ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАГНИТНЫХ МУФТ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ МАШИН

Воронежский государственный технический университет

На правах рукописи

№-200.9 07435-

ПИСАРЕВСКИЙ Александр Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАГНИТНЫХ МУФТ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ МАШИН

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор К. Е. Кононенко

Воронеж - 2008

1

3

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Важной проблемой в современном машинострое­ нии является создание оборудования, способного работать с высокой произво­ дительностью и без ремонтов длительное время в условиях автоматизирован­ ного производства, исключающего постоянное присутствие человека.

Повышение безопасности технологических процессов, связанных с ис­ пользованием особо опасных сред, требует применения герметичных машин и аппаратов. Самыми распространенными герметичными машинами в атомной, химической, биологической и других отраслях промышленности являются на­ сосы и компрессоры. Существуют различные конструктивные решения про­ блемы обеспечения герметичности уплотнений по валопроводу данных турбомеханизмов, однако наиболее эффективным является применение герметичных экранов, обеспечивающих полную изоляцию перемещаемой среды от внешнего пространства. Возможно использование двух вариантов электромеханических устройств, экранированных электродвигателей и магнитных муфт. .

Применение магнитных муфт позволяет получить качественно новое устройство по условиям обеспечения герметичности без существенных конст­ руктивных изменений электродвигателя и турбомеханизма. Область использо­ вания магнитных муфт стала значительно шире благодаря применению новых высококоэрцитивных постоянных магнитов на основе композиции Nd-Fe-B, производство которых успешно осваивает отечественная промышленность. По­ этому турбомеханизмы с магнитной муфтой появились позже машин со встро­ енным экранированным электродвигателем.

В настоящее время диапазон применяемости магнитных муфт по темпе­ ратуре, давлению среды и стойкости к механическому воздействию постоянно увеличивается. Необходимость в разработке новых прогрессивных конструкций магнитных муфт в первую очередь связана с появлением новых материалов по­ стоянных магнитов, в частности изотропных магнитопластов, позволяющих оп­ тимизировать структуру поля намагниченности. Особый интерес промышлен­ ности к этому типу устройств подчеркивается многочисленностью организаций Российской Федерации, занимающихся разработкой и изготовлением магнит-

4

ных муфт, таких, как ВНИИТВЧ (г. Санкт-Петербург), ЛМИ (г. Санкт-Петер­ бург), МЭИ (г. Москва), МАИ (г. Москва), СЗПИ (г. Санкт-Петербург), ВНИИ нефтехим (г. Москва), СвердНИИхиммаш (г. Екатеринбург) [40].

Удовлетворение возросшей потребности промышленности нашей стра­ ны в более совершенных конструкциях магнитных муфт непосредственно свя­ зано с разработкой новых методик проектирования этих устройств, которые по­ зволяют значительно сократить этап макетирования в процессе эксперимен­ тальной отработки вновь создаваемых конструкций в условиях применения но­ вых материалов постоянных магнитов. Наряду с необходимостью повышения точности расчета возникает задача максимального использования активных ма­ териалов, снижения металлоемкости и трудоемкости изготовления конструкций магнитных муфт [9, 38].

На основании изложенного, исследования, проводимые в диссертацион­ ной работе, направлены на создание теоретических предпосылок уточненных методик проектирования высокоэффективных устройств для передачи момента вращения через герметичную перегородку (экран).

Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с одним из основных научных направлений ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" «Исследование и развитие методов проектирования и моделирования электромеханических систем» (ГБ НИР №2005.3).

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является ис­ следование и разработка магнитных муфт, позволяющих осуществлять переда­ чу момента вращения через герметичную перегородку и выполненных на осно­ ве современных материалов (магнитопластов с заданной структурой поля на­ магниченности или на основе анизотропных однородно-намагниченных посто­ янных магнитов). Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ современного состояния вопроса и выбрать методы теоретических и экспериментальных исследований;

2) на основе моделирования магнитного поля различных радиальных муфт получить их силовые характеристики для оценки эффективности конст­ рукции и динамики работы турбоагрегата;

5

3)установить критерии оценки конструкций магнитных муфт, выбрать наиболее рациональные технические решения и определить оптимальные соот­ ношения геометрических и физических параметров соответствующих магнит­ ных систем;

4)разработать уточнённую методику расчёта радиальных .магнитных

муфт;

5)выработать рекомендации к выбору конструкций магнитных муфт по условиям пуска электропривода турбомеханизма.

