НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

На правах рукопису

ДСК

Прим. №__

АНТОНОВ Олександр Євгенович

УДК 621. 313.17

ДВОКООРДИНАТНІ ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ

ДЛЯ СИСТЕМ ЛОКАЦІЇ ТА СЛІДКУВАННЯ

Спеціальність: 05.09.01 - Електричні машини і апарати

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі перетворення та стабілізації електромагнітних процесів Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Повстень Віктор Олександрович,

Київський міжнародний університет цивільної авіації Міністерства освіти України, завідувач кафедри електромеханіки;

доктор технічних наук, доцент Шинкаренко Василь Федорович,

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти Україні, в.о. завідувача кафедри електромеханіки;

доктор технічних наук Зозулін Юрій Васильович,

Харківський НДІ "Електротяжмаш" Міністерства промислової політики України, зам. головного конструктора.

Провідна установа - Харківський державний політехнічний університет Міністерства освіти України, кафедра електромеханіки.

Захист відбудеться "22" червня 1999р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.03. в Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 252680, Київ-57, пр. Перемоги, 56, тел. 446-91-15.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України.

Автореферат розісланий "7" травня 1999р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.І. Титко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Майже всі економічно розвинені країни світу приділяють значну увагу розвитку власної військової промисловості, відраховують великі кошти на розробку нових ефективних систем озброєнь. Стан військової промисловості та рівень військової техніки країни є показником її економічного та наукового потенціалу. У системі оборонної промисловості СРСР Україна займала одне з провідних місць по розробці та виробництву складових частин високоточної зброї. З руйнуванням СРСР та загальною економічною кризою ці позиції України були частково втрачені. Між тим накопичений науковий, інтелектуальний та технічний потенціали країни дозволяють не тільки відновити їх але по деяких напрямках зайняти ключові позиції у світі. Це важливо також і тому, що можливості держави по створенню сучасних систем озброєнь та їх компонентів мають не тільки військове а і комерційне значення.

Актуальність проблеми пов'язана з загальною тенденцією мініатюризації і радикального удосконалювання тактико-технічних характеристик нових сучасних засобів ведення бойових дій. Для розв'язання цієї проблеми необхідний принципово новий підхід до побудови всіх складових частин системи. Якісне підвищення швидкодії, точності і мініатюризація систем, що здійснюють управління просторовим становищем вхідних пристроїв при пошуку, наведенні та автоматичному супроводженні цілей, вже проблематично при використанні відомих технічних засобів, оскільки їх можливості практично вичерпані. Принципово новим підходом, що дає позитивне розв'язання проблеми, є побудова двокоординатних електричних машин (ДЕМ) із єдиним ротором, які функціонально замінюють традиційні приводні системи з декількома виконавчими двигунами. Позитивний ефект від використання ДЕМ виражається в багатократному підвищенні зусиль, що створюються, (до 5-7 разів) і кутових прискорень (до 20 разів) при порівняних габаритах і енерговитратах. Ефект досягається завдяки раціональному використанню обємів, призначених для розміщення електромагнітного ядра ДЕМ, та можливістю розташування його активних елементів найбільш вигідним способом, а також завдяки зменшенню моментів інерції рухомих елементів пристрою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота за даною темою безпосередньо пов'язана з виконанням таких програм і тем:

1.

2.

3.

4.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка теоретичних положень, принципів побудови та базових технічних вирішень двокоординатних електричних машин, призначених для роботи в складі систем локації, наведення та автосупроводження цілей.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі наукові завдання:

-розв’язати задачу математичного опису динамічного стану ДЕМ для характерних режимів роботи з урахуванням особливостей зазначеного класу систем, визначити головні узагальнені ознаки та закономірності роботи ДЕМ;

-розробити принципи та алгоритми побудови оптимальних ДЕМ, методики розрахунку електромашинних параметрів, головних машинних постійних та ДЕМ в цілому;

-розробити та дослідити математичну модель динамічного стану ДЕМ із триступеневим намагніченим ротором (ДЕМТР), визначити закономірності їх роботи в режимі прецесійного руху;

-розробити і дослідити методи підвищення точності роботи ДЕМТР у складі систем спостереження;

-розробити інженерну методику розрахунку оптимальних ДЕМТР;

-обгрунтувати можливість застосування особливостей структури ДЕМ для визначення поточних кутових координат ротора;

-розробити принципові питання технологічного забезпечення точності і контролю параметрів ДЕМ;

-розробити базові структури та принципові конструктивні вирішення ДЕМ, визначити області їх застосування, провести дослідну ідентифікацію.

