RU2242646C2 - Magnetic bearing - Google Patents
Magnetic bearingInfo
- Publication number
- RU2242646C2 RU2242646C2 RU2002135190/11A RU2002135190A RU2242646C2 RU 2242646 C2 RU2242646 C2 RU 2242646C2 RU 2002135190/11 A RU2002135190/11 A RU 2002135190/11A RU 2002135190 A RU2002135190 A RU 2002135190A RU 2242646 C2 RU2242646 C2 RU 2242646C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electromagnet
- bridge
- rotor
- winding
- voltage
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемый магнитный подшипник относится к машиностроению и является электромеханическим устройством, предназначенным для использования в качестве бесконтактных опор ротора при создании различных машин, например, силовых гироскопов, газоперекачивающих агрегатов, турбодетандеров, электрошпинделей, турбомолекулярных насосов и крупных агрегатов, работающих в экстремальных условиях при высоких скоростях вращения ротора и в особо чистых средах.The proposed magnetic bearing relates to mechanical engineering and is an electromechanical device designed to be used as contactless rotor bearings when creating various machines, for example, power gyroscopes, gas pumping units, turbo expanders, electric spindles, turbomolecular pumps and large units operating in extreme conditions at high speeds of rotation rotor and in extremely clean environments.
В настоящее время магнитные подшипники (МП) успешно применяются в перечисленных выше машинах и имеется перспектива расширения их использования в новых проектах отечественных и зарубежных машин.Currently, magnetic bearings (MP) are successfully used in the above machines and there is the prospect of expanding their use in new projects of domestic and foreign machines.
Анализ состояния уровня техники, с учетом имеющегося отечественного опыта разработки электромагнитных подшипников для газовых компрессоров [1], показывает, что на работу машин с магнитными подшипниками отрицательно влияют различные формы колебаний ротора на собственной частоте, которые, как правило, находятся в рабочем диапазоне частот вращения машины или близки к нему. При работе в резонансной области происходит увеличение амплитуды колебаний ротора в МП, что может привести к нарушению работоспособности машины.An analysis of the state of the art, taking into account existing domestic experience in the development of electromagnetic bearings for gas compressors [1], shows that the operation of machines with magnetic bearings is adversely affected by various forms of rotor vibrations at their own frequency, which, as a rule, are in the operating range of rotational speeds cars or close to it. When working in the resonance region, the amplitude of the rotor oscillations in the magnetic field increases, which can lead to disruption of the machine’s performance.
Для снижения влияния указанных колебаний ротора можно воспользоваться одним из известных способов, заключающимся в улучшении демпфирующих свойств МП, что связано с необходимостью увеличения мощности управления и динамической жесткости МП [2].To reduce the influence of these rotor vibrations, one of the known methods can be used, which consists in improving the damping properties of the magnetic field, which is associated with the need to increase the control power and dynamic stiffness of the magnetic field [2].
Магнитные подшипники по принципу действия являются системой автоматического управления положением ферромагнитного тела (ротора) с помощью электромагнита, выполняющего функцию исполнительного органа системы. Ток в обмотке электромагнита регулирует аппаратура управления по сигналу положения ротора. Регулирование осуществляется так, чтобы между ротором и электромагнитом существовал зазор. В общем случае для стабилизации положения ротора по каждому из направлений свободы движения ротора система МП должна содержать свой электромагнит с соответствующим выходным каскадом аппаратуры управления.According to the principle of operation, magnetic bearings are a system for automatically controlling the position of a ferromagnetic body (rotor) using an electromagnet that performs the function of an executive body of the system. The current in the electromagnet winding is controlled by the control equipment according to the signal of the rotor position. Regulation is carried out so that there is a gap between the rotor and the electromagnet. In the general case, in order to stabilize the position of the rotor in each of the directions of freedom of movement of the rotor, the MP system should contain its own electromagnet with the corresponding output stage of the control equipment.
