ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA ŁOŻYSKA MAGNETYCZNEGO W APLIKACJACH LOTNICZYCH

Transkrypt

1 dr inż. Jarosław PYCHAŁA, mgr inż. Paweł MAJEWKI, mgr inż. Mariusz ŻOKOWKI * Insttut Techniczn Wojsk Lotniczch, Zakład ilników Lotniczch ul. ks. Bolesława 6, 0-9 Warszawa * Mariusz.Zokowski@itwl.pl AALIZA MOŻLIWOŚCI ZATOOWAIA ŁOŻYKA MAGETYCZEGO W APLIKACJACH LOTICZYCH. WPROWADZEIE owoczesne technologie, niezawodność oraz podatność eksploatacjna są jednmi z wielu cznników charakterzującch współczesne lotnictwo. Wmaga to opracowwania i stosowania nowatorskich technologii, poprawiającch, uzskiwane w starszch rozwiązaniach parametr funkcjonalne obiektu technicznego. Przkładem takiej nowatorskiej technologii jest łożsko magnetczne. Zawieszenia magnetczne pozwalają na zawieszenie wirnika bez mechanicznego kontaktu, użwając jednie sił przciągania magnetcznego, która jest odpowiednio sterowana, poprzez pomiar odległości wirnika od czujników mierzącch jego przemieszczenie w pętli sprzężenia zwrotnego, w której skład wchodzą czujniki przemieszczeń (wiroprądowe, indukcjne), elektromagnes, regulator i wzmacniacze moc. Posiadają one bardzo wiele zalet w porównaniu do tradcjnch metod łożskowania (toczne, ślizgowe), do głównch należą: duża niezawodność rozwiązania; brak konieczności smarowania; bezkontaktowe łożskowanie wirnika; niski poziom drgań; preczjne sterowanie ruchem wirnika; praca z dużmi prędkościami obrotowmi; niskie zużcie energii; aktwne tłumienie drgań poprzez układ sterowania; diagnostka oraz identfikacja parametrów maszn wirnikowej. Wżej wmienione zalet łożsk magnetcznch oraz rozwój energoelektroniki pozwala na ich interdscplinarne zastosowanie w różnch aplikacjach przemsłowch,

2 w tm również w lotnictwie. Pomimo szeregu wad w porównaniu do klascznch sposobów łożskowania, tj.: stosunkowo wsoki koszt sstemu z łożskami magnetcznmi; sstem strukturalnie niestabiln w układzie otwartm; konieczność stosowania czujników mierzącch położenie wirnika w szczelinie powietrznej; wirnik bądź też same powierzchnie pod łożska magnetczne muszą bć wkonane z materiału ferromagnetcznego; dosć skomplikowan układ sterowania aktwnm zawieszeniem magnetcznm. mogłb znaleźć zastosowanie w wmagającch i wsoce odpowiedzialnch parach kinematcznch, którch duża różnorodność jest spotkana na każdm statku powietrznm. 2. ZATOOWAIE AKTYWEGO ZAWIEZEIA MAGETYCZEGO W ILIKU ELEKTRYCZYM Możliwości technologiczne i funkcjonalne łożska magnetcznego potwierdzono w oparciu o zbudowan, rzeczwist model laboratorjn samołożskującego się wirnika silnika elektrcznego. W układzie tm weliminowano klasczne łożska mechaniczne, zastępując je aktwnm zawieszeniem magnetcznm i zawieszono samodzielnie zaprojektowan wirnik silnika trójfazowego o masie własnej, [kg]. tanowisko laboratorjne z zabudowanm modułem samołożskującego się wirnika silnika elektrcznego, przedstawiono na rs..

