SU1615589A1 - Устройство дл экспериментальных исследований гидравлических движителей - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к экспериментальной гидромеханике, а именно к устройствам дл  проведени  гидродинамических исследований движителей различных типов. Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей устройства, что позвол ет при использовании его варьировать в широких пределах геометрические и кинематические параметры рабочих элементов движител  (рабочие элементы могут быть выполнены в виде системы крыльев, лопастей винта или лопастей крыльчатого движител )

задавать вполне определенную посто нную и переменную угловую скорость, а также амплитуду колебаний ротора с рабочими элементами гидравлического движител 

задавать необходимый угол поворота рабочих элементов относительно направлени  поступательных перемещений всего устройства

обеспечивать выход движител  на любой заданный закон движени  без запаздывани  и без промежуточных кинематических звеньев и передач, например не нужны маховик дл  устранени  неравномерности угловой скорости вращени  вала и кривошипно-шатунный механизм дл  преобразовани  вращательного движени  в возвратно-поступательное, не требуетс  применени  редуктора дл  уменьшени  угловой скорости вращени  вала

сделать систему динамически уравновешенной, а упор движител  посто нным, если применить двухдвигательный электропривод с рабочими элементами движител  или несколько двухдвигательных электроприводов, работающих совместно по заданной программе. Устройство содержит привод в виде двух в погружном исполнении механических несв занных обращенных электродвигателей 1 и 2, рабочие элементы 3 гидравлического движител , которые креп тс  на внешней поверхности ротора каждого из двигателей, и электронную систему управлени  двигател ми. 7 ил.

Description

По&ерхность

(/:

с

СП

;д

00

то нную и переменную угловую скорость , а также амплитуду колебаний ротора с рабочими элементами гидравлического движител , задавать необходимый угол поворота рабочих элементов относительно направлени  поступательных перемещений всего устройства обеспечивать выход движител  на любой заданный закон движени  без запаздывани  и без промежуточных кинематических звеньев и передач, например ненужны маховик дл  устранени  неравномерности угловой скорости вращени  вала и кривошипно-ша- тунный механизм дл  преобразовани  вращательного движени  в возвратно- поступательное, не требуетс  примене35

Изобретение относитс  к эспери- ментальной гидромеханике, а именно к устройствам дл  проведени  гидродинамических исследований движителей различных типов.

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей устройства.

На фиг,1 схематически изображено ЗО устройство дл  экспериментальных исследований гидравлических движителей; на фиг.2 - конструкци  электродвигател  с закрепленными на нем рабочими элементами гидравлического движите- л , вид сверху; на фиг.З - то же, вид сбоку; на фиг.4 - механическа  св зь рабочих элементов гидравлического движител  с ротором электродвигател ; на фиг,5 - структурна  схема электро- .Q привода; на фиг,6 - эпюры напр жений на фазных обмотках электродвигателей; на фиг.7 - положение магнитопровода статора и ротора, соответствующее алгоритму коммутации.45

Устройство (фиг.1) содержит два в погружном исполнении механически несв занных обращенных электродвигател  1 и 2. На внешней поверхности ротора каждого из двигателей монтируетс  п необходимое количество рабочих элементов 3 движител . Все устройство с помощью ножа с тензомером 4 крепитс  к силовым элементам 5 буксировочной тележки и находитс  под поверхностью воды. Каждый двигатель (фиг.2) .содержит ротор 6, состо щий из набора посто нных магнитов, ст нутых снаружи ферромагнитной обечай55

ни  редуктора дл  уменьшени  угловой скорости вращени  вала; сделать систему динамически уравновешенной, а упор движител  посто нным, если применить двухдвигательный электропривод с рабочими элементами движител  или несколько двухдвигательных электроприводов, работающих совместно по заданной программе. Устройство содержит привод в виде двух в погружном Исполнении механических несв занных обращенных электродвигателей 1 и 2, рабочие элементы 3 гидравлического движител , которые креп тс  на внешней поверхности ротора каждого из двигателей, и электронную систему управлени  двигател ми. 7 ил.

5

О Q 5

п

5

кой 7,  вл ющейс  одновременно и шунтом внешнего магнитного пол . Посто нные магниты намагничены в радиальном направлении и собраны таким образом, что образована переменнопо- люсна  маг нитна  система. Ротор 6 посредством подшипников скольжени  сопр жен со статором 8, имеющим  в- новыраженные ферромагнитные полюса и сосредоточенные на каждом полюсе катушки 9 управлени , электрически образующие двухфазную электромагнитную систему. Фазы двигател  сдвинуты в пространстве на 90 эл.град.

