автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка методик проектирования и расчёта электромагнитных подшипников крупных машин

О'

На правах рукописи

Рогоза Александр Валерьевич

Разработка методик проектирования и расчёта электромагнитных подшипников крупных машин

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДГІРШ

Соискатель:

7Э

Москва-2012 г.

005018445

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-производственная корпорация «Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы» им. А. Г. Иосифьяна» (ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ»)

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Верещагин Владимир Петрович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Геча Владимир Яковлевич

Кандидат технических наук, доцент Герди Владимир Николаевич

Ведущая организация: Московский авиационный институт

(национальный исследовательский университет) г.Москва, Волоколамское шоссе, д.4

Защита состоится «17» апреля 2012 года в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 403.005.01 при ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» по адресу: Москва, Хоромный тупик, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ».

Автореферат разослан «13» марта 2012 года.

Ученый секретарь /'" у/ /

диссертационного совета, к.в.н., доцент( / . * / < Пинчук A.B.

Общая характеристика работы

История развития электромагнитных подшипников (ЭМП) в ественной и зарубежной промышленности свидетельствует, что в оящее время существует тенденция к расширению сферы применения ЭМП ласти крупных машин с массой ротора более 1,5 тонн. Поскольку масса и гопотребление ЭМП обычно возрастают с увеличением массы ротора, то крупных машин становятся особо важными вопросы выбора оптимальных метров и размеров магнитных систем ЭМП, которые во многом ктеризуют технический уровень ЭМП. Основное научное направление ой работы заключается в разработке методов проектирования и расчета 1 крупных машин, удовлетворяющих современным требованиям, не пающих зарубежным аналогам. Эта работа является первой специальной 1ткой разработать и обобщить подходы к выбору оптимальных тромагнитов ЭМП и может иметь важное значение для обеспечения урентоспособности отечественных ЭМП за рубежом. Актуальность темы работы обусловлена тем, что в развитии ЭМП, сящихся к электромеханическим системам управления, возникла ходимость расширения их применения в области крупных машин с массой ра более 1,5 тонн. Поскольку вопросы разработки ЭМП для этих машин т специфику и в литературе практически не рассматриваются, то ебовалось провести собственные исследования в решении первостепенной ной задачи проектирования и расчета ЭМП для крупных машин. Анализ развития и способов проектирования ЭМП показывает, что ранее еняемые расчётные соотношения и рекомендации по проектированию и определения основных характеристик ЭМП имеют разрозненный характер, затрудняет их взаимосвязь, и обладают невысокой точностью, ествующий опыт разработок во ВНИИЭМе показывает, что точность ета нагрузочных характеристик ЭМП до сих пор составляет около 20%. может приводить к ухудшению основных технических показателей и ства работы СМП в целом. Особенно критично это для крупных машин, где риты и масса ЭМП существенно увеличиваются и требования к точности етов возрастают. Вместе с тем, практика применения современных обов и средств для решения подобных задач в различных тромеханических устройствах, в т.ч. электрических машинах, етельствует, что при решении данной задачи может быть обеспечена ость около 10%

Объект исследования - проектирование и применение системы итного подвеса (СМП), включающая осевые (ОМП) и радиальные (РМП) тромагнитные подшипники, для крупных машин с весом ротора более 1,5

Предмет исследования - закономерности, принципы и методы ктирования и расчёта электромеханической части системы магнитного еса для крупных роторных машин.

Направление исследований - разработка научно обоснованных технических решений по проектированию и расчёту ЭМП крупных машин, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие электрооборудования для электроэнергетики и газовой промышленности.

Целью данной диссертационной работы является создание универсальных инженерных проектных методик, обеспечивающих точность расчёта нагрузочных характеристик не хуже 10% и представляющих в систему автоматизированного проектирования (САПР) ЭМП.

Задача исследований, направленная на достижение поставленной цели, заключается в разработке методического аппарата для проектирования и расчёта характеристик ЭМП, обобщающего решения следующих научно-технических вопросов:

1. Анализ способов проектирования и обоснования соотношений основных проектных параметров и алгоритмов расчётов ЭМП.

2. Разработка методик проектирования и поверочного электромагнитного расчета ЭМП.

3. Выбор критериев для сопоставления и оценки технического уровня разработок ЭМП.

4. Проведение экспериментальных исследований некоторых образцов ЭМП для крупных машин.

Результаты исследований, полученные лично автором, которые выносятся на защиту:

1. Основные положения, рекомендации и соотношения для проектирования и расчета ЭМП.

2. Методики проектирования и расчета характеристик ЭМП.

3. Способ количественной оценки технического уровня ЭМП по удельным показателям массы и энергопотребления.

4. Результаты экспериментального исследования нагрузочных характеристик ЭМП, позволяющие оценить точность разработанных расчетных методов.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. На основе анализа существующего опыта разработок ЭМП и решений некоторых оптимизационных задач по выбору основных размеров впервые определены практические границы изменения основных параметров и соотношений размеров ЭМП, что позволяет конкретизировать задачу проектирования. Для вывода основных расчетных соотношений разработаны модифицированные расчетные модели магнитных систем ЭМП, позволяющие более точно учитывать распределение электромагнитного поля и воздействующей нагрузки между полюсами.

2. Разработаны универсальные методики проектирования и поверочного электромагнитного расчёта ЭМП, в том числе для крупных машин. На основе применения метода конечных суперэлементов для расчета нагрузочных характеристик при эксцентричном расположении ротора учтена многофакторность этой задачи.

3. Впервые обоснованы возможности и целесообразность применения удельных технических показателей ЭМП в качестве объективных критериев для сопоставления и оценки технического уровня различных ЭМП.

4. Проведено специальное экспериментальное исследование по определению нагрузочных характеристик некоторых образцов ЭМП для оценки точности расчётов.

Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в том, что их применение позволит ускорить и расширить производство перспективных машин с ЭМП. Отмеченная ценность обеспечивается следующими характеристиками полученных результатов:

1. Методический подход и расчётные соотношения для проектирования ЭМП приемлемы для различных машин, в том числе для крупных.

2. Методики проектирования и расчёта характеристик ЭМП адаптированы к стандартным компьютерным программам.

3. Обеспечивается количественное оценивание технического уровня ЭМП по показателям массы и энергопотребления.

4. Точность получаемых расчётных характеристик ЭМП составляет не менее 10%, подтверждена экспериментальными данными и приемлема для практических целей.

Реализация результатов работы, полученных автором:

1. Разработаны универсальные методики проектирования и расчета ЭМП использованы в разработках ВНИИЭМ при создании ЭМП для различных типов компрессоров газоперекачивающих агрегатов, работающих на предприятиях транспортировки и хранения газа ОАО «Газпром».

2. Применение созданного при непосредственном участии автора способа оценки технического уровня ЭМП при выборе оптимального варианта исполнения позволяет разработчикам и потребителям объективно сравнить различные варианты и принять компромиссное решение.

3. Внедрение компьютерных программ по методикам проектирования и расчета ЭМП в систему САПР ЭМП, существующую во ВНИИЭМ, сократило время расчетных работ в 1,5 раза и снизило их трудоемкость.

4. Материалы диссертационной работы используются в учебных программах Научной школы по ЭМП, созданной во ВНИИЭМ, и в процессе подготовки специалистов и эксплуатационного персонала ОАО «Газпром», работающих с агрегатами, оснащенными ЭМП.

