Дипломная работа: Комп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом
С - середній радіальний зазор,
- кутова швидкість.
Момент тертя у симетрично навантажених газових підшипниках з гладкими поверхнями [1]
, (1.2)
де r0 та ri - зовнішній та внутрішній радіуси підшипника,
h - зазор між поверхнями.
З виразів (1.1) та (1.2) видно, що внаслідок малої в’язкості 
газу у мастильному шарі, момент тертя та втрати на тертя дуже малі. Газові підшипники, жорсткість яких набагато вище жорсткості підшипників кочення [2], уступають їм у відношенні несучої здатності. Швидкохідність газових підшипників визначається швидкістю шейки валу, максимальне значення якої складає 300-350 м/с. Основною причиною, що обмежує швидкохідність ротору на газових підшипниках, є його динамічна нестійкість, що виникає при появі напівшвидкісного вихору або синхронного вихору, що обумовлено дисбалансом ротора. До недоліків газових підшипників, що обмежують їх використання, слід віднести явище нестійкості типу «пневматичний молот», що обумовлено стискуємістю газового шару [3].
Одним з методів реалізації безконтактного підвісу роторних систем є магнітний підвіс, втрати на тертя в якому обумовлені взаємодією вихрових струмів, що виникають в цапфі ротору при його обертанні, з магнітним полем елементів, що забезпечують підвіс. Із визначення втрат на тертя у магнітному підвісі випливає, що струм статору ЕМ, що збільшується при збільшенні кутової швидкості обертання ротора, збільшує вихорові струми у цапфі ротора, що обумовлює збільшення втрат на тертя. Момент тертя магнітного підвісу визначається:
, (1.3)
де J - момент інерції ротора відносно його вісі обертання,
t - час.
Втрати потужності на тертя визначаються у вигляді
. (1.4)
Аналіз виразів (1.3) та (1.4) показує, що момент тертя збільшується прямо пропорційно кутовому прискоренню, а втрати потужності збільшуються із збільшенням кутової швидкості. Останнє є суттєвим недоліком магнітного підвісу, що значно обмежує його швидкохідність. Жорсткість магнітного підвісу менше жорсткості підшипників кочення та зменшується при збільшенні частоти обертання. При значному збільшенні частоти обертання у високошвидкісних роторних механізмах жорсткість магнітного підвісу прямує до нуля, що обумовлює втрату стійкості. Слід зазначити, що магнітний підвіс за своєю природою є нестійкою системою, стійкий підвіс одного магніту у полі другого неможливий. Стійкість магнітного підвісу забезпечується тільки при введенні системи автоматичного регулювання напруженості магнітного поля та щільності магнітного потоку збудження, що дозволяє компенсувати зміну положення тіла, що підвішується, та діючих на нього сил. Усі наведені вище недоліки магнітного підвісу обмежують його використання у високошвидкісних роторних системах. Тому такі системи з магнітним підвісом не знайшли широкого використання у промисловості.
Дослідження у напрямку компенсації недоліків газового та магнітного підвісів привели до створення систем магнітного розвантаження газового підвісу, тобто газові сили, які відштовхують ротор від статора, та магнітні сили, які притягують ротор до статора, взаємокомпенсуються та забезпечують стійкість системи. Слід зазначити, що таке поєднання не звільняє від динамічної нестійкості газового шару при появі напівшвидкісного та синхронного вихорів та не змінює характер залежності параметрів магнітного підвісу (моменту тертя, втрат на тертя, жорсткості) від частоти обертання, тобто не звільняє від недоліків газового та магнітного підвісів.
Приведений коефіцієнт тертя прецизійних опор кочення високошвидкісних роторних механізмів достатньо великий та може змінюватись в межах від 0,002 (для шарикопідшипників) до 0,01 (роликові підшипники) [1]. Аналогічний показник газових опор складає 0,0001 та визначається в основному тільки в’язким тертям усередині шару газової змазки [1]. Приведений коефіцієнт тертя магнітних опор обумовлений гальмівним ефектом магнітного поля, а момент тертя та втрати потужності на тертя збільшуються із збільшенням частоти обертання. Приведений коефіцієнт тертя газомагнітної опори може бути рівний аналогічному параметру газових опор та практично не залежить від частоти обертання.
Швидкохідність високошвидкісних роторних механізмів з прецизійними опорами кочення обмежена значними втратами на тертя та не перевищує 2,5 10 5 хв-1 при короткочасному ресурсі роботи та 4 10 4 хв-1 при довгостроковому. Швидкохідність роторних механізмів з газовими опорами може досягати значення 6,5 106 хв-1 [2]. Перевищення вказаної швидкості приводить до появлення динамічної нестійкості опори, що проявляється у вигляді напівшвидкісного або синхронного вихорів. Швидкохідність магнітного підвісу, що перевищує швидкохідність газового підвісу, обмежена різко зростаючими при збільшенні частоти обертання втратами на тертя. Швидкохідність газомагнітної опори практично обмежена механічною міцністю обертаючихся вузлів роторного механізму та може значно перевищувати швидкохідність газових чи магнітних опор.
Жорсткість опор кочення значно поступається аналогічному параметру газових опор, що обумовлюється більшою різницею площин, що передають навантаження від валу до корпусу опори, а також великою кількістю зазорів в опорах кочення. Жорсткість магнітних опор, поступається аналогічному параметру опор кочення, зменшується при збільшенні частоти обертання та прямує до нуля. Жорсткість газомагнітної опори значно перевищує жорсткість газової опори. Це обумовлено тим, що площа газомагнітної опори, що передає навантаження, дорівнює площі поверхні ротору та значно перевищує площу робочої поверхні газової опори. Окрім того, жорсткість газомагнітної опори є сумою жорсткості газового шару та магнітного поля, що створює магнітні сили навантаження газового шару.
