Table Of Content

NNAASSAA TTeecchhnniiccaall MMeemmoorraanndduumm 110055662277 PPeerrffoonnnnaannccee TTeessttss ooff aa CCrryyooggeenniicc HHyybbrriidd MMaaggnneettiicc BBeeaarriinngg ffoorr TTuurrbbooppuummppss EElliisseeoo DDiiRRuussssoo aanndd GGeerraalldd VV.. BBrroowwnn LLeewwiiss RReesseeaarrcchh CCeenntteerr CClleevveellaanndd,, OOhhiioo PPrreeppaarreedd ffoorr tthhee TThhiirrdd IInntteerrnnaattiioonnaall SSyymmppoossiiuumm oonn MMaaggnneettiicc BBeeaarriinnggss AAlleexxaannddrriiaa,, VViirrggiinniiaa,, JJuullyy 2299--3311,, 11999922 NNII\\SS//\\ __.. ,,------""'' ------__ ......__ __ ..__ .... __------ PPEERRFFOORRMMAANNCCEE TTEESSTTSS OOFF AA CCRRYYOOGGEENNIICC HHYYBBRRIIDD MMAAGGNNEETTIICC BBEEAARRIINNGG FFOORR TTUURRBBOO PPUUMMPPSS EElliisseeoo DDiiRRuussssoo aanndd GGeerraalldd VV.. BBrroowwnn NNaattiioonnaall AAeerroonnaauuttiiccss aanndd SSppaaccee AAddmmiinniissttrraattiioonn LLeewwiiss RReesseeaarrcchh CCeenntteerr CClleevveellaanndd,, OOhhiioo 4444113355 AABBSSTTRRAACCTT EExxppeerriimmeennttss wweerree ppeerrffoorrmmeedd oonn aa HHyybbrriidd MMaaggnneettiicc BBeeaarriinngg ddeessiiggnneedd ffoorr ccrryyooggeenniicc aapppplliiccaattiioonnss ssuucchh aass ttuurrbbooppuummppss.. TThhiiss bbeeaarriinngg iiss ccoonnssiiddeerraabbllyy ssmmaalllleerr aanndd lliigghhtteerr tthhaann ccoonnvveennttiioonnaall mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss aanndd iiss mmoorree eeffffiicciieenntt bbeeccaauussee iitt uuttiilliizzeess aa ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ttoo pprroovviiddee aa bbiiaass fflluuxx.. TThhee tteessttss wweerree ppeerrffoorrmmeedd iinn aa tteesstt rriigg tthhaatt uusseedd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn ttoo ssiimmuullaattee ccrryyooggeenniicc ttuurrbbooppuummpp tteemmppeerraattuurreess.. TThhee bbeeaarriinngg wwaass tteesstteedd aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd aatt lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree ((--332200 OOFF)).. TThhee mmaaxxiimmuumm ssppeeeedd ffoorr tthhee tteesstt rriigg wwaass 1144 000000 rrppmm.. FFoorr aa mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 2200 000000 llbb//iinn..,, tthhee fflleexxiibbllee rroottoorr hhaadd ttwwoo ccrriittiiccaall ssppeeeeddss ((66330000 aanndd 1122 660000 rrppmm)) wwiitthhiinn tthhee 1144 OOOOOO--rrppmm ooppeerraattiinngg rraannggee aanndd wwaass ooppeerraatteedd tthhrroouugghh bbootthh ccrriittiiccaall ssppeeeeddss.. AA ssttaattiicc ((nnoonnrroottaattiinngg)) bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 8855 000000 llbb//iinn.. wwaass aacchhiieevveedd.. MMaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffff nneessss,, ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ssttiiffffnneessss,, aaccttuuaattoorr ggaaiinn,, aanndd aaccttuuaattoorr ffoorrccee iinntteerraaccttiioonn bbeettwweeeenn ttwwoo aaxxeess wweerree eevvaalluuaatteedd,, aanndd ccoonnttrroolllleerr//ppoowweerr aammpplliiffiieerr cchhaarraacctteerriissttiiccss wweerree ddeetteerrmmiinneedd.. TThhee tteessttss rreevveeaalleedd tthhaatt iitt iiss ffeeaassiibbllee ttoo uussee tthhiiss bbeeaarriinngg iinn tthhee ccrryyooggeenniicc eennvviirroonnmmeenntt aanndd ttoo ccoonnttrrooll tthhee rroottoorrddyynnaammiiccss ooff fflleexxiibbllee rroottoorrss wwhheenn ppaassssiinngg tthhrroouugghh bbeennddiinngg ccrriittiiccaall ssppeeeeddss.. TThhee tteessttss.. aallssoo rreevveeaalleedd tthhaatt mmoorree eeffffoorrtt sshhoouulldd bbee ppllaacceedd oonn eennhhaanncciinngg tthhee ccoonnttrroolllleerr ttoo aacchhiieevvee hhiigghheerr bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss aanndd oonn ddeevveellooppiinngg ddiissppllaacceemmeenntt sseennssoorrss tthhaatt rreedduuccee ddrriifftt ccaauusseedd bbyy tteemmppeerraattuurree aanndd rreedduuccee sseennssoorr eelleeccttrriiccaall