автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Гибридные магнитные подшипники и их системы управления

ГИБРИДНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОДШИПНИКИ И ИХ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА)

Специально сть: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 СЕН 21113

Уфа - 2013

005532971

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» (ФГБОУ ВПО «УГАТУ») на кафедре электромеханики

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Доктор технических наук, профессор Хайруллин Ирек Ханифович

Доктор технических наук, профессор Козлов Владимир Николаевич зав. кафедрой системного анализа и управления ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Кандидат технических наук, доцент Конесев Сергей Геннадьевич Зам. зав. кафедры электротехники и электрооборудования предприятий ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной университет»

ОАО «Уфимское агрегатное производственное объединение»

Защита состоится 4 октября 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.02 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. Карла Маркса, 12, ФГБОУ ВПО «УГАТУ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «УГАТУ».

Автореферат разослан

2./А&у&а-

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н., доцент

А.В. Месропян

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Высокоскоростные электротехнические комплексы (ВЭК) широко применяются в автономных объектах (АО), что обусловлено рядом их достоинств, таких как: высокие энергетические характеристики и надежность при минимальных массогабаритных показателях. Ввиду этого, ВЭК является ответственным узлом ЛО, что определяет ряд жестких требований, предъявляемых к нему. К этим требованиям относятся: температуростойкость, энергоэффективность и высокая надежность.

Для соответствия данным требованиям и улучшения выходных характеристик ВЭК необходимо решить ряд научно-технических задач. Одна из таких задач -проблема трения подшипников ВЭК, которая является главным ограничителем их быстроходности и надежности. Подшипники ВЭК работают при высоких частотах вращения (40000 - 100000 об/мин). При этом, чем выше частота вращения, тем труднее обеспечить надежную эксплуатацию подшипников и минимальные потери на трение в них. Решением проблемы трения в подшипниках ВЭК являются бесконтактные подшипники (БПО).

За последние десятилетия образовалась целая отрасль науки по разработке устройств на БПО. Разработан ряд конструкций БПО, таких как газовые и магнитные подшипники. Несмотря на это, в настоящее время задачи практического приложения БПО стоят во многих отраслях промышленности. Обращает на себя внимание такой тип конструкции БПО, как активные магнитные подшипники (АМП). Однако недостатки, присущие АМП, такие как повышенные массогабаритные показатели и невозможность левитации ротора в статическом режиме при отсутствии электрического питания, ограничивают их применение на практике.

Одним из возможных путей решения указанных проблем АМП является их совместное применение с другими типами БПО. Такой симбиоз АМП определяется как гибридные магнитные подшипники (ГМП). Наибольшими преимуществами перед прочими типами ГМП обладают те, в которых совместно применяются магнитные подшипники на постоянных магнитах (МППМ) и АМП, так как в данном случае обеспечивается левитация ротора в статическом режиме при отсутствии элект^ическогч питания. Кроме того, массовые характеристики современных редкоземельных магтггов^позволяют в значительной степени снизить массогабаритные показатели БПО. В связи с этим, в диссертации рассматривается ГМП как электротехнический комплекс, предназначенный для обеспечения бесконтактного движения ротора ВЭК и включающий в себя следующие взаимосвязанные системы: систему управления положением ротора и демпфирования колебаний, состоящую из вычислительных, логических, силовых модулей и АМП; систему обеспечения левитации ротора в магнитном поле,

создаваемом МГГПМ; систему наблюдения, состоящую из датчиков положения ротора и усилителей сигналов и обеспечивающих функцию автоматического наблюдателя положения ротора ВЭК; систему контроля технического состояния.

Степень разработанности темы исследования. Анализ работ отечественных и зарубежных авторов показал, что исследования в данном направлении в основном ограничиваются предложением различных конструкционных решений, без теоретических исследований физических процессов, протекающих в них. В связи с этим, исследования и разработка ГМП и его системы управления являются актуальной, наукоемкой задачей для развития промышленности.