Известные МП имеют выходные каскады аппаратуры управления, работающие в импульсном режиме и выполненные по схеме однотактного преобразователя напряжения в виде "неполного моста" [3], которая показана на фиг.1. Транзисторы Q1 и Q2 работают в импульсном режиме. Обмотка электромагнита L1 включена в диагональ "моста". При открытых транзисторах ток в обмотке электромагнита нарастает, а при закрытых ток замыкается через диоды D1, D2 и источник силового питания V1. Если транзистор Q1 закрыт, а Q2 открыт, то ток замыкается через диод D1. В этом режиме среднее значение напряжения на обмотке электромагнита U1 пропорционально напряжению силового источника питания V1, величина которого выбирается в зависимости от параметров элементов выходного каскада и уровня напряжения резервного источника питания, и скважности включения S1 транзистора Q1, которую можно регулировать обычно аналоговым или цифровым способом, т.е.Known MPs have output stages of control equipment operating in a pulsed mode and made according to a single-cycle voltage converter in the form of an "incomplete bridge" [3], which is shown in Fig. 1. Transistors Q1 and Q2 operate in a pulsed mode. The winding of the electromagnet L1 is included in the diagonal of the "bridge". With open transistors, the current in the winding of the electromagnet increases, and with closed transistors, the current closes through diodes D1, D2 and the power supply V1. If the transistor Q1 is closed, and Q2 is open, then the current is closed through the diode D1. In this mode, the average value of the voltage on the winding of the electromagnet U1 is proportional to the voltage of the power supply V1, the value of which is selected depending on the parameters of the elements of the output stage and the voltage level of the backup power supply, and the duty cycle of the S1 of the transistor Q1, which can be adjusted usually by analog or digital methods, those.
U1=S1·V1U1 = S1V1
В известном МП [4], принятом в качестве прототипа, при вышеописанной схеме выходного каскада среднее напряжение на обмотке электромагнита не может быть больше, чем напряжение источника силового питания. Пульсация напряжения питания обмотки электромагнита, происходящая на высокой частоте переключения транзисторов, является основным источником радиопомех, создаваемых кабелем, соединяющим обмотку с выходным каскадом. Эти факторы не позволяют в известном МП добиться улучшения демпфирующих свойств путем увеличения мощности управления, т.к. величина напряжения на обмотке ограничена напряжением источника питания. Динамическая жесткость МП ограничена существующим уровнем радиопомех.In the known MP [4], adopted as a prototype, with the above-described output stage circuit, the average voltage on the electromagnet winding cannot be more than the voltage of the power supply source. The ripple of the supply voltage of the electromagnet winding, occurring at a high switching frequency of transistors, is the main source of radio noise created by the cable connecting the winding to the output stage. These factors do not allow the well-known MP to achieve improved damping properties by increasing the control power, because the magnitude of the voltage across the winding is limited by the voltage of the power source. The dynamic stiffness of the MP is limited by the existing level of radio interference.
Таким образом, применение известного МП ограничено в машинах, в которых требуется снижение существующего уровня колебаний ротора при прохождении критических частот вращения и/или в рабочем режиме, что сужает область применения МП.Thus, the use of the known MP is limited in machines that require a reduction in the existing level of rotor vibrations when passing critical rotational speeds and / or in the operating mode, which narrows the scope of the MP.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания МП, характеризуемых улучшенными демпфирующими свойствами, позволяющими добиться снижения колебаний ротора до уровня предельно допустимого по условиям функционирования составных частей и узлов, входящих в состав машин.The present invention solves the problem of creating a magnetic field characterized by improved damping properties, which allow to reduce rotor vibrations to the maximum permissible level of functioning of the components and assemblies that make up the machines.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением и заключающийся в улучшении демпфирующих свойств МП, основан на модернизации выходного каскада аппаратуры управления МП путем дополнения его функций возможностями повышать среднее напряжение на обмотке электромагнита выше, чем напряжение силового питания, и обеспечивать фильтрацию напряжения на обмотке, снижая влияние высокочастотных пульсаций.The technical result achieved by the present invention, which consists in improving the damping properties of the magnetic field, is based on the modernization of the output stage of the control equipment of the magnetic field by supplementing its functions with the ability to increase the average voltage on the winding of the electromagnet higher than the voltage of the power supply, and to filter the voltage on the winding, reducing the effect of high-frequency ripples.
