Введение к работе
Актуальность темы. Важной проблемой в современном машиностроении является создание оборудования, способного работать с высокой производительностью и без ремонтов длительное время в условиях автоматизированного производства, исключающего постоянное присутствие человека. Повышение безопасности технологических процессов, потенциально опасных производств требует применения герметичных машин и аппаратов.
Возможно использование двух вариантов электромеханических устройств: экранированных электродвигателей и магнитных муфт (ММ). Применение ММ позволяет получить качественно новое устройство по условиям обеспечения герметичности без существенных конструктивных изменений электродвигателя и турбомеханизма. Необходимость в разработке новых прогрессивных конструкций этих устройств в первую очередь связана с появлением новых материалов постоянных магнитов, в частности изотропных магнитопластов, позволяющих оптимизировать структуру поля намагниченности. Удовлетворение возросшей потребности промышленности нашей страны в более совершенных конструкциях ММ непосредственно связано с разработкой новых методик проектирования, которые позволяют значительно сократить этап макетирования в процессе экспериментальной отработки вновь создаваемых конструкций в условиях применения новых материалов постоянных магнитов. Наряду с необходимостью повышения точности расчета возникает задача максимального использования активных материалов, снижения металлоемкости и трудоемкости изготовления конструкций магнитных муфт [9, 38].
На основании изложенного исследования, проводимые в диссертационной работе, направлены на создание теоретических предпосылок уточненных методик проектирования ММ для передачи момента вращения через герметичную перегородку (экран).
Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с одним из основных научных направлений ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" ((Исследование и развитие методов проектирования и моделирования электромеханических систем» (ГБ НИР №2005.3).
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка магнитных муфт, позволяющих осуществлять передачу момента вращения через герметичную перегородку и выполненных на основе современных материалов (магнитопластов с заданной структурой поля намагниченности или на основе анизотропных однородно-намагниченных постоянных магнитов). Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи:
-
провести анализ современного состояния вопроса и выбрать методы теоретических и экспериментальных исследований;
-
на основе моделирования магнитного поля различных радиальных муфт получить их силовые характеристики для оценки эффективности конструкции и динамики работы турбоагрегата;
-
установить критерии оценки конструкций магнитных муфт, выбрать наиболее рациональные технические решения и определить оптимальные соотношения геометрических и физических параметров соответствующих магнитных систем;
-
разработать уточнённую методику расчёта радиальных магнитных муфт;
-
выработать рекомендации к выбору конструкций магнитных муфт по условиям пуска электропривода турбомеханизма.
Объектом исследования является процесс передачи момента вращения через герметичную перегородку посредством магнитных муфт.
Предметом исследования являются синхронные муфты радиальной конструкции с высококоэрцитивными постоянными магнитами.
Методологическую и теоретическую основу исследования составили научные труды российских ученых: Е. А. Николаева, В. С. Замараева, Л. Н. Сухоро-сова, А. Я. Красильникова, В. В. Добротворского, Н. П. Черноусова, А. Н. Кути-нина, В. Ф. Федорова, В. В. Буренина, Д. Т. Гаевик, В. П. Дробова, В. В. Иванова, С. Р. Мизюрина, М. А. Ермилова, Т. А. Щетинина.
Методы исследования. Результаты, полученные в диссертации, основываются на теории электрических машин, теории электромагнитного поля, теории математического анализа, включая векторный анализ, теории вычислительной математики и математического моделирования.
Научная новизна исследований. В результате выполнения работы получены следующие новые научные результаты:
на основе численного анализа магнитного поля различных вариантов магнитных систем установлены наиболее рациональные конструкции магнитных муфт, которые могут быть реализованы в рамках существующего производства;
доказано, что применение концентраторов магнитного потока в конструкции магнитной системы не приводит к улучшению массогабаритных показателей муфт;
определено, что угловые характеристики активных магнитных муфт без концентраторов магнитного потока могут быть аппроксимированы синусоидальной функцией (корреляционное отношение R2 не менее 0,96) независимо от
формы полюсов их числа и марки материала постоянного магнита;
предложена методика определения оптимальных геометрических соотношений между величиной немагнитного зазора и высотой постоянных магнитов, между величиной немагнитного зазора и длиной полюсной дуги активных магнитных муфт, по которым рассчитываются главные размеры устройства;
создана математическая модель синхронной магнитной муфты с криволинейным (циркулярным) намагничиванием постоянных магнитов, основанная на аналитическом расчете магнитного поля в активной зоне, и на этой основе разработана методика расчёта магнитных муфт, не требующих магнитопрово-дов;
определены критерии обеспечения надежного пуска турбоагрегата с двумя магнитными муфтами на основе математической модели, учитывающей влияние электромагнитных процессов в двигателе;
разработана уточненная методика проектирования магнитных муфт, включающая выбор параметров оптимизации, ограничений и критериев оптимальности в зависимости от назначения, условий применения и параметров турбомеханизма.
