АНАЛИЗ УСЛОВИЙ СТАТИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВАЛА В ГИБРИДНЫХ МАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКАХ

Вавилов В.Е.

Ассистент, Уфимский государственный авиационный технический университет

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ СТАТИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВАЛА В ГИБРИДНЫХ МАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКАХ

Аннотация

В статье произведен анализ условий статического равновесия вертикального вала магнитоэлектрического генератора на гибридных магнитных подшипниках (ГМП) с учетом осевых электромагнитных сил. Полученные результаты могут являться основой для разработки математического аппарата и методики проектирования ГМП в подобных устройствах.

Ключевые слова: гибридный магнитный подшипник; электромеханический преобразователь энергии с вертикальным валом; условия статического равновесия.

Vavilov V.E.

Assistant, Ufa State Aviation Technical University

ANALYSIS OF STATIC EQUILIBRIUM VERTICAL SHAFT IN A HYBRID MAGNETIC BEARINGS

Abstract

In the article the analysis of the conditions of static equilibrium of the vertical shaft magneto generator for hybrid magnetic bearings (HMB) with the axial electromagnetic forces. The results can be the basis for the development of mathematical tools and design techniques HMB in such devices.

Keywords: hybrid magnetic bearing; electromechanical energy converter with a vertical shaft, the conditions of static equilibrium.

Одним из достоинств гибридных магнитных подшипников, далее ГМП, перед прочими магнитными опорами является возможность обеспечения левитации ротора электромеханического преобразователя энергии (ЭМПЭ) в статическом режиме при отсутствии электрического питания системы управления ГМП, что в свою очередь приводит к снижению энергопотребления комплекса ЭМПЭ–ГМП.

В связи с этим задачей данной работы является определение условий статического равновесия ротора ЭМПЭ на ГМП. При решении поставленной задачи рассматривается высокоскоростной магнитоэлектрический генератор, в виду того, что применение ГМП в данном типе устройств наиболее перспективно [1]. Расположение вала выбрано вертикальным с целью минимизации радиальных усилий действующих на ГМП [2]. Расчетная схема ЭМПЭ на ГМП представлена на рисунке 1.

Рис.1. Рассчетная схема ЭМПЭ на ГМП

Баланс сил рассматриваемого ЭМПЭ в статическом режиме определяется в виде:

                                                          (1)

где – осевые составляющие силы первого и второго ГМП соответственно; – силы отталкивания осевых вспомогательных магнитных подшипников на постоянных магнитах (МППМ) соответственно; m – масса ротора ЭМПЭ; – осевые силы ЭМПЭ.

Осевые силы ЭМПЭ принимаются в следующем виде [3]:

                                            (2).

где  - магнитная проницаемость вакуума; - среднее значение воздушного зазора; - величина аксиального смещения; D- внешний диаметр ротора; - длина пакета статора.

Для анализа изменения осевой составляющей силы от изменения смещения автором были проведены численные расчеты по выражению (2) в пакете Mathcad 15, результаты представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость осевой составляющей силы от осевого смещения

Анализ зависимости, рисунок 2, показал, что изменение осевой составляющей силы ЭМПЭ имеет экстремум при определенной величине смещения, после чего происходит ее уменьшение. Другими словами для обеспечения статического равновесия необходимо минимизировать величину осевого смещения ротора, что может быть достигнуто минимизацией осевого зазора в дополнительных МППМ.

Анализируя расчетную схему, рисунок 1, можно прийти к следующему умозаключению, что условия статического равновесия вертикального ротора на ГМП при минимальных массогабаритных показателях последнего могут быть достигнуты только в том случае если осевая составляющая силы ЭМПЭ направлена противоположно силе тяжести. Другими словами при условии что:

                                                                       (3)

Причем разница между левой и правой частью неравенства (3) должна стремится к минимуму и не превышать 1–3%. Что может быть достигнуто установкой внутренних магнитных колец первого и второго ГМП с различным осевым смещением.

Таким образом, в результате проведенного теоретического определенны возможные условия статического равновесия электромеханических преобразователей энергии с вертикальным валом на гибридных магнитных подшипниках. Полученные результаты могут быть использованы на практике при проектировании преобразователей энергии с вертикальным валом на гибридных магнитных подшипниках, например гидрогенераторов.