بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به کاربردهای مختلف و متفاوت ماشینهای سرعت بالا در صنعت، نیاز به طراحیهای متفاوت این ماشینها نیز بیشتر احساس میشود. یکی از قسمتهای اصلی این ماشینها، یاتاقانهای مغناطیسی آنها است. به طور کلی، استاتور یاتاقانهای مغناطیسی شعاعی و یاتاقانهای مغناطیسی ترکیبی - شعاعی و محوری - در فضای شعاعی توزیع شده است. زمانی که ابعاد شعاعی محدود است، این ساختارها قابل اجرا نیستند.
یاتاقانهای مغناطیسی پنجهای شکل، برای کاربردهایی که ابعاد شعاعی محدود است مناسب هستند. هدف از ارائه این مقاله، معرفی یاتاقان مغناطیسی هیبریدی مخروطی پنجهای شکل است که علاوه بر کوچک بودن ابعاد شعاعی نسبت به یاتاقانهای مغناطیسی معمولی، طول محوری کوچکتری نیز نسبت به یاتاقانهای مغناطیسی مخروطی دارند. در ادامه این مقاله، ضمن معرفی ساختار و اصول کار CHMB ، روابط تحلیلی برای محاسبه نیروی مغناطیسی ارائه شده و مدل اجزای محدود سه بعدی از آن توسط نرم-افزار ماکسول تحلیل شده است.
کلمات کلیدی: یاتاقان مغناطیسی مخروطی، یاتاقان هیبریدی، ساختار پنجهای،
مقدمه
وجود اصطکاک در یاتاقانهای مکانیکی از اصلیترین موانع برای دستیابی به سرعتهای بالا میباشد. مشکل دیگری که در این نوع از یاتاقانها وجود دارد، قابلیت استفاده در محدوده کوچک دمایی میباشد. به دلیل استفاده از فلزات برای تولید این یاتاقانها، با تغییرات دما، انبساط و انقباض فلز باعث اختلال در چرخش روان یاتاقان میباشد. در دهههای اخیر برای غلبه بر اصطکاک و رفع مشکل انقباض و انبساط یاتاقان، استفاده از یاتاقانهای مغناطیسی مطرح شده است.
نیروی مغناطیسی تولید شده توسط یاتاقان باعث میشود شفت دوار - روتور - در مرکز یاتاقان به صورت معلق نگه داشته شود. بنابراین هیچ تماسی بین یاتاقان و روتور وجود ندارد. این باعث میشود عملیات بدون روغنکاری و بدون پوشش مکانیکی انجام شود . بعضی از ویژگیهای جذاب و مفید از یاتاقانهای مغناطیسی مانند: مقاومت صفر در لحظه گردش، عدم نیاز به گریسکاری، بدون سایش و پارگی، سر و صدای کم، سازگار با محیط زیست و ... باعث شده صنایع سعی در استفاده از این نوع یاتاقانها به جای یاتاقانهای مکانیکی داشته باشند.
امروزه یاتاقانهای مغناطیسی در ماشینهای سرعت بالا ، سیستمهای ذخیره انرژی چرخ طیار، چرخهای واکنشی، کمپروسورهای با قابلیت اطمینان بالا، قلب مصنوعی، پمپهای خلا مولکولی، ژیروسکوپهای کنترل لحظهای، سانتریفیوژهای انرژی اتمی، پرتاب ماهوارهها و ... استفاده میشود. یاتاقانهای مغناطیسی بر اساس مکانیزم تولید نیروی مغناطیسی و نوع طراحیشان، به سه دسته تقسیمبندی میشوند: پسیو، فعال و هیبرید.
یاتاقانهای مغناطیسی پسیو از آهنربای دائم ساخته میشوند که هیچ حلقه مسی به آن متصل نیست، به عبارتی نیروهای مورد نیاز تنها توسط آهنرباهای دائم بدست می آیند. بنابراین، این یاتاقانها مزیتهایی از جمله تلفات توان کمتر و اندازه کوچکتر را ارائه میدهند. با این حال، توانایی کنترل فعال را ندارند و به طور کلی میرایی کمتر و ظرفیت بار پایینتری در مقایسه با یاتاقانهای مغناطیسی فعال را فراهم میکنند.
در مقابل، یاتاقانهای مغناطیسی فعال، توانایی کنترل بهتر و سختی بالاتری را دارند زیرا در آن تعلیق روتور به صورت الکتریکی کنترل میشود. به منظور بهرهبرداری از مزیتهای هر دو نوع یاتاقان پسیو و فعال، میتوان ترکیبی از این دو نوع را به کار برد. یاتاقانهای مغناطیسی فعالی که از آهنربای دائم برای تولید میدان بایاس استفاه میکنند، یاتاقانهای مغناطیسی بایاس شده آهنربای دائمی و یا یاتاقانهای مغناطیسی هیبریدی نامیده میشوند مزیت اصلی چنین روشی این است که تلفات انرژی الکتریکی در ارتباط با تولید میدان بایاس حذف میشود، و در نتیجه تلفات توان کمتر است. از این رو، امروزه توجه بیشتری به یاتاقانهای هیبریدی میشود.