Таким образом, 24  вновыраженных полюса образуют двухфазную электромагнитную систему по 12 полюсов в каждой, С целью равномерного распределени  осевых сил, действующих на ротор электродвигател , предусмотрено пространственное дробление, фазы на три группы по четыре полюса в каждой группе, причем катушки управлени  полюсов статора в фазе имеют элект- i рическую св зь, соответствующую пере- меннополюсной магнитной системе в фазной зоне магнитопровода статора. Кроме того, с целью улучшени  динамических характеристик двигател , а именно т говой (моментной) характеристики в магнитной системе статора реализован сдвиг полюсов в фазной зоне, аналогичный скосу полюсов в электрических машинах. На внешнем ободе ротора смонтировано любое необходимое количество рабочих элемен- тов 3 движител . Рабочие элементы 3

(фиг,А) имеют оси 10, жестко св зан ные с обечайкой 7 ротора 6, и упоры 1 1, которые могут фиксироватьс  на обечайке 7 в различных положени х. На каждом из двигателей (фиг.З) устновлен фотоэлектрический датчик обратной св зи по положению, содержащий источник света и фотоприемник 12, между которыми расположен вращающийс  однодорожечный диск 13 с чередующимис  прозрачными и непрозрачными участками, повтор ющими структуру магнитной системы двигател .

Тихоходный безредукторный электропривод , обеспечивающий с необходимой точностью и быстродействием движение рабочих элементов движител , снабженный системой управлени  (структурна  схема на фиг.З), состоит из системы энергоснабжени  посто нного тока (ЭС), системы управлени , а именно силового коммутатора (СК), управл ющего устройства (УУ) информационной части, включающей в себ  задающее устройство (ЗУ) и систему датчиков обратн ых св зей по положению (ДОС1, ДОС2). Ml и М2 - исполнительные электродвигатели электропривода (позиции, 1 и 2 на фиг . 1) ИО - исполнительный орган (рабочие элементы гидравлического движител , позици  3 на фиг.1), РН - регул тор напр жени .

Устройство работает следующим образом.

Потребл ема  из сети (или автономного источника) электрическа  энерги  посто нного тока поступает в систему управлени  (фиг.З, где электрической энергии соответствуют сплошные стрелки (утолщенные - дл  цепи главного тока), а механической тонкие двойные стрелки). Преобразованна  в СК электрическа  энерги  в виде сигналов двухпол рного напр жени  поступает на обмотки электродвигателей Ml и М2. Таким образом фазна  обмотка управлени  в каждом из двигателей питаетс  бипол рным напр жением. На фиг.6 представлена диаграмма изменени  фазных напр жений при четырехтактной разнопо- л рной коммутации фаз. Дл  того, чтобы подвижный элемент электродвигател , ротор 6, состо щий из набора посто нных магнитов, совершил движение , в определенной паре электро- магнитных полюсов статора 8 создаютс  мгновенные значени  пол рности магнитного пол , которые соответствуют пол рности полюсов по сто нных магнитов ротора, наход щихс  в зоне возбуждени  полюсов статора. Тогда магнит оттолкнетс  от полюсов, т.е. на магнит и, следовательно. На ротор

10 будет действовать со стороны возбужденных полюсов статора касательна  сила. Одновременно в следующей по выбранному направлению движени  паре полюсов статора необходимо создать

J5 мгновенные значени  пол рности электромагнитных полюсов статора, противоположные пол рности полюсов : соответствующих посто нных магнитов, тем самым создава  силы прит жени .

20 Изменение пол рности электромагнитных полюсов статора обеспечиваетс  изменением пол рности питающих напр жений .

