Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности проектирования синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов биотехнических систем
1.1. Критерии оценки неравномерной мгновенной частоты вращения синхронных машин 17
1.2. Основные направления оптимизации параметров синхронных машин 37
1.3. Цель и задачи исследования 66
2. Разработка моделей синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов 67
2.1. Синтез обобщенной структуры модели синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов 67
2.2. Математическая модель синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов 70
2.3. Уравнения СМПМ в режиме малых колебаний ротора 86
Выводы второй главы 102
3. Исследование и анализ дестабилизирующих факторов синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов 106
3.1. Анализ влияния неравномерной мгновенной частоты вращения от эксплутационных дестабилизирующих факторов 106
3.2. Анализ влияния неравномерной мгновенной частоты вращения от конструктивных дестабилизирующих факторов 126
3.3. Анализ влияния неравномерной мгновенной частоты вращения от технологических дестабилизирующих факторов 128
Выводы третьей главы 137
4. Разработка алгоритмического и информационного обеспечения системы автоматизированного проектирования прецизионных синхронных машин 140
4.1. Алгоритмизация проектирования синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов по массогабаритному критерию 140
4.2. Алгоритмизация автоматизированного проектирования прецизионных синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов по критерию стабильности частоты вращения 145
4.3. Алгоритмизация выбора структуры синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов 165
Выводы четвертой главы 168
5. Алгоритмизация процесса оптимального проектирования электродвигателей постоянного тока с полым якорем и возбуждением от постоянных магнитов по критерию быстродействия 170
5.1. Методика проектирования электродвигателей постоянного тока с полым якорем и с возбуждением от постоянных магнитов по быстродействию 170
5.2. Критерии оптимального проектирования электродвигателей постоянного тока с полым якорем и с возбуждением от постоянных магнитов 179
5.3. Оптимизация автоматизированного проектирования быстродействующих электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов 184
Выводы пятой главы 202
6. Методология автоматизированного проектирования электродвигателей приводов биотехнических систем, результаты апробации и внедрения 203
6.1. Структура автоматизированной системы оптимального проектирования электродвигателей 203
6.2. Оптимальное распределение машинного времени автоматизированных рабочих мест при проектировании электродвигателей приводов биотехнических систем 213
6.3. Результаты апробации и внедрения 222
Заключение 228
Список литературы 232
Приложение 249
- Основные направления оптимизации параметров синхронных машин
- Математическая модель синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов
- Анализ влияния неравномерной мгновенной частоты вращения от технологических дестабилизирующих факторов
- Алгоритмизация автоматизированного проектирования прецизионных синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов по критерию стабильности частоты вращения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов находят широкое применение в современных системах автоматики, устройствах магнитной записи, оптике, регистрирующей аппаратуре и т.д. Однако, несмотря на значительное количество научных работ, посвященных управляющим машинам, практически отсутствуют работы по реализации принятой стратегии управления биотехнических системах с применением технических устройств, задача которых состоит в том, чтобы возможно оперативнее и точнее устанавливать выбранные режимы при управлении нарушенными функциями организма с помощью искусственных органов, при поддержании жизнедеятельности организма в экстремальных условиях, при создании биоуправ-ляемых роботов-манипуляторов. Одним из перспективных электродвигателей электроприводов таких биотехнических систем является электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, обеспечивающие минимальную величину неравномерности мгновенной частоты вращения с малогабаритными и низкими энергетическими показателями и электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов при полом якоре, позволяющие создавать быстродействующие и высокоточные электроприводы биотехнических систем.
Таким образом, актуальность проблемы исследования заключается в необходимости разработки методологии формирования математического обеспечения САПР, моделей и алгоритмов автоматизированного проектирования прецизионных и малоинерционных электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов, обеспечивающих создание быстродействующих и высокоточных электроприводов биотехнических систем.
Повышение эффективности систем проектирования заданного целевого направления во многом зависит от создания адекватного математического обеспечения процедур анализа и синтеза проектных решений. При этом существенную роль играют методы структурного и параметрического синтеза, а так же методы математического программирования для расчета оптимальных значений проектируемых параметров.
Указанные особенности объектно-ориентированных САПР в полной мере относятся к проектированию управляющих машин, где в качестве объекта проектирования ключевыми элементами являются электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов.
Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Системы автоматизированного проектирования и автоматизации производств».
