Материал: 1564

Министерство образования и науки российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)

Утверждаю Зав. отделением каф. ЮНЕСКО

__________________ Ю.М. Осипов

"_____"__________________ 2012 г.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

ДВИЖЕНИЯ

Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Методика проектирования электромехатронных систем

движения» для магистрантов 6 курса, обучающихся по направлению 221000.68 "Мехатроника и робототехника" по магистерской программе "Проектирование и исследование мультикоординатных электромехатронных систем движения"

Томск 2012

УДК 621.396.6.671.7

Проектирование электромехатронных систем движения: методические указания к лабораторным занятиямпо дисциплине «Методика проектирования электромехатронных систем движения» для магистрантов 6 курса, обучающихся по направлению 221000.68 "Мехатроника и робототехника" по магистерской программе "Проектирование и исследование мультикоординатных электромехатронных систем движения".

– Томск: Изд-во ТУСУР, 2012. – 47 с.

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром отделения кафедры ЮНЕСКО

«27 » марта 2012 г.

Рецензент

Кандидат технических наук, доцент кафедры МИГ ЮТИ ТПУ

И.Ф. Боровиков

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА1 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ СЕГМЕНТНЫХ

ЭЛЕКТРОМЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С СОЛНЕЧНЫМИ БАТАРЕЯМИ

1.1. Цель и задачи работы

Цель работы состоит в теоретическом обосновании, разработке конструкции и технологии сборки, сегментных электромехатронных модулей движения (СЭМД) большого диаметра для оригинального двухкоординатногоэлектромеханизма с безредукторным электроприводами.

Основные задачи.

1.Разработать конструкторскую документацию СЭМД большого диаметра, обеспечивающего:

- малые скорости углового перемещения, порядка 0,17 ÷ 0,5 град/мин; - значительных колебаний момента от ветровой нагрузки, так как размеры

солнечных батарей, порядка 1600 х 1600 мм и более.

2.Разработать технологию сборки СЭМД большого диаметра для обеспечения максимального вращающего момента.

Наиболее существенные результаты, содержащие научную новизну, состоят в следующем.

1.Мехатронная технология встраивания безредукторных электроприводов на базе сегментных электродвигателей большого диаметра, обеспечивающих повышенный момент вращения, в двухкоординатныйэлектромеханизм манипулирования солнечной батареи (СБ) относительно положения Солнца по азимуту и углу места (разработана подсистема автоматизации проектирования СЭМД для САПР SolidWorks).

2. Способ обеспечения максимального вращающего момента безредукторных электроприводов согласованием положения индукторов электромагнитной системы СЭМД друг относительно друга (получен патент РФ № 2353044).

1.2. Теоретическая часть

Как показывают исследования научно-технической и патентной литературы разработчики постоянно совершенствуют элементы и методы преобразования солнечной энергии в электрическую, конструкции СБ и устройств рационального их расположения и ориентации по отношению к Солнцу. Состояние исследований и разработок устройств манипулирования СБ, приведенный список использованных в исследовании источников [1-6], в которых описаны редукторные электроприводы устройств манипулирования СБ, позволяет сказать, что предлагаемый проект с безредукторным электроприводом манипулирования СБ обладает новизной и промышленной полезностью. Технические решения автономной электростанции с ориентированными СБ, разработанные в проекте, патентоспособные и впоследствии будут патентоваться.

Конструкторская разработка двухкоординатного электромеханизма ориентации СБ.

Ориентация СБ относительно положения Солнца по азимуту и углу места осуществляется с помощью двухкоординатного электромеханизма на основе СЭМД.

Особенности перемещения СБ:

1) малые скорости углового перемещения, порядка 0,17 ÷ 0,5 град/мин.

Рациональнее выполнять безредукторным электроприводом на основе СЭМД большого диаметра с управлением от электронного «редуктора», обеспечивающего скорости вращения от «ползучей» до 360 град/сек;

2)значительные колебания момента от ветровой нагрузки, так как размеры СБ, порядка 1600 х 1600 мм и более.

