АМП  —  БУДУЩЕЕ  МАШИНОСТРОЕНИЯ

Кужанбаев  Рустам  Тауфихович

студент  5  курса,  эксплуатации  авиационной  техники  СГАУ,  РФ,  г.  Самара

E-mail: 

Киселев  Денис  Юрьевич

научный  руководитель,  канд.  тех.  наук,  доцент  СГАУ,  РФ,  г.  Самара

Рассматриваются  способы  практического  применения  активных  магнитных  подшипников  (АМП)  в  различных  отраслях  промышленности.  Обосновывается  целесообразность  использования  АМП  вместо  традиционных  подшипниковых  узлов  в  таких  отраслях,  как  авиация,  энергетика,  высокоскоростное  машиностроение,  медицинская  техника,  станкостроение,  газотранспортный  сектор.  Приводится  сравнение  технических  характеристик  трех  видов  подшипниковых  узлов  —  АМП,  подшипники  качения,  подшипники  скольжения.

Введение

Активный  магнитный  подшипник  (АМП)  является  сложным  мехатронным  устройством,  позво­ляющим  осуществить  бесконтактный  подвес  рото­ра  электрической  машины  относительно  статора.  Достижение  устойчивого  положения  ротора  осу­ществляется  силами  магнитного  притяжения,  дей­ствующими  на  ротор  со  стороны  электромагнитов  [1].  Система  управления  АМП  формирует  ток  об­моток  электромагнитов  по  сигналам  датчиков  пе­ремещений  ротора  или  по  сигналам  датчиков  маг­нитного  потока.  Поэтому  система  магнитного  подвеса  ротора  включает  в  себя  как  сами  подшип­ники,  встроенные  в  корпус  машины,  так  и  элек­тронный  блок  управления,  усилители  мощности  и  датчики  положения  (потока).

Основными  преимуществами  АМП  являются  относительно  высокая  грузоподъемность,  высокая  механическая  прочность,  возможность  осуществ­ления  устойчивой  неконтактной  подвески  тела,  возможность  изменения  жесткости  и  демпфирова­ния  в  широких  пределах,  возможность  использо­вания  при  высоких  скоростях  вращения,  в  ваку­уме,  высоких  и  низких  температурах,  стерильных  технологиях  [2].

К  недостаткам  АМП  можно  отнести  высокую  стоимость  конечного  устройства  и  сложность  про­ектирования  и  реализации  системы  управления.

Классификация  систем  с  АМП

В  зарубежной  литературе  принята  следующая  классификация  систем,  где  применимы  АМП  [3].

Станкостроение

Основным  преимуществом  АМП  для  примене­ния  в  станкостроении  является  высокая  точность  и  высокая  скорость  вращения  при  относительно  высокой  грузоподъемности.  Основная  область  применения  —  фрезеровальные  станки  и  станки  точной  обработки  мелких  деталей.

Высокоскоростное  машиностроение

Основной  областью  применения  АМП  в  на­стоящее  время  является  высокоскоростное  маши­ностроение  —  от  небольших  турбомолекулярных  насосов  до  турбогенераторов  и  компрессоров  мощностью  десятки  МВт.  Преимуществом  АМП  для  данной  области  является  возможность  управ­ления  вибрациями,  демпфирования  упругих  коле­баний,  а  также  получение  четко  определенных  динамических  характеристик.  Другие  важные  осо­бенности,  которые  были  подтверждены  практиче­скими  исследованиями,  —  возможность  обеспече­ния  контроля  и  диагностики,  низкие  затраты  на  техническое  обслуживание,  а  также  низкое  по­треблением  энергии.  Благодаря  высокопроизводи­тельной  силовой  электронике  для  мощного  высо­коскоростного  машиностроения  применение  АМП  является  перспективным  и  обоснованным.  Также  в  настоящее  время  ведутся  исследования  возможно­сти  использования  АМП  в  авиационных  электри­ческих  машинах  в  качестве  тяговых  двигателей  или  генераторов  электрической  энергии  для  всех  электрических  самолетов.

Примеры  практического  использования  АМП

1.  Высокоскоростное  машиностроение  (турбомашиностроение)

Применение  АМП  в  области  высокоскоростно­го  машиностроения  в  настоящее  время  является  основой  многих  исследовательских  программ  по  всему  миру,  целью  которых  является  усовершен­ствование  характеристик  известных  решений  с  помощью  внедрения  технологии  АМП.

В  качестве  примера  таких  программ  можно  привести  программу  США  «Универсальный  дос­тупный  передовой  двигатель»  (Versatile  Affordable  Advanced  Engine,  VAATE)  [4].  Эта  программа  объ­единяет  практически  все  крупные  предприятия  машиностроения  США,  некоторые  рода  войск  и  Национальный  комитет  по  астронавтике  и  иссле­дованию  космического  пространства  (NASA).  Цель  программы  —  ежегодное  технологическое  усовершенствование  в  области  эксплуатации  и  технического  обслуживания,  а  также  1000  %-е  увеличение  эксплуатационных  показателей  к  2017  г.