Достоверность полученных автором в работе результатов основана на корректности постановки задач исследований и упрощающих допущений, применении физически обоснованных расчетных моделей и подтверждается высокой точностью совпадения расчетных моделей и экспериментальных данных.

Апробация результатов исследований и разработок. Основные научные положения и результаты обсуждались на заседании секции №3 НТС ВНИИЭМ, Международном Энергетическом Форуме «Инновации. Инфраструктура. Безопасность» Москва 17 декабря 2009 г. Круглый стол «Безопасность в ТЭК», Российском Нефтегазовом Конгрессе 2010, 2011 гг., Конференции-конкурсе

научно-технических работ и проектов МАИ «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики» 2010 г.

Публикации: По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ, из них 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах. В статьях и докладах, опубликованных автором и в соавторстве, в которых соискателем сформулированы цель и основные задачи исследования.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, списка. Объём основного текста диссертации - 139 страниц, включающих 31 рисунок, 16 таблиц. Список литературы состоит из 71 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы и дается её общая характеристика.

В главе 1 проводится анализ развития ЭМП по мере увеличения массы ротора и анализ существующих способов проектирования и расчета ЭМП В конце 80-х годов параллельно с работами по ЭМП для гиродинов в НПП ВНИИЭМ начинаются разработки ЭМП для электрических машин и механизмов с массой ротора до 1000 кг. В связи с переходом в новую область применения ЭМП потребовалось уточнить некоторые технические решения и требования, вытекающие из условий работы машин и характера действующих нагрузок. Существенно возросли масса ротора и величина нагрузки, действующей на ЭМП, что привело к увеличению их массы и габаритов. Возникла необходимость в адаптации существующих способов проектирования и расчетов магнитных систем РМП и ОМП к новым требованиям. Получили дальнейшее развитие анализ и синтез САУ ЭМП в части обеспечения устойчивости и улучшения качества управления. Потребовалось более чем в 10 раз увеличить мощность аппаратуры управления, что привело к разработке нового образца аппаратуры управления, работающего от промышленной трехфазной сети и от резервного источника (аккумуляторной батареи) напряжением 110В. Многие из научно-технических задач этого этапа развития ЭМП имели важное значение для формирования самостоятельного научного направления во ВНИИЭМ, связанного с исследованиями и разработкой ЭМП.

Среди различных образцов машин с ЭМП общепромышленного применения, созданных во ВНИИЭМ в этот период, особенно следует отметить компрессора ГПА для магистральных газопроводов, в которых применение ЭМП, по экономическим соображениям и на основании мирового опыта, оказалось очень перспективным.

В начале 90-х годов впервые в России на компрессорных станциях г.Сызрани и г.Тольятти были введены в эксплуатацию три ГПА мощностью 16 МВт производства СМНПО (г.Сумы) с ЭМП, изготовленными во ВНИИЭМ. Некоторые особенности применения ЭМП в этих агрегатах и результаты их опытной эксплуатации в значительной степени определили дальнейшее развитие ЭМП для этой отрасли техники.

Типовая компоновка узлов ЭМП в компрессоре ГПА, показанная на рис.1, соответствует традиционному расположению узлов подшипников для двухопорной машины по концам вала ротора. Причем, со стороны привода располагается только опорный РМП, а со свободной стороны - опорно-опорный МП, состоящий из РМП и ОМП. С каждой из сторон РМП предусмотрена возможность размещения блоков датчиков радиальных перемещений ротора. Выбор одного из них в качестве рабочего обычно решается по результатам испытаний головного образца компрессора. Блок Ьсевых датчиков размещается рядом с ОМП. Роторные части каждого РМП и соответствующих радиальных датчиков расположены на общей втулке, которая устанавливается на конусную поверхность вала с натягом. Упорный диск ОМП расположен на втулке, которая аналогично установлена на вал. Статорные части РМП, ОМП и блоков датчиков размещены в своих корпусах, которые ¡крепятся к корпусу компрессора с посадкой, обеспечивающей требуемую точность и возможность регулировки осевых зазоров. Для ограничения перемещений ротора компрессора при выключении или повреждении ЭМП используются страховочные подшипники, которые могут быть установлены в корпусе или на валу.

А утттт^ ^ Б

Рис. 1 Компоновка ЭМП в компрессоре ГПА.

А-со стороны привода, Б-со свободной стороны, 1 - страховочные подшипники; 2 -статор РМП; 3 - ротор РМП; 4 - электромагниты ОМП; 5 - диск ОМП; 6 - блок >адиальных датчиков; 7 -блок осевых датчиков; 8 - вал ротора.

Рис. 2 Общий вид компрессора 321 ГЦ2 с СМП.

Общий вид компрессора с ЭМП, показанный на рис.2, позволяет оценить соотношение габаритных размеров ЭМП, которые видны со свободной стороны ротора в центральной части с торца корпуса, и компрессора в целом. Хотя габаритные размеры у ЭМП несколько больше, чем у традиционных масляных опор, но несмотря на это их применение в ГПА оказывается предпочтительным.

В данной работе рассматривается круг задач по проектированию и проведению электромагнитных расчетов магнитных систем ЭМП, которые имеют основополагающее значение для обеспечения высокого технического уровня по габаритно-массовым и энергетическим показателям и для надежной работы САУ ЭМП в целом. А также проводится обзор существующих литературных источников в которых имеется описание способов проектирования и расчета ЭМП.

Магнитные системы РМП с 2=8 обычно применяют для роторных машин средней мощности, у которых масса ротора не превышает 1,5 тонны. Для крупных машин с массой ротора более 1,5 тонн обычно магнитные системы РМП выполняют с числом зубцов 2=16 и более. Кроме того, в некоторых случаях может оказаться целесообразным применение в РМП магнитных систем с разными по размерам зубцами. Перечисленные магнитные цепи РМП представлены соответственно на рис.3.

а) - с 8-ю зубцами б) - с 16-ю зубцами в) - с 12-ю зубцами

Рис.3. Магнитные цепи рабочих зон РМП I Обычно магнитная система ОМП состоит из двух неподвижных цилиндрических электромагнитов торцевого типа с катушками возбуждения и вращающегося между ними диска, который притягивают электромагниты, каждый в свою сторону. Катушки возбуждения располагаются в пазах, обращенных к диску. Катушки возбуждения создают рабочие магнитные потоки, как это показано на рис. 4.

Рис.4 Магнитные цепи ОМП

Для оценки общего технического уровня разрабатываемых ЭМП целесообразно провести сравнение некоторых технических характеристик образцов ЭМП, созданных во ВНИИЭМ, с разработкой ряда зарубежных производителей. В табл. 1 обобщены данные для сравнения ЭМП ГПА.

