Активные электромагнитные подшипники электрошпинделей

В проекте приводятся результаты численного моделирования динамических процессов в активных электромагнитных подшипниках при создании управляемых микровибраций ротора. Проведен анализ демпфирующего действия вихревых токов в магнитах радиальных подшипников. Определены наиболее нагретые участки радиального электромагнитного подшипника и предложены рекомендации по снижению их температуры до допустимого уровня. Приведены картины температурных полей для подшипников в бескорпусном исполнении и подшипников с алюминиевым корпусом и ребрами охлаждения.

Целью настоящего проекта является анализ возможности активного электромагнитного подвеса по обеспечению максимальной частоты искусственных микровибраций ротора. Для этого необходимо решить задачи численного моделирования нестационарного магнитного поля в нелинейной ферромагнитной среде и стационарного теплового поля с фиксированной температурой на границе области расчета.

Перманентное развитие космической индустрии, робототехники, атомной энергетики, машиностроения и т.д. в числе прочих определяет проблемы: чистоты и точности обработки поверхностей деталей высокотехнологичных узлов и машин; уменьшения срока эксплуатации подшипниковых опор шпинделей в результате возрастания скоростей обработки. Решением указанных проблем может быть использование электромагнитных подшипников. Кроме того, в подобных устройствах перспективной является возможность обеспечения комбинированного движения инструмента (микровибрации). Такие технологии существенно повышает технологические возможности оборудования.

Методы и материалы.

Задача расчета нестационарных магнитных полей радиальных электромагнитных подшипников (РЭМП) в переходных режимах с учетом нелинейности ферромагнитных сред является наиболее общей и, следовательно, наиболее сложной.  На практике для таких моделей в настоящее время успешно используются численные методы решения, в частности, метод конечных элементов (МКЭ), для которого разработан ряд пакетов прикладных программ. Для двумерной полевой задачи авторы применяли пакет Ansys, имеющий удобный интерфейс для решения различных типов электромагнитных задач. Двумерная тепловая задача была решена в программной среде Elcut.

Математическая модель ЭМП представляет собой плоскопараллельное описание радиального подшипника с разбиением на расчетные блоки с заданными физическими свойствами и сетку конечных элементов. Свойства магнитопроводов статора и ротора, выполненных из электротехнической стали, задаются кривыми намагничивания и зависимостью магнитных потерь от индукции для семейства частот. Источники поля задаются напряженим на терминалах катушек, а также указываются активное сопротивление и число витков.

При решении тепловой задачи физические свойства стальных участков и воздуха внутри машины задавались соответствующими коэффициентами теплопроводности и коэффициентами теплоотдачи, свойства обмотки – через коэффициент эквивалентной теплопроводности, учитывающий толщину изоляции, пропитку и коэффициент заполнения медью.

Результаты математического моделирования нестационарной электромагнитной задачи представлены в виде графиков переходных процессов токов в катушках, подъемной силы, электрических и магнитных потерь с учетом мощности вихревых потерь от вращения ротора. В результате решения тепловой задачи получены картины теплового поля машины без корпуса и с различными алюминиевыми корпусами. Установлено, что в радиальных электромагнитных подшипниках с шихтованной магнитной системой возможно создание управляемых микровибраций ротора за счет наложения на ток катушек электромагнитов переменной гармонической составляющей с частотой до 1кГц; при этом наиболее нагруженным по перегреву является центральный паз второй токовой зоны (ось у); для снижения перегрева обмотки статора в наиболее нагретой зоне до допустимого уровня необходимо применять гладкий или оребренный корпус из алюминиевых сплавов.

Проведенные расчеты рассматривают только один из вариантов получения вибраций ротора на электромагнитных опорах, поскольку возможно управление амплитудой и частотой колебаний за счет собственно параметров цифровых регуляторов, различных методов вычисления производных, формирования гармонических сигналов задания перемещений, наложения синусоиды на выходной сигнал датчика положения и другими способами.

1. Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение. Санкт-Петербург: Политехника, 2003, 206с.
2. Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин. М.: Высш. шк., 2002. – 757 с.: ил.
3. Макаричев Ю.А., Стариков А.В. Теоретические основы расчета и проектирования радиальных электромагнитных подшипников. М.,: Энергоатомиздат, 2009.-150с.
4. Борисенко А.И., Костиков О.Н., Яковлев А.И. Охлаждение промышленных электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1983. 296 с.
5. Макаричев Ю.А., Иванников Ю.Н. Моделирование температурных полей радиального электромагнитного подшипника. Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Технические науки. №3(43) – 2014. – С.139 – 145.

The results of numerical modeling of dynamics processes (control microvibration of rotor) in active electromagnetic bearing present in project. The study of decrement effect of eddy current performs in radial electromagnetic bearing. Must heat sections of radial electromagnetic bearings assign and recommended guideline based on defervescence recommends. Temperature fields picture show.