Стійкість є одним з найбільш слабких місць газових опор, що зв’язано з явищами напівшвидкісного та синхронного вихорів, а також з явищем «пневмомолотка» [3], які приводять до порушення шару газової змазки, і як наслідок, до появлення безпосереднього торкання робочих поверхнею та виходу газового підшипника із строю. Стійкість магнітних опор, яка знижується при підвищенні частоти обертання, забезпечується зовнішньою системою автоматичного керування та давачами величини зазору. Газомагнітний підвіс є стійкою системою, якій придатні властивості саморегулювання та адаптивності до зміні зовнішнього навантаження, чого не мають інші опори.
Демпфування коливань ротору в газомагнітному підвісі значно перевищує аналогічний параметр роторних механізмів з газовими чи магнітними опорами. Особливістю газомагнітного підвісу є адаптивність його демпфучих властивостей до зміни зовнішнього навантаження.
Віброакустична активність, яка є важливим параметром роторного механізму, збільшується при збільшенні частоти обертання. Якщо віброакустична активність високошвидкісних роторних механізмів з прецизійними опорами кочення досить велика (що пояснюється механічними контактами в опорах та неспіввісністю зазорів опор та приводу), то відсутність механічних контактів у газових та магнітних опорах зменшує віброакустичну активність роторних механізмів з такими опорами на 10 – 15 дБА. Відсутність механічних контактів та неспіввісності робочих зазорів в роторних механізмах з газомагнітними опорами зменшує їх віброакустичну активність на 10-15 дБА у порівнянні з опорами кочення та на 5-10 дБА у порівнянні з газовими та магнітними опорами.
Несуча здатність опор кочення значно перевищує несучу здатність газових опор [3]. Підвищення несучій здатності газових опор зв’язано з підвищенням площі робочої поверхні газового підшипника або із збільшенням тиску наддуву, а значить, із збільшення масо-габаритних параметрів або енергоємності роторного механізму. Підвищення несучої здатності магнітних опор зв’язано з підвищенням щільності магнітного потоку збудження, а значить, з підвищенням втрат на тертя та зменшення жорсткості та стійкості при підвищенні частоти обертання. У газомагнітній опорі, що об’єднує в одному зазорі функції зазору газомагнітного підшипника та зазору електричної машини, площа робочої поверхні опори дорівнює площі робочої поверхні ротору та значно перевищує площу робочої поверхні газової опори. Відповідно, несуча здібність газомагнітної опори значно перевищує несучу здібність газової опори, наближаючись за своєю величиною до несучої здібності підшипників кочення.
Кількість робочих зазорів у роторних механізмах з прецизійними опорами кочення складає як правило від 3 до 6 зазорів. Неспіввісність, яка з’являється внаслідок великої кількості зазорів, значно збільшує віброакустичну активність роторного механізму. Заміна опор кочення газовими або магнітними опорами не змінює конструктивної схеми роторного механізму та збільшує кількість робочих зазорів у зв’язку з необхідністю одночасного використання радіальних та осевих опор, що приводить до ускладнення конструкції.
Газомагнітний підвіс ротору здійснюється безпосередньо в робочому зазорі електричної машини, що дозволяє обмежити кількість робочих зазорів роторного механізму одним зазором, що об’єднує функції зазору безконтактної газомагнітної опори та зазору електричної машини. Така конструктивна схема не потребує співвісності зазорів опорних вузлів електричної машини, спрощує конструкцію роторного механізму та забезпечує його високу технологічність.
Надійність роторних механізмів з газомагнітними опорами майже на порядок перевищує надійність механізмів з газовими та магнітними опорами та майже на два порядки надійність опор на підшипниках кочення.
Порівняльний аналіз різних типів опор, який наведено вище, показує, що роторні системи з газомагнітними опорами, незначно поступаються механізмам з опорами кочення по несучій здібності, а по усім іншим параметрам перевершують високошвидкісні роторні системи з прецизійними опорами кочення, газовими та магнітними опорами. Це обумовлює добрі перспективи подальшого розвитку газомагнітних опор.
Підприємствами Ізраїлю, США, Німеччини, деякими підприємствами хімічної та електротехнічної промисловості України випускалися та випускаються синхронні гістерезисні ЕМ з газомагнітним підвісом, які мають дисковий та конічний ротор. Вони часто використовуються у текстильній промисловості (веретена, прядильні машини), хімічній промисловості (розпилювачі), медицині (апарати для створення штучної атмосфери соляних печер) західних держав та держав СНД. Найбільш розповсюдженими з них є ЕМ з конічним ротором. Це обумовлено високою стійкістю конічного ротору як в осевому так і в радіальному напрямку.
В теперішній час для контролю параметрів ЕМ з газомагнітним підвісом ротору використовуються традиційні пристрої, що не завжди забезпечує високу вірогідність контролю. Математичні моделі цих ЕМ не досліджені з точки зору визначення аналітичних виразів для контролю їх основних параметрів, не існують пристрої контролю, що враховують їх специфіку. Тому в якості об’єкту контролю доцільно обрати синхронну гістерезисну ЕМ з газомагнітним підвісом конічного ротору, як одну з найбільш розповсюджених високо оборотних ЕМ.
Високоточний контроль та вимірювання кутової швидкості має велике значення не тільки при випробуваннях ЕМ, а в багатьох випадках і під час їх роботи. Це стосується систем точних приводів, систем автоматики, у яких ЕМ є складовими компонентами, систем, у яких відбувається керування електроприводами. Складним завданням є високоточний контроль та вимірювання кутової швидкості у динамічному режимі, контроль та вимірювання залежності кутової швидкості від часу - швидкісних діаграм. Контроль кутової швидкості у динамічному режимі ускладнюється рядом причин :