Магнитные свойства материалов, используемых в РМП и ОМП, практически не отличаются, поэтому значения удельных максимальных нагрузок (грузоподъёмности), приходящихся на единицу площади полюсов, отличаются незначительно. В магнитных системах ЭМП, применяемых Б2М, увеличение удельной грузоподъёмности на 12% достигается за счет использования более сложной трапециевидной конфигурации зубцов. Разница в

удельной массе ЭМП, приходящейся на единицу максимальной нагрузки, обусловлена предпочтением разработчиков 82М и \VN1B в выборе ______ Таблица 1

Технические характеристики Изготовитель

\Л/МВ Великобритания S2M Франция ФГУП «НПП ВНИИЭМ» Россия

Материал магнитопровода, тип, стандарт М530-50АР N020 ЕМ 10106 М330-35А No20 EN 10106 Ст. 2412 Ст. 2421 ГОСТ 21427.2

Индукция насыщения В50, Тл 1,6 1,6 1,6

Удельные потери на перемагничивание Рцт, Вт/кг 12,2 12,2 12,5

Удельная грузоподъемность, Н/см2 80 90 80

Коэффициент возможной перегрузки 2,0 1,5 1,8

Удельная масса, кг/кН 12 10 15

Удельное энергопотребление, Вт/кН 14 18 9

Тип датчиков перемещения ротора (ДП) Индуктивный Индуктивный Токовихревой Токовихревой Индуктивный

Частота питания ДП, кГц 18 синус 20 синус 100 синус 16 Плоская

Преобразование сигнала ДП Аналоговое Аналоговое Аналоговое Дискретное

Настройка датчика Электрическая Электрическая Механ элект ическая и эическая

Аппаратура управления, тип Цифровая Цифровая Аналоговая СУМП Цифровая КТМ

Основной источник питания, VAC, 50 Гц 230 1 фаза 380 3 фазы 380 3 фазы

Резервный источник питания, VDC 220 Внутренние АКБ 150 Внутренние АКБ 220 Внешние АКБ

Максимальный ток, А 50 30 30-50

Максимальное напряжение, В 600 300 220

Тип фильтрации напряжения электромагнитов Пассивный Пассивный Пассивный Активный и Пассивный

Энергопотребление, кВт 1,5 2,0 1,0

Минимальная расчетная жесткость, Н/мкм 20 20 15

Амплитуда колебаний ротора, мкм: - без вращения - номинальная скорость 30 30 1,0 35

Размеры аппаратуры, м 2,0x1,5x0,5 1,8x1,4x0,6 1,8x0,6x0,6

Масса аппаратуры, кг 500 500 250

ОСНОВНЫХ типов многополюсных магнитных систем ЭМП, которые по сравнению с 8-ми полюсными системами, применяемыми в основном в разработках ВНИИЭМ имеют более низкие показатели, однако многополюсные магнитные системы имеют более высокое удельное энергопотребление на возбуждение рабочего потока. В результате полученное снижение удельной массы примерно на 35% обходится почти двукратным увеличением удельного энергопотребления, что имеет место в разработках 52М по сравнению с разработками НПП ВНИИЭМ. Следует отметить, что в ЭМП, разрабатываемых \¥МВ, уровень удельного энергопотребления обычно на 20% ниже, чем у ЭМП 82М, что достигается за счет использования более сложных многополюсных магнитных систем с разными размерами зубцов. Однако это усложняет технологию изготовления РМП. На основании проведенного сравнения можно констатировать, что ЭМП для ГПА, разработанные в НПП ВНИИЭМ, имеют существенно ниже энергопотребление (примерно в 2 раза), чем у зарубежных образцов, но по габаритным размерам уступают им.

В перспективе существует тенденция на повышение грузоподъёмности ЭМП, которые предназначены для крупных энергетических установок с массой ротора более 1,5 тонн.

При проектировании РМП и ОМП задача выбора главных размеров магнитных систем решается на основе поиска компромисса между минимумом габаритных размеров ЭМП и допустимой величиной энергопотребления, необходимого для создания рабочего магнитного потока.

Известные решения некоторых оптимизационных задач по ЭМП позволяют установить определенные ограниченные пределы возможных вариаций ряда размеров и параметров ЭМП, которые значительно упрощают процесс проектирования. В частности отмечается тенденция к увеличению числа полюсов в магнитных системах ЭМП крупных машин. Однако этих общих соотношений и рекомендаций недостаточно для решения задачи проектирования и расчета параметров и характеристик ЭМП с требуемой точностью. Поэтому возникает необходимость в разработке уточненных инженерных методик проектирования и расчета характеристик ЭМП.

Особенно актуальны эти задачи для ЭМП крупных машин, так как даже небольшие ошибки в расчетах могут приводить к неоправданному существенному увеличению массы и габаритов ЭМП.

Для решения проектных задач ЭМП могут быть применены общие подходы, известные из теории электрических машин и аппаратов. Однако, расчетные модели будут существенно отличаться и потребуется провести их детальное исследование для обеспечения высокой точности. Исходной величиной для решения задачи проектирования является нагрузка, действующая на ЭМП. Используя существующие ограничения по удельной грузоподъёмности, возникающие из-за насыщения материала магнитопровода, можно для заданного значения максимального усилия установить требуемые значения рабочих площадей полюсов магнитопровода и соответствующие габаритные размеры ЭМП в целом.

При решении проектных задач для крупных машин является актуальным поиск варианта, удовлетворяющего оптимальным комплексным требованиям. Среди этих требований наиболее общими являются требования к массогабаритным и энергетическим показателям ЭМП. При сопоставлении различных конструктивных вариантов ЭМП по некоторым конкретным параметрам, в том числе по массогабаритным показателям, следует учитывать существующие взаимосвязи их с другими параметрами. Например, соотношение между габаритными размерами электромагнитов и величиной электрических потерь в их обмотках. Стремление снизить габаритные размеры ЭМП сопряжено с необходимостью увеличения числа полюсов магнитной системы, сокращения объемов обмоток, что, естественно, вызывает увеличение потерь мощности на возбуждение рабочих магнитных потоков. Пользуясь этим, можно за счет изменения величины энергопотребления варьировать габаритными размерами ЭМП, сохраняя их грузоподъемность.

Для сравнения и ориентировочной оценки среднего уровня потерь мощности в электромагнитах РМП крупных машин в номинальном режиме, приближенно, на основе изучения существующего опыта, можно

воспользоваться выражением следующего вида:

р=

где Р— потери, Вт; Ри - номинальная нагрузка, Н.

После предварительной конструктивной проработки ЭМП возникает необходимость в проведении поверочных электромагнитных расчетов, позволяющих определить основные технические показатели и нагрузочные характеристики для сопоставления различных проектных вариантов.

Отмеченные в диссертации особенности магнитных систем РМП и ОМП приводят к необходимости разработки нового интегрированного подхода к определению результирующего тягового усилия на основе современного метода конечных суперэлементов. Каждый полюс магнитной системы, являющийся отдельным суперэлементом, в соответствии с изменяющимся расположением в магнитной системе относительно осей перемещения ротора, имеет изменяющиеся входные параметры и долевое участие в общем тяговом усилие. Кроме того, расчетная модель распределения поля в магнитопроводе максимально приближено к реальному, что позволяет существенно повысить точность поверочных электромагнитных расчетов до 5-10%.

Развитие существующего производства и расширение области применения ЭМП для крупных машин связано с постановкой и решением общей задачи исследований, направляемой на разработку новых, более совершенных методов проектирования и расчета характеристик ЭМП. Эта общая задача исследований объединяет ряд частных задач, которые последовательно рассматриваются в данной работе.

