НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o317.pdf (1321.08Кб)

УДК 62-523; 612.13; 532.5

1 Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

Работа посвящена изучению динамики ротора на активных магнитных подшипниках (АМП) в рамках разработки математической модели ротора осевого насоса искусственного желудочка сердца (ИЖС). Рассматривается проблема стабилизации жесткого титанового с магнитными вставками ротора искусственного желудочка сердца (ИЖС) на активных магнитных подшипниках (АМП).
Актуальность данной задачи обусловлена высоким процентом населения, страдающим заболеваниями сердца. Цель исследования: создание математической модели жесткого ротора и обеспечение позиционирования его центра для заданных требований при вращении со скоростью от 5 000 до 10 000 об./мин. в постоянном потоке крови. Работа АМП основана на принципе активного магнитного подвеса ферромагнитного тела. Стабилизация тела в заданном положении осуществляется магнитными силами, действующими на тело со стороны управляющих электромагнитов.
В работе представлены исходные данные, расчетная схема, допущения, принятые для решения поставленной задачи, и вывод уравнений динамики вращающегося жесткого ротора на АМП. Было реализовано децентрализованное управление магнитным подвесом. В качестве основы системы управления выбран пропорционально-дифференциальный закон регулирования – ПД регулятор. Его применение широко распространено благодаря простоте построения, промышленному использованию и стабильности функционирования. Использование децентрализованного (местного) управления при моделировании динамики жесткого ротора в активных магнитных подшипниках физически оправдано и имеет некоторые преимущества. Одним из важнейших преимуществ является вычисление параметров управления на основе физических факторов путем подбора подходящих значений параметров жесткости и демпфирования.
Исследование динамики ротора на АМП проводилось в программном комплексе MATLAB©. Моделирование было выполнено с возможностью наблюдать поведение системы при варьировании параметров.
Проведенное исследование показало, что с помощью оценочных формул и путем дальнейшего подбора коэффициентов усиления ПД управления удовлетворить заданным требованиям максимального смещения ротора не более 0.2 мм можно при следующих значениях коэффициентов k_sA = k_sB = -1∙10^-2 Н∙м^-1, k_iA = k_iB = 250 Н∙А^-1 and k_sA = k_sB = -1∙10³ Н∙м^-1, k_iA = k_iB = 250 Н∙А^-1.
При заданных значениях коэффициентов усиления обеспечивается стабилизация положения оси ротора за 10 и 0.5 секунд для возмущений, находящихся в диапазоне 10∙10^-5 и 2∙10^-6 м соответственно.
Исходя из полученных значений коэффициентов усиления можно оценить параметры магнитных подшипников и подобрать необходимые в зависимости от заданных конструкционных и технических требований к работе ротора.
Проведенная работа предполагает дальнейшее исследование проблемы позиционирования ротора на активных магнитных подшипниках с целью усовершенствования предлагаемой разработки.

1. Богданова Ю.В., Гуськов А.М. Моделирование динамики ротора электрошпинделя на магнитных подшипниках // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 1. С . 201-220. DOI:10.7463/0115.0753146
2. Бидерман В.Л . Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980. 480 c .
3. Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники: теория, расчет, применение. СПб.: Политехника, 2003. 206 с .
4. Лурье А.И. Аналитическая механика. М .: Физматгиз, 1961. 824 с.
5. Genta G. Part 3: Dynamics of Rotating and Reciprocating Machinery // In book: Vibration Dynamics and Control. Springer US, 2009. P. 577-824.
6. Muszynska A. Ch. 3: Basic Rotordynamics: Extended Rotor Models // In book: Rotordynamics. Minden, Nevada, U.S.A.: Taylor & Francis Group, LLC, 2005. P. 113-117 .
7. Schweizer G., Maslen E.H. Ch. 7: Dynamics of the Rigid Rotors; Ch. 8: Control of the Rigid Rotor in AMBs // In book: Magnetic Bearings. Theory, Design and Application to Rotating Machinery. Springer Berlin Heidelberg, 2009. P. 167-189; P. 191-228.
8. Немецкий кардиологический Центр в Берлине (DHZB): сайт. Режим доступа: http://www.dhzb.ru (дата обращения 30.08.2015).
9. Thoratec HeartMate II® LVAD // MyLVAD: company website. Режим доступа:http://www.mylvad.com/lvad-devices/heartmate-ii-lvad (дата обращения 10.09.2015).
10. HeartMate II Left Ventricular Assist System: website. Режим доступа:http://heartmateii.com/ (дата обращения 10.09.2015).
11. Berlin Heart INCOR ®: website . Режим доступа:http://www.berlinheart.de/index.php/mp/content/products/incor (дата обращения 10.09.2015).
12. ReliantHeart : website . Режим доступа:http://reliantheart.com/category/press-releases/ (дата обращения 11.09.2015).
13. Jarvic Heart : website . Режим доступа:http://www.jarvikheart.com/ (дата обращения 11.09.2015).
14. Texas Heart^®Institute : website . Режим доступа:http://www.texasheart.org/Research/Devices/duraheart_lvas.cfm (дата обращения 14.09.2015).
15. ISO 14839-1:2002. Mechanical vibration -- Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings -- Part 1: Vocabulary. 2014. 30 p . // ISO Standarts : website . Режим доступа:http://www.iso.org/iso/home/store/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=25726 (дата обращения 14.09.2015).