ПРЕДИСЛОВИЕ

Основным элементом многих машин является ротор, вращающийся в подшипниковых опорах. Рост скоростей вращения и мощностей роторных машин при одновременной тенденции к уменьшению массовых и габаритных показателей выдвигает проблему повышения долговечности подшипниковых узлов как первоочередную. Кроме того, в целом ряде областей современной техники требуются подшипники, способные надежно работать в экстремальных условиях: в вакууме, при высоких и низких температурах, сверхчистых технологиях, в агрессивных средах и т. п. Создание таких подшипников также является актуальной технической проблемой.
Решение указанных проблем может осуществляться как совершенствованием традиционных подшипников качения и скольжения. так и созданием нетрадиционных подшипников, в которых используются иные физические принципы действия.
Традиционные подшипники качения и скольжения (жидкостные и газовые) к настоящему пременн достигли высокого технического уровня. Однако природа протекающих в них процессов ограничивает, о иногда делает принципиально невозможным применение этих подшипников для достижения указанных выше целей. Так, существенными недостатками подшипников качения являются наличие механического контакта между подвижными и неподвижными частями и необходимость в смазке дорожек качения. В подшипниках скольжения механический контакт отсутствует, но необходимы система иодичн смазочного материала для создания смазочного слоя и герметизация этого слоя. Очевидно, что совершенствование узлов герметизации может лишь уменьшить, но не полиостью устранить взаимное проникновение смазочного материала и внешней среды.
От указанных недостатков свободны подшипники, в которых для создания опорных реакций используются магнитные и электрические поля. Среди них наибольший практический интерес представляют активные магнитные подшипники (АМП). Работа АМН основана нл известном принципе активного магнитного подвеса ферромагнитного тела: стабилизация тела заданном положении осушссталястся силами магнитного притяжения, действующими на тело со стороны управляемых электромагнитов. Токи в обмотках электромагнитов формируются при помощи системы автоматического управления, состоящей из датчиков перемещений тела, электронного регулятора и усилителей мощности, питающихся от внешнего источника электрической энергии.
Первые примеры практического использования активных магнитных подвесов в измерительных приборах относятся к 40-м годам XX столетия. Они связаны с именами Д. Бимса и Д. Хри-зингера (США) и О. Г. Кацнельсона и А. С. Эдельштейна (СССР). Первый активный магнитный подшипник был предложен и экспериментально исследован в 1960 году Р. Сикссмитом (США). Широкое практическое применение АМН в нашей стране и за рубежом началось в начале 70-х годов XX столетня.
Отсутствие в АМП механического контакта и необходимости смазки делает их весьма перспективными во многих областях техники. Это, прежде всего: турбины и насосы в вакуумной и криогенной технике; машины для сверхчистых технологий и для работы в агрессивных средах; машины и приборы для ядерных и космических установок; гороскопы; инерционные накопители энергии; а также изделия для общего машиностроения и приборостроения - шлифовальные и фрезерные высокоскоростные шпиндели, текстильные машины. центрифуги, турбины, балансировочные станки, вибростенды, роботы, точные измерительные приборы и т. д.
Однако, несмотря на имеющиеся успехи, AMJI внедряются на практике значительно медленнее, чем это ожидалось из прогнозов, сделанных в начале 1970-х годов. Прежде всего, это объясняется замедленным восприятием промышленностью новшеств, в том числе и АМП. Как и любое новшество, чтобы быть востребованным, АМП нуждаются в популяризации.
К сожалению, на момент написания этих строк активным магнитным подшипникам посвящена лишь одна книга : G.Schweitzer. Н. Bleulerand A. Traxler «Active magnetic bearings», ETH Zurich, 1994, 244 p., изданная на английском и немецком языках. Небольшая по объему, эта книга ориентирована н первую очередь на читателя, делающего первые шаги в понимании тех проблем, которые возникают при создании АМП. Предъявляя весьма скромные требования к инженерной и математической подготовке читателя, авторы выстраивают основные идеи и понятия в такой продуманной последовательности, которая позволяет начинающему легко войти в курс дела и концептуально овладеть новой для себя областью. Несомненно, указанная книга является заметным явлением, а ее популяризаторскую роль трудно переоценить.
