. Расчетно-экспериментальный комплекс для определения динамических параметров электромагнитных механизмов постоянного тока / О.Ф. Ковалев, А.Г. Старостин, В.В. Медведев и др. // Сб. тезисов IV Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава», Новочеркасск, 2003, с. 285.

121 Параметрическая оптимизация методом деформированного многогранника динамических параметров электромагнита: Св-во о

государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615508 РФ / А.В. Павленко, В.П. Гринченков, В.В. Медведев, А.Ю. Воронов.- Отраслевой фонд алгоритмов и программ. Зарегистр. 14.07.2011.

122 Медведев, В.В. Проектирование линейных электродвигательных приводов / В.В. Медведев, Д.В. Батищев // Сб. тезисов и статей Всероссийской научной школы для молодежи "Итоги и перспективы развития российско-германского сотрудничества в области мехатроники" (г. Новочеркасск, 26-28 октября 2011г.).-С.88-91.

123 Медведев, В.В. Проектирование цилиндрического линейного электромагнитного привода трубопроводной арматуры / В.В. Медведев, Д.В. Батищев // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: IV Международная научно-техническая конференция (Тольятти, 24-25 апреля 2012г.) : сб. трудов: в 2 ч.- Тольятти: Изд-во ТГУ, 2012.- Ч.1.- с.203-207.

124 Гринченков, В.П. Аналитическая оценка влияния вихревых токов на время трогания нейтральных и поляризованных электромагнитов при включении / В.П. Гринченков, Ю.А. Никитенко,. А.В. Павленко, В.В. Медведев // Известия вузов. Электромеханика.-1998.-№ 5-6.- С.34-38.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А - Документы, подтверждающие внедрение разработок

автора

«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор по образовательной деятельности ФГБОУ ВПО Южно-Российский

•венный политехнический

о внедрении в учебный процесс результатов научно-исследовательской работы Медведева Виктора Владимировича, полученных при подготовке кандидатской диссертации

Комиссия в составе д.т.н., профессора Лобова Б.Н., к.т.н., профессора кафедры «Электромеханика и электрические аппараты» Гринченкова В.П. и к.т.н., доцента Подберезной И.Б. составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Медведева Виктора Владимировича по разработке линейных электромеханических приводов трубопроводной арматуры внедрены в учебный процесс кафедры «Электромеханика и электрические аппараты» для бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»направленность «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» и магистров по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» направленность «Методы исследования и моделирования процессов в электромеханических преобразователях энергии». Материалы диссертационной работы используются при чтении лекций, при проведении практических занятий используются разработанные математические модели и методика проектирования.

Д.т.н., профессор

К.т.н., профессор

ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ИЛИ) ИМЕНИ М.И, ПЛАТОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ

346428, г, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 Тел.: [phone], тел7факс: [phone]

E-mail:[e-mail]

№ / от // 00 2017 г.

СПРАВКА О ВНЕДРЕНИИ

Научные и практические результаты диссертационной работы Медведева Виктора Владимировича на тему «Линейные электромеханические приводы клапанов трубопроводной арматуры. Проектирование и оптимизация» использованы НИИ Электромеханики при разработке линейных электромеханических приводов и выполнении контракта № 1327-ЮУ «Разработка научно-технических основ создания линейных электрических двигателей», заказчик - ABB Corporate Research.

Объектами внедрения являются:

1. Методика проектирования линейного электромеханического привода.

2. Алгоритм оптимизации конструкции линейного электромеханического привода.

3. Математические модели и комплекс программ для проектирования линейного электромеханического привода.

A.B. Павленко

Приложение Б - Программа оптимизации линейных цилиндрических вентильно-индукторных двигателей

unit Unitl;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs, StdCtrls, ComCtrls;

type

TForml = class(TForm) Buttonl: TButton; Edit 1: TEdit; Labell: TLabel; Label2: TLabel; Label3: TLabel; Label4: TLabel; Edit2: TEdit; Edit3: TEdit; Label5: TLabel; Label6: TLabel; Label7: TLabel; Edit4: TEdit; Label8: TLabel; Edit5: TEdit; Label9: TLabel; Edit6: TEdit; Label 10: TLabel; Labelll: TLabel; Edit7: TEdit; Label 12: TLabel; Edit8: TEdit; Label13: TLabel; Edit9: TEdit; Label 14: TLabel; Label15: TLabel; Edit 10: TEdit; Label16: TLabel; Label 17: TLabel; Edit 11: TEdit; Label18: TLabel; Edit 12: TEdit; Label 19: TLabel; Label20: TLabel; Edit 13: TEdit; Label21: TLabel; Edit 14: TEdit;

ProgressBarl: TProgressBar; procedure Button1Press(Sender: TObject); procedure FormActivate(Sender: TObject); private

{ Private declarations } public

{ Public declarations } end;

const m=20; n_var=7; n_hrom=30; mu0=4e-7*pi;

type

person = record hromosoma:array[1..n_hrom] of boolean; f_fitnes:real; x:array[1..n_var] of real; fem_sr_p, fem_min_p:real; f_target:real; end;

point=record

x,y:real;

end;

line = record n 1, n2,num_bdry, num_group:integer; local_size:real; end;

block=record x,y:real;

num_block:integer; num_cir:integer; num_group: integer; num_turns: integer; end;

circuit=record

name:string;

tare,taim:real;

cir_type:integer;

end;

buble = record number:integer; f_fitnes:real; end;

mas_person=array[1..m] of person; mas_point=array[1..200] of point;

mas_line=array[1..200] of line; mas_block=array[1..10] of block; mas_circuit=array[1..10] of circuit; mas_buble=array[1..m] of buble;

var

Forml: TForml;

xx,xx_left,xx_right:array [1..n_var] of real; count_var:array[1..n_var] of integer;