Переменный момент сопротивления безредукторный электропривод на основе СЭМД большого диаметра обеспечивает не хуже, чем электропривод с механическим редуктором. Значительный момент обеспечивается большим диаметром электромагнитной системы (движущий момент электродвигателя – электромагнитное тяговое усилие в воздушном зазоре, умноженное на радиус ротора);

3)энергопотребление электроприводов от СБ должно быть минимальным, чтобы максимальная доля выработанной электроэнергии передавалась внешним потребителям,

это возможно за счет применения старт-стопного управления безредукторными электроприводами на основе СЭМД большого диаметра

Рисунок двухкоординатного электромеханизма представлен в Приложении 1.

Конструкторская разработка сегментного электромехатронного модуля движения. СЭМД представляет собой дуговые сегментные индукторы с трехфазной обмоткой, соединенные подвижно посредством втулки с шарикоподшипниками с круговым ротором, выполненным из магнитомягкого материала с постоянными магнитами, оси, намагниченности которых ориентированы перпендикулярно круговым поверхностям ротора, а направления намагниченности чередуются. На роторе смонтирована лента магнитного датчика положения, корпус которого закреплен неподвижно на индукторе. Сборочный чертеж СЭМД представлен в Приложении 2.

На основе СЭМД возможно [7]:

1)создание многокоординатных систем, позволяющих совершать сложные пространственные манипуляции инструментом или изделием, в нашем случае СБ;

2)получение высоких технико-эксплуатационно-экономических характеристик (ТЭЭХ): модульность и компактность конструкции, малые веса; точность и повторяемость перемещений; надежность из-за отсутствия редукторов; стоимость изготовления и покупки комплектующих.

Методика расчета магнитной проницаемости зазора электро-магнитной системы СЭМД. Одной из наиболее сложных задач при проектировании электроприводов прямого действия и анализе их работы является определение магнитной проводимости зазора между статором и ротором при их различных взаимных положениях. Зависимость магнитной проводимости от взаимного смещения статор-ротор определяет усилие в двигателях [8].

Разработана методика расчета, включающая универсальный алгоритм и программное обеспечение для энергоактивного и энергопассивного вариантов дуговых магнитопроводов позволяющая проектировать оптимальные конфигурации электромагнитной системы. Для электропривода прямого действия разработка оптимальной электромагнитной системы имеет особо важное значение из-за отсутствия редукторов, а следовательно повышенным требованиям к точности отработки управляющих сигналов и силомоментным характеристикам.

Рассмотрим конфигурацию магнитной системы СЭМД с энергопассивным дуговым магнитопроводом (рис. 1.), состоящую из реактивного дугового ротора 1 и дугового индуктора 2 (в целях упрощения показаны прямолинейными).

Входными параметрами для расчета магнитной проводимости воздушного зазора такой системы являются [8, 9]:

–величина воздушного зазора статор-ротор;

l – период электромагнитной системы;

h – относительная ширина впадины гребенчатой поверхности дугового ротора;

b – относительная величина впадины гребенчатой поверхности дугового индуктора;

– относительное смещение ротор-статор (на рис.1. =0, т.е. полюс индуктора находится строго напротив полюса ротора).

В случае энергопассивного ротора, при значениях b и h, лежащих в определенном диапазоне, можно пренебречь потоками рассеяния и считать, что магнитный поток Ф замыкается по пути, указанному на рис.1 стрелкой.

Примем магнитный потенциал ψ на поверхности индуктора равным 0, а на поверх-

ности ротора ψ0 = 0.8Fδ. Введем безразмерную функцию U = ψ/ψ0, тогда Uиндуктора= 0, Uротора=1. Если обозначить l – период электромагнитной системы, то имеем:

Рис. 1.1. Конфигурация магнитной системы СЭМД с энергопассивным магнитопроводом и путь замыкания магнитного потока.

Рассмотрим плоскую задачу изменения проводимости на единицу ширины полюса. Плоские потенциальные поля описываются уравнением Лапласа:

Энергия магнитного поля:

где μ0 – магнитная проницаемость воздушного зазора; H – напряженность магнитного поля; V – объем воздушного зазора.

Удельная энергия магнитного поля на единицу ширины полюса:

Удельная магнитная проводимость, приведенная к μ0: