Введение к работе
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. 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 специальной попыткой разработать и обобщить подходы к выбору оптимальных электромагнитов ЭМП и может иметь важное значение для обеспечения конкурентоспособности отечественных ЭМП за рубежом.
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%. 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%
Объект исследования - проектирование и применение системы магнитного подвеса (СМП), включающая 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 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:
Анализ способов проектирования и обоснования соотношений основных проектных параметров и алгоритмов расчётов ЭМП.
Разработка методик проектирования и поверочного электромагнитного расчета ЭМП.
Выбор критериев для сопоставления и оценки технического уровня разработок ЭМП.
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.
Методики проектирования и расчета характеристик ЭМП.
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:
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.
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:
Методический подход и расчётные соотношения для проектирования ЭМП приемлемы для различных машин, в том числе для крупных.
Методики проектирования и расчёта характеристик ЭМП адаптированы к стандартным компьютерным программам.
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:
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».
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.
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.
Похожие диссертации на Разработка методик проектирования и расчёта электромагнитных подшипников крупных машин
