REACTION WHEELS WITH MAGNETIC-HYDRAULIC BEARINGS

Full Text

Введение. Одним из основных свойств электродвигателей-маховиков (ЭДМ), входящих в систему ориентации и стабилизации космических аппаратов, является стабильность положения вектора кинетического момента. Формирование этого вектора определяется положением оси вращения ротора-маховика, которое напрямую зависит от возникающих возмущений в опорах вращения [1; 2]. Источник возникновения возмущений - вибрации в шарикоподшипнике, обусловленные его кинематикой и зависящие от частоты вращения его кольца. Кроме того, такие вибрации связаны с технологией производства самого шарикоподшипника и зависят от точности изготовления его деталей, качества рабочих поверхностей, их формы, разноразмерности тел качения, зазоров и т. д. Уровни вибраций по этим причинам значительны [3; 4]. Для повышения жесткости подшипникового узла подшипники нагружают начальной осевой силой, создавая преднатяг (например, за счет установки упругих элементов под одно из колец). Однако это приводит к тому, что шарики, катясь по постоянной дорожке качения, быстро достигают в отдельных точках поверхности предельного числа циклов нагружения, а следовательно, и максимального износа. Если при этом присутствует овальность колец и шариков, то интенсивность износа значительно возрастает [5; 6]. Описание конструкции опоры вращения. Для уменьшения влияния возмущений со стороны опоры вращения на вектор кинетического момента и стабилизации его положения предлагается использовать вместо шарикоподшипников магнитогидравлические опоры (рис. 1). Рис. 1. Конструкция магнитогидравлической опоры Опора состоит из кольцевых постоянных магнитов 1, намагниченных в радиальном направлении, расположенных друг к другу разноименными полюсами, закрепленных через немагнитные вставки 2 в магнитопроводящем корпусе 3. Немагнитный вал 5 центрируется внутри опоры магнитной жидкостью 4, которая удерживается магнитным полем в зазоре между магнитами 1 и валом 5. Потоки от внешних поверхностей магнитов 1 замыкаются через магнитопроводящий корпус 3. Описание магнитной жидкости. Магнитная жидкость (МЖ) представляет собой коллоидный раствор однодоменных магнитных частиц в жидкой основе, обладает высокой текучестью и намагниченностью насыщения (до 100 кА/м). Каждая магнитная частица покрыта тонким слоем защитной оболочки поверхностно-активных веществ (ПАВ), что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объему жидкости. Поэтому, в отличие от обычных суспензий, частицы в магнитной жидкости не оседают на дно, и она может сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет (рис. 2) [7; 8]. Рис. 2. Схема строения магнитной жидкости: 1 - магнитная частица; 2 - защитная оболочка с ПАВ В магнитогидравлической опоре используется свойство данной жидкости перемещаться в область с наибольшей напряженностью под действием неоднородного магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами. Явление, вытекающее из этого свойства, - левитация немагнитных тел в самой МЖ, которая концентрируется в области большего магнитного поля и выталкивает немагнитное тело. Если немагнитное тело находится в зазоре, заполненном МЖ, между двумя областями с повышенным значением магнитного поля, то оно центрируется между ними. В общем случае предельную нагрузку на магнитогидравлическую опору, при которой немагнитный вал будет находиться во взвешенном состоянии, можно оценить по формуле [9; 10] Fн = μ0MsHмS, где Fн - несущая сила; Ms - намагниченность насыщения магнитной жидкости; Hм - значение напряженности магнитного поля на поверхности немагнитного вала; S - площадь опоры в плоскости, перпендикулярной выталкивающей силе. Описание конструкций ЭДМ. На рис. 3 изображено сечение электродвигателя-маховика с магнитогидравлическими опорами. Электродвигатель-маховик содержит роторную систему А, которая состоит из магнитогидравлических опор 6, расположенных симметрично от маховика 1 с закрепленными на нем деталями электродвигателя 5. Магнитогидравлическая опора 6 содержит кольцевые магниты 3, поочередно установленные с немагнитными кольцами 2 в корпусах немагнитных втулок 4, охватывающих вал маховика 8 и магнитной жидкости 7, заполняющей зазор между кольцевыми магнитами 3 и валом маховика 8. Недостатком такого ЭДМ является отсутствие регулирования положения вала маховика вдоль оси вращения, что позволяет ему смещаться от установленного положения при воздействии на корпус ЭДМ внешних ударных нагрузок. В результате смещения появившееся биение контактирующих поверхностей приведет к неуравновешенности роторной системы, а возникшие вибрации создадут динамическую нагрузку, что вызовет дополнительный дисбаланс всей системы вращения вала маховика. Рис. 3. ЭДМ с магнитогидравлическими опорами Регулировка вала маховика вдоль оси вращения с помощью комплектов электромагнитов, расположенных на торцах магнитогидравлических опор, обеспечит необходимое уравновешенное состояние вала маховика в корпусе ЭДМ при внешних воздействиях на него (рис. 4) [11]. Рис. 4. ЭДМ с электромагнитным регулированием Предлагаемое техническое решение позволяет повысить стабильность работы роторной системы, жесткость конструкции за счет удержания от смещения в осевом направлении вала маховика, что дает стабильность характеристик роторной системы при вращении, когда на нее действуют осевые силы смещения. Регулирование вала маховика происходит следующим образом. При подаче питания на электродвигатель начинается вращение роторной системы, создавая кинетический момент, пропорциональный частоте вращения. При смещении вала маховика 1 от установленного положения в осевом направлении сигнал с датчика положения вала 3 поступает в схему управления электромагнитами 2, которые возвращают вращающийся вал в магнитогидравлических опорах 4 в исходное положение. Однако необходимо повышение надежности работы вала маховика, когда на него действуют не только осевые силы смещения, но и радиальные. Указанная цель достигается тем, что в ЭДМ с магнитогидравлическими опорами, электромагнитами, датчиками положения маховика встроены аварийные шарикоподшипники и дополнительно введены датчики их вращения (рис. 5) [12]. Рис. 5. ЭДМ с аварийными шарикоподшипниками Регулирование вала маховика в данном случае осуществляется следующим образом. При радиальном смещении вала маховика 1, когда на корпус воздействуют ударные нагрузки, его вращение компенсируется аварийными шарикоподшипниками 4. Датчики вращения 5 выдают сигнал, поступающий в схему управления электромагнитами 2, которые возвращают вал маховика 1, вращающийся в магнитогидравлических опорах 3, в исходное уравновешенное состояние. Заключение. Создание ЭДМ, выполненного на магнитогидравлических опорах с аварийными шарикоподшипниками, позволяет повысить стабильность работы роторной системы, когда на нее действуют осевые и радиальные силы смещения, при механических ударах на корпус ЭДМ. Преимущество использования сигнала с датчиков аварийных шарикоподшипников при отклонении маховика из центрального положения вплоть до касания об эти шарикоподшипники - возможность исключения ложных переключений комплектов электромагнитов благодаря косвенным сигналам с датчиков положения маховика при кратковременных ударных воздействиях на корпус ЭДМ [13-15]. В то же время магнитная жидкость служит смазывающим, демпфирующим звеном, что снижает момент трогания, уменьшает трение в опоре вращения и увеличивает ресурс работы.

About the authors

D. V. Ermakov

SС “Scientific&Industrial Сentre “Polyus”

Email: POLUS@ONLINE.TOMSK.NET
56v, Kirov Av., Tomsk, 634041, Russian Federation

References

Supplementary files