1. Из известных конструктивных исполнений ЭМП определяем основные типы магнитных систем, которые наиболее часто применяются в существующих разработках и отличаются друг от друга конфигурацией и количеством полюсов и пазов. Рассмотрены электромеханические

характеристики этих типов ЭМП, которые определяют их преимущественное применение в зависимости от предъявляемых требований по массе и энергопотреблению. Определено развитие магнитных систем ЭМП крупных машин в направлении увеличения числа полюсов, что позволяет уменьшить габаритные размеры ЭМП.

Полученные результаты обобщены с учетом опыта существующих разработок в виде наиболее распространенных соотношений и рекомендаций по проектированию ЭМП, удовлетворяющих в наибольшей степени предъявляемым техническим требованиям и соответствующим оптимальным решениям.

2. Электромагнитные расчеты сложных магнитных систем ЭМП обычно связаны с решением задач по распределению электромагнитного поля, учету взаимовлияния полюсов, распределения нагрузки между полюсами и т.д., которые очень громоздки и требуют большого времени. Существенно упрощается решение этих задач при использовании эквивалентных, относительно простых расчетных моделей, адекватность и точность которых в сочетании с применением распространенного метода конечных суперэлементов обеспечивает достаточно высокую точность.

Решения рассмотренных выше задач и полученные результаты используются при разработке методик проектирования и поверочного расчета ЭМП по соответствующим алгоритмам и в виде последовательных формуляров, удобных для проведения расчетов с применением стандартных компьютерных программ. Кроме того, возможность объединения этих отдельных методик в целом перспективно для создания САПР ЭМП.

3. Важный этап для выбора оптимального решения связан с применением объективных критериев сравнения различных типов ЭМП. В качестве таких критериев предлагается использовать удельные показатели массы и энергопотребления.

Условия обеспечения минимума этих показателей одновременно является противоречивым, т.к. они взаимосвязаны. Поэтому при выборе оптимального варианта необходимо искать компромисс, сравнивая различные типы магнитных систем ЭМП, отличающихся количеством и конфигурацией полюсов. Кроме того, использование этих показателей при сравнении ЭМП различных изготовителей позволяет объективно оценить технический уровень разработок ЭМП.

Для проверки точности разработанной методики поверочного электромагнитного расчета проводится сопоставление расчетных и экспериментальных нагрузочных характеристик ЭМП. Некоторые данные получены по результатам испытаний образцов ЭМП крупных машин, находящихся в эксплуатации. Поскольку испытания ЭМП крупных машин связаны с созданием и измерением больших усилий, обычно более 10 кН, то для проведения их в лабораторных условиях потребовалось разработать и изготовить специальные, мощные стенды. Уникальное испытательное оборудование и методы проведения испытаний ЭМП представляют самостоятельный интерес и отражены в отдельной главе диссертационной работы.

Представленный краткий обзор задач, рассмотренный в данной работе, характеризует полный комплекс проводимых исследований от начала постановки задачи до окончательной экспериментальной проверки полученных результатов.

В главе 2 проводится разработка методик проектирования и расчета ЭМП для крупных машин, обосновываются соотношения основных проектных параметров ЭМП.

Процесс разработки ЭМП включает решение двух взаимосвязанных задач. Во-первых, на этапе проектирования определяются основные размеры ЭМП, которые необходимы для парирования нагрузки, действующей на ротор машины. Во-вторых, проводятся поверочные электромагнитные расчеты для различных проектных вариантов ЭМП с целью сопоставления и выбора из них оптимального рабочего варианта.

Основной исходной величиной при решении первой задачи является нагрузка, которую должен воспринимать ЭМП. По характеру воздействия следует различать два вида нагрузки: длительно действующая (номинальная) нагрузка - Р„ и кратковременная максимальная нагрузка (грузоподъемность) -Ри. Соотношение между Ри и обычно определяет перегрузочную способность ЭМП и обозначается коэффициентом кп, т.е. кп = Ги //н

После выбора исходных величин нагрузок можно приступить к определению основных размеров магнитной системы ЭМП, пользуясь алгоритмом проектного расчета, представленным на рис.5.

В первом приближении можно считать, что магнитная сила притяжения Р, создаваемая полюсом электромагнита, имеющим площадь Б, при однородном магнитном поле с индукцией В на поверхности, определяется выражением: К = /2д, . Из этого соотношения видно, что величина удельного тягового усилия ограничена индукцией насыщения материала магнитопровода.

Для определения главных размеров электромагнита воспользуемся проектными параметрами: X - количество зубцов; 8а - величина воздушного зазора; Вом - величина максимальной индукции в зазоре, и коэффициентами: индукции, равного кв=Вш/В0Р; площади кх, равного соотношению между площадью, занятой зубцами, и общей площадью магнитопровода в расточке; длины, определяемого как к, =^./Г)3); кР, учитывающий распределение зубцов в зоне, выбирается равным 0,924 (для Z=8), 0,906 (для 7=16). Далее определяем главные размеры - внутренний диаметр и длину пакета.

Следующим этапом проектного расчёта является определение размеров катушек возбуждения, которые необходимы для возбуждения рабочего магнитного потока. Исходным параметром для этого является допустимая плотность тока <св проводках катушек, которая обычно ограничена предельными рабочими температурами и интенсивностью охлаждения РМП.

-а о.

а

го £

£2 <

Я,

Исходные данные

Р * 1 <

к „г

Площадь полюса Р

V - а; ^ - р

Индукция в зазоре Ді? = Дм/ А/) »«Л Проектные параметры и коэффициенты ¿Л.*,,.

Удельное усилие /г г- Ш ]/>~ Л-2

/V

Внутренний диаметр

х,-г

г, к,, к.

А,

Длина пакета

-р,—--р.

Коэффициент перегрузки , /V,,

Ж

д

д

£

3 о. н

ш <

а.

<

С

Номинальная индукция в зазоре

*оя = В01,/кп

Намагничивающая сила катушки

к и ■

Плоишь сечения провода с А> Площадь сечения катушки 0 ліг '<■)■ ■ Кс

Л'

\9г

Л',

<

X

£ ЇГ

ш

ш и

3

о. ш

СП <

О.

Ширина зубца Ьг Ширина па за 1! к, к, Ь„ Ширина катуиікн

£ 2

Й- 1»-

Высота спинки

Внешний диаметр /Л, = + 2(/г, +й,)

№

Высота полюса

Высота катушки

Дтииа статора -

АЬІ.

д д

Длина ротора

4,2 = ¿її +Ч

Рис. 5. Алгоритм проектного расчета

Поскольку при создании рабочего магнитного потока в номинальном режиме насыщение магнитопровода сказывается мало и его можно учесть с помощью постоянного коэффициента, то намагничивающую силу катушки А Ж при выбранном зазоре 50 в первом приближении можно определить из соотношения следующего вида: Л1У = 8-102-вод-к,, .

Исходя из полученного значения намагничивающей силы АIV и принятой плотности тока ¡СР, можно определить площадь поперечного сечения катушки возбуждения ¿^пользуясь соотношением 5С = А\У¡(¡а,-кс).

При заданном номинальном токе в катушке 1„ число витков в катушке выбирается из условия обеспечения требуемой намагничивающей силы, т.е. Ш = А\У!1Н .

Затем находим расчетные значения площади сечения проводника катушки

чг с цт

По полученному значению дР и с учетом условий работы выбираем тип обмоточного провода и стандартные значения обмоточного провода катушки, а также определяем минимально допустимый радиус его изгиба Яс.

