СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ РОТОРА В МАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКАХ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF ROTOR POSITION AT MAGNETIC BEARINGS

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к электромеханическим преобразователям энергии на магнитных подшипниках.
Известен механизм с магнитным подвесом ротора (а.с. СССР №1569932, Н02K 7/09, 1990 г.), в котором каждый канал системы содержит датчик положения ротора, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь и два электромагнита.
Недостатком данной конструкции является сложность ее технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются датчики перемещения ротора, которые необходимо устанавливать внутри корпуса электромеханического преобразователя энергии.
Известна конструкция системы управления магнитным подшипником (патент РФ № 2181922 С2, Н02Р 6/16, Н02K 7/09, Н02K  29/06,2002.04.27), каждый канал управления которой содержит датчик положения ротора, силовой преобразователь, два электромагнита, причем обмотки электромагнитов подключены к силовому преобразователю, каждый канал которого снабжен интегральным регулятором и форсирующим регулятором второго порядка, причем выход интегрального регулятора соединен с прямым входом форсирующего регулятора второго порядка, выход которого соединен с входом силового преобразователя, а выход датчика положения ротора соединен с инверсными входами обоих регуляторов.
Недостатком данной конструкции является сложность ее технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются датчики перемещения ротора, которые необходимо устанавливать внутри корпуса электромеханического преобразователя энергии.
Известна конструкция магнитного подшипника(патент РФ 2246644 С1, F16C 32/04, 2005.02.20), в которой модуль управления содержит формирователь вектора радиального перемещения ротора, соединенный выходом через блок динамической обработки сигнала радиального отклонения со входом формирователя управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры, который выходами подключен ко входам соответствующих усилителей мощности канала стабилизации радиального положения ротора, выходы которых являются первыми управляющими выходами модуля управления, блок контроля процесса управления, выполненный с возможностью передачи управляющей информации в систему автоматического управления машины, выпрямитель напряжения выходами соединен через емкостный фильтр со входами регулятора напряжения и источника вторичного электропитания, выполненного с возможностью подключения к выводам электропитания всех блоков модуля управления, причем один из выходов емкостного фильтра и выход регулятора напряжения являются третьими управляющими выходами модуля управления, при этом входы формирователя вектора радиального перемещения ротора являются первыми информационными входами модуля управления, а формирователь управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры выполнен с возможностью реализации векторной стабилизации ротора по осям в радиальных направлениях.
Недостатком данной конструкции также является сложность ее технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются датчики перемещения ротора, которые необходимо устанавливать внутри корпуса электромеханического преобразователя энергии.
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции и способу является способ управления неустойчивостью в гидродинамических подшипниках (патент РФ №2399803, F16C 17/02, 08.06.2005), по которому управление неустойчивостью гидродинамических подшипников, включающих гидродинамические подшипники, используемые в узлах высокоскоростных роторов или валов, включает использование магнитного подшипника в комбинации с гидродинамическим подшипником, причем гидродинамический подшипник используют в качестве подшипника, воспринимающего основную нагрузку, а магнитный подшипник используют в качестве средства управления неустойчивостью в гидродинамическом подшипнике.
Недостатком такой конструкции является наличие смазки в гидродинамическом подшипнике, которая ограничивает применение данной системы в агрессивных средах, а также сложность ее технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются датчики перемещения ротора, которые необходимо устанавливать внутри корпуса электромеханического преобразователя энергии.
Задача изобретения - повышение точности и надежности управления магнитным подшипником.
Техническим результатом является контроль и управление положением ротора электромеханического преобразователя энергии в магнитном подшипнике посредством датчиков, установленных на внешней поверхности корпуса.
Указанный результат достигается тем, что в способе, управления положением ротора в магнитных подшипниках, заключающиеся в получении сигнала с датчика, электрически соединенного с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором и силовым преобразователем, согласно изобретению, управление положением ротора осуществляют по напряженности внешнего магнитного поля магнитных подшипников на постоянных магнитах, использующихся в качестве основных опорных подшипников, информация об изменении которой поступает в пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор и силовой преобразователь, которые регулируют напряжение на двух электромагнитах, посредством которых управляют неустойчивостью ротора.