Поставленная задача решается так, что по сравнению с известным МП, включающим один или несколько электромагнитов с аппаратурой управления, выходные каскады которой по числу электромагнитов, регулирующие ток в обмотках электромагнитов, содержат транзисторы Q1, Q2 и диоды D1, D2, соединенные по схеме "неполного моста" и установленные соответственно в противоположных плечах, а обмотка электромагнита включена в диагональ "моста", новым является то, что каждый выходной каскад снабжен дополнительно дросселем L2, включенным в диагональ "моста" вместо обмотки электромагнита L1, и конденсатором С, включенным последовательно между диодом D1 нижнего плеча "моста" и источником питания, а обмотка электромагнита L1 включена параллельно конденсатору С.The problem is solved in such a way that in comparison with the known MP, including one or more electromagnets with control equipment, the output stages of which, according to the number of electromagnets, regulating the current in the electromagnet windings, contain transistors Q1, Q2 and diodes D1, D2 connected according to the "incomplete" circuit bridge "and installed respectively in opposite shoulders, and the electromagnet winding is included in the diagonal of the" bridge ", it is new that each output stage is equipped with an additional inductor L2 included in the diagonal of the" bridge "instead the windings of the electromagnet L1, and a capacitor C connected in series between the diode D1 of the lower arm of the "bridge" and the power source, and the winding of the electromagnet L1 is connected in parallel with the capacitor C.
Действительно, включение в выходной каскад аппаратуры управления МП дополнительного дросселя и конденсатора позволяет наиболее полно использовать свойства индуктивного накопителя энергии и энергетические достоинства импульсного метода регулирования для повышения напряжения на обмотке электромагнита выше, чем напряжение силового источника питания. Кроме того, конденсатор выполняет функции элемента, сглаживающего пульсации напряжения на обмотке электромагнита, возникающие на высокой частоте, соответствующей частоте переключения силовых транзисторов. Это позволяет снизить общий уровень радиопомех в системе управления и, соответственно, увеличить динамическую жесткость МП.Indeed, the inclusion of an additional inductor and capacitor in the output stage of the MP control equipment allows the fullest use of the properties of the inductive energy storage and the energy advantages of the pulse control method to increase the voltage on the electromagnet winding higher than the voltage of the power supply. In addition, the capacitor acts as an element that smooths out the voltage ripples on the electromagnet winding, which occur at a high frequency corresponding to the switching frequency of power transistors. This allows you to reduce the overall level of radio interference in the control system and, accordingly, increase the dynamic stiffness of the MP.
Таким образом, дополнительные элементы, включенные в выходной каскад аппаратуры управления предлагаемого МП, позволяют добиться увеличения мощности управления за счет повышения напряжения на обмотке электромагнита без изменения значения напряжения источника питания и улучшить демпфирующие свойства МП.Thus, additional elements included in the output stage of the control equipment of the proposed MP, allow to increase the control power by increasing the voltage on the winding of the electromagnet without changing the voltage value of the power source and to improve the damping properties of the MP.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о достаточности существенных признаков, представленных в формуле предлагаемого изобретения, для получения требуемого технического результата.Based on the foregoing, it can be concluded that the essential features presented in the formula of the invention are sufficient to obtain the desired technical result.
