Разработка электромеханической системы

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра систем автоматического управления

Пояснительная записка

к курсовому проекту

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

по дисциплине «Электромеханические системы»

Студент гр. 120 371 Осипенко Ю. Н Руководитель: Панков А. П Тула — 1997

Задание на курсовой проект.

Спроектировать электромагнитный привод с втяжным электромагнитом с плоским стопом и возвратной пружиной.

выбор типа конструкции электромагнита;

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

проверочный расчёт электромагнита;

выбор схемы и расчёт усилителя мощности;

разработка программ расчёта статических и динамических характеристик; анализ статических и динамических характеристик электромеханической системы;

расчет источника питания

электромагнитный привод цепь мощность

Исходные данные

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

Основные типовые конструкции исполнительных устройств ЭМС с поступательным перемещением подвижных частей:

Исполнительное устройство втяжного типа с независимой регулировкой хода якоря и возвратной пружины. Электромагнит имеет плоский стоп и состоит из корпуса, стопа, якоря, обмотки, намотанной на немагнитный каркас, возвратной пружины, выходного штока. Колодка с контактами предназначена для подпайки выводов обмотки. В качестве габаритных размеров приводятся: наружный диаметр D, полная длина исполнительного устройства L1 и максимальный ход якоря. Начальное усилие указывается без учёта силы пружины.

Электромагнит тянущего и толкающего действия с неизменным рабочим ходом и регулируемой силой возвратной пружины. Он имеет усечённый конический стоп () и состоит из корпуса, обмотки, намотанной на составной каркас (жестко соединённые фланец и втулка), якоря, возвратной пружины. В якоре с обеих сторон жестко закреплены тянущий и толкающий штоки. Рабочий ход выставляется посредством прокладки и ограничивается крышкой.

Электромагнит тянущего и толкающего действия с постоянным рабочим ходом, без возвратной пружины имеет стоп и якорь, которые в области рабочего зазора выполнены в виде ферромагнитного шунта (ФМШ). ФМШ обеспечивает электромагниту сравнительно пологую тяговую характеристику.

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

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

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

овладение методиками проектировочного расчёта электромеханических систем; получение практического опыта применения ЭВМ для решения инженерных задач; получение начальных навыков разработки и оформления конструкторской документации; изучение требований ЕСКД, ЕСТД, и др.; приобретение навыков инженерного творчества.

Тематика курсового проекта посвящена разработке электромеханических систем, используемых в качестве исполнительных устройств в автоматических системах и системах управления.

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

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

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

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

Поверочный расчёт позволяет по известным размерам магнитопровода, параметрам катушки, ходу якоря определить тяговое усилие электромагнита, его тепловой режим, потребление тока, степень насыщенности магнитопровода. Выбор конструктивного типа и формы стопа.

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

где Р — тяговое усилие, — ход якоря.

Для количественного сопоставления экономичности основных типов электромагнитов (с дисковым якорем, втяжным якорем с различной формой стопа, ферромагнитным шунтом) с различными конструктивными факторами и выбора соответствующего типа электромагнита

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

для плоского стопа

для конического стопа

где — угол конуса при вершине (для плоского стопа =).

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

Расчёт электромагнита с дисковым якорем проводится аналогично расчётам электромагнитов с плоским стопом.

Проектный расчёт 1-го типа

Допустим, заданы следующие основные параметры проектируемого электромагнита: Р — тяговое усилие, которое должен развивать электромагнит в начале хода якоря, Н — ход якоря, м; U — напряжение источника питания, В; - допустимое превышение температуры электромагнита при продолжительном режиме работы .

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

Определим значение тягового усилия:

Х1 Х2

НАГРУЗКА

ЯКОРЬ

Р=10Н

Расчёт электромагнитов производится в следующей последовательности.

1. Уточнение формы стопа. Форма стопа уточняется по значению конструктивного параметра КФ

=0.15 = 30

где = - рабочий зазор, м; - толщина немагнитной прокладки, м; обычно, причём большему ходу соответствует меньшее значение коэффициента и наоборот. В некоторых случаях немагнитная прокладка может отсутствовать ().