Принцип работы двигател  (а в ко25 нечном итоге и движител ) можно рассмотреть по следующей упрощенной развернутой схеме. На фиг.7 представлена схема активной зоны двигател  дл  четырех положений  кор . Пол р30 ность ферромагнитных полюсов статора определ етс  направлением токов в фазных обмотках статора (полюса обозначены соответственно символами N и S). Пол рность посто нных магнитов

(ПМ) ротора остаетс  неизменной и определ етс  намагниченностью собственно магнитов. На фиг. 7а показано положение ротора двигател  и направление действующих на него сил, соот-,

Р ветствующее, например, первому такту

коммутации. Пусть направлени  токов в обеих фазах статора дл  этого случа  совпадают. Будем считать это направление положительным. В момент 5 времени, предшествующий этому положению (дл  выбранного направлени  движени  ротора вправо, как показано на фиг.7а), ротор располагаетс  со смещением влево. Дл  этого случа  полюса первой фазы статора будут

расположены под полюсами ПМ противо- положной пол рности, сила прит жени  которых приложена к полюсам статора в направлении слева направо. Одно- временно с этим в зоне действи  полюсов статора второй фазы наход тс  полюса ПМротора, набегающие (правые) кра  -каждого из которых имеют разноименную ;лол  ность с набеглющим краем (левым)

полюса статора, а сбегающий (левый) фай каждого полюса ПМ ротора - од- нЬименную пол рность с полюсами BJTopoft фазы статора. Силы отталкива- со стороны полюсов фазы статора HJa сбегающие кра  каждого из полюсов ротора и силы прит жени  на набегаю- шие кра  полюсов ротора действуют одном направлении, совпадающем с

в

рекстзнем сил на полюса ротора в зо1-е первой фазы статора. Под действием

тих сил ротор двигател  перемещаетс  (вправо) .

При достижении ротором положени  агнитного равновеси  с полюсами пер ой фазы изменитс  направление тока , обмотках управлени  (ОУ) первой фа- ы на противоположное, при этом на- равление тока в обмотках второй фа- :ы двигател  остаетс  прежним, так :ак здесь магнитное равновесие еще te наступило и силы продолжают действовать в направлении движени  ротора йовое направление токов в ОУ первой фазы изменит пол рность полюсов маг- нитопровода статора в области первой фазы на противоположную (фиг.76), при этом на сбегающий край полюса ротора будут действовать отталкивающие силы, а на набегающий - прит гивающие , но результирующа  сила будет оп ть же направлена в сторону движени  ротора. Одновременно с этим в зоне действи  второй фазы статора кажда  пара полюсов ротора и статора будет разноименной пол рности, и магнитна  сила прит жени  между ними будет также действовать в направлении движени . В результате совместного действи  сил обеих фаз ротор продолжит перемещатьс  вправо и, при достижении магнитного равновеси  в зоне второй фазы, завершитс  второй такт коммутации.

При совершении третьего такта коммутации дл  продолжени  движени  вправо измен етс  направление тока наход щейс  в магнитном равновесии второй фазы, но остаетс  неизменным направление тока в обмотке первой фазы ( соответствующа  ЭТОМУ случаю полюсность показана на фиг,76). Третий акт коммутации завершитс , когд перва  фаза установитс  в положение магнитного равновеси  (фиг,7в).

Наконец, в четвертом такте коммутации измен етс  направление тока первой фазы и остаетс  неизменным

5

5

3Q

0

направление тока второй фазы. На фиг.7г показана пол рность ротора и статора, соответствующа  этому елу- чаю. Завершитс  четвертый такт коммутации , когда ротор переместитс  в положение магнитного равновеси  магнитных полюсов второй фазы с полюсами ротора.

Таким образом, за четыре такта коммутации ротор двухфазного управл емого электродвигател  переместитс  на величину, равную пространственному периоду изменени  пол . Дл  сохранени  неизменным направлени  движени   кор , очевидно, в каждой из фаз необходимо пооочередно измен ть пол рность питающего напр жени  (разно- пол рна  коммутаци ), Аналогично изложенному выше будут протекать процессы и при движении ротора влево. Дл  получени  реверса достаточно помен ть пол рность включений одной из фаз, не измен   очередности коммутации фаз.

Преобразованна  в механическую, энерги  непосредственно от ротора 6 и обечайки 7 двигател  передаетс  рабочим элементом 3 движител .

Возможны следующие режимы работы электропривода, задаваемые с помощью системы управлени  (ЗУ, фиг,5),

Режим непрерывного вращени  с регулированием и реверсом скорости. Регулирование скорости осуществл етс  изменением величины подводимого напр жени , частотой импульсов питающего напр жени  и с помощью обратной св зи по положению.

Пошаговый режим вращательного движени  как в пр мом, так и в обратном направлени х.

