Дипломная (вкр): Проектирование лабораторного стенда по изучению принципа действия и структуры активных электромагнитных подвесов

Проектирование лабораторного стенда по изучению принципа действия и структуры активных электромагнитных подвесов

Введение

В настоящее время стала актуальной тема популяризации техники на магнитном подвесе, которая успешно зарекомендовала себя в железнодорожном транспорте. В отличие от традиционной системы «колесо ‒ рельс», которая обладает рядом недостатков: не позволяет развивать большие скорости, за счет трения происходит большой износ деталей, вибрации, шум, и т.д, техника на магнитном подвесе имеет следующие преимущества: позволяет развивать большие скорости движения, благодаря отсутствию механического контакта, необходимости смазки, износа и шума. Во время эксплуатации обеспечивает долговечность работы. Кроме того, имеет ряд преимуществ при работе в агрессивных средах, при низких температурах и в вакууме.

С учетом вышеизложенного материала, следует заключить, что существует необходимость актуализации разработок технических систем на магнитном подвесе.

Как показывает опыт развитых стран, занимающихся разработкой транспортных системна магнитном подвесе, транспорт способен развивать скорость до 500 км/ч, при этом обеспечивать необходимую безопасность, комфорт, независимость от атмосферного давления, экологичность, шумоизоляцию.

Первые примеры практического использования магнитных подвесов в измерительных приборах были получены в 40-х годах XX столетия.

Их развитием и изучением занимались знаменитые ученые: Д. Бимс и Д. Хризингер (США), О.Г. Кацнельсон и А.С. Эдельштейн(СССР). Первый активный магнитный подшипник был представлен и экспериментально исследован в 1960 году Р. Сикссмитом (США). Широкое практическое применение активных магнитных подшипников в нашей стране и за рубежом началось в начале 70-х годов XX столетия и сейчас применяется в таких областях техники как: космические и ядерные установки, текстильные машины, турбины и насосы в вакууме, роботы, точные измерительные приборы, двигатели, железнодорожный транспорт и т. д. [5]

Данная дипломная работа посвящена разработке системы многоосевого магнитного подвеса с целью развития знаний, практических умений и навыков у студентов различных технических специальностей, в области электромагнитной левитации, синтезе и анализе законов управления механических систем.

В эксперименте, полый шар из ферромагнитного материала, под действием электромагнитного поля находится в подвешенном состоянии. Действие магнитного подвеса происходит за счет равновесия сил, т.е. сила тяжести и приложенная нагрузка компенсируются силой магнитного поля (магнитной силой), вследствие чего объект находится в подвешенном состоянии и может совершать бесконтактные движения за счет регулирования магнитной силой, где источником магнитного поля является электромагнит, а объектом может выступать ферромагнетик или немагнитный материал с закрепленным на нем магнитом.

Также лабораторный стенд раскрывает принцип действия, структуру магнитных подшипников, а также наглядно демонстрирует схему регулятора, свойства регулятора с обратной связью, которые необходимы для создания и управления магнитного подшипника.

Цель работы: спроектировать и изготовить лабораторный стенд по изучению принципа действия и структуры активных электромагнитных подвесов.

Задачи:

спроектировать и изготовить аппаратную часть системы управления ЭП;

разработать алгоритм и программно реализовать на языке Arduino

- изготовить действующий макет ЭП;

- разработать учебно-методические материалы для проведения лабораторных занятий на кафедре «Управления техническими системами» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ИрГУПС).

1 Введение в технологию магнитных подшипников

.1 Введение

Магнитные подшипники ‒ это яркий пример из области мехатроники. Они включают в себя не только механические компоненты, но и электронные элементы (датчики, усилители мощности, регулятор, и др.) и электромеханические преобразователи (электромагнит).

В связи с развитием и общедоступностью электроники и микропроцессорной техники, магнитные подшипники могут так же широко использоваться, как и другие традиционные подшипники, что сделает их более выгодным решением классических проблем в машиностроении.

Магнитный подшипник без регулирования является непригодным к использованию конструктивным элементом. Только сочетание механики, датчиков, приводов, автоматического регулирования и обработки информации делает магнитный подшипник пригодным к использованию и раскрывает его преимущества.

