автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Герметичные электроприводы на базе экранированных муфт с постоянными магнитами

р

г

г б од

Ч АПР 19ГЗ

На правах рукописи

ИЛЬИН ГЕОРГИЙ ПОЛИЕВКТОВИЧ

ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ НА БАЗЕ ЭКРАНИРОВАННЫХ МУФТ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Специальности: 05.09.01 - Электрические машины;

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их регулирование и управление

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургской лесотехнической академии.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КОСЬКИН Ю.П. доктор технических наук, профессор КОЗЯРУК А.Е. доктор технических наук ЕПИФАНОВ А.П.

Ведущая организация - НИИ ДОМЕН

Защита состоится " " 1995 г. в

на заседании диссертационного совета Д 063.36.01 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: Санкт-Петербург, 197376, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан". /3 " О-ИР^гЯ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Демидович В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Техническое перевооружение промышленности, направленное на создание эффективных и экологически чистых технологий, отвечающих мировым стандартам, вызвало необходимость поиска прогрессивных технических решений при создании новых перспективных электроприводов различного назначения и реконструкции старых.

Сотни технологических процессов в химической, нефтехимической, пищевой, газовой промышленностях, атомной энергетике, биофизике, микробиологии и многих других областях техники должны протекать в изолированных объемах. Причем, в большинстве случаев для их интенсификации требуется применение различного рода перемешивающих устройств, а также наличие в рабочих объемах аппаратов (реакторов) повышенных температуры и давления.

Таким образом, перед проектантами электроприводов для перемешивающих устройств различного рода реакторов стоит проблема передачи механической энергии в изолированные объемы при полной их герметизации. Аналогичная проблема стоит и при проектировании электроприводов для передвижения различных изолированных аппаратов в средах, проникновение которых внутрь аппарата крайне нежелательно. Сюда относятся различного рода подводные плавающие средства, надводные суда и т.д.

Традиционные способы решения указанной проблемы в настоящее время во многих случаях оказались неприемлемыми либо из-за недостаточного уровня герметизации (различного рода уплотнители), либо из-за низких технико-экономических характеристик (экранированные двигатели и электромагнитные муфты). Поэтому вопросы поиска и исследования более эффективных решений проблемы создания герметичных электроприводов не теряют своей актуальности для промышленности.

Применение экранированных магнитных муфт в составе герметичных электроприводов решает проблему абсолютной герметизации как вновь проектируемых, так и действующих аппаратов при незначительных затратах на их реконструкцию (замену уплотнителя муфтой). Поэтому достижение положительных результатов в решении вопросов, связанных с разработкой, исследованием и внедрением герметичных электроприводов на базе муфт с постоянными магнитами, может быть охарактеризовано как решение проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, полностью соответствующее направлению научно-технического прогресса в области создания перспективных электроприводов для различных отраслей промышленности.

Цель работы. Целью работы является Всестороннее исследование статических и динамических свойств магнитной муфты и системы электропривода в целом, направленное на создание герметичных электроприводов с улучшенными технико-экономическими показателями на базе муфты с постоянными магнитами.

Для достижения этой цели необходимо было решить комплекс следующих задач:

1. Разработка и теоретическое обоснование принципов построения математических моделей магнитной муфты и гермопривода, позволяющих связать их энергетические характеристики с основными конструктивными параметрами.

2. Создание совокупности математических моделей и алгоритмов для исследования и расчетов герметичных электроприводов с муфтами на постоянных магнитах.

3. Исследование поведения экранированной магнитной муфгы в составе электропривода при синхронном и асинхронном движении нолумуфт, выработка прак тических рекомендаций для проектирования, а также проведение экспериментальных работ.

4. Техническая реализация разработанных магнитных муфт в виде промышленных образцов и их внедрение.

Научная новизна.

- Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность рассмотрения физических процессов в магнитной муфте на постоянных магнитах без экрана и демпферной клетки, с экраном, с демпферной клеткой с помощью одной общей математической модели, базирующейся на уравнении квазистацнонарного магнитного поля в электропроводных средах, движущихся в магнитном поле, причем решение частных задач получается путем прямой подстановки в решение общей задачи нулевых параметров для тех элементов муфты, которые отсутствуют при рассмотрении.

- Теоретические и экспериментальные исследования картины магнитного поля в зазоре и на поверхностях полумуфт и сравнение усилий электромагнитного взаимодействия между полумуфтами при разных картинах поля, привели к выводу о том, что максимальные усилия получаются при распределении нормальной составляющей индукции магнитного поля в зазоре между полумуфтами по закону, близкому к синусоидальному. Поэтому при проектировании муфт на постоянных анизотропных магнитах не следует размещать магниты вплотную друг к другу, как рекомендуют другие исследователи. Оптимальное расстояние между магнитами разноименной полярности по окружности полумуфты лежит в пределах (0,2-0,3)г. Доказано, что применение двухслойного расположения магнитов на одной из полумуфт приводит к увеличению передаваемого момента на величину порядка 20%.

- Новизна метода решения полевых задач, поставленных в диссертации, заключается в выборе координатных осей, неподвижных в пространстве и не связанных с какой-либо полумуфтой или экраном, при этом относительное движение полумуфт оказывается равносильным смещению их относительно осей на одинаковое расстояние в разные стороны и картина магнитного поля получается симметричной, что упрощает решение задач и конечные результаты, которые хорошо увязываются с экспериментальными зависимостями.

- Оригинальность полученных автором аналитических зависимостей для расчета электромагнитных сил в муфте в их простоте и удобстве использования на

стадии эскизного проектирования, а также в том, что они дают меньшие расхождения с экспериментальными, в особенности в зоне малых зазоров между полумуфтами.

- Предложен аналитический метод решения уравнений движения электропривода с магнитной муфтой и исследовано поведение такого привода в динамических режимах. Предложен упрощенный метод расчета пуска магнитной муфты в составе привода, позволяющий на стадии проектирования согласовать динамические свойства муфты и двигателя с целью обеспечения возможности синхронного запуска.

- Получен новый алгоритм для поиска с помощью ЭВМ оптимальных соотношений параметров магнитных муфте постоянными магнитами из ферритов и редкоземельных материалов, использование которого позволило рассчитать параметры и создать серийно-способные конструкции с заданными характеристиками.

Практическая ценность. Научное значение результатов диссертационной работы заключается прежде всего в разработке методов расчета и исследования герметичных электроприводов, построенных с использованием магнитных муфт. Комплексное решение всей совокупности вопросов, составляющих основу проекта -рования электроприводов с магнитными муфтами данного класса намечает перспективу дальнейшего совершенствования методики их проектирований. Решение рассмотренных задач могут быть полезны при анализе процессов в других системах с постоянными магнитами, в которых окажется приемлемой математическая модель, например, в линейных муфтах, системах левитации, магнитных опорах, подвесах, коммутационной аппаратуре трубопроводов агрессивных продуктов и т.д.

Теоретические и экспериментальные исследования, базирующиеся на сформулированных в диссертации научных положениях, позволили получить ряд новых существенных результатов, устанавливающих зависимости между свойствами магнитных муфт в статических и динамических режимах и их параметрами. Такой подход позволяет вести автоматизированный поиск оптимальных соотношений параметров магнитных муфт при заданных характеристиках.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты являются научной основой для создания герметичных приводов с магнитными муфтами на постоянных магнитах как цилиндрического, так и торцевого исполнения модульных конструкций. Обосновано новое направление в проектировании магнитных муфт на базе унифицированной конструкции, армированной стандартными посте -янными магнитами.