Значительный вклад в развитие теории магиитных подшипников внесли такие ученые и специалисты как В. И. Барсуков, Д. М. Вейнберг, В. П. Верещагин, Ю. Д. Вьппков, Ю. Н. Журавлев, В. В. Козорез, А. А. Комолов, В. И. Кувыкин, П. К. Кузнецов, Ю. Г. Мартыиенко, Г. Ю. Мартыненко, А. П. Сарычев, А. В. Спирин, В. С. Шаров и др. Развитию методов расчета систем с постоянными магнитами большое внимание уделяли такие ученные, как А. Б. Альтман, Р. Р. Арнольд, В. А. Балагуров, А. Я. Красильников, Ю. М. Пятин и др.

Вопросы математического и компьютерного моделирования магнитных полей в своих трудах отразили Б. К. Буль, О. Б. Буль, А. И. Вольдек, В. В. Домбровский, К. С. Демирчан, А. В. Иванов-Смоленский, Ф. Р. Исмагилов, И. X. Хайруллин и др.

Цель и задачи. Целью работы является развитие теоретических основ проектирования гибридных магнитных подшипников и разработка гибридного магнитного подшипника и его системы управления. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработка математических моделей динамических и статических процессов, протекающих в гибридном мапштном подшипнике в целом, а также в его системах. Исследование силовых характеристик гибридного магнитного подшипника на их основе.

2. Анализ силовых характеристик магнитных подшипников на постоянных магнитах как системы, входящей в гибридные магнитные подшипники, посредством компьютерного моделирования методом конечных элементов.

3. Адаптация метода диагностики электрических машин по внешнему магнитному полю для задач контроля технического состояния гибридных магнитных подшипников и разработка математического аппарата для его практической реализации.

4. Разработка оригинальных конструкций высокоскоростных электротехнических комплексов на гибридных магнитных подшипниках. Разработка стенда для исследований гибридного магнитного подшипника и экспериментальная проверка теоретических положений.

Научная новизна

1. Разработаны математические модели статических и динамических процессов, протекающих в ГМП, и результаты исследований силовых характеристик ГМП на их основе.

2. Разработаны трехмерные имитационные модели МППМ, на основе которых были определены новые физические зависимости в ГМП.

3. Результаты исследований силовых характеристик МППМ, как составного узла ГМП, основанные на компьютерном моделировании в программном комплексе Ansys. Впервые установлены безразмерные геометрические соотношения, при которых силовые характеристики максимальны.

4. Разработан математический аппарат, описывающий внешнее магнитное поле ГМП и результаты исследований параметров ВМП ГМП на его основе, необходимые для решения задач диагностики ГМП.

Практическая значимость работы

1. Оригинальные конструкции ВЭК на ГМП могут найти применение в промышлегаюсти. Разработанное программное обеспечение позволяет ускорить процесс проектирования ГМП.

2. Методика исследований силовых характеристик МППМ позволяет определять минимальные массогабаритные показатели ГМП. Полученные области рациональных значений геометрических параметров МК МППМ и ГМП могут быть использованы в качестве рекомендаций при проектировании ГМП.

3. Имитационная модель электромагнитной системы управления может быть реализована посредством компьютерных технологий как реальная система управления ГМП.

4. Испытательная установка и методики экспериментальных исследований могут использоваться при определении параметров ГМП и МППМ в процессе производства и эксплуатации.

Практическая ценность результатов работы подтверждается актом внедрения результатов в учебный процесс кафедры элеетромеханики ФГБОУ ВПО «УГАТУ».

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы аналитические методы исследования магнитного поля, методы теории дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования с использованием пакетов Maple, Matlab, Matchad, компьютерного моделирования магнитного поля и сил методом конечных элеме1Гтов (КЭ) в пакете Ansys, с использованием пакета Solid Works для создания твердотельных трехмерных моделей, имитационного моделирования на ПК в среде Matlab Simulink, обработка экспериментальных данных и данных компьютерного моделирования - пакет Spline. Tool.

Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки. Исследования проводились на кафедре «Электромеханика» УГАТУ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели статических и динамических процессов, протекающих в ГМП, и исследования силовых характеристик ГМП на их основе.

2. Имитационные модели электромагнитной системы управления ГМП и исследования динамических процессов в системе управления ГМП

3. Результаты исследований силовых характеристик МППМ, как системы, входящей в ГМП, получешпле для различных материалов и типов намагниченности постоянных магнитов посредством компьютерного моделирования методом КЭ в программном комплексе Ansys.

