• Заявник: Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
  • Адреса: вул. Фрунзе, 21, м. Харків, 61002, Україна
  • Телефони: +38(057) 700-15-64, 707-64-11, 707-66-00, 707-66-01
  • Факс: +38(057) 707-66-01
  • Сайт: http://www.kpi.kharkov.ua
"МАГНІТНИЙ ТА ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ ПІДВІС РОТОРНИХ МАШИН"

Активний Магнітний Підшипник (АМП) - це керований електромеханічний пристрій, в якому стабілізація положення ротора здійснюється силами магнітного тяжіння, що діють на ротор з боку електромагнітів, струм в яких регулюється системою автоматичного управління по сигналах датчиків переміщень ротора. Повний неконтактний підвіс ротора може бути здійснений з допомогою або двох радіальних і одних осьових АМП, або двох конічних АМП. Тому система магнітного підвісу ротора включає як самі підшипники, вбудовані в корпус машини, так і електронний блок управління, з'єднаний з обмотками електромагнітів і датчиками. У системі управління може використовуватися як аналогова, так і сучасніша цифрова обробка сигналів.

Основні переваги АМП - відсутність механічного контакту і змащування - дозволяють використовувати їх при високих швидкостях обертання, у вакуумі, високих і низьких температурах, стерильних технологіях, і т.д.

Теоретичні та чисельні дослідження активних електромагнітних підшипників:
1. Побудована математична модель ротора, що обертається, на керованих електромагнітних опорах описується взаємозв'язаною магнітомеханічною системою нелінійних диференціальних рівнянь.
Основною її відмінністю є те, що вона позбавлена недоліків властивих лінеаризованим математичним моделям, описаним в найбільш відомих монографіях по активних магнітних підшипниках (G. Schweitzer - Швейцарія, E. Maslen - США, Журавльов Ю.Н. - Росія). У них лінійні моделі підвісу одержані в припущенні малих відхилень змінних від їх номінальних значень. Насправді ці відхилення можуть бути значними, а значить в граничних режимах - насичення магнітного ланцюга, нульовий струм нульовий зазор і та інш.- лінійна модель підвісу втрачає сенс. Ці ж недоліки властиві і фізичним системам управління рухом ротора, побудованим на лінеаризованих математичних моделях. Використання розробленої нелінійної математичної моделі дозволяє забезпечити стійкість руху ротора при менших зазорах між полюсами статора ЭМП і ротором, що приводить до зниження енергоємності електромагнітного підвісу в цілому.
2. Розроблено новий алгоритм управління електромагнітними підшипниками. Головною його відмінністю, в порівнянні з існуючими алгоритмами аналогового управління (фірм S2M і ВНІІЭМ), є імпульсне управління роботою електромагнітів, що знижує витрати електроенергії на стійке підвішування ротора приблизно в 2 рази. Новизна алгоритму управління підтверджена патентами Росії і України. Система управління на основі такого алгоритму відрізняється відсутністю цифро-аналогового перетворювача, що спрощує схемотехніку і знижує її вартість, забезпечує високу повторюваності елементів управління при серійному виробництві і, як наслідок, відсутність необхідності індивідуальної настройки і підгонки на реальній конструкції.
3. На основі математичної моделі і алгоритму управління створена комп'ютерна програма, що дозволяє імітувати динамічну поведінку ротора на різних режимах збурюючих дій. Можливість проведення варіантних розрахунків скорочує кількість альтернативних варіантів конструкції ротора, конструкцій електромагнітів і параметрів системи управління.

Дослідження у напрямі використання комбінованих електромагнітних підшипників

Багаторічнийдосвідвикористання постійних магнітів з матеріалу Nd-Fe-B- дозволив вибрати найбільш раціональну конструкцію комбінованих електромагнітних підшипників для роторів, що обертаються, в якій кількість керованих мір свободи з 5 до 1. Такий підхід є найбільш перспективним в легких високооборотних роторних машинах, а також в дешевих роторних машинах, в яких необхідна герметичність у зв'язку з агресивністю робочого тіла. При цьому доцільно застосування магнітних опор в поєднанні змагнітними муфтами, для яких розроблена методика розрахунку раціональних параметрів.
Розроблено алгоритм та програму для півавтоматичного проектування радіальних підшипників на кільцевих постійних магнітах для роторів заданої ваги та ексцентриситету

Експериментальні моделі і дослідницькі стенди

В даний час спроектовані і виготовлені 3 моделі роторних машин з ЭМП:
1. Експериментальна модель газоперекачуючого компресора в масштабі 1:10, на якій відпрацьований алгоритм патентночистої комп'ютерної системи управління з датчиками переміщення на перетворювачах Холу і створена програма оптимального вибору параметрів управління, що працює в реальному масштабі часу.