На фиг.2 представлена схема выходного каскада аппаратуры управления предлагаемого МП, являющаяся одним из вариантов выполнения, предназначенным для управления перемещением ротора по одному из направлений свободного движения. Полная система МП ротора содержит такое количество электромагнитов и соответственно выходных каскадов в аппаратуре управления, которое необходимо для ограничения перемещения ротора по требуемым направлениям. Каждый электромагнит имеет обмотку 1, ток в которой регулирует выходной каскад, содержащий транзисторы 2, 3, работающие в импульсном режиме, и диоды 4, 5, соединенные между собой по схеме "неполного моста" и установленные соответственно в противоположных плечах "моста". Дроссель 6, выполняющий функции накопителя энергии, включен в диагональ "моста". Конденсатор 7, трансформирующий энергию, накопленную дросселем, и сглаживающий высокочастотные колебания, включен последовательно между диодом 4 нижнего плеча "моста" и источником питания. Обмотка электромагнита 1 включена параллельно конденсатору 7.Figure 2 presents a diagram of the output stage of the control equipment of the proposed MP, which is one of the options for controlling the movement of the rotor in one of the directions of free movement. The complete rotor MP system contains such a number of electromagnets and, accordingly, output stages in the control equipment, which is necessary to limit the movement of the rotor in the required directions. Each electromagnet has a
При открытых транзисторах 2, 3 ток в дросселе 6 нарастает и энергия накапливается. При закрытом транзисторе 2 и открытом транзисторе 3 ток дросселя замыкается через диод 4 и параллельно включенные конденсатор 7 с обмоткой 1 электромагнита. Энергия, накопленная в дросселе, трансформируется в конденсатор 7, и напряжение на нем может превышать напряжение источника питания V2. В этом режиме среднее значение напряжения на обмотке электромагнита U2 связано со скважностью включения S2 транзистора 2 и напряжением силового питания V2 соотношениемWith
Если транзисторы 2, 3 закрыты, то ток дросселя замыкается через диоды 4, 5, параллельно включенные конденсатор 7 с обмоткой 1 на источник питания V2.If
Пульсации напряжения на обмотке электромагнита на высокой частоте, соответствующей частоте переключения транзисторов, в этой схеме уменьшены в соответствии с коэффициентом передачи L2C-фильтра по сравнению с уровнем пульсаций, равным напряжению питания в известном МП.The voltage ripple on the electromagnet winding at a high frequency corresponding to the switching frequency of the transistors in this circuit is reduced in accordance with the transmission coefficient of the L2C filter compared to the ripple level equal to the supply voltage in the known MP.
Таким образом, предлагаемый МП позволяет добиться снижения уровня колебаний ротора за счет улучшения демпфирующих свойств в МП, обусловленных применением в аппаратуре управления выходных каскадов, обладающих возможностями повышения управляющего напряжения на обмотке электромагнита выше, чем напряжение питания и соответственно мощности управления, а также пониженным уровнем высокочастотных пульсаций, что создает возможность повышения динамической жесткости МП.Thus, the proposed MT allows to reduce the level of rotor vibrations by improving the damping properties in the MT due to the use of output stages in the control equipment, which have the ability to increase the control voltage on the electromagnet winding higher than the supply voltage and, accordingly, the control power, as well as a low level of high-frequency pulsations, which makes it possible to increase the dynamic stiffness of the MP.
Возможность осуществления предложенного МП и достижения требуемого технического результата практически подтверждена в НПП ВНИИЭМ на экспериментальном образце МП, предназначенном для применения в газоперекачивающих агрегатах.The possibility of implementing the proposed MP and achieving the required technical result is practically confirmed in the Scientific Research Institute of VNIIEM on an experimental sample of MP designed for use in gas pumping units.
Источники информацииSources of information
1. Труды НПП ВНИИЭМ. Вопросы электромеханики, том 100, 2001 г., с.275-282.1. Proceedings of NPP VNIIEM. Questions of Electromechanics, Volume 100, 2001, p.275-282.