4. Результаты экспериментальных исследований зависимости силы МППМ и ГМП от смещения, полученные для различных конструкций МППМ и ГМП и геометрических параметров магнитных колец, а также результаты экспериментальных исследований внешнего магнитного поля ГМП.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность полученных результатов обусловлена использованием строгих математических методов, методов компьютерного моделирования, подтверждаемых экспериментальными данными.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конкурсе «У.М.Н.И.К.», работа номинирована на призовое место (Уфа, 2011); на конкурсе инновационных проектов проводимых ОАО «РусГидро», работа номинирована на призовое место (Москва, 2012); на научно-технической конференции «Газпром трансгаз Уфа», номинирована на призовое место (Уфа, 2012); является финалистом конкурса ТЕХНОСТАРТ-Урал, (Екатеринбург, 2013); VII Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2012); XVIII конференции аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2012); IV Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2012);

Диссертационная работа отражает результаты исследований, выполненных при участии автора в рамках работ по Федеральной целевой программе «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года», степень участия - ответственный исполнитель.

Публикации. Список публикаций по теме диссертации включает 55 научных трудов, в том числе 28 статей, из них 10, входящих в перечень ВАК, 2 патента РФ на изобретения, 5 свидетельств на программы для ЭВМ, 10 материалов конференций. Перечень публикаций автора приведен в диссертации в полном объеме.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и двух приложений, содержит 160 страниц машинописного текста. Библио1рафический список из 130 наименований. Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цели и задачи диссертационной работы, методы решения поставленных задач. Описаны состав и структура работы, показана научная новизна и практическая ценность, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе работы проведен сравнительный анализ современных подшипниковых опор, показаны области использования МП, рассмотрены основные типы и существующие конструкции МП, сформулированы основные требования, предъявляемые к ГМП, рассмотрены существующие принципы, методы и инструменты исследований ГМП. Рассмотрены технические и экономические преимущества применения ГМП. Сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе разработаны математические модели статических и динамических процессов, протекающих в ГМП, являющиеся основой для разработки и проектирования систем управления ГМП.

В основу расчетной модели принимается общий вариант конструктивного исполнения ГМП: с цилиндрическими постоянными магнитами, электромагнитной системой управления и демпфирования и системой наблюдателя (рисунок 1).

Электронный Вт рра^пения

Рисунок 1 - Расчетная модель ГМП

Ввиду того, что основную функцию ГМП выполняет система обеспечения левитации ротора, состоящая из МППМ, важно произвести математическое моделирование силовых характеристик в рабочем зазоре МППМ.

Математическое моделирование МППМ осуществляется методом физических аналогий и МППМ рассматривается как система из двух соленоидов. При этом используются следующие допущения: магнитная проницаемость немагнитного зазора равна проницаемости вакуума р.„, магнитная проницаемость постоянных магнитов постоянна, внешний магнит жестко закреплен.

В результате математических упрощений исходных выражений, характеризующих магнитное поле представленной системы, с учетом указанных выше допущений, была разработана математическая модель сил взаимодействия МППМ с кольцами, установленными без осевого смещения друг относительно друга:

Н

л Ь

(Ь-с)

(с-й)

атЛё-

(д ~Ь)

(1)

где р- сила отталкивания между магнитными кольцами МППМ; с=2х\ 6 = ¿ + 25; Вг - остаточная индукция постоянных магнитов; - магнитная проницаемость вакуума; х — смещение магнитных колец МППМ; 5 - номинальный воздушный зазор МППМ; /- осевая длина ПМ; с1 - толщина ПМ.

Для анализа и оценки математической модели были проведены расчёты составляющей силы по осям у для МППМ с кольцами, установленными без смещения друг относительно друга. Параметры колец МППМ: /=6,99 мм, ¿/=3,3 мм, 5 = 0,775 мм, Д.=0,385 Тл. На рисунке 2, в качестве примера, приведена зависимость составляющей силы по оси х от изменения смещения х.

В ряде работ представлены экспериментальные исследования радиалыю намагниченных постоянных магнитов с параметрами //=6,99 мм, ¡¿=6,35 мм, с1=Ъ,'Ь мм, Вг=0,385 Тл. Анализ экспериментальных результатов, полученных в данных работах, и аналитических расчетов по выражениям, полученным в диссертации, рисунок 2, показал расхождение в 10,9%. Величина данного расхождения является причиной не только погрешности, вносимой допущениями, но и тем, что при экспериментальных исследованиях применялись кольца разной длины. Величина полученного расхождения позволяет сделать вывод об адекватности разработанной математической модели.