Читатель может спросить, стоило ли писать настоящую монографию, а не ограничиться переводом ни русский ялык цитированной выше книги . Во-первых, начиная с 1992 года меня приглашали прочитать лекции по АМН в университетах России. Финляндии и Швеции. Из этих лекций выросла книга. Во-вторых, многие мои коллеги высказывали желание получить книгу об ЛМП, написанную для разработчиков машин с АМП. В-третьих, я также сознавал, что многие инженеры, которые вовсе не специализируются в области АМП, нуждаются в книге, исследующей такой объект управления, как электромагнит.
Цель этой книги состоит в том, чтобы вооружить инженеров методами математического моделирования, синтеза и анализа АМП и способствовать тем самым возбуждению интереса к этой новой области техники. Не сомневаюсь, что книга будет также полезна для студентов многих технических специальностей, особенно при курсовом и дипломном проектировании. При написании книги я опирался на 20-летний опыт работы в области АМП в качестве научного руководителя научно-исследовательской лаборатории магнитных опор при Псковском политехническом институте Санкт-Петербургского государственного технического университета.
Книга содержит 10 глав. В главе 1 дается краткое описание всех возможных видов электромагнитных подвесов, цель которого - расширить кругозор читателя. Глава 2, нацеленная на пользователей АМП, вводит читателя в технику активных магнитных подшипников - это история развития, конструкции, характеристики, проблемы освоения и несколько примеров практических приложений. В главах 3 и 4 приводится методика расчета магнитных цепей подшипников. Электромагнит как объект управления изучается в главе 5. В главе 6 решаются задачи синтеза регулятора и анализа динамики одностепенного магнитного подвеса. Это глава о том, как следует управлять подвесом и что может помешать получить требуемые динамические качества. Центральное место занимает глава 7, в которой рассматриваются задачи управления подвесом жесткого ротора, имеющего пять степенен свободы, исследуется взаимодействие подвеса и приводного электродвигателя, а также затронут вопрос создания бесподшнпннковых электрических машин. Влияние упругих изгибных деформаций ротора на динамику подвеса рассматривается в главе 8. Глава 9 посвящена цифровому управлению подвесом. В заключительной главе 10 рассматривается ряд динамических аспектов, связанных с реализацией подвесов роторов в АМП.
Что касается списка литературы в конце книги, то я не пытался включить в него все исторически заметные статьи по АМП и прошу прошения у тех исследователей, чьи вклады в эту область не упомянуты.
Поскольку круг вопросов весьма широк, оказалось невозможным сохранить одну систему условных обозначений по всей книге. Однако в каждой главе использована постоянная система обозначений.
Я благодарен своим учителям профессорам Давиду Рахмилье-вичу Меркнну и Анатолию Сауловнчу Кельзону - они во многом способствовали появлению этой книги. Я хотел бы поблагодарить моих коллег по лаборатории магнитных опор и университету, в особенности Федора Георгиевича Кочевина, Михаила Вадимовича Афанасьева. Валентина Васильевича Андреена, Сергея Владимировича Смирнова, Сергея Геннадьевича Стебихова и Игоря Ивановича Морозова, чьими усилиями созданы многие машины с АМП. Мне были также полезны беседы и совместная работа с профессором Камилом Шамсудднновичем Ходжаеным и доцентами Владимиром Александровичем Андреевым, Валерием Георгиевичем Боговым и Вячеславом Григорьевичем Мацевичем. Я хотел бы также отметить вклад дипломников и аспирантов, которые с большим энтузиазмом работали со мной в области АМП, - это Григорий Михайлович Крайзман, Николай Вадимович Хмылко, Аркадий Григорьевич Хростицкий, Николай Михаилович Ильин, Александр Михайлович Ветлнцын и Павел Васильевич Киселев. Особого упоминания заслуживает техническая помощь по подготовке рукописи к изданию Елены Владимировны Журавлевой и Андрея Семеновича Леонтьева.
За помощь в финансировании издания книги хочу поблагодарить Псковскую инженерную компанию и Псковский политехнический институт.