Кроме того указанный результат достигается тем, что в устройстве управления магнитным подшипником, содержащем магнитные подшипники на постоянных магнитах, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь и два электромагнита, согласно изобретению,датчики положения ротора выполнены в виде датчиков внешнего магнитного поля, установленных на внешней поверхности корпуса.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фигуре 1 изображено устройство управления положением ротора в магнитных подшипниках. На фигуре 2 изображен способ установки датчика внешнего магнитного поля на внешней поверхности корпуса электромеханического преобразователя энергии. На фигуре 3 изображена картина внешнего магнитного поля магнитного подшипника при отсутствии эксцентриситета. На фигуре 4 изображена картина внешнего магнитного поля магнитного подшипника при эксцентриситете 30%.
Предложенное устройство содержит (фиг.1) корпус 1, в котором установлен датчик внешнего магнитного поля 2, электрически соединенный с силовым преобразователем 3, и магнитные подшипники на постоянных магнитах, которые представляют собой внешний 4 и внутренний 5 кольцевыепостоянные магниты, причем внешний магнит жестко закреплена корпусе, а внутренний - на валу 6, два электромагнита 7, электрически соединенные с силовым преобразователем 3 и пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором 8. Причем датчик внешнего магнитного поля установлен на внешней поверхности корпуса (фиг.2).
Устройство управления положением ротора в магнитных подшипникахработает следующим образом. Внешний и внутренний кольцевые постоянные магниты магнитного подшипника на постоянных магнитахпри вращении вала под действием центробежной силы смещаются друг относительно друга, тем самым возникает эксцентриситет, который с одной стороны уменьшает зазор между внешним и внутренним кольцом, а с другой стороны увеличивает. При этом изменяется значение магнитной индукции, а следовательно, и напряженности внешнего магнитного поля, (фиг.3), (фиг.4). Данное изменение напряженности внешнего магнитного поля магнитного подшипника фиксируется датчиком внешнего магнитного поля, в качестве которого может выступать, например, датчик Холла.
Ввиду того, что датчик внешнего магнитного поля установлен на внешней поверхности корпуса, повышается надежность управления положением ротора в магнитном подшипнике.
Далее сигнал от датчика передается на силовой преобразователь, который посредством математических вычислений в пропорционально-интегрально-дифференциальным регуляторе либо усиливает, либо снижает напряжение на электромагнитах.
Пример конкретной реализации способа.
При смещении ротора на 30% от номинального под действием центробежных сил, например, в высокоскоростном шпиндельном узле шлифовальной группы на магнитных подшипниках, возникает механическая нестабильность и колебания ротора и, как следствие, нарушение требований к обрабатываемой поверхности. Напряженность внешнего магнитного поля магнитных подшипников при этом изменяется с 166340 А/м до 166270 А/м. Датчик Холла фиксирует это изменение и увеличивает посредством силового преобразователя и пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, изготовленных,например, на микросхеме КР 140 УД 708, транзисторах КТ 829, КТ 315 Г, КТ 852, напряжение на электромагнитах на 50%. Как следствие, сила притяжения электромагнитов увеличивается также в два раза, и ротор высокоскоростного шпиндельного узла шлифовальной группы, под действием силы притяжения электромагнитов, возвращается в исходное номинальное положение. Шпиндельный узел продолжает эксплуатироваться в стабильном состоянии, и поверхность обрабатывается в соответствии с необходимыми требованиями.
Таким образом, осуществляется управление положением ротора в магнитных подшипниках.
Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить точность и надежность управления магнитным подшипником.
В результате устройство управления положением ротора в магнитных подшипниках позволяет осуществить контроль и управление положением ротора электромеханического преобразователя энергии в магнитном подшипнике посредством датчиков, установленных в глухих отверстиях на внешней поверхности корпуса.