SU1606770A1 - Способ управлени магнитной опорой и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к машиностроению, а именно к подвешиванию тел в магнитном поле. Цель изобретени  - снижение энергопотреблени  магнитной опоры при изменении посто нной составл ющей силы внешнего воздействи  в широком диапазоне. Осуществл ют импульсное изменение тока в обмотке в виде последовательности импульсов при величине управл ющего сигнала, превышающей заданную. Пол рность импульсов тока соответствует направлению изменени  управл ющего сигнала, а их амплитуда - величине этого сигнала. Магнитопровод опоры содержит элемент, выполненный из магнитотвердого докритического материала. В систему управлени  введен формирователь импульса тока, вход которого соединен с датчиком тока в цепи обмотки управлени , а выход - с управл ющим входом усилител  мощности системы управлени  током, выход которого подключен к обмотке управлени . При отклонении контролируемого тока в обмотке управлени  за пределы заданной границы формирователь импульса тока импульсно измен ет магнитное состо ние магнитопровода. Импульсное воздействие обеспечиваетс  формирователем импульса тока до тех пор, пока не контролируемый ток в обмотке управлени  не достигнет заданного диапазона. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

Description

. Изобретение относитс  к машиностроению и приборостроению,, а именно к:, технике подвеса различных тел в управ- л емом магнитном поле, и может найти применение5 например, при подвесе ро- торов в магнитных опорЪх, магнитном .подвесе высокоскоростного тразюпорта

и Т,П;:. .

Целью изобретени   вл етс  сниже- 1ше энергопотреблени  магнитной опоры , при  оз,;ейстпии переменных квази- статиггеских Harijy-uiK,

На фиг. 1 представлена схема -меха- нической части магнитной опоры с общей обмоткой управлени ; на фиг.2 - структурна  схема формировател  импульсов тока; на фиг. 3 - пример выполнени  усилител  мощности при совмещении непрерьшного и импульсного управлени  на одной обмотке; на фиг.4 - форма сигналов на выходе различных элементов формировател  импульсов тока; на фиг. 5 - процесс изменени  намагниченно.сти магнитотвердого мате05 О 05

иала; на фиг. 6 - квазистатический роцесс управлени  при медленном изенении внешней силыо

Магнитна  опора (фиг 1) .содержит неподвижный магнитопровод из магни- том гкого материала 1, магнитопровод 2, часть 3 которого вьшолнена из маг- нитотвёрдого материала, подвижный магнитопровод - из магнитом гкого д материала 4, подвешиваемое тело 5, обмотку 6 управлени , релейный элемент (РЭ) 7, фильтр 8 нижних частот (ФНЧ), датчик 9 тока, выпр митель 10, управл емый генератор 11 пилообраз- 5 ного напр жени  (УГ 1Ш), неуправл е- Mbrii генератор 12 пилообразного напр жени  (НПШ), компаратор 13, логические элементы (ЛЭ) И 14 и 15, усилитель 16 мощности, логические элемен- 20 ты (ЛЭ) ИЛИ 17 и 18, инвертор 19, четыре управл емых ключа VT20-VT23, до- полнительньп управл емый ключ VT24 импульсного режима питани  обмотки уп-; равлени , диоды обратного тока 25 VD25...VD29, диод VD30, конденсатор С 31 и основной блок 32 управлени . Магнитное состо ние посто нного магнита характеризуетс  точкой отхода 33, пр мой проводимости 34, точ-2Q

ками характеристики 35,..,41е,

РЭ 7 с нелинейностью типа зона

нечувствительности подключен через

ФНЧ 8 к датчику 9 тока обмотки 6

управлени  Выход РЭ7 соединен с входом вьшр гштел  10, выход которого подключен к УПШ 11. Выходы НГПН 12

и УПШ 11 подключены к входам компаратора 13о Выход компаратора 13 соединен с одними из входов ЛЭ И 14 и 15 дд выходы которых и йыход 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- ., ходом РЭ 7, причем ЛЭ 18 - через инвертор 19 о

Усилитель мощности может быть реализован , например, по мостовой схеме (фиг. 3) и состо ть из четырех управ- л ющих ключей, например транзисторных

VT20-VT23, дополнительного управл емого ключа VT24 импульсного режима питани  обмотки управлени , диодов обратного тока VD25-VD29, диода VD30,55 необходимого дл  предотвращени  протекани  тока из одного источника пи- тани  в другой, и конденсатора С 31,

35

Q

д ,

5

5

Выход компаратора 13 соединен в усилителе 16 мощности с управл ющим входом ключа импульсного режима питани  VT24. Выход ЛЭ И 14 соединен с управл ющими входами ключей VT20 и VT23 одной диагонали усилител  16 мощности, а выход ЛЭ И 15 - с управл ющими входами ключей VT21 и VT22 другой диагонали усилител  16 К указанным ключам VT20,,,.,VT23 подключены выходы основного блока 32 управлеНИЯо

