Способ управления магнитной опорой и устройство для его осуществления

)5 Г 16 С 32/ ГОСУДАРСТНЕННЬИПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИПРИ ГННТ СССР ОМИТЕТТНРЫТИЯМ ИОАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ИДЕТЕЛЬСТВ й АВТОРСИОМ 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 вьг ход - с управляющим входом усилителя мощности системы управления током, выход которого подключен к обмотке управления. При отклонении контролируемого тока в обмотке управления за пре- сФ делы заданной границы Формирователь ижульса тока импульсно изменяет магТрегубо УПРАВ. г, НИ 5 ТВО ДЛЯ Е стояние магнитопрово воздействие обеспечи телем импульса тока не контролируемый т авления не достигнет нитное ается о тех ульсно формир ов пор, пок об заданил о от зона. 2 с.п, ф-лы,ного На Фиг. 1 представлена схема меха- еь нической части магнитной опоры с об) щей обмоткой управления; на Фиг.2 - структурная схема формирователя импульсов тока; на Фиг. 3 - пример вьг полнения усилителя мощности при совме- кафф щении непрерывного и импульсного управления на одной обмотке; на фиг,4 Форма сигналов на выходе различныхэлементов формирователя импульсов в ока; на фи амагниченн(56) Гапикян Г,С. и др. Исследования моделей упргвляемьсс постоянных магни тов; ЕЕз в вьсш., учеб. загедений, Эле трс)механика", 1979, Р 11, с. 1027- 1028.(54) СПОСОБ МАГНИТЕЕОЙ ОП РОЙ И УСТРОЙС ГО ОСУЕЦЕСТВЛЕЕЕИБ(57) Изобретение относится к машино строению, г именно к подвешиванию т в магнитном поле, Цель изобретения снижение энергопотребления магнитно опоры при изменении постоянной составляющей силы внешнего воздействия широком диапазоне. Осуществляют импульсное изменение тока в обмотке в виде последовгтельности импульсов п Изобретение относится к машиност ению и приборостроению, а именно к. технике подвеса различных тел в упр ляемом магнитном поле, и может найт применение, например, при подвесе р торов в магнитных опорах, магнитном,поднес:; высокоскоростного транспорт Целью:;. обретения является сниже ние эгергопотребпения магнитной опо ры, при возействип пцэеменных кваз стати"вских наг р у . к, 5 - процесс измененияи магнитотвердого матриала; на фиг. 6 - квазистатическийпроцесс управления при медленном изменении внешней силы,Магнитная опора (Фиг. 1) .содержитнеподвижный магнитопровод из магнитомягкого материала 1, магнитопровод2, часть 3 которого выполнена из магнитотвердого материала, подвижныймагнитопровод - из магнитомягкого 10материала 4, подвешиваемое тело 5,обмотку 6 управления, релейный элемент (РЭ) 7, фильтр 8 нижних частот(ФНЧ), датчик 9 тока, выпрямитель 10,управляемый генератор 11 пилообразного 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 7 Т 20-7 Т 23, дополнительный управляемый ключ 7 Т 24импульсного режима питания обмотки управления, диоды обратного тока 257 Э 257 Э 29, диод 7 ЭЗО, конденсаторС 31 и основной блок 32 управления.Магнитное состояние постоянногомагнита характеризуется точкой отхода 33, прямой проводимости 34, точками характеристики 35,41.РЭ 7 с нелинейностью типа "зонанечувствительности" подключен черезФНЧ 8 к датчику 9 тока обмотки 6управления. Выход РЭ 7 соединен с вхо-дом выпрямителя 10, выход которогоподключен к УГПН 11. Выходы НГПН 12и УГПН 11 подключены к входам компаратора 13. Выход компаратора 13 соединен с одними из входов. ЛЭ И 14 и 15 4выходы которых и выход компаратора 13соединены с усилителем 16 мощности.Другие входы ЛЭ И 14 и 15 соединеныс выходами ЛЭ ИЛИ 17 и .18 соответственно, входы которых соединены с выходом РЭ 7, причем ЛЭ 18 - через инвертор 19. Усилитель мощности может быть реализован, например, по мостовой схеме (фиг. 3) и состоять из четырех управляющих ключей, например транзисторных 7 Т 20-7 Т 23, дополнительного управляемого ключа ЧТ 24 импульсного режима питания обмотки управления, диодов обратного тока ЧЭ 25-7 Э 29, диода ЧЭЗО, 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 ЧТ 24. Выход ЛЭ И 14 соединен с управляющими входами ключей ЧТ 20 и ЧТ 23 одной диагонали усилителя 16 мощности, а выход ЛЭ И 15 - с управляющими входами ключей 7 Т 21 и 7 Т 22 другой диагонали усилителя 16. К указанным ключам 7 Т 207 Т 23 подключены выходы основного блока 32 управленияоСпособ 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 заданны 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 своесостояние по частным циклам.