Практическая значимость работы. Предложенная методика проектирования магнитных муфт обеспечивает более высокую точность расчета момента, передаваемого муфтой. Методика включает математическое моделирование магнитного поля выбранной магнитной системы с определением статической угловой характеристики устройства. Полученная характеристика позволяет реализовать математическую модель для оценки переходных процессов электропривода при пуске и изменении нагрузки турбомеханизма. Показано, что в условиях прямого нерегулируемого пуска турбомеханизма надёжная синхронизация полумуфт зависит не только от соотношения их моментов инерции, но и числа пар полюсов, уменьшение которых улучшает условия пуска.
Результаты, полученные в работе, расширяют возможности оптимального проектирования уже имеющихся и перспективных магнитных муфт. Вследствие выполненного анализа различных магнитных систем предложены критерии выбора конструкций магнитных муфт. Даны рекомендации по выбору главных геометрических размеров, числа полюсов, размеров магнитов и материала, из которого они должны быть изготовлены.
Математическая модель магнитной муфты с циркулярным намагничиванием дает возможность более точного анализа подобных магнитных систем и дополняет существующие методики проектирования в области создания перспективных конструкций, не требующих магнитопроводов, что открывает новые области применения этих устройств в практике машиностроения.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в работе, внедрены на таких предприятиях, как «НИИ механотроники -Альфа» и ОАО «Агроэлектромаш» (г. Воронеж). Результаты исследований могут быть использованы предприятиями, занимающимися разработкой и изготовлением герметичных насосов и компрессоров, такими как ЗАО «Гидрогаз», ЗАО «Турбонасос» (г. Воронеж).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика аналитического расчёта магнитного поля муфты с криволинейным (циркулярным) намагничиванием изотропных постоянных магнитов (Nd-Fe-B) полумуфт, обеспечивающая достаточно высокую точность расчёта (погрешность 6 - 8 %) и позволяющая с высокой эффективностью выполнять оптимизацию магнитной муфты на основе аналитических выражений.
-
Методика выбора наиболее рациональных конструкций магнитных муфт в зависимости от формы постоянных магнитов и конфигурации магнитной системы на основе численного моделирования магнитного поля (метод конечных элементов), позволяющего определить зависимость передаваемого момента вращения от угла рассогласования полумуфт или вид угловой характеристики (по аналогии с синхронными электрическими машинами), которая является ключевым звеном математической модели для описания динамики работы электропривода турбомеханизма.
-
Методика определения оптимальных соотношений геометрических и физических параметров магнитных муфт по условию максимального использования активных материалов.
-
Методика определения критического числа полюсов полумуфт по условию надёжного пуска турбомеханизма при прямом включении в сеть различных типов электродвигателей.
-
Уточненная методика проектирования магнитных муфт для герметичных турбомеханизмов, включающая три составные части:
первая, аналитическая, служащая для ориентировочного определения конструкции, геометрических размеров муфты и выбора активных материалов;
вторая предназначена для уточнения размеров и параметров муфт на основе численных методов расчёта, а также для определения угловой характеристики магнитной муфты;
третья часть — это поверочный расчёт устройства с оценкой динамики работы электропривода турбомеханизма.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и были одобрены на семинарах кафедры электромеханических систем и электроснабжения ГОУВПО «Воронежский государственный техниче-
скин университет» (2005 - 2007), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (2005 - 2007), Всероссийской научной конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2007), международных научных конференциях «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж, 2007), «Компьютерные технологии в технике и экономике» (Воронеж, 2007),«Материалы с особыми физическими свойствами и магнитные системы» (Суздаль, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежат:
[5, 6] - постановка целей и задач исследований; [7, 8] - результаты исследований на математической модели; [9,10] - разработка теоретических моделей и их экспериментальное подтверждение; [2] - разработка теоретической модели электромеханического переходного процесса в машинах постоянного тока.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 104 наименований и 6 приложений. Основная часть работы изложена на 177 страницах, содержит 19 таблиц и 97 рисунков.
