Особенности проектирования вентильных двигателей высокоскоростных компрессоров.

Повысить эффективности и расширить функциональные возможности воздушных и фреоновых компрессорных агрегатов можно, применяя высокоэффективные центробежные колеса. Однако, для практической реализации центробежных компрессоров малой и средней мощности (до 20 кВт) необходимо повышение частоты вращения центробежного рабочего колеса до 40000 об/мин (при мощности порядка 20 кВт) и до 200000 об/мин (при мощности порядка 0,5 кВт). Обеспечить подобные частоты вращения можно, лишь применяя подшипники с газовой смазкой и агрегатную систему построения компрессора, при которой рабочие колеса устанавливаются непосредственно на вал приводного устройства.

Практика показывает, что наиболее перспективным для данной области техники является применение в качестве привода вентильных двигателей (ВД) с возбуждением от постоянных магнитов на лепестковых газодинамических опорах [1]. Применение этих опор в сочетании с бесконтактным ВД увеличивает надежность и обеспечивает ресурс работы компрессора, исчисляющийся десятками тысяч часов, упрощает регламентные работы и техническое обслуживание. Более того, применение указанного типа устройств улучшает экономические показатели компрессорных агрегатов, поскольку снижается материалоемкость конструкции, устраняются затраты на систему масляной смазки, уменьшаются эксплуатационные затраты.

Работы по созданию высокоскоростных электрокомпрессоров ведутся в МЭИ на кафедре ЭКАО с 1993 г. С одной стороны, эти работы базируются на многолетнем опыте разработки и производства вентильных электроприводов специального назначения, а с другой - лепестковых газодинамических опор и центробежных колес.

Такое сочетание специалистов в одном коллективе позволило реализовать системный подход к проблеме создания высокоскоростных электрокомпрессоров и успешно выполнить ряд проектов по созданию воздушных и фреоновых агрегатов, а также сформировать подходы к проектированию высокоскоростных ВД и принципы построения электронных преобразователей для них.я и производства ВД центробежных электрокомпрессоров. Для таких ВД проблема механической прочности ротора (наряду с проблемой отвода тепла) является главной. От ее решения на стадии проектирования зависят надежность машины в целом, ее массогабаритные показатели, стоимость, а также многие другие показатели качества. Сложность же этого вопроса связана с особенностями технологии производства и выбором магнитных материалов для роторов высокоскоростных ВД. Проблема усугубляется тем, что постоянные магниты отличаются сравнительно низкой прочностью и высокой хрупкостью.

Сверхвысокая рабочая частота вращения определяет специфические особенности проектирования и производства ВД центробежных электрокомпрессоров. Для таких ВД проблема механической прочности ротора (наряду с проблемой отвода тепла) является главной. От ее решения на стадии проектирования зависят надежность машины в целом, ее массогабаритные показатели, стоимость, а также многие другие показатели качества. Сложность же этого вопроса связана с особенностями технологии производства и выбором магнитного материала для роторов высокоскоростных ВД. Проблема усугубляется тем, что постоянные магниты отличаются сравнительно низкой прочностью и высокой хрупкостью.

Рассмотрены два возможных конструктивных решения роторов высокоскоростных ВД, а именно монолитные ротора из специальных высокопрочных магнитных сплавов и составные ротора с бандажом.Особое внимание уделено монолитным роторам из сплавов группы "железо - хром - кобальт", например, 27Х15К, так как технология изготовления подобных роторов более простая, отработанная и дешевая, чем технология изготовления бандажированных роторов.

В отличие от других магнитных сплавов хром - кобальтовые сплавы обладают более высокими прочностными свойствами (предел текучести 400-440 МПа) и поддаются механической обработке на обычных металлорежущих станках, что позволяет изготавливать магниты сколь сложной формы, в частности, монолитные ротора для ВД. Но магнитные свойства этих сплавов весьма низкие [2]: коэрцитивная сила H_c=40-50 кА/м, индукцию насыщения B_r=1,2-1,33 Тл, что создает опасность размагничивания ротора в процессе работы ВД и, особенно, в пусковых режимах.

Низкие магнитные свойства и подверженность ротора размагничиванию привели не только к необходимости специальных подходов к определению главных размеров электрической машины, выбора схемы обмотки, но и определили требования к структуре электронного преобразователя. В докладе преведены конструкции ВД для воздушного (мощность 3,5 кВт, частота вращения ротора 120000 об/мин) и фреонового (2,0 кВт, 42000 об/мин) компрессоров, показаны их особенности.

Рассмотрены принципы построения силовой и управляющей частей электронных преобразователей для высокоскоростных ВД, позволяющие значительно снизить пусковые токи, обеспечить надежный запуск электрокомпрессора и выход на режим за заданное время. Приведены результаты разработки и данные экспериментальных исследований.

Литература

1. Безмасляные турбомашины на базе сверхвысокоскоростных вентильных электроприводов. / Захарова Н.Е. и др. // Вентильные электромеханические системы: Сб. докл. науч.-практическ. семинара. М.: Изд=во МЭИ, 1996.

2. Прецизионные сплавы: Справочник / Под ред. Молотилова Б.В. М.: Металлургия, 1983.