Размеры зубцов и пазов магнитопровода РМП для выбранных значений £>„, 1, кц могут быть определены из соотношений следующего вида:

для ширины зубца в расточке по дуге Ь20 = и, соответственно, для

к

линейного размера зубца Ьп = £>я-8т(;г-^-), для ширины паза по расточке

ьт =

Если высоту спинки Из в магнитопроводе РМП принять равной ширине зубца у основания, т.е. /¡5 = Ь22, то для определения внешнего диаметра статора Оп можно воспользоваться выражением следующего вида: = Д., +2(кг

Для определения общей длины статора РМП, которая больше длины пакета ¿„за счет вылета лобовых частей катушек и соединений между катушками, можно использовать приближенное соотношение следующего вида: Х5=Х51+2(Ьс+Лс).

В качестве исходных данных для второго этапа используется часть общих технических требований, вытекающих из условий работы ЭМП, и ряд конкретных данных (по основным размерам, типу материала магнитопроводов, типу провода, размерам обмоток и т.п.), полученных при проектировании. Кроме того, эти данные должны быть откорректированы с учетом результатов предварительной конструктивной проработки вариантов, выбранных для дальнейшего сопоставления.

Целью поверочного электромагнитного расчета ЭМП является определение энергетических показателей и нагрузочных характеристик, представляющих зависимость создаваемого тягового усилия от тока,

протекающего в катушках, и от отклонении ротора из центрального положения по данной оси. Алгоритм поверочного расчета представлен на рис.6.

НАГРУЗКА О — Рм □¡э 0,1-Рм

О

Индукция 8 зазоре В0= л^иЛ/во

О

Во

Магнитный

поток Ф = Фо • к*

во

О

к„

О

О

Расчетная площадь полюса Бо

Коэффициент рассеяния к*

РАЗМЕРЫ СЕРДЕЧНИКА И ПАРАМЕТРЫ КАТУШЕК

О

О

о

О

0

ФІ

Индукция участка В, = ФА

О

в,

Ампер-витки

участка А\Л/, = а«,-1м.

ток

КАТУШКИ I = 1А\Л/ЛМ

Э,

О

1-М|

О

о

Расчетное сечение участка Бг, вя, ЭА

Длина магнитной

линии 1мг, І-мя, 1>ма

Число витков катушки W

О

О

О

О

о

Рис. 6. Алгоритм поверочного расчета

Полученные данные расчетов позволяют построить нагрузочную характеристику и определить энергетические показатели для отдельной рабочей зоны или ЭМП в целом. Общий вид нагрузочной характеристики ЭМП

показан на рис. 7. Средняя кривая соответствует центральному положению ротора, а крайние - отклонениям до страховочного подшипника. Из нагрузочной характеристики электромагнита для центрального положения ротора (у=0) в точке Гзн, соответствующей номинальной нагрузке, для малых отклонений Д.Р и Д/ может быть определена токовая жёсткость С; = ДР/Д1, которая отражает регулировочные свойства электромагнита, как исполнительного органа САУ ЭМП.

Таким образом, рассмотренные основные подходы к решению задач и ряд пояснений к алгоритму поверочного электромагнитного расчета дают общее представление о порядке расчета.

В результате представленных расчетных соотношений разработаны специальные компьютерные программы для выполнения поверочных электромагнитных расчетов РМП и ОМП. Результаты этих расчетов позволяют оценить степень использования магнитной системы по величине индукции в различных участках, и возможные запасы по грузоподъёмности. Кроме того, по удельным показателям массы и энергопотребления можно судить о техническом уровне разрабатываемого ЭМП.

Характер полученных нагрузочных зависимостей в области изменения нагрузок до номинального значения практически соответствует квадратичной функции, что позволяет добиться высокой точности линеаризации нагрузочных характеристик при формировании структуры САУ ЭМП. .Г

Гзн

0-5

АР // /

- ./ц

1 / / / /

/ / / У « ^

-у>0 -у<0

0.5

/я

Рис. 7. Нагрузочные характеристики ЭМП В главе 3 проведен подробный анализ влияния динамических свойств на быстродействие системы ЭМП даны способы оценки технического уровня по удельным показателям. С точки зрения потребителя для ЭМП основными техническими характеристиками являются габаритно-массовые и энергетические параметры ОМП и РМП. Связь и взаимовлияние этих параметров для РМП и ОМП в зависимости от действующей на них

статической нагрузки была частично рассмотрена при разработке упомянутых выше методик. Однако применение для оценки критерия по показателям удельной массы и энергопотребления в связи с их новизной требует пояснения. Кроме того, анализ динамики управления токами в катушках электромагнитов тоже может повлиять на выбор оптимальных решений.

Аппаратура управления ЭМП, обеспечивающая регулирование тока в обмотках электромагнита, характеризуется следующими основными максимальными выходными параметрами: напряжение питание ик, и ток /Л/ канала управления, произведение которых называют установленной мощностью аппаратуры управления, определяемой Рл = ии ■ /и. Если значение /н оценить в долях от /,,, то с использованием коэффициента кл < 1 имеем: 1„ =кл ■/„ . При этом быстродействие г„ определяется следующим образом:

Г _ ь-'н " кА-и ■ /„ кл ■ Рл

Следовательно, для постоянной времени апериодического звена, соответствующего электромагниту с обратной связью по току оказывается, показывает, что при выбранных значениях и 8 быстродействие зависит в основном от величины соотношения /Г" и ^, а не от постоянной времени , которой принято характеризовать быстродействие автономного электромагнита.

В связи с этим при сравнении различных магнитных систем ЭМП, имеющих одинаковые нагрузки , но отличающихся количеством зубцов (полюсов), следует учитывать, что их быстродействие, при условии сохранения «установленной» мощности и параметров аппаратуры остается практически неизменным

Результаты сравнения различных видов РМП представлены в таблице 2.

По уровню использования магнитной системы рассматриваемые РМП практически не отличаются между собой. При максимальной нагрузке индукция в некоторых частях магнитопровода достигает значений до 1,6 Тл, соответствующих насыщению применяемых материалов. При номинальном режиме индукция в магнитопроводе снижается в среднем до 1,2 Тл. Индукция в зазоре между статором и ротором изменяется, соответственно, от 1,2 до 0,9 Тл.

Проведенное сравнение РМП позволяет судить о характере изменения параметров и свойств, происходящих в зависимости от числа зубцов магнитных систем. Аналогично сравним ОМП с наиболее распространенными двумя типами магнитных систем, имеющих в поперечном сечении П- и Ш-образные профили, магнитные цепи которых схематически показаны на рис.4.