Сущность происходящих явлений при ,осуществлении способ управления маг- 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 (Яд, -Я) 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 ( А 1 с 1 41) нуля. Когда величина внешней силы увеличивается (или уменьшается), то система. непрерывного управления током (блок 32), стремясь компенсировать ;ъто изменение, увеличивает (или35 40 45 50 55 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 прикратковременном 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 Я,сЯогде Ио - частота собственных колебаний магнитной опоры. При превышении средним значением тока границ заданного диапазона 2(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, запускаемьщ по сигналу РЭ 7, поступающесму через выпрямитель 10, Частота следования импульсов Я , задается НГПН 12 и должна удовлетворять неравенству у4 Я . 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 , создаваемой за счет остаточной намагниченности, соответственно увеличивается (уменьшается), непрерывный так управления 1стремится к О, поскольку постоянная ("медленная") составляющая внешней силы (, внов, компенсируется за счет остаточной намаг-, ниченности магнитотвердоа материала,677 О6 11 ри вхождении среднего значения непрерывнага тока в заданный диапазон(2 ЬЦ подача импульсов прекращается до следующего значительного (определяемого величиной диапазона 2" ЬЦ .Конструкция магнитопроводав 1-4 магнитной опоры, осуществляющей управление по данному способу, может бытьсамой разнообразной, То же касаетсяи силовой части усилителя мощности,которая может быть выполнена как раздельной с различными обмотками дляимпульсного и непрерывного управления, так и совмещенной, подключенной к одной обмотке (фиг. 3) с разделением управляющих воздействийЙцр и П) по времени, а также содним или несколькими уровнями питаю". щего напряжения. Формирование импульсов тока может осуществляться как широтно-импульсным управлением (ШИУ)напряжением Б цр (фиг, 4), так и амплитудна-импульсным, а также другимиизвестными способами. Управление током непрерывной части системы управления также может осуществляться любыми известная 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.При необходимости изменения магнит- його состояния впротивоположную сторону, т.е. в сторону уменьшения намагниченности, импульсы тока создают 5 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 чениям на прямой проводимости при импульсном изменении тока. Хотя для получения одного и того же магнитного состояния материала ток в импульсе должен быть несколько больше,чем величина непрерывного тока (что соответствует, например, Н) 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 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 мителем 10 сигнал поступает на УГПН 11, а затем на компаратор 13, на кото" рый одновременно подается сигнал повышенной частоты с НГПН 12. После компаратора созданная последовательность импульсов напряжения с возрастающей длительностью (фиг 4) поступает на ключ 7 Т 24 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 зависимостиот направления смещения сигнал РЭ 7 пройдет либо через ЛЭ ИЛИ 17, либочерез ЛЭ ИЛИ 18. Инвертированиесигнала обеспечивается инвертором 19.В зависимости от направления смещения будут открыты ключи ЧТ 20, 7 Т 23или ключи ЧТ 21, ЧТ 22 диагоналей мостового усилителя 16 мощности. Логикауправления соответствующими ключамиобеспечивается ЛЭ И 14 и 15. При по- .