Регулируемая гистерезисная муфта в системе привода запорной арматуры

Актуальность темы исследования. В многочисленных электроприводных системах электрический двигатель соединяется с производственным механизмом через муфту, служащую для передачи механической энергии с ведущего вала на ведомый при ограничении крутящего момента.
Весьма распространенными системами являются электроприводы (ЭП) запорной арматуры (ЭПЗА) для перекачки нефти и газа, в которых требование ограничения крутящего момента является обязательным условием безопасного и надежного функционирования трубопроводного транспорта нефтепродуктов. ЭПЗА выполняет функции перекрытия сечения трубопровода с фиксированным ограничением момента приводного двигателя (ПД) в условиях широкого температурного диапазона и удаления от диспетчерских пунктов и центральных электросетей.
Одним из вариантов построения ЭПЗА на основе гистерезисного принципа преобразования энергии является ЭП на базе широко применяемого асинхронного двигателя (АД) и управляемой электромагнитной гистерезисной муфты (ЭМГМ) с простым блоком для регулирования постоянного тока управления. В этом случае ЭМГМ располагается между АД и редуктором, предотвращая увеличение момента уплотнения клина задвижки сверх максимально допустимых значений. Если требуется изменить моменты уплотнения (вытяжки) применяется простейшая схема регулировки тока обмотки управления ЭМГМ на выходе или в составе выпрямителя.
Гистерезисные муфты в режиме несинхронного вращения, торможения или пуска работают с постоянством момента, что может явиться решающим фактором для безотказной работы технологического механизма – запорной арматуры. При этом возможно устранение сложного блока электронного управления на основе частотных преобразователей или тиристорных регуляторов с ограничением вращающего момента на основе его идентификации, значительно снижающих надежность электропривода запорной арматуры.
5
При большой распространенности ЭПЗА, в частности, в нефтегазовой
отрасли, поиск новых технических решений ЭПЗА, позволяющих повысить надежность их работы в сложных условиях эксплуатации, снизить материальные затраты при изготовлении и эксплуатации, является актуальной задачей.
Объектом исследования является регулируемая ЭМГМ, работающая в составе ЭПЗА.
Предметом исследования являются электромагнитные процессы преобразования энергии в регулируемых гистерезисных муфтах.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование регулируемой гистерезисной муфты для применения в электроприводах запорной арматуры нефтегазопроводов.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить особенности эксплуатации, задач и технических решений ЭПЗА для трубопроводов в нефтегазовой отрасли.
2. Проанализировать технические решения ГМ с целью определения возможностей их применения в ЭПЗА для трубопроводов в нефтегазовой отрасли. 3. Разработать конструктивные варианты ГМ с электромагнитным
управлением.
4. Разработать математическую, имитационную модели, а также
алгоритм расчета ЭМГМ.
5. Провести оптимизацию зубцовой зоны ЭМГМ с неподвижной
обмоткой управления.
6. Проанализировать возможности функционирования ЭМГМ на основе
сплава Fe-Cr-Co в диапазоне возможных частот вращения.
7. Произвести оценку теплового состояния ЭМГМ при
перемагничивании гистерезисного слоя в режиме уплотнения (вытяжки) клина ЗА.
8. Проанализировать регулировочные возможности разработанных вариантов ЭМГМ.

6
9. Оценить массогабаритные показатели разработанных вариантов
ЭМГМ.
Методы исследований. В диссертационной работе применяются
математическое и имитационное моделирование, а также экспериментальные исследования. Для построения регулировочных характеристик применяется численный метод – метод последовательных приближений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Получены и проанализированы зависимости вращающего момента от геометрических параметров зубцовой зоны муфты.
2. Разработана имитационная модель ЭМГМ с неподвижной обмоткой управления, позволяющая анализировать электромагнитные процессы в ней.
3. Получены оптимальные значения геометрических размеров зубцовой зоны ЭМГМ, позволяющие достичь максимальный вращающий момент при фиксированных значениях габаритов и веса муфты.
4. На основе анализа глубины проникновения магнитного поля в толщу гистерезисного слоя проведена оценка практического рабочего диапазона скорости вращения ЭМГМ.
5. Впервые произведена оценка теплового состояния ЭМГМ на основе сплава Fe-Cr-Co 22Х15КА в режиме ограничения вращающего момента приводного электродвигателя ЭПЗА.
Практическая ценность работы:
1. Разработана методика расчета ЭМГМ для ЭПЗА нефтегазопроводов.
2. Разработан алгоритм расчета ЭМГМ, работающих в диапазоне моментов, характерных для ЭПЗА нефтегазопроводов.
3. Получены регулировочные характеристики ЭМГМ на основе сплава Fe-Cr-Co 22Х15КА.
4. На основе анализа глубины проникновения магнитного поля в толщу гистерезисного слоя получено выражение, связывающее максимальный вращающий момент ЭМГМ на основе материала Fe-Co-Cr, со скоростью вращения приводного вала и числом зубцов индуктора.