Реализация результатов работы. Основные научные положения и результаты исследований внедрены на предприятиях химической промышленности России:

- на ПО "Органический синтез" (г.Казань) герметичными электроприводами с магнитными муфтами, разработанными при участии автора и под его руководством, оснащены реакторы двух цехов. Малая серия общим количеством 50 муфт с моментом 30 кГм и единичные промышленные образцы на моменты 40 и 80 кГм изготовлены по нашим разработкам Южноуральским заводом тяжелого машиностроения и экспериментально-производственными мастерскими Л ТА;

- в НПО "Пластполимер" (г.Санкт-Петербург) приводами с магнитными муфтами на кольцевых магнитах оснащены лабораторные реакторы для исследования и моделирования различных технологических процессов (свыше 10 муфт с моментом 0,6 кГм);

- техническая документация, содержащая методику расчета муфт и рабочие чертежи базовой конструкции, передана для использования при внедрении организациям различных министерств и ведомств. В том числе предприятия химической, нефтехимической, газовой, машиностроительной, авиационной, биологической, пищевой промышленностей и др., всего свыше тридцати организаций.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛТА, 1978-1994 гг.; научно-техническом совете НИИ "Домен", 1989 г.; IV Всесоюзной научно-технической конференции НТО им.А.Н.Крылова, 1983 г.; Всесоюзном семинаре по электродинамике при ВНИИПТ, 1987 г.; II Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления совершенствования и создания нового оборудования для медицинской и микробиологической промышленности", 1988 г.; а также в целом ряде организаций, проявивших интерес к результатам работы: техотдел МинХимПрома, УкрНИИХимМаш, ЛенНИИХимМаш, БелМедВиоПром и др. (1979-1992 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных статей и получено 10 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы, включающего 153 наименования, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 216 страницах машинописного текста. Работа содержит 53 рисунка и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы диссертации, кратко излагается то новое, что внесено в исследование проблемы создания герметичных электроприводов для промышленных аппаратов.

В первом разделе дан краткий обзор литературных источников по существу проблемы. Анализ литературных источников проводился по трем основным направлениям: развитие и перспективы применения электромагнитной передачи энергии в герметичные объемы, методы расчета систем с постоянными магнитами и анализ существующих теорий магнитных муфт.

Сравнение различных электромеханических структур герметичных приводов позволило сделать вывод о наибольшей перспективности гермоприводов с экранированными синхронными магнитными муфтами на постоянных анизотропных магнитах в переменно-полюсном исполнении.

Анализ методов расчета магнитного поля систем с постоянными магнитами приводит к выводу о том, что наиболее пригодным для исследования магнитного

поля п рабочем зазоре магнитных муфт с целью определения тяговых усилий и оптимизации параметров муфт является метод расчета, в котором возможно получение результата для идеализированной модели в аналитической форме. В этом случае искомые величины могут быть определены в виде функций конструктивных параметров, поэтому решения становятся простыми и наглядными. Однако, поиск удовлетворительных расчетных моделей и их математическое описают до настоящего времени встречает значительные трудности. Это связано, с одной стороны, с многообразием конструктивных решений, с другой стороны, с отсутствием единого подхода к построению расчетной модели и соответственно, математической модели муфт даже, принципиально одинаковых конструкций. Именно об этом говорит критический анализ существующих теорий магнитных муфт на постоянных магнитах.

В заключении первого раздела делается вывод о том, что, несмотря на значительное количество работ посвященных разработке и исследованию электроприводов с магнитными муфтами на постоянных магнитах, целый ряд вопросов, связанных с повышением эффективности передачи механической энергии в изолированные замкнутые объемы электромагнитным способом, до настоящего времени не имеет удовлетворительного решения. Сюда относятся: поиск математической модели муфты с учетом экрана и демпферной клетки, расчет усилий взаимодействия полумуфт в различных режимах работы, исследование поведения электропривода с муфтой в динамике, методика расчета оптимальных параметров муфты, для обеспечения передачи максимальной величины энергии с минимальными потерями и затратами материалов при минимальном объеме муфты. Все эти вопросы и составляют основу настоящей диссертации.

Второй раздел посвящен пос троению математических моделей магнитной муфты.

В качестве теоретической предпосылки создания моделей был принят общий подход, базирующийся на фундаментальных уравнениях теории поля, к исследованию электромагнитных полей в электропроводных средах медленно движущихся в магнитном поле.

В общем случае экранированная магнитная муфта состоит из двух полумуфт с постоянными магнитами, разделенных немагнитным экраном. На одной из полумуфт между постоянными магнитами расположены стержни демпферной клетки. При работе муфты обе полумуфты вращаются синхронно, а экран неподвижен. Совершенно очевидно, что, не нарушая представления офизике электромагнитных процессов в экранированной муфте, можно предположить, что обе полумуфты неподвижны, а в магнитном поле постоянных магнитов движется электропроводный экран. Кроме того, если предположить; что в описываемой модели одна из полумуфт получает свободу перемещения относительно другой, что в реальной муфте возможно как при сохранении синхронной связи между полумуфтами, так и при ее срыве, то демпферная клетка окажется второй электропроводной средой дии-ущейся в магнитном поле.

Для комплексной амплитуды векторного потенциала магнитного поля в движущейся среде при плоско-параллельной постановке задачи и обоснованных допущениях можно получить уравнение:

ш элг"> злгш

ЛЛ -/<у----ц у\<--------= 0 (1)

д( дх

индекс i - обозначает среду или область интегрирования уравнения (1), в которой определяется векторный магнитный потенциап.

Решение уравнения (1) при соответствующих граничных условиях позволяет найти распределение матшпного поля в рабочем зазоре магнитной муфты при заданном режиме работ и заданных конструктивных размерах, а тем самым определить энергетические показатели муфты в различных режимах работы и увязать их с конструктивными параметрами. Если полумуфгы вращаются синхронно, то иоле в котором движется экран не изменяется во времени и второй член уравнения (1) выпадает. Если пренебречь электропроводностью экрана (принять у =0), то из уравнения исключается последний член.

Таким образом, решение полученного уравнения при соответствующих граничных условиях дает возможность получить зависимости, характеризующие работу экранированной маг штной муфты как в динамике с учетом вихревых токов, наводимых в экране и демпферной клетке, так и в статике.

В дальнейшем изложение материала второго раздела сводится к описанию постановки и решения нескольких задач по определению распределения магнитного поля в рабочем зазоре идеализированных расчетных схем муфты с постоянными магнитами по общепринятой структуре: расчетная схема, допущения, постановка задачи, нахождение решения, определение постоянных интегрирования, получение аналитических выражений для интересующих величин.

Сначала рассматривается математическая модель муфты без экрана и демпферной клетки, как наиболее простой случай исследования поля и сил взаимо действия полумуфт. Следует заметить; что такая задача не лишена практического смысла, так как магнитные муфты без экрана могут применяться в качестве механизмов предельного момента, причем этот момент может быть легко регулируемым путем выдвижения внутренней полумуфты из наружной.

Расчетная модель реальной магнитной муфты приведена на рис. 1. Цилиндрические поверхности полумуфт мысленно разрезаны по образующей спрямлены и спроектированы на плоскость х-у. Положительное направление оси z принято в сторону наблюдателя перпендикулярно плоскости рисунка. Вдоль оси z в цилиндрических магнитных муфтах располагаются несколько рядов магнитов имеющих длину I. Обычно по ширине магниты обеих полумуфт одинаковы, поэтому на модели они имеют одинаковое обозначение "а". Высота магнитов в общем случае может

У

С/2

г/2 | т/2

х

Рис. 1

быть различна, поэтому для наружной муфты она обозначена Л£, а для внутренней - Л . Расстояние между магнитами разноименной полярности - "о", рабочий зазор между полумуфтами - 6, г- полюсное деление. Магнитная проницаемость и магни-топровода обеих полумуфт принята равной оо.