Объектом исследования является процесс передачи момента вращения через герметичную перегородку посредством магнитных муфт.

Предметом исследования являются синхронные муфты радиальной кон­ струкции с высококоэрцитивными постоянными магнитами.

Методологическую и теоретическую основу исследования составили научные труды российских ученых: Е. А. Николаева, В. С. Замараева, Л. Н. Сухоросова, А. Я. Красильникова, В. В. Добротворского, Н. П. Черноусова, А. Н. Кутинина, В. Ф. Федорова, В. В. Буренина, Д. Т. Гаевик, В. П. Дробова,,В. В. Ивано­ ва, С. Р. Мизюрина, М. А. Ермилова, Т. А. Щетинина.

Методы исследования. Результаты, полученные в диссертации, осно­ вываются на теории электрических машин, теории электромагнитного поля, теории математического анализа, включая векторный анализ, теории вычисли­ тельной математики и математического моделирования.

Научная новизна исследований. В результате выполнения работы по­ лучены следующие новые научные результаты:

—на основе численного анализа магнитного поля различных вариантов магнитных систем установлены наиболее рациональные конструкции магнит­ ных муфт, которые могут быть реализованы в рамках существующего произ­ водства;

—доказано, что применение концентраторов магнитного потока в конст­ рукции магнитной системы не приводит к улучшению массогабаритных пока­ зателей муфт;

—определено, что угловые характеристики активных магнитных муфт без концентраторов магнитного потока могут быть аппроксимированы сину-

6

соидальной функцией (корреляционное отношение R2 не менее 0,96) независи­ мо от формы полюсов их числа и марки материала постоянного магнита;

- предложена методика определения оптимальных геометрических со­ отношений между величиной немагнитного зазора и высотой постоянных маг­ нитов, между величиной немагнитного зазора и длиной полюсной дуги актив­ ных магнитных муфт, по которым рассчитываются главные размеры устройст­ ва;

—создана математическая модель синхронной магнитной муфты с кри­ волинейным (циркулярным) намагничиванием постоянных магнитов, основан­ ная на аналитическом расчете магнитного поля в активной зоне, и на этой осно­ ве разработана методика расчёта магнитных муфт, не требующих магнитопроводов;

—определены критерии обеспечения надежного пуска турбоагрегата с двумя магнитными муфтами на основе математической модели, учитывающей влияние электромагнитных процессов в двигателе;

-разработана уточненная методика проектирования магнитных муфт, включающая выбор параметров оптимизации, ограничений и критериев опти­ мальности в зависимости от назначения, условий применения и параметров турбомеханизма.

Практическая значимость работы. Предложенная методика проекти­ рования магнитных муфт обеспечивает более высокую точность расчета мо­ мента, передаваемого муфтой. Методика включает математическое моделиро­ вание магнитного поля выбранной магнитной системы с определением статиче­ ской угловой характеристики устройства. Полученная характеристика позволя­ ет реализовать математическую модель для оценки переходных процессов электропривода при пуске и изменении нагрузки турбомеханизма. Показано, что в условиях прямого не регулируемого пуска турбомеханизма, надёжная синхронизация полумуфт зависит не только от соотношения их моментов инер­ ции, но и числа пар полюсов, уменьшение которых улучшает условия пуска.

Результаты, полученные в работе, расширяют возможности оптимально­ го проектирования уже имеющихся и перспективных магнитных муфт. Вслед­ ствие выполненного анализа различных магнитных систем предложены крите-

7

рии выбора конструкций магнитных муфт. Даны рекомендации по выбору главных геометрических размеров, числа полюсов, размеров магнитов и мате­ риала, из которого они должны быть изготовлены.

Математическая модель магнитной муфты с циркулярным намагничива­ нием дает возможность более точного анализа подобных магнитных систем и дополняет существующие методики проектирования в области создания пер­ спективных конструкций, не требующих магнитопроводов, что открывает но­ вые области применения этих устройств в практике машиностроения.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, получен­ ные в работе, внедрены на таких предприятиях, как ОАО «Агроэлектромаш» и ЗАО «Гидрогаз». Результаты исследований могут быть использованы предпри­ ятиями, занимающимися разработкой и изготовлением герметичных машин, такими, как «Научно-исследовательский институт механотронных технологий — Альфа - Научный центр» (г. Воронеж), ЗАО «Турбонасос» (г. Воронеж).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика аналитического расчёта магнитного поля муфты с криволи­ нейным (циркулярным) намагничиванием изотропных постоянных магнитов (Nd-Fe-B) полумуфт, обеспечивающая точность расчёта максимального момен­ та с погрешностью 6 - 8 % и позволяющая с высокой эффективностью выпол­ нять оптимизацию магнитной муфты на основе аналитических выражений.