Способ управлени  магнитной опорой осуществл ют следующим образом

Изменением тока в обмотке 6 управлени  измен ют результирующий магнитный поток в воздушном зазоре между подвижным 4 и неподвижным 2 магнито- проводами опоры. Эти изменени  осуществл ют в функции сигнала датчика по- ложени  (не показан) в зависимости от величины и направлени  смещени  подвижного магнитопровода 4. Изменение тока осуществл ют еще и в функции величины и знака самого тока в обмотке 6 при вьпсоде величины тока за заданные границы. При выходе тока за заданные, границы создают возрастающую по амплитуде последовательность импульсов тока. Пол рность этих импульсов соответствует знаку отклонени  тока за границы заданного интервала. При этом часть магнитопровода 3 из магнитотвер- дого материала измен ет свое состо ние по частным циклам.

Сущность происход щих  влений при осуществлении способ управлени  маг-ii нитной опорой состоит в.-следующем.

При неизменном значении внешней силы Q аи приложенной к подвешиваемому телу, например силь т жести, ее- (Компенсирует сила, создаваема  за |с:чет остаточной намагниченности маг- нитотвердого материала магнитопрово- да 2о Основной блок 32 управлени  обеспечивает устойчивость подвеса тела в положении равновеси  () и компенсирует небольшие случайные возмущени  При этом среднее за пе- риод собственньгх колебаний магнитной опоры значение управл ющего тока в обмотке 6 находитс  в некоторой заданной окрестности ( Д1 «с 1ио,-Д1) нул . Когда величина внешней силы увеличиваетс  (или уменьшаетс ), то система.непрерывного управлени  током (блок 32), стрем сь компенсировать ЧТО изменение, увеличивает (или

уменьшает) ток в обмотке 6 управлени ,, Сигнал датчика 9 тока, пропорциональный изменению тока в обмотке 6 управлени , поступает в ФНЧ 8, где вьщел етс  лишь его медленна  составл юща , т.е. средн   за период собственных колебаний магнитной опоры величина. ФНЧ 8 необходим дл  выделени  медленной составл ющей тока обмотки 6 управлени  и исключени  подачи на обмотку импульсов тока при кратковременном выходе тока обмотки 6 управлени  из заданного диапазона, что может происходить, например, при отработке внешнего импульсного возмущени  или при переходном процессе импульсного изменени  тока. Это означает , что частота среза ФНЧ 8йф(.р должна удовлетвор ть соотношению СОср.ср СОд где СЗо - частота собственных колебаний магнитной опоры При превьш1ении средним значением тока границ заданного диапазона 2 Ai (фиго 4) па обмотку 6 управлени  подаетс  последовательность (намагничивающих или размагничивающих) импульсов тока возрастающей амплитуды Тре- буемый темп нарастани  амплитуды тока от импульса к импульсу зависит от параметров магнитной системы опоры и определ етс  УГЛИ 11, запускаемым по сигналу РЭ 7, поступающему через выпр митель 10. Частота следовани  импульсов COpyg задаетс  НГПН 12 и должна удовлетвор ть неравенству COnyg и Соблюдение зтого услови  необходимо дл  обеспечени  затухани  переходного процесса, вызванного импульсами , и предотвращени  возникновени  автоколебаний в системе Пол рность импульсов задаетс  посредством ЛЭ 17 и 18 в соответствии с логикой регулировани  (увеличение внешней силы - увеличение намагниченности, уменьшение внешней силы - уменьшение намагниченности ) о 1

По мере импульсного изменени  намагниченности магнитотвердого материала кагнитопровода 2 величина силы , создаваемой за счет остаточной намагниченности, соответственно увеличиваетс  (уменьшаетс ), пепрерывньй

160

ток управле1-ш  i и стремитс  к О, по- скольку посто нна  (медленна ) составл юща  внешней С1шы Qg, вновь компенсируетс  за счет остлточиоГг намаг-, ниченности магнитотвердоч-- мйтерпалас

1606770

При вхож;п,е1ши среднего значени  непрерывного тока в заданный диапаз он (2- Ai) подача импульсов прекращает- с  до следующего значительного (определ емого величиной диапазона 2- Д1). Конструкци  магнитопроБодов 1-4 магнитной опоры, осуществл ющей управление по данному способу, может быть