Таблица 2

Сравнение РМП

№ п/п Наименование параметра Тип магнитопровода

РМП 1 РМП 2 РМП 1

1 Число зубцов, шт. 8 12 16

2 Нагрузка, кН ном. 10 10 10

макс. 18 18 18

3 Габаритные размеры статора, мм диаметр внутренний 275 275 275

диаметр внешний 475 420 420

длина пакета 200 200 200

длина общая 249 230 230

4 Индукция в зазоре, Тл ном. 0,88 0,89 0,89

макс. 1,18 1,2 1,2

5 Индукция в магнитопроводе, Тл ном. 1,26 1,1 1,16

макс. 1,65 1,47 1,55

6 Ток в катушках, А ном. 10 9,6 9,9

макс. 16,6 13,8 15,4

7 Энергопотребление, Вт ном. 103 114 195

макс. 281 234 473

8 Индуктивность, Гн ном. 0,15 0,16 0,16

9 Постоянная времени, сек ном. 0,3 0,26 0,16

10 Удельная масса, кг/кН ном. 25,2 15,7 15,7

макс. 14 8,7 8,7

11 Удельное энергопотребление, Вт/кН ном. 10,3 11,4 19,5

макс. 15,6 13,5 26,3

12 Потери в роторе, Вт ном. 134 187 187

Некоторые расчетные данные по этим типам ОМП сведены в табл.3. Для удобства сравнения расчеты выполнены при одинаковых значениях номинальной и максимальной нагрузок, соответственно 50 и 80 кН, определяющих коэффициент перегрузки 1,6. Основные габаритные размеры статорных частей у каждого типа электромагнита ОМП, приняты одинаковыми. Показатели удельной массы у рассматриваемых типов ОМП практически не отличаются друг от друга. Судя по уровню индукций в материале магнитопровода, Ш-образная магнитная система является более использованной, чем П-образная, что сказывается на величине тока в катушках, хотя разница в токах очень небольшая. Но величина энергопотребления у Ш-образного ОМП примерно в 2 раза больше, чем у П-образного из-за разницы в омическом сопротивлении катушек. Соответственно удельное энергопотребление Ш-образного ОМП примерно в 2 раза выше, чем у П-образного.

Проведенное сопоставление различных типов ЭМП и рассмотренные их отдельные преимущества и недостатки позволяют воспользоваться некоторыми

общими подходами при выборе предпочтительного типа ЭМП.

Таблица 3

Сравнение ОМП

№ п/п Наименование параметра Тип магнитопровода

П-образный Ш-образный

1 Нагрузка, кН ном. 50 50

макс. 80 80

2 Габаритные размеры электромагнита, мм диаметр внешний 440 440

диаметр внутренний 192 192

длина электромагнита 90 90

3 Индукция в зазоре, Тл ном. 1,15 1,2

макс. 1,45 1,52

4 Индукция в магнитопроводе, Тл ном. 1,12 1,3

макс. 1,51 1,61

5 Ток в катушке, А ном. 12,1 12,3

макс. 16,3 18,5

6 Энергопотребление, Вт ном. 131 243

макс. 236 548

7 Индуктивность, Гн ном. 0,57 0,56

8 Постоянная времени, сек ном. 0,64 0,35

9 Удельная масса, кг/кН ном. 4,4 4,1

макс. 2,7 2,6

10 Удельное энергопотребление, Вт/кН ном. 2,62 4,9

макс. 2,95 6,85

В главе 4 дано обоснование основных принципов выбора компьютерных программ, которые можно применить для реализации методик расчёта ЭМП. Для решения данной задачи был определён и рассмотрен ряд стандартных компьютерных программ, которые могут быть применены для проведения проектных и поверочных расчётов по разработанным методикам. В данной работе для расчетов использованы программы Libre Office Cale и SMath Studio.

Представлены примеры расчётов ЭМП для крупных машин, отражающие универсальность и высокую точность, достаточную полноту разработанных методик для инженерной практики. В качестве примера рассмотрен комплект механики МП для компрессора MHI 7V-3 с П-образным ОМП и 8-ми полюсным РМП.

Примеры расчётов ЭМП, выполненные по разработанным методикам проектного и поверочного электромагнитного расчетов, подтверждают доступность и пригодность для инженерных расчётов по определению нагрузочных характеристик, состояния магнитной цепи и энергетических показателей ЭМП. Кроме того, рассмотрена возможность применения удельных показателей по массе и энергопотреблению ЭМП, которые могут

быть использованы для объективной оценки технического уровня выполненной разработки.

В главе 5 описывается организация экспериментального исследования нагрузочных характеристик ЭМП и даётся экспериментальная оценка точности расчёта нагрузочных характеристик электромагнита. Приводится описание экспериментального исследования нагрузочных характеристик, проведенные на специально спроектированных стендах для комплекта механики МП компрессора МН1 7У-3, которые были рассчитаны на массу ротора 1500 кг. Максимальная нагрузка на РМП составляла 22 кН с коэффициентом перегрузки для РМП - 2,5. Осевая нагрузка составляла 50 кН с коэффициентом перегрузки ОМП-2,0.

Даётся оценка точности расчётных данных. Результаты эксперимента были сравнены с расчетными значениями, полученными в главе 3, и приведены на рис.8, 9. Расхождение расчётных и опытных нагрузочных характеристик ЭМП в рабочем диапазоне составляет не более 6-10%, что считается приемлемым для практических целей точности расчета.

Рис. 8 Экспериментальная нагрузочная характеристика РМП

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Проведен анализ основных конструктивных типов и особенностей шменения ЭМП в крупных машинах и впервые определены практические >аницы изменения основных параметров и соотношений размеров ЭМП.

2. Разработаны универсальные проектные и расчетные методики и лгоритмы, в том числе для ЭМП, применяемых в крупных роторных гашинах.

3. На базе разработанных методик составлены компьютерные расчетные зограммы, объединенные в САПР ЭМП, позволяющие сократить время азработки и повысить точность выполняемых расчётов.

4. Впервые доказано и обосновано применение удельных технических показателей ЭМП, которые могут быть использованы в качестве объективных критериев для сопоставления и оценки технического уровня различных ЭМП.

5. Проведено экспериментальное исследование по определению нагрузочных характеристик ЭМП для уточнешм существующих методов контроля и подтверждения расчетных результатов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях: 1. Рогоза A.B. Сравнение различных типов электромагнитных подшипников / В.П.Верещагин, А.В.Рогоза // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2011. -Т. 122. -с. 11-16.

2. Рогоза A.B. Особенности проектирования магнитных подшипников для крупных машин / В.П.Верещагин, А.В.Рогоза // Труды НПП ВНИИЭМ Вопросы электромеханики - 2008 г. - т.106. - с. 15-18.

3. Рогоза A.B. Методика поверочного расчета электромагнитных подшипников / В.П.Верещагин, Т.Н.Савинова, А.В.Рогоза // Труды НПП ВНИИЭМ Вопросы электромеханики - 2010 г. - т. 117. - с. 3-12.

4. Рогоза A.B. Методика проектирования электромагнитных подшипников / В.П.Верещапга, А.В.Рогоза, Т.Н.Савинова // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2009. -Т. 113. -с. 3-12.

5. Рогоза A.B. Состояние и перспективы развития электромагнитных подшипников в ФГУП «НПП ВНИИЭМ» / Л.А.Макриденко, А.П.Сарычев, В.П.Верещагин., А.В.Рогоза // Труды НПП ВНИИЭМ Вопросы электромеханики - 2011 г. -т.120. -с,3-12.

6. Рогоза A.B. Высокооборотный генератор на электромагнитных подшипниках для энергетических установок космического назначения / В.В.Магин, В.А.Клабуков, A.B. Рогоза // Труды МАИ. - 2011. - т. № 45. - С. 50

Типография ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» Подписано в печать 06.02.2012 Тираж 70 экз. Усл. п.л. 1

61 12-5/2382

Открытое акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы»

им. А. Г. Иосифьяна» (ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ»)

Экз. №

{

На правах рукописи УДК 621.318.38:62

РОГОЗА АЛЕКСАНДР ВАЛЕРЬЕВИЧ

Разработка методик проектирования и расчёта электромагнитных подшипников крупных машин

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Верещагин В.П.

