CC BY
37
Механика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2008, № 6, с. 132-134
УДК 621.81
РАССМОТРЕНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ПУТЕЙ УМЕНЬШЕНИЯ ГАБАРИТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ
© 2008 г. Н.Г. Кодочигов г, В.С. Востоков г, Ю.А. Колесова г, С.В. Лебедева 2
1 Опытное конструкторское бюро машиностроения им. И.И. Африкантова
2 Волжская государственная академия водного транспорта
gorbunov@okbm.nnov.ru
Поитупила в редакцию 25.09.2008
Анализируется эффективность различных технических решений и структуры электромагнитного подвеса ротора, приводящие к уменьшению габаритов.
Ключевые илова: электромагнитный подшипник, ротор, габариты, разделение функций.
Введение
Габаритные размеры и стоимость электромагнитных подшипников (ЭМП) заведомо больше, чем у традиционно применяемых подшипников, что снижает их конкурентоспособность. Маловероятно, что в принципе возможно довести габариты ЭМП до размеров серийных подшипников качения. Тем не менее обсуждение целесообразности различных путей уменьшения габаритов ЭМП представляется полезным.
Заметим, что увеличение габаритов ЭМП определяет рост постоянной времени электромагнита (ЭМ) и, соответственно, требует повышения напряжения электропитания для сохранения области устойчивости системы. Это, в свою очередь, сказывается и на стоимости системы управления ЭМП.
1. Уменьшение габаритов осевого ЭМП. В ряде случаев наиболее критичным, например при вертикальном расположении ротора, является осевой ЭМП. Уменьшение габаритов осевого ЭМП представляет интерес по ряду причин:
- уменьшение дисбалансных сил;
- снижение величины деформации диска осевого ЭМП под действием осевой силы;
- снижение центробежных сил и, как следствие, снижение требований по прочности диска или ограничений предельной скорости вращения ротора.
Наиболее простым решением уменьшения габаритов ЭМП можно считать разделение функций ЭМП и, соответственно, деления обмоток и магнитопроводов по функциям [1].
Известно, что рабочая точка любого ЭМП выбирается на участке характеристики кривой
намагничивания, близком к линейному. За счет этого магнитопровод недоиспользуется. С другой стороны, известно, что в осевой ЭМП подается постоянная составляющая тока, которая компенсирует вес ротора для нахождения ротора в середине зазора. Если осевой ЭМП разделить на две части, одна из которых будет иметь рабочую точку в области насыщения магнитопровода («малый магнит»), а другая, традиционно, - в середине кривой намагничивания («большой магнит»), то при сохранении грузоподъемности габариты ЭМП будут меньше (рис. 1).
Рис. 1. Схема подключения обмоток ЭМП при разделении функций двух ЭМП
Конструктивно это может быть выполнено по-разному. Например, у ЭМ, запитанного от источника постоянного напряжения, сохранится объем «окна для меди», занимаемый обмоткой, но уменьшится сечение по сердечнику. Поскольку этот ЭМ предназначен для компенсации веса ротора, при условии, что осевая сила направлена всегда в сторону веса ротора, нижней части ЭМП не требуется. Вместо нее располагается дополнительный осевой ЭМП, который выполняет роль активного стабилизатора положения ротора (ток управления изменяется специальным регулятором тока (РТ) по измеренной координате и ее производной).
Расчетные оценки, выполненные в ОКБМ, показали, что экономия объема может составлять около 20% за счет разделения функций отдельных обмоток.
Возможно и другое конструкторское решение: ЭМ с насыщением железа располагается на внутреннем кольце, а регулирующий ЭМ - на наружном кольце одного и того же осевого ЭМП.
Сделаем несколько замечаний:
1. Изложенное относится не только к осевому ЭМП при вертикальной компоновке ротора, но и при горизонтальной - для компенсации любых осевых сил.
2. Логика компенсации однонаправленных сил ЭМ при насыщении магнитопровода применима и для радиальных ЭМП, например при горизонтальном расположении ротора, когда радиальные ЭМП вынуждены компенсировать вес ротора.
3. Электропитание ЭМ для компенсации однонаправленных сил не требует следящих систем управления (СУ). Необходим источник постоянного напряжения.
4. Выделение отдельного ЭМ для компенсации однонаправленных сил позволят одновременно реализовать принцип управления, изложенный в работе [1], позволяющий расширить область устойчивости ЭМП за счет появляющегося свойства самодемпфирования ЭМ, запитанного от источника постоянного напряжения. Это свойство может стать определяющим при создании ЭМ с большой грузоподъемностью, а для относительно малых мощностей агрегатов - снизить напряжения электропитания силовой части СУ ЭМП.
2. Уменьшение габаритов радиальных
ЭМП. Снижение габаритов радиальных ЭМП представляется менее актуальным. Однако радиальные ЭМП обладают существенной спецификой в части назначения: они предназначены в основном для борьбы с дисбалансом ротора и прохождения собственных резонансных частот.
