Способ управления магнитной опорой и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к подвешиванию тел в магнитном поле. Цель изобретения - снижение энергопотребления магнитной опоры при изменении постоянной составляющей силы внешнего воздействия в широком диапазоне. Осуществляют импульсное изменение тока в обмотке в виде последовательности импульсов при величине управляющего сигнала, превышающей заданную. Полярность импульсов тока соответствует направлению изменения управляющего сигнала, а их амплитуда - величине этого сигнала. Магнитопровод опоры содержит элемент, выполненный из магнитотвердого докритического материала. В систему управления введен формирователь импульса тока, вход которого соединен с датчиком тока в цепи обмотки управления, а выход - с управляющим входом усилителя мощности системы управления током, выход которого подключен к обмотке управления. При отклонении контролируемого тока в обмотке управления за пределы заданной границы формирователь импульса тока импульсно изменяет магнитное состояние магнитопровода. Импульсное воздействие обеспечивается формирователем импульса тока до тех пор, пока не контролируемый ток в обмотке управления не достигнет заданного диапазона. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (5g) 5 Г 16 С 32/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4312189/31-27 (22) 02. 10. 87 (46) 75.77.90. Бюп. К - 42 (77) :(основский энергетический инсти: y(72) А.A: Карлов и В,.А, Трегубов (53) 621.822„ (088„8) (56) аликян Г.С. и Up, Исследования моделей управляемьс; постоянных магнитов; ЕЕзв, высш,учеб.загедений. Электре)(ехани)(а". 1979, Р 17, с. 70277 028. (54) (,ПОСОБ УПРАВпЕЕ(ИЯ МАГНИТНОЙ ОПОРОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЕЦЕСТВЛЕЕЕИЯ (57) Изобретение относится к машиностроению, а именно к подвешиванию тел в магнитном поле. Цель изобретения— снижение энергопотребления магнитной опоры при изменении пос-.îÿííîé составляющей силы внешнего воздействия в .широком диапазоне. Осуществляют им пульсное изменение тока в обмотке в ! виде последовательности импульсов при

Изобретение относится к машиностроению и приборостроению, а именно к. технике подвеса различных тел в управ ляемом магнитном поле, и может найти применение, например, при подвесе ро-, торов в магнитных опорах, магнитном

;поднес:. высокоскоростного транспорта и т.п.Целью -.об эе ения является снижение энергопстребпения магнитной опоры, при ноз,,ейстнип пцэеменных квазистатн "еских нагр-; и к.

1606770 А 1

2 величине управляющего сигнала, превышающей заданную. Полярность импульсов тока соответствует направлению изменения управляющего сигнала, а их амплитуда — величина этого сигнала. Магнитопровод опоры содержит элемент, выполненный из магнитотвердого докритического материала. В систему управления введен формирователь импульса тока, вход которого соединен с датчиком тока в цепи обмотки управления, а вьгход — с управляющим входом усилителя мощности системы управления током, выход которого подключен к обмотке управления. При отклонении контролируемого тока в обмотке управления за пределы заданной границы формирователь иж ульса тока импульсно изменяет магнитное состояние магнитопровода. Импульсное воздействие обеспечивается формирователем импульса тока до тех пор, пока не контролируемый ток в обмотке управления не достигнет заданного диапазона. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

На фиг. 1 представлена схема .меха- нической части магнитной опоры с общей обмоткой управления; на фиг.2— структурная схема формирователя импульсов тока; на фиг. 3 — пример выполнения усилителя мощности при совмещении непрерывного и импульсного уп- 1 равления на одной обмотке; на фиг.4 форма сигналов на выходе различных элементов формирователя импульсов тока; на фиг. 5 — процесс изменения намагниченности магнитотвердого мате1606770 ю риала; на фиг. 6 — квазистатический процесс управления при медленном изменении внешней силы.

