ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАГНИТНЫХ МУФТ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ МАШИН

При заданных Q и Н более быстроходные турбомеханизмы имеют меньшие собственные размеры и размеры двигателя, что экономически выгод­ но. Расширение диапазона частоты вращения герметичных насосов и компрес­ соров в сочетании с хорошими регулировочными возможностями связано с применением различных типов вентильных двигателей, в том числе и наиболее распространенных частотно управляемых асинхронных двигателей (ПЧ-АД).

Требуемая мощность турбомеханизма и скорость вращения рабочего ко­ леса позволяют определить момент Мн, который должна передавать магнитная муфта через герметичную перегородку

где пп — номинальная скорость вращения рабочего колеса (об/мин).

Другим важным фактором, влияющим на размеры муфты, является гер­

метичный экран. Герметизирующую оболочку (экран) можно рассматривать как тонкостенный сосуд, если толщина стенки не превосходит одной десятой

минимального радиуса кривизны стенки. Расчеты, основанные на этом допу­ щении, хорошо подтверждаются опытами [81]. В реальных технических уст­ ройствах принятое допущение выполняется практически всегда, а толщину эк­ рана можно оценить по следующей формуле:

где 5Э — толщина экрана, м; г — внутренний радиус оболочки, м;

Р— давление внутри экрана, Па;

[а]— допустимое напряжение материала оболочки, Па.

На практике расчетная толщина экрана 5Э часто получается малой, по­ этому приходится учитывать возможность внешних механических поврежде­ ний, а также технологические особенности изготовления экрана. В результате оказывается, что не следует выбирать 5Э < 0,5 мм для сталей и 5Э < 1 мм для пла­ стмасс и керамики [81].

141

Полный немагнитный зазор между магнитами полумуфт складывается

из толщины экрана 5Э, двух технологических зазоров 8Т, обеспечивающих вра­

Величина 8Н получается сравнительно большой (5Н > 3 мм), что требует применения высококоэрцитивных постоянных магнитов.

Эти постоянные магниты не размагничиваются при возможных пере­ грузках и имеют линейную характеристику размагничивания В (Н). Используя это свойство и пренебрегая магнитным сопротивлением стали, получаем при­ ближенное значение индукции в немагнитном зазоре

где Bsm — максимальное значение индукции в зазоре 5Н; Нс — коэрцитивная сила постоянного магнита, А/м; Вг — остаточная индукция постоянного магнита, Тл;

LM — полная высота постоянных магнитов полумуфт по средней силовой линии, м;

5„— полный немагнитный зазор, м.

Существует оптимальное соотношение между высотой постоянных маг­ нитов hm и величиной немагнитного зазора 8Н (раздел 2.3.2), при котором энер­ гия магнитного поля, создаваемого магнитом, достигает максимального значе­ ния

Выполненные исследования показывают, что оптимальное значение Xi

находится в диапазоне 0,32 - 0,29. Кроме этого, существует еще одно опти­ мальное соотношение А,2, находящееся в диапазоне 0,25 - 0,28:

142

Значение %i непосредственно связано с числом полюсов муфты (2р) че­

рез величину полюсного деления т и коэффициентом полюсного перекрытия а:

где Вср — среднее значение индукции в воздушном зазоре, Тл; Вшах — максимальное значение индукции в воздушном зазоре на среднем

диаметре муфты D, Тл;

b — величина дуги постоянного магнита (в явнополюсных магнитных сис­

Главной задачей в методике расчета магнитных муфт является установ­

ление связи между геометрическими размерами муфты и моментом, который она может передавать в зависимости от свойств постоянных магнитов. Для ин­ женерной методики расчета, применяемой на первом этапе проектирования, желательно иметь простую аналитическую зависимость, связывающую основ­ ные параметры муфты. В общем случае момент, передаваемый муфтой, равен производной от энергии магнитного поля по углу поворота. Полезная энергия магнитов (Ws), сосредоточенная в рабочем зазоре [54]:

где Bg — распределение индукции магнитного поля по объему воздушного за­ зора V.

Зная распределение индукции в немагнитном (рабочем) зазоре муфты В (у), можно определить изменение энергии W§ (у):

143

где R - радиус средней окружности рабочего зазора;

8Н — немагнитный зазор между полумуфтами; / — активная длина радиальной муфты; р — число пар полюсов муфты.