Анализ зависимости, рисунок 2, показал, что при увеличении смещения в 2 раза сила на стороне увеличения зазора уменьшается на 56%.

Рисунок 2 - Зависимость составляющей силы по оси х от смещения для МППМ с кольцами, установленными без смещения друг относительно друга

Исследования, выполненные с использованием разработанной математической модели, показали, что в результате смещения возникает дисбаланс электромагнитных сил МППМ, а это диктует необходимость контроля смещения магнитных колец МППМ. Возможность контроля смещения достигается применением совместно с МППМ АМП, выполняющей функции системы управления ГМГ1,

При исследовании динамических процессов системы управления ГМП принимается вариант конструктивного исполнения системы управления ГМП, состоящей из четырех Ш-образных электромагнитов (ЭМ), установленных по диаметру вала, рисунок 1.

При математическом анализе системы управления ГМП применяется ряд дополнительных допущений: магнитная цепь ЭМ не насыщена, ЭМ 1 срабатывает только при положительном смещении в направлении оси у, ЭМ 2 только при отрицательном смещении в направлении оси у, ЭМ 3 только при положительном смещении в направлении оси х, ЭМ 4 только при отрицательном смещении в направлении оси х; угловые перемещения системы отсутствуют.

Для исследования системы управления ГМП была разработана математическая модель, которая для канала управления по оси х принимается в виде:

= \ - '4 > " кр2Л + крЗЛ) + вх^х

2 о

1{кр1х~кр2х)--'

12х~

- = и-

С1'4

—п,

-¿рГ\крЗх-кр1х)

(2)

Гх ~

Но л

(Ь+с)

2 2

, ¡¡1^-,=—-

Ос-ъ)

где составляющая силы отталкивания между магнитными кольцами МППМ по оси х; - сила тока в 3 и 4 ЭМ соответственно; С1 = 0,5ц0и>*.?; V/ - число витков ЭМ; 5 - площадь полюса ЭМ; V - ускорение; т - масса ротора; г - активное сопротивление обмоток ЭМ; А = х/5 — относительное перемещение;

крЗх-крЗх

= 1,74лД(42-1)(о,5>ЙД±1)] ; кр1х = 4агй^0,41(4-1)/^Д2-!^^2-!)1'3

Разработанная математическая модель была реализована в виде имитационной модели в программном комплексе МайаЪ 57тиИпк, рисунок 3.

Рисунок 3 - Имитационная модель системы управления ГМП

В результате исследований с помощью разработанной математической модели и ее компьютерной реализации были получены динамические характеристики

системы управления ГМП, которые подтверждают устойчивость ГМП. Кроме того, по результатам численного эксперимента на разработанной имитационной модели была доказана работоспособность ГМП и исследованы взаимозависимости всех узлов, входящих в электротехнический комплекс.

В третьей главе представлены исследования силовых характеристик и определенные на их основе рациональные геометрические соотношения МППМ, посредством метода КЭ в пакете Ап^, для различных конструкций ГМП и МППМ, разработано оригинальное программное обеспечение, предназначенное для ускорения процесса проектирования ГМП, адаптирован метод диагностики электрических машин по внешнему магнитному полю для задач контроля технического состояния ГМП и разработан математический аппарат для его практической реализации.

В результате исследований МППМ методом МК было установлено, что при увеличении А.=К8/К„„ на 50%, силовые характеристики МППМ с радиалыю намагниченными кольцами увеличиваются на 12,5 % (рисунок 4). При Х = 0,5-0,7 силовые характеристики МППМ с радиально намагниченными кольцами максимальны. После прохождения данного значения сила резко снижается. Данное соотношение было получено впервые и было названо как оптимальный воздушный зазор ГМП. Также максимальное значение силы определяется при значении геометрического соотношения 0,5<Х,<2 (К =УЮ). Но с учетом того, что при меньшем значении геометрического соотношения, силовая характеристика МППМ с осевой намагниченностью колец распределена по всей активной длине, а при увеличении геометрического соотношения в центре МППМ с осевой намагниченностью силовое воздействие меньше, нежели по краям, рекомендуется при проектировании МППМ с осевой намагниченностью колец использовать геометрическое соотношение 0,5<Х4 <0,7.