самой разнообразной. То же касаетс  и силовой части усилител  мощности, котора  может быть выполнена как раздельной с различ ными обмотками дл  импульсного и непрерывного управлени , так и совмещенной, подключенной к одной обмотке (фиго 3) с разделением управл юЕщх воздействий (иpug Uu ) по времени, а также с одним или несколькими уровн ми питающего напр жени  о Формирование импульсов тока может осуществл тьс  как широтно-импульсным управлением (ШИУ) напр жением (фиг. 4), так и амплитудно-импульсным , а также другими

известными способами Управление током непрерьшной части системы управлени  также может осуществл тьс  любыми известньЕ-ш способами (линейное усиление, ЫИУ и т.д)

Изменение намагниченности (магнитного состо ни ) магнитотвердого материала происходит следующим образом, (фиго 5)о

Допустим, что материал стабилизирован в области точки 33 отхода частного цикла на петле гистерезиса. Внешн   мападтна  проводимость характеризуетс  пр мой 34. Следовательно,магнитное состо ние материала при отсутствии тока в обмотке характеризуетс  в дан}1ых услови х точкой 35 или при наличии малого тока заштрихованной областью. При подаче первого импульса тока в обмотку магнитное состо ние

измен етс , например, по частному циклу до точки 36, характеризующейс  напр женностью пол , создаваемой импульсом тока в обмотке соответствующей амплитуды. При исчезновении этого импульса магнитное состо ние определитс  соответствующей исход щей ветвью частного Ц11кла и пр мой 34 проводимости системы, Тое. точкой 37 При подаче следующего и 0Iyльca тока боль ей амплитуды изменение магнитного состо ни  происходит аналогично до ОХ1КИ 38 и после исчезновени  импульа будет характеризоватьс  точкой 39.

При необходимости изменени  магнит- horo состо ни  в противоположную сторону , Тое. в сторону уменьшени  намагниченности импульсы TOKd создают напр женность пол  в материале противоположного знака и изменение состо ни  происходит по другим частным циклам , обеспечива  последовательно индукцию в материале после исчезновени  импульса, характеризуемую точками 40, 41 (фиго 5).

Дл  обеспечени  тех же магнитных состо ний (индукции) в известных способах и устройствах магнитных опор необходимо протекание непрерьшного тока, обеспечивающего напр женности пол  в материале, соответствующие вершинам частных циклов, в которых индукци  равна соответствующим зна- чени м на пр мой проводимости при импульсном изменении тока. Хот  дл  получени  одного и того же магнитно- jro состо ни  материала ток в импуль- :се должен быть несколько больше,чем величина непрерьшного тока (что соответствует , например, Н, Hj,), но учитыва  весьма малую длительность импульса, измер емой единицами мкс, энергопотребление импульсного режима в итоге будет существенно меньше

Магнитна  опора работает следующим образом

При изменении положени  подвижного магнитопровода 4 и св занного с ним подвешиваемого тела за предель заданной границы ток в обмотке 6 управлени  под воздействием основного блока 32 управлени  также выходит за заданные границы. Выход за эти грани- цы вы вл етс  посредством РЭ 7 с соответствующей зоной нечувствительности , на который подаетс  отфильтрованный ФНЧ 8 по низким частотам сигнал с датчика 9 тока Выпр мленный вьшр - мителем 10 сигнал поступает на УП1Н 11, а затем на компаратор 13, на который одновременно подаетс  сигнал повышенной частоты с НГПН 1-2« После компаратора созданна  последователь- ность импульсов напр жени  с возрастающей длительностью (фиг, 4) поступает на ключ VT24 импульсного режима формирующий импульсы усилител  16 мощности. Число импульсов зависит от времени работы УГПН 11, Тое. от времени нахо ддени  подвешиваемого тела вне заданной границы, В зависимости от направлени  смещени  сигнал РЭ 7

провдет либо через ЛЭ ИЖ 17, либо через ЛЭ ИЛИ 18. Инвертирование сигнала обеспечиваетс  инвертором 19. В зависимости от направлени  смещени  будут открыты ключи VT20, VT23 или ключи VT21, VT22 диагоналей мостового усилител  16 мощностио Логика управлени  соответствующими ключами обеспечиваетс  ЛЭ И 14 и 15о При подаче последовательности импульсов напр жени  на обмотку 6 управлени  в не будет создана последовательность импульсов тока, длительность которых зависит от длительности импульсов на- пр жешш. Эти импульсы тока, создава  соответствующую напр женность пол  в части магнитопровода 3 из магнито- твердого материала, обеспечивают изменение его магнитного состо ни ,а следовательно, и магнитного потока по частным циклам (фиг. 5)о При этом в зависимости от знака импульсов тока происходит увеличение или уменьшение магнитного потока, создаваемого магни тотвердо частью 3 магнитопровода 2, Это измерение потока происходит до тех пор, пока не произойдет изменение положени  подвешиваемого тела в такой степени, что оно вернетс  в заданные границы. При этом в заданные границы вернетс  и среднее значение тока в обмотке 6 управлени , сигнал с РЭ 7 прекратитс  и импульсы перестану создаватьс . Часть 3 магнитопровода 2 из магнитотвердого материала должна быть выполнена из докритического материала дл  того, чтобы возможно было обеспечить эффект запоминани  пре- дьщущего магнитного состо ни . К таким материалам относ тс ,.например, группы ЮНД, ЮНДК, материалы с пр моугольной петлей гистерезиса (по ин- дукщш). Такие же материалы, как КС 37, феррит бари i  вл ющиес  закритичес- кими, не год тс  дл  использовани  в данной опоре

