Badania prototypu pierścieniowego elektrycznego zespołu napędowego

Slide1Pierścieniowy elektryczny zespół  napędowy  –  badania prototypu Pierścieniowy  elektryczny zespół  napędowy  –  badania prototypu Autorzy: Autorzy: Piotr  Grymajło Piotr  Grymajło Leszek  Matuszewski Leszek  Matuszewski

Slide2Celem projektu  jest  zbadanie  własności  i  celowości stosowania  nowoczesnych  łożysk  elektromagnetycznych  dla pędnika  śrubowego  w    wersji  silnika pierścieniowego  synchronicznego  z  magnesami  z  ziem rzadkich.  Łożyska  elektromagnetyczne  generują  siły,  które utrzymują  wirnik  w  stanie  lewitacji.  Podstawową  zaletą  łożysk magnetycznych  jest: 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, •   bardzo  mały  moment  oporowy, • wyeliminowanie  instalacji  chłodzenia  oraz  smarowania niezbędnych  do  prawidłowej  pracy  maszyn  wirnikowych  z łożyskami  tocznymi  i  ślizgowymi,  które  się  zużywają • 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. •   Żywotność  urządzeń  łożyskowanych  magnetycznie  jest nieporównywalna  z  innymi. Cel  Projektu Cel  Projektu

Slide3Gdzie się  stosuje  łożyska elektromagnetyczne  ? Gdzie  się  stosuje  łożyska elektromagnetyczne  ? • w  łożyskowaniu  wirników  maszyn  przepływowych (sprężarki,  pompy,  turbiny), • w  łożyskowaniu  wirników  maszyn  przepływowych (sprężarki,  pompy,  turbiny), • w  turbinowych  silnikach  lotniczych, • w  turbinowych  silnikach  lotniczych, • w  silnikach  elektrycznych, • w  silnikach  elektrycznych, • w  łożyskowaniu  wysokoobrotowych  elektrowrzecion precyzyjnych  obrabiarek, • 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  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 • w  maszynach,  gdzie  wymagana  jest  absolutna czystość  i  sterylność  (medycyna  –  rozruszniki  serca, przemysł  spożywczy  i  farmaceutyczny),   i  w  wielu innych

Slide4Korzyści wynikające  z  zastosowania pędnika  pierścieniowego łożyskowanego  magnetycznie : 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, • 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, • Opracowanie  nowego  typu  napędu  o  wysokiej sprawności,  dynamice  i  żywotności, • Wyznaczenie  zestawu   parametrów  dla  modelu matematycznego  nowego  typu  zespołu  napędowego • Wyznaczenie  zestawu   parametrów  dla  modelu matematycznego  nowego  typu  zespołu  napędowego      do  celów  projektowych  i  komputerowej   symulacji działania      do  celów  projektowych  i  komputerowej   symulacji działania

Slide5Niezbędne zadania  i  najważniejsze zagadnienia  badawcze: Niezbędne  zadania  i  najważniejsze zagadnienia  badawcze: • Zaprojektowanie,  wykonanie  i  badania  łożyska magnetycznego  sterowanego • Zaprojektowanie,  wykonanie  i  badania  łożyska magnetycznego  sterowanego • Wykonanie  prototypu  silnika  pierścieniowego łożyskowanego  magnetycznie • Wykonanie  prototypu  silnika  pierścieniowego łożyskowanego  magnetycznie • Wykonanie  uszczelnienia  ferrofluidalnego • Wykonanie  uszczelnienia  ferrofluidalnego • Integracja  układu  i  wstępne  badania  z  pędnikiem • Integracja  układu  i  wstępne  badania  z  pędnikiem • Badania  eksperymentalne  nowego  typu  pędnika • Badania  eksperymentalne  nowego  typu  pędnika

Slide6Ogólna koncepcja  zespołu  napędowego z  pierścieniowym pędnikiem  śrubowym  w  wersji   z  łożyskiem  elektromagnetycznym  wirnika Ogólna  koncepcja  zespołu  napędowego z  pierścieniowym pędnikiem  śrubowym  w  wersji   z  łożyskiem  elektromagnetycznym  wirnika