Исследования  в  рамках  программы  VAATE  со­средоточены  в  трех  основных  областях:  универ­сальность,  применение  современных  технологий,  долговечность.

В  соответствии  с  целями  программы  примене­ние  АМП  может  быть  обосновано  для  организации  интегрированной  системы  мониторинга,  примене­ния  нелинейных  адаптивных  законов  управления,  создания  прочных  и  надежных  механических  кон­струкций.

Использование  АМП  в  качестве  подшипнико­вых  узлов  дает  возможность  уменьшить  вес  элек­трической  машины,  повысить  износостойкость,  обеспечить  возможность  работы  на  больших  вы­сотах,  позволяет  функционировать  без  системы  подачи  смазки  и  системы  охлаждения,  дает  воз­можность  размещения  в  горячем  секторе  двигате­ля,  повысить  отказоустойчивость,  осуществлять  управление  дисбалансом  вала,  обеспечить  дина­мическую  жесткость  и  высокие  демпфирующие  свойства  АМП.

При  проектировании  конструкции  высокоско­ростного  двигателя  или  генератора  важными  па­раметрами  при  выборе  подшипника  являются  мак­симальная  рабочая  температура,  рабочая  скорость  вращения,  грузоподъемность,  энергопотребление. 

Шарикоподшипники  наиболее  широко  приме­нимы,  т.  к.  они  хорошо  известны  и  обладают  большей  несущей  способностью.  К  сожалению,  шарикоподшипники  достигли  своего  технологиче­ского  предела  как  по  температуре,  так  и  по  допус­тимой  скорости  и  имеют  относительно  короткий  срок  службы  при  высоких  нагрузках.  Для  того  чтобы  двигатели,  работающие  при  высоких  тем­пературах,  обладали  бы  длительным  сроком  служ­бы,  они  в  конечном  итоге  должны  быть  оснащены  АМП  или  подшипниками  скольжения.  Однако  следует  учитывать,  что  АМП  и  подшипники  скольжения  имеют  различные  характеристики  по  грузоподъемности.  АМП  лучше  подходят  для  вы­сокоскоростных  электрических  машин,  работаю­щих  при  высоких  нагрузках  и  относительно  низ­ких  скоростях  (до  200  000  об./мин).

2.  Станкостроение

В  области  станкостроения  АМП  также  нашли  довольно  широкое  применение.  АМП  входят  в  состав  шлифовальных,  токарных,  фрезерных,  сверлильных  станков.  В  качестве  примера  можно  привести  микрофрезерные  станки  с  магнитными  опорами  [5].

При  проектировании  миниатюрных  устройств  учитывается,  что  для  достижения  требуемых  пока­зателей  эффективности  станков  необходимо  обес­печить  высокую  точность  вращения  и  малую  мас­су  ротора  [6].  Исходя  из  этого  применение  АМП  в  качестве  подшипниковых  узлов  микрофрезерных  станков  обосновано  следующими  причинами:

·     высокие  скорости  вращения  вследствие  от­сутствия  механического  контакта;

·     высокая  точность  позиционирования;

·     возможность  мониторинга  положения  шпин­деля  и  величины  магнитных  сил;

·     возможность  оценки  силы  резания  по  поло­жению  ротора  и  току  АМП  [7].

Классификация  АМП

Осевой  АМП

Осевой  АМП  состоит  из  двух  электромагнитов,  расположенных  с  разных  сторон  диска  (рис.  1).  При  определении  требуемой  величины  магнитной  силы  принимаются  следующие  допущения:

1.  отсутствие  потока  рассеяния;

2.  однородное  поле  в  зазоре;

3.  проницаемость  железа  бесконечно  велика.

Рисунок  1.  Структура  осевого  АМП  микрофрезерного  станка  (из  [5]).а  —  фронтальный  срез;  б  —  вид  в  плане

Радиальные  АМП

При  проектировании  радиальных  АМП,  приме­няемых  в  высокоскоростных  станках,  должны  быть  учтены  потери  в  электромагнитах.  Потери  в  АМП  вызваны  в  основном  гистерезисом  и  наличи­ем  вихревых  токов.  Потери  на  гистерезис  проис­ходят,  когда  материал  ротора  перемагничивается.

В  радиальных  АМП  (униполярного  типа)  по­люса,  расположенные  в  одной  плоскости,  имеют  одинаковую  полярность,  а  линии  магнитного  поля  от  потока  смещения  проходят  через  ротор  вдоль  осей,  как  показано  на  рис.  2.  Дополнительного  снижения  потерь  на  вихревые  токи  можно  добить­ся,  если  использовать  в  качестве  материала  ротора  материал  с  относительно  высоким  удельным  со­противлением.

