Введение к работе
Актуальность темы
В технически развитых странах активный электромагнитный подвес (АЭМП) ферромагнитных роторов из научной проблемы уже перешел в сферу коммерческих инженерных разработок и весьма успешно конкурирует с традиционными подшипниковыми узлами не только в специальной технике (ультрацентрифуги, подвес валов механизмов подводных лодок, гироскопы космических аппаратов), но и в станкостроении, энергетике, газопроводном транспорте и некоторых других областях. Этому во многом способствует бурный качественный рост полупроводниковой и микропроцессорной техники, позволяющей на новом уровне решать задачи управления электромагнитными подшипниками (ЭМП). Этому росту не всегда соответствуют темпы совершенствования силовой электромагнитной части ЭМП. Оптимизация конструктивных типов магнитных опор, развитие теории их расчета и проектирования, совершенствование методов повышения удельных массогабаритных показателей и снижения потребляемой мощности и мощности потерь, в том числе, от «магнитного трения» - основные проблемы при создании конкурентоспособных магнитных подшипников. Актуальность этой работы возрастает на этапе создания типовых унифицированных серий ЭМП.
Большой вклад в развитие теории и техники АЭМП внесли российские и зарубежные ученые: А.И. Бертинов, Д.М. Вейнберг, В.П. Верещагин, Ю.Н. Журавлев, В.И. Кувыкин, Р.В. Линьков, Ю.Г. Мартыненко, А.П. Сарычев, А.В. Стариков, М.Berry, A.Geim, G.Schweitzer, S.Nishi и др.
При проведении исследований автор опирался на работы К.С. Демирчяна, В.В. Домбровского, А.В. Иванова–Смоленского, А.И. Инкина, В.М. Куцевалова, И.Е. Тамма, Я. Туровского, В.П. Шуйского, в которых заложены основы теории расчета полей электромеханических преобразователей и их оптимизационного проектирования.
Однако до настоящего времени не разработано приемлемых по точности методов анализа электромагнитных процессов, происходящих в силовой части ЭМП, учитывающих сложную геометрию подшипников, нелинейность магнитных свойств материалов, смещение ротора в зазоре, вихревые токи в магнитопроводах и другие факторы, существенно влияющие на устойчивость подвеса и его энергетические и массогабаритные параметры. То есть, сугубо практической задаче повышения технико-эксплуатационных характеристик ЭМП соответствует научная проблема развития и совершенствования теории анализа и разработки методов и алгоритмов совместного использования процедур математического моделирования электромагнитного поля и оптимизационного проектирования ЭМП.
Целью работы является развитие комплекса методов аналитических исследований и оптимизационного проектирования силовой части активных электромагнитных подшипников, обеспечивающих повышение конкурентоспособности ЭМП за счет улучшения массогабаритных, силовых, энергетических характеристик подвеса с учетом требований динамической и статической точности электромагнитных опор.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие основные задачи:
- исследования влияния конструктивных схем магнитных систем и способов управления токами обмоток на статические и динамические характеристики ЭМП с целью их структурной оптимизации;
- разработки методов и алгоритмов совместного использования процедур математического моделирования электромагнитного поля и оптимизационного проектирования радиальных и осевых магнитов;
- аналитического, численного и экспериментального исследования эффектов, вызванных магнитным трением и действием сил Лоренца в электромагнитных подшипниках;
- теоретического анализа взаимодействия осевых и радиальных подшипников в системах бесконтактных подвесов и его влияния на характеристики системы ЭМП;
- создания математической модели ЭМП как объекта управления с учетом взаимодействия каналов управления, положительной обратной связи по перемещению, вихревых токов в магнитопроводах и гироскопического эффекта.
Объект исследования – активные радиальные и осевые ЭМП с номинальным рабочим усилием от нескольких ньютонов до сотен килоньютонов, предназначенные для бесконтактного подвеса вращающихся роторов.
Методы исследования
Исследования проведены с использованием фундаментальных основ теории электрических машин и электромагнитного поля, методов дифференциального и интегрального исчислений, теории электрических и магнитных цепей, оптимизационного проектирования и физического моделирования. Для решения задач численного моделирования электромагнитного поля и переходных процессов применялись программные пакеты MATHCAD, ELCUT и FEMLAB.
Научная новизна
Научная новизна определяется тем, что в работе расширяются и углубляются теоретические представления о методологии анализа конструктивных систем ЭМП и их параметрического синтеза; предлагаются новые алгоритмы совместного использования процедур математического моделирования электромагнитного поля и оптимизационного проектирования ЭМП; на новом качественном уровне в разработанных математических моделях ЭМП учитываются для нестационарных режимов воздействия сил Лоренца от вихревых токов в ферромагнитных магнитопроводах на работу подшипников.
В работе получены следующие научные результаты в указанном направлении:
-
Методика и результаты качественного и количественного анализа влияния конструктивных схем магнитных систем и законов управления токами обмоток ЭМП на статические и динамические параметры с целью структурной оптимизации ЭМП.
-
Математическая модель ЭМП, функционально ориентированная на расчет пондеромоторных сил и параметров системы на основе численного метода расчета электромагнитного поля силовой части, учитывающая зубцово-пазовую геометрию подшипника, нелинейность магнитных свойств материалов, смещение ротора в зазоре, законы управления токами катушек и вихревые токи в сердечниках магнитопроводов. На основе аналитической математической модели разработана методика учета сил Лоренца, возникающих при вращении ротора в неоднородном магнитном поле, и оценено их влияние на устойчивость работы подвеса.
