В настоящее время в некоторых специфических областях

В
настоящее
время
в
некоторых
специфических
областях
электропривода используются двигатели и генераторы с подвесом роторов в
активных магнитных подшипниках (АМП).
Работа АМП основана на принципе подвеса ферромагнитных тел в
управляемом магнитном поле.
Активный магнитный подшипник – это управляемое электромагнитное
устройство, которое удерживает вращающуюся часть машины (ротор) в
заданном положении относительно неподвижной части (статора). Магнитные
силы притяжения, действующие на ротор со стороны электромагнитов,
управляются с помощью электронной системы управления. Поэтому
конструктивно АМП состоит из двух основных частей:
- электромеханической части, или собственно подшипника;
- электронной системы управления.
Система управления
АМП
Датчики
положения
Усилитель
мощности
Задающий
сигнал +
Регулятор
-
+
-
Ротор
-
+
Усилитель
мощности
Электромагнит
Сигнал с датчика
Подшипник включает в себя ротор, подвешенный в магнитном поле,
закрепленные на статоре электромагниты и датчики положения ротора.
Механический
контакт
отсутствует. Смещения
между
ротором
и
ротора из заданного
неподвижным
положения
статором
равновесия
измеряются датчиками положения. Сигнал с датчиков обрабатывается
электронной системой управления таким образом, что магнитные силы
возвращают ротор в исходное положение. Электронная система управления
включает в себя регулятор и усилители мощности. Используя информацию,
поступающую с датчиков положения, эта система управляет положением
ротора путем изменения токов в электромагнитах. Соответствующий выбор
закона управления токами позволяет обеспечить устойчивое положение
ротора и его центровку в зазоре, а также получить желаемые значения
жесткости и демпфирования подвеса.
Такая система, естественно, дороже, чем с применением обычных
шарикоподшипников, однако она позволяет получить ряд неоспоримых
преимуществ: практически неограниченный ресурс; снижение расходов на
обслуживание; малый коэффициент трения; малая отдача теплоты в
окружающую среду; возможность работы на высоких скоростях, в вакууме,
при низких и высоких температурах, в условиях агрессивных сред, в
сверхчистых
технологиях;
возможность
создания
контролируемых
микроперемещений ротора в зазоре; возможность активного гашения
колебаний ротора; способность вращения ротора вокруг оси инерции
(самоцентрирование ротора) и отсутствие вибраций вследствие дисбаланса;
отсутствие шума; контроль нагрузок на подшипники, положения дисбаланса
ротора. Данные преимущества позволяют использовать их там, где
применение шарикоподшипников невозможно.
В конце 1980-ых была предложена новая концепция бесподшипниковых
электрических машин (БЭМ). Идея БЭМ состоит в том, чтобы объединить
электродвигатель и АМП. В этом случае в зазоре должно действовать такое
электромагнитное поле, при взаимодействии которого с ротором возникали
бы как вращающий момент, так и управляемые радиальные силы. Это
позволяет уменьшить длину ротора, что главным образом сказывается на
увеличении критических скоростей и расширении диапазона частот
вращения, а также улучшении массогабаритных показателей и удешевлению
по сравнению с АМП.
АМП
Электродвигатель
БЭМ
БЭМ
Осевой
АМП АМП
Осевой
АМП
Система управления БЭМ несколько сложнее чем у АМП. Это связано с
тем, что требуется создавать в одном модуле как силу для подвеса, так и
вращающий момент двигателя.
Бесподшипниковая машина состоит из электромеханической части и
системы управления. Электромеханическая часть включает в себя 2
одинаковых модуля бесподшипниковой машины (БМ1 и БМ2), в которых
создаются силы обеспечивающие подвес ротора и вращающий момент.
Осевой подшипник (ОП) обеспечивает удержание ротора по оси Z. Контроль
положения ротора осуществляется двумя датчиками радиального положения
(ДРП1 и ДРП2) и датчиком осевого положения (ДОП). Для управления
приводом машины необходимо знать угол поворота ротора φ, который
измеряет датчик угла (ДУ).
Силы подвеса пропорциональны токам в силовых блоках подвеса. Токи
в обмотках радиального подвеса задаются процессором DSP1, который
обрабатывает входные сигналы положения ротора Х1, Y1, Х2, Y2 посредством
ПИД - регулятора. Задающие сигналы Х*1, Y*1, Х*2, Y*2 поступают на
силовой блок управления (БУ) радиальным подвесом, где и происходит
формирование необходимых токов. Аналогично задаются токи в обмотках
осевого подвеса процессором DSP2. Регулирование токов в обмотках
привода осуществляется также процессором DSP2. Для этого на его входы
подаются сигналы с датчиков углового положения и датчиков тока. Для
индикации параметров служит ПК, связь с которым осуществляется через
COM порт.
Сферы применения БЭМ весьма широки:
В электроприводах шлифовальных и фрезерных шпинделей с частотой
вращения 30-120 тыс. об./мин. АМП позволяет обеспечить высокую
производительность и качество обработки. Использование бесконтактного
электропривода позволяет создавать компактные высокопроизводительные
турбокомпрессоры и турбовентиляторы с высоким ресурсом работы и
низким уровнем вибраций и шумов.
Применение магнитных подшипников в криогенной технике
обеспечивает повышение надежности работы и производительности
высокооборотных турбодетандеров в условиях низких температур и больших
перепадов давления.
Одним из важных элементов технологии энергосбережения являются
инерционные накопители энергии, имеющие рекордные удельные
характеристики по сравнению с электрохимическими, сверхпроводящими,
емкостными и другими накопителями. Малое энергопотребление и
способность работать в вакууме при высоких скоростях позволяют
использовать машины на магнитном подвесе в супермаховиках для
накопления кинетической энергии.
В текстильной промышленности актуальна проблема снижения уровня
шумов. Использование АМП в прядильных веретенах позволяет снизить
уровень шумов в прядильных цехах на 15 дБ.
В балансировочных станках необходимы очень точные подшипники. С
помощью АМП ось вращения ротора может стабилизироваться с точностью
до 0,5 мкм.
В больших турбинах важной проблемой является обеспечение перехода
ротора через критические резонансные частоты. Использование АМП
позволяет успешно демпфировать такие колебания.
Важным применением АМП из-за малого трения и отсутствия смазки
являются опоры подвижных частей в точных измерительных приборах,
гироскопах, роботах, испытательных стендах и т.д. При этом подвижная
часть, подвешенная в АМП, может совершать как вращательное, так и
поступательное рабочее движение.
Повышение частоты вращения в измельчающих агрегатах позволяет
получать продукцию (порошки, смеси) с особыми физическими свойствами.
АМП получили широкое внедрение в газовой промышленности зарубежных
стран и России.
Насосные станции на газовых магистралях зачастую располагаются в
местах, труднодоступных для проведения технического обслуживания
насосов (доставки и замены масла в подшипниках, замены изношенных
частей и т.д.). Замена традиционных подшипников качения или скольжения
на электромагнитные позволяет существенно увеличить ресурс работы.