Целью работы является разработка комплекса моделей и алгоритмов в рамках САПР прецизионных и высокобыстродействующих электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов приводов биотехнических систем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать особенности проектирования синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов биотехнических систем (БТС) с учетом критерия оценки неравномерной мгновенной частоты вращения синхронных машин;
разработать алгоритмы синтеза синхронных машин с возбз'ждением от постоянных магнитов с заданными динамическими характеристиками в режиме малых колебаний ротора;
сформировать оптимизационную модель прецизионных синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов и разработать методы и алгоритмы оптимального проектирования при минимизации машинного времени;
построить математические модели и сформировать критерии оптимального проектирования синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов по массогабаритным и электрическим характеристикам;
разработать методику оптимального проектирования постоянных магнитов, сформулировать оптимизационную модель и критерии оптимального проектирования высокобыстродействующих электродвигателей постоянного тока с полым якорем;
разработать структуру автоматизированной системы, информационное обеспечение оптимального проектирования прецизионных и быстродействующих электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов электроприводов биотехнических систем;
провести апробацию методов, моделей и алгоритмов автоматизированного проектирования синхронных машин с возбуждение от постоянных магнитов в условиях производства.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы положения теории электрических машин, автоматизированных систем проектирования, математического моделирования, аппарат вычислительной математики и нелинейного программирования. Теория магнитных, электрических и тепловых полей и электродинамики сплошной среды, а также прямые вариационные методы математического анализа.
Научная новизна. В работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
методология автоматизированного проектирования электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов электроприводов биотехнических сис-
тем, позволяющая обеспечивать параметры и характеристики электродвигателей при заданных значениях стабильности частоты вращения и быстродействия за счет оптимального управления процессами проектирования и изготовления электродвигателей;
математическая модель синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов в режиме малых колебаний ротора, позволяющая исследовать динамические и стационарные режимы работы электродвигателя;
процедура построения математических моделей, позволяющая формировать аналитические зависимости для определения характеристик свободных и вынужденных колебаний ротора синхронных машин;
метод оптимального проектирования прецизионных синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов, обеспечивающий гарантированную сходимость решения к локальному минимуму при минимальных затратах машинного времени;
алгоритмические процедуры системы функционирования автоматизированного проектирования по критериям массогабаритных и электрических характеристик синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов, основанные на многоуровневой схеме рационального перебора и численных методах решения лимитеров;
методика и алгоритмы проектирования постоянных магнитов малоинерционных электродвигателей постоянного тока с полым якорем, обеспечивающие оптимальность по высокому быстродействию при ограничениях на устойчивость конструкции;
структура автоматизированной системы, информационное обеспечение оптимального проектирования прецизионных и быстродействующих электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов электроприводов биотехнических систем, обеспечивающие снижение затрат на проектирование, повышения уровня технико-экономических показателей.
Практическая значимость работы. На основе предложенных моделей и алгоритмов анализа и оптимизации синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов с заданными динамическими характеристиками разработан алгоритм синтеза и математические модели в режиме малых колебаний ротора по массогабаритным и электрическим характеристикам.
Разработаны средства формирования информационного обеспечения при автоматизированном проектировании синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов и электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, которые позволяют проектировщикам оперативно получать требуемые характеристики в зависимости от конструктивных решений. Применение разработанных моделей и алгоритмов оптимального проектирования позволяет сократить сроки и трудоемкость их проектирования, повысить
качество разработки, способствовать наиболее полному удовлетворению требований технического задания.
Предложена процедура оптимального распределения машинного времени автоматизированных рабочих мест при проектировании электродвигателей приводов биотехнических систем.
Результаты исследования внедрены на АО НПК(о) «Энергия» с ожидаемым годовым экономическим эффектом 49335 р., а также в учебный процесс кафедр «Систем автоматизированного проектирования и информационных систем» и «Системного анализа и управления в медицинских системах» Воронежского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 1997-2003); Международной научно-практической конференции «Современные сложные системы управления» (Липецк, 2002; Старый Оскол, 2002, Воронеж, 2003); Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 1996-2003); на научно-методических семинарах кафедр «Системный анализ и управление в медицинских системах» и «Системы автоматизированного проектирования и информационные системы» Воронежского государственного технического университета (1996-2003).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 56 печатных работах, в том числе в двух монографиях и 8 статьях в журналах, рекомендованных списком ВАК.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 13, 14, 19, 21-25, 28, 29, 32, 38] -постановка задачи, алгоритмизация формирования информационных массивов автоматизированного проектирования, формирование оптимизационной задачи по критериям массогабаритных и электрических характеристик синхронных машин с возбуждением; [4, 8, 9, 20, 34, 35, 39, 47] - процедура автоматизированного проектирования постоянных магнитов в электродвигателях с полым якорем, формирование критериев оптимальности по быстродействию и устойчивости электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, методика автоматизированного проектирования и оптимизация машинного времени АРМ при проектировании.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 163 наименований, приложения. Основная часть работы изложена на 231 странице, содержит 67 рисунков и 29 таблиц.