Москва 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................3

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ И СПОСОБОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ ДЛЯ КРУПНЫХ МАШИН ... 9

1.1. Анализ развития ЭМП по мере увеличения массы ротора....................9

1.2. Анализ существующих способов проектирования и расчета ЭМП....... 24

1.3. Постановка и пути решения научной задачи......................................27

Выводы по первой главе..........................................................................31

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДШИНИКОВ ДЛЯ КРУПНЫХ МАШИН......33

2.1. Разработка методики проектирования ЭМП........................................... 33

2.2. Разработка методики поверочного расчёта ЭМП..............................54

Выводы по второй главе..........................................................................73

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ И ОБОСНОВАНИЕ СООТНОШЕНИЙ ИХ ОСНОВНЫХ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ....... 75

3.1. Анализ влияния динамических свойств на быстродействие системы ЭМП.....................................................................................................75

3.2. Способ оценки технического уровня по удельным показателям..... .......79

Выводы по третьей главе..................................................................... 87

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ..........................................................................88

4.1. Обоснование основных принципов выбора компьютерных программ

для расчёта ЭМП...................................................................................88

4.2. Примеры расчетов ЭМП для крупных машин.....................................92

Выводы по четвёртой главе................................................................... 118

ГЛАВА 5. ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ РАСЧЁТА НАГРУЗОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ........... 120

5.1. Организация экспериментального исследования нагрузочных характеристик ЭМП..........................................................................................1^0

5.2. Оценка точности расчётных данных.................................................127

Выводы по пятой главе...........................................................................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................130

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................133

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ............................................................139

ВВЕДЕНИЕ

История развития электромагнитных подшипников (ЭМП) в отечественной и зарубежной промышленности свидетельствует, что в настоящее время существует тенденция к расширению сферы применения ЭМП в области крупных машин с массой ротора более 1,5 тонн [2, 10, 15, 44, 63, 69, 71]. Подходы к проектированию ЭМП таких машин имеют много общего с решениями, применяемыми к ЭМП для роторных машин с массой ротора до 1,5 тонн. Однако некоторые решения при выборе оптимальных соотношений по массо-габаритным и энергетическим показателям требуют уточнения. В частности, следует обосновать многие исходные положения и выбрать объективные критерии для сопоставления и оценки различных типов ЭМП. Задача сравнения и выбора конструкций магнитных систем ЭМП представляет особый интерес в комплексе вопросов проектирования и расчетов ЭМП. В литературе эти вопросы не детализируются, хотя в некоторых отечественных и зарубежных разработках, судя по фотографиям и рисункам, ЭМП крупных машин отличаются от традиционных ЭМП для машин средней мощности (например, ЭМП компрессоров газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с массой ротора до 1,5 тонн) тем, что в них применяются в основном многополюсные магнитные системы [51, 64, 67, 68].

Следует отметить, что ЭМП представляет собой электромеханическую систему автоматического управления (САУ), обеспечивающую центрирование вращающегося ротора машины относительно неподвижных электромагнитов ЭМП. Электромагниты, выполняющие роль исполнительных органов САУ ЭМП, составляют основную долю электромеханических узлов ЭМП, расположенных в машине. Общая компоновка машины во многом зависит от размеров и массы ЭМП, что требует их первоочередного определения при проектировании машины в целом. Вместе с тем, нагрузочные характеристики ЭМП являются исходными при построении САУ ЭМП, поэтому их расчет является важным начальным этапом общей разработки. В связи с этим вопросы проектирования и расчета электромеханических характеристик ЭМП

имеют первостепенное значение для решения научно-технических задач по созданию крупных роторных машин с ЭМП, данные задачи соответствуют специальности 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы.

Поскольку масса и энергопотребление ЭМП обычно возрастают с увеличением массы ротора, то для крупных машин становятся особо важными вопросы выбора оптимальных параметров и размеров магнитных систем ЭМП, которые во многом характеризуют технический уровень ЭМП. Основное научное направление данной работы заключается в разработке методов проектирования и расчета ЭМП крупных машин, удовлетворяющих современным требованиям, не уступающих зарубежным аналогам. Эта работа является первой попыткой разработать и обобщить подходы к выбору оптимальных электромагнитов ЭМП и имеет большое значение для обеспечения конкурентоспособности отечественных ЭМП за рубежом.

В тематике ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» в настоящее время существует ряд разработок ЭМП для машин с массой ротора более 1,5 тонн, что подтверждает практическую востребованность данной работы [28, 46, 49, 58, 59, 60].

Актуальность темы работы обусловлена тем, что в развитии ЭМП, относящихся к электромеханическим системам управления, возникла необходимость расширения их применения в области крупных машин с массой ротора более 1,5 тонн. Поскольку вопросы разработки ЭМП для этих машин имеют специфику и в литературе практически не рассматриваются, то потребовалось провести собственные исследования в решении первостепенной и важной задачи проектирования и расчета ЭМП для крупных машин.

Анализ развития и способов проектирования ЭМП показывает, что ранее применяемые расчётные соотношения и рекомендации по проектированию и для определения основных характеристик ЭМП имеют разрозненный характер, что затрудняет их взаимосвязь, и обладают невысокой точностью. Существующий опыт разработок во ВНИИЭМе показывает, что точность расчета нагрузочных характеристик ЭМП до сих пор составляет около 20%

[47]. Это может приводить к ухудшению основных технических показателей и качества работы СМП в целом. Особенно критично это для крупных машин, где габариты и масса ЭМП существенно увеличиваются и требования к точности расчетов возрастают. Вместе с тем, практика применения современных способов и средств для решения подобных задач в различных электромеханических устройствах, в т.ч. электрических машинах, свидетельствует, что при решении данной задачи может быть обеспечена точность около 10% [22].

Объект исследования - проектирование и применение системы магнитного подвеса (СМП), включающей осевые (ОМП) и радиальные (РМП) электромагнитные подшипники, для крупных машин с весом ротора более 1,5 тонн.

Предмет исследования - закономерности, принципы и методы проектирования и расчёта электромеханической части системы магнитного подвеса для крупных роторных машин.

Направление исследований - разработка научно обоснованных технических решений по проектированию и расчёту ЭМП крупных машин, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие электрооборудования для электроэнергетики и газовой промышленности.

Целью данной диссертационной работы является определение научно обоснованных путей и способов проектирования и расчёта ЭМП, создание универсальных инженерных проектных методик, обеспечивающих точность расчёта нагрузочных характеристик не хуже 10% и представляющих компьютерные программы, входящие в систему автоматизированного проектирования (САПР) ЭМП.

Задача исследований заключается в разработке методического аппарата для проектирования и расчёта характеристик ЭМП, позволяющего решить следующие научно-технические вопросы:

1. Анализ способов проектирования и обоснования соотношений основных проектных параметров и алгоритмов расчётов ЭМП.

2. Разработки методик проектирования и поверочного электромагнитного расчета ЭМП.

3. Выбор критериев для сопоставления и оценки технического уровня разработок ЭМП.

