Методы, модели и алгоритмы автоматизированного проектирования оптимальных электромагнитных аппаратов (стр. 7 из 10)
Проверка результатов расчёта по предложенной модели показала, что расхождение с экспериментом не превышает 6%. Предложенный алгоритм позволяет рассчитать температурное поле электромагнитов, а, следовательно, и важную характеристику – максимальную температуру с учетом зависимостей коэффициентов теплопроводности, теплоотдачи и плотности источников тепла от температуры.
При расчете плоскопараллельных нестационарных температурных полей МКЭ решается общее дифференциальное уравнение теплопроводности
(7)с граничными условиями для конвективного теплообмена
либо с граничными условиями для теплонепроницаемой границы
(8)
Решение уравнения (7) эквивалентно отысканию минимума энергетического функционала:
Индексы V и S в операциях интегрирования обозначают интегрирование по объему и внешней поверхности расчетной области. Следует отметить, что граничные условия вида (8) при использовании метода конечных элементов учитываются автоматически.
Тестирование разработанного алгоритма проводилось при решении задач для тел с простыми геометрическими формами и идеальными условиями теплоотдачи (формула Ньютона-Рихмана), а также на известных, подтвержденных экспериментально, исследованиях.
Зависимость времени нагрева до допустимой температуры от величины F , полученная по вышеназванным зависимостям, приведена на рис. 20.
 | Рис.20 – Зависимость времени нагрева до допустимой температуры от величины МДС обмотки |
Глава 4. Алгоритмы автоматизированного проектирования основных узлов электромагнитных аппаратов (ЭМА).
ЭМА можно представить в виде взаимодействующих узлов (механизмов) исполнительного, передаточного и приводного. В качестве исполнительного выступают главные и блокировочные контакты, токоведущий контур и дугогасительное устройство. Передаточный механизм представляется в виде совокупности рычагов, опор, осей, защелок, пружин и др. Приводным механизмом является электромагнит.
При проектировании ЭМА выполняются информационно-поисковые, расчетные и чертежные (графические) работы. Первые определяют возможность разработки нового или модернизации существующего аппарата в соответствии с требованиями технического задания (ТЗ). Здесь осуществляется поиск прототипа, проверка на патентную чистоту и патентоспособность.
Расчеты, выполняемые при проектировании ЭМА, удобно разделить на проектные, позволяющие по данным ТЗ получить основные массогабаритные и другие параметры оптимальной конструкции, и поверочные, подтверждающие соответствие характеристик этой конструкции, заданными в ТЗ. С
помощью чертежных работ изготавливается главная часть конструкторской документации: чертежи деталей, узлов и аппарата в целом. Таким образом, процесс проектирования ЭМА можно представить в виде структурной схемы (рис. 20). Машинная реализация приведенного процесса возможна в виде в виде различных маршрутов проектирования.
Возможные маршруты проектирования ЭМА выбираются в зависимости от требований технического задания, характеристик используемых математических моделей, опыта и интуиции проектировщика.
В диссертационной работе впервые в практике аппаратостроения выполнена систематизация конструкций и материалов, применяемых при проектиро-
 |
Рис. 20 - Укрупненная структура процесса проектирования электромагнитного аппарата
вании ЭМА, по типам (видам) и условиям применения. Проведено ранжирование каждого типа (вида) по критериям оптимальности и показателям, определяющим их условия применения. Таким образом, создана информационная часть (база данных) подсистемы выбора конструкций и материалов САПР ЭМА. Составлены пять информационных массивов, объединяющих условия и критерии оценки с конструкциями основных узлов ЭМА, видами материалов и схем:
1. Материалы коммутирующих контактов (45 материалов и 14 параметров оценки).
2. Конструкции коммутирующих контактов (14 конструкций и 7 параметров оценки).
3. Конструкции дугогасительных систем (29 конструкций и 8 параметров оценки).
4. Конструкции (типы) электромагнитных приводов (21 тип и 15 параметров оценки).
5. Кинематические схемы ЭА (18 схем и 14 параметров оценки).
