ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УГАТУ
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ МОДЕЛЛИРУЮЩИХ СИСТЕМ ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ ГИБРИДНЫХ МАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ
Уфимский государственный авиационный технический университет
Выполнили: аспиранты кафедры Электромеханика Вавилов В.Е., Охотников М.В.
Научный руководитель: д.т.н. профессор Хайруллин И.Х
Ключевые слова подшипники; бесконтактные магнитные подшипниковые опоры; отсутствие смазочных
материалов и трения; устойчивость к температуре окружающей среды; диагностика без установки дополнительных датчиков; высокоскоростное станкостроение;
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УГАТУ
Цель – разработка компьютерной модели, энергоэффективного, подшипникового узла устойчивого к температурным воздействиям окружающей среды, повышенной надежности и экологичности, с возможностью дистанционного управления и контроля технического состояния. Актуальность – 25% энергии используемой в мире, теряется за счет трения. По оценке Министерства энергетики США только в США годовая экономия энергоресурсов при снижении коэффициента трения до 0,005 составит около 100 млрд.$ в год. По данным Европейской комиссии затраты связанные с трением в Европе составляют 350 млрд. евро в год.
-В Российской Федерации износ основных фондов в промышленности и энергетики достигает 60%.
-На ремонте оборудования занято 30% общего числа рабочих и такая же часть станочного парка.
-Российские предприятия ежегодно теряют до 50% объемов заказов из-за присутствия на рынке иностранных производителей
-Российские предприятия не имеют возможности выхода на зарубежные рынки из-за несоответствия экологическим стандартам
Таким образом разработка бесконтактной подшипниковой опоры является актуальной задачей и требует рационального технического решения.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УГАТУ
Компьютерное моделлирование трехмерного электромагнитного поля и электромеханических процессов в гибридном магнитном подшипнике
Компьютерное моделирование производилось методом конечных элементов, посредством программного комплекса Ansys. Решалась объемная задача анализа трехмерного магнитного поля на модели МП, состоящий из кольцевых постоянных магнитов установленных на роторе и цапфе
Модель представляет собой поперечное сечение магнитопровода с концентрическими зонами, характеризующимися различной магнитной проницаемостью и удельным электрическим сопротивлением. Введено сгущение сетки в области воздушного зазора.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УГАТУ
Допущения и граничные условия при моделировании
•ГМП рассматривается в определенный момент времени в установившемся режиме, то есть в данный момент времени он считается неподвижным
•Рассматривается только поле постоянных магнитов, поле системы управления не учитывается
•Рассматривается нормальный температурный режим, 22С
Граничные условия Дирихле |
|
|
|
T H |
|
|
|
|
T |
|
|
||
Fs |
|
B |
|
s |
dV |
|
( |
|
B |
|
H ) |
dV |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
||||
M f1(x, y, z) |
|
V |
|
|
V |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Граничные условия Неймана
M f2 (x, y, z)
n
Граничные условия третьего рода
M f3 ( M ) f4 (x, y, z)
n
где - сила в элементе в направлении s; -производная от напряженности поля по перемещению; s-виртуальные перемещения узлов, взятые поочередно в направлениях осей координат; V-объем конечного элемента.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ |
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО |
|
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ |
УГАТУ |
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ |
Результаты моделирования
. Спектр распределения силового магнитного подшипника, радиус 30 мм, воздушный зазор 1 мм, осевая длина 45 мм.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УГАТУ
Картина поля магнитного подшипника (слева) и спектр распределения магнитной индукции (справа) магнитного подшипника, радиус 30 мм, воздушный зазор 1 мм, осевая длина 45 мм.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УГАТУ
Сила,Н
300
250
200
150
100
50
00
Сила,Н
38H
38SH
35UH
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
|
|
|
Двойная толщ ина,мм |
|
|
|
|
|
6
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
00 |
0.5 |
1 |
1.5 |
2 |
2.5 |
3 |
3.5 |
4 |
|
|
|
Отнош ение 2l/d |
|
|
|
||
Паразитная сила,Н
22
20
18
16
14
12
10
8
6
40 |
|
0.5 |
1 |
1.5 |
2 |
2.5 |
3 |
3.5 |
4 |
|
|
|
|
Воздуш ный зазор, мм |
|
|
|
||
|
45 |
|
38H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
40 |
|
38SH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
35UH |
|
|
|
|
|
|
|
35 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
,Н |
25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сила |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
10 |
20 |
30 |
|
40 |
50 |
|
|
|
|
|
Двойная толщ ина, |
мм |
|
|
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УГАТУ
Экспериментальная верификация результатов моделирования
Технические характеристики |
Испытатель |
|
ный стенд |
|
осевого |
|
МППМ |
Предел измерения силы, Н |
500 |
Предел измерения смещения, мм: |
10 |
– в осевом направлении; |
|
Габаритный размер, мм |
не более |
|
400 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УГАТУ
Зависимость силы в рабочем зазоре МППМ от величины |
Зависимость жесткости МППМ от величины |
воздушного зазора (сверху) погрешность интерполяции |
воздушного зазора (сверху) погрешность |
(снизу) |
интерполяции (снизу) |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УГАТУ
1.В направлении оси z перемещения отсутствуют;
2.Магнитная цепь не насыщенна; 3.Конструкционное допущение: электромагнит 1
срабатывает только при положительном смещении в направлении оси y, электромагнит 2 только при отрицательном смещении в направлении оси y, электромагнит 3 только при положительном смещении в направлении оси x, электромагнит 4 только при отрицательном смещении в направлении оси x.
4. Угловые перемещения системы отсутствуют 5.Радиусы кривизны колец значительно больше
зазора.
|
|
|
|
mp2y F |
Q |
y |
F |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
my |
|
|
|
|
|
|
|
pmy |
|
|
|
|
|
||||
4 CL kL1y pi1 U |
CLi1 |
kp1y kp2 y py ri1 |
||||||||||||||||||||||||
2 |
||||||||||||||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
4 CL kL2 y pi2 U |
CLi2 |
kp3 y kp1y py ri2 |
||||||||||||||||||||||||
2 |
||||||||||||||||||||||||||
δ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2δ0 |
|
|
|
|
|
|
(1 c1 ) |
|||||||||
|
|
|
2Br |
2 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||||||
F |
|
|
L |
|
( (( |
|
|
|
|
|
arctg |
|
b |
|
|
)) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
pmy |
|
μ0 |
|
πc1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
2 |
|
|
c |
2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 1 |
|
|
1 |
1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с1 |
1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
( |
|
|
2 |
|
arctg |
( b |
)) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
c 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
c 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
b2 |
|
|
|
|
|
|
|
b2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4 CL kL2 y pi2 |
U |
|
|
CLi2 |
kp3 y kp1y |
py ri2 |
||||||||||||||||||||
|
|
2 |
||||||||||||||||||||||||
|
|
δ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2δ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||