Магнитная опора (фиг. 1) .содержит неподвижный магнитопровод из магнитомягкого материала 1, магнитопровод

2, часть 3 которого выполнена из магнитотвердого материала, подвижный магнитопровод — из магнитомягкого 10 материала 4, подвешиваемое тело 5, обмотку 6 управления, релейный элемент (РЭ) 7, фильтр 8 нижних частот (ФНЧ), датчик 9 тока, выпрямитель 10, управляемый генератор 11 пилообраз- 15 ного напряжения (УГ ПН), неуправляемьп генератор 12 пилообразного напряжения (НГПН), компаратор 13, логические элементы (ЛЭ) И 14 и 15, усилитель 16 мощности, логические элемен,ты (ЛЭ) ИЛИ 17 и 18, инвертор 19, четыре управляемых ключа VT20 VT23 дополнительный управляемый ключ VT24 импульсного режима питания обмотки уп равления, диоды обратного тока 25

VD25... VD29, диод VDÇO, конденсатор

С 31 и основной блок 32 управления.

Магнитное состояние постоянного магнита характеризуется точкой бтхода 33, прямой проводимости 34, точ- 30 ками характеристики 35 ° ...,41.

РЭ 7 с нелинейностью типа "зона нечувствительности" подключен через

ФНЧ 8 к датчику 9 тока обмотки 6 . управления. Выход РЭ7 соединен с вхо- дом выпрямителя 10, выход которого подключен к УГПН 11. Выходы НГПН 12 и УГПН 11 подключены к входам компаратора 13. Выход компаратора 13 соединен с одними из входов. ЛЭ И 14 и 15 4 выходы которых и Выход компаратора 13 соединены с усилителем 16 мощности.

Другие входы ЛЭ И 14 и 15 соединены с выходами ЛЭ ИЛИ 17 и .18 соответстВеннО ВхОды кОтОрых сОединены с Вы 45 ходом РЭ 7, причем ЛЭ 18 — через инвертор 19.

Усилитель мощности может быть реализован, например, по мостовой схеме (фиг. 3) и состоять из четырех управ-50 ляющих ключей, например транзисторных

VT20-VT23, дополнительного управляемого ключа VT24 импульсного режима питания обмотки управления, диодов обратного тока VD25-VD29, диода VDÇO, 55 необходимого для предотвращения протекания тока из одного источника пи- тания в другой, и конденсатора С 31. .

Выход компаратора 13 соединен в усилителе 16 мощности с управляющим входом ключа импульсного режима питания VT24. Выход ЛЭ И 14 соединен с управляющими входами ключей VT20 и

VT23 одной диагонали усилителя 16 мощности, а выход ЛЭ И 15 — с управляющими входами ключей VT21 и VT22 другой диагонали усилителя 16. К указанным ключам VT20 VT23 подключены выходы основного блока 32 управленияо

Способ управления магнитной опорой осуществляют следующим образом.

Изменением тока в обмотке 6 управления изменяют результирующий магнитный поток в воздушном зазоре между подвижным 4 и неподвижным 2 магнитопроводами опоры. Эти изменения осуществляют в функции сигнала датчика по- ложения (не показан) в зависимости от величины и направления смещения подвижного магнитопровода 4. Изменение тока осуществляют еще и в функции величины и знака самого тока в обмотке

6 при выходе величины тока за заданньш границы. При выходе тока за заданные. границы создают возрастающую по амплитуде последовательность импульсов тока. Полярность этих импульсов соответствует знаку отклонения тока за границы заданного интервала. При этом часть магнитопровода 3 из магнитотвердого материала изменяет свое состоя-! ние по частным циклам.

Сущность происходящих явлений при

;осуществлении способ управления маг-1 нитной опорой состоит в:следующем.