Выше уже отмечалась возможность уменьшения габаритов радиальных ЭМП при горизонтальной компоновке. Физическое разделение радиальных ЭМП по назначению также может способствовать уменьшению габаритов и при вертикальной компоновке турбомашины. Например, ток одного радиального ЭМП изменяется традиционным способом, но маломощной СУ, предназначенной для удержания ротора в центре зазора. Другой ЭМ управляется от специальной СУ, которая создает вращающееся магнитное поле заданной фазы и амплитуды силы с рабочей точкой, лежащей в области насыщения железа. Данная схема требует разделения магнитопроводов.
3. Использование постоянным магнитов в
ЭМП. Внедрение постоянных магнитов (ПМ) в ЭМП носит неоднозначный характер, прежде всего, из-за появления дополнительной отрицательной жесткости ЭМП (ротор «прилипает» к одной стороне при смещении от осевого положения). Кроме того, при очень слабых полях ПМ можно не выиграть, а проиграть в силе. Поэтому применение ПМ в ЭМП требует тщательного изучения свойств конкретной конструкции ЭМП. Однако для иллюстрации принципиальной возможности увеличения тяговых усилий ЭМП приводим некоторые результаты расчетных исследований использования ПМ в ЭМП (рис. 2).
Для расчета магнитной цепи используем схему шагового двигателя с когтевой магнитной системой, где используются ПМ [2] или [3] (рис. 3).
Исходные уравнения для магнитных потоков по законам Кирхгофа будут следующие:
Ф1 + Ф2 = Ф3,
ф15-ф^ = ш - т, ф15+ф35 = 2Ш,
где Ф1, Ф2, Ф3 - магнитные потоки в ветвях. Направления выбраны в соответствии с обозначенным направлением на схеме магнитных движущих сил. Направление обхода - по часовой стрелке, 5 - магнитное сопротивление воздушного зазора, включая сопротивление в маг-нитопроводе, R - магнитное сопротивление постоянного магнита, включая магнитный зазор, Ш - ампер-витки электромагнита, Н1 - магнитодвижущая сила постоянного магнита (Н - напряженность магнита, I - его длина).
3
I, 0ТИ.6Д
Рис. 4. Зависимость силы ЭМ от тока с использованием ПМ и без него
Решение данной системы при разных величинах магнитного сопротивления по воздушному зазору (51 = а и 82 = 1 — а) имеет сле-
дующии вид
ф _ IW (2R +а) + Hla
1 R + а(1 - а)
ф _ IW(2R + (1 -a))-Hl(1 -а)
3 R + а(1 - а)
Ф2 - Ф2 _
-12W2(((1 - а)+ 2R)2 - (2R + а)2} (R + а(1 - а))2
2IWHl(а(2R + а)+ (1 - а)(2R + (1 - а)))
(R + а(1 - а))2
H
Ч 2^ (1 — а)2 — а2^
(Я + а(1 — а))2 Численные расчеты показывают, что при а = 0.5 сила линейно зависит от тока управления. При а ф 0 линейным сохраняется только начальный участок характеристики. Сравнительные результаты расчета сил с постоянным магнитом и без него приведены на рис. 4.
Приведенные численные расчеты носят иллюстративный характер, поскольку в данном случае не учитывается, например, зависимость тока управления от зазора и другие факторы, в частности нелинейность характеристики постоянного магнита.
Представляется важным то, что применение ПМ, в целом, похоже на введение токов начального подмагничивания: наличие отрицательной жесткости ЭМП, линеаризация системы, при отсутствии дополнительного нагрева ЭМ, и, при определенных параметрах, выигрыш в силе.
Заключение
1. Рассмотрены возможные пути уменьшения габаритов электромагнитных подшипников.
2. Приведенные результаты оценочных расчетов тяговых характеристик ЭМП при использовании ПМ свидетельствуют о том, что выигрыш в силе возможен при определенном соотношении параметров системы.
Список литературы
1. Митенков Ф.М., Кодочигов Н.Г., Востоков В.С. и др. Расчетно-экспериментальные исследования электромагнитного подшипника с дополнительным электромагнитом // Проблемы машиностроения и надежности машин 2004. № 3. C. 28-32.
2. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф., Ларионов А.Н. Электрические машины с постоянными магнитами М.-Л.: Энергия, 1964.
3. Патент США «Упорный магнитный подшипник (варианты)». № заявки US95/07347 (090695).
POSSIBLE WAYS TO REDUCE THE OVERALL SIZE OF ELECTROMAGNETIC BEARINGS
N.G. Kodochigov, V.S. Vostokov, Yu.A. Kolesova, S.V. Lebedeva
The effectiveness of different engineering and design solutions of the electromagnetic rotor suspension aimed at its overall size reduction is analyzed.
+
