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

Помимо индукционных сил, которые отталкивают тело, существуют и такие силы, которые притягивают его, по этому нельзя использовать индукционный подвес к ферромагнитным телам, которые имеют большую магнитную проницаемость.

Наибольшее распространение индукционные подвесы получили в металлургии (бестигельная плавка сверхчистых металлов), а также в наземном транспорте, машиностроении физических приборах (гироскопы, компасы, и т.д.).

.2.6 Кондукционный электромагнитный подвес

Принцип его действия основан на использовании силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле. Проводник с током может быть твердым или жидким. В последнем случае опоры называются

магнитогидродинамическими кондукционноготипа. В зависимости от вида тока кондукционные подвесы делятся на подвесы постоянного тока и переменного тока (магнитное поле и ток должны совпадать по фазе).

Кондукционный подвес, представленный на рисунке 1.2.5, имеет простую конструкцию и в тоже время обладает высокой грузоподъемностью.

Рисунок 1.2.5 - Кондукционный подвес

Существенным недостатком, ограничивающим применение кондукционных подвесов, является необходимость возбуждения токов непосредственно на подвешиваемом теле, что приводит к значительному увеличению собственного веса и снижению эффективности подвеса. Так же к недостаткам можно отнести и необходимость в источнике тока больших значений.

Кондукционным опорам посвящено небольшое количество работ, но широкого применения они пока не нашли. На данный момент кондукционный подвес используется в металлургии (для плавки чистых металлов), транспорте.

.2.7 Активные магнитные подвесы

Активный магнитный подвес ‒ это управляемое электромагнитное устройство, которое удерживает вращающуюся часть машины (ротор) в заданном положении относительно неподвижной части (статор).

Магнитные подвесы с авторегулированием классифицируются по способу управления напряженности магнитного поля.

Активные магнитные подвесы требуют специального электронного блока внешней обратной связи.

Для пояснения принципа работы активного магнитного подвеса рассмотрим рисунок 1.2.6, на котором изображена простейшая структурная схема подвеса. Она состоит из датчика, который измеряет смещение подвешиваемого тела относительно положения равновесия, регулятором который обрабатывает сигнал измерения, усилителем мощности, питаемый от внешнего источника, который преобразует этот сигнал в управляющий ток в обмотке электромагнита. Этот сигнал вызывает силы, которые удерживают и возвращают ферромагнитное тело в состояние равновесия.

Очевидным преимуществом активных схем является возможность достижения более эффективного регулирования взвешивающего поля и, следовательно, улучшения силовых характеристик. Активный подвес обладает высокой грузоподъемностью, высокой механической прочностью, широким диапазоном изменения жесткости и демпфирования, отсутствие шума и вибраций, невосприимчив к загрязнению, отсутствие изнашивания, нет необходимости в смазке и т.п. Устойчивость подвеса, а так же необходимая жесткость и демпфирование, достигается выбором закона управления. К недостаткам активного магнитного подвеса можно отнести высокую стоимость, потребление энергии от внешнего источника, сложность электронного блока управления и т.д.

Рисунок 1.2.6 - Активный магнитный подвес

Важными областями применения активных магнитных подшипников является космическая техника (вакуумные турбомолекулярных насосов), медицинская аппаратура, техника в пищевой промышленности, высокоскоростной наземный транспорт и т.п.

.2.8 Пассивные магнитные подвесы (электромагнитный подвес с резонансной цепью)

Пассивные схемы используют резонансные свойства электрических цепей, наибольшее распространение получила схема магниторезонансного подвеса с использованием явления резонанса напряжений в последовательном LC‒ контуре.

Электромагнитный подвес с резонансной цепью является одним из наиболее простых подвесов, и состоит из четырех узлов: электромагнитов переменного тока, резонансных электрических цепей, с помощью которых происходит авторегулирование магнитного поля, источников питания, стабилизированных по амплитуде и частоте, и корректирующих цепей, если демпфирование в системе является недостаточным.

Взвешивание ферромагнитных тел, может быть осуществлено с помощью управляемых магнитных подвесов. Управление магнитного поля достигается соответствующим регулированием электрического тока в поддерживающих электромагнитах. Требуемый закон регулирования токов, может быть обеспечен пассивными методами. Необходимое регулирование тока достигается в результате зависимости отдельных параметров схемы от перемещений центрируемого элемента.

В таких подвесах желательней использовать настройку параметров схемы вблизи резонансных режимов, т.к. в этом случае можно обеспечить более крутую зависимость токов от изменяемых параметров. Для построения магниторезонансных подвесов можно использовать как явление резонанса токов, так и резонанса напряжений.

Схема LC‒ подвеса приведена на рисунке 1.2.7.

а) принципиальная схема; б) резонансная кривая

Рисунок 1.2.7 - Электромагнитный резонансный LC- подвес

Подвешиваемое тело, являющееся ферромагнетиком, помещается между двумя одинаковыми электромагнитами с зазором . В цепи обмоток электромагнитов, включены последовательно конденсаторы. Электромагниты работают от переменного напряжения. Емкость конденсаторов  подбирается такой, чтобы в центральном положении тела действующие значения токов в каждой обмотке, имеющей индуктивность , находилось ниспадающей ветви резонансной кривой. В положении равновесия силы притяжения равны между собой. Если происходит нарушение равновесия тела, и тело перемещается, например, вправо, то индуктивность одного магнита возрастет, а другого уменьшится. Изменение же токов и сил будет обратное, т.е. результирующая сила будет направлена в противоположную сторону от смещения, что приведет к восстановлению положения равновесия.