При неизменном значении внешней силы („, приложенной к подвешиваемому телу, например силы тяжести, ее. компенсирует сила, создаваемая за счет остаточной намагниченности магнитотвердого материала магнитопровода 2. Основной блок 32 управления обеспечивает устойчивость подвеса тела в положении равновесия (Qzz QSII) и компенсирует небольшие случайные возмущения. При этом среднее за период собственных колебаний магнитной опоры значение управляющего тока в обмотке 6 находится в некоторой заданной окрестности ($ i c i (- g i) нуля. Когда величина внешней силы увеличивается (или уменьшается), то

1 система. непрерывного управления током (блок 32), стремясь компенсировать го изменение, увеличивает (или

5 160 уменьшает) ток в обмотке 6 управления. Сигнал датчика 9 тока, пропорциональный изменению тока в обмотке 6 управления, поступает в ФНЧ 8, где выделяется лишь его медленная" составляющая, т.е. средняя за период собственных колебаний магнитной опоры величина, ФНЧ 8 необходим для выделения медленной составляющей тока . обмотки 6 управления и исключения подачи на обмотку импульсов тока при кратковременном выходе тока обмотки

6 управления из заданного диапазона, что может происходить, например, при отработке внешнего импульсного возмущения или при переходном процессе импульсного изменения тока. Это означает, что частота среза ФНЧ 8 Я,, должна удовлетворять соотношению

Q с G3 где И„- частота собственных колебаний магнитной опоры.

При превышении средним значением тока границ заданного диапазона 2 Ai (фиг. 4) иа обмотку 6 управления подается последовательность (намагничивающих или размагничивающих) импульсов тока возрастающей амплитуды. Требуемый темп нарастания амплитуды тока от импульса к импульсу зависит от параметров магнитной системы опоры и определяется УГПН 11, запускаемьм по сигналу Р3 7, поступающесму через выпрямитель 10. Частота следования импульсов (Q „g задается НГПН 12 и должна удовлетворять неравенству у „ c

<4Я . Соблюдение этого условия необходимо для обеспечения затухания переходного процесса, вызванного импульсами, и предотвращения возникновения автоколебаний в системе. Полярность импульсов задается посредством ЛЭ 17 и 18 в соответствии с логикой регулирования (увеличение внешней силы— увеличение намагниченности, уменьшение внешней силы — уменьшение намагниченности).

По мере импульсного изменения намагниченности магнитатвердага материала магнитопровада 2 величина силы

Я,о, создаваемой за счет остаточной намагниченности, соответственно увеличивается (уменьшается), непрерывный так управления i стремится к О, поскольку постоянная (" медленная" ) составляющая внешней силы (, вновь компенсируется за счет остаточной намаг-, ниченности магнитотвердо а материала. !

677О

При вхождении среднего значения непрерывнага тока в заданный диапазон (2 hi) подача импульсов прекращает5 ся до следующего значительного (определяемого величиной диапазона 2" hi).

Конструкция магнитопроводав 1-4 магнитной опоры, осуществляющей управление по данному способу, может быть

1ð самой разнообразной. То же касается и силовой части усилителя мощности, которая может быть выполнена как pasдельной с различными обмотками для импульсного и непрерывного управления, так и совмещенной, подключенной к одной обмотке (фиг. 3) с разделением управляющих воздействий (U цg и U ) по времени, а также с одйим или несколькими уровнями питаю". щего напряжения. Формирование импульсов тока может осуществляться как широтно-импульсным управлением (ШИУ) напряжением U <Äg (фиг. 4), так и амплитудна-импульсным, а также другими известными способами. Управление током непрерывной части системы управления также может осуществляться любыми известном способами (линейное усиление, ЫИУ и т,д.) .

Изменение намагниченности (магнитного состояния) магнитотвердого материала происходит следующим образом. (фиг. 5).