Основные направления оптимизации параметров синхронных машин
Современная медицина и биология широко используют измерения и различную измерительную и регистрирующую технику для решения самых разнообразных задач по исследованию организма. Необходимым условием эффективности этих исследований является оснащение лечебных и научных учреждений совершенными методами исследования и современным оборудованием.
При проведении биологических и медицинских исследований используется большой арсенал методов и средств, предназначенных для измерения различных медико-биологических показателей, а также для регистрации и анализа физиологических процессов, протекающих в организме. Результаты исследований представляются в виде набора чисел и графиков, отражающих состояние биологического объекта во время проведения исследований.
Приступая к изучению неизвестного объекта, исследователь стремится рассмотреть его с разных точек зрения, проанализировать с нескольких позиций. Для этого ему приходится использовать различные методы и способы получения и обработки информации от объекта, формирования информативных показателей и алгоритмов принятия решения. Так как на процесс исследования влияет большое количество трудно учитываемых факторов, то всегда необходимо оценить соответствие полученных характеристик действительному состоянию объекта исследования. При изучении биологического объекта оценка этого соответствия становится особенно важной, так как в зависимости от состояния определяется дальнейший ход исследований, диагностики, терапевтических или хирургических воздействий [23]. В биотехнических системах, предназначенных для поддержания физиологических условий существования организма, показатели его жизнедеятельности выступают как упреждающие, командные.
Возрастают требования к объективности результатов исследований [23, 63, 148]: 1) изменчивость; 2) индивидуальный разброс параметров объектов; 3) их взаимосвязанность; 4) нелинейность этих связей; 5) наличие значительных помех. Значение особенностей биологических объектов необходимо при решении многих задач, таких, например, как [23]: 1) диагностика заболеваний; 2) выбор лечебных мероприятий; 3) контроль за состоянием тяжелобольных и вопросы реабилитации после продолжительного лечения; 4) управление нарушенными функциями организма с помощью искусственных органов; 5) создание биоуправляемых роботов-манипуляторов; 6) поддержание жизнедеятельности организма в экстремальных условиях и т.д. В современной биологии и медицине все больше уделяется внимание автоматизации управления физиологическими функциями организма в условиях патологии и при экстремальных нагрузках, созданию биотехнических систем, представляющих совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых биологических и технических систем или объектов. Например, на борту космического корабля биотехническая система состоит из подобранного, в зависимости от назначения и продолжительности полета, биокомплекса и технических средств, обеспечивающих оптимальные условия его функционирования. Примерами биотехнических систем могут служить электростимулятор сердца, манипулятор для работы в условиях, при которых соприкосновение человека с объектом управления нежелательно, любая человеко-машинная система (ЧМС), где звеном ее является человек. При патологиях, экстренной помощи больным в реанимационных отделениях, при проведении операций используют искусственные почки, сердце и легкие, в состав которых входят автоматические регуляторы и системы управления искусственными органами жизнеобеспечения [63]. Искусственные легкие представляют собой газообменное устройство, которое служит для насыщения крови кислородом, удаления углекислого газа и поддержания кислотно-щелочного равновесия в физиологических пределах. Искусственное сердце - это аппарат, состоящий из насоса, привода, передачи и нагнетающий кровь с необходимой для жизнеобеспечения объемной скоростью кровотока. Система управления обеспечивает заданные режимы работы как отдельных функциональных узлов, так и аппарата в целом. Для реализации температурных режимов, соответствующих цели операции, т.е. для проведения искусственного кровообращения в условиях нормальной или пониженной температуры, используют теплообменник с терморегулятором. На рис. 1.8 представлена схема агрегата НУР 10-200, предназначенного для подачи воды с контролируемой температурой в теплообменники окисляющего генератора и к охлаждающим [63, 148] поверхностям. Температуры подаваемой воды выбирается на температурно-контрольном устройстве в пределах 2-42 С. Помпа П подает воду на выход, которая затем возвращается через охлаждающий ОР или нагревающий HP резервуары, в зависимости от положения моторного клапана МК. Температурный датчик ДТЗ информирует температурный контролер ТК о температуре подаваемой в помпу П воды. Если температура подаваемой воды выше заданной t3Xi/ моторный клапан устанавливается так, чтобы происходило смешивание холодной и горячей воды, поступающей из резервуаров ОР и HP (как показано на рис. 1.8), причем нагревательные элементы выключаются контактом Кх.