Простота схем магниторезонансного подвеса обеспечивает их высокую надежность и легкость в настройки. Регулируемые токи являются источником довольно точной информации положения центрируемого элемента, а питание схем переменным током исключает возможность постоянного намагничивания взвешиваемого тела, что приводит к уменьшению моментов его магнитного взаимодействия с внешними полями.

Пассивные электромагнитные подвесы имеют ряд недостатков: малые рабочие зазоры, малая грузоподъемность, повышенные потери энергии на вихревые токи и перемагничивание. Наибольшее распространение магниторезонансные подвесы получили в медицине (томографы, высокочастотные микрогироскопы в микрохирургии).

.2.9 Активные электростатические подвесы

Электростатические подвесы сравнимы с магнитными подвесами. Особенно это относится к вопросам схемного построения и методов теоретического исследования. Парение электростатического подвеса происходит за счет сил электрического взаимодействия неподвижных электродов с взвешиваемым элементом. Для создания электростатического подвеса, необходимо поместить незаряженное тело между четырьмя электродами, как показано на рисунке 1.2.8.

Рисунок 1.2.8 ‒ Четырехэлектродный электростатический подвес

На одну пару электродов подается напряжения так, чтобы удерживать центрируемое тело в подвешенном состоянии, а другая пара электродов заземлена. Допустим, что площадь всех четырех электродов одинакова и центрируемое тело находится на равном расстоянии от каждого электрода, тогда действующая сила будет иметь вид

, (1.2.1)

где ;

, ,,‒ электроды;

 ‒ положение электродов;

,‒ напряжение;

 ‒ расстояние от электродов до помещаемого тела.

Устойчивость электростатического подвеса достигается за счет регулирования потенциалами электродов. При этом используют внешнюю систему управления с емкостными датчиками положения. К положительным качествам электростатического подвеса можно отнести отсутствие тепловых потерь, отсутствие шума, отсутствие трения, отсутствие магнитного поля и т.д. Главным недостатком данных подвесов является необходимость в высоких напряжениях и малая грузоподъемность. Свое применение нашли в акселерометрах, циклотроне, поплавковых гироскопах, сферических гироскопах, и т.п.

.2.10 Пассивный электростатический подвес

(электростатический резонансный подвес)

Пассивный электростатический подвес аналогичен активному электростатическому подвесу. Для устойчивости электростатического подвеса применяется система управления потенциалами электродов.

В пассивном электростатическом подвесе используется явление перераспределения напряжений на реактивных элементах того или иного резонансного контура при изменении его параметров, вызванных смещениями взвешенного элемента. В этом отношении он не отличается от магниторезонансного подвеса.

На рисунке 1.2.9 представлена принципиальная схема электростатического резонансного подвеса, в котором последовательно с электродами включены настроечные индуктивности, обеспечивающие работу схемы на требуемом участке резонансной характеристики.

На рисунке 1.2.9  и  - это электрические емкости, образуемые первой и второй парами электродов соответственно с центрируемым элементом.

Тогда практическая средняя во времени составляющая силы для двух пар электродов будет иметь вид в соответствии с формулой (1.2.2)

где  и ‒ значения амплитудно-частотной и фазо - частотной характеристик электрического контура ЭРП на частоте, равной частоте питающего напряжения и при x = 0;

- абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющая пространство между электродами;

‒ рабочая площадь электрода;

‒ электрическая емкость в одном контуре при x=0;

‒ максимальный заряд на электродах при центральном положении взвешиваемого тела, x‒ отклонение.

Рисунок 1.2.9‒ Принципиальная схема электростатического резонансного подвеса

Центрирующие свойства у электростатического резонансного подвеса проявляются во всей резонансной области, где частота питающего напряжения больше собственной частоты электрического контура при x=0. В этом электростатические резонансные подвесы отличаются от магнитных резонансных подвесов, у которых область статической устойчивости несколько меньше. [7]

Пассивные электростатические подвесы обладают малым эффектом запаздывания в контурах управления, что позволяет предъявлять менее жесткие требования к величине необходимой для устойчивого внешнего демпфирования.

Для электростатического резонансного подвеса характерна структурная динамическая не устойчивость, при отсутствии внешнего динамического демпфирования, также они обладают малой грузоподъемностью.

Наибольшее применение получили пассивные электростатические подвесы в гироскопах, акселерометрах.

.2.11 Комбинированные подвесы

Также свое применение нашли комбинированные подвесы, которые основываются на пассивных схемах регулирования (электромагнитный подвес с резонансной цепью, электростатический резонансный подвес). Для повышения эффективности силообразования один из параметров подвеса (частота, напряжение) самостоятельно регулируется, в зависимости от положения взвешиваемого тела, и информации снимаемой с самого подвеса. К комбинированным магнитным подвесам относятся так же многоосные системы, в которых взвешивание по одним осям происходит за счет пассивных схем, а по другим осям в силу различных причин - активными схемами. [7]

Важными областями применения комбинированных подвесов является металлорежущие системы, а так же в станкостроительной промышленности.

2. Проектный расчет системы подвеса

.1 Структурная модель

Для построения математической модели системы, в первом приближении, рассмотрим систему с одной степенью свободы (одноосевой подвес). Данное упрощение необходимо для получения основных зависимостей и синтеза регулятора.

С помощью управляемого электромагнита, шар должен находиться в неподвижном, подвешенном состоянии. Это возможно, если магнитная сила будет уравновешивать вес шара. Принципиальная схема представлена на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1‒ Принципиальная схема стенда

Через неоднородное магнитное поле катушки, точно рассчитать силы сопротивления проблематично. По этой причине поведение объекта управления должно быть описано с учетом нелинейности характера силы магнитного сопротивления , которая зависит от тока I и величины воздушного зазора .