Таким образом, в результате моделирования определены рациональные безразмерные соотношения X (0,5-0,7), X, (0,5-0,7), при которых силовые

характеристики ГМП максимальны.

В МППМ с осевой намагниченностью магнитных колец характер кривой аналогичен. В них также имеет место оптимальное значение соотношения X (0,5 - 0,7), при котором силовые характеристики максимальны.

Использование данного эффекта в МППМ приводит к увеличению воздушного зазора и снижению тем самым жесткости опоры. Исследование зависимости жесткости МППМ от величины воздушного зазора осуществлялось методом КЭ, в результате было установлено, что при его увеличении в 2 раза, жесткость МППМ снижается в 1,73 раза. Жесткость при оптимальном зазоре составляет 33,5 Н/мм, при

минимальном исследуемом зазоре (0,5 мм) жесткость составляет 68 Н/мм, то есть снижение в 2 раза. Сила при оптимальном зазоре 70 Н, а при зазоре 0,5 мм 38 Н, то есть увеличение в 1,8 раз.

Другими словами использование оптимального зазора в МППМ должно сопровождаться оценкой не только силовых характеристик, но и жесткости в зависимости от величины воздушного зазора.

В системах с постоянными магнитами, где жесткость не является одним га основных параметров, данный результат может найти широкое применение (грузоподъемные механизмы с постоянными магнитами, устройства автоматики).

Рисунок 4 - Зависимость силовых характеристик от отношения объема внутреннего кольцевого магнита к величине воздушного зазора для МППМ с осевой намагниченностью магнитных колец

Решение поставленных задач позволило определить зависимость силовых характеристик от активной длины МППМ с осевой намапшчешюстью колец и МППМ с радиальной намагниченностью колец (рисунок 5). Анализ данной зависимости показал, что в МППМ с осевой намапшчешюстью МК, силовые характеристики в рабочем зазоре возрастают при увеличении активной длины МППМ до определенного значения 4 определяемое в работе как пороговое, после чего влияние увеличения активной дяины па силовые характеристики незначительно, и силовые характеристики при увеличении активной длины остаются постоянными. В частности, для £>^60мм, йМ5мм, 5=1 мм значение 4 составляет 35мм. Причем, увеличение активной длины до значения 4 на 40% приводит к увеличению силовых характеристик на 37%.

Поэтому рекомендуется, с целью рационального использования материала постоянных магнитов, при проектировании МППМ и ГМП с осевым направлением намагниченности, использовать определенное значение активной длины 4В МППМ с радиальной намагниченностью МК силовые характеристики при увеличении активной длины возрастают. Причем, при увеличении активной длины

в 1,3 раза силовые характеристики увеличиваются на 33,6%, при увеличении активной длины в 2 раза силовые характеристики увеличиваются на 58,8%, а при увеличении длины в 2,3 раза - на 70,5%. В области малой активной длины целесообразно применять МППМ с осевой намагниченностью МК, так как в области малой активной длины силовые характеристики МППМ с осевой намагниченностью больше на 5-7 %.

В диссертации предлагается метод диагностики ГМП, который отличается от известного метода, тем, что датчики внешнего магнитного поля располагаются в зоне над поверхностью постоянных магнитов ГМП. Напряженность ВМП на поверхности постоянных магнитов ГМП или в зоне, находящейся в непосредственной близости от нее, достигает больших значений (при применении магнитов из сплава NdFeB Нс= 1,99-10' А/м), что упрощает техническую реализацию метода, снижает его стоимость, повышает эффективность и достоверность.

F. н

/

/ / ------- ------

/

//

if if

Рисунок 5 - Зависимость силы в рабочем зазоре МППМ с осевой шмагниченносшо МК и М1111М с радиальной намапшчешгосшо от активной длины

Для практической реализации предлагаемого метода необходимо разработать математический аппарат, описывающий ВМП ГМП при смещении внутреннего МК МППМ относительно внешнего. При этом принимались следующие допущения: отталкивающая сила, действующая на малый участок внутреннего МК МППМ, создается магнитным полем, ограниченным областью внешнего МК МППМ, находящимся в непосредственной близости этого участка; магнитная проницаемость рабочего зазора ГМП равна проницаемости вакуума; магнитная проницаемость постоянных магнитов постоянна; влияние электромагнитной системы управления ГМП не учитывается, рассматривается действие только постоянных магнитов.

