Transcript Prezentacja 17

Pierścieniowy elektryczny
zespół napędowy – badania
prototypu
Autorzy:
Piotr Grymajło
Leszek Matuszewski
Cel Projektu
•
•
•
Celem projektu jest zbadanie własności i celowości
stosowania nowoczesnych łożysk elektromagnetycznych dla
pędnika śrubowego w prototypowej wersji silnika
pierścieniowego synchronicznego z magnesami z ziem
rzadkich. Łożyska elektromagnetyczne generują siły, które
utrzymują wirnik w stanie lewitacji. Podstawową zaletą łożysk
magnetycznych jest:
bardzo mały moment oporowy,
wyeliminowanie instalacji chłodzenia oraz smarowania
niezbędnych do prawidłowej pracy maszyn wirnikowych z
łożyskami tocznymi i ślizgowymi, które się zużywają
Żywotność urządzeń łożyskowanych magnetycznie jest
nieporównywalna z innymi.
Gdzie się stosuje łożyska
elektromagnetyczne ?
• w łożyskowaniu wirników maszyn przepływowych
(sprężarki, pompy, turbiny),
• w turbinowych silnikach lotniczych,
• w silnikach elektrycznych,
• w łożyskowaniu wysokoobrotowych elektrowrzecion
precyzyjnych obrabiarek,
• w maszynach i urządzeniach pracujących w wysokiej
próżni i technice kriogenicznej do transportu
skroplonych gazów (tlen, metan, argon ,hel, itp.),
• w maszynach, gdzie wymagana jest absolutna
czystość i sterylność (medycyna – rozruszniki serca,
przemysł spożywczy i farmaceutyczny), i w wielu
innych
Korzyści wynikające z zastosowania
pędnika pierścieniowego
łożyskowanego magnetycznie:
• Konstrukcja umożliwiająca łatwy montaż na
istniejących jednostkach – zwiększenie manewrowości
przy mniejszych nakładach niż w przypadku
tradycyjnych modernizacji,
• Opracowanie nowego typu napędu o wysokiej
sprawności, dynamice i żywotności,
• Wyznaczenie zestawu parametrów dla modelu
matematycznego nowego typu zespołu napędowego
do celów projektowych i komputerowej symulacji
działania
Niezbędne zadania i najważniejsze
zagadnienia badawcze:
• Zaprojektowanie, wykonanie i badania łożyska
magnetycznego sterowanego
• Wykonanie prototypu silnika pierścieniowego
łożyskowanego magnetycznie
• Wykonanie uszczelnienia ferrofluidalnego
• Integracja układu i wstępne badania z pędnikiem
• Badania eksperymentalne nowego typu pędnika
Ogólna koncepcja zespołu napędowego
z pierścieniowym
pędnikiem śrubowym w wersji
z łożyskiem elektromagnetycznym wirnika
Wersja zgłoszona do opatentowania
Magnetowód lewy
siłownika
Rozkład sił
y
F1
F1p
F2p

