Разработка методики автоматизированного расчета и усовершенствование реле с гезаконами

Актуальность работы. Для успешного претворения в жизнь решений партии и правительства и народно-хозяйственных планов развития СССР по ускоренному развитию и широкому внедрению в производство современных систем автоматики и средств связи, а также экономному расходованию электроэнергии и цветных металлов [I] немаловажное значение имеет разработка и улучшение качества таких коммутационных электрических аппаратов, как реле на герметизированных магнитоуправляемых контактах (МК) [2 + 10, 85.7 .

Простое реле на МК (герконе) представляет собой геркон, контактные сердечники (КС) которого изготовлены из магнитомягкого материала, с обмоткой управления (рис.ВЛ). Для удержания МК в замкнутом состоянии через управляющую обмотку реле должен непрерывно протекать ток. Это приводит к значительному расходу электроэнергии и проводникового материала обмотки при массовом применении реле на МК. Возникла необходимость найти способ замыкать МК кратковременным импульсом тока в обмотке, после прохождения которого контакты находились бы в замкнутом состоянии до тех пор, пока новый кратковременный импульс не разомкнет их. Поиски в этом направлении привели к созданию новых электромеханических быстродействующих коммутационных аппаратов — запоминающих магнитоуправляемых контактных устройств (ферридов). Ферриды сочетают в себе свойства МК и элементов магнитной памяти (ЭМП). Элементами магнитной памяти могут быть, например, внешние стержни или пластины, выполненные из магнитотвердых ферритов или из специальных магнитополужестких материалов с прямоугольной петлей гистерезиса, и расположенные вблизи МК [IIг 13]. Эти новые элементы нашли применение в СССР и за рубежом в электропромышленности, вычислительной технике, в системах автоматического контроля, изме.

Рис. В. I Общий вид геркона (или гезакона) с однообмоточной катушкой — управления.

1,2 — контактные сердечники геркона (или гезакона) — 3 — обмотка управления рительной технике, для переключения телефонных абонентов в коммутационных матрицах разговорного тракта на квазиэлектронных автоматических телефонных станциях (КЭ АТС).

Стремление к дальнейшему усовершенствованию ферридов, повышению надежности и уменьшению их массы и габаритов привело к созданию новых элементов, у которых КС выполнены из материалов, обладающих свойствами перемагничиваемых постоянных магнитов. Эти элементы называются герметизированными запоминающими контактамигезаконами [14]. За рубежом они получили название ремридов (США) и меморидов.

Япония) [73 * 75] .

Особое значение имеет использование гезаконов в квазиэлектронных автоматических телефонных станциях, так как открывает перспективу существенного улучшения КЭ АТС за счет сокращения объема и массы матриц разговорного тракта на 10 -г 15% по сравнению с матрицами на герконах [75].

Для изготовления КС гезаконов в СССР разработан магнитополу-жесткий сплав 40КНБ [15]. Его характеристики приведены в табл.В.I. Здесь так же указаны данные материала «$етеп (1иг 27», применяемого в США для изготовления ремридов, и материала «А/Свео^^оу применяемого в Японии для изготовления меморидов [14].

Из табл.В.I видно, что параметры отечественного сплава 40КНБ близки к зарубежным аналогам. Температурный коэффициент расширения (ТКР) сплава 40КНБ соответствует ТКР стекол, применяемых для изготовления баллонов герконов и гезаконов, что дает возможность получить хороший спай КС со стеклом.

Основные характеристики реле на гезаконах в настоящее время изучены недостаточно. В технической литературе неполно освещены вопросы проектирования и оптимизации этих коммутационных элементов. Крайне мало имеется сведений по.

Таблица В I.

Сравнение характеристик материалов.

Сплав, странаизготовитель 40КНБ СССР Яетепс/иг- 27 США ¿-/¿-всоееоу Япония.

Химический состав, % 40 Со-20 л/с —ЗЛ/£-(0,2*0,5) Се, остальное/^ 48 Со — 2,7К, остальное Ге 85 Со — 3 ¿-В, остальное/^.

Остаточная индукция, Т 1,55 1,8 1,45.

Коэрцитивная сила, кА/м 20 + 4 24 16.