Наукова новизна одержаних автором результатів. Дістали подальшого розвитку клас і теорія електромеханічних перетворювачів енергії, ротор яких має декілька ступенів свободи обертання навколо нерухомого центру:

-вперше розроблені теоретичні положення, принципи побудови, моделі динамічного стану електричних машин, ротор яких має дві ступені свободи обертання навколо нерухомого центра (ДЕМ);

-вперше проведено оптимізацію ДЕМ по зусиллям та кутовому прискоренню, встановлено індуктивні параметри, потокозчеплення та головні електромашинні постійні з урахуванням конфігурації електромагнітного ядра ДЕМ;

-розв’язано задачу побудови узагальненої моделі динамічного стану ДЕМ із триступеневим намагніченим двополюсним ротором (ДЕМТР), встановлено закономірні особливості її роботи в режимі прецесійного руху;

-здійснено новий підхід до створення режиму власного обертання ротора ДЕМТР на базі електромашини із сталими магнітами на роторі та статорі, створена її математична модель, досліджена динаміка роботи;

-вперше створено структуру та модель динамічного стану двокоординатної електромашини, що об'єднує переваги ДЕМ і ДЕМТР та дозволяє підвищити точність роботи в складі системи слідкування;

-вперше обгрунтовано використання особливостей структури і кінематики ДЕМ і ДЕМТР для визначення поточних кутових координат ротора;

-вирішено принципові питання технологічного забезпечення точності ДЕМ;

-розроблено базові структури та конструктивні рішення ДЕМ, визначені області їх застосування, проведена класифікація та дослідна ідентифікація.

Практичне значення одержаних результатів. Нова концепція побудови двокоординатних моментних і скануючих виконавчих пристроїв для зазначеного класу спеціальних систем дозволяє:

-підвищити можливості систем по швидкодії до 20 разів, по зусиллям, що створюються, до 7 разів при обсягах привідних пристроїв, порівняних із відомими рішеннями, або в таке ж число разів зменшити енерговитрати при порівняних зусиллях, що створюються;

-зменшити масо-габаритні показники привідного пристрою при зусиллях, що створюються, порівняних із відомими пристроями;

-мініатюрізовати приводний пристрій та систему в цілому;

Результати досліджень дозволяють синтезувати ДЕМ з заданими параметрами, які оптимізовані по масогабаритним показникам та енергоспоживанню.

Розроблені принципи побудови ДЕМ із двоступеневим ротором практично використані на ВО «Завод Арсенал» при побудові системи наведення наземного протиракетного комплексу, а також у Московському НДІ радіозвязку при побудові двокоординатних систем орієнтації рухомих елементів космічного літального апарата.

Математичні моделі, конструкції, методики розрахунку і рекомендації щодо вибору параметрів ДЕМ впроваджені в інфрачервоних головках самонаведення ИГС-73-80 на ВО «Завод Арсенал» (м.Київ), у двохосних стабілізаторах вхідних пристроїв системи управління на АТВТ «ЗОМЗ» (м.Сергіїв Посад, Росія), у стабілізаторах поля зору оптичних приладів на АТВТ «ЗОМЗ», в ЦКБ "Фотон" (ВО«КОМЗ», м.Казань, Росія), в АТ «Пеленг» (м. Мінськ, Білорусь).

Способи визначення, орієнтації і контролю становища магнітних осей обмоток управління ДЕМ впроваджені на НВК "Прогрес" (м. Ніжин) у технологічних процесах виготовлення голівок самонаведення: БЦ11731-75Т, БЦ5.769.040-9Э45, БЦ5.769.077-75Т.

Особистий внесок автора. У дисертаційну роботу включені теоретичні положення і результати, отримані автором особисто. В друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать: в [1] - обгрунтування порівняних структур виконавчих пристроїв та математичні викладки; в [2] - постановка наукової задачі, отримання математичних виразів складових частин електромагнітного моменту для сферичної конфігурації двокоординатної машини та проведення її оптимізації; в [6] - ідея побудови та розробка математичної моделі електромашини із сталими магнітами на роторі та на статорі; в [10] - розрахунки поля в зазорі ДЕМ, узагальнення результатів та отримання математичного опису розподілу поля; в [14] - схеми побудови ДЕМ сферичної конфігурації; в [15,16,18] - головна ідея винаходу; в [20-24] паритетна участь в розробці ідеї побудови нових типів ДЕМ; в [25] - ідея та модель двокоординатної приводної системи на базі ДЕМ;

Апробація роботи. Матеріали дисертації доповідались на Науково-технічних семінарах фахівців Міністерства оборонної промисловості СРСР у 1988,1989,1991 р., на наукових семінарах відділу перетворення і стабілізації електромагнітних процесів ІЕД НАНУ, на науково-технічній раді ЦКБ «Арсенал». Окремі наукові питання доповідались на наукових семінарах ЦКБ «ЗОМЗ», ЦНДІ Точного машинобудування (м.Климовск), КБ Точного машинобудування (м.Москва), на II-й науково-технічній конференції КВІУС МО України "100 років радіо" (Київ, 1995).

Публікації результатів наукових досліджень. Основний зміст дисертації відображено в 40 публікаціях (18 статей у наукових фахових виданнях, 21 авторське свідоцтво на винаходи, 1 препринт). З загальної кількості публікацій написано без співавторів 9 статей, 1 препринт, отримано 4 авторських свідоцтва. В загальному обсязі публікацій питання використання ДЕМ в зразках спеціальної техніки відображено в 4 закритих статтях та 12 авторських свідоцтвах, які у переліку публікацій не наводяться.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатку. Загальний обсяг складає 335 сторінок. На 77 сторінках розміщені 48 рисунків, 2 таблиці, список літератури з 119 найменувань і один додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована необхідність проведення досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, дана анотація наукових результатів, отриманих автором, наведені дані про практичне значення результатів роботи, апробацію і публікації.

У розділі 1 стисло наведено огляд наукових публікацій по електромеханічним системам з декількома ступенями свободи обертання ротора, охарактеризовано стан проблеми, обгрунтовано науковий підхід до досліджень. При вирішенні поставлених у дисертації задач використано фундаментальний варіаційний інтегральний принцип Гамільтона, застосований до обраних функцій енергії системи, що досліджується. При одержанні енергетичних функцій використаний метод миттєвих і середніх значень параметрів. При проведенні гармонійного аналізу функцій силової взаємодії застосовано чисельний метод. Ідентифікація магнітного поля проведена методом фізичного моделювання та розрахунковим шляхом із використанням методу кінцевих елементів та першого рівняння Максвела.

Далі в розділі ДЕМ розглядається як електромеханічна система із єдиною двостепеневою обмоткою ротора 1, яка обертається навколо нерухомої точки О відносно обмоток статора 2, 3 із взаємно ортогональними осями (рис.1). Визначено набір незалежних узагальнених координат і складені енергетичні функції Лагранжа для головних моделей ДЕМ із двоступеневим ротором. При складанні енергетичних функцій та рівнянь Лагранжа прийняті припущення, звичайні для теорії електромашин та багатостепеневих електромеханічних систем:

- система, що досліджується, вважається голономною, тобто зв'язки в ній є склерономними та геометричними;

- в системі відсутні пружні зусилля, а центр мас співпадає з нерухомою точкою, тому в системі відсутнє накопичення потенційної енергії;

- система є електрично лінійною;

середовище, в якому здійснюється взаємодія струмових контурів, є однорідним у магнітному відношенні;

- оскільки ДЕМ є переважно індуктивною системою, енергією, що накопичується в електричному полі, нехтуємо.

Отримано математичні моделі динамічного стану ДЕМ елек-тромагнітного і магнітоелектричного типів для режимів моментного двигуна і швидкого сканування у вигляді систем нелінійних диференціальних рівнянь. У найбільш загальному випадку модель ДЕМ електромагнітного типу має вигляд:

де - кутові координати ротора,

- струм в обмотках управління статора та збудження

ротора,

- власні і взаємні індуктивності обмоток,

- екваторіальний і полярний моменти інерції ротора,

- опіри обмоток та напруги джерел живлення,

- коефіцієнт в'язкого тертя,

- навантажувальні моменти.

З приведених рівнянь зрозумілі принципові особливості ДЕМ, суть яких складається у залежності моментів та кутових швидкостей, що створюються, від обох кутових координат та у виникненні перехресного взаємовпливу динамічних станів по двом кутовим координатам. Мають місце перехресні зв'язки, обумовлені кінематикою двокоординатного обертання, які характерні для будь-якої механічної системи з двома ступенями свободи обертання (це інерційні зв'язки), а також зв'язки, обумовлені електромагнітною взаємодією, характерні саме для ДЕМ. Електромагнітні зв'язки виявляються у виникненні кутового руху ротора навколо однієї з осей при створенні керуючих впливів навколо ортогональної осі, а також у збудженні ЕРС в обмотці, що не бере участь у створенні керуючого моменту. Ступінь перехресної взаємодії визначається перемінним коефіцієнтом перехресного зв'язку, що залежить від кутового становища ротора і від параметрів ДЕМ. У найбільш простому випадку цей коефіцієнт визначається як добуток синусів двох кутів нахилу ротора, струму управління та потокозчеплення ротора з обмоткою:

.

Найбільше практичне значення для використання в мало-габаритних системах локації або наведення мають моделі ДЕМ безконтактного магнітоелектричного типу, оскільки вони не потребують передавання електроенергії на рухливу частину, більш надійні, економічні, припускають форсування параметрів. Нижче наведені лінеаризовані рівняння динамічного стану ДЕМ для симетричного ротора кульової конфігурації, збудженого сталим висококоерцітивним магнітом, власний магнітний потік якого не залежить від стану обмотки керування :

де - потокозчеплення обмоток управління з магнітним полем ротора.

Основними режимами роботи ДЕМ в складі системи наведення або слідкування є режими швидкого сканування при пошуку цілі або відпрацюванні команд цілеуказівки та режим моментного двигуна при слідкуванні або автосупроводженні цілі. Після лінеаризації рівнянь для відповідних кутів нахилу ротора і з урахуванням електромашинних постійних , передатні функції по кутових швидкостях ДЕМ для режимів моментного двигуна і режиму швидкого сканування мають вигляд:

Моментний режим:

де - напруги, що компенсують постійне навантаження навколо осей підвішування.

Режим сканування:

де

Структурні схеми моделей ДЕМ для моментного режиму та режиму швидкого скануваня приведені на мал.2, відповідно "а" і "б". Модель моментної ДЕМ відрізняється відсутністю проти-ЕРС, яка збуджується в обмотках завдяки надто малої кутової швидкості ротора.

На практиці, при побудові ДЕМ мають місце помилки орієнтування електричних осей обмоток. На математичних моделях досліджено вплив взаємної неортогональності осей обмоток управління на точність, показано, що відхилення від ортогональності осей призводить до додаткової перехресної взаємодії, причому, незалежно від розмірів кутів нахилу ротора, що наочно ілюструють відповідні лінеаризовані рівняння стану ДЕМ:

.