Координатные оси не скреплены с какой-либо полумуфтой и неподвижные, если муфта не вращается В случае вращения муфты с постоянной скоростью в какую-либо сторону оси вращаются в ту же сторону со скоростью вращения муфты.

При наличии смещения полумуфт относительно друг друга на расстояние с, будем считать, что наружная полумуфта переместилась вдоль оси на расстояние +е/2, в то время как внутренняя - на расстояние -е/2, иди наоборот в зависимости от того какая из полумуфт будет опережать при своем движении дру1ую полумуфту в реальной ситуации.

При отсутствии электропроводных материалов (.у^у^О) уравнение (1) превращается в уравнение Лапласа для плоско-параллельного стационарного ноля:

в 4ю

а2 л <•> + ° Аг

ЗУ2

(2)

Для описанной расчетной модели в качестве граничных условий принято:

■-т/2

-А'

х=т/2

дАг дх

(!)

х=-т/2

ЗА"' дх

/2

а также равенство нормальных составляющих магнитной индукции на границе раздела сред.

Решение уравнения (2) для комплексной амплитуды векторного потенциала магнитного поля в воздушном зазоре муфты получено в виде:

+ е^т* ; . (3)

где: Я - як (2т - 1)

т

Уравнение (3) дает возможность определить векторный потенциал в любой точке воздушного зазора между полумуфтами при заданных координатах х и у с точностью до постоянных интегрирования А и В .

т т

Для определения постоянных использовались уравнения закона полного тока для характерных контуров интегрирования для наружной и внутренней полумуфт. Один из таких контуров показан на расчетной схеме пунктиром.

При написании уравнения закона полного тока магниты на полумуфтах принимались идеальными, горизонтальная составляющая напряженности в теле магнитов и в промежутке между соседними магнитами принималась равной нулю, а также

считалось, что в зонах итерирования между соседними магнитами нормальная составляющая индукции остается постоянной на расстоянии, соответствующем высоте магнита. Погрешности, вносимые этими допущениями оценивались в следующем разделе.

Для определения постоянных интегрирования получена система бесконечных алгебраических уравнений:

V, а й +Ь/И (1-/41) У (у-г\\ф £ с

1-прп 1-прп р 0„оош га'т тп ' тп ^ п п

со

-V, а - Ь/Ь ((1-цй) V (v 1Ь/3 <5/2)£ /5 -л /£ (4)

1-0 оп 1-п сп с г "о _ м и га т * тл ' тл ' л * л >

где:

v .

Ц-1)пА,.пс}фп АЛ 1(-1)аВ,.пс/фп д/г

-

' 2х /хНс

К-1 )тАтс}ф т <3/2 1(-1)тВтсГфт д/г

а чЗ # <5/2 + _®_ а пЪВ + ,

рл л п пи ' со п л Л и '

/>^0 сГ о

(1 =Й Т + -ГШ— йф д/г, & х I, ^ <Й/3 4

рп^я Л Й г п СП 'л Л «„ Гл2

(ГО с'О

Таким образом нахождение корней V и г системы (4) решает задачу определения постоянных интегрирования при заданных значениях конструктивных параметров муфты. х.

Далее описывается модель экранированной муфты. Как было сказано ранее, предположим, что экран с удельной электропроводностью уз и магнитной проницаемостью /I ^движется со скоростью V между магнитными полюсами неподвижных

полумуфт, которые в общем случае имеют сдвиг относительно друг друга е. Координатные оси неподвижны, причем, начало координат делит расстояние е .пополам. Магнитные полюса полумуфт создают поле неподвижное в пространстве и во времени. Движение муфты задается перемещением экрана относительно координатных осей с соответствующей скоростью в направлении противоположном реальному движению полумуфт.

Учитывая сказанное, подставим в уравнение (1) Уя •у и дЛ ^ /с!( =0, тогда длч

расчетной модели муфты с экраном получим общее уравнение для комплексной амплитуды векторного магнитного потенциала Л((дг,у)в виде:

«V 32 Лг(1) ' „ ЭА,™

-+ —-у- -!<0у3 V----о (5)

дх дуГ вх

В расчетной схеме (рис.1) теперь следует учитывать параметр Л - толщину стенки экрана. Все принятые ранее допущения остаются в силе, а в дополнение к принятым ранее граничным условиям добавлены общепринятые условия равенства нормальных составляющих индукции и касательных составляющих напряженности магнитного поля на границах экран-воздух.

Решая уравнение (5) методом конечных интегральных преобразований, получим уравнения, определяющие распределенение магнитного поля в соответствующих зонах расчетной модели:

со

/ Аг3(х,у)=2 (Ат5ЛД.(Яу + ВтсАЛве^т'

(6)

где показатель В1 соответствует воздушной среде над экраном, В2 - под экраном, Э - экрану;

А = V В г+8 и у VI и В =я/х (2т-1) .

т ' т " т 0 ' э г т 4 ' '

Численное решение уравнения (6) требует определения шести постоянных интегрирования. Используя граничные условия, получены уравнения связи, позволяющие выразить все постоянные через две (А и Вт). Для определения постоянных интегрирования А и Вт методами математического анализа были преобразованы функциональные уравнения "сшивающие" решения на границах различных сред на полюсном делении в бесконечную совокупную систему алгебраических уравнений, вид которой аналогичен системе (4) с дополнительными коэффициентами. Следует заметить, что прямая подстановка в полученную систему значений у «=0, Л=0 или К=0 приводит модель экранированной муфты к модели муфты без экрана.

Построение полной математической модели муфты (с учетом экрана и демпферной клетки) осуществлялось с использованием вектора намагниченности по-

стоянного магнита М, связанного с силовой характеристикой ноля известной зависимостью:

/<„ (АЛ//)

г иг»г О

(7)

При постоянных величинах намагниченности Л/ и относительной магнитной проницаемости р , кривая В=/(1Г) имеет линейный характер.

Спрямленная расчетная модель на рис. 1. Стержни демпферной клетки занимают пространство Ь х Л£ на наружной полумуфте. Обозначения сохранены. Система координат неподвижна. При движении полумуфт в разные стороны относительно неподвижных осей со скоростью У0 (одна со скоростью +К0/2, другая - -К0/2) в воздушном зазоре между полумуфтами создается пульсирующее магнитное поле, в котором движется экран со скоростью V и демпферная клетка со скоростью 2. Угловая частота изменения магнитного поля во времени связана со скоростью относительного движения полумуфт соотношением шд где/3 - постоянная

величина для любой гармоники распределения векторного магнитного потенциала.

В реальной муфте экран неподвижен, а полумуфты движутся по отношению к экрану со скоростью: одна - (2), вторая - (1^-1^/2). Введя понятие скольжения 5, по аналогии с асинхронным двигателем:

в нашем подходе следует считать, что при 5=1 (пуск муфты) У^У^/2, а при ЛМ) (синхронное вращение полумуфт) К0=О и и>а =0.

С учетом сказанного, построение полной математической модели муфты свелось к решению системы уравнений:

дгА> З2 А,'

дх2 +

а2 Л'

дх1 + ау»

д'л'ш

Эх3 + а/

-ръЪУЛ

ал/ ах

9 А* дх

-1роУэ<о\Аг •* 0 - ЩоУкЫоАг* ~0 (8)

о

С учетом граничных условий и уравнения (7) А *,А *,А ' - комплексные амплитуды векторного магнитного потенциала поля в экране, в клетке, в воздушном зазоре соответственно. В уравнениях (8) принятоа и уз - электрические удельные проводимости материалов клетки и экрана. Задача решалась методом

конечных интегральных преобразований (метод Гринберга Г.А.). В результате получено решение и зависимости для определения постоянных интегрирования в виде системы бесконечных алгебраических уравнений.

