В непрерывный процесс совершенствования машины сегодня вовлекаются все новые и новые технологии, позволяющие улучшить механическую часть машины, создавать новые материалы, повысить точность изготовления деталей. Все это приводит к повышению рабочих характеристик и ресурса всей машины. Одним из главных векторов совершенствования энергетических и транспортных систем в направлении повышения их работоспособности стала интеллектуализация узлов машин. Такие элементы машин принято называть мехатронными, т.е. в которых имеется механическая часть для выполнения основной функции, измерительная часть, система контроля и система управления. Обеспечение удовлетворительной работы ротора в любом двигателе (стабильность вращения, приемлемый уровень вибраций, передача внешней нагрузки на корпус) обеспечивается подшипниками. Актуальность постоянного совершенствования опорных узлов роторов определяется весомостью повреждений всей машины вследствие внезапных или постепенных отказов опорных узлов. Неправильный выбор или ошибочное проектирование подшипника может приводить к поломке всего роторного агрегата и выходу из строя всей машины.На данный момент наиболее совершенным типом подшипников является магнитный подшипник.
Магнитный подшипник — элемент опоры осей, валов и других деталей, работающих на принципе магнитной левитации. (Левитация (в физике) — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле без непосредственного контакта с другими объектами.) В результате опора является механически бесконтактной. В целом различают пассивные и активные магнитные подшипники. ротор магнитный подшипник
Пассивный магнитный подшипник — устройство поддержания ротора без механического контакта за счет сил магнитного поля без использования управления с обратной связью. В силу технологического несовершенства на практике применяются редко.
Активный магнитный подшипник — это управляемое электромагнитное устройство, которое удерживает ротор в заданном положении относительно статора. Магнитные силы притяжения, действующие на ротор со стороны электромагнитов, управляются с помощью электронной системы управления.
Поэтому конструктивно АМП состоит из двух основных частей: подшипника; электронной системы управления.
Технологический процесс сборки ротора асинхронного двигателя АД160М
... работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. ... и других затрат. На ремонт и обслуживание этих двигателей ... особенности конструкции ротора Ротор — важная часть электрической машины, подвергающаяся большим ... курсового проекта заключается в разработке технологического процесса изготовления ротора ...
Активный магнитный подшипник является классическим мехатронным объектом, который практически не имеет базовых недостатков, присущих подшипникам качения и скольжения. В таком подшипнике центрирование ротора и передача нагрузки на корпус идет за счет активного магнитного поля, напряженность которого регулируется контрольной системой в зависимости от перемещений ротора, фиксируемых датчиками перемещений. Такие повышенные характеристики работоспособности и безопасности имеют на порядки выше стоимость по сравнению со стандартными подшипниками из-за высоких требований точности и быстродействия элементов контрольно-измерительной системы. Высокая стоимость, большие радиальные габариты, сложность монтажа обуславливает применение активных магнитных подшипников только в самых ответственных узлах энергетических и транспортных машин.
Применение магнитных подшипников за счет увеличения частоты вращения повышает производительность и снижает весогабаритные показатели. В случаях, когда к перекачиваемой среде предъявляются высокие требования по чистоте, являются практически единственно возможным типом опор. Используются в широком диапазоне частот вращения, мощностей, давлений, температур. Активные магнитные подшипники отвечают требованиям широкого диапазона промышленного применения. Они охватывают большой диапазон грузоподъёмности, от нескольких ньютонов, до осевых подшипников, с несущей способность более 30 тонн. Для подвешивания валов гидротурбин длиной до 8 метров. Соответствующая силовая электроника с цифровым контролем — от нескольких ампер при 48 В постоянного тока до 30 А при 300 В переменного тока, и на трубопроводных компрессорах мощностью 30 МВт.
1. Основные понятия магнитных подшипников
Основныеобластипримененияактивныхмагнитныхподшипников — в составетурбомашин. Концепцияотсутствиямасла в компрессорах и турбодетандерахпозволяетдостичьвысочайшейнадежноститакже и засчетотсутствияизносаузловмашины.
Активныемагнитныеподшипники (АМП) находятвсебольшееприменениевомногихотрасляхпромышленности. Дляулучшениядинамическиххарактеристик, увеличениянадежности и КПД применяютсябесконтактныеактивныемагнитныеподшипники.
Принципдействиямагнитныхподшипниковосновываетсянаэффектелевитации в магнитномполе. Вал в такихподшипниках в прямомсмыслесловависит в мощноммагнитномполе. Системадатчиковпостоянноотслеживаетположениевала, и подаетсигналынапозиционныемагнитыстатора, корректируясилупритяжения с тойилиинойстороны.