Допустим, что материал стабилизирован в области точки 33 отхода частного цикла на петле гистерезиса. Внешняя магнитная проводимость характеризуется прямой 34. Следовательно,магнитное состояние материала при отсутствии тока в обмотке характеризуется в данных условиях точкой 35 или при наличии малого тока заштрихованной областью. При подаче первого импульса тока в обмотку магнитное состояние изменяется, например, по частному циклу до тачки 36, характеризующейся напряженностью поля, создаваемой импульсом тока в обмотке соответствующей амплитуды. При исчезновении этого импульса магнитное состояние определится соответствующей исходящей ветвью частного цикла и прямой 34 проводимости системы, т.е. точкой 37. При подаче следующего импульса тока боль шей амплитуды изменение магнитного состояния происходит аналогично до точки 38 и после исчезновения импульса будет характеризоваться точкой 39.

1606770

При необходимости изменения магнитйого состояния в противоположную сторону, т.е. в сторону уменьшения намагниченности, импульсы тока создают напряженность поля в материале противоположного знака и изменение состояния происходит по другим частным циклам, обеспечивая последовательно индукцию в материале после исчезновения 10 импульса, характеризуемую точками 40, 41 (фиг. 5).

Для обеспечения тех же магнитньм состояний (индукции) в иэвестньм спо. собах и устройствах магнитных опор необходимо протекание непрерывного тока, обеспечивающего напряженности поля в материале, соответствующие вершинам частных циклов, в которых индукция равна соответствующим зна- 20 чениям на прямой проводимости при импульсном изменении тока. Хотя для получения одного и того же магнитно го состояния материала ток в импуль1 се должен быть несколько больше,чем величина непрерывного тока (что соответствует, например, Н qg ) Н >> ), но учитывая весьма малую длительность импульса, измеряемой единицами мкс, энергопотребление импульсного режима 30 в итоге будет существенно меньше.

Магнитная опора работает следующим образом.

При изменении положения подвижного магнитопровода 4 и связанного с ним подвешиваемого тела за пределы заданной границы ток в обмотке 6 управления под воздействием основного блока 32 управления также выходит за заданные границы. Выход за эти грани- 40 цы выявляется посредством РЭ 7 с соответствующей зоной нечувствительности, на который подается отфильтрованный ФНЧ 8 по низким частотам сигнал . с датчика 9 тока, Выпрямленный выпря- 45 мителем 10 сигнал поступает на УГПН

11, а затем на компаратор 13, на который одновременно подается сигнал повышенной частоты с НГПН 12. После компаратора созданная последовательность импульсов напряжения с возрастающей длительностью (фиг 4) поступает на ключ VT24 импульсного режима, формирующий импульсы усилителя 16 мощности. Число импульсов зависит от времени работы УГПН 11, т.е. от времени нахождения подвешиваемого тела вне заданной границы. В зависимости от направления смещения сигнал РЭ 7 пройдет либо через ЛЭ ИЛИ 17, либо через ЛЭ ИЛИ 18. Инвертирование сигнала обеспечивается инвертором 19.

В зависимости от направления смещения будут открыты ключи ЧТ20, VT23 или ключи VT21, VT22 диагоналей мостового усилителя 16 мощности. Логика управления соответствующими ключами обеспечивается ЛЭ И 14 и 15. При по- . даче последовательности импульсов напряжения на обмотку 6 управления в ней будет создана последовательность импульсов тока, длительность которых зависит от длительности импульсов напряжения. Эти импульсы тока, создавая соответствующую напряженность поля в части магнитопровода 3 из магнитотвердого материала, обеспечивают изменение его магнитного состояния,а следовательно, и магнитного потока по частным циклам (фиг. 5). При этом в зависимости от знака импульсов тока происходит увеличение или уменьшение магнитного потока, создаваемого магнитотвердой частью 3 магнитопровода 2, Это измерение потока происходит до тех пор, пока не произойдет изменение положения подвешиваемого тела в такой степени, что оно вернется в за-,данные границы. При этом в заданные границы вернется и среднее значение тока в обмотке 6 управления, сигнал с

РЭ 7 прекратится и импульсы перестанут создаваться. Часть 3 магнитопровода

2 из магнитотвердого материала должна быть выполнена из докритического материала для того, чтобы возможно бьщо обеспечить эффект "запоминания" предыдущего магнитного состояния. К таким материалам относятся,,например, группы ЮНД, ЮНДК, материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (по индукции) . Такие же материалы, как КС 37 феррит бария, являющиеся закритическими, не годятся для использования в данной опоре.