Далее в первом разделе приведены формулы для определения магнитной индукции в рабочем зазоре муфты и исследуются различные варианты определения тангенциальных сил электромагнитного взаимодействия полумуфт.

Сравнительная оценка различных методик определения пондеромоторных сил по известным дифференгчальным характеристикам магнитного поля в рабочем зазоре приводит к выводу о целесообразности использования метода определения искомых сил через вектор Пойнтинга. Получив картину распределения векторного магнитного потенциала, не представляет трудностей определить напряженность электрического поля, возникающего в движущейся в магнитном поле среде, причем напряженность электрического поля в среде будет присутствовать независимо от того электропроводна движущаяся среда или нет. Поэтому вектор Пойнтинга может быть определен для любой из представленных выше моделей муфты.

Таким образом, зная силовые характеристики магнитного и электрического поля в рабочем зазоре муфты, используя вектор Пойнтинга, можно определить поток энергии, проходящей через рабочий зазор муфты, т.е. энергию электромагнитного поля, передаваемую от ведущей полумуфты к ведомой, не прибегая к интегрированию токов или потокосцеплений на поверхности полумуфты, которая может иметь сложную конфигурацию.

Механическую силу взаимодействия полумуфт на полюсном делении можно определить, поделив вещественную часть вектора Пойнтинга, вычисленного для движущейся среды, на скорость ее движения.

В общем случае формула для расчета тангенциальных сил взаимодействия полумуфт Получена в виде:

Где О -коэффициент, который определяется'в результате расчетов соответствующей математической модели.

С учетом лишь первой гармоники рядов Фурье, описывающих распределение магнитного поля в рабочем зазоре муфты, формула (9) может быть приведена к виду:

(9)

л

(10)

где Р может быть определена по выражению:

В заключении раздела сформулированы следующие выводы:

1. На основе использования единого подхода к аналитическому исследованию магнитного поля в экранированной муфте, базирующегося на уравнении для квазистационарного магнитного поля, возникающего в электропроводных средах при медленном движении во внешнем магнитном поле, построены математические модели муфт на постоянных анизотропных магнитах. Эти модели позволяют ставить и решать задачи исследования поведения муфт в составе электропривода в статических и динамических режимах.

2. Применение неподвижной системы координат, не "привязанной" к какому-либо конструктивному элементу муфты и предоставление свободы перемещения этим элементам относительно координатных осей и друг друга в математическом описании физических процессов позволили существенно упростить постановку полевых задач и совместно с другими логически обоснованными допущениями и граничными условиями сделало возможным решение полных уравнений теории поля в дифференциальной форме.

3. Определение электромеханических сил взаимодействия полумуфт с помощью вектора Пойнтинга дает возможность получения результата с меньшими затратами времени на расчеты, кроме того аналитические выражения получаются более простыми и наглядными, по сравнению с выражениями, полученными другими методами.

4. В результате решения полевых задач получены алгоритмы для нахождения основных энергетических показателей магнитной муфты: электромагнитных сил взаимодействия полумуфт, тормозных сил и электрических потерь экрана, токов демпферной клетки и т.п., в которых все эти характеристики связаны с конструктивными параметрами муфты, что дает возможность оптимизации параметров и оценки эффективности работы муфты в целом.

В третьем разделе приводятся результаты исследований*экранированных магнитных муфт в статических и динамических режимах, полученные путем расчета на ЭВМ описанных выше математических моделей.

Построение математических моделей физических объектов всегда сопряжено с целым рядом допущений и упрощений, неприятие которых может привести либо к очень сложному алгоритму решения, либо к невозможности построения модели вообще. Поэтому, основной целью исследования любой математической модели является проверка достоверности, т.е. определение насколько точно модель описывает процессы в реальном объекте в статических и динамических ситуациях. На основании сравнения результатов, полученных путем расчетов конкретных задач с помощью модели, с данными эксперимента делается вывод о пригодности модели либо о диапазоне ее применимости. В случае удовлетворительной сходимости результатов, могут быть сформулированы другие цели исследования, например, оптимизация параметров, либо управление тем или иным процессом.

Учитывая эти общие положения, в данном разделе с помощью описанных выше математических моделей были рассчитаны основные характеристики конкретного устройства и произведено сравнение с результатами соответствующего эксперимента. Таким путем были оценены пригодность полученных моделей для исследования конкретных режимов работы муфты, а также погрешности, вносимые допущениями, принятыми при построении моделей.

Конечной целью исследования муфт с помощью математических моделей являлось получение практических рекомендаций, учитывая которые при проектировании, можно сконструировать муфту с оптимальными параметрами, а так же, не прибегая к дорогостоящему эксперименту, прогнозировать поведение муфты в различных статических и динамических режимах. Поиск оптимальных соотношений конструктивных параметров муфты осуществлялся путем вариации конструктивных размеров, входящих в расчетные модели и определения таких соотношений, при которых одинаковые магниты позволяли получить максимальные тангенциальные силы их взаимодействия.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:

- Исследовать поведение муфты в характерных режимах работы с помощью разных алгоритмов, сравнить результаты и оценить погрешности, вносимые в расчеты тем или иным допущением.

- Увязать картины магнитного поля с расчетными параметрами и наметить пути оптимизации.

- Сравнить результаты исследований с экспериментом и оценить достоверность моделей и границы их применимости.

- Получить методику проектирования муфты с оптимальными соотношениями параметров.

Расчет параметров магнитной муфты и состояния исследуемой системы уравнений в различных точках координатной сети проводился на машинах типа Минск-32, ЕС-1020, ЕС-1050 в следующем порядке:

А. Синхронный режим работы

1. Муфта без экрана и демпферной клетки (у -О, у «О, 5Ю, А = <3 или Л=0)

а) исследовались зависимости В ' (х,'0); В (х, ±д /2) от е , д,Ь,к, ц ;

б) исследовались зависимости /&=/(е) при различных значениях <3,6,Л ,Л ,

в) определялось влияние параметров е, д.&.А^.Л на величину расчетной функции (2.

2. Экранированная муфта без демпферной клетки (уэ*0, А ук=0, 5=0)

а) 5-/(е,Д,<5ААД'/) •

б)№/ (е,.Д,<ЗАЙ,*'1) •

в) определялись потери в экране при различных режимах работы муфты

г) значения к.п.д. муфты функции параметров

Б. Асинхронный режим (у^О, Д *О, >^5*0,

а) исследовались картины магнитного поля

ву-/(г,5) ;

б) исследовалось влияние величины скольжения и смещения е на тангенциальные силы Гд и токи в демпферной клетке (/ ).

?д,1-/(5,е,Ъ, А,уж) .

Программа расчета написана на языке Фортран-1 V для вычислительных машин типа ЕС и пригодна для использования на любой машине этой серии. Для решения систем уравнений была использована стандартная процедура СОЛив, предназначенная для решения системы линейных алгебраических уравнений с комплексными коэффициентами методом Гаусса.

Анализ результатов исследования математических моделей на ЭВМ, изложенный в данном разделе, после формулировки исходных данных и задач исследования соответствующих алгоритмов, а так же кратких математических пояснений по формированию программ, представлен в виде расчетных зависимостей и их критической оценки с точки зрения качественного и количественного соответствия физическим процессам и экспериментальным данным. Представлены материалы исследования картин магнитного поля в рабочем зазоре муфты, тангенциальных электромагнитных сил взаимодействия полумуфт, токов демпферной клетки, потерь в муфте и к.п.д. В качестве расчетных режимов принимались как синхронное движение полумуфт, так и асинхронные режимы при разных скольжениях. Все расчетные характеристики делаются в расчете на полюсное деление.

