Электромеханических устройств и систем

Характеристика этапов проектирования

Знакомство с алгоритмами и программами поверочного расчёта и поисковой оптимизации ЭМУС целесообразно провести на примере гироскопических электродвигателей (ГД).

ГД, как и большинство других ЭМУС, представляет собой объект проектирования с известной структурой, но заранее неизвестной элементной базой. Задачи проектирования ГД т рудноформализуемые, так как они только частично поддаются формализации. Проектные решения в данном случае получаются при взаимодействии человека и ЭВМ. По программе на ЭВМ проводится расчёт, человек задаёт входные данные, оценивает полученные результаты и определяет действия, выполняемые ЭВМ.

Подход к решению задач оптимизации во-многом определяется особенностями математических моделей объектов проектирования, а также выражений, представляющих ограничения. В настоящем курсе лекций рассматриваются поисковые методы оптимизации или методы поиска. Различные методы поиска отличаются способами задания изображающих точек в пространстве параметров и условиями окончания поиска.

Предварительно необходимо определить место поверочного расчёта в процессе проектирования ЭМУС. Под проектированием понимают разработку объекта по составленному техническому заданию (ТЗ). ТЗ определяет назначение объекта, его основные технико-экономические показатели. Проектирование большинства ЭМУС, в том числе ГД, – это сложный трудоёмкий про­цесс, требующий учёта большого количества факторов, от которых зависят технико-экономические показатели ЭМУС, технологичность изго­товления, эксплуатационные свойства и надёжность в работе.

Можно выделить два условно обособленных этапа проектирования:

1) Этап проектного расчёта по разработке нового изделия. Он включает в себя следующие подэтапы:

– анализ ТЗ;

– знакомство с требованиями стандартизации и унификации для данного класса объектов;

– знакомство с материалами и имеющимися на них государственными и отраслевыми стандартами (ГОСТ, ОСТ);

– изучение технологических процессов изготовления ЭМУС, их отдельных элементов и компонентов, требо­ваний и ограничений;

– выбор конструкции, материалов;

– расчёт основных размеров и обмоточных данных.

2) Этап поверочного расчёта по обеспечению требова­ний ТЗ и оценке качества проектируемого объекта. Для получения оп­тимального варианта разрабатываемого объекта на основе первого и второго этапов целесообразна организация итеративного цикла с коррекцией ре­шений, принимаемых на первом этапе, после анализа результатов второго этапа.

Важный этап предварительного проектирования ЭМУС – установление габаритных размеров ЭМУС. Для рассматриваемого ЭМУС – ГД – основная область применения – приборные электромеханические системы. ГД встраивается в прибор, и его габаритные размеры определяются размерами отведённого под него цилиндрического прост­ранства диаметром D _н и длиной L_s. Обеспечение требуемых характеристик ГД зависит от рационального распределения объёма под статор и ротор. D _н определяет для двигателей обращённого исполнения (статор размещается внутри ротора) (ОИ) наружный диаметр ротора D_r = D _н, а при нормальном исполнении (ротор внутри статора) (НИ) – наружный диаметр статора D_s = D _н. Размер L_s включает полную длину магнитопровода статора с обмоткой. Иногда задают некоторые другие размеры, ограничивающие размещение ГД, напри­мер, внутренний диаметр D _в или диаметр D _л, ограничивающий при НИ сверху, а при ОИ – снизу пространство для вылета лобовой части обмотки. Для наиболее распространенных в приборных электромеханических системах ГД D _н=1.2¸10 см, L_s / D _н=0.55¸0.75, D _в/ D _н=0.2¸0.3.

Программа поверочного расчёта служит основой для всех программ оптимизации, так как она реализует на ЭВМ модель проектируемого объекта – прецизионного гироскопического электродвигателя (ГД). Фактически, при использовании любого метода оптимизации производятся многократные обращения к программе поверочного расчёта для нахождения рабочих показателей и характеристик ГД при определенных сочетаниях его параметров. Программа поверочного расчёта базируется на обобщённой модели асинхронного электродвигателя, учитывающей высшие гармоники магнитного поля, несинусоидальность и несимметрию питании, и реализована в виде исполняемого файла для операционной системы Windows.

Исходными данными для поверочного расчёта являются параметры ГД, которые можно сгруппировать следующим образом:

1) Геометрические параметры ГД.

2) Размерные соотношения в ГД.

3) Параметры электропитания и нагрузки на валу ГД.

4) Обмоточные данные статора и ротора.

5) Параметры материалов статора и ротора.

После завершения расчёта программа записывает в файл исходные данные и результаты расчёта и выдаёт рабочие показатели ГД в табличной форме и основные рабочие характеристики ГД в графической форме.