Далі викладено принципи підвищення швидкодії і точності ДЕМ та розширення кутового діапазону роботи методом формування просторового (тривимірного) результуючого вектора поля обмоток управління, розроблені відповідні моделі. Ця ідея реалізується шляхом введення третьої обмотки керування, електрична вісь якої ортогональна осям перших двох обмоток. Завдяки цьому стає можливим безупинно підтримувати ортогональність взаємного розташування вектора поля системи управління і вектора магнітного поля ротора, тобто забезпечити постійний розмір їх взаємного потокозчеплення незалежно від кутів нахилу ротора. Математична модель такої системи, ротор якої збуджений сталим магнітом має вигляд:

Така модель використана при розгляді комбінації двох типів двокоординатних електромашин в складі системи автосупроводження.

У розділі 2 досліджуються питання побудови ДЕМ із екстремальними характеристиками по зусиллям, що створюються, та швидкодії. Для цього проведена дослідна і розрахункова ідентифікація магнітного поля в сферичній повітряній проміжності ДЕМ для магнітних матеріалів типу SmCo5 та NdFeB. Для розрахунку стаціонарного осесиметричного магнітного поля в нелінійному середовищі використаний метод кінцевих елементів трикутної форми першого порядку. У якості головного рівняння при розрахунку використане перше рівняння Максвела. На підставі узагальнень результатів ідентифікації знайдені аналітичні залежності, що описують характер розподілу радіальних складових магнітної індукції в області розташування обмоток управління:

,

де - коефіцієнти, що залежать від матеріалу магніту,

- відносний розмір повітряної проміжності,

- абсолютний розмір повітряної проміжності,

- діаметр магніту,

- кут, що відраховується від осі симетрії магніту кульової форми.

Характер розподілення магнітного поля в повітряній проміжності ДЕМ в залежності від її відносного розміру проілюстровано на прикладі матеріалу КС37 на рис.3.

Отримано вирази для розрахунку електромагнітного моменту виходячи з електричної потужності , що розсіюється, та геометрії електромагнітного ядра ():

Побудова ДЕМ, оптимальних по співвідношенню електромагнітного моменту та електроенергії, що витрачається, для будь-якого діаметра пов'язано з вирішенням системи рівнянь:

Після рішення рівнянь отримано оптимальний розмір кутового розміру сферичної обмотки , який складає 55,5 градуса, та розмір відносного повітряного зазору , який залежить від характеристик магнітного матеріалу ротора. Визначено, що для промислово виробляємих магнітних матеріалів КС37 і Ч36Р розмір складає відповідно 0,55 і 0,62. Отримано узагальнені вирази, що дозволяють розраховувати електромагнітні зусилля в оптимально побудованих ДЕМ із розімкнутою та замкнутою магнітними системами, у яких використовуються вищезгадані магнітні матеріали, у залежності від діаметра ротора і електричної потужності, що витрачається.

Знайдено вирази, що дозволяють розраховувати внутрішній і зовнішній радіус сферичного магнітопровода ДЕМ, виходячи з необхідної напруженості магнітного поля в сталі або в зовнішньому просторі

де - напруженість магнітного поля в зовнішньому просторі,

- напруженість магнітного поля в зазорі;

- внутрішній та зовнішній радіуси кульового магнітопроводу.

Показано, що підвищення швидкодії ДЕМ може бути досягнуто завдяки оптимізації геометрії зовнішнього магнітопровода. Отримано вираз для розрахунку такого магнітопровода перемінного перерізу, оптимального по масі і моментам інерції:

При цьому збільшення швидкодії ДЭМ без збільшення енергоспоживання складає до 60% у порівнянні з магнитопроводом постійного перерізу. Визначено умову досягнення максимальної швидкодії ДЕМ виходячи з вибору співвідношення моментів інерції ротора і навантаження. При цьому передбачається, що момент інерції навантаження заданий, а геометрія ротора і всього електромагнітного ядра може змінюватись. Оптимальне співвідношення знайдене шляхом вирішення екстремальної задачі щодо кутового прискорення, що розвивається ДЕМ, при фіксованому енергоспоживанні та змінній геометрії. Максимум швидкодії відповідає рівності моментів інерції ротора і навантаження.

Знайдено вирази для розрахунку параметрів моделей ДЕМ при сферичній конфігурації електромагнітного ядра:

для індуктивностей

для потокозчеплень

Отримано також вирази для розрахунку коефіцієнта круткості моменту, коефіцієнта проти-ЕРС, постійних часу та інших машинних постійних для сферичної конфігурації ДЕМ.