F1o
F2
Magnetowód prawy
siłownika
F2o
Bieżnia łożyska
Bieżnia łożyska
x
0
Wirnik silnika
F3o
F4o
F3p
F3
F4p
F4
S tojan silnika
Siłownik elektromagnetyczny
Bieżnia łożyska spoczynkowego
Nabiegunnik N elektromagnesu
Nabiegunnik S elektromagnesu
Cewka elektromagnesu
Twornik silnika
Łopaty pędnika
Powierzchnia pod
czujnik wiroprądowy
Animacja śruba
Bieżnia łożyska
Rozkład sił
- animacja
‘siły’
N
S
S
S
S
N
Magnesy
N
N
Elektromagnes
łożyska
osiowego
Silnik
elektryczny
Wirnik
Elektromagnes
łożyska
osiowego
Bieżnia łożyska
osiowego
Bieżnia łożyska
osiowego
N
N
S
S
S
S
N
N
KONCEPCJA
NOWEJ
WERSJI PO
BADANIACH
WSTĘPNYCH
Stojan silnika
elektrycznego
Zespół napędowy podczas badań w
tunelu kawitacyjnym IMP PAN
Układ pomiarowy IMP PAN
dynamometr opracowany przez J. Koronowicza
Opracowanie i badania parametrów
uszczelnień ferrofluidalnych
Obok badań całkowicie nowatorskich łożyska
również badania uszczelnień ferroluidalnych
mają podobny charakter. Dotychczas tego
rodzaju uszczelnienia są używane w
środowisku gazowym. Jednak po zmianie
cieczy bazowych jest bardzo wysokie
prawdopodobieństwo pełnego sukcesu.
Jedynym parametrem dotychczas
niewiadomym, ale decydującym o jakości
całego zespołu jest trwałość uszczelnienia.
Przekrój węzła uszczelniającego z
cieczami ferrofluidalnymi
Moment tarcia Mt w zależności od liczby
występów uszczelniających Z, =0,1mm,
t=50°C, n=3000; 6000; 9000 obr/min.
0,25
Moment tarcia M t , Nm
n=9000obr/min
0,2
=0,1mm; Bśr=0,8T; t=500C
n=6000obr/min
0,15
n=3000obr/min
0,1
0,05
Ciecz magnetyczna BM-30
0
0
2
4
6
8
Liczba występów uszczelniających, Z
10
Ciśnienie przebicia pkr oraz zjawisko
wielokrotnego uszczelniania („reseal”)
Ciśnienie przebicia pkr w zależności od indukcji magnetycznej Bśr w uszczelnieniu z
cieczą magnetyczną BM-30/57. Z=8, =0,1; 0,2; 0,3mm, n=3000obr/min.
275
=0,1mm
Ciśnienie przebicia pkr , kPa
250
Z=8; n=3000obr/min
225
200
=0,2mm
175
150
125
=0,3mm
100
75
50
25
Ciecz magnetyczna BM-30/57
0
0
0,2
0,4
0,6
Indukcja magnetyczna B śr , T
0,8
1
Ciśnienie przebicia pkr w zależności od prędkości
obrotowej wału n w uszczelnieniu z cieczą magnetyczną
BM30. Z=2, Bśr=0,6T, =0,1; 0,2; 0,3mm.
40
Z=2; Bśr=0,6T
Ciśnienie przebicia pkr , kPa
35
=0,1mm
30
=0,2mm
25
20
=0,3mm
15
10
5
Ciecz magnetyczna BM-30
0
0
3000
6000
9000
Prędkość obrotowa wału n, obr/min
12000
Głowica do prób szybkoobrotowych –
widok dynamometru
Widok ogólny stanowiska
Widok szczeliny
Model matematyczny pędnika
morskiego łożyskowanego
magnetycznie
•
•
•
•
•
Założenia i przeznaczenie modelu,
Kinematyka węzła magnetycznego,
Część mechaniczna,
Część elektromagnetyczna,
Część hydrostatyczna i hydrodynamiczna,
Model matematyczny: założenia
• Cel modelowania: pomoc przy projektowaniu
urządzenia, badania symulacyjne, synteza
sterowania
Model matematyczny: kinematyka
Do opisu spoczywającego pędnika przyjęto dwa układy współrzędnych:
- układ współrzędnych związany ze stojanem pędnika - Ws
- Układ współrzędnych związany z wirnikiem pędnika - Wp
W układze Ws zdefiniowano wektor orientacji i położenia wirnika
x=[x,y,z,φ,θ,ψ]T
W układzie Wp zdefiniowano wektor prędkości v=[X,Y,Z,K,M,N]T
Zdefiniowano również macierze transformacji prostej i odwrotnej,
pomiędzy prędkościami w Wp i Ws:
v =Rsw[6x6] dx/dt
dx/dt= Rws[6x6] v
Model matematyczny: kinematyka I
cos cos  cos sin   sin  sin  cos sin  sin   cos sin  cos
 cos sin  cos cos  sin  sin  sin   sin  cos  cos sin  sin 

  sin 
sin  cos
cos cos
J()  
0
0
0


0
0
0

0
0
0

  1T ,2T  ;
T


T
v  v1T , v2T ;
1  x, y, z T
v1  u, v, w
T
2   , , T
v2   p, q, r 
T
0
0
0
1
0
0