Slide7Wersja zgłoszona  do  opatentowania Wersja  zgłoszona  do  opatentowania

Slide8Rozkład sił Rozkład  sił

Slide9Siłownik elektromagnetyczny Siłownik  elektromagnetyczny

Slide13Animacja śruba

Slide15Rozkład sił -  animacja ‘siły’ Rozkład  sił -  animacja ‘siły’

Slide16KONCEPCJANOWEJ WERSJI PO BADANIACH WSTĘPNYCH

Slide17Zespół napędowy  podczas  badań  w tunelu  kawitacyjnym  IMP  PAN Zespół  napędowy  podczas  badań  w tunelu  kawitacyjnym  IMP  PAN

Slide18Układ pomiarowy  IMP  PAN   dynamometr  opracowany  przez  J.  Koronowicza Układ  pomiarowy  IMP  PAN   dynamometr  opracowany  przez  J.  Koronowicza

Slide19   Opracowanie  i  badania  parametrów uszczelnień  ferrofluidalnych 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. 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.

Slide21Przekrój węzła  uszczelniającego  z cieczami  ferrofluidalnymi Przekrój  węzła  uszczelniającego  z cieczami  ferrofluidalnymi

Slide22Moment tarcia  M t   w  zależności  od  liczby występów  uszczelniających  Z ,   =0,1mm, t=50 ° C,  n=3000;  6000;  9000  obr/min. Moment  tarcia  M t   w  zależności  od  liczby występów  uszczelniających  Z ,   =0,1mm, t=50 ° C,  n=3000;  6000;  9000  obr/min.

Slide23Ciśnienie przebicia  p kr   oraz  zjawisko wielokrotnego  uszczelniania  („reseal”) Ciśnienie  przebicia  p kr   oraz  zjawisko wielokrotnego  uszczelniania  („reseal”)

Slide24Ciśnienie 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.

Slide25Ciśnienie 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. 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.

Slide26Głowica do  prób  szybkoobrotowych  – widok  dynamometru Głowica  do  prób  szybkoobrotowych  – widok  dynamometru

Slide27Widok ogólny  stanowiska Widok  ogólny  stanowiska

Slide28Widok szczeliny Widok  szczeliny

Slide29Model matematyczny  pędnika morskiego  łożyskowanego magnetycznie Model  matematyczny  pędnika morskiego  łożyskowanego magnetycznie • Założenia  i  przeznaczenie  modelu, • Założenia  i  przeznaczenie  modelu, • Kinematyka  węzła  magnetycznego, • Kinematyka  węzła  magnetycznego, • Część  mechaniczna, • Część  mechaniczna, • Część  elektromagnetyczna, • Część  elektromagnetyczna, • Część  hydrostatyczna  i  hydrodynamiczna, • Część  hydrostatyczna  i  hydrodynamiczna,

Slide30Model matematyczny:  założenia Model  matematyczny:  założenia • Cel  modelowania:  pomoc  przy  projektowaniu urządzenia,  badania  symulacyjne,  synteza sterowania • Cel  modelowania:  pomoc  przy  projektowaniu urządzenia,  badania  symulacyjne,  synteza sterowania

Slide31Model matematyczny:  kinematyka Model  matematyczny:  kinematyka Do  opisu  spoczywającego  pędnika  przyjęto  dwa  układy  współrzędnych: Do  opisu  spoczywającego  pędnika  przyjęto  dwa  układy  współrzędnych: - układ  współrzędnych  związany  ze  stojanem  pędnika  -  Ws - układ  współrzędnych  związany  ze  stojanem  pędnika  -  Ws - Układ  współrzędnych  związany  z  wirnikiem  pędnika  -  Wp - 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  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 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: Zdefiniowano  również  macierze  transformacji  prostej  i  odwrotnej, pomiędzy  prędkościami  w   Wp  i  Ws: v  =Rsw[6x6]  dx/dt        dx/dt=  Rws[6x6]  v v  =Rsw[6x6]  dx/dt        dx/dt=  Rws[6x6]  v

Slide32Model matematyczny:  kinematyka  I Model  matematyczny:  kinematyka  I  

Slide33Model matematyczny:  część mechaniczna 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

Slide34Model matematyczny:  część elektromechaniczna Model  matematyczny:  część elektromechaniczna

Slide35Model matematyczny:  Zestawienie Model  matematyczny:  Zestawienie Gdzie:  v[6x1], x[6x1], i[8x1], - wektory prędkości, położenia wirnika oraz prądu cewek      wyznaczają 20-sto wymiarową przestrzeń stanu

Slide36wektorywektory

Slide37Stabilizacja aktywnego  zawieszenia magnetycznego Stabilizacja  aktywnego  zawieszenia magnetycznego Sformułowanie  problemu: 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. 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. Algorytm  musi  umożliwiać  stabilizację  5  stopni  swobody, dla  całego  zakresu  prędkości  obrotowej  pędnika.

