Study of Proportional Pressure Modulator on the Basis of Electromagnetic-Type Linear Motor

Study of Proportional Pressure Modulator on the Basis of Electromagnetic-Type Linear Motor = Исследование пропорционального модулятора давления на основе линейного двигателя электромагнитного типа / M. Yu. Zalohin [et al.] // Наука и техника. – 2018. – №5. – С. 440-446.

Abstract

The paper deals with a workflow of a proportional pressure modulator equipped with a linear electric motor of electromagnetic type (LEMET). A schematic diagram consisting of a power supply and control system has been constructed to determine the performance of LEMET. The power supply system is a self-contained half-bridge inverter. The converter input is supplied with 12 V DC voltage. The motor phase is powered by an inverter which includes transistor switches and diodes. The control system of the autonomous inverter consists of two channels – a current limiting channel and a linear transfer channel. The study is based on the results of numerical and simulation modeling of LEMET workflows. Numerical simulation is performed and investigated by a finite element method in the FEMM environment. Geometry of the LEMET model lies in the region of air with an electromagnetic permeability of 1. An initial radius of the grid generation for the working gap area is 0.5 mm, while for other areas an adaptive generation method has been applied. In order to determine a continuous power function at any point within a current variation interval i and a displacement x current linkage and electromagnetic force functions have been approximated by polynomials use of the Curve Fitting application. The simulation LEMET model of a proportional modulator has been built in the MatLab Simulink environment. The implicit Runge-Kutta method using the secondorder inverse differentiation formulas with a variable step has been applied for solution of a mathematical model in the MatLab Simulink system. The equation of an electrical circuit for an inductor motor phase has been compiled according to the second law of Kirchhoff. The LEMET traction characteristics have been obtained by moving a locking and adjusting element (LCE) from 0 to 6 mm in steps of 1 mm while changing the MMF in the winding from 0 to 2 A in steps of 0.1 A. It has been established that in order to move the LCE by 6 mm with the speed of 40 mm/s with a resolution of 0.15 mm, the maximum value of the current in the LEMET winding is equal to 2.5 A. In this case the value of the electromagnetic force is 120 N. This makes it possible to improve an accuracy of the brake drive pressure regulation by 12.3 %. Solutions have been proposed to increase the LEMET speedwork. Characteristics of the engine have been described and numerical parameters of LEMET have been determined in the paper. The developed simulation model allows to investigate functional properties and dynamic characteristics of the proportional modulator with a relative error of 4.07 %.

Abstract in another language

Проведено исследование рабочего процесса пропорционального модулятора давления с линейным электродвигателем электромагнитного типа (ЛЭДЭТ). Для определения рабочих характеристик ЛЭДЭТ составлена принципиальная схема, состоящая из системы питания и управления. Система питания представляет собой автономный полумостовой инвертор. На вход преобразователя подается постоянное напряжение 12 В. Фаза двигателя питается от инвертора, в состав которого входят транзисторные ключи и диоды. Система управления автономным инвертором состоит из двух каналов – канала ограничения тока и канала линейного перемещения. Исследование основано на результатах численного и имитационного моделирования рабочих процессов ЛЭДЭТ. Численное моделирование выполнено и исследовано методом конечных элементов в среде FEMM. Геометрия модели ЛЭДЭТ заключена в область воздуха с электромагнитной проницаемостью, равной 1. Начальный радиус генерации сетки для области рабочего зазора составляет 0,5 мм, а для других областей установлен адаптивный метод генерации. Для определения непрерывной степенной функции в любой точке интервала варьирования тока i и перемещения x функции потокосцепления и электромагнитной силы аппроксимированы полиномами при помощи приложения Curve Fitting. Имитационная модель ЛЭДЭТ пропорционального модулятора построена в среде MatLab Simulink. Для решения математической модели в системе MatLab Simulink выбран неявный метод Рунге – Кутта, использующий формулы обратного дифференцирования 2-го порядка с переменным шагом. Уравнение электрической цепи фазы индукторного двигателя составлено согласно второму закону Кирхгофа. Тяговые характеристики ЛЭДЭТ получены путем перемещения запорно-регулирующего элемента (ЗРЭ) от 0 до 6 мм с шагом 1 мм при изменении магнито-движущей силы (МДС) в о бмотке о т 0 д о 2 А с ш агом 0 ,1 А. Установлено, что для перемещения ЗРЭ на 6 мм при скорости 40 мм/с с дискретностью 0,15 мм максимальное значение силы тока в обмотке ЛЭДЭТ равно 2,5 А. При этом значение элек- тромагнитной силы равно 120 Н. Это позволяет повысить точность регулирования давления в тормозном приводе на 12,3 %. Предложены решения, повышающие быстродействие ЛЭДЭТ. Описаны характеристики двигателя и определены численные параметры ЛЭДЭТ. Разработанная имитационная модель позволяет исследовать функциональные свойства и динамические характеристики пропорционального модулятора с относительной погрешностью 4,07 %.