Внимание!!!

У вас отключены JavaScript и Cookies!

Для полноценной работы сайта Вам необходимо включить их!

Активные магнитные подшипники

Активные магнитные подшипники (АМП)
(производство компании «S2M Société de Mécanique Magnétique SA», 2, rue des Champs, F-27950 St.Marcel, Франция)

1 . Общее описание системы АМП

Активный магнитный подвес состоит из 2-х отдельных частей:

Подшипник;

Электронная система управления

Магнитный подвес состоит из электромагнитов (силовых катушек 1 и 3), притягивающих ротор (2).

Компоненты АМП

1. Радиальный подшипник

Ротор радиального подшипника, оснащенный ферромагнитными пластинами, удерживается магнитными полями, создаваемыми электромагнитами, расположенными на статоре.

Ротор переводится в подвешенное состояниев центре, не соприкасаясь со статором. Положение ротора контролируется индуктивными датчиками. Они обнаруживают любое отклонение относительно номинального положения и подают сигналы, которые управляют током в электромагнитах для возвращения ротора в его номинальное положение.

4 катушки, размещенные по осям V и W , и смещенные под углом 45° от осей X и Y , удерживают ротор в центре статора. Нет контакта между ротором и статором. Радиальный зазор 0,5-1мм; осевой зазор 0,6-1,8 мм.

2. Упорный подшипник

Упорный подшипник работает по такому же принципу. Электромагниты в форме несъемного кольца располагаются по обеим сторонам смонтированного на валу упорного диска. Электромагниты закрепляются на статоре. Упорный диск насаживается на ротор (например, методом горячей посадки). Осевые датчики положения, как правило, расположены на концах вала.

3. Вспомогательные (страховочные)

подшипники

Вспомогательные подшипники используются для поддерживания ротора во время остановки машины и в случае отказа системы управления АМП. В нормальном рабочем режиме данные подшипники остаются в неподвижном состоянии. Расстояние между вспомогательными подшипниками и ротором, как правило, равно половине воздушного зазора, однако, при необходимости, оно может быть уменьшено. Вспомогательные подшипники это, главным образом, шариковые подшипники с твердой смазкой, но могут использоваться и другие типы подшипников, такие, как подшипники скольжения.

4. Электронная система управления

Электронная система управления контролирует положение ротора, модулируя ток, который проходит по электромагнитам в зависимости от значений сигнала датчиков положения.

5. Электронная система обработки сигналов

Сигнал, посылаемый датчиком положения, сравнивается с эталонным сигналом, который соответствует номинальному положению ротора. Если эталонный сигнал равен нулю, номинальное положение соответствует центру статора. При изменении эталонного сигнала можно переместить номинальное положение на половину воздушного зазора. Сигнал отклонения пропорционален разнице между номинальным положением и положением ротора в данный момент. Этот сигнал передается на процессор, который в свою очередь направляет корректирующий сигнал на усилитель мощности.

Отношение выходного сигнала к сигналу отклонения определяется передаточной функцией. Передаточная функция выбирается для поддержания ротора с максимальной точностью в его номинальном положении и для его быстрого и гладкого возвращения в данное положение в случае помех. Передаточная функция определяет жесткость и амортизацию магнитного подвеса.

6. Усилитель мощности

Данное устройство поставляет на электромагниты подшипников ток, необходимый для создания магнитного поля, которое воздействует на ротор. Мощность усилителей зависит от максимальной силы электромагнита, воздушного зазора и времени реакции системы автоматического управления (т.е. скорости, при которой эта сила должна быть изменена, когда она сталкивается с помехой). Физические размеры электронной системы не имеют прямой связи с весом ротора машины, они, скорее всего, связаны отношением показателя между величиной помехи и весом ротора. Следовательно, небольшая оболочка будет достаточной для большого механизма, оснащенного относительно тяжелым ротором, подвергаемым небольшим помехам. В то же время механизм, подверженный бóльшим помехам, должен быть оснащен большим электрошкафом.

2. Некоторые характеристики АМП

Воздушный зазор

Скорость вращения

Максимальная скорость вращения радиального магнитного подшипника зависит только от характеристики электромагнитных пластин ротора, а именно сопротивления пластин центробежной силе. При использовании стандартных пластин можно достичь значений окружной скорости до 200 м/с. Скорость вращения же осевого магнитного подшипника ограничена сопротивлением литой стали упорного диска. Окружная скорость в 350 м/с может быть достигнута при использовании стандартного оборудования.

Нагрузка АМП зависит от используемого ферромагнитного материала, диаметра ротора и продольной длины статора подвеса. Максимальная удельная нагрузка АМП, изготовленного из стандартного материала, составляет 0,9 Н/см². Эта максимальная нагрузка является меньшей по сравнению с соответствующими значениями классических подшипников, однако, высокая допускаемая окружная скорость позволяет увеличивать диаметр вала так, чтобы получить максимально большую поверхность контакта и, следовательно, такой же предел нагрузки, как и для классического подшипника без необходимости увеличения его длины.

Потребление энергии

Активные магнитные подшипники имеют очень незначительный расход энергии. Данный расход энергии происходит от потерь на гистерезис, вихревые токи (токи Фуко) в подшипнике (мощность, которая взята на валу) и теплопотерь в электронной оболочке. АМП потребляют в 10-100 раз меньше энергии, чем классические для механизмов сопоставимых размеров. Потребление энергии электронной системой управления, для которой необходим внешний источник тока, также является очень низким. Аккумуляторы используются для поддержания рабочего состояния подвеса в случае отказа сети - в этом случае они включаются автоматически.