3 Rs.. tanowisko laboratorjne z samołożskującm się silnikiem elektrcznm. Przedstawion silnik posiada 2 żłobki, w którch został umieszczone czterobiegunowe uzwojenia silnikowe (do generowania momentu obrotowego) i dwubiegunowe uzwojenia, przeznaczone do lewitacji magnetcznej wirnika silnika. Rsunek 2 przedstawia stator zaprojektowanego samołożskującego się silnika elektrcznego z nawiniętmi na nim trójfazowmi uzwojeniami:,, c uzwojenia silnikowe, które wtwarzają (generują) moment obrotow;,, 2c uzwojenia łożskowe, które generują sił utrzmujące w stanie lewitacji magnetcznej wirnik silnika. c(+) (+) (+) (-) 0 2 (-) (-) (+) c(+) (-) (+) 2c(-) 2 c(-) (+) c(-) (+) (-) (-) c(+) (-) Rs. 2. Rozmieszczenie uzwojeń na statorze projektowanego silnika. (+)

4 Uzwojenia przeznaczone do wtwarzania momentu obrotowego silnika oznaczone został na rsunku jako. Chwilowa wartość prądu została oznaczona została jako i. Mnożąc przez siebie ilość uzwojeń i chwilową wartość prądu płnącego w cewce można wznaczć siłę magnetomotorczną Fm = (i). zczelina powietrzna oznaczona została jako 0 (położenie centralne wirnika silnika). Kierunki przemieszczeń w układzie współrzędnch 0 został zdefiniowane jako i, odpowiednio w kierunku osi 0 i w kierunku osi 0. Za stabilizację ruchu wirnika w kierunku promieniowm odpowiedzialne jest jedno z rodzajów uzwojeń nawiniętch na statorze silnika zgodnie z zasadą liczb par biegunów p±. Zasadę to wkorzstano z powodu, iż w konstrukcji tego tpu silników jedno z uzwojeń (łożskowe) musi bć modulowane do napięć zasilającch uzwojenie silnikowe z dwa raz mniejszą częstotliwością zasilania. ie ma reguł, które uzwojenie wkona się jako czterobiegunowe bądź dwubiegunowe, zasadą jest tlko fakt utrzmania liczb par biegunów p±. Jedno z uzwojeń czterobiegunowe przeznaczone jest do wtwarzania momentu obrotowego maszn, natomiast drugie, to uzwojenie dwubiegunowe odpowiedzialne za lewitację magnetczną wirnika silnika [], [2]. W celu przedstawienia zasad działania samołożskującego się silnika elektrcznego, wszstkie obliczenia dokonano dla modelu dwufazowego. Przejście do modelu maszn trójfazowej odbwa się za pomocą macierz transformacji. Rozkład strumieni wokół uzwojeń dwubiegunowch i czterobiegunowch dla modelu dwufazowego silnika przedstawiono na rsunkach, i 5. Rozkład strumieni magnetcznch wokół uzwojeń dwubiegunowch, prz obrocie wirnika zgodnie ze wskazówkami zegara, przedstawiono na rs..

5 270 o ` 2 F F 80 o F F 0 o 90 o Rs.. Rozkład strumieni magnetcznch uzwojenia dwubiegunowego. a rs. przedstawiono rozkład strumieni magnetcznch powstającch wokół uzwojeń generującch moment obrotow silnika (uzwojeń silnikowch). 270 o 270 o 2 2 F 80 o F F F F 0 o F F 0 o F 90 o 90 o Rs.. Rozkład strumieni magnetcznch uzwojenia czterobiegunowego. Uzwojenia rozłożone są na obwodzie statora i połączone szeregowo w celu uzskania czterobiegunowego rozkładu sił magnetomotorcznej. Tak samo został

6 rozmieszczone uzwojenia, c. Uzwojenia,, 2c został rozmieszczone na statorze, jako uzwojenia dwubiegunowe. a) b) c) F F F F 2 2 F 2 F F F F F F F F F F F F F Rs. 5. Powstawanie sił nośnej. Kierunek przepłwu strumienia magnetcznego od tch cewek przedstawiono na rs. 5b (cewki i ). Wpadkowe strumienie magnetczne od tch cewek w szczelinie powietrznej w punkcie odejmują się, natomiast w punkcie dodają się. Tm samm wartość sił magnetcznej, która jest proporcjonalna do wartości strumieni w tch miejscach szczelin odpowiednio się zwiększa lub zmniejsza. Powstałe w ten sposób sił skierowane są przeciwnie, tzn. siła wpadkowa jest różnicą sił składowch. Zmiana kierunku prądu płnącego w cewce doprowadza do zmian kierunku strumieni magnetcznch generowanch przez tą cewkę. tuację taką przedstawiono na rs. 5c. Wówczas wartość strumienia magnetcznego w szczelinie w punkcie zmniejsz się, a w punkcie zwiększ się. Zmianie ulegnie również kierunek wpadkowej sił magnetcznej (zielon kolor strzałki) [2]. Tak, więc dokonując pomiaru położenia wirnika względem nabiegunników samołożskującego się wirnika silnika, można tak zmieniać wartość prądu w cewce, ab wirnik zawsze zajmował stałe położenie. atomiast, jeżeli zamiast prądu stałego w cewce popłnie prąd przemienn, to wtworz się wówczas moment obrotow (podobnie jak w klascznch silnikach elektrcznch) []. Podobna stuacja będzie podczas przemieszczenia się wirnika w kierunku osi 0 i przeciwnie do tego kierunku.. WYIKI BADAŃ ILIKA ELEKTRYCZYM Z ŁOŻYKOWAIEM MAGETYCZYM Wniki badań ekspermentalnch przedstawionego układu samołożskującego się silnika elektrcznego, potwierdził jego badania smulacjne i numerczne. Zgodność modelu numercznego i ekspermentalnego przedstawiono dla wbranej faz