Результаты исследований муфты с помощью модели позволили получить практические рекомендации, которые проверены на практике при проектировании и создании различных конструкций экранированных переменнополюсных магнитных муфт на постоянных магнитах промышленного назначения и направлены на повышение эффективности передачи энергии через неподвижный герметичный экран. Наиболее существенными рекомендациями являются следующие:

Расстояние между соседними магнитами разноименной полярности на поверхности полумуфт следует выбирать равным (0,25-0,35)г. Использование данной рекомендации дает возможность уменьшить количество магнитов при заданном

моменте и диаметре муфты. Кроме того, наличие этого расстояния между магнитами внутренней полумуфты позволяет использовать его для размещения второй демпферной клетки с целью улучшения технологичности процесса армирования магнитами внутреннего магнитопровода, а также для повышения динамической устойчивости муфгы в переходных режимах.

Увеличение передаваемого момента примерно на 20% при сохранении габаритных размеров муфты можно получить, применив на наружной полумуфте двухслойное расположение магнитов.

Малое влияние токов экрана, выполненного из немагнитных сталей, на к.п.д. муфты позволяет упростить расчеты, приняв в полном алгоритме или А =0, а также использовать упрощенные алгоритмы.

На стадии эскизного проектирования целесообразно сначала выбрать магнит типовых размеров и рассчитать удельную силу взаимодействия полумуфт на полюсном делении, применяя упрощенную формулу (11), а, затем, зная расчетное значение момента, пользуясь приведенными выше рекомендациями, определить примерные размеры муфты, путем вариации параметров в предложенном полном алгоритме можно определить оптимальные соотношения и уточнить расчет.

Толщина стенки магнитопроводов полумуфт при расчетном значении индукции стали 1,2 Тл и величине индукции магнитов (0,3-0,4) Тл может быть выбрана равной (0,13-0,17) г. Эта рекомендация получена, исходя из условия работы магнитопровода на ненасыщенном участке кривой намагничения и проверена практикой. При проектировании мощных муфт эта расчетная величина имеет большое значение, так как в цилиндрических конструкциях мапштопровод представляет собой два стальных цилиндра и их Толщина во многом определяет вес будущей муфты и моменты инерции полумуфт. Как показали расчеты реальных конструкций, толщина магнитопровода в большей степени определяется механической прочностью и технологичностью изготовления, поэтому рекомендуемое соотношение может быть использовано как проверочное.

При выборе типа синхронной муфты на постоянных магнитах, следует учитывать, что наиболее эффективно магнитный поток используется в муфтах переменно-полюсного исполнения, а следовательно, конструкции будут компактнее, чем одноименнополюсные. Эта рекомендация очевидна, так как даже при идеальных условиях колебание величины индукции по окружности на полюсном делении в рабочем зазоре между полумуфтами в одноименнополюсных муфтах 0-5г, в то время как в переменнополюсных - -В< - Кроме того, длина пути по которому замыкается магнитный поток В одноименнополюсных муфтах значительно больше.

Выводы к третьему разделу следующие:

- Удовлетворительная сходимость результатов исследования математических моделей На ЭВМ и экспериментальных данн° >х позволяет сделать вывод о достоверном отражении в модели физических процессов, происходящих в муфте в статических и динамических ситуациях. Поэтому можно утверждать, что исследованные в данном разделе алгоритмы являются достаточно надежным математическим обеспе-

чением для построения автоматизированных систем проектирования конструкций переменнополюсных муфт на анизотропных магнитах.

- Упрошенные алгоритмы значительно сокращают время вычисления результатов и дают достаточно полное представление о влиянии конструктивных параметров муфты на величину передаваемого усилия и могут быть рекомендованы для проектирования и анализа работы муфты в синхронных режимах. Для уточнения расчетов и прогнозирования поведения муфты в динамических ситуациях необходимо использовать полный алгоритм.

- Проведенные исследования позволили предложить обоснованные рекомендации для проектирования магнитных муфт рассматриваемого типа с оптимальным соотношением параметров. Обобщая рекомендации, можно сделать вывод, что основным направлением на пути оптимизации параметров муфт следует считать устранение причин, вызывающих косвенные потери в муфтах, т.е. стремиться к созданию условий наиболее эффективного использования энергии магнитного поля.

Четвертый раздел освещает основные вопросы динамики электропривода с магнитной муфтой.

Узловым вопросом проектирования магнитной муфты для конкретного привода является выбор расчетного значения момента, т.е. рабочей точки на угловой характеристике, ибо от этого зависит величина максимального передаваемого момента, на который необходимо проектировать муфту. Максимальный момент в свою очередь определяет количество магнитов, габариты, вес, стоимость и, в конечном счете, эффективность применения муфты.

Следует заметить, что в литературных источниках до настоящего времени этот вопрос не нашел удовлетворительного решения. Имеющиеся рекомендации о необходимости выбора расчетной точки на линейном участке угловой характеристики ^Бр»сча эл) базируются на общих соображениях об аналогии муфты с синхронным двигателем. Использование этой рекомендации, естественно, позволяет обеспечить достаточный запас устойчивости муфты в статике и динамике, но приводит к необходимости проектирования муфты на максимальный передаваемый момент, Превышающий номинальный момент сопротивления рабочего механизма в (2-2,5) раза. Такое завышение мощности муфты без анализа условий синхронной связи полумуфт на основании уравнений движения электропривода, представляется неоправданным. Кроме того, несмотря на идентичность принципа действия, полной аналогии магнитной муфты и синхронного двигателя в вопросе устойчивости синхронной связи ведущего и ведомого магнитных полей не наблюдается, так как в муфте оба поля связаны с инерционными массами.

Учитывая изложенное, целью настоящего раздела являлось получение обоснованных рекомендаций по выбору расчетного значения максимального передаваемого момента муфты, при котором будут соблюдаться условия синхронной связи полумуфт при работе муфты в составе конкретного электропривода. Для этого потребовалось составить уравнения движения электропривода с учетом, наличия в его составе магнитной муфты и исследовать их устойчивость.

Уравнения движения составлены в самом общем виде и позволяют исследовать с помощью ЭВМ динамику электропривода как переменного так и постоянного тока с экранированной муфтой для рабочего механизма любого назначения с учетом нелинейных механических характеристик.

■ В связи с необходимостью выбора величины расчетного момента уже на стадии эскизного проектирования, в данном разделе предлагается методика исследования уравнений движения электропривода в линеаризованной упрощенной постановке, с целью получения условий синхронной связи полумуфт и возможности проверки их выполнения без применения сложной вычислительной техники. Приводится методика оценки устойчивости движения электропривода с асинхронным двигателем при работе в установившемся режиме и при пуске двигателя на базе упрощенных уравнений, рассмотрен конкретный пример расчета переходного процесса при прямом запуске асинхронного двигателя в приводе с магнитной муфтой.

В статических режимах работы электропривода наличие магнитной муфты в его составе не вносит каких-либо заметных изменений или особенностей по сравнению с обычным приводом, использующим жесткую механическую связь двигателя с рабочим механизмом. Единственным условием при выборе муфты является соблюдение неравенства > т.е. во всех статических режимах максимальный передаваемый муфтой момент должен быть не меньше момента сопротивления рабочего механизма. При этом обе полумуфты вращаются синхронно, обеспечивая высокий к.п.д. передачи механической энергии от ведущей полумуфты к ведомой. При постоянной скорости вращения привода и синхронной связи полумуфт существует равенство: М^М^М, (А/д - момент двигателя) независимо от того с каким углом рассогласования работает муфта. Таким образом, для обеспечения статических режимов, при проектировании и выборе муфты для конкретного привода за расчетное значение максимального момента муфты может быть принят наибольший момент сопротивления рабочего механизма.