У розділі 3 на підставі інтегрального варіаційного принципу Гамільтона розроблена модель двокоординатної електричної машини з тристепеневим ротором (ДЕМТР), яка використовується в якості управляючого та стабілізуючого засобу в зазначених типах систем:

На математичній моделі динамічного стану досліджено рух триступеневого ротора, що швидко обертається, у режимі прецесії. Отримано вирази для постійних та змінних складових частин виникаючих електромагнітних моментів

На моделі досліджено реакцію ротора ДЕМТР на управляючі впливи змінного характеру при створенні режиму прецесійного руху. Розглянуто випадки збудження в обмотці управління струму, що змінюється по гармонічному закону, та струму у вигляді різнополярних прямокутних імпульсів, частота проходження яких синхронізована з частотою власного обертання ротора. Гармонійний аналіз виникаючого електромагнітного моменту показав, що при використанні струму синусоїдальної форми, крім постійної складової частини моменту присутня також складова на подвійній частоті обертання. При цьому амплітуда гармонійної складової моменту дорівнює розміру постійної складової. Реакція ротора ДЕМТР на гармоніки моменту виражається в змушених коливаннях, що виникають і зникають одночасно з постійною складовою, а їх амплітуда не залежить від демпфіруючих можливостей системи. При використанні прямокутних імпульсів струму розмір постійної складової моменту збільшується приблизно на 28%, але в складі електромагнітного моменту крім другої гармонійної присутні всі інші парні гармонійні складові. Дослідження реакції ротора ДЕМТР виявило, що гармонійні складові електромагнітного моменту викликають змушені коливання з тими ж частотами, а амплітуда коливань визначається так

,

де - кратність частоти впливу до частоти власного обертання .

- амплітуда гармоніки моменту,

- кінетичний момент ротора,

- частота нутаційних коливань.

Показано, що реакція ротора ДЕМТР на змінний вплив може бути застосована в корисних цілях для збільшення поля зору вхідного пристрою системи, що розташовується на роторі ДЕМТР.

У розділі 3 викладено новий підхід до побудови двокоординатної системи, що складається при комбінуванні ДЕМ і ДЕМТР, завдяки чому використовуються переваги як тієї, так і другої системи. При цьому ротор та обмотки ДЕМТР використовується тільки для створення режиму власного обертання, а ротор та обмотки ДЕМ використовуються у якості двокоординатного давача моменту. Математична модель стану такої комбінованої системи по кутовим координатам має вигляд

де - струми в обмотках ДЕМ,

- струми в обмотках ДЕМТР,

- потокозчеплення ДЕМ,

- потокозчеплення ДЕМТР.

Як наслідок, виникає можливість компенсації перехресного впливу приводу власного обертання на стан навколо поперечних осей, завдяки чому підвищується точність системи в цілому. Отримано умови автоматичного супроводу об'єкта спостереження у вигляді законів зміни струмів в обмотках управління в залежності від кутів нахилу ротора і кутових координат цілі :

При використанні в комбінованій системі ДЕМ з трьома обмотками управління умови автосупровождення цілі в усталеному режимі приймають вигляд

де - коефіцієнти, що враховують розмір індукції в області обмоток управління, число витків і геометрію обмоток, параметри підсилювачів потужності у відповідних каналах управління.

У розділі 3 викладено новий підхід до побудови приводу власного обертання ротора ДЕМТР, суть якого складається в заміні одного з двох струмових контурів статора сталим магнітом, що не змінює свого кутового становища відносно ротора навколо поперечних осей. Це досягається шляхом розташування магніту на внутрішній рамці підвісу, завдяки чому він може розвертатися навколо осей прецесії разом із ротором ДЕМТР. При цьому магнітна система ротора формується таким чином, щоб уздовж полюсних дуг протягом можливо більшого куту , що наближається до 360 градусів, мав місце градієнт індукції постійного знака і розміру. Завдяки цьому тангенціальна сила взаємодії магнітів ротора і статора створюватиме у межах цього кута момент постійного знаку навколо осі власного обертання ротора. Тоді для завершення циклу обертання ротору по колу струмовий контур статора, що залишився, буде повинний створювати момент обертання в межах кута (360 -). Розмір зусилля, що створюється в такій системі, залежить від результуючого значення індукції в зазорі і підпорядковується загальному виразу Досліджена динаміка такої приводної системи. Математична модель ДЕМТР при її використанні одержує вигляд

Показано, що при використанні приводу власного обертання із сталим магнітом статора і єдиним струмовим контуром знижується розмір електромагнітного зв'язку між каналами керування власним обертанням ротора і його станом навколо поперечних осей.

У розділі розроблені принципи побудови і алгоритм розрахунку ДЕМТР, виходячи з кутового діапазону роботи, максимальної необхідної кутової швидкості, часу розкрутки ротора та інших вимог.

У розділі 4 розглянуті питання застосування особливостей структури та кінематики ДЕМ і ДЕМТР для інформаційного забезпечення роботи у складі системи управління. Необхідність вирішення задачі визначення поточних координат ротора ДЕМ нетрадиційними методами обумовлена проблематичністю використання стандартних кутовимірюючих засобів, тому що їх габаритні розміри сумірні з габаритами ДЕМ, а в ряді випадків навіть перевищують їх. Проблема ускладнюється і тим, що при використанні ДЕМ необхідно одержувати інформацію про становище ротора по двом кутовим координатам. У результаті принципові переваги ДЕМ можуть бути зведені. Тому потрібно було розробити принципи та алгоритми для визначення поточних кутових координат намагніченого ротора з використанням особливостей його фізичної природи, кінематики і форми. Принцип визначення кутових координат ротора ДЕМТР полягає у порівнянні амплітуд і фазових зсувів між ЕРС, що збуджуються та гармонійно змінюються при обертанні ротора, у трьох вимірювальних обмотках із взаємно ортогональними осями:

Відповідно до цого кутові координати визначаються по функціональних залежностях:

де - результуючий кут нахилу ротора,

- фазовий зсув між напругами .