В результате преобразований исходных уравнений были получены выражения для определения напряженности ВМП на поверхности корпуса ВЭК на ГМП:

-Г

+ Зй + г0-*со8а + Л); +/г„ ,/(2 Я, +3^ + 2(20-1со5а) + Л)1+/1, У(2/г, +4й+2(г„ -хсоза) + й)! + /г„

где г0 - номинальный воздушный зазор МППМ; х - смещение МК МППМ; а- геометрический угол между элементарными плоскостями МК МППМ; А — толщина корпуса ВЭК; <1 - толщина ПМ; Я] - радиус внутреннего магнитного кольца МППМ; г - рабочий зазор между МППМ.

Четвертая глава посвящена разработке испытательного стенда ГМП, методик экспериментальных исследований, на основании полученных в данной работе результатов, проверке основных теоретических положений по расчету сил в ГМП, МППМ, ОМППМ и по реализации метода диагностики ГМП по внешнему магнитному полю, анализу расхождения результатов компьютерного моделирования, аналитических расчетов и экспериментальных данных.

Исходя из обозначенных выше задач, была разработана конструкция испытательного стенда и макет ГМП (рисунок 6, 7, 8). Данный стенд применяется как для исследования статических, так и динамических характеристик ГМП.

Рисунок 6 - ГМП (макетный Рисунок 7-Внешний Рисунок 8 -Внутренний

Для анализа расхождения данных эксперимента и теоретических данных было произведено компьютерное моделирование МППМ методом КЭ в программном комплексе Апяуя. По данным компьютерного моделирования, посредством интерполяции в программном комплексе МайаЬ, была получена зависимость силы в зазоре МППМ от величины воздушного зазора. Анализ данной зависимости показал, что при увеличении воздушного зазора в 2 раза жесткость МППМ снижается в 1,8 раза. Жесткость при оптимальном воздушном зазоре, при котором силовые характеристики максимальны, составляет 42 Н/м, при минимальном исследуемом зазоре (0,5 мм) жесткость составляет 100 Н/м, то есть снижение в 2,3 раза. Сила при

образец)

набор МК

набор МК ГМП

оптимальном зазоре 85 Н, а при зазоре 0,5 мм - 53 Н, то есть увеличение в 1,56 раз, что соответствует получешшм теоретическим данным.

Заключение

В результате проведенных исследований были получены следующие научно-технические результаты:

1. Разработаны математические модели динамических и статических процессов, протекающих в гибридном магнитном подшипнике в целом, а также в его системах, таких как магнитные подшипники на постоянных магнитах или осевые магнитные подшипники на постоянных магнитах, произведен анализ силовых характеристик гибридного магнитного подшипника на их основе, в результате которого установлено, что при увеличении смещения в .2 раза сила на стороне увеличения зазора уменьшается на 56%. При увеличении смещения по оси у в 2 раза составляющая силы по оси у на стороне уменьшения зазора увеличивается на 56%, на стороне увеличения зазора уменьшается на 56%. При статическом равновесии (у=0) составляющая силы по оси у= 0. Кроме того, анализ характеристик магнитных подшипников на постоянных магнитах с кольцами, установленными без смещения друг относительно друга, и с кольцами, установленными со смещением друг относительно друга, показал, что при смещении МК в осевом направлении в 2 раза составляющие радиальной силы по оси * и по оси у снижаются на 60%, в связи с этим очевидно, что применение магнитных подшипников на постоянных магнитах с кольцами, установленными со смещением друг относительно друга, эффективно лишь в системах с незначительной радиальной нагрузкой.