Прямоугол ьно ст ь петли- 1 0,95 0,9 0,95.

Температурный коэффициент линейных расширений,. п 1/°0 • Ю7 104 104 123 исследованию схем управления гезаконами и рекомендаций по оптимальному выбору их параметров. Существующие методы расчетов [16 * 18] магнитной системы релейных устройств с гезаконами основываются на том, что в режиме намагничивания (при включенном сигнале управления) КС промагничиваются во всех сечениях по длине до насыщения и, вследствие этого, в режиме самоудержания (при выключении управляющего сигнала) они размагничиваются по предельной петле гистерезиса материала. Такое допущение является грубым и совершенно не отражает реальную картину магнитного поля, так как известно, что равномерное намагничивание может получить ферромагнитное тело только в форме эллипсоида вращения, помещенное в равномерное поле [19]. Контактные сердечники не являются по своей форме эллипсоидом вращения, и обмотка намагничивания не создает для них равномерного поля, так как ее длина равна, как правило, длине стеклянного баллона, что меньше общей длины КС гезакона (рис.ВЛ). Это все вносит погрешности при расчете характеристик гезаконов и выборе их параметров.

Для получения реальной картины магнитного поля в КС гезакона и пространстве, их окружающем, необходимо решить сложную пространственную полевую задачу. Современный уровень развития ЭВМ позволяет решать полевые задачи расчета магнитных полей с применением разнообразных численных методов. К наиболее распространенным и известным относятся метод конечных разностей (МКР) [20, 21], метод конечных элементов (МКЭ) [22] и методы, основанные на решении интегральных уравнений [23 + 25]. Сущности МКР и МКЭ заключаются в замене области некоторого непрерывного параметра конечным множеством точек. Для достаточной точности расчетов требуется большая память ЭВМ. Даже оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) современных ЭВМ зачастую не позволяют вести расчет магнитного поля для большого числа узловых переменных.

Метод, основанный на решении интегральных уравнений, обладает рядом преимуществ перед МКР и МКЭ. Этот метод, позволяющий также как МКР и МКЭ решить трехмерную полевую задачу (определить индукцию в любой точке магнитной системы по известным источникам магнитного поля) с учетом реальных нелинейных характеристик магнитных материалов, проще реализовать в программах на ЭВМ, что связано с большей физичностью математических уравнений и не требует столь большого объема ОЗУ.

При выборе данного метода [25] в качестве основы для расчета гезаконового реле ферромагнитные элементы разбиваются на элементарные объемы с постоянной плотностью вектора намагниченности (М.), а обмотки с током заменяются элементами с постоянным вектором плотности тока.

Распределение вектора Я по всем элементам магнитнои системы, а также напряженность поля в любой точке пространства находится численным решением интегральных уравнений с помощью ЭВМ. Для правильного применения этой методики и получения картины магнитного поля, близкой к реальной, следует провести исследования распределения магнитного потока в КС и анализмагнитного поля в воздушном пространстве. Это позволит выбрать рациональный способ раз-. биения ферромагнитных элементов на элементарные объемы и расположение точек расчета магнитного поля для определения электромагнитной силы взаимодействия КС. Применение методики, изложенной в [2э], позволяет рассчитывать магнитную систему гезакона лишь в режиме намагничивания (когда включена обмотка управления) и получать близкое реальному неравномерное распределение вектора намагниченности по длине КС.

Для режима самоудержания (когда снимается сигнал управления) методика [25] непосредственно применена быть не может. Здесь необходимо разработать новую методику, алгоритм и программу, которые позволили бы рассчитывать процесс размагничивания каждого элементарного объема по своей (частной или предельной) петле гистерезиса материала для изготовления КС. Это дает возможность также как и для режима намагничивания получить распределение вектора М. по всем элементам магнитной системы гезакона и напряженность поля в любой точке пространства. Создание такой методики, алгоритма и программы позволит осуществлять автоматизированное проектирование гезаконов на заданные параметры, а также решить оптимизационную задачу.