2. Определение основных размеров электромагнита.

диаметр якоря электромагнита

где В=0,8 — магнитная индукция в рабочем зазоре, Тл.

Для получения минимальных габоритов, объёма, массы, потерь магнитодвижущей силы значение В необходимо принимать 0.7…1.1 Тл (для электромеханических сталей марки 28 895).

наружный диаметр электромагнита

D=2d0.08м

длина электромагнита

где — паразитный зазор, м; е — эксцентриситет якоря по отношению к фланцу (равен половине разности диаметров направляющей втулки и якоря с учётом предельных отклонений их размеров); обычно =(0.015…0.05)10 м (в случае применения развитого воротника); r — удельное сопротивление провода, Омм; определяется для заданного превышения температуры Q по формуле r =; - удельное сопротивление провода при, для медного провода Омм; - температурный коэффициент металла провода, для медного провода =0.004 1/; - удельная мощность рассеяния, Вт/, определяется по графику Q = f ();

Отношение габаритных размеров электромагнита L/D и их оценка.

Наиболее удачное конструктивное оформление втяжных электромагнитов обеспечивается при L/D = 0.7…1.8, электромагнитов с дисковым якорем — при L/D= 0.4…0.8. Если полученное отношение габаритных размеров электромагнитов не соответствует желаемому, то расчёт повторяют с п.2а, задаваясь при этом другим значением магнитной индукции, в нашем случае

L/D=0,12/0,08=1,5

по принятому диаметру якоря уточняется значение магнитной индукции

по графику определяется значение поправочного коэфициента

максимальное значение магнитной индукции

В =/=0.8;

Определение остальных размеров магнитопровода:

внутренний диаметр магнитопровода

толщина фланца: для дискового якоря — толщина якоря и толщина фланца

С = 0.12D=0,0096 м

толщина фланца на периферии

длина окна магнитопровода под катушку

l = L — 2 С=0.1м

длина стопа

Определение параметров катушки:

средний диаметр катушки

D

где b — толщина каркаса, м (обычно b = (0.05…0.25)10м; = зазор между катушкой и корпусом, м (для низковольтных электромагнитов

диаметр провода

диаметр провода округляется до стандартного значения в соответствии с таблицей проводов. Выбираем провод ПЭВ-1 с диаметром 1,1 мм. И для принятой марки провода находится его диаметр в изоляции d=1,2 мм;

высота намотки катушки

м

длина катушки

м

число витков катушки

W = 0.8651кhк/

сопротивление катушки при нормальных условиях ()

rD

длина намоточного провода

D

Проверочный расчёт.

Проверочный расчёт производится при известных конструкции, размерах и параметрах электромагнита:

а) размерах магнитопровода D,, d, c, c, L, l, l, ;

б) размерах и параметрах катушки

в) других параметрах

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

Расчёт электромагнита проводится в следующей последовательности:

1.Проверка размеров магнитопровода и параметров катушки:

а) D= 0.87D=0.0696м;

б) d = 0.5D=0.04м;

в) С = 0.12=0.0096;

г) =0,0048 м;

д) l = L — 2C=0.1м;

е) ;

ж) сечение якоря ;

з) средний диаметр катушки ;

и) высота намотки ;

к) число витков катушки W;

л) сопротивление катушки ;

м) значение потребляемого тока I = U/R=9А;

2. Определение тягового усилия, развиваемого электромагнитом при расчётном напряжении:

а) полная магнитодвижущая сила F = WU/R=6570 Н;

б) максимальная магнитная индукция:

в) по графику (рис. 4) находится значение поправочного коэффициента =0,91;

г) тяговое усилие, развиваемое электромагнитом:

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

КФ

4. Определение превышения температуры электромагнита:

а) удельная мощность рассеяния

б) по графику Q = (рис. 3) для найденной удельной мощности рассеяния определяется превышение температуры электромагнита Q=80^оС.

Расчет винтовой пружины.