даче последовательности импульсов напряжения на обмотку 6 управления в нейбудет создана последовательность импульсов тока, длительность которыхзависит от длительности импульсов напряжения. Эти импульсы тока, создаваясоответствующую напряженность поля вчасти магнитопровода 3 из магнитотвердого материала, обеспечивают изменениеего магнитного состояния,аследовательно, и магнитного потокапо частным циклам (фиг. 5). При этомв зависимости от знака импульсов токапроисходит увеличение или уменьшениемагнитного потока, создаваемого магнитотвердой частью 3 магнитопровода 2,Это измерение потока происходит дотех пор, пока не произойдет изменение положения подвешиваемого тела втакой степени, что оновернется в за-,.данные границы. При этом в заданныеграницы вернется и среднее значениетока в обмотке 6 управления, сигнал сРЭ 7 прекратится и импульсы перестанутсоздаваться. Часть 3 магнитопровода2 из магнитотвердого материала должнабыть выполнена из докритического материала для того, чтобы возможно бьщообеспечить эффект "запоминания" предыдущего магнитного состояния. К таким материалам относятсянапример,группы ЮНД, ЮНДК, материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (по индукции) . Такие же материалы, как КС 37феррит бария, являющиеся закритическими, не годятся для использования вданной опоре.Реализация способа управления возможна при использовании управляемоймагнитной опоры. Наибольший эффект;при применении данного способа и устройства, его реализующего, достигается при изменении постоянной составляющей силы в широком диапазоне,Способ управления магнитной опоройи устройство для его осуществленияпозволяют снизить по сравнению с прототипом энергопотребление, посколькупри импульсном способе управления дей 1606770 10ствувщее значение тока обмотки (фиг.6) значительно ниже, чем при непрерыв ном управлении. Это связано с тем, что энергия, затрачиваемая на импуль 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 151. Способ управления магнитной опорой, включающий изменение магнитного потока в воздушном зазоре магнитопровода, часть которого выполнена из 20 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 й с я тем, что, с целью снижения энергопотребления опоры при воздействии переменных квазистатических нагрузок, устанавливают граничные значения тока в обмотке и при от 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 40 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, подвижныймагнитопровод, закрепленный на подвешенном теле причем часть одного измагнитопроводов 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 опоры оно снабжено дополнительным блоком управления с датчиком тока, фильтром нижних частот, релейным элементом, выпрямителем, инвертором, управ-.ляемым и неуправляемым генераторамипилообразного напряжения, компаратором, ключом импульсного режима, атакже двумя логическими элементамиИЛИ и двумя логическими элементами И,магнитотвердая часть магнитопроводавыполнена из докритического материала, причем датчик тока включен последовательно с обмоткой, вход релейногоэлемента соединен через фильтр ниж-.них частот с датчиком тока, а выход -с входом одного логического элементаИЛИ, входом выпрямителя и через инвертор с входом другого логическогоэлемента ИЛИ, выход выпрямителя соединен с входом управляемого генератора пилообразного напряжения, выходкоторого подключен к первому входукомпаратора, второй вход которогосоединен с выходом неуправляемогогенератора пилообразного напряжения,выход компаратора соединен с управляющим входом ключа импульсного режимапитания обмотки управления и с однимиз входов логического элемента И,другие входы которых соединены с вы-ходами логических элементов ИЛИ,причем выходы одного логического элемента И подключены к управляющим входам ключеи соответствующей диагоналимостового усилителя мощности, а вьюходы другого логического элемента ИЛИк управляющим входам ключей другойдиагонали.1606770 Корректор А. Осауленко Лежнина дакто ехр аказ 35 Тираж Подписноебретениям и открытиям праушская наб д. 4/5 Го ета по иа, Жрственного коми 113035, Мос роизводственно"издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10