На данный момент магнитные подшипники используются в узких областях: применяются в турбокомпрессорах и компрессорах для природного газа, водорода и воздуха, в вакуумной технике, в электрогенераторах, в контрольном и измерительном оборудовании, в высокоскоростных полировальных, фрезерных и шлифовальных станках. В станках при использовании магнитных подшипников, где шпиндель вращается со скоростью 30000 об/мин, возможна высокоскоростная обработка. А так же в турбомашинах, где при высоких температурах магнитный подшипник имеет более продолжительный срок службы, чем обычный подшипник.

Необходимо подчеркнуть основные преимущества магнитного подшипника ‒ отсутствие контакта и управляемая динамика.

Эти свойства позволяют: создавать новые конструкции, увеличивать износостойкость, использовать подшипник в агрессивных средах, при высоких и низких температурах, а также реализовывать высокие скорости и активное гашение колебаний.

Для магнитных подшипников применяются две принципиально разных силы: магнитного сопротивления и Лоренца.

Из курса физики известно, что на электрический заряд Q, движущийся со

Скоростью  в электрическом поле с электрической напряженностью E и магнитной индукции B, действует сила согласно формуле (1.1.1)

 (1.1.1)

где Q‒ электрический заряд;

E‒ электрическая напряженность;

‒ скорость движения заряда;

B- магнитная индукция.

Сила магнитного сопротивления ‒ это сила, которая действует перпендикулярно на границу поверхности между двух полей с различной магнитной проницаемостью и возникает из стремления к минимальной потенциальной энергии магнитного поля. Данная сила может быть определена по формуле (1.1.2)

. (1.1.2)

Сила Лоренца - сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся со скоростью  положительный заряд. Согласно формуле (1.1.3) сила Лоренца

, (1.1.3)

где ;‒ сила тока.

При использовании постоянных магнитов сила может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания.

В данной работе будет использоваться сила притяжения, т.е. сила между источником магнитного поля и ферромагнитным элементом.

Большое количество научных трудов посвящено проблемам электромагнитной левитации. В 1956 году, впервые, А. Боердийком был создан систематический анализ по принципам левитации тел с использованием магнитных и электрических полей. В 1968 году, В.Б. Метлин составил библиографический обзор работ по левитации (посвященных движению тела в электрических и магнитных полях). [5]

Существуют два основных вида электромагнитных подвесов: Не регулируемые подвесы и подвесы с авторегулированием. Классификация электромагнитных подвесов изображена на рисунке 1.1.1.

Рисунок 1.1.1‒Классификация электромагнитных подвесов

Подробное описание различных типов подшипников, их преимущества

и недостатки, приложения и т.д. можно найти в работе Б.К. Буль «Классификация устройств, использующих принцип магнитного подвеса на постоянных магнитах и электромагнитах постоянного тока».

1.2    Классификация электромагнитных подвесов

.2.1 Подвес на постоянных магнитах

Магнитные подвесы на постоянных магнитах являются простыми, по сравнению с другими электромагнитными подвесами, потому что магнитное поле создается постоянными магнитами. Данная категория магнитных подвесов обладает высокой экономичностью, простотой изготовления, длительным сроком службы. Главными недостатками таких подвесов являются: отсутствие большой удельной грузоподъемности, низкая механической прочность, потребность в специальных демпферах.

Подвешиваемое тело, способное нести постоянные магниты, состоит полностью или частично из ферромагнитного материала. Подвес тела осуществляется посредствам магнитных сил притяжения или отталкивания. Так как магнитные подвесы на постоянных магнитах являются простейшим типом опор и не позволяют осуществить устойчивое пространственное взвешивание, то их часто применяют совместно с магнитными подвесами относящихся к регулируемому типу. Поэтому невозможно создать устойчивую неконтактную подвеску только на постоянных магнитах. Данный вывод вытекает из теоремы Ирншоу и исследований Браунбека, которые показывают, что устойчивая подвеска в поле постоянных магнитов может быть только в том случае, если магнитная проницаемость материала, из которого изготовлено тело, меньше единицы.

Рекомендуемым материалом для изготовления постоянных магнитов является феррит бария, или литые и металлокерамические сплавы. Опоры на постоянных магнитах используются в измерительных устройствах (счетчик электроэнергии), а так же для разгрузки механических опор.