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

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

где Xмаксимальное перемещение подвижных частей. Подбор среднего диаметра пружины D, диаметра проволоки d и числа рабочих витков iпроизводят, используя уравнение прочности и жесткости преобразовав их к виду

где с — индекс пружины; К — коэффициент увеличения напряжения внутренней стороны витка (сравнительно с напряжением, возникающим при кручении прямого стержня). Его величина зависит от индекса пружины и может быть найдена при приближённой формуле

Для упрощения расчётов целесообразно вначале вычислить значения и G/(8k). Затем следует задаться несколькими значениями индекса пружины с = D/d в пределах от 4…6 до 16…20. Пружины меньших индексов применяют редко. Редко используются пружины и с большим значением индекса. При индексе выше 16…20 существенно увеличивается диаметр пружины, резко уменьшается их изгибная прочность. Если нет каких-либо специальных требований, следует выбрать среднее значение индекса с = 8…12.

Задавшись рядом значений индекса и найдя отвечающее им значение коэффициента, определяют по диаметры проволоки, соответствующие выбранным значениям индекса с. Выбрав из сортамента пружинной проволоки ближайшие большие значения диаметров, подставляют их в формулу и определяют рабочее число витков пружин при каждом значении индекса. По значениям с и d определяют средний диаметр пружины D = dс, наружный или внутренний диаметры пружины. Величины d и используют для определения начальной длины (высоты) пружины. Для пружин сжатия

Коэффициент s определяется зазором между витками в её наиболее сжатом состоянии, т. е. когда она сжата силой. Зазор необходим для компенсации погрешности шага витков. Величину s обычно выбирают в пределах 1.2…1.5; - число опорных, концевых витков. Величина зависит от конструкции пружины, её назначения. Для неответственных пружин =0.5. При повышенных требованиях к точности характеристики пружины число концевых витков увеличивают до =3 (по 1.5 витка с каждой стороны).

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

Коэффициент Ф учитывает размеры зацепов и в зависимости от их конструкции принимается в пределах от 0.5 до 2. В результате такого проектирования получают ряд пружин с соответствующими значениями d, D,, из этого ряда выбирают пружину, наилучшим образом подходящую к разрабатываемой конструкции.

Проведя расчет согласно изложенному выше описанию, получим, задавшись и G=8100 Н/м:

а)C=5

б)С=10

в)С=12

средний диаметр пружины:

а)d=0.57мм

б)d=0.76мм

в)d=0.93мм

количество витков:

а)92

б)

в)

средний диаметр пружины:

а)D=d*c=1.65мм

б)D=6мм

в)D=9мм

наружный и внутренний диаметры пружины:

а)мм а)

б)мм б)

в)мм в)

высота:

а)

б)

в)

Наиболее подходящей является пружина в).

Разработка программ расчёта и анализ статических характеристик системы.

Расчёт статических и динамических характеристик электромеханической системы рассматриваемого класса использует нелинейную математическую модель.

К основным статическим характеристикам относятся: уравнения связи, внешняя характеристика X=f (i), механическая характеристика .

ГдеФ — магнитный поток

I — ток в обмотке электромагнита

F_дв — движущая сила, действующая на якорь

Для получения выражений, позволяющих рассчитать статические характеристики, необходимо составить схему замещения магнитной цепи исполнительного устройства и записать нелинейное алгебраическое уравнение (уравнение Кирхгофа для магнитной цепи).

Для данной электромеханической системы, работающей в релейном режиме, характерны следующие явления:

— насыщение материала магнитопровода

— наличие потоков рассеяния и выпучения, соизмеримых с рабочим потоком

— наличие сравнительно однородного поля внутри катушки и пренебрежимо малого по длине катушки из-за потоков рассеяния

— наличие нелинейных характеристик элементов усилителя мощности (транзистора и стабилитрона)

Представим данную ЭМС схемой замещения магнитной цепи при следующих допущениях:

— МДС обмотки считаем сосредоточенной

— поля рассеяния и выпучивания учитываем с помощью эквивалентных сопротивлений R_р R_в.

— сопротивление статора и якоря электромагнита учитываем эквивалентными магнитными сопротивлениями R_с, R_я

— влияние гистерезиса магнитных материалов на характеристики системы пренебригаем

— потери на вихревые токи статора и якоря неучитываем, т.к. для определения статических харкктеристик используют медленно изменябщийся входной сигнал.