Схема электропривода с экранированной муфтой приведена на рис.2.

Особенностью работы привода с магнитной муфтой в динамических режимах, возникающих при нарушении равенства моментов, является возможность относительного движения ведущей и ведомой частей привода, связанная с отсутствием жесткого соединения этик частей между собой. То есть в динамике проявляется наличие двух степеней свободы в рассматриваемой системе электропривода, что может привести к возникновению колебаний (свободных и вынужденных). Причем эти колебания могут происходить как при наличии магнитной связи между полумуфтами, так и при ее нарушении, являясь причиной срыва синхронной связи приводного двигателя с рабочим механизмом. Поэтому при проектировании муфты приходится учитывать динамику привода, с целью обеспечения устойчивой синхронной связи между полумуфтами в конкретных режимах работы привода, заданных проектанту графиками нагрузок, или оговоренных техническим заданием.

Общее уравнение движения электропривода с магнитной муфтой можно получить, используя уравнение Лагранжа второго рода для системы с двумя степенями

Рис. 2

ЭМ - экранированная муфта ЭД - электродвигатель РМ - рабочие механизмы

свободы, приняв в качестве обобщенных координат углы поворота в пространстве ведущей и ведомой (<рг) полумуфт:

Тг'ТГГЪГ*' ' (12>

Пользуясь обозначениями, приведенными на рис.2 для кинетической энергии системы можно записать

Т^^+^ЛЖ+'^г2 - (13)

Для вычисления обобщенных сил (21 и (2г получены следующие выражения: -М -М -М -М ■

1 д л э син к >

(2,--М+М -М +М+М , (14)

2 с п э к син '

Таким образом, нахождение закона изменения обобщенных координат ио времени требует совместного решения системы уравнений:

<л<2. ;

ua + J,)V2"% - <i5>

В приведенных уравнениях использованы известные обозначения: .. d V (1ш . dip

J - соответствующие моменты инерции;

M¿ - момент, развиваемый приводным двигателем;

Мп - передаваемый момент муфты;

Мэ - момент, создаваемый токами экрана;

Мсии - синхронизирующий момент муфты;

Мк - момент, создаваемый токами демпферной клетки;

Мс - момент сопротивления рабочего механизма.

Далее описана физическая сущность всех перечисленных выше моментов и найдены их расчетные формулы в функции обобщенных координат. С учетом полученных зависимостей система (15) записана в виде:

(/, + /Н>У\ " Л/д(») - Мптахйпр((<ргр 2) - т {<р t - т г(ф t - ф2) - (16)

+ /,) f j = -M с(0 + М ^-tínpfp,-<Р1)-т1р1+т2(ф1 -фг) + + Мптх'Р(!Рi -<Pi)-cosp(fl ~<р2) + т3(<р1 -<р2) ,

где OTj- m3 - масштабные коэффициенты, определяемые из решений соответствующих моделей муфты.

Таким образом, общие уравнения движения электропривода с магнитной муфтой представляют собой нелинейную систему дифференциальных уравнений, решение которой может дать ответ на все вопросы поведения электропривода с магнитной муфтой в любой динамической ситуации, в том числе и в частном случае динамического состояния привода - в статике. Поэтому эти уравнения могут быть названы полной математической моделью электропривода с магнитной муфтой.

Следует заметить, что при получении общего уравнения, мометы, возникающие в муфте в динамике и направленные на восстановление синхронной связи (М^, Л/ и М^ - часть от М), были рассмотрены в отдельности для полноты описания физических процессов, а также для возможности анализа уравнений в упрощенных постановках практических задач. В действительности все эти моменты проявляются в муфте как единый момент реакции связанной магнитной системы на изменение в ней потокосцепления, стремящийся обеспечить его постоянство. Демпфирующее действие этого момента проявляется непосредственно в магнитном поле в рабочем зазоре муфты. Поэтому величина этого момента и закон ее изменения при наличии относительных ускорений полумуфт, могут быть получены из анализа полной математической модели муфты.

Введя понятие полного синхронизирующего момента по выражению М= т4 -<Р2), уравнение (16) можпо записать окончательно в виде:

1{<Р, + т 4(Ф 1 ~ V 2) + т & 1 + М I " Р Р = м/0 (17)

Решение этой системы может быть получено путем совместного решения с математической моделью муфты на вычислительной машине, либо с использованием аналоговой техники, однако в любом случае для ее решения необходимо иметь конкретные параметры электропривода и рабочего механизма, а также требования к переходным процессам.

Условия синхронной связи полумуфт можно получить, линеаризировав синусоидальную угловую характеристику муфты, представив ее прямой, проходящей через две точки с координатами (е-р=0, М=0) и (е-р= л /2, . Заметим, что

такая линеаризация является сознательным ухудшением силовой характеристики муфты, так как весь реальный рабочий диапазон окажется выше расчетного.

Учитывая сказанное, а также приняв обоснованные допущения, можно получить решение системы (17) в виде:

п-2 1 ,,'м (О

М (рсозре -§АД)-е--2-4—¡^-е— у (18)

птах уст Л ' уст / •/ 7

1 II

Уравнепие (18) представляет собой необходимое условие синхронной связи полумуфт с учетом динамических свойств привода и позволяет легко ориентироваться в выборе расчетной точки муфты на угловой характеристике. Из этого уравнения можно определить максимальный расчетный момент, на который следует проектировать муфту для конкретного электропривода при заданных значениях ММ'.Л/«),/,^:

мт-1 ,+м (о /,

м 5: д ' , (19)

пшах ?•(/ +/ )

где (¡"(рсоьре^ + ^)'«уст . (20)

Анализ выражения (20) показывает, что максимальное значение «г=1,19 получается при е ст=(0,35-0,4)я/р. Таким образом, минимальное значение М , необходимое для удовлетворения условию синхронной связи во всех установившихся режимах работы привода, получается при расчетном значении рабочей точки на угловой характеристике муфты, соответствующем углу £ =63-72 эл.градусов. Далее определены условия возникновения возможных свободных колебаний рабочего угла £ возле установившегося значения и их максимальная амплитуда.

В рассматриваемом разделе исследована также система (17) в упрощенной постановке задачи, с целью получения простой, но достаточно надежной инженерной методики решения вопроса о динамической совместимости электропривода с асинхронным двигателем и экранированной магнитной муфтой. Результатом исследований явились полученные аналитические зависимости, позволяющие оценить возможность прямого пуска электродвигателя с муфтой без нарушения синхронной связи полумуфт, а также найти предельную скорость разгона ведомой части привода при прямом запуске с учетом всех динамических звеньев.

В качестве численного примера исследования динамики электропривода по упрощенной методике рассмотрен герметичный электропривод мешалки реактора объемом 6м3 с магнитной муфтой М50 на постоянных магнитах.

На основании результатов расчетов сделан вывод, что магнитная муфта в составе рассматриваемого привода имеет устойчивую синхронную связь в переходных режимах и в статике, и может работать в режиме прямого пуска от асинхронного двигателя.

Опытная эксплуатация муфты и уточненные расчеты на ЭВМ полностью подтвердили этот вывод. Приведенные кривые переходного процесса при прямом пуске асинхронного двигателя в электроприводе с рассматриваемыми в данном примере параметрами, построенные по упрощенной методике, по полным уравнениям и экспериментальная кривая имеют удовлетворительную сходимость, что говорит о правомерности допущений.