2. Проведен анализ силовых характеристик магнитных подшипников на постоянных магнитах как системы, входящей в гибридные магнитные подшипники, посредством компьютерного моделирования методом конечных элементов, на основе которого впервые была установлена безразмерная величина У3 / V, „ , при которой силовые характеристики максимальны, и определено:

— что имеется такая величина воздушного зазора, при которой силовые характеристики максимальны, причем определено безразмерное соотношение \ = У,/У,К = 0,25 ч-0,7 для магнитных подшипников на постоянных магнитах и гибридных магнитных подшипников с радиальной намагниченностью колец и с осевой намагниченностью колец;

- в магнитных подшипниках на постоянных малинах с осевой и радиальной намагниченностью колец силовая характеристика имеет максимальное значение при определенной толщине колец. В частности для магнитного подшипника с осевой намагниченностью колец и геометрическими параметрами й?~50мм, /=10мм, 8=1мм,

при двойной толщине 33 мм, силовая характеристика имеет пиковое значение -460 Н;

- в магнитных подшипниках на постоянных магнитах с осевой намагничешюстыо колец, силовые характеристики в рабочем зазоре возрастают при увеличении активной длины до определенного значения /,, определяемого в работе как пороговое, после чего влияние увеличения активной длины на силовые характеристики незначительно, и силовые характеристики при увеличении активной длины остаются постоянными. В частности, для £>=60 мм, ¿=15 мм, 5=1 мм значение !, составляет 35 мм. Причем, увеличение активной длины до значения на 40% приводит к увеличению силовых характеристик на 37%. В магнитных подшипниках на постоянных магнитах с радиальной намагниченностью силовые характеристики при увеличении активной длины возрастают. При увеличении активной длины в 1,3 раза силовые характеристики увеличиваются на 33,6%, при увеличении активной длины в 2 раза силовые характеристики увеличиваются на 58,8%, при увеличении длины в 2,3 раза силовые характеристики увеличиваются на 70,5%. Исходя из этого можно сделать вывод, что постоянные магниты с осевой намагниченностью рационально применять в области малых длин. В области больших длин более рационально применять постоянные магниты с радиальной нам агниченностью.

3. Произведена адаптация метода диагностики электрических машин по внешнему магнитному полю для задач контроля технического состояния гибридных магнитных подшипников и разработан математический аппарат для ее реализации на практике, на основе исследований которого определено, что с увеличением величины смещешы магнитных колец гибридного магнитного подшипника на 15 % напряженность его внешнего магнитного поля на стороне увеличения номинального зазора снижается на 50 А/м, при толщине корпуса высокоскоростного электротехнического комплекса 10 мм, из чего можно сделать вывод, что напряженность внешнего магнитного поля может использоваться не только как диагностический критерий, но и как функция системы управления положением ротора.

4. Разработаны оригинальные конструкции высокоскоростных электротехнических комплексов на гибридных магнитных подшипниках, получены патенты на изобретения. Разработан стенд для экспериментальных исследований гибридных магнитных подшипников и произведена экспериментальная проверка полученных математических моделей, в результате чего установлено, что погрешность разработанных математических моделей не превышает 11%, а погрешность компьютерного моделирования не превышает 7%.

Статьи в изданиях по перечню ВАК:

1. Вавилов В. Е. Определение влияния статического эксцентриситета на устойчивость гибридного магнитного подшипника/ И. X. Хайруллин, Ф. Р. Исмагилов, В. Е. Вавилов // Вестник УГАТУ.-2012.-Т.16 - С. 147-150.

2. Вавилов В. Е. Определение сил гибридного магнитного подшипника для высокоскоростных шпинделей / И. X. Хайруллин, Ф. Р. Исмагилов, В. Е. Вавилов // Вестник УГАТУ.-2012 — Т.16,- С. 70-74.

3. Вавилов В. Е. Особенности применения гибридных магнитных подшипников в быстроходных магнитоэлектрических машинах / А. А. Герасин, Ф. Р. Исмагилов, И. X. Хайруллип, В. Е. Вавилов // Современные проблемы науки и образования. -2012. -№ 5-URL: http://www.science-education.ru/105-6935

4. Вавилов В. Е. Анализ осевой составляющей силы отталкивания в многокольцевых магнитных подшипниках с осевым направлением намагниченности/ А. А. Герасим, Ф. Р. Исмагилов, И. X. Хайруллин, В. Е. Вавилов // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2012. — №10. - С. 14-18.

5. Вавилов В. Е. Определение силовых характеристик магнитных подшипников в зависимости от величины рабочего зазора / И. X. Хайруллин, Ф. Р. Исмагилов, В. Е. Вавилов // Вестник УГАТУ.-2012.- Т.16 - Na 8,-С. 150-154.