7 łożskowej (faza 2A) na poniższm rsunku. W modelu numercznm modelowano rozkład indukcji magnetcznej na zębach statora (Rs. 6a), natomiast werfikacja modelu numercznego nastąpiła po wkonaniu pomiarów rozkładu indukcji magnetcznej na zębach statora z wkorzstaniem gaussomierza, prz zasilaniu faz prądem stałm o wartości 2 [A]. a podstawie przeprowadzonch badań wdaje się, że możliwm będzie zbudowanie układu aktwnego zawieszenia magnetcznego w zastosowaniu do silnika odrzutowego, pod warunkiem zapewnienia prądu punktu prac takiego łożska. W analizowanm przpadku prąd punktu prac zapewniał uzwojenia silnikowe. a) b) Rs. 6. Rozkład indukcji magnetcznej na zębach statora silnika: a) badania numerczne faz łożskowej 2A; b) rozkład indukcji magnetcznej (smulacja, eksperment) faz łożskowej 2A.

8 a rsunkach 7 i 8 przedstawiono przebiegi uchbu oraz prądów płnącch w uzwojeniach łożskowch podczas wmuszenia podanego na kanał 0 w postaci zakłócenia sgnałem prostokątnm o wartości w amplitudzie 0.0 [mm]. Przebiegi zarejestrowano dla układu z regulatorem w pętli sprzężenia zwrotnego tpu PD Wmuszenie sgnałem prostokątnm w kierunku osi 0 o amplitudzie 0,0 [mm] regulator PD Przemieszczenie wirnika [mm] uchb e uchb e wmuszenie w kierunku 0 0,0 [mm] Czas [s] Rs. 7. Zarejestrowane dla rzeczwistego układu przebiegi uchbu w obu kierunkach podczas wmuszenia sgnałem prostokątnm w kierunku osi 0 - regulator PD. Przebiegi prądów w uzwojeniach podczas wmuszenia sgnałem prostokątnm w kierunku osi 0 regulator PD Prąd w uzwojeniach łożskowch [A] prąd w uzwojeniu 2A i -0. prąd w uzwojeniu 2B i prąd w uzwojeniu 2C i 2c Czas [s] Rs. 8. Zarejestrowane dla rzeczwistego układu przebiegi prądów płnącch w uzwojeniach łożskowch podczas wmuszenia sgnałem prostokątnm w kierunku osi 0 regulator PD.