Slide38Stabilizacja aktywnego  zawieszenia magnetycznego  I Stabilizacja  aktywnego  zawieszenia magnetycznego  I Główne  problemy: Główne  problemy: • Nieliniowość  zjawisk  elektrodynamicznych, • Nieliniowość  zjawisk  elektrodynamicznych, • Nieliniowość  równań  kinematyki, • Nieliniowość  równań  kinematyki, • Silne  sprzężenia  skrośne  pomiędzy  poszczególnymi  torami regulacji  położenia, • Silne  sprzężenia  skrośne  pomiędzy  poszczególnymi  torami regulacji  położenia, • Zmienne  w  czasie  zakłócenia, • Zmienne  w  czasie  zakłócenia, • Niedostępność  pomiaru  wektora  prędkości  ruchu, • Niedostępność  pomiaru  wektora  prędkości  ruchu, • Układ  pomiarowy:  nieliniowe  transformacje,  nadmiarowość czujników, • Układ  pomiarowy:  nieliniowe  transformacje,  nadmiarowość czujników, • Sprawność, • Sprawność, • Ograniczenia  elementów  wykonawczych, • Ograniczenia  elementów  wykonawczych, • Niedokładność  wykonania  urządzenia, • Niedokładność  wykonania  urządzenia,

Slide39Stabilizacja aktywnego  zawieszenia magnetycznego  II Stabilizacja  aktywnego  zawieszenia magnetycznego  II Proponowane  rozwiązania: Proponowane  rozwiązania: • Układ  5  niezależnych  regulatorów  typu  PID  (SISO)  + nieliniowa  transformacja  odsprzęgająca, • Układ  5  niezależnych  regulatorów  typu  PID  (SISO)  + nieliniowa  transformacja  odsprzęgająca, • Podejście  nieliniowe:  linearyzacja  poprzez  sprzężenie zwrotne  (rozszerzenie  istniejących  wyników  badań  na przypadek  łożyska  wielowymiarowego) • Podejście  nieliniowe:  linearyzacja  poprzez  sprzężenie zwrotne  (rozszerzenie  istniejących  wyników  badań  na przypadek  łożyska  wielowymiarowego) • Nieliniowa  estymacja  wektora  prędkości  wirnika,  oraz wektora  zakłóceń • Nieliniowa  estymacja  wektora  prędkości  wirnika,  oraz wektora  zakłóceń

Slide40Stanowisko prototypowe Stanowisko  prototypowe • Opis  prototypu • Opis  prototypu – Część  mechaniczna, – Część  mechaniczna, – Część  elektryczna, – Część  elektryczna, – Część  pomiarowa, – Część  pomiarowa, – Część  sterująca. – Część  sterująca. • Wnioski,  dalsze  prace… • Wnioski,  dalsze  prace…

Slide41Badania prototypowe:  część mechaniczna Badania  prototypowe:  część mechaniczna

Slide42Badania prototypowe:  część elektryczna Badania  prototypowe:  część elektryczna W fazie projektu: Ośmiokanałowy, bipolarny zasilacz impulsowy sterowany mikroprocesorowo z możliwością pracy w trybie zasilacza napięciowego/prądowego.

Slide43Badania prototypowe:  część sterująca 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].

Slide44Badania prototypowe:  część pomiarowa Badania  prototypowe:  część pomiarowa 8 czuników wiroprądowych typu:    XX Bentley

Slide45Dalsze prace Dalsze  prace • Prace  nad  nowymi  algorytmami  stabilizacji AZM • Prace  nad  nowymi  algorytmami  stabilizacji AZM • Kontynuacja  badań  symulacyjnych, • Kontynuacja  badań  symulacyjnych, • Implementacja  wybranych  algorytmów sterowania  na  stanowisku  prototypowym • Implementacja  wybranych  algorytmów sterowania  na  stanowisku  prototypowym