Реализация способа управления возможна при использовании управляемой магнитной опоры. Наибольший эффект; при применении данного способа и устройства, его реализующего, достигается при изменении постоянной составляющей силы в широком диапазоне.

Способ управления магнитной опорой и устройство для его осуществления позволяют снизить по сравнению с прототипом энергопотребление, поскольку при импульсном способе управления дей1606770

10 ствувщее значение тока обмотки (фиг.6) значительно ниже, чем при непрерыв ном управлении. Это связано с тем, что энергия, затрачиваемая на импуль- 5 сное изменение магнитного состояния магнитотвердого материала магнитопровода, при периоде следования импульсов более, чем на порядок превышающем их длительность, несоизмеримо меньше энергии, выделяемой в магнитной опоре, обеспечивающей ту же силу при непрерывном управлении. формула из о бр етения

1. Способ управления магнитной опорой, включающий изменение магнитного потока в воздушном зазоре магнитопровода, часть которого выполнена из 2р магнитотвердого материала, путем изменения тока в обмотке магнитной опоры в зависимости от величины и знака управляющего сигнала в функции положения подвешиваемого тела, о т л и— ч а ю ц и и с я тем, что, с целью снижения энергопотребления опоры при воздействии переменных квазистатических нагрузок, устанавливают граничные значения тока в обмотке и при от- 3Р клонении этого тока от заданных границ изменяют магнитное состояние части магнитотвердого материала по частным циклам, для чего в обмотке создают возрастающую по амплитуде 35 последовательность импульсов тока,,причем полярность создаваемых импульсов тока при отклонении тока выше верхней границы противоположна полярности импульсов при отклонении тока 4р ниже нижней заданной границы.

2. Устройство для управления магнитной опорой, содержащее неподвижный магнитопровод, расположенную на 45 нем обмотку, основной блок управления с усилителем мощности, к выходу которого подключена обмотка, подвижный магнитопровод, закрепленный на подвешенном теле причем часть одного из магнитопроводов выполнена из магнитотвердого материала, и датчик положения подвижного магнитопровода, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с цецельв снижения энергопотребления опо ры„ оно снабжено дополнительным блоком управления с датчиком тока, фильтром нижних частот, релейным элементом, выпрямителем, инвертором, управляемым и неуправляемым генераторами пилообразного напряжения, компаратором, ключом импульсного режима, а также двумя логическими элементами

ИЛИ и двумя логическими элементами И, магнитотвердая часть магнитопровода выполнена из докритического материала, причем датчик тока включен последовательно с обмоткой, вход релейного элемента соединен через фильтр ниж-. них частот с датчиком тока, а выход— с входом одного логического элемента

ИЛИ, входом выпрямителя и через инвертор с входом другого логического элемента ИЛИ, выход выпрямителя соединен с входом управляемого генератора пилообразного напряжения, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с выходом неуправляемого генератора пилообразного напряжения, выход компаратора соединен с управляющим входом ключа импульсного режима питания обмотки управления и с одним из входов логического элемента И, другие входы которых соединены с выходами логических элементов ИЛИ, причем выходы одного логического элемента И подключены к управляющим входам ключеи соответствующей диагонали мостового усилителя мощности, а вью. ходы другого логического элемента ИЛИк управляющим входам ключей другой диагонали.

1606770

4nom.рИ

annum.н

Ору

Vg>m

0 ау/ng

Оиглч

Dvwl

" 0

Dvpr, vrv

Оп г, п з

О

0ри1

О

<,пил

1606770

Lfpgg

Корректор А. Осауленко

Редактор А. Лежнииа Техред М.яндык

Заказ 3540

Тираж 526

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101