9 . KOCEPCJA AKTYWEGO ZAWIEZEIA MAGETYCZEGO ILIKA ODRZUTOWEGO Analiza konstrukcji silników odrzutowch oraz ich problemów eksploatacjnch eksploatacjnch pozwoliła wtpować rozwiązanie mechaniczne, w którm zastosowanie łożska magnetczne mogłob poprawić dotchczasowe własności obiektu technicznego. W silniku tm pędnię silnika, będącą zasadniczm obciążeniem łożsk, stanowią: wielostopniowa sprężarka osiowa oraz jednostopniowa wsięgnikowa turbina reakcjna, połączona z wałem sprzęgłem wielowpustowm. prężarka łożskowana jest na czopie przednim w łożsku kulkowm z dzielonm pierścieniem wewnętrznm oraz na czopie tlnm (środkowe łożsko pędni) w łożsku wałeczkowm. Przedni koniec wału podpart jest w łożsku środkowm pędni za pośrednictwem sprzęgła wielowpustowego, w tlnej w łożsku wałeczkowm. Tarcza turbin wsięga poza gniazdo łożska tlnego. Taka konstrukcja powoduje znaczne obciążenie łożska środkowego szczególnie na etapie rozruchu silnika, co może prz pewnch okolicznościach prowadzić do jego uszkodzenia. Zasadnm wdaje się więc, zastosowanie łożska magnetcznego, zastępującego lub jednie wspomagającego pracę tego łożska tocznego. Poniżej przedstawiono dwie koncepcje wkonania takiego zawieszenia magnetcznego. Klasczne siłowniki elektromechaniczne są podstawowm tpem siłowników wkorzstwanch do łożskowania wirników. W siłownikach tego tpu, cewki elektromagnesów wkorzstwane są do generowania elektromagnetcznej sił punktu prac i sił sterującej położeniem wirnika w szczelinie powietrznej. W pierwszej koncepcji (Rs. 9) proponuje się klasczn heteropolarn siłownik elektromechaniczn. W układach tego tpu przez cewki elektromagnesów przepłwa prąd, któr jest sumą algebraiczną prądu punktu prac i prądu sterującego. Dlatego też cewki elektromagnesów, zasilane są prądem wpadkowm, któr generuje wpadkow strumień magnetczn. Proces sumowania prądu punktu prac i prądu sterowania realizowan jest przez układ sterowania łożskiem magnetcznm. Tm samm w klascznch łożskach wstępuje jeden obwód magnetczn, przez któr przepłwa wpadkow strumień magnetczn. Jest to cecha charakterstczna odróżniająca klasczne łożska od pozostałch tpów łożsk magnetcznch.

10 W Rs. 9. Klasczn, heteropolarn siłownik elektromechaniczn []. W drugim, koncepcjnm rozwiązaniu obwód magnetczn złożon jest z dwóch statorów, pomiędz, które włożono dodatkowo magnes neodmow, w celu wtworzenia punktu prac. W pracach nad modelami numercznmi, wzięte zostaną pod uwagę obie koncepcje siłowników i na drodze obliczeń numercznch i smulacjnch zostanie podjęta deczja o zastosowaniu konkretnego rozwiązania. W Rs. 0. iłownik elektromechaniczn z magnesem neodmowm w celu wtworzenia punktu prac.

11 W pierwszm podejściu planowane jest testowanie własności zaproponowanego zawieszenia magnetcznego na stanowisku laboratorjnm zbudowanm w oparciu o rzeczwiste element konstrukcjne silnika odrzutowego (Rs.). Rs.. Element składowe środkowej podpor z silnika odrzutowego a) tarcza ostatniego stopnia sprężarki z gniazdem kierownic i wałem wirnika, b) powiększenie środkowej podpor. 5. PODUMOWAIE Poztwne wniki prac z zastosowaniem aktwnego zawieszenia magnetcznego w silniku elektrcznm, dają solidne podstaw do rozwijania tej koncepcji w celu zastosowania w wmagającch obiektach technicznch, jakimi są np. zespoł napędowe statków powietrznch. ależ mieć jednak na uwadze, że zastosowanie tego tpu zawieszenia w obiekcie rzeczwistm musi zostać poprzedzone szeregiem prac laboratorjnch, w tm budową modelu smulacjnego takiego układu, opracowaniu modelu numercznego, projekcie i fizcznm wkonaniu stanowiska laboratorjnego. 6. LITERATURA [] Chiba A., Fukao T., Ichikawa O., Oshima M., Takemoto M., Dorrel D.: Magnetic Bearings and Bearingless Drives, Elsevier s cience Technolog Rights Department in Oford, UK, 2005; [2] Żokowski M.: Projektowanie i badanie samołożskującego się wirnika silnika elektrcznego, Rozprawa doktorska napisana pod kierunkiem prof. Z Gosiewskiego, Warszawa, 20; [] Opracowanie zespołu Zakładu ilników Lotniczch ITWL zrealizowane pod kierownictwem dr. inż. J. pchał: Demonstrator sstemu diagnozowania sstemu zespołu wirnikowego silnika odrzutowego, Warszawa, 20.