Позиционер останов в любой заданной точке),

Колебательный режим. Реализаци  колебательного режима с любой наперед заданной угловой амплитудой колебаний , при этом ось колебаний может смещатьс  в азимутальном направлении СП произвольно с точностью до единичного шага электропривода.

Режим комбинированного движени , сочетающий динамическое состо ние исполнительного органа, реализуемое в указанных выше режимах работы привода .

Отсюда следует, что можно обеспечить большой диапазон стационарных и нестационарных режимов дл  рабочих

40

45

элементов гидравлического движител  которые выполнены в виде системы крыльев (фиг.1-4), или лопасти винт или лопастей крыльчатого движител . При исследовании нестационарных режимов во врем  изменени  направлени  вращени  ротора 6 рабочие элеметы 3 движител  под воздействием набегающего потока поворачиваютс  на ос х 10 в положение, oпpe тeл eмoe упорами 11. Дл  задани  угла поворота рабочих элементов относительно направлени  поступательных перемещений всего устройства упоры 11 смещаютс  относительно осей 10.

В случае исследовани  потерь на закручивание потока и методов уменьшени  этих потерь электродвигателем задаютс  противоположные друг относительно друга направлени  вращени  ро.торов с рабочими элементами и с помощью электронной системы управлени  выбираютс  оптимальные режимы работы движител .

При исследовании нестационарных режимов и методов обеспечени  равномерности скорости поступательных перемещений объекта, на котором установлен движитель, работающий в нестационарном режиме, примен етс  несколько двухдвигательных электроприводов (минимум два) с установленными на них,рабочими элементами движител , дл  которых с помощью электронной системы управлени  выбираетс  оптимальный режим работы, обесп - -чивающий посто нную во времени т гу, В предлагаемом устройстве отсутствует промежуточное преобразование механической энергии, т.е. практически полностью исключена механическа  часть привода, а дл  регулировани  двигател  и рабочих элементов движител , в первую очередь скорости и направлени  вращени , система управлени  снабжена регул тором напр жени . Положительный эффект от использовани  предлагаемого изобретени  по сравнению с известным заключаетс  в том, что устройство обеспечивает исследовани  не только колеблющихс  крыльев, но и рабочих элементов других типов движителей - лопастей

0

5

0

5

0

винта, лопастей крыльчатого движите-..- л ; с помощью электронной системы управлени  задаетс  или выбираетс  необходимый стационарный или нестационарный закон движени  роторов электродвигателей и рабочих элементов движител ; применение электронной системы управлени  позволило исключить громоздкую и т желую механическую часть привода - маховик, кривощипно-шатунный механизм; изменением взаимного положени  осей и упоров рабочих элементов легко регулируетс  угол поворота рабочих элементов относительно направлени  по- ступйтельных перемещений всего уст- ройства; двухдвига тельный электропривод с независимыми .электродвигател ми  вл етс  удобным при исследовании способа уменьщени  потерь на закручивание потока посредством задани  противоположного друг относитель- .но друга направлени  вращени  роторов с рабочими элементами; применение нескольких двухдвигательных приводов позвол ет находить и исследовать режимы посто нной по времени - т ги при нестационарных режимах работы движителей.

Claims (1)

1. Формула изобр

   е т е н и  

   5

   0

   5

   0

   Устройство дл  экспериментальных исследований гидравлических движителей , содержащее электродвигатели с регул торами, св занные с исследуемым движителем, о т л- и ч а ю щ е е - с   тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей устройства , электродвигатели выполнены обращенными двухфазными, при этом в каждом из них статор снабжен системой катушек с ферромагнитными сердечниками , установленными на наружной поверхности статора, причем оси ка- тущек перпендикул рны к оси электродвигател , а ротор выполнен в виде ферромагнитной обечайки и снабжен посто нными магнитами, установленными на внутренней поверхности обечайки , и узлами креплени  движител , раз - мещенными на наружной поверхности обечайки .

   Фиг.г

   п п

   Фие.З

   11

   У.

   Uc-k

   ЗУ

   УУ

   РН -II1

   . гЧ

   |7/ГГ /;/

   /

   ;

   О

   и.

   Рг

   iTiuKm

   О

   ФигЛ

   о;

   L

   мг

   {J

   ДОС

   мое г

   Фие.5

   гж

   Жтакт

   7тант

   j: срага.

   t

   H-J

   2-  (раза

   ir,/:

   l

   1-Й фаза

   Фиг.7

   2   фаза