Магнитни лагери и закачалки

Магнитни лагери и закачалки

Разработването на модели на магнитни окачвания и лагери беше насочено към изучаване на тяхното поведение в различни условия, определяне на насоки за подобряване на дизайна, както и разработване на принципа на активно управление: сензори за положение, електромагнитни задвижвания, електронни системи за управление. Първоначалната работа беше извършена в рамките на проекта за космическа платформа "Regata-Plasma" (SKB KP IKI RAS, Tarusa), продължаването на работата беше извършено със собствени сили и средства.

На фиг. 1 показва диаграма на най-простия магнитен лагер с пасивно радиално [9] и активно аксиално [1, 6] управление. За да се опрости максимално дизайна, пролуките между двойките аксиално магнетизирани и работещи на привличащи магнитни пръстени са избрани достатъчно големи (до 5 mm). За да се осигури затихване по радиалните координати, алуминиеви плочи с дебелина 3 mm се вкарват в процепа между пръстените (прикрепен към лагерния статор). Аксиалната твърдост се осигурява от магнитоелектрическо задвижване, което се състои от аксиално магнетизиран постоянен магнит, фиксиран върху оста на роторния лагер и поставен в двойка противоположно свързани намотки. Изчисляването на магнитоелектрическото задвижване може да се извърши с помощта на програмата M_Drive [3]. Контролът на позицията по аксиалната координата се осъществява с помощта на фотоелектричен сензор за положение [5], който се състои от непрозрачен затвор, от двете страни на който има два оптрона с отворен оптичен канал (LED - фотодиод). На фиг. 2 показва схематична диаграма на електронната част на фотосензора. Схематична диаграма на аксиалната система за управление на координатите е показана на фиг. 3. Включва две връзки - пропорционална и диференцираща, което позволява контрол и затихване по тази координата с чисто електронни средства.

Фигура: 1. Модел на най-простия магнитен лагер с пасивно радиално и активно аксиално управление: 1 - основа на статора (алуминий), 2 - постоянен магнит (самарий-кобалт, пръстен), 3 - амортисьорно уплътнение (алуминий), 4 - постоянен магнит (самарий -кобалт, пръстен), 5 - основа на ротора (алуминий), 6 - ос, 7 - LED, 8 - фотодиод, 9 - позиционен фотосензорен затвор, 10 - постоянен магнит на магнитоелектрическо задвижване (самарий-кобалт, пръстен), 11 - намотки на магнитоелектрическо задвижване.

Фигура: 2. Електрическата схематична схема на позиционния фотосензор на операционния усилвател KR140UD1408.

Фигура: 3. Електрическа принципна схема на системата за автоматично управление на магнитния лагер.

При работа с модел на най-простия магнитен лагер бяха разкрити следните недостатъци:

Високата нехомогенност на намагнитването на пръстените (по ъгловата координата) води до появата на голям спирачен момент по време на въртене и бие по оста.
Ниска радиална твърдост поради голям хлабина и недостатъчно амортизиране.
Голяма консумация на енергия за единица усилие по оста в резултат на магнитната отвореност на магнитоелектрическото задвижване и недостатъчно ефективна, следователно, използването на намотка.
Висока стойност на магнитната индукция на разсеяните полета.

За да се премахнат частично тези недостатъци, е проектиран магнитен лагер, показан на фиг. 4. Той съчетава агрегати за радиално и аксиално стабилизиране на лагера. Полето на бобината е затворено през стоманена сърцевина (клетка), което значително намалява разхода на енергия за единица аксиална сила. Освен това този дизайн свежда до минимум разсеяните полета. Като датчик за положение се използва капацитивен сензор [4, 11], който представлява диференциален кондензатор, свързан към веригата, показана на фиг. пет.

Фигура: 4. Модел на магнитен лагер с пасивно радиално и активно аксиално управление: 1 - основа на статора (алуминий), 2 - пръстен от постоянни магнити, 3 - хомот на статора (стомана), 4 - бобина за управление, 5 - хомот на ротора (стомана ), 6 - комутируем пръстен с постоянни магнити, 7 - основа на ротора (алуминий), 8 - ос, 9 - фиксирана плоча на диференциалния кондензатор на капацитивния сензор за положение, 10 - подвижна плоча на кондензатора.