1.1 Общееописаниесистемы АМП
Активныймагнитныйподвессостоитиз2-х отдельныхчастей:
- подшипник;
- электроннаясистемауправления
Магнитныйподвессостоитизэлектромагнитов (силовыхкатушек 1 и 3), притягивающихротор (2).
1.2 Компоненты АМП
1. Радиальныйподшипник
Роторрадиальногоподшипника, оснащенныйферромагнитнымипластинами, удерживаетсямагнитнымиполями, создаваемымиэлектромагнитами, расположенныминастаторе.
Роторпереводится в подвешенноесостояние вцентре, несоприкасаясьсостатором. Положениеротораконтролируетсяиндуктивнымидатчиками.Ониобнаруживаютлюбоеотклонениеотносительнономинальногоположения и подаютсигналы, которыеуправляюттоком в электромагнитахдлявозвращенияротора в егономинальноеположение.4 катушки, размещенныепоосям V и W, и смещенныеподуглом 45° отосей X и Y, удерживаютротор в центрестатора.Нетконтактамеждуротором и статором.Радиальныйзазор 0,5-1мм; осевойзазор 0,6-1,8 мм.
2. Упорный подшипник
Упорныйподшипникработаетпотакомужепринципу.Электромагниты в форменесъемногокольцарасполагаютсяпообеимсторонамсмонтированногонавалуупорногодиска.Электромагнитызакрепляютсянастаторе.Упорныйдискнасаживаетсянаротор (например, методомгорячейпосадки).Осевыедатчикиположения, какправило, расположенынаконцахвала.
3. Вспомогательные (страховочные)подшипники
Вспомогательныеподшипникииспользуютсядляподдерживанияроторавовремяостановкимашины и в случаеотказасистемыуправления АМП.В нормальномрабочемрежимеданныеподшипникиостаются в неподвижномсостоянии.Расстояниемеждувспомогательнымиподшипниками и ротором, какправило, равнополовиневоздушногозазора, однако, принеобходимости, ономожетбытьуменьшено.Вспомогательныеподшипникиэто, главнымобразом, шариковыеподшипники с твердойсмазкой, номогутиспользоваться и другиетипыподшипников, такие, какподшипникискольжения.
4. Электроннаясистемауправления
Электроннаясистемауправленияконтролируетположениеротора, модулируяток, которыйпроходитпоэлектромагнитам в зависимостиотзначенийсигналадатчиковположения.
Данноеустройствопоставляетнаэлектромагнитыподшипниковток, необходимыйдлясозданиямагнитногополя, котороевоздействуетнаротор.Мощностьусилителейзависитотмаксимальнойсилыэлектромагнита, воздушногозазора и времениреакциисистемыавтоматическогоуправления (т.е. скорости, прикоторойэтасиладолжнабытьизменена, когдаонасталкивается с помехой).Физическиеразмерыэлектроннойсистемынеимеютпрямойсвязи с весомроторамашины, они, скореевсего, связаныотношениемпоказателямеждувеличинойпомехи и весомротора.Следовательно, небольшаяоболочкабудетдостаточнойдлябольшогомеханизма, оснащенногоотносительнотяжелымротором, подвергаемымнебольшимпомехам.В тожевремямеханизм, подверженныйбульшимпомехам, долженбытьоснащенбольшимэлектрошкафом.
1.3 Некоторыехарактеристики АМП
Воздушныйзазор
Воздушныйзазор — этопространствомеждуротором и статором.Величиназазора, обозначаемаяе, зависитотдиаметра D ротораилиподшипника.
Какправило, обычноиспользуютследующиезначения:
|
D (мм) |
е (мм) |
|
|
< 100 |
0,3 — 0,6 |
|
|
100 — 1 000 |
0,6 — 1,0 |
|
Скоростьвращения
Максимальнаяскоростьвращениярадиальногомагнитногоподшипниказависиттолькоотхарактеристикиэлектромагнитныхпластинротора, а именносопротивленияпластинцентробежнойсиле.Прииспользованиистандартныхпластинможнодостичьзначенийокружнойскоростидо200 м/с. Скоростьвращенияжеосевогомагнитногоподшипникаограниченасопротивлениемлитойсталиупорногодиска. Окружнаяскорость в 350 м/с можетбытьдостигнутаприиспользованиистандартногооборудования.
Максимальнаянагрузка
Нагрузка АМП зависитотиспользуемогоферромагнитногоматериала, диаметраротора и продольнойдлиныстатораподвеса.Максимальнаяудельнаянагрузка АМП, изготовленногоизстандартногоматериала, составляет 0,9 Н/смІ.Этамаксимальнаянагрузкаявляетсяменьшейпосравнению с соответствующимизначениямиклассическихподшипников, однако, высокаядопускаемаяокружнаяскоростьпозволяетувеличиватьдиаметрвалатак, чтобыполучитьмаксимальнобольшуюповерхностьконтакта и, следовательно, такойжепределнагрузки, как и дляклассическогоподшипникабезнеобходимостиувеличенияегодлины.