Продифференцировав магнитную энергию по углу поворота, найдём

внешней (9ЭЛ = р • 6'); 9' — пространственный угол поворота.

Уравнение (4.15) неудобно для практического применения и может быть

где Bgm — максимальное значение индукции в центре воздушного зазора при холостом ходе муфты.

Целесообразно перейти от максимального значения индукции (Bgm) к среднему значению (BgCp) и магнитному потоку, замыкающемуся между полюса­ ми полумуфт в режиме холостого хода (угол рассогласования полумуфт 6 = 0°).

144

Следует заметить, что такой подход к определению момента, передаваемо­ го муфтой [54], приемлем в случае, когда практически вся магнитная энергия со­ средоточена в воздушном зазоре устройства, кроме этого, как показывают расчёты приемлемый по точности результат получается при условии обеспечения в маг­ нитной системе максимальной энергии постоянного магнита, т.е. при значениях %х и %2 близких к оптимальным. Во всех остальных случаях уравнения 4.15-4.18 требуют введения поправочных коэффициентов к! и к2, которые зависят от A-i и Х2 и получены на основе аппроксимации зависимостей M(Xi) и М(А,2) рассчитанных численным методом (программа ANSYS, раздел 2.3).

Таким образом, уравнение 4.18 приобретает следующий вид

Полученные уравнения позволяют определить главные размеры муфты при заданном номинальном угле нагрузки 0Н. По аналогии с синхронными маши­ нами [54] можно ввести коэффициент перегрузочной способности муфты

М1

Мн sm0H

Коэффициент кп рекомендуется выбирать не менее 1,6 [54], что соответст­ вует углу нагрузки Эн = 20 — 35°. При этом обеспечивается гарантия устойчивой работы устройства. Более точно этот коэффициент может быть определён при ис­ следовании различных динамических режимов работы, возникающих в конкрет­ ных турбомашинах [40].

Таким образом, получаем:

р1 = 2 ф 0 - а - М и - к п ' к г к 2 ^

где Мн - номинальный момент, необходимый для передачи вращения через герметичную перегородку, Н-м.

В каждом конкретном случае соотношение между главными размерами муфты (А, = 1 / D) определяется в соответствии с особенностями проектируемого турбомеханизма. При этом необходимо учитывать как размеры двигателя, при-

145

водящего муфту во вращение, так и требования стандартов к её составным час­ тям. В свою очередь величина воздушного зазора 5Н позволяет определить раз­ меры магнитов полумуфт и число полюсов по оптимальным соотношениям Xi и

А-2-

Всё это необходимо для ориентировочного определения главных разме­ ров муфты в зависимости от величины передаваемого момента и характеристик постоянного магнита.

Целесообразность предварительного определения геометрических раз­ меров подтверждается необходимостью корректировки в соответствии с нор­ мальными рядами чисел, существующими стандартами, особенностями турбомеханизмов и т. п.

Следовательно, в процессе проектирования необходим поверочный рас­ чёт, который и устраняет все погрешности, связанные с упрощающими допу­ щениями, и позволяет получить при проектировании более достоверный ре­ зультат.

4.2. Применение результатов исследований для оценки магнитных муфт существующих конструкций

4.2.1. Магнитная муфта MS04OR20

Данная муфта разработана на ЗАО «Гидрогаз» (г. Воронеж) и может быть использована для оценки предлагаемой методики расчёта и сравнительно­ го анализа возможных перспективных конструкций магнитных муфт. Рассмат­ риваемая конструкция (рис. 4.1) построена на использовании анизотропных по­ стоянных магнитов одинаковой формы, марки Н247/1.13/836/1353.

Экспериментальные данные в виде угловой характеристики (рис. 4.1 — 4.4, табл. 4.1, 4.2), предоставленные ЗАО «Гидрогаз», показывают, что погреш­ ность определения максимального момента, передаваемого муфтой, составляет 8 % при аналитическом расчёте и 3 % при расчёте методом конечных элемен­ тов (программа ANSYS).

146

Таблица 4.1 Соотношение геометрических размеров муфты MS04OR20

Таблица 4.2

Магнитный поток и момент муфты MS04OR20

(при а = 0°)

Момент, переда­ ваемый муфтой ПО 99,3 102

Мт а х , Н-м

149