Если температура подаваемой воды значительно выше заданной, то будет циркулировать лишь вода из охлаждающего резервуара ОР, причем моторный клапан МК перекрывает трубу, идущую от нагревающего резервуара HP. Если температура воды равна заданной температуре t3Xl, то вода будет циркулировать из нагревающего резервуара HP при отключенных нагревательных элементах НЭ (моторный клапан МК перекрывает воду из охлаждающего резервуара ОР).
Математическая модель синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов
Принимая во внимания принцип действия электродвигателя, а также качества конструкции, отмеченные выше, можно определить область применения машины, как автоматизированный электропривод высокого быстродействия с широким диапазоном регулирования частоты вращения.
Проектирование любой электрической машины заключается в выборе такого соотношения основных геометрических размеров и обмоточных данных, которое наиболее полно отвечает требованиям технического задания к рабочим характеристикам и технико-экономическим показателям электродвигателя. При оптимальном проектировании этот выбор направлен на достижение экстремального значения критерия оптимальности (целевой функции). Формируя соответствующим образом целевую функцию можно спроектировать электродвигатель, обладающий теми или иными характеристиками (минимально возможными габаритами, массой, потребляемой мощностью, трудоемкостью изготовления, эксплуатационными расходами и т.д.) [25, 75, 162].
В биотехнических системах синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов их приводов в зависимости от назначения должны обладать, с одной стороны, стабильностью частоты вращения за счет компенсации дестабилизирующих факторов, а с другой, должны быть широкорегулируемые, проектирование которых связано с трудностью регулирования магнитного потока возбуждения в зависимости от конструкторских особенностей электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов.
Таким образом, в качестве главных направлений исследования в работе могут быть выбраны: 1. Исследование режима малых колебаний ротора синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов для определения его характеристик как колебательной системы. Основной задачей, решаемой здесь, является анализ зависимостей этих характеристик от параметров двигателя с целью оценки возможности снижения восприимчивости двигателя к раскачивающим силам. Наиболее целесообразно проведение этих исследований с помощью математической модели синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов в режиме малых колебаний ротора. Поэтому возникает необходимость построения такой модели, адекватно описывающей синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов с учетом его физических особенностей. 2. Получение количественных зависимостей между степенью восприимчивости синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов к воздействию основных дестабилизирующих факторов и электромагнитными параметрами двигателя. Для этого необходимо, опираясь на результаты известных исследований, проанализировать основные дестабилизирующие факторы и получить там, где это возможно, аналитические выражения для определения НМЧВ или качественные критерии величины амплитуды раскачивающих сил и выбрать, исходя из этих выражений, количественный показатель степени восприимчивости синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов. 3. Разработка алгоритма проектирования прецизионных синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов, максимально невосприимчивых к воздействию дестабилизирующих факторов. Для синтеза синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов, обладающих как-максимально возможной невосприимчивостью, так и удовлетворяющих всем требованиям к остальным характеристикам, наиболее целесообразным является применение методов оптимального проектирования. Так как вопросы автоматизированного проектирования синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов с помощью ПЭВМ практически не разработаны, то возникает необходимость решения целого круга проблем, связанных с этим: а) формализация задачи-проектирования; б) выбор независимых переменных оптимизации; в) выбор целевой функции оптимизации; г) формулировка ограничений на задачу оптимизации, позволяющих достаточно полно учесть все требования к рабочим характеристикам электродвигателя и ограничений физического и технологического характера; д) выбор алгоритма численного метода оптимизации, наиболее удовлетворяющего специфике решаемой задачи; е) разработка общей схемы и методики проектирования прецизионных синхронных электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов. В качестве базовых в работе приняты конструктивные схемы синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов, приведенные на рис.1.13, и методика поверочного электромагнитного расчета [74,77]. Все основные теоретические положения проверяются экспериментальным путем. Таким образом, актуальность темы заключается в необходимости разработки моделей и алгоритмов автоматизированного проектирования прецизионных и малоинерционных электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов, обеспечивающих создание быстродействующих и высокоточных электроприводов биотехнических систем. Целью и задачей исследования является разработка моделей и алгоритмов проектирования прецизионных и высокобыстродействующих электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов, автоматизированных процедур расчета и оптимизации синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов с заданными динамическими характеристиками. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: разработать алгоритмы синтеза синхронных машин с заданными динамическими характеристиками.
