21252

۲۱۲۵۲

تحليل و طراحي جامع ياتاقان هاي مغناطيسي پسيو

دكتري

قدرت

۱۳۹۱

۱۳۹۸/۷/۱۶

دكتر حسين حيدري

برق

ياتاقان وسيله¬اي است كه براي تعليق يك روتور در حال چرخش به كار مي¬رود. پيشرفت فناوري و نياز به سرعت-هاي بالا و يا نياز به كار در محيط¬هاي پاك، استفاده از ياتاقان¬هاي مكانيكي را با مشكل مواجه كرد و به تدريج ياتاقان¬هاي مغناطيسي با عملكرد عالي در سرعت¬هاي بالا و بدون نياز به هيچ روغنكاري به وجود آمدند. ياتاقان¬هاي مغناطيسي اكتيو (AMB) پركاربردترين نوع از اين ياتاقان¬ها هستند. اين ياتاقان¬ها به دليل استفاده از سنسور، كنترل¬كننده، تقويت كننده و ديگر تجهيزات، علارغم عملكرد خوب داراي قابليت اطمينان كمتر و پيچيدگي زيادي هستند. ياتاقان¬هاي مغناطيسي پسيو (PMB) داراي ساختاري ساده¬تر، مقاوم¬تر و پربازده¬تر نسبت به نوع اكتيو هستند. ياتاقان¬هاي پسيو با رينگ¬هاي آهن¬رباي دائم، بهترين و كاربردي¬ترين نوع PMB هستند. مهمترين عيب اين ياتاقان¬ها اين است كه آنها تنها در يك جهت سختي مثبت و پايداري ايجاد مي¬كنند و باعث ناپايداري در جهت ديگر مي¬شوند. با اين وجود، ساختار ساده آنها سبب شده كه در بسياري از كاربردها براي پايداري يك جهت به كار روند در حالي كه جهت¬هاي ديگر توسط انواع ديگر ياتاقان جبران مي¬شود. سختي اين ياتاقان¬¬ها نيز با دو رينگ تنها بسيار كم بوده و روش¬هاي مختلفي مانند استفاده از ساختار هالباخ، استاندارد و يا استفاده از مواد فرومغناطيس بايستي براي افزايش سختي به كار برده شود. همچنين، اين ياتاقان¬ها فاقد هرگونه نيروي ميرا كننده¬اي هستند و در تعليق آنها نوسانات ميرا نخواهد شد. بنابراين استفاده از اين نوع ياتاقان¬ها بسيار محدود شده و در صورت استفاده، با يك ميراكننده پسيو يا اكتيو ديگر همراه مي¬شوند. در صورتي كه بتوان عيوب اصلي ياتاقان¬هاي پسيو را برطرف كرد، به دليل سادگي، كم حجم بودن و كم بودن تلفات مي¬توانند جايگزين نوع اكتيو شوند. بدين منظور، ابتدا ساختارها مختلف PMB كه توانايي توليد نيروي سختي و ميرايي زيادي داشته باشند، مورد بررسي قرار خواهند گرفت. اين ساختارها عبارتند از ساختار ساده، استاندارد محوري (با فواصل آهني)، استاندارد شعاعي (با آهن و يا مس پشتي)، هالباخ كامل (با لايه¬ي مسي مياني) و ساختار هالباخ كاهش يافته. سختي و ميرايي در اين ياتاقان¬ها با روش تحليلي محاسبه خواهد شد و سپس توسط شبيه¬سازي FEM صحت نتايج بررسي مي¬شود. همچنين ابعاد اين ياتاقان¬ها براي بيشترين نيرو بهينه خواهند شد و نحوه طراحي هر كدام از آنها بيان خواهد شد. در نهايت نيز مقايسه¬اي بين تمام ساختارهاي پيشنهاد شده انجام خواهد شد و بهينه¬ترين آنها براي كاربردهاي متفاوت معرفي خواهد شد. نتايج اين پژوهش نشان مي¬دهد كه ياتاقان¬هاي مغناطيسي پسيوي با مقادير بزرگ سختي و ميرايي با كمترين استفاده از آهن¬ربا مي¬تواند بدست آيد و اين ياتاقان¬ها مي¬توانند جايگزين نوع پيچيده اكتيو براي پايدارسازي در يك جهت شوند.

1398/08/13

Comprehensive Analysis and Design of Passive Magnetic Bearings

11/6/2019 12:00:00 AM

Magnetic bearings offer many technical advantages compared to mechanical bearings such as oil-free operation, negligible friction loss, low acoustic noise, and extending a limit of rotational speed. Passive magnetic bearings (PMBs) have very simple, robust, and efficient structure compared to common active magnetic bearings (AMBs). PMBs with opposing magnetic rings are one of the well-known configurations in this category. The force between magnets may be repulsive or attractive for radial or axial bearings, respectively. The main disadvantage of such bearings is that they produce positive stiffness and stabilizing effect only in one direction and have negative stiffness and destabilizing effect in other directions. However, their simple structure makes them ideal for stabilizing of one direction in a situation where the instabilities in other directions are compensated with other types of bearings. These bearings have low stiffness and approximately no any damping and so, despite their very advantages, they have not been given Special attentions. In this thesis, we deal with the methods to improve the performance of such bearings to make them a useful bearing in special applications. The stiffness of such bearings are improved by using rotating magnetization (Halbach stacking) or alternately radially or axially magnetization (standard stacking). Furthermore, we used ferromagnetic materials and air intervals for more improving the stiffness. For producing the required damping, we added a thin layer of conductor in Halbach stacking and also proposed the configuration of reduced Halbach stacking. The stiffness and damping of the proposed configurations are calculated through a 2D dynamic analytical method. We solve the Laplace equations in each region and after applying the boundry conditions, we determined the magnetic field distributions in the space. After calculating the magnetic fields, the forces, stiffness, and damping are calculated by using classical Maxwell tensor. Then, we validated our analytical results with the finite element method simulation. The stiffness, damping, and sizes of the magnets and conductors are normalized for giving a general solution. The sizes of the magnets are optimized for maximum stiffness and damping per magnet volume ratio. The procedure of designing of PMBs for maximum of both stiffness and damping was presented. We could achieve the best configurations of PMBs for each special application.