Окружающие условия

АМП могут устанавливаться непосредственно в среде эксплуатации, полностью исключая необходимость соответствующих муфт и устройств, а также барьеров для термоизоляции. На сегодняшний день активные магнитные подшипники работают в самых разнообразных условиях: вакуум, воздух, гелий, углеводород, кислород, морская вода и гексафторид урания, а также при температурах от - 253 ° С до + 450 ° С.

3. Преимущества магнитных подшипников

• Безконтактные / безжидкостные
  - отсутствие механического трения
  - отсутствие масла
  - повышение периферийной скорости
  
• Повышение надежности
  - эксплуатационная надежность шкафа управления > 52 000 ч.
  - эксплуатационная надежность ЭМ подшипников > 200 000 ч.
  - почти полное отсутствие профилактического обслуживания
  
• Меньшие размеры турбомашины
  - отсутствие системы смазки
  - меньшие размеры (P = K*L*D²*N)
  - меньший вес
  
• Мониторинг
  - нагрузка подшипников
  - нагрузка турбомашины
• Регулируемые параметры
  - активная система управления магнитными подшипниками
  - жесткость (меняется в зависимости от динамики ротора)
  - демпфирование (меняется в зависимости от динамики ротора)
  
• Работа без уплотнений (компрессор и привод в едином корпусе)
  - подшипники в технологическом газе
  - широкий диапазон рабочих температур
  - оптимизация динамики ротора за счет его укорачивания

Неоспоримым преимуществом магнитных подшипников является полное отсутствие трущихся поверхностей, а, следовательно, износа, трения, а главное отсутствие вылета из рабочей зоны частиц, образующихся в процессе работы обычных подшипников.

Активные магнитные подшипники отличает высокая грузоподъемность и механическая прочность. Их можно использовать при высоких скоростях вращения, а также в безвоздушном пространстве и при различных температурах.

Материалы предоставлены компанией “S2M”, Франция ( www.s2m.fr).

Говоря о магнитных подшипниках или бесконтактных подвесах, нельзя не отметить их замечательные качества: не нужна смазка, отсутствуют трущиеся части, следовательно нет потерь на трение, крайне низкий уровень вибрации, высокая относительная скорость, малое энергопотребление, система автоматического контроля и мониторинга состояния подшипников, возможность герметизации.

Все эти достоинства делают магнитные подшипники лучшими решениями для множества применений: для газовых турбин, для криогенной техники, в высокооборотных электрогенераторах, для вакуумных устройств, для различных станков и прочего оборудования, в том числе высокоточного и высокоскоростного (порядка 100000 оборотов в минуту), где важно отсутствие механических потерь, помех и погрешностей.

Принципиально магнитные подшипники подразделяются на два типа: пассивные и активные магнитные подшипники. Пассивные магнитные подшипники изготавливаются , но такой подход далеко не идеален, поэтому используется он крайне редко. Более гибкие и широкие технические возможности открываются с подшипниками активными, в которых магнитное поле создается переменными токами в обмотках сердечников.

Как работает бесконтактный магнитный подшипник

Работа активного магнитного подвеса или подшипника базируется на принципе электромагнитной левитации - левитации с использованием электрического и магнитного полей. Здесь вращение вала в подшипнике происходит без физического контакта поверхностей друг с другом. Именно по этой причине полностью исключается смазка, а механический износ тем не менее отсутствует. Так повышаются надежность и КПД машин.

Специалисты также отмечают важность наличия контроля положения вала ротора. Система датчиков непрерывно следит за положением вала и подает сигналы системе автоматического управления для точного позиционирования путем корректировки позиционирующего магнитного поля статора, - сила притяжения с нужной стороны вала делается сильнее или слабее путем регулировки тока в статорных обмотках активных подшипников.

Два конических активных подшипника либо два радиальных и один осевой активные подшипники - позволяют бесконтактно подвесить ротор буквально в воздухе. Система управления подвесом работает непрерывно, она может быть цифровой или аналоговой. Так обеспечивается высокая прочность удержания, высокая грузоподъемность, и регулируемые жесткость и амортизация. Данная технология позволяет подшипникам работать в условиях низких и высоких температур, в вакууме, на больших скоростях и в условиях повышенных требований к стерильности.

Из вышеизложенного ясно, что основными частями системы активного магнитного подвеса являются: магнитный подшипник и автоматическая система электронного управления. Электромагниты все время действуют на ротор с разных сторон, и действие их подчинено электронной системе контроля.