Магнитные подшипники на постоянных магнитах представлены на рисунках 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3.

Рисунок 1.2.1‒Радиальные магнитные подшипники из цилиндрических и кольцевых магнитов, намагниченных аксиально

Рисунок 1.2.2 ‒Радиальные магнитные подшипники из цилиндрических и кольцевых магнитов, намагниченных радиально

Каждый из подшипников состоит из двух постоянных магнитов ‒наружного кольцевого и внутреннего цилиндрического, намагниченных аксиально. Для того чтобы обеспечить устойчивость вала в осевом направлении, использована шаровая опора. С помощью регулировочного винта можно выставлять положение магнитов относительно друг друга таким образом, чтобы максимально уменьшить нагрузку на опору и снизить момент трения.

Рисунок 1.2.3 ‒Макет устройства с двумя пассивными радиальными магнитными подшипниками

.2.2 Электромагнитный подвес на электромагнитах постоянного тока

Магнитные подвесы с нерегулируемыми магнитами постоянного тока принципиально не отличаются от подвесов на постоянных магнитах, но позволяют развить большую нагрузочную способность. Высокоскоростной наземный транспорт является главной областью применения подвеса на электромагнитах постоянного тока.

.2.3 Диамагнитный подвес

Сущность диамагнитного подвеса, состоит в том, что диамагнетик, помещенный в магнитное поле, намагничивается обратно его направлению, и выталкивается из магнитного как показано на рисунке 1.2.4.

Диамагнитные подвесы на данный момент находят ограниченное распространение, в связи с тем, что эти подвесы обладают очень малой подъемной силой, даже при использовании лучших современных диамагнитных материалов. Чаще всего диамагнитные подвесы используют в кинематических датчиках и датчиках измерения мгновенных усилий.

Рисунок 1.2.4 - Диамагнитный подвес

.2.4 Сверхпроводящий электромагнитный подвес (Криогенный)

Работа сверхпроводящих подвесов основана на явлении выталкивания магнитных силовых линий сверхпроводящими телами, через которые не проникает магнитное поле.

Сверхпроводящий подвес включает в себя сверхпроводник, установленный на подвешенном теле, и обычный или сверхпроводящий электромагнит.

В криогенном подвесе нельзя создавать очень большие магнитные поля, потому, что существует предельное значение напряженности магнитного поля, при котором сверхпроводник теряет свои сверхпроводящие свойства. Поэтому в криогенном подвесе, также как и в электростатическом, имеется ограничение на вес левитирующего тела. Тем не менее, криогенный подвес обладает достаточно большой грузоподъемностью, чем электростатический. Сверхпроводящие опоры не требуют системы автоматического регулирования тока, что является их несомненным достоинством. Эти опоры так же применяются в высокочувствительных гироскопах и акселерометрах систем инерциальной навигации, в различных измерительных приборах, в подшипниках криогенных и обычных электрических двигателей. Основное влияние на развитие, распространение и применение сверхпроводящих подвесов оказывает уровень развития криогенной техники.

Трудность, связанная с созданием сверхпроводящего подвеса, связана с поддержанием теплового режима установки (сверхнизких температур) и затратами энергии. Так же габариты, высокая стоимость таких установок не позволяют использовать самостоятельно сверхпроводящие подвесы, в качестве опор.

.2.5 Индукционный электромагнитный подвес

Принцип действия индукционного подвеса основан на стремлении неферромагнитного электропроводящего тела, помещенного в неоднородное переменное магнитное поле, перемещаться в направлении уменьшения напряженности поля, что приводит к снижению вихревых токов в теле и соответственно - к снижению потерь в системе. Чем больше напряженность (или

индукция) поля или их градиент, тем больше «выталкивающая» электродинамическая сила. При нулевых значениях напряженности сила отсутствует.

Подвеска осуществляется за счет сил отталкивания основного поля и вихревых токов, наведенных этим полем в подвешиваемом теле.

Малая грузоподъемность, значительные возмущающие моменты, а так же большие энергетические затраты, являются большими недостатком этих подвесов. Как и другие магнитные подвесы, он обладает рядом преимуществ: бесшумность, отсутствие трения, способность работать в агрессивных средах, в вакууме и.т.п.