Введение к работе
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 АО, 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 электрического питания. Кроме того, массовые характеристики современных редкоземельных магнитов 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 МППМ; систему наблюдения, состоящую из датчиков положения ротора и усилителей сигналов и обеспечивающих функцию автоматического наблюдателя положения ротора В ЭК; 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 магнитных подшипников внесли такие ученые и специалисты как В. И. Барсуков, Д. М. Вейнберг, В. П. Верещагин, Ю. Д. Вышков, Ю. Н. Журавлев, В. В. Козорез, А. А. Комолов, В. И. Кувыкин, П. К. Кузнецов, Ю. Г. Мартыненко, 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:
-
Разработка математических моделей динамических и статических процессов, протекающих в гибридном магнитном подшипнике в целом, а также в его системах. Исследование силовых характеристик гибридного магнитного подшипника на их основе.
-
Анализ силовых характеристик магнитных подшипников на постоянных магнитах как системы, входящей в гибридные магнитные подшипники, посредством компьютерного моделирования методом конечных элементов.
-
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.
-
Разработка оригинальных конструкций высокоскоростных электротехнических комплексов на гибридных магнитных подшипниках. Разработка стенда для исследований гибридного магнитного подшипника и экспериментальная проверка теоретических положений.
Научная новизна
-
Разработаны математические модели статических и динамических процессов, протекающих в ГМП, и результаты исследований силовых характеристик ГМП на их основе.
-
Разработаны трехмерные имитационные модели МППМ, на основе которых были определены новые физические зависимости в ГМП.
-
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.
-
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 В ЭК на ГМП могут найти применение
в промышленности. 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.
-
Имитационная модель электромагнитной системы управления может быть реализована посредством компьютерных технологий как реальная система управления ГМП.
-
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 электромеханики 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 элементов (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, полученные 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. Библиографический список из 130 наименований. Краткое содержание работы
