РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЙ МАГНІТОЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ НОВОГО ПОКОЛІННЯ
Удосконалюючи конструкції магнітоелектричних перетворювачів (МЕП), основну увагу слід звернути на можливість збільшення електромагнітного моменту при зменшенні потужності вхідного сигналу керування, габаритних розмірів та маси перетворювача.
Ці показники МЕП багато у чому визначаються топологією структури їхнього магнітного кола, можливі різновиди якого розглянуто далі з метою вибору найбільш перспективної конструкції, яка б дозволяла подальшу її мініатюризацію і була б адаптивною до застосування сучасних постійних магнітів рідкісноземельної групи.
2.1. Обґрунтування вибору геометричних примітивів
Стосовно топології просторових контурів протікання магнітних потоків по магнітопровідних активних та пасивних елементах та контурів протікання струмів керування структуру магнітного кола ЕМП можна розглядати як періодичну структуру електромеханічної системи невисокого рівня ієрархії. Формалізація процесу структурного синтезу електромеханічних перетворювачів нетрадиційного конструктивного виконання здійснюється за допомогою процедур генерації альтернативних варіантів їхніх структур на базі вибраного геометричного примітива.
За вихідні дані доцільно прийняти лише геометричну інформацію, що характеризує суттєві електромеханічні та просторові ознаки базового об'єкта з врахуванням обмежень на область існування можливих варіантів структур. Пошук останніх здійснюється застосуванням групи функцій геометричних перетворень над геометричним примітивом [26]. Щодо конструкцій ЕМП, то досить обмежитися групою симетричних перетворень, яка включає паралельний перенос, кутовий поворот та трансляцію.
Принцип дії поляризованих МЕП базується на взаємодії потоку поляризації Фm , створюваного магніторушійною силою Fm ПМ, та потоку керування Фk, створюваного магніторушійною силою Fk обмотки керування (ОК). Указані потоки протікають по частково спільних магнітних колах. У залежності від характеру переміщення активної частини якоря відносно магнітного потоку у робочому повітряному проміжку конструкції МЕП поділяють на дві групи [21,28]. До конструкцій 1-го типу відносяться МЕП, якір яких переважно рухається у напрямку нормальному до вектора індукції магнітного поля, а до конструкцій 2-го типу - МЕП, якір яких переміщується в основному вздовж вектора індукції. У відповідності з цим і врахуванням збереження генетичного коду первинних джерел поля [28] за геометричні примітиви і можна прийняти їхні графічні образи, показані на рис.2.1, де позначено: 1 - ПМ; 2 - полюсні наконечники (ПН); 3 - магнітопроводи потоку Фk ; 4 - якір; 5 - ОК.
Рис. 2.1. Геометричні примітиви x1 і x2
Суцільними кривими показано шляхи протікання потоку Фm , а штриховими - потоку Фk. Фізично ОК може бути розташована або на якорі, як показано на рис.2.1, або ж на магнітопроводах 3, що з точки зору топології її магнітного кола значення не має. Що ж до взаємного розташування ПМ та ОК альтернативними варіантами примітива можна вважати графічні образи та , показані на рис.2.2, де прийняті ті ж позначення, що й на рис.2.1. Природно, що існують альтернативні варіанти примітива ( та ) аналогічні примітивам та .
Рис. 2.2. Геометричні примітиви x1? і x1?,
альтернативні примітиву x1
Таким чином, ми ввели шість варіантів примітива структури магнітного кола МЕП, які можна використати для синтезу множини їхніх хромосом.
Спільними для всіх варіантів є не тільки принцип дії, але й заступна магнітна схема, яка без врахування провідностей магнітопроводів кола підмагнічування може бути зведена до мостової схеми, показаної на рис.2.3, де позначено та - еквівалентні магніторушійні сили ПМ та ОК з урахуванням магнітних провідностей їхніх потоків розсіяння; ?m та ?c - еквівалентні магнітні провідності гілки підмагнічування ПМ та осердя ОК також із урахуванням провідностей потоків розсіяння; ?x та ?y - магнітні провідності робочого повітряного проміжку зі сторони набігаючого та збігаючого країв якоря відповідно.
При здавалось би наочній подібності геометричних примітивів та їхня відмінність проявляється у характері статичних моментних характеристик (рис.2.4), які у першому наближенні описуються рівнянням [21]
, (2.1)
де ? - кут повороту якоря;
k=f(?c, ?m, ?x, ?=0 , ?y, ?=0 ) ? коефіцієнт пропорційності.
Рис. 2.3. Магнітна заступна схема примітивів
Рис. 2.4. Загальний вигляд механічних характеристик МЕП 1-го та 2-го типів
Механічна характеристика МЕП 1-го типу має від'ємний нахил до осі абсцис і характеризується внутрішньою від'ємною жорсткістю "магнітної пружини", за рахунок чого і забезпечується стійкість якоря у його нейтральному положенні без механічної пружини, хоча застосування останньої не виключається, але вже як допоміжного елемента для юстування параметрів гідропідсилювача. Аналогічна характеристика МЕП 2-го типу характеризується додатнім нахилом до осі абсцис, а відтак його якір у нейтральному положенні має нестійку рівновагу. Для забезпечення роботи пропорційним перетворювачем у склад МЕП цього типу повинна входити механічна пружина з жорсткістю більшою від величини магнітної жорсткості.
2.2. МЕП традиційного конструктивного виконання
Наявність на початок 70-их років обширної номенклатури магнітних систем поляризованого мостового та диференціального типів [2,21], а також характеристики ПМ, що широко використовувались на той час у промисловості, типу alnico, (ЮНДК24, ..., ЮНДК35) [29], які забезпечують оптимальне використання матеріалу при відношенні гідравлічного діаметра їхньої форми d до довжини вздовж осі намагніченості d/l < 1, разом із складом обмежень на область синтезу зумовили генерацію структур МЕП на базі примітивів та , які зображено на рис.2.5 та рис.2.6.
На рис.2.5 показана конструкція сучасного МЕП типу МП-220, яку можна розглядати як отриману шляхом повороту