СПОСОБ ПРОХОЖДЕНИЯ КРИТИЧЕСКИХ ЧАСТОТ ВРАЩЕНИЯ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ЭНЕРГИИ
METHOD OF CRITICAL ROTATION SPEEDS PASSING THROUGH IN ELECTROMECHANICAL ENERGY CONVERTER

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано при проектировании высокоскоростных электромеханических преобразователей энергии для автономных систем электроснабжения.
Известен способ прохождения критических частот турбин, работающих в режиме закритической скорости [патент RU 2185515 C1, F01D 019/00, 20.11.2000], по которому прохождение критических частот вращения достигается тем, что производят оценку состояния упругости системы ротор-фундамент путем определения величины коэффициента упругости путем соотношения частот вращения ротора к началу критической частоты и к концу критической частоты, а затем корректируют его до определенного значения.
Недостатком данного аналога являются ограниченные функциональные возможности способа, обусловленные тем, что оценка критической частоты проводится во время проектирования ротора и не предлагается самого метода устранения критической частоты.
Известен способ прохождения критических частот вращения роторов [http://engine.aviaport.ru/issues/91/pics/pg14.pdf, 26.10.2015 г.], по которому прохождение критических частот вращения ротора происходит с помощью применения новой конструкции опоры, обеспечивающей регулирование жесткости опоры в зависимости от частоты вращения ротора. В данной конструкции опоры предлагается устанавливать упругий элемент между валом ротора и внутренним кольцом подшипника. Прохождение критических частот вращения ротора происходит за счет упругой деформации втулки в осевом направлении.
Недостатком данного способа является сложность его технической реализации, невысокая надежность и ограниченные функциональные возможности управления жесткостью опоры в процессе работы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому относится способ прохождения критических частот за счет управления жесткостью магнитных подшипников [http://www.kpi.kharkov.ua/archive/Наукова_перiодика/vestnik/Динамика%20и%20прочность%20машин/2008/47/Магнитные%20подшипники%20как%20упруго-демпферные%20опоры%20роторов%20c%20управляемой%20жесткостью.pdf, 26.10.2015 г.], по которому прохождение критических частот вращения происходит за счет управления жесткостью магнитного подшипника. Изменение жесткости магнитного подшипника происходит посредством определения отклонения ротора путем измерения величины напряженности магнитного поля в зазоре магнитного подшипника на постоянных магнитах с помощью датчика Холла в микросхемном исполнении с элементами усиления и стабилизации.
Недостатком данного способа является невысокая надежность ввиду сложности управления и погрешности за счет применения датчика Холла.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение надежности способа прохождения критических частот вращения и выведение на номинальную частоту вращения высокоскоростного электромеханического преобразователя энергии на гибридных магнитных подшипниках.
Техническим результатом является повышение точности автоматического регулирования жесткости гибридного магнитного подшипника в зоне критической скорости вращения ротора при максимальной надежности конструкции высокоскоростного электромеханического преобразователя энергии на гибридных магнитных подшипниках.
Поставленная задача решается, а указанный технический результат в способе прохождения критических частот путем управления жесткостью магнитных подшипников достигается тем, что согласно изобретению в режиме измерения скорости ротора электромеханического преобразователя энергии на гибридных магнитных подшипниках, состоящих из магнитных подшипников на постоянных магнитах и электромагнитных подшипников, посредством блока управления электромагнитными подшипниками измеряют значение напряжения на обмотках статора, сравнивают со значениями, заложенными в программу блока управления, при которых появляются критические частоты вращения ротора, и при приближении к значению напряжения, соответствующему диапазону критической частоты вращения ротора, что составляет ±10% от критической частоты, блоком управления электромагнитными подшипниками импульсно повышают ток на обмотках электромагнитных подшипников, тем самым мгновенно изменяют жесткость гибридных магнитных подшипников, смещая диапазон критических частот для данного ротора, причем при прохождении зоны критических частот, заложенных в программе блока управления электромагнитными подшипниками, ток на обмотках электромагнитных подшипников возвращают к номинальному значению, возвращая жесткость гибридных магнитных подшипников к номинальным значениям.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фигуре 1 изображен продольный разрез магнитоэлектрического генератора на гибридных магнитных подшипниках. На фигуре 2 изображена зависимость жесткости гибридных магнитных подшипников от напряжения на обмотках статора.
Пример конкретной реализации способа
Способ прохождения критических частот в высокоскоростном электромеханическом преобразователе энергии на гибридных магнитных подшипниках представлен на магнитоэлектрическом генераторе мощностью 100 кВт и номинальной частотой вращения 60000 об/мин, вырабатывающий линейное напряжение 200 В. Электромеханический преобразователь энергии содержит ротор (фиг. 1), состоящий из вала 1, с установленными на него высококоэрцитивными постоянными магнитами 2, статор 3 с обмоткой 4, гибридные магнитные подшипники, состоящие из магнитных подшипников на постоянных магнитах 5 и электромагнитных подшипников 6, блок управления электромагнитными подшипниками 7, подключенный к выходным концам обмотки 4 статора 3. Первая критическая скорость вращения для ротора данного магнитоэлектрического генератора составляет 39000 об/мин, а вторая критическая скорость составляет 73000 об/мин, при номинальной жесткости магнитных подшипников (фиг. 2) в 66666666,6 Н/м 8, следовательно, для выведения данного генератора на номинальные обороты требуется преодолеть первую критическую скорость вращения изменением жесткости магнитных подшипников. Жесткость электромагнитных подшипников зависит от тока, подаваемого блоком управления электромагнитными подшипниками 7. В режиме изменения скорости ротора магнитоэлектрического генератора на гибридных магнитных подшипниках блок управления электромагнитными подшипниками 7 измеряет значение напряжения на обмотках 4 статора 3, которое зависит от частоты вращения ротора, сравнивая со значениями, заложенными в программу блока управления, при которых появляются критические частоты вращения ротора. Так, при номинальной скорости вращения ротора (таблицы 1) в 60000 об/мин на обмотках статора будет 200 В, а при первой критической скорости вращения в 39000 об/мин на обмотках ротора будет 130 В.
Жесткость гибридных магнитных подшипников автоматически изменяется блоком управления электромагнитными подшипниками 7 при значениях напряжения, соответствующим диапазонам критических частот вращения ротора, это ±10% от критических частот, до появления резонансных колебаний ротора. Так, при напряжении на обмотках от 117 до 143 В блок управления электромагнитными подшипниками 7 импульсно увеличит ток на обмотках электромагнитных подшипников 6, тем самым увеличив жесткость магнитных подшипников до 83333333,3 Н/м 9, а при данной жесткости магнитных подшипников критическая частота составляет 46500 об/мин. При увеличении напряжения на обмотках 4 статора 3 выше 143 В блок управления электромагнитными подшипниками возвращает первоначальный ток на электромагнитных подшипниках 6, возвращая первоначальную жесткость магнитных подшипников до 66666666,6 Н/м 8. При торможении ротора изменение жесткости происходит также в зависимости от напряжения на обмотках статора 4. При работе данного магнитоэлектрического генератора в двигательном режиме разгон и торможение ротора происходят аналогично.
Таким образом, достигается расширение функциональных возможностей и повышение надежности способа прохождения критических частот вращения и выведение на номинальную частоту вращения высокоскоростного электромеханического преобразователя энергии на гибридных магнитных подшипниках.
Итак, заявленное изобретение позволяет повысить точность автоматического регулирования жесткости гибридного магнитного подшипника в зоне критической скорости вращения ротора при максимальной надежности конструкции высокоскоростного электромеханического преобразователя энергии на гибридных магнитных подшипниках.