4. Экспериментальные исследования образцов ЭМП для крупных машин.

Результаты исследований, полученные лично автором, которые выносятся на защиту:

1. Основные положения, рекомендации и соотношения для проектирования и расчета ЭМП.

2. Методики проектирования и расчета характеристик ЭМП.

3. Способ количественной оценки технического уровня ЭМП по удельным показателям массы и энергопотребления.

4. Результаты экспериментального исследования нагрузочных характеристик ЭМП, позволяющие оценить точность разработанных расчетных методов.

Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в том, что их применение позволит ускорить и расширить производство перспективных машин с ЭМП. Отмеченная ценность обеспечивается следующими характеристиками полученных результатов:

1. Методический подход и расчётные соотношения для проектирования ЭМП приемлемы для различных машин, в том числе для крупных.

2. Методики проектирования и расчёта характеристик ЭМП адаптированы к стандартным компьютерным программам.

3. Обеспечивается количественное оценивание технического уровня ЭМП по показателям массы и энергопотребления.

4. Точность получаемых расчётных характеристик ЭМП составляет не менее 10%, подтверждена экспериментальными данными и приемлема для практических целей.

Реализация результатов работы, полученных автором:

1. Разработаны универсальные методики проектирования и расчета ЭМП использованы в разработках ВНИИЭМ при создании ЭМП для различных типов компрессоров газоперекачивающих агрегатов, работающих на предприятиях транспортировки и хранения газа ОАО «Газпром».

2. Применение созданного при непосредственном участии автора способа оценки технического уровня ЭМП при выборе оптимального варианта исполнения позволяет разработчикам и потребителям объективно сравнить различные варианты и принять компромиссное решение.

3. Внедрение компьютерных программ по методикам проектирования и расчета ЭМП в систему САПР ЭМП, существующую во ВНИИЭМ, сократило время расчетных работ в 1,5 раза и снизило их трудоемкость.

4. Материалы диссертационной работы используются в учебных программах Научной школы по ЭМП, созданной во ВНИИЭМ, и в процессе подготовки специалистов и эксплуатационного персонала ОАО «Газпром», работающих с агрегатами, оснащенными ЭМП.

Достоверность полученных автором в работе результатов основана на корректности постановки задач исследований и упрощающих допущений, применении физически обоснованных расчетных моделей и подтверждается высокой точностью совпадения расчетных моделей и экспериментальных данных.

Апробация результатов исследований и разработок. Основные научные положения и результаты обсуждались на заседании секции №3 НТС ФГУП «НЛП ВНИИЭМ», Международном Энергетическом Форуме «Инновации. Инфраструктура. Безопасность» Москва 17 декабря 2009 г. Круглый стол «Безопасность в ТЭК», Российском Нефтегазовом Конгрессе 2010, 2011 гг., Конференции-конкурсе научно-технических работ и проектов МАИ «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики» 2010 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ, из них 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах. В стать-

ях и докладах, опубликованных автором и в соавторстве, соискателем сформулированы цель и основные задачи исследования.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объём основного текста диссертации -139 страниц, включающих 31 рисунок, 16 таблиц. Список литературы состоит из 71 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ И СПОСОБОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ ДЛЯ КРУПНЫХ МАШИН

1.1. Анализ развития ЭМП по мере увеличения массы ротора

Около 50-ти лет охватывает история развития ЭМП во ВНИИЭМ. Возникло это новое направление в начале 60-х годов прошлого столетия в связи с поиском технического решения для подвеса ротора шарового электродвигателя-маховика, применение которого в электромеханических системах ориентации космических аппаратов являлось перспективным. В то время в мировой практике были известны работы Д. Бимса [6] по практическому применению одноосного электромагнитного подвеса небольшого стального шарика массой несколько грамм для лабораторных целей. В применяемой аппаратуре управления током электромагнита использовались электронные лампы, поэтому она была очень громоздкой и не могла быть использована в космической технике.

Вместе с тем, бурное развитие полупроводниковой элементной базы создало предпосылки создания компактной и надежной аппаратуры для управления электромагнитным подвесом. В связи с этим было принято решение о проведении исследований по оценке практической возможности создания электромагнитного подвеса для шарового электродвигателя-маховика (ШДМ). Под руководством одного из известных ученых ВНИИЭМ, кандидата технических наук Н.Я. Альпера, был разработан и испытан лабораторный образец ШДМ с электромагнитным подвесом ротора, предназначенный для оценки возможной замены трех одноосных маховиков электромеханической системы ориентации КА «Омега», являвшегося предшественником серии К А «Метеор». Положительные результаты испытаний [32] этого образца ШДМ подтвердили возможность и перспективность применения электромагнитного подвеса в ШДМ систем ориентации крупных КА. Это совпало с тенденцией в космической технике, направленной на повышение технической оснащенности КА и соответственно с увеличением габаритов и массы создаваемых КА. Для электромеханической системы ориентации

крупного отечественного КА типа «Алмаз» был разработан и изготовлен в 1972 году во ВНИИЭМ уникальный и первый в мировой практике ШДМ с электромагнитным подвесом ротора массой 60 кг. Общий вид ШДМ представлен на рис.1-1, а основные технические характеристики [32] даны в табл. 1-1.

Рис.1-1 Шаровой электродвигатель-маховик / - тахометраческая обмотка, 2 электромагнит, 3 - индуктивный датчик зазора, 4 статорная обмотка, 5 шаровой ротор-маховик

Таблица 1-1

Характеристика электромеханических исполнительных органов с ЭМП,

разработанных во ВНИИЭМ.

Наименование КА Алмаз МИР

Тип устройства ШДМ Гиродин

Кинетический момент, Нмс 200 1000

Управляющий момент, Нм 3 200

Диаметр ротора, мм 600 400

Продолжение таблицы 1-1

Масса ротора, кг 60 40

Скорость вращения ротора, об/мин 600 10000

Потребляемая мощность, Вт 40 90

Масса (включая электронную систему управления), кг 230 165

Создание совершенно нового типа электромеханического исполнительного органа систем ориентации крупных КА с электромагнитным подвесом шарового ротора потребовало решения ряда специфических научно-технических проблем электромеханики. Во-первых, проведено исследование и моделирование электромеханических процессов, возникающих при управлении пространственным вращением шарового ротора. Некоторые результаты этих исследований, опубликованные во ВНИИЭМ [3, 13], могут представлять интерес при решении ряда специфических задач теории электрических машин. Во-вторых, главная решенная проблема касалась создания первого в мировой практике промышленного образца электромагнитного подвеса для космических целей. Только теперь по-настоящему можно оценить большое значение разработки ШДМ для развития нового научного направления во ВНИИЭМ, связанного с созданием электромагнитных подшипников для различных областей техники.

Комплекс научно-технических задач, решенных при создании ШДМ для крупных КА типа «Алмаз», был рассмотрен на ВЭЛК в 1977 году [61], а действующий образец ШДМ демонстрировался на Международной выставке «Электро-77». Все это вызвало большой интерес и получило высокую оценку ведущих фирм и специалистов.

Таким образом, по результатам создания ШДМ ВНИИЭМ занял лидирующее положение в мире в области разработки уникальных электромеханических исполнительных органов для управления ориентацией крупных КА и по освоению промышленного изготовления электромагнитного подвеса.

В итоге основная ро