7
На защиту выносятся:
1. Методика расчета ЭМГМ для ЭПЗА нефтегазопроводов.
2. Имитационная модель ЭМГМ с неподвижной обмоткой управления,
позволяющая анализировать электромагнитные процессы в муфте.
3. Результаты оптимизации геометрических размеров зубцовой зоны с целью достижения максимального вращающего момента при фиксированных значениях габаритов и веса.
4. Результаты исследований процессов распространения магнитного поля в гистерезисном слое ЭМГМ в зависимости от частоты вращения ведущего вала относительно гистерезисного слоя, связанного с ведомым валом.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
1. 14th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering, APEIE 2018 – Proceedings, г. Новосибирск
2. 19th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 – July 3, 2018, г. Новосибирск
3. 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 – July 3, 2019, г. Новосибирск
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 7 публикациях, в том числе 3-х статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4-х статьях, индексируемых в SCOPUS.
Внедрение результатов исследований.
Результаты диссертационной работы использованы на предприятии ООО НПО «Сибирский машиностроитель» для проектирования электроприводов запорной арматуры с использованием в качестве ограничителя момента запорного органа гистерезисной муфты, а также в учебном процессе инженерной школы энергетики НИ ТПУ при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 и магистров по направлению 13.04.02 (Электроэнергетика и электротехника) по профилям «Электрооборудование летательных аппаратов» и «Электротехнические комплексы автономных объектов».

8
Личный вклад автора. Автор диссертационной работы принимал
непосредственное участие в теоретических исследованиях, разработке, планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и обобщении полученных данных, написании текстов статей и докладов. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: математическая, имитационная модели и алгоритм расчета ЭМГМ, результаты оптимизации зубцовой зоны ЭМГМ, анализ электромагнитных процессов проникновения поля в толщу гистерезисного слоя ЭМГМ, оценка массогабаритных показателей ЭМГМ для различных конструкций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 4 приложений. Объем диссертации составляет 126 страницы, включая 71 рисунку, 14 таблиц и список литературы из 77 наименований.
Структура диссертационной работы.
Во введении обоснована актуальность исследования, определены объект и предмет исследования, сформирована цель работы, основные задачи, научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ конструкций, основных особенностей эксплуатации и управления и требований к трубопроводной запорной арматуре. Весьма распространенным типом ЗА являются задвижки, число которых только в РФ исчисляется сотнями тысяч.
Проведен обзорный анализ ГМ, разработанных и изготовленных российскими и зарубежными авторами. Представлены основные сведения и характеристики деформируемого сплава типа Fe-Cr-Co, обладающий высокими механическими и стабильными магнитными свойствами в широком температурном диапазоне и с большими для гистерезисных материалов значениями удельных потерь на гистерезис.
Во второй главе проведено математическое и имитационное моделирование ЭМГМ. На основе разработанных конструкций составлены методики их расчетов. Разработана имитационная модель в программе ANSYS

9
MAXWELL с целью достижения максимального вращающего момента при
минимальных габаритах и весе.
В третьей главе приведена оптимизация геометрических размеров
зубцовой зоны. Для гистерезисных муфт на базе сплава Fe-Cr-Co 22Х15КА получены и проанализированы зависимости вращающего момента от геометрических параметров зубцовой зоны муфты. Для оценки эффективности использования гистерезисного материала авторами введен коэффициент использования гистерезисного слоя по тангенциальной составляющей магнитного поля. В программе ANSYS MAXWELL разработана имитационная модель электромагнитной гистерезисной муфты с неподвижной обмоткой управления, учитывающая параметры сплава Fe-Cr-Co 22Х15КА. С помощью разработанной модели получены оптимальные значения геометрических размеров зубцовой зоны. На основе уравнений Максвелла проведены исследования процессов распространения магнитного поля в гистерезисном слое ЭМГМ в зависимости от частоты вращения ведущего вала относительно гистерезисного слоя, связанного с ведомым валом.
В четвертой главе получены регулировочные характеристики ЭМГМ, проведено сравнение различных конструкций ЭМГМ по массогабаритным показателям и мощности управления. Проведена оценка теплового состояния ЭМГМ в режимах работы в составе ЭПЗА. Приведены варианты реализации ЭПЗА на основе ЭМГМ, а также результаты экспериментальных исследований.
В заключении сформулированы результаты диссертационного исследования.