Таким чином, визначення координат ДЕМТР полягає у вимірюванні фазового зсуву між двома гармонійними електричними сигналами, та в порівнянні миттєвого значення напруги ЕРС з деякою константою, яка відображає значення ЕРС тієї ж обмотки при взаємоортогональному розташуванні магніту та обмотки.

Для визначення поточних кутових координат ротора ДЕМ, у якого відсутнє швидке кругове обертання, розроблено метод, фізична сутність якого складається в створенні світлових полів заданої періодичної конфігурації на екрані, пов'язаному з рухомим елементом, та безперервному аналізі розподілу інтенсивності поля відбитого світлового потоку в ближній зоні дифракції при взаємному переміщенні поля та аналізатора. Сферичні поверхні ротора та елементів підвісу використовуються для нанесення на них кодової маски (наприклад, у виді штрихової доріжки або доріжок), що реалізує заданий розподіл світлового поля. При цьому використані особливості кінематики двохосьового карданового підвісу ротора, зокрема те, що кут повороту ротора одночасно є кутом повороту зовнішньої рамки карданового підвісу відносно нерухомої підстави. Тому кут може бути визначений безпосереднім виміром при зчитуванні розподілу світлового поля, відбитого від екрана, який виконаний на поверхні зовнішньої рамки. Другий кут повороту ротора також може бути визначений безпосереднім виміром, якщо вісь чутливості аналізатора кута розташувати уздовж координатної осі OX (вісь зовнішньої рамки підвісу), а кодову доріжку завдавати на сферичній поверхні ротора уздовж великого кола, що лежить у площині осі намагнічування ротора й осі зовнішньої рамки підвісу. Аналіз розподілу інтенсивності світлових полів найбільше зручно робити амплітудними волоконно-оптичними вимірювачами, що реєструють зміну інтенсивності в даній точці поля в деякий момент часу. До складу волоконно-оптичного вимірювача, що працює у відбитому світловому потоці, входить джерело випромінювання, світловий потік якого через волоконно-оптичний канал передається до поверхні рухомої частини ДЕМ, на якій один за одним нанесені покриття, що відбивають чи поглинають випромінювання. Приймальний волоконно-оптичний канал оптично сполучений із фотоприйомним пристроєм, навантаженим на підсилювач електричних сигналів. Вимір кутів у такій системі зводиться до підрахунку кінцевого числа штрихів кодової доріжки, що відповідає кутовому становищу ротора, зареєстрованих волоконно-оптичним вимірювачем відносно базового елемента кодової маски. Штрихи, що відбивають та поглинають випромінювання нанесені на відповідну поверхню з рівним кроком у межах усього кутового діапазону і . Якщо - деяке становище діафрагми в момент часу , то сигнал фотоприймача в залежності від становища переднього краю діафрагми щодо області складе:

де -чутливість фотокатода,

- інтенсивність світлового поля.

Показано, що оптимальне сполучення чутливості та обсягу апаратних засобів для опрацювання одержуваної інформації і підрахунку імпульсів досягається при однаковій ширині штрихів, що відбивають і поглинають випромінювання. Практично можливо реалізувати кутовимірюючий пристрій із шириною штриха і діаметром діафрагми 3-10 мкм. При діаметрі ротора 40мм і діаметрі волокна 10 мкм кутова чутливість волоконно-оптичного вимірювача складає 1,7 кутових хвилини. Перевагами методу є: можливість мініатюризації відлікового устрою, відсутність елементів, що збільшують момент інерції ротора, висока ступінь перешкодозахищеності.

У розділі 5 розроблені наукові питання технологічного забезпечення точності двокоординатних машин. На відміну від звичайних електромашин з одностепеневим ротором, на точність ДЕМ і ДЕМТР впливають помилки орієнтації обмоток управління щодо осей опорної системи координат, а також помилки взаємної орієнтації обмоток. Розроблено спосіб визначення дійсного становища електричних осей обмоток та їх взаємної орієнтації. Спосіб визначення становища осі обмотки заснований на оцінці зміни розміру ЕРС, що збуджуються в обмотці обертовим магнітним полем, подовжня вісь якого нахилена на деякий кут відносно електричної осі обмотки. При цьому передбачається, що електрична вісь обмотки нахилена на деякий кут відносно її геометричної осі симетрії, становище котрої суворо задане опорним елементом, на якому ця обмотка розташована. Обмотку орієнтують у зовнішньому обертовому магнітному полі таким чином, щоб її геометрична вісь виявилася нахиленою відносно подовжньої осі обертового поля на фіксований кут , розмір якого має той же порядок, що і невідомий кут . Оцінка розміру і площина нахилу електричної осі обмотки визначаються по максимальному і мінімальному розмірам збудженої напруги при обертанні обмотки навколо власної геометричної осі симетрії:

Взаємна орієнтація обмоток провадиться також із використанням зовнішнього обертового магнітного поля і здійснюється шляхом вимірювання і регулювання фазового зсуву між напругами, збудженими у відповідних обмотках, при їх взаємному переміщенні.