در سیستمهای یاتاقان مغناطیسی متعارف، به طور معمول از سه یاتاقان مغناطیسی برای کنترل پنج درجه آزادی روتور استفاده میشود. این میتواند در قالب دو یاتاقان مغناطیسی شعاعی و یک یاتاقان مغناطیسی محوری باشد. به منظور کاهش مقدار و اندازه کلی سیستم ، یک واحد تنها از یاتاقان مغناطیسی مطرح شده که نیرو هم در جهت شعاعی و هم محوری ارائه میدهد. در حال حاضر، به طور عمده دو نوع پیکربندی از این یاتاقان مغناطیسی وجود دارد که یکی ترکیب یاتاقان مغناطیسی - شعاعی و محوری - و دیگری یاتاقان مغناطیسی فعال مخروطی میباشد.
در نوع ترکیبی، ترکیبی از یک یاتاقان شعاعی و یک یاتاقان محوری به کار میرود. چنین ساختاری، نیروی مغناطیسی محوری را روی دیسک محوری روتور اعمال میکندوجود. این دیسک محوری با قطر نسبتاً بزرگ باعث افزایش حجم سیستم میشود . سیستم یاتاقان مغناطیسی مخروطی به دیسک محوری نیاز ندارد. ساختار آن کاملاً شبیه به یاتاقان مغناطیسی شعاعی معمولی است به جز آنکه هر دو سطح کارکرد استاتور و روتور مخروطیاند که اجازه میدهد تا نیرو هم در جهت شعاعی و هم محوری اعمال شود.
بنابراین، روتور میتواند در هوا توسط دو یاتاقان مغناطیسی مخروطی معلق بماند و دیگر به دیسک محوری نیاز ندارد. با این حال، هم هسته استاتور و هم سیمپیچ یاتاقان مغناطیسی مخروطی در جهت شعاعی توزیع شدهاند، بنابراین فضای شعاعی بزرگتری نیز گرفته میشود. اندازه شعاعی بزرگ، کاربرد یاتاقانهای مغناطیسی را در مورد فضای شعاعی کوچک، محدود میکند.در یک یاتاقان مغناطیسی فعال پنجهای شکل معرفی شده است . این نوع از یاتاقان در مقایسه با یاتاقانهای مغناطیسی مخروطی مرسوم، اندازه شعاعی بسیار کوچکتری دارد به گونهای که اندازه شعاعی با قطر روتور برابر است، چون هسته استاتور و سیمپیچهای آن هر دو در فضای محوری توزیع شدهاند، بنابراین، در مواردی که فضای شعاعی محدود است برای استفاده مناسب میباشد.
با توجه به ویژگیهایی که برای یاتاقانهای هیبریدی در مقایسه با یاتاقانهای پسیو و فعال بیان شد، در این مقاله یک یاتاقان مغناطیسی هیبریدی پنجهای شکل مطرح شده است. در مقایسه با یاتاقان مغناطیسی فعال پنجهای شکل، این طرح از ویژگیهای بسیاری برخوردار است از جمله: کاهش مصرف برق، کاهش طول محوری یاتاقان، کاهش سیمپیچهای استاتور و در نتیجه کاهش حجم و هزینه. کاهش طول محوری یاتاقان در این طرح باعث میشود تا علاوه بر قابلیت کاربرد در فضای شعاعی محدود، توانایی کار در فضای محوری محدود را نیز داشته باشد.
در این مقاله به معرفی این ساختار جدید و اصول آن پرداخته شده است و سپس فرمولهای تحلیلی برای محاسبه نیروی مغناطیسی و چگالی شار از این یاتاقان با استفاده از روش مدار مغناطیسی و اصل جابهجایی مجازی استنتاج میکند. در نهایت، ویژگیهای نیروی مغناطیسی اساسی از طراحی این یاتاقان توسط روش المان محدود سه بعدی تحلیل شده است.
ساختار
CHMB از دو جزء استاتور و یک جزء روتور تشکیل شده است، و روتور در هوا توسط دو استاتور مخروطی پنجهای معلق میماند. دو هسته استیل مخروطی در هر دو انتهای شفت نصب شده است.
پیکربندی CHMB
هسته استاتور دارای یک ساختار پنجهای شکل است که از یوغ استاتور حلقهای شکل و هشت دندانه استاتور تشکیل شده است. چهار آهنربای دائم و چهار ماده غیر مغناطیسی در یوغ استاتور بین دو دندانه متوالی به صورت یک در میان قرار گرفتهاند. سیمپیچهای استاتور به دور هر دندانه پیچانده شده است. همه هشت دندانه استاتور دارای یک سطح مخروطی در انتهایشان هستند. دندانه استاتور با هسته استیل مخروطی تشکیل زاویه مخروطی میدهد.