2.Методика выбора наиболее рациональных конструкций магнитных муфт в зависимости от формы постоянных магнитов и конфигурации магнит­ ной системы на основе численного моделирования магнитного поля (метод ко­ нечных элементов), позволяющего определить зависимость передаваемого мо­ мента вращения от угла рассогласования полумуфт или вид угловой характери­ стики (по аналогии с синхронными электрическими машинами), которая явля­ ется ключевым звеном математической модели для описания динамики работы электропривода турбомеханизма.

3.Методика определения оптимальных соотношений геометрических и физических параметров магнитных муфт по условию максимального использо­ вания активных материалов.

4.Методика определения критического числа полюсов полумуфт по ус-

8

ловию надёжного пуска турбомеханизма при прямом включении в сеть различ­ ных типов электродвигателей.

5. Уточненная методика проектирования магнитных муфт для герметич­ ных турбомеханизмов, включающая три составные части:

-первая аналитическая, служащая для ориентировочного определения конструкции, геометрических размеров муфты и выбора активных материалов;

-вторая, предназначена для уточнения размеров и параметров муфт на основе численных методов расчёта, а также для определения угловой характе­ ристики магнитной муфты;

-третья часть — это поверочный расчёт устройства с оценкой динами­ ки работы электропривода турбомеханизма.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы об­ суждались и были одобрены на семинарах кафедры электромеханических сис­ тем и электроснабжения ГОУВПО «Воронежский государственный техниче­ ский университет» (2005 - 2007), ежегодных научных конференциях профес­ сорско-преподавательского состава ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (2005 - 2007), Всероссийской научной конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2007), международных научных конференциях «Вы­ сокие технологии энергосбережения» (Воронеж, 2007), «Компьютерные техно­ логии в технике и экономике» (Воронеж, 2007) «Материалы с особыми физиче­ скими свойствами и магнитные системы» (Суздаль, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликован­ ных в соавторстве и приведённых в конце работы, лично соискателю принад­ лежат:

Личный вклад автора: [63, 64] - постановка целей и задач исследований, [61, 62] - результаты исследований на математической модели, [72, 65] - разра­ ботка теоретических моделей и их экспериментальное подтверждение, [35] - разработка теоретической модели электромеханического переходного процесса в машинах постоянного тока.

9

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 177 страницах, списка литературы из 104 на­ именований и шести приложений; содержит 97 рисунков и 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель ра­ боты, отмечены научная новизна и практическая ценность результатов прове­ денных исследований, дана краткая аннотация диссертации.

В первой главе представлены общие сведения об электромагнитных устройствах для бесконтактной передачи момента вращения через герметичную перегородку. Рассмотрены основные конструкции герметичных насосов, указа­ ны их преимущества и недостатки. Отмечены особенности герметичных конст­ рукций с магнитными муфтами и представлены основные типы постоянных магнитов, использующиеся в магнитных системах этих устройств. Дана клас­ сификация существующих магнитных систем муфт с постоянными магнитами. Рассмотрены основные методы магнитостатического расчета, использующиеся при проектировании систем с постоянными магнитами. Сформированы задачи исследования.

Во второй главе выполнен анализ магнитного поля возможных конст­ рукций магнитных муфт как на основе аналитических методов, так и на основе численных методов. Получены их угловые характеристики и даны сравнитель­ ные показатели.

Для оценки магнитных систем введены следующие критерии: коэффи­ циент заполнения активного объема муфты постоянным магнитом (К3); коэф­ фициент неоднородности магнитного поля постоянного магнита (Кн), энергети­ ческий коэффициент постоянного магнита (Кэ), показатель запаса энергии, пе­ редаваемой постоянным магнитом в рабочий объем муфты (ni), показатели удельного момента, передаваемого муфтой (пг — отношение максимального мо­ мента к массе постоянных магнитов, п3 — отношение максимального момента к объему воздушного зазора).

Выбраны перспективные магнитные системы, имеющие наилучшую со-

10