-
Уточненные зависимости интегральных и точечных параметров радиальных и осевых ЭМП (индуктивностей, взаимных индуктивностей, постоянных времени, коэффициентов передачи и т.д.) от режима питания обмоток и положения ротора.
-
Алгоритм расчета интегральных параметров и пондеромоторных сил на основе метода проводимостей зубцовых контуров (МПЗК), позволяющий учесть насыщение ферромагнитных участков магнитопроводов и потоки рассеяния для различных положений оси ротора и законов управления токами катушек.
-
Математическая модель осевого ЭМП с массивным магнитопроводом, позволяющая рассчитывать в нестационарных режимах поле вихревых токов и их влияние на параметры осевых ЭМП и пондеромоторные силы. Схемы замещения и векторные диаграммы для экстраполяции результатов экспериментальных и расчетных исследований на весь спектр рабочих частот.
-
Метод и результаты теоретического анализа взаимного влияния радиальных и осевых подшипников и рекомендации по снижению его дестабилизирующего действия на устойчивую работу ЭМП.
-
Методика оптимизационного расчета ЭМП на основе метода проводимостей зубцовых контуров, учитывающая многокритериальность задачи, широкий диапазон варьируемых факторов, нелинейность и дискретность параметров, для различных ограничений и критериев оптимизации при разработке новых и усовершенствовании действующих систем активного подвеса.
-
Математическая модель ЭМП как объекта управления с учетом взаимодействия по ортогональным каналам, влияния вихревых токов в магнитопроводах, положительной обратной связи по перемещению и гироскопического эффекта.
Новизна полученных технических решений защищена патентами РФ на изобретения и полезные модели.
Практическая ценность работы определяется тем, что полученные результаты позволяют
-
Обоснованно выбирать тип конструкции и схему управления ЭМП в зависимости от их назначения.
-
По предложенному алгоритму и программе расчета ЭМП, основанных на МПЗК, производить уточненные инженерные и оптимизационные расчеты подвесов.
-
По предложенной методике расчета электромагнитного поля ЭМП получить необходимые для синтеза системы управления значения интегральных параметров с учетом их нелинейности и вариативности в зависимости от режимов работы подшипника.
-
В зависимости от постановки задачи получить в результате оптимизации по разработанной методике снижение массы и активного объема ЭМП при неизменной потребляемой мощности, или при фиксированных массогабаритных параметрах снизить энергопотребление подшипника и добиться увеличения значения удельной пондеромоторной силы.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением строгих математических методов исследования, экспериментальной проверкой, сравнением с теоретическими и экспериментальными результатами других авторов.
Реализация результатов работы
Работа является частью комплекса научных исследований кафедры «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» (ранее «Электромеханика и нетрадиционная энергетика») Самарского государственного технического университета по теме: «Системы электромагнитного подвеса роторов энергетических машин» научно - технической программы Минвуза РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Подпрограмма 206 «Топливо и энергетика», раздел 206.01 «Перспективные технологии производства и транспорта тепловой и электрической энергии» НИР №528/01). А также целевой программы по энергосбережению РАО «ГАЗПРОМ»: тема 1.1.8 «Разработка структурных схем технологических процессов на базе частотно - регулируемых электроприводов и анализ экономической эффективности их применения на предприятиях РАО «ГАЗПРОМ», подтема 3: «Технико-экономическое обоснование использования и разработка электромагнитных подшипников для электроприводных ГПА», в которых автор принимал непосредственное участие в качестве исполнителя и руководителя проектов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара, 1999), Всероссийском научно-техническом семинаре «Проблемы транспортировки газа» (Тольятти, 1999), на Мiжнародноiя науково-технiчноiя конференцiя, Автоматизацiя: проблеми, iдеi, рiшення (Севастополь, 2003), на 2-ой Всероссийской НПК «Перспективные системы и задачи управления. (Таганрог, ЮФУ, 2007), на Международной НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2003), на III Международной НПК «Актуальные проблемы энергетики АПК» (Саратов, 2012) и на Всероссийской НТК «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (Оренбург, 2012).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 13 статей из Перечня ведущих периодических изданий, рекомендованного ВАК РФ, монография и 6 патентов на изобретения и полезные модели.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Метод качественного и количественного анализа влияния конструктивных схем магнитных систем и способов управления токами обмоток на статические и динамические параметры ЭМП с целью их структурной оптимизации.
-
Математическая модель ЭМП, функционально ориентированная на расчет пондеромоторных сил и параметров системы на основе численного метода расчета электромагнитного поля силовой части, учитывающая зубцово-пазовую геометрию подшипника, нелинейность магнитных свойств материалов, смещение ротора в зазоре, законы управления токами катушек и вихревые токи в сердечниках магнитопроводов.
-
Аналитическая математическая модель учета сил Лоренца, возникающих при вращении ротора в неоднородном магнитном поле, и методика оценки их влияния на характеристики работы подвеса.
-
Метод расчета взаимного влияния радиальных и осевых опор при угловых смещениях оси ротора.
-
Математическая модель осевого ЭМП с массивным магнитопроводом, позволяющая рассчитывать в нестационарных режимах поле вихревых токов и оценить их влияние на параметры осевых ЭМП и пондеромоторные силы. Схемы замещения и векторные диаграммы для экстраполяции результатов экспериментальных и расчетных исследований на весь спектр рабочих частот.
-
Математическая модель электромагнитной части подвеса и алгоритм многокритериальной оптимизации на основе МПЗК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основная часть работы изложена на 326 страницах, иллюстрирована 143 рисунками и 16 таблицами. Библиографический список содержит 141 наименование на 14 страницах.