6. Вавилов В. К Математическая модель системы электромапишого управления гибридным магнитным подшипником/ А. А. Герасин, Ф. Р. Исмагилов, И. X. Хайруллин, В. Е. Вавилов, М В. Охотников // Вестник машиностроения - 2013. -№1.- С. 30-34

7. Вавилов В. Е. Экспериментальное исследование влияния технического состояния магнитных подшипников на параметры их внешнего магнитного поля / А. А. Герасин, Ф. Р. Исмагилов, И. X. Хайруллин, О. А. Бойкова, В. Е. Вавилов и др. // Современные проблемы науки и образования - 2013. - № 1.URL : http : // www.science-educatioaru/107-8151

8. Вавилов В. Е. Имитационная модель электромеханических преобразователей энергии с учетом процессов в подшипниковых опорах/ А. А. Герасин, Ф. Р. Исмагилов, И. X. Хайруллин, М. М. Зюков, В. Е. Вавилов // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2013 - №2,— С. 35-39.

9. Вавилов В. Е. Определение силовых характеристик радиальных магнитных подшипников с осевой намагниченностью в зависимости от геометрических параметров / И. X. Хайруллин, Ф. Р. Исмагилов, В. Е. Вавилов // Электричество.-2013,- №5 - С.45^48

10. Вавилов В. Е. Математическая модель осевого магнитного подшипника на постоянных магнитах для высокоскоростных шпиндельных узлов / А. А. Герасин, Ф. Р. Исмагилов, И. X. Хайруллин, В. Е. Вавилов // Станки и инструмент. - 2013-№ 5-С.10-15.

Патенты:

11. Вавилов В. Е. Высокоскоростной шпиндель / И. X. Хайруллин, Ф. Р. Исмагилов, В. Е. Вавилов, Д. Ю. Пашапи: Пат. 2468895 РФ, МПК В23В 19/02, Заявлено 16.06.2011; 0публ.10.12.2012, Бюл. № 34.

12. Вавилов В. Е. Высокоскоростная магнитоэлектрическая машина с вертикальным валом / И. X. Хайруллин, Ф. Р. Исмагилов, В. Б. Вавилов, Д. Ю. Пашали: Пат. 2475928 РФ, МПК Н02К 21/22, Заявлено 16.06.2011; Опубл. 20.02.2013, Бюл. №5.

Свидетельство о регистрации программ для ЭВМ

13. Вавилов В. Е. Имитационная модель электромеханического преобразователя энергии на магнитных подшипниках / Ф. Р. Исмагилов, И. X. Хайруллин, В. Е. Вавилов и др. // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ№ 2013613031, от21.03.2013.

14. Вавилов В. Е. Имитационная модель электромеханического преобразователя энергии на механических подшипника / Ф. Р. Исмагилов, И. X. Хайруллин, В. Е. Вавилов и др. // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.-№ 2013613003.-20.03.2013.

15. Вавилов В.Е. Автоматизированная система управления гибридным магнитным подшипником / И. X. Хайруллин, Ф. Р. Исмагилов, В. Е. Вавилов, Д. Ю. Пашали //Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ-№2012616976.-3.08.2012.

Статьи в других изданиях:

16. Вавилов В. Е. Гибридные магнитные подшипники в системах компрессорных установок производства углеводородных газов / В. Е. Вавилов // материалы VIII конференция молодых ученых и специалистов Изобретательство и рационализаторство молодых работников в вопросах транспортировки природного газа, ООО Газпром трансгаз Уфа - 2012 - С. 39-43.

17. Вавилов В. Е. Экспериментальные исследования внешнего магнитного поля гибридных магнитных подшипников/ В. Е. Вавилов // Молодежный вестник УГАТУ,- 2013.- № 3 (8) - С. 70-74.

18. Вавилов В. Е. Применение гибридных магнитных подшипников в авиационных генераторах / В. Е. Вавилов // Гражданская авиация XXI век: сборник материалов V Международной молодежной конференции: Ульяновск: УВАУ ГА(И).-2013.-С. 45

Соискатель / / В. Е. Вавилов

ВАВИЛОВ Вячеслав Евгеньевич

ГИБРИДНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОДШИПНИКИ И ИХ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА)

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 15.08.2013. Формат 60x80 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times. Усл. псч. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 428.

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12.