Выводы к разделу сформулированы следующим образом:

1. Анализ физических процессов, возникающих в экранированной муфге в динамике при относительном перемещении полумуфт, позволил выделить совокупность моментов, участвующих в изменении кинетической энергии системы электропривода, и получить уравнения ее движения в наиболее общем виде.

2. В динамических режимах устойчивость синхронной связи полумуфт обеспечивается как запасом статической устойчивости муфты, так и возникающими в переходных режимах синхронизирующими моментами, поэтому при проектировании магнитных муфт максимальный передаваемый момент муфты может быть выбран не более 1,2 М полученного с учетом динамических характеристик всех звеньев привода.

3. Упрощенная методика исследования поведения электроприпода с асинхронным двигателем и магнитной муфтой в динамике имеет удовлетворительную сходи мость с вычислениями по полным уравнениям движения электропривода и данными эксперимента и может быть рекомендована для инженерной практики лпя оценки совместимости проектируемой муфты и конкретного привода.

4. Возможность оценки прямого пуска асинхронного двигателя и приводе с магнитной муфтой и построения приближенного переходного процесса на стадии проектирования позволяет создавать муфты с требуемыми в конкргтнмх системах динамическими свойствами.

Пятый раздел посвящен практической реализации результатов исследования.

Даны описания нескольких типовых конструкций магнитных муфт на постоянных анизотропных магнитах, разработанных под руководством и при непосредственном участии автора, и внедренных в химической промышленности. В процессе разработки описываемых конструкций решалась конкретная задача создания герметичных приводов перемешивающих устройств химических реакторов емкостью Зм3 и бм3, в. рабочем объеме которых присутствует очень вредный для окружающей среды продукт - окись этилена. Необходимость замены торцевых уплотнений линии вала магнитными муфтами на промышленных реакторах при минимальных затратах на реконструкцию, потребовала от разработчиков поиска оптимальных решений, чтобы муфта вписывалась в конструктивные размеры аппарата и была совместима с заданным электроприводом.

Как уже говорилось, целью оптимизации параметров является поиск таких соотношений, при которых при минимальны* габаритах муфты передаваемый момент имел бы заданную величину. Поэтому для оценки технического уровня разрабатываемых конструкций был введен коэффициент компактности, под которым понимается отношение максимального передаваемого момента муфты к ее рабочему объему. По этому параметру было проведено сравнение наших разработок (2ММ30.ММ50 и ММ35), с известными по технической литературе муфтами. Результаты расчетов в разделе представлены в табличной форме.

Для сравнения муфт в одинаковых условиях моменты всех муфт были приведены к одному и тому же рабочему зазору. Результаты сравнения оказались в пользу муфт, рассчитанных с учетом рекомендаций, вытекающих из настоящей работы.

Муфты получились более компактными за счет рационального размещения магнитов и оптимальной геометрии магантопровода полумуфт. Следует заметить, что в сравниваемых конструкциях использованы магниты одинакового типа.

Перечислены основные преимущества и обоснована эффективность применения герметичных электроприводов с магнитными муфтами в химической промышленности, выявленные в результате эксплуатации опытных и серийных образцов.

Выводы к пятому разделу:

1. Практическое использование результатов исследования поведения магнитных муфт в составе электроприводов в статических и динамических режимах позволило создать герметичные приводы для химических реакторов разного назначения и емкости с улучшенными технико-экономическими характеристиками и показателями (с повышенным к.п.д., минимальной металлоемкостью, максимальной компактностью и улучшенными динамическими свойствам!.). Кроме того следует отметить, что длительная эксплуатация магнитных муфт на анизотропных магнитах подтвердила их высокую надежность и стабильность технических характеристик. Первые опытные образцы, внедренные свыше десяти лет тому назад, безотказно работают по настоящее время.

2. Возможности применения магнитных муфт, разработанных конструкций, естественно не ограничиваются химической промышленностью, они могут успешно использоваться во многих других областях народного хозяйства как в экранированном варианте, так и без экрана, например: судостроение, авиация, медицина, микробиология, пищевая промышленность и т.д.

3. Анализ результатов внедрения говорит о высокой эффективности приводов с магнитными муфтами и их безусловной перспективности в решении задач ускорения научно-технического прогресса В химической промышленности и охраны окружающей среды.

Приложения содержат:

I - алгоритмы расчета математических моделей;

II - программу расчета экранированной муфты на ЭВМ;

III - документы о практической реализации результатов работы.

Заключение^

Основным итогом диссертационной работы являются теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Построено физико-математическое описание герметичных электроприводов с экранированными муфтами на постоянных магнитах, на базе которого разработана методика их исследования и расчета, проведена оптимизация параметров и созданы герметичные приводы с улучшенными технико-экономнче-скими характеристиками, предназначенные для работы в различных отраслях народного хозяйства.

Результаты работы более детально могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выполнено теоретическое обобщение принципов построения электромеханических структур герметичных приводов, которое позволило определить наиболее перспективные пути решения проблемы бесконтактной передачи механической энергии в изолированные объемы.

2. Проведены теоретические исследования и вскрыты физические явления, сопровождающие процесс передачи пондеромоторных сил постоянных магнитов через немагнитный экран в случае, когда в зоне действия магнитного поля постоянных магнитов присутствует электропроводный материал демпферной клетки. Показано, что в этом случае метрологические характеристики поля зависят от ряда дополнительных явлений, которые по своему действию могут быть интерпретированы как отрицательные обратные связи.

3. Разработаны и теоретически обоснованы принципы построения математических моделей магнитной муфты и герметичного электропривода, позволяющие связать энергетические характеристики привода с основными конструктивными параметрами. В частности, обоснована возможность рассмотрения физических процессов в магнитной муфте на постоянных магнитах с помощью полной математической модели, базирующейся на фундаментальном уравнении квазистацпонарного магнитного поля в электропроводных средах, движущихся в магнитном поле.

4. Создана совокупность математических моделей и алгоритмов для исследования и расчетов герметичных электроприводов с муфтами на постоянных магнитах. Обоснованы границы их применимости и оценены погрешности, вносимые упрощениями. Исследовано влияние различных факторов на КПД муфты и величину максимальной силы взаимодействия полумуфт и выработаны практические рекомендации для проектирования магнитных муфт с оптимальными параметрами. Результаты исследований доведены до инженерных методик.

5. Исследовано поведение экранированной магнитной муфты с демпферной клеткой в составе электропривода при синхронном и асинхронном движении полумуфт. Определены необходимые условия для существования синхронной связи полумуфт в виде зависимости от динамических характеристик звеньев электропривода и рабочего механизма.

Обоснованы и получены общие уравнения движения электропривода с магнитной муфтой.

Разработан метод приближенного расчета переходного процесса и анализа устойчивости системы привода с магнитной муфтой.

6. На базе проведенных исследований в экспериментально-производственных мастерских ЛТА им.С.М.Кирова и на Южно-Уральском машиностроительном заводе были изготовлены опытно-промышленные образцы экранированных магнитных муфт с различными значениями передаваемого момента при использовании постоянных магнитов единого типоразмера. Изготовлены и внедрены малые серии муфт с моментом 30 кГм для приводов реакторов Казанского ПО "Органический синтез" и торцовых муфт для лабораторных реакторов Ленинградского НПО "Пластполи-мер".

Общий экономический аффект от внедрения результатов работы в промышленность, подтвержденный приведенными в приложении документами, составил свыше двух миллионов рублей ( в ценах до 1990 года).

