Modelování a optimalizace magnetických spojek

Modeling and Design Optimization of Magnetic Drive

book

Czech

Tato monografie se zabývá vytvořením modelu torzní rotorové soustavy na bázi MKP k provedení analýzy chování rotorové soustavy s magnetickou spojkou. Program byl vytvořen v programovém systému MATLAB s využitím nadstavby SIMULINK. Program umožňuje zavádět vazbu mezi dva rotory, čímž modeluje magnetickou spojku. Tato vazba je možná jak lineární, tak i nelineární a neklade si žádné nároky na tvar funkce, která ji popisuje. Program bohužel obsahuje algoritmus, který předpokládá jiný druh chování v oblasti nestabilní charakteristiky, než jaký se podařilo prokázat u experimentálního modelování. Dále se monografie zabývá analýzou problému užití magnetické spojky v čerpadle na kapalné soli pro transmutační zařízení. Problémem aplikace spojky v tomto zařízení je nepříznivě vysoká teplota okolního prostředí magnetické spojky, která nepříznivě (trvale) ovlivňuje vlastnosti permanentních magnetů. Byla navržena konstrukční změna magnetické spojky, která vliv teploty na permanentní magnety eliminuje. Tato konstrukční změna spočívá v náhradě vnitřního rotoru magnetické spojky rotorem pasivním (bez permanentních magnetů, vyrobeným z feromagnetického materiálu). Problémem této náhrady je však pokles maximálně přenášeného kroutícího momentu magnetickou spojkou. Z tohoto důvodu byla v této části provedena optimalizace tvaru zubu vnitřního rotoru spojky za účelem tento kroutící moment zvýšit. Při optimalizaci je zde využit model v prostředí metody konečných prvků (ANSYS) ve spojení s metodou umělé inteligence - genetickým algoritmem jako optimalizační metodou. Tato část práce rovněž obsahuje experimentální ověření použitelnosti MKP modelu magnetické spojky na dvou dodatečně vyrobených vnitřních rotorech. Další částí monografie je analýza dynamického chování spojky v neprovozních stavech. Tato část práce je vázán na problematiku modelování dynamických vlastností magnetické spojky. Při modelování těchto vlastností si již nevystačíme s náhradou magnetické spojky pouze momentovou charakteristikou, ale bylo nutné vytvořit matematický model, schopný popisu chování i při stavech poruchových. V případě magnetické spojky se jedná o stav utržení, kdy dojde k prokluzu vnitřního rotoru vůči vnějšímu. V této části byl navržen a odvozen matematický model, který vycházel z principielní analogie magnetické spojky se synchronním strojem, kde se využilo poznatků z modelování tohoto elektromechanického zařízení. Navržený model magnetické spojky však obsahoval řadu neznámých parametrů, které bylo nutno na základě znalostí o skutečném chování magnetické spojky identifikovat. K této identifikaci bylo tedy nutno provést experimentální zjištění chování magnetické spojky a to především odezvu magnetické spojky na skok zátěžného modelu. Na základě těchto charakteristik byla provedena identifikace parametrů modelu magnetické spojky. Jako identifikační metoda zde byla opět využita metoda genetického algoritmu. Vytvořené simulační modely splnily cíle výzkumu a je možno je využít pro simulaci chování magnetické spojky nejen při stacionárních dějích ale i při dějích dynamických a poruchových.

This monograph deals with creation of torsional rotor system model of magnetic drive based on Finite Element Modeling. This model was used for simulation of rotor systems including magnetic drive. All simulations were done in MATLAB-Simulink environment. Magnetic drive is modeled as connection between two rotors. This connection can be modeled as linear as well as nonlinear function which described magnetic drive behavior. Unfortunately, this model can not be used for simulation of unstable behavior of magnetic drive. We intended to use the magnetic drive for pump of radioactive liquid materials for transmutation devices, where the temperature is close to four hundred centigrade. The permanent magnets that are used for torque transmission cannot be used close to Currie temperature point, which is a point of loss of magnetic characteristics. Because of we suggest the design changes for elimination of temperature influence. We proposed to change inner rotor of magnetic drive from rotor with permanent magnets to teeth rotor that is made from ferromagnetic material. This change leads to decrease of maximal torque value. We did an optimization of inner rotor teeth in order to increase torque of magnetic drive. The genetic algorithm method in connection with FEM model of magnetic drive was used for the design optimization procedure. This part of monograph deals with experimental verification of FEM model. This verification was done by magnetic drive characteristics measurement on two samples of inner rotor with different geometry. Analysis of behavior of magnetic drive under failure conditions is also contained in this monograph. This part of research concentrates on creation of the magnetic drive numerical model that is able to simulate dynamic behavior under the normal operating conditions and in case of failure, especially when the maximum torque was exceeded. Experience from modeling of the electric machines, especially experience from the area of modeling of the synchronous machine with the permanent magnets on the rotor, principle of which is very similar to the principle of operation of the magnetic drive, were used in creation of this model. This model contains a lot of unknown design parameters that was necessary to identify based on information about behavior of real magnetic drive. It was necessary to measure behavior of real magnetic drive, especially response of magnetic drive on change of loading mechanical torque. The identification of model parameters was done based on this characteristic. Genetic algorithm method was used for parameter identification. The computational model can be used for simulation of magnetic drive for steady state behavior as well as dynamic behavior simulation under failure conditions.

Magnetic Drive, Optimatization, Genetic Algorithm, FEM

HOUFEK, L.; KREJČÍ, P.

1. 1. 2004

VUT Brno

Brno

80-214-2851-1

Modelování a optimalizace magnetických spojek

116