Рисунок  2.  Структура  радиального  АМП  униполярного  типа  (из  [5])

Радиальные  АМП  (рис.  3)  используют  в  своей  работе  поток  смещения,  который  создается  посто­янными  магнитами.  Вследствие  низкой  магнитной  проницаемости  постоянных  магнитов  поток  сме­щения  отделен  от  потока  управления.  Использова­ние  постоянных  магнитов  в  конструкции  АМП  приводит  к  снижению  энергопотребления  и  тепло­выделения. 

Рисунок  3.  Принцип  работы  радиального  некомпланарного  АМП  (из  [5])

Датчики  положения

Конфигурация  радиального  АМП  позволяет  ус­тановить  датчики  положения  на  вертикальной  оси  между  полюсами  подшипника.  Таким  образом,  расположение  датчика  (точки  измерения)  и  испол­нительного  механизма  (точки  управления)  будут  совпадать.

Управление

Для  обеспечения  требуемого  качества  управле­ние  применяются  два  подхода.

Децентрализованное  управление.  Сигнал  положения  ротора  является  входным  сигналом  контроллера,  а  сигнал  тока  для  того  же  АМП  —  выходным  сигналом.  ПД-регулятор  (рис.  4)  ста­билизирует  изначально  неустойчивый  объект,  что  дает  возможность  для  идентификации  и  дальней­шей  настройки  системы.

Рисунок  4.  Введение  децентрализованного  управления

Модальное  управление  с  компенсацией  от­рицательной  токовой  жесткости.  Применение  де­централизованного  управления  при  работе  с  М1МО-объектами  не  во  всех  режимах  работы  дает  требуемое  качество  управления.  Для  корректного  управления  режимами,  когда  на  определенных  скоростях  вращения  возбуждаются  собственные  колебания,  необходима  реализация  модального  управления.  Для  компенсации  отрицательной  то­ковой  жесткости  необходимо  умножить  сигнал  положения  ротора  на  величину  отрицательной  же­сткости  (рис.  5).  Расположение  датчика  и  АМП  в  одной  точке  значительно  упрощает  компенса­цию  и  повышает  ее  эффективность.  После  введе­ния  указанной  компенсации  для  системы  может  быть  синтезирован  ПИД-регулятор.

Рисунок  5.  Введение  модального  управления  с  компенсацией  отрицательной  токовой  жесткости

Заключение

Приведенные  в  данном  обзоре  примеры  прак­тического  использования  систем  с  активными  магнитными  подшипниками  не  ограничивают  об­ласти  их  применения.  С  каждым  годом  появляют­ся  новые  приложения  данной  технологии,  исполь­зующие  уникальные  преимущества  АМП  в  срав­нении  с  другими  подшипниковыми  узлами.  Пред­ставленные  примеры  показывают,  что  АМП  при­менимы  практически  для  любой  отрасли  и  могут

со  временем  вытеснить  традиционные  решения  в  определенных  областях.  Во  всем  мире  различны­ми  исследовательскими  группами  ведутся  разра­ботки  современных  систем  АМП,  направленные  на  усовершенствование  как  их  конструкции  и  ха­рактеристик,  так  и  систем  автоматического  управ­ления,  реализующих  точное  и  надежное  управле­ние.

Список  литературы :

1.Журавлев  Ю.Н.  Активные  магнитные  подшипники:  теория,  расчет,  применение.  СПб.:  Политехника,  2003.  —  С.  22—30.

2.Bleuler  H.  Magnetic  levitation:  a  challenge  for  control  design  in  mechatronics  //  Toshiba  Chair  for  Intelligent  Mechatronics.  —  2011.  —  V.  44,  —  №  12.  —  P.  578—583.

3.Schweitzer  G.,  Maslen  E.H.  Magnetic  bearings.  theory,  design,  and  applicationto  rotating  machinery.  Berlin,  Heidelberg:  Springer-Verlag,  2009.  —  P.  1—24.

4.Clark  D.J.,  Jansen  M.J.,  Montague  G.T.  An  overview  of  magnetic  bearing  technology  for  gas  turbine  en­gines.  NASA/TM—2004-213177.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  (http://archive.org/details/nasa_techdoc_20040110826)

5.Kimman  M.H.,  Langen  H.H.,  Munnig  Schmidt  R.H.  A  miniature  milling  spindle  with  active  magnetic  bear­ings  //  Mechatronics.  —  2010.  —  V.  20,  —  №  2.  —  P.  224—235.

6.Chae  J.,  Park  S.S.,  Freiheit  T.  Investigation  of  micro-  cutting  operations  //  Int.  J.  Machine  Tools  and  Manuf.  —  2006.  —  V.  46,  —  №  3—4.  —  P.  313—332.

7.Blom  R.S.,  van  den  Hof  P.M.J.  Estimating  cutting  forces  in  micromilling  by  input  estimation  from  closed-  loop  data  //  Proc.  17th  IFAC  World  Congress,  Seoul,  Korea,  July  6—11,  2008.  —  P.  468—473.