Важным для эксплуатации гезаконов является предварительные исследования способов их управления. Существует много способов управления гезаконами [12]. В гезаконовых реле при управлении однообмоточной катушкой (рис.В.1) в нее подается импульс тока, достаточный дл*-срабатывания гезакона. сг>

При этом перекрывающие концы КС оказываются разноименно-намагни-ченными и притягиваются друг к другу. Контактные сердечники будут находиться в замкнутом положении до тех пор, пока в обмотку не будет подан импульс тока противоположного направления, который размагнитит КС.

В катушках трехобмоточной схемы управления (рис.В.2,а)[ ] на два каркаса наматываются три обмотки с одинаковым числом витков. При перемещении переключателя 5 в положение «а» сигнал управления подается в обмотки и • Магнитное поле, обусловленное токами в обмотке^, намагнитит КС I в том же направлении, что и магнитное поле, обусловленное током в обмотке <сГ3, намагнитит КС 2: и Ф3 — потоки соответственно в КС I и КС 2 (рис.В.2,а). При достаточной величине напряженности поля от обмоток ¦иГ±и ~иУ3 гезакон сработает. Для того, чтобы произошло отпускание, необходимо переключатель 3 перевести в положение «б». Тогда магнитное поле от тока в обмотке перемагнитит КС I (на рис.В.2,а поток ф*). Магнитное поле, обусловленное током в обмотке иУ3, подмагнитит КС 2 в прежнем направлении. Однако, с учетом влияния поля от тока в обмотке распределение потока в КС 2 изменится, при этом его направление останется неизменным. Вследствие встречного намагничивания КС происходит отпускание гезакона.

При использовании одного источника разнополярных импульсов тока возможно применение дифференциальных схем с шунтирующим диодом [26, 27.]. Этот способ управления предполагает использование четырех обмоток управления, соединенных как показано на рис. В.2,б. Здесь =, Х4Тп =, причем отношение числа витков обмоток =. При подаче сигнала управления на срабатывание («+» на зажим «а» и — на зажим «б») происходит а).

Рис. В.2 Многообмоточные катушки с гезаконом, — управляемые одним источников: а — трехобмоточная катушкаб — катушка с обмотками, соединенными по дифференциальной схеме с шунтирующим диодом.

1,2 — контактные сердечники гезакона- 3 — стеклянный баллон- 4 — магнитный шунт-^, ,^н > г.' «^2/- обмотки управленияЛ — переключатель обмотокII — напряжение питания схемы следующее: токи в обмотках и^и создают внутри катушек результирующее магнитное поле, поток которого направлен согласно МДС от обмотки. Аналогично токи в обмотках г и иГЛ1 создают результирующее магнитное поле, поток которого фг направлен согласно МДС от обмотки. Поэтому КС I намагнитится результирующим магнитным полем в том же направлении, что и КС 2. При достаточной величине напряженности поля от обмоток гезакон сработает. Для того, чтобы гезакон отпустил, необходимо изменить полярность импульса. В этом случае обмотки и иг2г шунтируются диодом. Токи обмоток и ??^ И ИХ МДС /?2 и ?}{ изменят свои направления на противоположные. Контактный сердечник I перемагнитится магнитным полем от токов обмотки в противоположном направлении. Магнитное поле, обусловленное током в обмотке, подмагнитит КС 2 в прежнем направлении. Вследствие встречного намагничивания КС гезакон разомкнётся.

Возможно управление гезаконом катушками (рис.В.3,а и б), обмотки которых соединены по дифференциальной схеме без шунтирующего диода (рис.В.3,в), [77]. В этом случае образуются две автономные электрические цепи, управляемые от двух источников тока: первая цепь X — обмоток Щг и, а вторая Ч — обмоток и.

Ггг^г ,.

Х/Тг1, «^и'.Щи, Я = (рис.В.3,в). Процесс срабатывания гезакона происходит при включении обеих цепей одновременно. При этом, аналогично схеме с диодом, токи в обмотках и создают внутри катушек результирующее магнитное поле, поток которого Ф1 направлен согласно потоку Фг результирующего магнитного поля от токов в обмотках иГ21, и иИг1, рис. В.3,в (направления МДС обмоток Гц, ,^г > ¡-¿-г ПРИ этом изображены сплошными стрелками). Отпускание гезакона производится сигналом по одной из цепей X или I/. Так, например, при отпускании по цепи X положительным сигналом (той же полярно а) б).