Анализ влияния неравномерной мгновенной частоты вращения от технологических дестабилизирующих факторов
Метод повышения равномерности мгновенной частоты вращения ротора СМПМ путем снижения его восприимчивости к воздействию дестабилизирующих факторов предполагает только соответствующее изменение параметров электродвигатели как колебательной системы. Значения раскачивающих ротор сил здесь считаются известными и неизменными. В этом случае можно с достаточной степенью точности принять, что неравномерность мгновенной частоты вращения является вынужденными колебаниями ротора идеального СМПМ под действием дополнительных составляющих электромагнитного момента, возникающих из-за наличия ряда дестабилизирующих факторов.
Для исследования режима малых колебаний ротора синхронного микроэлектродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов предложена идеализированная физическая модель, которая представляет собой электромеханический преобразователь энергии с m-фазной р-полюсной симметричной обмоткой на статоре и Z+1 короткозамкнутыми контурами и обмоткой возбуждения на роторе. Модель отличается от общепринятой тем, что количество короткозамкнутых контуров на полюс, в общем случае, является нецелым числом и расположены они несимметрично относительно оси полюсов обмотки возбуждения. Закон распределения удельной магнитной проводимости воздушного зазора физической модели учитывает реальное магнитное сопротивление постоянного магнита.
На основании уравнений, описывающих процесс преобразования энергии в принятой физической модели СМПМ, построена математическая модель СМПМ, позволяющая исследовать динамические и стационарные режимы работы электродвигателя. 4. Линеаризацией математической модели СМПМ получены выра жения для исследования малых колебаний ротора относительно квазистатического режима равномерного вращения. v 5. Из уравнений математической модели СМПМ получены выражения для определения основных характеристик свободных и вынужденных колебаний ротора СМПМ. 6. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование свободных колебаний ротора СМПМ; Кривая свободных колебаний ротора носит сложный характер и содержит до трех периодических составляющих, причем амплитуда одной из этих периодических составляющих, как правило, значительно превышает амплитуды всех остальных. Поэтому с достаточной степенью точности можно принять, что свободные колебания ротора происходят только с одной частотой. Коэффициент затухания свободных колебаний ротора СМПМ является малой величиной и во всем принятом при исследовании диапазоне изменения параметров СМПМ не превышает 0,1. Следовательно, при неидеальных условиях эксплуатации электродвигателя, сопровождающихся импульсными внешними воздействиями, в спектре его неравномерности мгновенной частоты вращения будет присутствовать составляющая с собственной частотой колебания СМПМ, амплитуда которой определяется величиной внешнего воздействия. Коэффициент затухания собственных колебаний ротора, в основном, определяется, параметрами пусковой короткозамкнутой обмотки на роторе р и CJR. Чем мягче ее механическая характеристика (больше р и меньше JR), тем больше коэффициент затухания собственных колебаний ротора. 7. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование вынужденных колебаний показывает: амплитудно-частотная характеристика вынужденных колебаний ротора имеет явно выраженный пик на резонансной частоте, которая совпадает с частотой собственных колебаний ротора СМПМ; значение амплитудно-частотной характеристики на частотах более чем в 20 раз превышающих частоту собственных колебаний ротора весьма мало, поэтому с достаточной степенью точности можно принять, что дестабилизирующие факторы, вызывающие дополнительные периодические составляющие электромагнитного момента с частотами, превышающими это значение, не оказывают существенного влияния на неравномерность мгновенной частоты вращения ротора СМПМ; форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) вынужденных колебаний ротора СМПМ весьма значительно зависит от соотношения параметров СМПМ. В исследуемом диапазоне изменения параметров собственная частота и резонансное значение характеристики изменяются более чем на порядок. Наиболее существенно влияют на форму амплитудно-частотной характеристики относительная индуктивность х, инерционная постоянная Н и относительное активное сопротивление ротора р: чем больше их величина, тем меньше резонансное значение и собственная частота. Таким образом, имеется возможность выбора оптимального соотношения параметров СМПМ, обеспечивающего минимальное значение амплитудно-частотной характеристики, а следовательно, и неравномерности мгновенной частоты вращения в зоне действия основных дестабилизирующих факторов. В качестве критерия минимальности неравномерности мгновенной частоты вращения можно использовать значение АЧХ вынужденных колебаний ротора СМПМ при частоте раскачивающей силы 0,5
Алгоритмизация автоматизированного проектирования прецизионных синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов по критерию стабильности частоты вращения
Проектирование СМПМ, как и любой другой электрической машины, заключается в выборе такого соотношения основных геометрических размеров и обмоточных данных, которое наиболее полно отвечает требованиям технического задания к рабочим характеристикам и технико-экономическим показателям электродвигателя. При оптимальном проектировании этот выбор направлен на достижение экстремального значения критерия оптимальности (целевой функции оптимизации). Формируя соответствующим образом целевую функцию можно спроектировать электродвигатель, обладающий теми или иными характеристиками (минимально возможными габаритами, массой, потребляемой мощностью, трудоемкостью изготовления, эксплуатационными расходами и т.д.) [28,75,162]. Рассмотрим применение методов оптимального проектирования для синтеза прецизионного СМПМ максимально невосприимчивого к воздействию дестабилизирующих факторов.
