Введение к работе
Актуальность проблемы. Расширение промышленного производства средств и комплексных систем автоматизации в значительной степени обеспечивается развитием и внедрением перспективных устройств информационно-измерительной техники. К числу устройств, используемых при создании эффективных средств получения и обработки измерительной информации, относятся прецизионные измерительные преобразователи перемещений, область применения которых неуклонно расширяется. Обеспечение высокой точности этих преобразователей непосредственно зависит от качественных показателей первичных преобразователей, их технологичности в процессе изготовления и малой чувствительности к технологическим погрешностям. Среди них широко применяются многополюсные индукционные преобразователи с плоскими обмотками. Значительное увеличение точности, достигаемое в этих преобразователях, стало возможным благодаря применению принципа электрической редукции.
Поворотный индукционный преобразователь (ПИП) с плоскими многополюсными обмотками является важнейшим элементом устройств для автоматических измерений угловых перемещений повышенной точности. Чем качественнее спроектирован первичный преобразователь, тем выше итоговые точностные показатели автоматической системы.
Широкий круг аспектов расчета и проектирования индукционных преобразователей с электрической редукцией нашел свое отражение как в отечественных, так и в зарубежных публикациях. Основное внимание было уделено вопросам повышения точности указанных преобразователей за счет конструктивных, технологических и схемных методов их решений. Среди российских ученых в исследование и развитие теории рабочего процесса многополюсных индукционных преобразователей особо весомый вклад внесли: Н.Н. Александров, Э.В.Андреев, А.А.Ахметжанов, Д.А.Бы-чатин, И.Я.Гольдман, Б.К.Карпенко, Л.В.Копылова, Т.Д.Королева, Н.Д.Махотин, О.А.Павлов, Н.В.Петропольский, Д.А.Попов, Ю.М.Пульер, Б.Ф.Самойленко, Л.НСафонов, Г.В.Тазов, В.В.Хрущев, Ю.М.Чечет идругие.
Несмотря на достаточно большое количество различных подходов к исследованию электромагнитных процессов в индукционных преобразователях перемещений с плоскими многополюсными обмотками, к настоящему времени не создано единой общепризнанной теоретической базы для формирования стратегии проектирования. Причем некоторые исследовательские модели неадекватно, грубо отражают специфику исследуемых процессов и подчас совсем не отвечают требованиям оптимального проектирования. Так, в становлении электромагнитной теории многополюсного индукционного преобразователя перемещений получило распространение известное положение о достаточно точном соответствии кривой распреде-
РОС. НАЦИОНАЛЫ!/ h БИБЛИОТЕКА
^
ления магнитодвижущей силы (МДС) первичной обмотки и кривой магнитной индукции (или напряженности) поля в плоскости проводников вторичной (сигнальной) обмотки, от которой непосредственно зависит форма огибающей выходной ЭДС. Указанная методика приводит к недопустимым погрешностям в случае, если магнитная цепь индукционного преобразователя выполнена из немагнитных материалов, что характерно для конструкции ПИП.
Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в решении важной научно-технической задачи, заключающейся в разработке основ моделирования поворотного индукционного преобразователя с плоскими многополюсными обмотками. Необходимость данной разработки заключается в настоятельной потребности иметь эффективный аппарат для проведения дальнейших исследований и оптимального проектирования ПИП.
Для достижения поставленной цели в диссертации проведены следующие исследования и решены следующие основные задачи:
обзор и критический анализ теоретических методов исследования основных параметров индукционного преобразователя с плоскими многополюсными обмотками, который показал необходимость углубленного исследования ПИП на основе моделирования его электромагнитных процессов;
анализ работы ПИП в автоматической измерительной системе;
моделирование процесса формирования возбуждающего магнитного поля ПИП;
моделирование процесса формирования выходной ЭДС (полезного сигнала) ПИП;
разработка методики проектирования ПИП.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения и законы электродинамики, теории поля, теории электромеханических преобразователей. Для формирования основных теоретических положений потребовалось привлечение математического аппарата интегрального и дифференциального исчислений, теории поля Для решения и анализа математических выражений использовалась вычислительная техника, пакет математического моделирования Mathcad 2001 Pro и программа Excel 2000.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые разработаны:
методика моделирования магнитного поля, формируемого одиночным прямолинейным проводником с током, имеющим плоское поперечное сечение и конечную длину;
принцип и методика моделирования магнитного поля, формируемого системой рабочих (радиальных) проводников обмотки возбуждения ПИП:
методика построения и анализа картин результирующего магнитного поля, формируемого системами радиальных (рабочих) и тангенциальных (вспомогательных) проводников обмотки возбуждения ПИП;
методика проведения гармонического анализа магнитного поля возбуждения ПИП;
математическая модель для описания процесса формирования выходной ЭДС с выделением в ней полезного сигнала и сигнала помехи;
методика проектирования ПИП.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что в ней:
поставлена и обоснована задача двухэтапного представления формирования измерительной информации ПИП;
на основе математической модели одиночного плоского проводника получена математическая модель системы рабочих (радиальных) проводников возбуждения ПИП, с использованием которой построены и проанализированы картины магнитного поля на одном периоде его изменения для различных относительных значений угловой ширины плоского проводника и воздушного зазора;
проведен гармонический анализ поля возбуждения ПИП, получены и проанализированы графические зависимости поля с вычислением коэффициента гармоник при изменении величин воздушного зазора и угловой ширины радиальных проводников;
получены и проанализированы выражения для вычисления полезного сигнала ПИП, формируемого основной (первой) гармоникой поля возбуждения, и помехи, формируемой высшими гармониками этого поля; сформулировано условие, при выполнении которого в сигнальной обмотке не наводится пятая гармоника выходной ЭДС;
требование выполнения плоской сигнальной обмотки с предельно узкими проводниками объясняется необходимостью максимального снижения проходной ёмкости между первичной и вторичной обмотками ПИП, от которой зависит появление дополнительной методической погрешности;
на основе математической модели одиночного тангенциального проводника разработана математическая модель системы тангенциальных проводников обмотки возбуждения, позволяющая получить рекомендации, при выполнении которых удается исключить появление методической погрешности, вызванной влиянием этих проводников;
на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и обоснованы основные положения методики проектирования ПИП.
Реализация результатов работы. На различных этапах работы были получены следующие практические результаты:
в исследовательской лаборатории Раменского приборостроительного завода нашли применение основные положения разработанного автором аналитического аппарата для расчета и исследования поворотных индукционных преобразователей с плоскими многополюсными обмотками;
методы моделирования магнитных полей, формируемых как отдельными плоскими проводниками с током, так и системами аналогичных проводников, использовались в качестве составных частей методик проектирования измерительных поворотных индукционных преобразователей в различных организациях Москвы: ОАО ПК «Электрозавод» и ФГУП НПЦ автоматики и приборостроения.
ряд положений методики моделирования индукционных преобразователей перемещений с плоскими обмотками нашли применение в учебном процессе МИРЭА (НИРС, курсовое и дипломное проектирование).
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы, включая отдельные её разделы, докладывались и обсуждались на Первой Всесоюзной научно-технической конференции по электромеханотронике (г. Ленинград, ЛЭТИ, 1987) и ежегодных научно-технических конференциях МИРЭА (1981-2003 гг.).
Диссертационная работа в полном объеме рассматривалась на кафедре «Технические и информационные средства систем управления» МИРЭА (2005г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы, в том числе 4 авторских свидетельства СССР на изобретения (1981-1992).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 100 наименований, и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 206 страниц и 57 рисунков.