0
0


0
0

sin  tg 
sin  tg  
cos
 sin  

sin  / cos cos / cos
0
0
Model matematyczny: część
mechaniczna
Dynamika bryły sztywnej o 6-ciu stopniach swobody
Gdzie:
M [6x6] – macierz bezwładności,
C[6x6] – macierz przyśpieszeń dośrodkowych i Coriolisa
τ wektor sił wypadkowych
Model matematyczny: część
elektromechaniczna
Model matematyczny: Zestawienie
Gdzie: v[6x1], x[6x1], i[8x1],
- wektory prędkości, położenia wirnika oraz prądu cewek
wyznaczają 20-sto wymiarową przestrzeń stanu
wektory
Stabilizacja aktywnego zawieszenia
magnetycznego
Sformułowanie problemu:
Zbudować taki algorytm sterowania, który na podstawie
pomiaru odległości wirnika od stojana, steruje
napięciami poszczególnych cewek łożyska, tak aby
wirnik pozostał w dozwolonym otoczeniu punktu
pracy.
Algorytm musi umożliwiać stabilizację 5 stopni swobody,
dla całego zakresu prędkości obrotowej pędnika.
Stabilizacja aktywnego zawieszenia
magnetycznego I
Główne problemy:
• Nieliniowość zjawisk elektrodynamicznych,
• Nieliniowość równań kinematyki,
• Silne sprzężenia skrośne pomiędzy poszczególnymi torami
•
•
•
•
•
•
regulacji położenia,
Zmienne w czasie zakłócenia,
Niedostępność pomiaru wektora prędkości ruchu,
Układ pomiarowy: nieliniowe transformacje, nadmiarowość
czujników,
Sprawność,
Ograniczenia elementów wykonawczych,
Niedokładność wykonania urządzenia,
Stabilizacja aktywnego zawieszenia
magnetycznego II
Proponowane rozwiązania:
• Układ 5 niezależnych regulatorów typu PID (SISO) +
nieliniowa transformacja odsprzęgająca,
• Podejście nieliniowe: linearyzacja poprzez sprzężenie
zwrotne (rozszerzenie istniejących wyników badań na
przypadek łożyska wielowymiarowego)
• Nieliniowa estymacja wektora prędkości wirnika, oraz
wektora zakłóceń
Stanowisko prototypowe
• Opis prototypu
–
–
–
–
Część
Część
Część
Część
mechaniczna,
elektryczna,
pomiarowa,
sterująca.
• Wnioski, dalsze prace…
Badania prototypowe: część
mechaniczna
Czujniki wiroprądowe
Badania prototypowe: część
elektryczna
W fazie projektu:
Ośmiokanałowy, bipolarny zasilacz impulsowy
sterowany mikroprocesorowo z możliwością pracy
w trybie zasilacza napięciowego/prądowego.
Badania prototypowe: część
sterująca
Moduł procesora sygnałowego SBC67
wyposażony w zmienno przecinkowy
procesor sygnałowy firmy
Texas Instruments TMS320C6701,
w którym zawarto: 64 kB pamięci programu
i 64 kB pamięci danych,
32 bitowy licznik/timer,4 kanały DMA, 32 kB pamięć SRAM,
kontroler przerwań.
Moduł ten wyposażony jest w 16 MB pamięci DRAM (SDRAM),
12Mbps port USB, port szeregowy RS232.
rozszerzony został o kartę przetworników A/C i C/A SERVO16.
do pomiaru przebiegów szybkozmiennych
Karta posiada 16 16-to bitowych przetworników A/C 100 [kHz]
Oraz 16 16-to bitowych przetworników C/A, 100 [kHz].
Badania prototypowe: część
pomiarowa
8 czuników wiroprądowych typu:
XX Bentley
Dalsze prace
• Prace nad nowymi algorytmami stabilizacji
•
•
AZM
Kontynuacja badań symulacyjnych,
Implementacja wybranych algorytmów
sterowania na stanowisku prototypowym