2. Експериментальна установка комбінованого електромагнітного підвісу ротора з осьовою керованою мірою свободи, яка включає електромагніти, систему їх живлення з імпульсними підсилювачами потужності і аналогову електронну систему управління з оптичними датчиками переміщення, які працюють в інфрачервоному діапазоні і включені в схему компенсації кутових переміщень (Рис.2).
Таким чином експериментальна установка має усі елементи реальної роторної машини:
- ротор з радіальними опорами на постійних кільцевих магнітах, що самоцентруються,
- електромагніти осьового підшипника системою їх живлення,
- електронну система управління упорним підшипником з світлодіодними датчиками положення (осьових переміщень ротора).

3. Виставковий макет ротора на підшипниках, виконаний на постійних магнітах. При цьому неврівноважена осьова складова компенсується упорним кульковим підшипником спеціальної конструкції

Отримано 2 патенти та нагороди Міжнародного салону винаходів та нових технологій "Новий час" у м. Севастополі, 9-ї спеціалізованої виставки "КІП", 8-ї спеціалізованої виставки "ЕЛЕКТРОНИКА. ИНФОРМАТИКА. СВЯЗЬ", 8-ї спеціалізованої виставки "ЭНЕРГЕТИКА. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ", восьмої спеціалізованої виставки "ЕНЕРГОСБЕРЕЖЕННЯ. ЕНЕРГООБЛАДНАННЯ, ЕНЕРГЕТИКА-2007".

Творчий колектив кафедри "Динаміка і міцність машин" НТУ "ХПІ" приймав участь з макетом, стендом та проспектами у міжнародних виставках:
- у м. Москва "15 лет СНГ"
- у м. Мінськ "Товари України"
- у м. Гановер "Меsse-2007" (Німеччина)
Патент № 2277190. Российская Федерация. МПК F16C 32/04. Способ дискретного управления электромагнитным подвесом вращающихся роторов / ОАО "Сумское научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе", Национальный Технический Университет "Харьковский Политехнический Институт"; Роговой Е.Д., Бухолдин Ю.С., Левашов В.А., Мартыненко Г.Ю., Смирнов М.М. -№ 2003121317/11. -Заявл. 10.07.2003 г. Опубл. 27.05.2006 г. // Изобретения. Официальный бюллетень, 2006. -№15..
Патент Україна. UA №77665 Спосіб дискретного керування електромагнітним підвісом роторів, що обертаються / ВАТ "Сумське науково-виробниче об'єднання ім. М.В. Фрунзе", Національний Технічний Університет "Харківський Політехнічний Інститут"; Роговой Є.Д., Бухолдин Ю.С., Левашов В.О., Мартиненко Г.Ю., Смирнов М.М., 2006р.

Можливості виготовлення нової наукоємної продукції майбутнього:
1. Творчий колектив має в своєму розпорядженні лабораторію з висококваліфікованими інженерами і механічну майстерню з повним набором необхідного верстатного обладнання.
2. Колектив має постійні творчі зв'язки з фірмою НВО "Полюс" по виготовленню постійних магнітів зматеріалу Nd-Fe-B. Цей матеріал має найбільшу серед магнітних матеріалів коерцитивну силу і "магнітну жорсткість".

Основні результати відображені в наступних публікаціях:

1. Жовдак В.О., Іглін С.П., Тарасова Л.Ф. Колебания валопроводов газоперекачиваюх агрегатов с учетом расцентровки роторов двигателя и компрессора друк. / Сб. "Динамика и прочность машин". - Харьков, 2000. - Вып. 57, с.73-80
2. Жовдак В.А., Красников С.В., Степченко А.С. Вынужденные колебания системы турбоагрегат- фундамент-основание с учетом эксплуатационных просадок фундамента. // Надійность і довговічность машин і споруд. Міжнародний наук. техн. збірник, ІПМ ім. Г.С. Писаренка НАН Украіни . - 2004.- №1(22). с.124-129.
3. Жовдак В.А., Смирнова Л.М. Собственные колебания циклически симметричных систем со случайной расстройкой //Динамика и прочность машин.- Харьков: ХГПУ. 1998. № 56.-С.95-101.
4. Кедровская О.В. Несущие и жесткостные характеристики радиальных подшипников на кольцевых постоянных магнитах / Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я XV міжнародна науково-практична конференція 17-18 травня, - НТУ "ХПІ", 2007.
5. Мартыненко Г.Ю. О возможности использования уравнений Рауса для описания полного электромагнитного подвеса ротора / Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я XV міжнародна науково-практична конференція 17-18 травня, - НТУ "ХПІ", 2007.
6. Мартыненко Г.Ю. Алгоритм цифровой системы управления электромагнитным подшипником без использования цифро-аналогового преобразователя / Динаміка і міцність машин: Збірка наукових праць ХДПУ. Вип.56: - Харків ХДПУ, 1998, С.168-175
7. Мартыненко Г.Ю., Смирнов М.М., Роговой Е.Д. Расчет импульсных электромагнитных цепей, обеспечивающих среднее положение ротора с активным магнитным подвесом / Динаміка і міцність машин: Збірка наукових праць СДПУ. Вип.57: - Харків ХДПУ, 2000, С.81-102
8. Смірнов М.М., Мартиненко Г.Ю. Експериментальні дослідження стійкості системи управління електромагнітного підшипника / Удосконалення систем та комплексів електричної тяги: Збірка наукових праць УДАЗТ. Вип.55: - Харків УДАЗТ, 2003, С.65-71
9. Е.Д. Роговой, Л.В. Розова, О.В. Кедровская Оптимальный выбор основных геометрических параметров торцевых уплотнений с постоянными магнитами по динамическим критериям / Проблемы машиностроения: международный н-т журнал. Том 2, №3-4: - Харьков, НАНУ ИПмаш, 1999.
10. Рекламний буклет НТУ "ХПІ" - Магнітний та електромагнітний підвіс роторних машин.
11. Політехнік: Газета НТУ "ХПІ" №4 від 21 лютого 2007. стаття "Достойные подарки родному университету"