Для математической формулировки задачи оптимального проектирования необходимо определить, кроме критерия оптимальности, еще и независимые переменные оптимизации, исходные данные, константы проектирования, и ограничения на область определения независимых переменных оптимизации, вытекающие из технического задания, требований стандартизации, унификации и т.д.
Целевая функция оптимизации характеризует критерий оптимальности, принятый при проектировании электродвигателя. Для обычных, силовых микроэлектродвигателей в качестве критерия оптимальности обычно используются технико-экономические показатели машины: приведенная стоимость [141], весогабаритные характеристики [19], эксплуатационные характеристики [141] и т.д.
Основным же отличием прецизионного СМПМ от обычного является, как показано в гл.1, обеспечение максимально возможной невосприимчивости электродвигателя к воздействию дестабилизирующих факторов. Здесь это требование доминирует, и для его удовлетворения допустимо даже некоторое ухудшение остальных характеристик. Поэтому в качестве критерия оптимальности процесса проектирования прецизионного СМПМ наиболее целесообразно принять количественный показатель степени восприимчивости СМПМ к дестабилизирующим факторам Fc?, определяемый выражением (3.19). Чем меньше значение F- , а следовательно и НМЧВ, тем оптимальнее спроектированы СМПМ.
В качестве исходных данных для проектирования прецизионного СМПМ можно принять следующие параметры: число пар полюсов; число фаз т; частота питающего напряжения; фазное напряжение питания; номинальный момент нагрузки; номинальный момент инерции нагрузки. Константами проектирования, не варьируемыми в процессе расчета, считаются следующие величины: число пазов на статоре Zi и роторе Z2; вид обмотки статора, ее шаг и число параллельных проводников; магнитные характеристики стали магнитопровода и материала постоянного магнита. При этом для уменьшения конструктивных дестабилизирующих факторов выбор данных параметров прецизионного СМПМ целесообразно производить согласно рекомендациям [2]. На практике довольно часто встречается ситуация, когда константами проектирования СМПМ принимается часть его активных размеров. Так например, это происходит при проектировании СМПМ на базе существующих асинхронных микродвигателей [11]. В этом случае размеры листа или пакета статора известны, а определяются только геометрические размеры ротора. Кроме того, механическая обработка заготовки постоянного магнита является одной из самых трудоемких операций. Поэтому при проектировании новых СМПМ рекомендуется выбирать постоянный магнит из нормализованного ряда заготовок при минимально возможной их обработке [66,76]. Здесь константами проектирования становятся геометрические размеры магнита. Таким образом, общую задачу проектирования СМПМ можно разбить по количеству констант проектирования на следующие подзадачи: 1. Проектирование СМПМ при заданных заготовке магнита и пакете статора. 2. Проектирование СМПМ при заданных конфигурациях заготовки магнита и листа статора. 3. Проектирование СМПМ при заданной заготовке магнита. 4. Проектирование СМПМ при заданном пакете статора. 5. Проектирование СМПМ при заданном листе статора. 6. Проектирование СМПМ в общем случае, когда неизвестны все геометрические размеры и обмоточные данные машины. В каждой из этих шести задач количество неизвестных геометрических размеров, подлежащих определению, различно. Наибольшее их число для шестого случая, а наименьшее - для первого. Ограничениями (лимитерами) процесса проектирования прецизионного СМПМ являются все условия, заданные в виде стандартов, нормалей или вытекающие из требований технического задания. Их можно разделить на две группы: ограничения на размеры и параметры двигателя, исходя из условий его физической реализации и технологического выполнения, и ограничения на рабочие характеристики проектируемого СМПМ для обеспечения требований технического задания.