Потреблениеэнергии
Активныемагнитныеподшипникиимеюточеньнезначительныйрасходэнергии.Данныйрасходэнергиипроисходитотпотерьнагистерезис, вихревыетоки (токиФуко) в подшипнике (мощность, котораявзятанавалу) и теплопотерь в электроннойоболочке. АМП потребляют в 10-100 разменьшеэнергии, чемклассическиедлямеханизмовсопоставимыхразмеров. Потреблениеэнергииэлектроннойсистемойуправления, длякоторойнеобходимвнешнийисточниктока, такжеявляетсяоченьнизким.Аккумуляторыиспользуютсядляподдержаниярабочегосостоянияподвеса в случаеотказасети — в этомслучаеонивключаютсяавтоматически.
Окружающиеусловия
АМП могутустанавливатьсянепосредственно в средеэксплуатации, полностьюисключаянеобходимостьсоответствующихмуфт и устройств, а такжебарьеровдлятермоизоляции.Насегодняшнийденьактивныемагнитныеподшипникиработают в самыхразнообразныхусловиях: вакуум, воздух, гелий, углеводород, кислород, морскаявода и гексафторидурания, а такжепритемпературахот — 253° С до + 450° С.
Выводы
На основе вышесказанного можно выделить следующие плюсы и минусы магнитный подшипников:
Возможности бесконтактных магнитных подшипников
Максимально возможная скорость вращения ротора в радиальном магнитном подшипнике ограничена лишь способностью ферромагнитных пластин ротора сопротивляться центробежной силе. Обычно предел окружной скорости составляет 200 м/с, в то время как для осевых магнитных подшипников предел ограничен стойкостью литой стали упора — 350 м/с с обычными материалами.
От применяемых ферромагнетиков зависит и максимальная нагрузка, которую способен выдержать подшипник соответствующего диаметра и длины статора подшипника. Для стандартных материалов максимальное давление — 0,9 Н/см2, что меньше чем у обычных контактных подшипников, однако проигрыш в нагрузке может быть компенсирован высокой окружной скоростью при увеличенном диаметре вала.
Энергопотребление активного магнитного подшипника не очень велико. Наибольшие потери в подшипнике приходятся на вихревые токи, но это в десятки раз меньше чем та энергия, которая растрачивается при использовании в машинах обычных подшипников. Муфты, термоизоляционные барьеры и другие устройства исключаются, подшипники эффективно работают в условиях вакуума, гелия, кислорода, морской воды и т. д. Диапазон температур составляет от -253°С до +450°С.
Относительные недостатки магнитных подшипников
Между тем, есть у магнитных подшипников и недостатки.В первую очередь — необходимость применять вспомогательные страховочные подшипники качения, которые выдерживают максимум два отказа, после чего их нужно менять на новые.Во-вторых, сложность системы автоматического управления, которая при выходе из строя потребует сложного ремонта.В-третьих, температура обмотки статора подшипника при высоких токах повышается — обмотки греются, и им нужно персональное охлаждение, лучше если жидкостное.
Наконец, материалоемкость бесконтактного подшипника оказывается высокой, потому что площадь несущей поверхности для поддержания достаточной магнитной силы должна быть обширной — сердечник статора подшипника получается большим и тяжелым. Плюс явление магнитного насыщения.
Но, несмотря на кажущиеся недостатки, магнитные подшипники уже достаточно широко применяются, в том числе в оптических системах высокой точности и в лазерных установках. Так или иначе, начиная с середины прошлого века магнитные подшипники все время совершенствуются.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/magnitnyie-podshipniki/
1. Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение / Журавлев Ю.Н. — СПб.: Политехника, 2003. — 206 с.: ил.
2. Рогоза А.В. Методика проектирования электромагнитных подшипников / В.П. Верещагин, Т.Н. Савинова, А.В. Рогоза // Труды НПП ВНИИЭМ Вопросы электромеханики, 2010. — т.117. — с. 3-12.
3. Рогоза А.В. [Реферат] / Рогоза А.В. // Реф.дисс.: Разработка методик проектирования и расчета электромагнитных подшипников крупных машин. — М.: Труды НПП ВНИИЭМ Вопросы электромеханики, 2012.
4. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станции? магистральных газопроводов / Козаченко А.Н. — М.: Нефть и газ, 1999. — 463 с.