Перспективні розробки:
1. В даний час ведеться розробка і виготовлення нового виставочного стенду з ротором на магнітних підшипниках.
2. Спільно з конструкторами та інженерами-дослідниками ВАТ "Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе" розробляється ескізний проект турбодетандера з ротором на комбінованих ЭМП, що входить в нову перспективну установку для зріджування метану.
Виходячи з переваг активних магнітних підшипників перед відомими, можна вказати класи машин, де їх застосування найбільш ефективне.
Турбокомпресори і турбовентилятори. Застосування магнітних підшипників за рахунок збільшення частоти обертання підвищує продуктивність і знижує вагогабаритні показники. У випадках, коли до середовища, що перекачується, пред'являються високі вимоги по чистоті, магнітні підшипники є практично єдино можливим типом опор. Використовуються в широкому діапазоні частот обертання, потужностей, тиску температур. Найбільш перспективна сфера застосування: агрегати, що перекачують газ, вентиляційні агрегати для активних, високотемпературних і масло-небезпечних середовищ.
Турбомолекулярні насоси. Магнітні підшипники дозволяють досягти потрібних для цих пристроїв високих частот обертання. Безперечним тут є тривалої роботи у вакуумі. Застосовуються у вакуумних установках з надвисоким ступенем розрідження.
Електрошпінделі (фрезерні, свердлувальні, шліфувальні). Підвищення на основі магнітних підшипників частоти обертання суттєво підвищує продуктивність устаткування і покращує чистоту обробки. Перспективною являється можливістькомбінованого руху інструменту (мікродовбання при свердленні, мікроколивання при шліфуванні), що істотно підвищує технологічні можливості обладнання. Сфера застосування високопродуктивні прецизійні металообробні верстати.
Турбодетандери. Вживання магнітних підшипників в кріогенній техніці забезпечує підвищення надійності роботи і продуктивності високооборотних турбодетандерів в умовах низьких температур і великих перепадів тиску. Можливість поєднання магнітних підшипників з електричною машиною дозволяє створювати компактні турбодетандери з електричним відбором потужності (без компресорних коліс). Можуть бути застосовані в кисневих, азотних і гелієвих кріоустановках.
Газові турбіни і турбоелектричні агрегати. Використання магнітних підшипників вирішує проблеми змащування при високих температурах, збільшує ресурс роботи, покращує віброакустичні характеристики. Сказане справедливо і для випадків, коли магнітні підшипники встановлюються як опори ротора турбоелектричного агрегату. Сфера застосування - автономні енергоустановки.
Інерційні накопичувачі енергії. Утримують маховик, жорстко пов'язаний з ротором електричної машини. Накопичують енергію шляхом перетворення електричної енергії в кінетичну (розгін маховика) і віддають її споживачу в міру необхідності (гальмування). Найбільш ефективні при великих частотах обертання при використанні композитних супермаховиків. Використання магнітних підшипників дозволяє суттєво поліпшити вагогабаритні показники, енергоспоживання, забезпечує можливість управління динамікою ротора з маховиком при різких розгонах і гальмуванні, допускає вакуумування системи для зменшення аеродинамічних втрат. Перспективні для застосування в космічній техніці, на транспорті, в системах, що вимагають рекуперації енергії, в системах автономного енергопостачання. Магнітні підшипники привернули увагу багатьох інженерів завдяки тому, що вони дозволяють активно контролювати ротор і виключити змащувальну систему із конструкції машини.
Rambler's Top100