Метод визначення поточних кутових координат ротора ДЕМТР передбачає введення в структуру статора трьох вимірювальних обмоток із взаємно ортогональними осями, які розташовуються в безпосередній близькості з обмотками управління. Оскільки існує трансформаторний зв'язок між силовими та інформаційними обмотками, а частота інформаційних сигналів співпадає з частотою напруги живлення обмоток управління, то для виділення сигналів, пропорційних кутовому стану ротора, потрібно виключити вплив трансформаторного зв'язку між обмотками. Ця проблема вирішена шляхом поділу інформаційних обмоток на секції, які розміщені таким чином, щоб зв'язки кожної секції з відповідною обмоткою управління були однаковими, а зв'язки з магнітним полем ротора відрізнялися. У цьому випадку досягається взаємна компенсація трансформованих ЕРС і формування різницевого сигналу, збудженого обертовим полем ротора. При зустрічному вмиканні секцій, результуюча напруга, що трансформується в них обмоткою управління, буде рівна нулю, а напруга, збуджувана обертовим магнітом, складе:

при цьому фазовий зсув між напругами в секціях відсутній, тобто

Розроблено спосіб дослідної ідентифікації перехресних зв'язків у зібраної ДЕМ, заснований на вимірі напруги ЕРС, що збуджується в обмотках керування під час примусового зворотно-коливального руху ротора при фіксованих кутах нахилу. Спосіб дозволяє одержати фактичний закон зміни внутрішніх перехресних зв'язків у ДЕМ, які можуть відрізнятися від теоретично гаданих. Результат одержують у вигляді функціональної залежності збудженої перехресної ЕРС або безпосередньо перехресного електромагнітного моменту від куту нахилу ротора.

У розділі 6 розглянуті питання практичної реалізації і застосування ДЕМ.

За сукупністю властивостей ДЕМ можуть бути об'єднані в такі функціональні групи:

1. Двокоординатні пристрої із двоступеневим ротором, що сканують.

2. Двокоординатні моментні пристрої з двоступеневим ротором.

3. Двокоординатні пристрої з триступеневим гіростабілізованим ротором.

4. Комбінація двокоординатного моментного пристрою і триступеневого ротора.

Першу групу складають пристрої, призначені головним чином для оглядово-пошукових систем, тепловізійних систем візуального спостереження в яких за принципом дії необхідно реалізувати сканування простору з високою швидкодією. При цьому можливо задавати практично будь-яку траєкторію руху вхідного пристрою по заздалегідь обумовленій програмі, або по програмі, що перебудовується, по одній або двом кутовим координатам.

Другу групу складають пристрої, призначені для систем різноманітного призначення, що стежать, (астросекстантів, антен спрямованої дії, випромінювачів), забезпечення наведення вхідного пристрою по командах цілевказівки, а також для просторової орієнтації об'єктів із значними моментами інерції.

У третю групу входять гіростабілізуючи пристрої, що коректуються по двом кутовим координатам, для координаторів цілі і вимірювачів кутових швидкостей та кутових координат рухомих об'єктів, та для малогабаритних візуальних пошукових систем із стабілізацією становища поля зору.

До четвертої групи можуть бути віднесені пристрої, по призначенню відповідні третій групі, а також моментні пристрої для незалежного керування об'єктами по трьох кутових координатах.

Завдяки високій економічності і можливості мініатюризації двокоординатного приводного пристрою, застосування ДЕМ найбільш ефективно в складі малогабаритних автономних рухливих об'єктів з обмеженими габаритами і ємністю бортових джерел енергозабезпечення, об'єктів космічного базування. При побудові двокоординатного приводу на базі ДЕМ у розроблювача виникають широкі можливості для синтезу оптимальних по тим або іншим критеріям систем, що не завжди можливо при використанні звичайних електромашин. Наприклад, за рахунок зміни кутового діапазону повороту ротора може змінюватись швидкодія або енергетичні характеристики і навпаки. Кожна конкретна задача побудови ДЕМ потребує, тому, урахування всіх наявних чинників і неординарного підходу при проектуванні. Деякі компонвочні рішення приведені на рис.4 - 7.

Досвід створення ДЭМ показує, що необхідність і ефективність їх використання пояснюється такими обставинами.

1. Застосування ДЕМ дозволяє покращити швидкодію електромеханічних приводних систем за рахунок підвищення електромагнітних моментів, приведених до одиниці потужності, що витрачається. Це забезпечується завдяки більш повному і раціональному використанню обсягів, що приділяються для приводного пристрою, у порівнянні з двохдвигуновою схемою побудови приводу.

2. Застосування однієї ДЕМ замість системи двох або трьох електромашин дозволяє побудувати приводний пристрій компактним і в мінімально досяжних габаритах, зменшити енергоспоживання і масу.

3. ДЕМ мають високу надійність, оскільки вони можуть виконуватись без застосування гнучких або ковзних струмопідводів. Завдяки цьому припускається також форсування режимів і одержання граничних параметрів: зусиль, щільності енергії, теплових навантажень.

4. Застосування ДЕМТР в купі з спеціальним підвісом ротора (магнітним, газостатичним, електростатичним) дозволяє одержати максимальну досяжну сьогодні швидкість обертання ротора при реалізації двокоординатних гіростабілізованих пристроїв або двокоординатних вимірювачів кутової швидкості об'єктів.

