На правах рукописи
ЛОБОВ Борис Николаевич
Специальность 05.09.01. – Электромеханика и электрические аппараты
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
доктора технических наук
Новочеркасск – 2010
Работа выполнена на кафедре “Электрические и электронные аппараты” в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)” и кафедре “Электрические и электронные аппараты” в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Московский энергетический институт (Технический университет)”
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Розанов Юрий Константинович
доктор технических наук, профессор
Свинцов Геннадий Петрович
доктор технических наук, профессор
Пахомин Сергей Александрович
Ведущее предприятие: кафедра электрических машин и аппаратов ГОУ ВПО “Ростовский государственный университет путей сообщения”
Защита диссертации состоится 29 октября 2010 г. в 10 час. 00 мин. в ауд. 107
главного корпуса ЮРГТУ на заседании диссертационного совета Д.212.304.08
при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)” по адресу: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО “Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)”
Реферат разослан “____”___________ 2010 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Скубиенко С.В.
Д. 212.304.08
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность диссертационной работы. Перед исследователями и проектировщиками постоянно ставятся новые задачи по разработке электромагнитных аппаратов (ЭМА). При этом естественным является стремление получить возможно более надежную, обладающую высокими технико-эконо-мическими показателями конструкцию аппарата.
Возрастающая сложность указанных задач, большой объём проектных работ, определяет необходимость создания и использования систем автоматизированного проектирования ЭМА (САПР ЭМА).
В настоящее время в силу экономических причин прочное положение на рынке занимают универсальные САПР, пригодные для использования в различных отраслях производства. Они охватывают общие, ключевые направления конструирования, подготовки и выпуска чертежно-конструкторской документации любого профиля, технологической подготовки производства, решают другие проблемы. Существует также ряд пакетов программ, предназначенных для выполнения конкретных проектных работ, например, расчёта электромагнитных и температурных полей.
Основными недостатками таких систем и пакетов является их чрезвычайная громоздкость и высокая стоимость - для проектирования конкретного аппарата необходимо собрать и объединить несколько различных систем, решить проблему их информационной стыковки. С помощью существующих систем трудно моделировать сложные конструктивные узлы ЭМА, например, контактные и дугогасительные системы; для оптимального и системного проектирования необходима разработка дополнительного программного обеспечения.
Основная задача, решаемая при создании САПР - это разработка новых и совершенствование существующих математических моделей. Это модели, которые разработаны либо для новых типов ЭМА, например, электромагнитов систем магнитного подвеса, электромагнитых захватов корпусосборочных устройств, либо позволяющие анализировать такие процессы в известных ЭМА, которые раньше учитывались упрощенно или вообще не учитывались. Например, распределение магнитного поля и потерь энергии в стальных пластинах шихтованного магнитопровода электромагнитов переменного тока, сложные условия охлаждения.
Одним из главных узлов ЭМА является электромагнитный привод. Электромагниты применяются и как самостоятельные устройства, используемые в качестве тормозных, грузоподъемных, корпусосборочных и вентильных устройств, систем магнитного подвеса и т.д. Разработка новых электромагнитных приводов (как и ЭМА) требует больших затрат дефицитных и дорогостоящих магнитных, проводниковых и изоляционных материалов. Вместе с тем многие из существующих приводов, например, использующиеся на электроподвижном составе и в электромагнитных вентилях, не соответствуют современному уровню материалоемкости, экономичности и надежности.
Сказанное определяет необходимость разработки методов оптимального автоматизированного проектирования, установление соотношений геометрических размеров, обмоточных данных, магнитных параметров, определяющих выбор наилучшего варианта по заданным критериям оптимальности и техническим условиям.
Особенно актуальным представляется проектирование и оптимизация конструкции таких механизмов по заданным статическим и динамическим характеристикам, поскольку именно они определяют условия и режимы работы, а, следовательно, и все выходные показатели ЭМА (надежность и долговечность, экономический эффект и т.д.).
Задача сравнения и выбора конструкций основных узлов ЭМА, его кинематической схемы может рассматриваться как вполне самостоятельная. В современной литературе содержатся несистематизированные, фрагментарные сведения по этому вопросу. Множество критериев и множество альтернативных вариантов выбора приводит к необходимости постановки и решения так называемой дискретной задачи векторной оптимизации. Анализ математических методов, которые можно использовать для решения подобных задач показывает, что даже наиболее приемлемый из них – метод многокритериальной оптимизации “Электра” нуждается в серьезной доработке, например, в плане уменьшения присутствующего в нем субъективного фактора.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание научно-практических основ автоматизированного проектирования оптимальных ЭМА путем обобщения и развития существующих и разработки новых эффективных методов математического моделирования, комплекса алгоритмов и программ, объединённых в САПР ЭМА. Это должно привести к сокращению сроков проектирования и повысить технико-экономические показатели ЭМА.
Поставленная цель достигается путём решения следующих задач:
– Разработка и применение универсальной математической модели для выполнения проектных оптимизационных расчетов различных электромагнитов с заданными статическими параметрами и характеристиками.
– Разработка и применение модернизированных математических моделей для выполнения проектных оптимизационных расчетов электромагнитов с заданными динамическими характеристиками.
– Разработка и реализация модифицированных математических моделей для выполнения поверочных электромагнитных расчетов.
– Разработка и реализация модифицированных математических моделей для выполнения поверочных тепловых расчетов на основе теории цепей в одно- и многомерной постановке задачи.
– Разработка и применение экспресс-метода математического моделирования нестационарных магнитных полей и динамических характеристик электромагнитов на базе метода конечных элементов (МКЭ).
– Разработка и реализация модифицированных математических моделей для выполнения поверочных тепловых расчетов электромагнитов на базе МКЭ.
– Разработка и реализация математических моделей для расчета механических характеристик, параметров токоведущего контура, оптимальных параметров щелевой дугогасительной камеры с магнитным дутьем.
– Разработка и применение метода многокритериальной оптимизации, минимизирующего влияние субъективного фактора при решении задач выбора.
– Создание базы данных для автоматизированного выбора конструкций и материалов основных узлов ЭМА.
– Создание САПР низковольтных электромагнитных аппаратов низкого напряжения.
– Определение оптимальных параметров и характеристик электромагнитов подвеса, клапанных, П- и Ш-образных электромагнитов контакторов и реле электровозов, электромагнитных вентилей, быстродействующих переключателей питания, корпусосборочных устройств.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
– Разработана универсальная математическая модель для выполнения проектных оптимизационных расчетов, учитывающая нелинейность магнитной цепи, возможность смещения якоря относительно сердечника в горизонтальной плоскости, влияние на один из 8-ми заданных критериев оптимальности соотношений геометрических размеров, материалов магнитопровода и обмотки 12-ти типов электромагнитов постоянного и переменного тока с заданными статическими параметрами и характеристиками. Она не ограничена по диапазону изменения соотношений геометрических размеров и позволяет дать количественную оценку каждому типу электромагнита при необходимости сравнения их друг с другом.
– Разработаны универсальные математические модели для выполнения проектных оптимизационных расчетов большинства известных типов электромагнитов постоянного и переменного тока с заданными динамическими параметрами и характеристиками.
Отличительной особенностью данных моделей является учет вибрации якоря при включении, зависимости динамических характеристик от фазы включения (на переменном токе), возможность определения оптимального типа электромагнита, реализующего заданные динамические характеристики.