Реализаци  способа управлени  возможна при использовании управл емой магнитной опоры. Наибольший эффект . при применении данного способа и устройства , его реализующего, достигаетс  при изменении посто нной составл ющей силы в широком диапазоне.

Способ управлени  магнитной опорой и устройство дл  его осуществлени  позвол ют снизить по сравнению с прототипом энергопотребление, поскольку при импульсном способе управлени  действуюцее значение тока обмотки (фиг„ значительно ниже, чем при непрерьт- ном управлении. Это св зано с тем, что энерги , затрачиваема  на импуль . сное изменение магнитного состо ни  магнитотвердого материала магнитопро вода, при периоде следовани  импульсов более, чем на пор док превышающе их длительность, несоизмеримо меньше энергии, вьщел емой в магнитной опоре , обеспечивающей ту же силу при непрерывном управлении

Claims (2)

1. Формула изобретени 

   1 о Способ управлени  магнитной опорой,включающий изменение магнитного потока в воздушном зазоре магнито- провода, часть которого выполнена из магнитотвердого материала, путем изменени  тока в обмотке магнитной опоры в зависимости от величины и знака управл ющего сигнала в функции положени  подвешиваемого тела, о т л и - чающийс  тем, что, с целью снижени  энергопотреблени  опоры при воздействии переменных квазистатических нагрузок, устанавливают граничные значени  тока в обмотке и при от- клонении этого тока от заданных границ измен ют магнитное состо ние части магнитотвердого материала по частным циклам, дл  чего в обмотке создают возрастающую по амплитуде последовательность импульсов тока, причем пол рность создаваемых импульсов тока при отклонении тока выше верхней границы противоположна пол рности импульсов при отклонении тока ниже нижней заданной границы.
2. 2. Устройство дл  управлени  магнитной опорой, содержащее неподвиж- ньй Iaгнитoпpoвoд, расположенную на нем обмотку, основной блок управлени  с усилителем мощности, к выходу которого подключена обмотка, подвизашй магнитопровод, закрепленный на подвешенном теле причем часть одного из магнитопроводов вьшолнёна из магнитотвердого материала, и датчик положени  подвижного магнитопровода, отличающеес  тем, что, с це- целью снижени  энергопотреблени  опо ры,, оно снабжено дополнительным блоком управлени  с датчиком тока, фильтром нижних частот, релейным элементом , выпр мителем, игшертором, управг л емым и неуправл емым генераторами пилообразного напр жени , компаратором , ключом импульсного режима, а также двум  логическими элементами ИЛИ и двум  логическими элементами И, магнитотверда  часть магнитопровода выполнена из докритического материала , причем датчик тока включен последовательно с обмоткой, вход релейного элемента соединен через фильтр нн г-. них частот с датчиком тока, а выход - с входом одного логического элемента ИЛИ, входом выпр мител  и через инвертор с входом другого логического элемента ИЛИ, выход выпр мител  соединен с входом управл емого генератора пилообразного напр жени , выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с выходом неуправл емого генератора пилообразного напр жени , выход компаратора соединен с управл ющим входом ключа импульсного режима питани  обмотки управлени  и с одним из входов логического элемента И, другие входы которых соединены с вы- ходами логических элементов ИЛИ, причем выходы одного логического элемента И подключены к управл ющим входам ключей соответствукнцей диагонали мостового усилител  мощности, а выходы другого логического элемента ИЛИ- к управл ющим входам ключей другой диагонали.

   ////

   N

   Ug .

   a

   I

   ////

   1

   Wu

   s

   Фиг.1

   Фиг.2

   iMO

   /У/

   num.pui

   и.

   num. и

   C31±i

   L

   -лг

   Up3

   %//7.

   UymM

   Инглн 0

   икомп UVTS Q

   UyTi,yTV 0

   Uvrz,vT3 0

   Uput 0

   f-pul

   (Риг,3

   J

   53

   рив

   Редактор А. Лежни а

   Фиг.§ ,

   Составитель В Пучинский

   Тезфед М.Дидык Корректор А Осауленко

   Заказ 3540

   Тираж 526

   ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/3

   Подписное