Вклад автора в решение рассматриваемой проблемы выразился в:

- теоретическом обобщении принципов построения систем герметичных электроприводов с электромагнитным способом передачи энергии в герметичные объемы;

- разработке методов теоретического анализа и инженерного расчета конструкций магнитных муфт для герметичных приводов различного назначения, а также методик теоретического и экспериментального исследования характеристик приводов с экранированными муфтами в различных режимах работы;

- научном руководстве и участии в работах но созданию и внедрению приводов с магнитными муссами;

- координации работ (в период с 1978 - 1994 г.г.) ряда промышленных организаций по разработке и внедрению магнитных муфт в электроприводах промышленного назначения.

Опубликованные работы по теме диссертации:

1. Ильин Г.П. Решение полевой задачи для экранированной магнитной муфты// Электричество.- 1983.- N6.- С.68-72.

2. Ильин Г.П. Математическая модель магнитной муфты на постоянных магнитах// Электричество.- 1985.- N4,- С.43-47.

3. Ильин Г.П. Об эффективности передачи механической энергии в герметичные объемы с помощью магнитных муфт// Изв.вузов. Энерх-етика.- 1985.- N8.-С.32-36.

4. Ильин Г.П. Расчет токов демпферной клетки в муфтах на постоянных анизотропных магнитах// Изв.вузов. Электромеханика.- 1984.- N12.- C.50-Ä5.

5.Ильин Г.П. Магнитная муфта в системе преобразования тепловой энергии океана// Использование тепловой энергии океана. Сб.трудов.- ДВО АНСССР.-1989.- С.35-43.

6. Ильин Г.П. Математическая модель магнитной муфты на постоянных магнитах. Ответ автора. Дискуссия// Электричество.- 1989.- N2.- С.73-75.

7. Ильин Г.П., Карасев A.B. Формула для определения касательных сил взаимодействия постоянных анизотропных магнитов// Изв.вузов. Электромеханика.-1981,-N3.- С.320-321.

8. Ильин Г.П., Карасев A.B. Электромагнитные силы в муфтах на постоянных магнитах// Изв.вузов. Энергетика.- 1982.- N1.- С.25-29.

9. Ильин Г.П., Карасев A.B. Расчет магнитного поля и тяговых усилий в муфтах на постоянных анизотропных магнитах// Изв.вузов. Электромеханика.-1983.- N1.-С.25-29.

10. Ильин Г.П., Карасев A.B. Расчет магнитного поля и электромагнитных сил синхронных магнитных муфт// Электричество, 1983, N1. с.67-70.

11. Ильин Г.И., Карасев A.B. Вращать мешалку магнитом// М. Техпика и Наука.- 1982.-N8.

12. Ильин Г.П., Глуханов Н.П. Синхронная экранированная магнитная муфта: Инф. листок N1131-78,- Лен.гЦНТИ, 1978.- 2 с.

13. Ильин Г.П., Паршикова Е.П. Магнитная муфта// Инф.листсс N712-83.-Леп.:ЦНТИ, 1983.-2 с.

14. Ильин Г.П., Паршикова Е.П. Экранированная магнитная муфта: Инф.лис-ток, N710-83.-Лен.:ЦНТИ, 1983.- 2 с.

15. Ильин Г.П., Рубежанский A.A. Перспективы применения и выбор оптимальных параметров магнитных муфт в ГЭУ// IV Всесоюзная научно-техническая конференция НТО им.А.Н.Крылова. Тез.докл.,- Л.:Судостроение, 1983.-С.37-38.

16. Алексеев А.Н., Ильин Г.П. Перспективы развития герметичных приводов для биореакторов// Биотехнология.- 1990.- N1.- С.46-48.

17. Ильин Г.П., Алексеев А.Н., Эстерлис В.М. Перспективы применения экранированных муфт на постоянных магнитах в герметичных приводах/ / Основные направления совершенствования и создания нового оборудования для медицинской и микробиологической промышленности.II Всесоюзная научно-техническая конфе-ренция.Тез.докл., Иркутск.1988 г.- ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1988,- С.48-49.

18. Алексеев А.Н., Ильин Г.П., Эстерлис В.М. Г' рметичный электропривод с муфтой на постоянных магнитах для крупногабаритного реактора// Основные направления совершенствования и создания нового оборудования для медицинской и микробиологической промышленности. И Всесоюзная научно-техническая кон-ференция.Тез.докл., Иркутск.1988 г.- ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1988.- С.133-134.

19. Зданович В.А., Ильин Г.П. и др. Опыт проектирования и испытаний ГЭУ траулера "Север"// Судостроение, Л., 1969- N 12.- С.34-37.

20. A.c. 584403 СССР. МКИ Н02К 49/00. Магнитная муфта/ Ильин Г.П., Глуханов Н.П., ЛТА - 2308902/24-07; заявл. 04.01.76; опубл. 15.12.77; Бюл. N46.

21. A.c. 780105 СССР. МКИ Н02К 19/20. Многофазная синхронная электрическая машина/ Ильин Г.П., Глуханов Н.П., ЛТА - 2465439/24-07; заявл. 22.03.77; опубл. 15.11.80; Бюл. N42.

22. A.c. 1020929 СССР. МКИ Н02К 19/20. Многофазная синхронная электрическая машина/ Ильин Г.П., Глуханов Н.П., ЛТА - 3299737/24-07; заявл. 05.06.81; опубл. 30.05.83; Бюл. N20.

23. A.c. 901759 СССР. МКИ П6Д 27/00. Нагреватель жидкости/ Глуханов Н.П., Ильин Г.П., Кириллова И.В., ЛТА - 2879657/24-06; заявл. 19.11.79; опубл. 30.01.82; Бюл. N4.

24. A.c. 593284 СССР. МКИ Н02К 17/04. Однофазный асинхронный электродвигатель/Глуханов 11.П., Ильин Г.П., Л'ГА~- 2139028/24-07; заявл. 28.05.75; опубл. 15.02.78; Бюл. N6.

25. A.c. 1511824 СССР. МКИ Н02К 49/00. Цилиндрическая магнитная муфга/ Ильин Г.П., Соколов В.Е., Эстерлис В.М., ЛТА - 4332090/24-07; заявл. 28.10.87; опубл. 30.09.89; Бюл. N36.

26. A.c. 1539917 СССР. МКИ Н02К 49/00. Магнитная муфта/ Ильин Г.П., Соколов В.Е., Мусатов В.М., ЛТА - 4467784/24-07; заявл. 14.06.88; опубл. 12.01.90; Бюл. N4.

27. A.c. 1677810 СССР. МКИ Н02К 7/10. Магнитная муфга с редукцией скорости вращения/ Ильин Г.П., Глуханов Н.П., ЛТА - 4729790/07; заявл. 07.08.89; опубл. 15.09.91; Бюл. N34.

28. A.c. 1653087 СССР. МКИ Н02К 49/10. Магнитная муфга/ Кондратов Ю.Д., Ильин Г.П., Алексеев А.Н. и др., УКРНИИХимМаш - 470076/24-07; заявл. 05.06.89; опубл. 12.07.91; Бюл. N20.

29. A.c. 910106 СССР. Комбинированная магнитная система/ Глуханов H.H., Ильин Г.П., Карасев A.B., ЛТА - 2574837; заявл. 30.01.78; выдано 02.11.91.

Подписано в печать с оригинал-макета 20.03.95. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Изд. N 4д. Уч.-изд. л. 2,0. Печ.л. 1,75. Тирах 100 экз. Заказ 7. С 4 д. Редакционно-издательскиЙ отдел ЛТА

Санкт-Петербургская лесотехническая академия Подразделение оперативной полиграфии ЛТА 194018, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3.

ТОО "Ривьера"