— оX.

4- о.

— 0У.1 о.

Пг ;

— «* I? < I/- — — - - ь У т.

— йГ22. О" .

I).

Рис. В. З Катушки с обмотками, соединенными по дифференциальной схеме, для управления гезаконом: а— катушки типа Аб — катушки типа Вв — схема соединения обмоток.

— обмотки управления сти, что и при срабатывании, рис.В.3,в) КС 2 перемагнитится магнитным полем токов в обмотке иГг1 в противоположном направлении. Магнитное поле, обусловленное током в обмотке, подмагнитит.

КС I в прежнем направлении. Вследствие встречного намагничивания КС гезакон разомкнётся. При подаче положительного сигнала на отпускание по цепи Ц (рис.В.З, в) происходят аналогичные явления с той лишь разницей, что перемагничиванию подвергается КС I магнитным полем тока в обмотке.

Для улучшения процесса отпускания в схемах управления гезаконом (рис.В.2 и В.3,а и б) применяются магнитные шунты 4 [11,12, 16,67,837 .

В [83] предлагается для дифференциальной схемы использовать катушки типа, А и В, в которых обмотки с меньшим числом витков (иГ^ и), располагаясь поверх обмоток с большим числом витков (, -иГг1), для типа, А занимают половину длины катушки, концентрируясь к зазору гезакона (рис.В.3,а), и для типа В — всю длину катушки (рис.В.3,6) — рекомендуемое в [831 оптимальное отношение числа витков П. = 1,6. Однако при этом не выявлено влияние смещения гезакона относительно симметричного положения и наличие магнитного шунта на оптимальную величину П.. В литературе также нет рекомендаций по соотношению числа витков обмоток дифференциальной схемы с шунтирующим диодом.

Представленная работа по созданию гезаконов выполнялась по приказу Минвуза СССР № 4 от 12.01.78 г. и проводилась по Целевой комплексной программе 0.Ц.028. Программа расчета, разработанная в диссертации, предназначена для выполнения в МЭИ комплексной целевой программы — 0.Ц.027 в части создания систем автоматизированного проектирования (САПР) реле на гезаконах.

Цель и задачи работы. Целью представленной работы является разработка методики, алгоритма и программы автоматизированного расчета (с применением ЭВМ) магнитной системы и электромагнитных силв гезаконовых реле с учетом трехмерности поля и неравномерности намагничивания контактных сердечников током управленияразработка рекомендаций по усовершенствованию реле с гезаконами.

В соответствии с поставленной целью основные задачи работы определены следующим образом:

— анализ распределения магнитного поля в гезаконовых реле;

— разработка методики, алгоритма и программы расчета магнитной системы гезаконовых реле с учетом трехмерности поля и реального неравномерного распределения вектора намагниченности по длине КС, а также расчета вектора электромагнитной силы взаимодействия КС;

— создание гезаконов, отвечающих требованиям максимальной величины комплексного параметра оптимизации;

— анализ влияния геометрических размеров гезакона на комплексный параметр оптимизации, силу контактного нажатия и резонансную частоту собственных колебаний КС;

— исследование схем управления гезаконом и разработка рекомендаций по их использованию в реле.

Методы исследования. Исследование магнитного поля гезаконовых реле проводилось с помощью аналогового моделирования на электропроводной бумаге. Определение поля внутри контактных сердечников и электромагнитной силы их взаимодействия осуществлялось натурным моделированием. В теоретической части работы применены методы математического моделирования, планирования эксперимента и статистические методы.

Научная новизна работы.

I. Произведен анализ магнитного поля’гезаконовых реле с целью определения рационального способа разбиения магнитной системы на элементарные объемы при ее расчете и определении электромагнитной силы взаимодействия контактных сердечников.

2. Разработана методика расчета магнитной системы гезаконовых реле, основанная на решении интегральных уравнений с учетом реальной топографии объемного поля системы. Методика позволяет рассчитать: а) распределение вектора намагниченности по контактным сердечникам при включенном и выключенном сигналах управления, б) процесс размагничивания каждого сечения КС по своей (частной или предельной) петле гистерезиса материала изготовления при выключении сигнала, в) вектор напряженности магнитного поля в любой точке воздушного пространства, г) направление и величину электромагнитной силы взаимодействия контактных сердечников.