5. Застосування ДЕМ із гіростабілізованим ротором у якості гіроскопічного приводу замість гіросистеми з коригувальними давачами моменту дозволяє істотно знизити помилку виміру кутової швидкості при наявності кренової швидкості об'єкта, на якому вона встановлена.

Проведений порівняльний аналіз характеристик двокоординатних приводних систем, побудованих на основі ДЕМ і систем, побудованих по класичній схемі з двома приводними двигунами, показав, що при порівняних габаритах переваги ДЕМ виявляються в збільшенні до 7 разів зусиль, що створюються, та до 20 разів кутових прискорень при таких самих або зменшених енерговитратах.

У додатку наведено 5 актів впровадження результатів роботи.

ВИСНОВКИ

1. Наукове дослідження по темі даної дисертації проведено в інтересах подальшого розвитку областей техніки, пов'язаних із розробкою спеціальних систем локації, спостереження, наведення і супроводу рухливих об'єктів, що одержали поширення головним чином при створенні військової техніки.

2. У дисертації дістали подальшого розвитку клас і теорія електромеханічних перетворювачів енергії, ротор яких має декілька ступенів свободи обертання навколо нерухомого центру. Розроблено теоретичні положення, принципи побудови та базові технічні вирішення двокоординатних електричних машин з двоступеневим та триступеневим ротором.

Необхідність виконання роботи обумовлена сучасними вимогами якісного поліпшення таких тактико-технічних характеристик систем локації та слідкування, як швидкодія, точність, енергоспоживання, масогабаритні показники. Виконання вимог до характеристик в значній мірі залежить від властивостей виконавчих приводів, які призначені для просторового орієнтування вхідних пристроїв зазначених систем. Відомі класичні засоби, які побудовані на базі двох одностепеневих електродвигунів, вже не відповідають сучасним вимогам, оскільки їх можливості практично вичерпані і стримують подальший розвиток галузей спеціальної техніки. Тому було здійснено принципово новий підхід до побудови двокоординатних виконавчих пристроїв, заснований на застосуванні однієї спеціальної двокоординатної електричної машини з двома ступенями свободи обертання ротора, яка функціонально замінює систему з двох одностепеневих електричних машин, кінематично пов'язаних між собою. Відповідно до цього необхідно було розробити теорію та принципи побудови двокоординатних машин, методи та алгоритми їх оптимізації та розрахунку. Крім того, необхідно було також удосконалити теорію та розробити принципи підвищення точності раніш відомих електромашин з триступеневим ротором, які застосовуються в зазначених системах в якості стабілізаторів стану. Теорія таких машин в частині дослідження режиму прецесії розроблена ще недостатньо, а самі машини не відповідають сучасним вимогам по точності.

3. Розроблені теоретичні положення, принципи побудови та методики розрахунку є теоретичною базою для створення двокоординатних електричних машин із заданими характеристиками. Отримані математичні моделі ДЕМ дозволяють на етапі проектування визначити поведінку та параметри систем, що використовують ДЕМ, сформулювати закони управління інерційним навантаженням системи, визначити структуру електромашини.

4. Оптимізація, яка проведена по зусиллям та швидкодії, дозволяє створювати двокоординатні електричні машини з найвищими параметрами, або із заданими параметрами в найменших габаритах.

5. Розвинуто теорію раніш відомих електромашин із триступеневим ротором, що швидко обертається, в частині встановлення закономірностей та особливостей їх роботи в режимі прецесійного руху, що дозволяє висувати вимоги до ДЕМТР на стадії проектування, виходячи із точності системи в цілому.

6. Здійснений принципово новий підхід до створення режиму власного обертання ротора ДЕМТР, та пропонуємий принцип комбінування електромашин із дво- і триступеневим ротором, що дозволяє об'єднати переваги машин обох типів, дозволяють підвищити точність ДЕМ та поширити галузь їх застосування.

7. Науково обгрунтована можливість використання структури та закономірностей роботи двокоординатних машин для визначення їх поточних кутових координат. Це дає можливість позбавитись стандартних вимірювальних засобів і значно зменшити вагу і габарити систем, в яких застосовано ДЕМ.

8. На підставі вирішених наукових питань технології двокоординатних машин практично реалізовані технологічні пристрої, які забезпечують проектну точність роботи ДЕМ на стадії їх виробництва.

9. Розроблені базові структури ДЕМ придатні для їх практичного використання в зазначених галузях застосування в якості двокоординатних моментних та скануючих пристроїв, а також двокоординатних пристроїв із гіростабілізованим ротором.

10. Розрахунки та випробування двокоординатних електромашин виявили, що ДЕМ забезпечують якісне поліпшення найважливіших тактико-технічних характеристик систем спеціального призначення:

- підвищення швидкодії до 20 разів та зусиль, що створюються, до 7 разів при порівняних габаритах класичних двокоординатних пристроїв;

- зменшення масогабаритних показників та енергоспоживання до 5 разів при порівняних зусиллях класичних пристроїв.

11. Результати досліджень і розробок знайшли застосування в ряді науково-дослідних, проектних і промислових підприємств оборонних галузей