Условия и критерии оценки (хотя последние и в меньшей степени) определяются заданием на проектирование ЭМА.
В качестве примера рассмотрим содержание одного из указанных выше информационных массивов – кинематические схемы ЭМА.
Большое количество типов коммутационных ЭМА, их отличие по роду и величине тока, числу и виду коммутирующих контактов, по условиям эксплуатации обуславливает наличие различных кинематических схем.
Анализ литературных данных позволяет выделить 18 основных типов кинематических схем (рис. 21). Их можно разделить на две группы: с жесткой связью якоря с подвижными контактами и без жёсткой связи. Первая группа в свою очередь делится на механизмы с поворотными звеньями – это односторонние двухзвенные (схемы 1-3), двухсторонние двухзвенные (схемы 3,4) и с прямоходовыми звеньями – горизонтальные (схемы 6,7), вертикальные (схемы 8-11). Вторую группу составляют схемы:
 Рис. 22 - Кинематические схемы ЭМА | 12 – горизонтально движущиеся контакты и якорь, соединённые поворотным рычагом; 13 – горизонтально движущиеся контакты и вертикально движущийся якорь, соединённые поворотным рычагом; 14 – горизонтально движущиеся контакты и вертикально движущийся поворотный якорь; 15 – вертикально движущиеся контакты и горизонтально движущийся поворотный якорь; 16 – верти- кально движущиеся контакты и горизонтально движущийся якорь, соединённые поворотным рычагом; 17 – вертикально движущиеся контакты и в вертикальной плоскости движущийся поворотный якорь; 18 – пальцевые контакты, движущиеся в вертикальной плоскости и горизонтально движущийся прямоходовой якорь. |
Выбор типа кинематической схемы зависит в основном от назначения (типа) аппарата и его электромагнитного привода, долговечности, занимаемой площади на панели или щите, габаритов и стоимости аппарата, простоты его обслуживания и регулировки, возможности создания типоисполнений, износа рабочих поверхностей якоря и сердечника, наличия или отсутствия вибрации контактов при включении. Каждая схема оценена по сравнению с другими одновременно по всем или некоторым из приведенных выше показателей весовыми коэффициентами важности (бальными оценками).
Результаты таких оценок представлены в таблице, где в качестве столбцов выступают типы кинематических схем, с нумерацией, соответствующей схемам (рис. 21), а в качестве строк – параметры, определяющие выбор той или иной схемы. Таким образом, каждая из кинематических схем оценивается определённым комплексом балов (один по каждому показателю) – векторной оценкой.
Математические модели для расчёта основных параметров исполнительных и передаточного механизмов составлены путём обобщения и развития результатов работ Брона О.Б., Буткевича Г.В., Витенберга М.И., Залесского А.М., Долинского В.В., Ступеля Ф.А., Таева И.С., Хольма Р.Э.
Впервые разработана универсальная математическая модель для автоматизированного расчета статических характеристик противодействующих сил наиболее распространенных типов ЭМА, учитывающая главные механические усилия, действующие в ЭМА, соотношения их плеч, конфигурацию кинематической схемы и расположение в пространстве её звеньев.
Разработан машинный алгоритм расчета параметров токоведущих контуров ЭМА. С целью повышения точности расчета алгоритм включает в себя этапы проектного расчета, выполняемого по традиционным эмпирическим выражениям, и поверочного расчета, когда решается система дифференциальных уравнений теплопроводности и определяется распределение температуры, например, по контуру (рис.22).
Искомые значения температур θ участков контура определяются при решении системы дифференциальных уравнений стационарной теплопроводности. Для
участка такое уравнение имеет вид 
где
- координата, вдоль которой осуществляется перенос тепла за счет теплопроводности; Ктi – коэффициент теплоотдачи участка, учитывающий теплоотдачу конвекцией и излучением, а также взаимное влияние участков; λi, ρoi, αi – удельная теплопроводность, удельное сопротивление про 0оС и температурный коэффициент сопротивления материала участка; рi, Si – периметр и площадь сечения участка.