2. Труды НПП ВНИИЭМ. Магнитный подвес роторов электрических машин и механизмов, Том 89, 1989 г., с.41-44.2. Proceedings of NPP VNIIEM. Magnetic suspension of rotors of electric machines and mechanisms, Volume 89, 1989, p.41-44.
3. Источники вторичного питания. /Под редакцией Ю.И.Конева. - М.: Радио и связь, 1990 г., с.93.3. Sources of secondary power. / Edited by Yu.I. Konev. - M.: Radio and Communications, 1990, p.93.
4. Система управления магнитными подшипниками. Руководство по эксплуатации ТАИК. 656447.018 РЭ - Документация НПП ВНИИЭМ (прототип).4. The control system of magnetic bearings. Operation manual TAIK. 656447.018 RE - Documentation NPP VNIIEM (prototype).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002135190/11A RU2242646C2 (en) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | Magnetic bearing |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002135190/11A RU2242646C2 (en) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | Magnetic bearing |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002135190A RU2002135190A (en) | 2004-06-27 |
RU2242646C2 true RU2242646C2 (en) | 2004-12-20 |
Family
ID=34387412
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002135190/11A RU2242646C2 (en) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | Magnetic bearing |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2242646C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2550155C2 (en) * | 2010-05-11 | 2015-05-10 | Сименс Акциенгезелльшафт | Device and method for current measurement in bearing |
-
2002
- 2002-12-27 RU RU2002135190/11A patent/RU2242646C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2550155C2 (en) * | 2010-05-11 | 2015-05-10 | Сименс Акциенгезелльшафт | Device and method for current measurement in bearing |
US9035664B2 (en) | 2010-05-11 | 2015-05-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Device and method for measuring currents in a bearing |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Cai et al. | An integrated multiport power converter with small capacitance requirement for switched reluctance motor drive | |
Gao et al. | Torque ripple minimisation of permanent magnet synchronous motor using a new proportional resonant controller | |
EP1508958B1 (en) | Voltage regulator | |
CN101964621B (en) | Method and control system for controlling a brushless electric motor | |
Gulez et al. | Torque ripple and EMI noise minimization in PMSM using active filter topology and field-oriented control | |
CN101630901A (en) | Switching regulator with boosted auxiliary winding supply | |
RU2451388C1 (en) | Device to control power generator output voltage | |
Shahgholian et al. | State space modeling and eigenvalue analysis of the permanent magnet DC motor drive system | |
Yang et al. | Model predictive direct speed control with novel cost function for SMPMSM drives | |
Torres et al. | A simple and robust controller design for high-frequency WBG-based current-source-inverter-fed AC motor drive | |
RU2242646C2 (en) | Magnetic bearing | |
Mahmud et al. | Utilizing of flower pollination algorithm for brushless DC motor speed controller | |
RU2579439C2 (en) | Selective control of ac engine or dc engine | |
Raheem et al. | Simulation Design of Blood-pump Intelligent Controller Based on PID-like fuzzy logic Technique | |
Agarlita et al. | Position sensorless control of a linear interior permanent magnet oscillatory machine, with experiments | |
Junling et al. | A novel uninterruptible power supply using flywheel energy storage unit | |
Liaw et al. | Random vibration test control of inverter-fed electrodynamic shaker | |
Ota et al. | Predictive Feedforward Control Based on Speed Error for Speed Ripple Suppression in Compressor Motors | |
Siwek et al. | Improvement of the torque control dynamics of the PMSM drive using the FOC-controlled simple boost QZSDMC converter | |
Chen et al. | Control of a linear reciprocating switched reluctance motor for compressors | |
Ming et al. | Large-signal stability analysis and shunt active damper compensation for dc microgrid with multiple constant power loads | |
CN113315446A (en) | SPIM motor drive circuit and method | |
Nhan et al. | Sliding-mode control design of a slotless self-bearing motor | |
Zhu et al. | Method of reducing noise and torque ripple of switched reluctance motor | |
JP2013130180A (en) | Vacuum pump |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071228 |