Ротор радиального магнитного подшипника оснащен ферромагнитными пластинами, на которые и действует удерживающее магнитное поле от катушек статора, в результате чего ротор оказывается подвешен в центре статора, не соприкасаясь с ним. Индуктивные датчики все время следят за положением ротора. Любое отклонение от правильного положения приводит к появлению сигнала, который подается на контроллер, чтобы тот в свою очередь вернул ротор в нужное положение. Радиальный зазор может составлять от 0,5 до 1 мм.

Аналогичным образом функционирует упорный магнитный подшипник. Электромагниты в форме кольца закреплены на валу упорного диска. Электромагниты располагаются на статоре. На концах вала располагаются осевые датчики.

Для надежного удержания ротора машины во время ее остановки или в момент отказа системы удержания, используются страховочные шариковые подшипники, которые закреплены так, что зазор между ними и валом выставлен равным половине того, что имеет место в магнитном подшипнике.

Система автоматического регулирования располагается в шкафу, и отвечает за правильную модуляцию тока, проходящего по электромагнитам, в соответствии с сигналами от датчиков положения ротора. Мощность усилителей связана с максимальной силой электромагнитов, величиной воздушного зазора и временем реакции системы на изменение положения ротора.

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.

В разнообразной современной электромеханической продукции и технических изделиях, магнитный подшипник является основным узлом, который определяет технические и экономические характеристики и увеличивает безотказный эксплуатационный период. По сравнению с традиционными подшипниками, в магнитных подшипниках полностью отсутствует сила трения между неподвижными и подвижными деталями. Наличие такого свойства позволяет реализовывать повышенные скорости в конструкциях магнитных систем. Магнитные подшипники изготавливаются из высокотемпературных сверхпроводящих материалов, которые рационально влияют на их свойства. К таким свойствам можно отнести существенное снижение затрат на модельные конструкции систем охлаждения и такой важный параметр, как длительное поддержание магнитного подшипника в рабочем состоянии.

Принцип работы магнитных подвесов

Принцип работы магнитных подвесов основан на применении свободной левитации , которая создается магнитными и электрическими полями. Вращающий вал с применением таких подвесов, без применения физического контакта, в прямом смысле подвешен в мощном магнитном поле. Относительные обороты его проходят без трения и износа, при этом достигается высочайшая надежность. Основополагающей составляющей магнитного подвеса является магнитная система. Ее основное предназначение – это создание магнитного поля необходимой формы, обеспечение требуемых тяговых характеристик в рабочей области при контрольном определенном смещении ротора и жесткости самого подшипника. Такие параметры магнитных подшипников находятся в прямой зависимости от конструкции магнитной системы, которую необходимо разрабатывать и рассчитывать исходя из ее массогабаритной составляющей – дорогостоящей системы криогенного охлаждения. На что способны электромагнитное поле магнитных подвесов наглядно можно увидеть на работе детской игрушки Левитрон . На практике магнитные и электрические подвесы существуют в девяти видах, отличающихся между собой принципом действия:

• магнитные и гидродинамические подвесы;
• подвесы, работающие на постоянных магнитах;
• активные магнитные подшипники;
• кондиционные подвесы;
• LC- резонансные виды подвесов;
• индукционные подшипники;
• диамагнитные типы подвесов;
• сверхпроводящие подшипники;
• электростатические подвесы.

Если протестировать все эти типы подвесов по популярности, то в нынешних реалиях, заняли лидирующие позиции активные магнитные подшипники (АМП ). По виду они представляют собой мехатронную систему устройства, в которой стабильное состояние ротора, осуществляется присутствующими силами магнитного притяжения. Эти силы воздействуют на ротор с боку электромагнитов, электрический ток в которых настраивается системой автоматического управления на сигналах датчиков электронного блока управления. В таких блоках управления может применяться как традиционная аналоговая, так и более инновационная система цифровой обработки сигналов. Активные магнитные подшипники имеют великолепные динамические характеристики, надежность и высокий КПД. Уникальные возможности активных магнитных подшипников способствуют их повсеместному внедрению. АМП эффективно применяются, к примеру, в таком оборудовании:
- газотурбинные установки;
- скоростные роторные системы;
- электродвигатели;
- турбодетандеры;
- накопители инерционной энергии и т.д.
Пока активные магнитные подшипники требуют внешнего источника тока и дорогостоящей и сложной аппаратуры управления. На данный момент разработчики АМП проводят активные работы по созданию пассивного вида магнитных подшипников.