3. Получены уравнения регрессии, представляющие собой связь комплексного параметра оптимизации и силы контактного нажатия гезакона с его основными размерами. Исследовано влияние размеров контактных сердечников гезакона на комплексный параметр оптимизации, силу контактного нажатия и резонансную частоту собственных колебаний.

4. Выявлено влияние: а) расположения гезакона внутри управляющих обмоток, соединенных по трехобмоточной схеме и по дифференциальной схеме (с шунтирующим диодом и без него), на его работуб) амплитуды и длительности импульса управления на работу гезакона в однообмоточной и трехобмоточной катушкахв) толщины магнитного шунта на МДС срабатывания и отпускания гезакона при управлении трехобмоточной катушкойг) длины обмотки однообмоточной катушки на распределение потока в контактных сердечниках гезаконад) соотношения числа витков обмоток, смещения гезакона относительно симметричного положения в управляющих обмотках различной длины и взаимного расположения в катушках на МДС и токи срабатывания и отпускания для дифференциальных схем с шунтирующим диодом и без него.

Практическая ценность.

1. Созданы алгоритм и программа автоматизированного расчета магнитной системы гезаконовых реле, позволяющая получить распределение вектора намагниченности по контактным сердечникам, вектор напряженности поля в любой точке воздушного пространства и вектор электромагнитной силы взаимодействия КС. Программа расчета предназначена для системы автоматизированного проектирования (САПР) реле на гезаконах.

2. Разработана конструкция гезакона, отвечающая требованию максимальной величины комплексного параметра оптимизации.

3. Разработаны рекомендации по усовершенствованию различных способов управления гезаконом для создания реле и матричных соединителей. Определены: рациональное размещение гезакона внутри обмоток, оптимальная толщина магнитного шунта, амплитуда и длительность управляющих импульсов в трехобмоточной катушкерациональная длина обмотки, амплитуда и длительность управляющих импульсов в одно-обмоточной катушке. Рекомендованы конструкции катушек с определенным расположением управляющих обмоток, соотношением числа витков и расположением гезакона внутри обмоток, соединенных по дифференциальной схеме с шунтирующим диодом и без него. Определены благоприятные и неблагоприятные сочетания последовательных импульсов управления в дифференциальной схеме без диода.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы для создания двух типов гезаконов МКА-27 601 и МКА-20 601 и реле на их основе.

Алгоритм и программа расчета предназначены для системы автоматизированного проектирования (САПР) реле на гезаконах.

Апробация работы. Материалы работы докладывались, обсуждались и получили одобрение:

— на 2-ой межотраслевой Всесоюзной конференции «Повышение технического уровня изделий слаботочной релейной техники», г. Новгород, 1980 г.;

— на Всесоюзной научно-технической конференции «Специальные коммутационные элементы», г. Рязань, 1981 г.;

— на научной конференции, посвященной 60-летию образования СССР, г. Москва, МЭИ, 1982 г.;

— на У московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования, г. Москва, 1983 г.;

— на Всесоюзной научно-технической конференции «Специальные коммутационные элементы», г. Рязань, 1984 г.;

— гезакон МКА-27 601 совместно с дифференциальной схемой управления с шунтирующим диодом экспонировался на ВДНХ СССР в 1980 г. и был удостоен золотой медали, а также на выставке «МЭИ — энергетике страны и г. Москвы» в 1983 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе получено одно авторское свидетельство. Материалы диссертации вошли в четыре отчета по научно-исследовательским работам, выпущенные кафедрой Электрических аппаратов Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

I. РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ГЕЗАКОНА В РЕЖИМЕ НАМАГНИЧИВАНИЯ С УЧЕТОМ НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ В КОНТАКТНЫХ.

СЕРДЕЧНИКАХ.