Фигура: 5. Електрическа схематична схема на диференциален капацитивен сензор за положение [4, 11] на магнитен лагер.

При работа с този модел е установено недостатъчно пасивно затихване по радиалните координати, което води до появата на радиални вибрации. Начин за преодоляване на този недостатък: въвеждането на активна или пасивна амортизационна единица.

Вземайки предвид опита от работата с гореописаните оформления, е проектирано оформление на магнитен лагер с активен радиален [1, 6] и пасивен (за опростяване на дизайна) аксиален [9] контрол. Външният изглед на лагера е показан на фиг. 6, а диаграма на разрез на конструкцията е показана на фиг. 7.

Фигура: 6. Външен вид на оформлението на магнитния лагер с активен радиален и пасивен аксиален контрол.

Фигура: 7. Схема на конструкцията на модел на магнитен лагер с активен радиален и пасивен аксиален контрол в разрез: 1 - ос, 2 - статор с задвижващи намотки (стомана), 3 - дюза (бронз), 4 - феромагнитни пръстени, 5 - клетка на индуктивни датчици за положение, 6 - индуктивни датчици за положение, 7 - иго на статора (бронз), 8 - втулка (бронз), 9 - постоянни магнити (самарий-кобалт, пръстени).

Като радиални датчици за положение бяха използвани осем индуктивни датчика за положение [7]. Дизайнът на индуктивен сензор е показан на фиг. 8, а схемата на електронния преобразувател е показана на фиг. 9. Системата за автоматично управление е 4-канална, веригата на всеки канал е подобна на показаната на фиг. 3. Пасивното аксиално управление се основава на три пръстеновидни магнита, разположени по главната ос. Средният магнит е прикрепен към ротора, а външните към статора. Посоката на намагнитване е аксиална: за магнитите на статора - в една посока, за магнита на ротора - в обратна посока. Преместването на ротора по главната ос води до увеличаване на отблъскващата сила, която връща ротора в първоначалното му положение.

Фигура: 8. Дизайнът на индуктивния датчик за положението на ротора на магнитния лагер: 1 - намотка (100 оборота на PEV-2 0,05 mm), 2 - феритна сърцевина (половината от пръстена K7x4x2 600NN), 3 - феромагнитен ротор на магнитен лагер.

Фигура: 9. Схема на електронен преобразувател за индуктивен сензор за положението на ротора на магнитен лагер: на чип DA1 (KR140UD708) е сглобен генератор на синусоидален сигнал с честота около 20 kHz, на чип DA2 (KR140UD708) - детектор за променливо напрежение, взет от намотката на сензора L1.

В някои случаи е възможно да се откаже активен контрол, като се използва механична опора, която осигурява равновесие по съответната координата. На фиг. 10 показва оформление на подобно устройство, състоящо се от вал с два пасивни радиални магнитни лагера.

Фигура: 10. Модел на устройството с два пасивни радиални магнитни лагера.

Всеки от лагерите се състои от два постоянни магнита - външен пръстеновиден и вътрешен цилиндричен, аксиално магнетизиран [9]. За да се осигури аксиална стабилност на вала, се използва сферично съединение. Регулиращият винт може да се използва за регулиране на положението на магнитите един спрямо друг по такъв начин, че да се сведе до минимум натоварването върху опората и да се намали моментът на триене.

Магнетизирането на постоянни магнити, използвани в модели на магнитни лагери и окачвания, се извършва в инсталации за намагнитване [8, 10].

Връзки:

Аксиален лагер - осесиметричен лагер, който се противопоставя на надлъжни (аксиални) натоварвания.
Диференциален кондензатор - кондензатор, състоящ се от два кондензатора с променлива разлика в капацитета.
Магнитно окачване - поддържащо устройство за разтоварване, действащо чрез магнитно привличане или отблъскване.
Магнитен лагер - лагер, чийто принцип се основава на използването на сили на магнитно привличане или отблъскване.
Магнитоелектрическо задвижване - задвижване с постоянен магнит като работен елемент.
Лагер - възел, който свързва отделни структурни елементи и им осигурява определен брой степени на свобода един спрямо друг.
Радиален лагер - осесиметричен лагер, който се противопоставя на странични (радиални) натоварвания.
Електромагнитно задвижване - електромагнитно задвижване.