Схема замещеиня магнитной цепи

где — сопротивление рабочего зазора

сила, действующая на якорь

где dg/dt — производная по времени от проводимости рабочего зазора

Проводимость рабочего зазора:

Программа:

uses crt;

var ht: array[1.43] of real;

bt:array[1.43] of real;

i, j: integer;f, ff: text; delta, iw, iwmax: real;

db, d, fi, lsr, r1, r2,sila, b: real;label 0;

BEGIN

assign (f,'bh.pas');

assign (ff,'res.pas');

reset (f);

rewrite (ff);

delta:=0;

for j:=1 to 10 do

begin delta:=delta+0.33;

d:=0.025;

lsr:=0.075;

iwmax:=(24/(94.6*(1+0.004*50)))*1988.2;

i:=1;b:=0;db:=0.05;

r1:=delta*1 000 000/1.256*0.0005;

r2:=delta*1 000 000/1.256*0.0005;

repeat

begin

i:=i+1;

b:=b+db;

{bt[i]: =b;}read (f, bt[i]);

readln (f, ht[i]);

fi:=bt[i]*0.0005;

iw:=ht[i]*lsr+fi*r1+fi*r2;

end;

until iwmax

repeat

begin

if iwmax

begin

b:=b-db;

db:=db/2;

b:=b+db;

ht[i]: =(ht[i-1]+ht[i])/2;

fi:=b*0.0005;

iw:=ht[i]*lsr+fi*r1+fi*r2;

end;

if iwmax>iw then

begin

db:=db/2;

b:=b+db;

ht[i]: =ht[i]+(ht[i]-ht[i-1])/2;

fi:=b*0.0005;

iw:=ht[i]*lsr+fi*r1+fi*r2;

end;end;

until abs (iwmax-iw)<0.001;

sila:=(½)*(fi*fi*1 000 000)/(1.256*0.0005);

writeln (ff, fi:6:4,' ', delta:6:6,' ', sila:6:2);

writeln (fi:6:4,' ', delta:6:6,' ', sila:6:2);

end;

END.

Выбор схемы и расчет усилителя мощности

Для управления электромагнитными приводами используют усилители мощности управляющего сигнала с транзисторными выходными каскадами. Поскольку электромагнит имеет два стабильных фиксированных положения, транзистор усилител мощности работает в ключевом режиме с малым временем переключения состояний. При быстром закрытии транзистора (т.е. отключении обмотки электромагнита от источника питания) в ней возникает напряжение самоиндукции, направленное в одну сторону с напряжением источника питания. При достаточно больших индуктивностях обмоток электромагнитов, величина напряжеиня самоиндукции может достигать высоких значений, способных «пробить» транзистор выходного каскада. Для защиты транзистора от пробоя используют стабилитроны, ограничивающие напряжение на коллекторе транзистора.

Поскольку сопротивление закрытого стабилитрона и закрытого транзистора велики, ток в обмотке электромагнита будет мал. Следовательно, спад тока при отключении будет тем быстрее, чем больше предельно допустимое напряжение на коллекторе транзистора, защищенного от пробоя стабилитроном.

U =

гдеU_со — напряжение стабилизации стабилитрона

Е_к — коллекторная ЭДС

I — ток в обмотке электромагнита

Таким образом, для обеспечения быстрого спада тока необходимо использовать высоковольтные транзисторы.

Время срабатывания электромагнита будет определяться лишь массой подвижных частей и жесткостью возвратной пружины, параметры элементов усилителя мощности практически не влияют.

Вывод: обеспечение заданного времени срабатывания осуществляется подбором жесткости возвратной пружины, а времени отпускания — подбором напряжения стабилизации защитного стабилитрона.

После проведения расчета динамических характеристик для выходного каскада усилителя мощности получим:

U_ст=130В

U_кэ>560B

I_к>0.445A

Выберем стабилитрон и транзистор

Стабилитрон Д815Ж

U_ст=180 В, I=480mA

Транзистор 2Т878 А, кремниевый, n-p-n