Важным этапом проектирования герметизированного запоминающего контакта и реле на его основе является расчет его магнитной системы и поля вблизи области перекрытия контактных сердечников (для определения электромагнитных сил взаимодействия КС). Для получения картины распределения вектора намагниченности /1 в КС гезакона и расчета поля в любой точке пространства была использована методика расчета систем с постоянными магнитами [24,25], основанная на решении пространственных интегральных уравнений магнитного поля. При этом для применения методики необходимо провести анализ магнитного поля в КС и в пространстве вокруг них. Расчет магнитной системы подразделяется на два основных этапа:

— расчет распределения вектора намагниченности с учетом нелинейных характеристик ферромагнитного материала;

— определение топографии поля вектора Я в исследуемой области.

Реализация первого этапа производится с помощью решения системы интегральных уравнений для намагниченности и заданных нелинейных магнитных характеристик элементов магнитной системы.

Реализация второго этапа сводится к определению напряженности поля Н от найденного распределения источников и намагничивающей обмотки по известным интегральным формулам.

Выводы по пятой главе.

1. Результаты исследований, выполненных автором, использованы при разработке новых типов МК: гезакона типа МКА-27 601 для квазиэлектронных АТС и миниатюрного гезакона типа МКА-20 601 для реле.

2. Разработано новое конструктивное решение для катушек дифференциальной схемы управления гезаконом, на которое получено авторское свидетельство.

6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

I. Существующие методики расчета магнитной: системы гезако-новых реле основываются на допущениях:

— однородного промагничивания до насыщения всех поперечных сечений при его срабатывании;

— неучета габаритов обмотки управления.

Анализ магнитного поля гезаконовых реле вскрыл неравномерный характер намагничивания контактных сердечников гезаконов по их длине, зависящий от длины обмотки управления и позволил определить рациональный! способ разбиения магнитной системы гезакона на элементарные объемы при ее расчете и определении электромагнитной силы взаимодействия контактных сердечников.

2. Созданы методика, алгоритм и программа расчета на ЭВМ магнитной системы гезаконовых реле, основанные на решении интегральных уравнений с учетом реальной топографии объемного поля системы. Программа позволяет получить:

— распределение вектора намагниченности по контактным сердечникам при включенном и выключенном сигналах управления;

— процесс размагничивания каждого сечения контактных сердечников по своей петле гистерезиса материала изготовления при выключении сигнала;

— вектор нзлряженности магнитного поля в любой точке воздушного пространства;

— направление и величину электромагнитной силы взаимодействия контактных сердечников гезакона.

Рассчитанные по разработанной программе распределения магнитного поля в контактных сердечниках близки к экспериментальным данным, а тяговые характеристики лежат в доверительном интервале, в котором с вероятностью 0,999 находятся истинные значения тяговых характеристик, полученных экспериментальным путем.

3. Получены интерполяционные полиномы, определяющие связь силы контактного нажатия Р и комплексного параметра Л-, включающего в себя силу контактного нажатия, резонансную частоту собственных колебаний? и массу контактных сердечников т, с основными размерами гезакона: диаметром проволоки для изготовления контактных сердечников (?, перекрытием О. и толщиной плющенной части контактных сердечников /?. Определена конструкция гезакона, отвечающая требованию максимального значения комплексного параметра оптимизации. Выявлено влияние </, Я и Ь на Л, ¿-к и? .

4. Разработаны рекомендации по усовершенствованию различных способов управления гезаконами для создания реле и матричных соединителей. Определены:

— рациональное расположение гезакона внутри обмоток, оптимальная толщина магнитного шунта, амплитуда и длительность управляющих импульсов — в трехобмоточной катушке;

— рациональная длина обмотки, амплитуда и длительность управляющих импульсов — в однообмоточной катушке;

— благоприятные сочетания последовательных импульсов тока управления — в дифференциальной схеме без диода.

Рекомендованы конструкции катушек с определенным расположением управляющих обмоток друг относительно друга, соотношением числа витков и месторасположением гезакона внутри обмоток, соединенных по дифференциальной схеме с шунтирующим диодом и без него.

5. Результаты исследований, выполненных автором диссертации, использованы при разработке новых видов МК: гезаконов типа МКА—27 601, МКА-20 601. Разработано новое конструктивное решение для катушек дифференциальной схемы управления, на которое получено авторское свидетельство.

— 223.