nnooiissee.. IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN TThhee ccrryyooggeenniicc ttuurrbbooppuummppss ffoorr ppuummppiinngg lliiqquuiidd hhyyddrrooggeenn aanndd lliiqquuiidd ooxxyyggeenn ttoo tthhee ssppaaccee sshhuuttttllee mmaaiinn eennggiinneess ((SSSSMMEEss)) hhaavvee eexxppeerriieenncceedd sseerriioouuss rroottoorr vviibbrraattiioonnss.. RReeffeerreenncceess 11 aanndd 22 ddeessccrriibbee tthhee hhyyddrrooggeenn ppuummpp,, iittss aassssoocciiaatteedd iinnssttaabbiilliittiieess,, aanndd tthhee eeffffeeccttss ooff sseeaall ssttiiffffnneessss aanndd ddaammppiinngg oonn rroottoorr ssttaabbiilliittyy.. BBeeccaauussee ooff hhiigghh llooaaddiinngg aanndd ssppeeeedd,, tthhee rroolllliinngg eelleemmeenntt bbeeaarriinnggss uusseedd iinn tthhee SSSSMMEE ttuurrbboo ppuummppss hhaavvee vveerryy lliimmiitteedd lliiffee.. SSiinnccee tthhee bbeeaarriinngg ccoommppaarrttmmeennttss ooff ttuurrbbooppuummppss ccoonnttaaiinn lliiqquuiidd ooxxyyggeenn oorr lliiqquuiidd hhyyddrrooggeenn,, ddaammppiinngg sscchheemmeess ttyyppiiccaallllyy uusseedd iinn aaiirrccrraafftt eennggiinneess,, ssuucchh aass ssqquueeeezzee ffiillmm ddaammppeerrss,, ccaannnnoott bbee uusseedd.. EEddddyy ccuurrrreenntt ddaammppeerrss [[33]] oorr eelleeccttrroommaaggnneettiicc ddaammppeerrss [[44]] pprroovviiddee lliimmiitteedd ddaammppiinngg aatt hhiigghh ffrreeqquueenncciieess oorr mmuusstt bbee ttuunneedd ttoo ssppeecciiffiicc ffrreeqquueennccyy bbaannddwwiiddtthhss.. TThheessee ppaassssiivvee ddeevviicceess ccaannnnoott bbee uusseedd ttoo aaccttiivveellyy ccoonnttrrooll rroottoorr ssttaabbiilliittyy,, aanndd tthheeyy tteenndd ttoo bbee llaarrggee aanndd hheeaavvyy.. IItt aappppeeaarrss tthhaatt tthhee pprroobb lleemmss ooff ssttaabbiilliittyy,, llooww ddaammppiinngg,, aanndd sshhoorrtt bbeeaarriinngg lliiffee ccaann bbee aaddddrreesssseedd bbyy uussiinngg mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss.. TThhiiss ppaappeerr ffooccuusseess oonn tthhaatt aapppplliiccaattiioonn.. SSiinnccee iinndduussttrriiaall mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss aarree ttyyppiiccaallllyy llaarrggee aanndd hheeaavvyy ccoommppaarreedd wwiitthh ccoonnvveennttiioonnaall rroolllliinngg eelleemmeenntt bbeeaarriinnggss,, aa sseeaarrcchh wwaass mmaaddee ttoo iiddeennttiiffyy aa ssmmaallll,, lliigghhttwweeiigghhtt,, aanndd eelleeccttrriiccaallllyy eeffffiicciieenntt bbeeaarriinngg.. AA hhyybbrriidd mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg tthhaatt uuttiilliizzeess bbootthh ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneettss aanndd eelleeccttrroommaaggnneettss wwaass cchhoosseenn.. TThhiiss bbeeaarriinngg wwaass ddeessiiggnneedd ffoorr ccrryyooggeenniicc aapppplliiccaattiioonn bbyy AAvvccoonn,, IInncc..,, aanndd NNAASSAA LLeewwiiss RReesseeaarrcchh CCeenntteerr.. TThhee AAvvccoonn bbeeaarriinngg iiss ddiissccuusssseedd iinn RReeffeerreenncceess 55,, 66,, aanndd 77.. TThhiiss hhyybbrriidd ccoonncceepptt ddiiffffeerrss ffrroomm ootthheerrss iinn tthhaatt tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneettss aarree aarrrraannggeedd ssuucchh tthhaatt tthhee eelleeccttrroommaaggnneett fflluuxx ddooeess nnoott ppaassss tthhrroouugghh tthheemm,, wwhhiicchh rreessuullttss iinn hhiigghheerr eeffffiicciieennccyy.. OOtthheerr eeffffiicciieenntt hhyybbrriidd mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss hhaavvee bbeeeenn ddeessiiggnneedd.. RReeffeerreenncceess 88 aanndd 99 ddeessccrriibbee aa ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett bbiiaasseedd mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg tthhaatt iinntteeggrraatteess aa tthhrruusstt bbeeaarriinngg aalloonngg wwiitthh tthhee rraaddiiaall bbeeaarriinngg.. TThhiiss bbeeaarriinngg wwaass ddeessiiggnneedd ffoorr rroooomm tteemmppeerraattuurree aapppplliiccaattiioonn.. TThhee tteessttiinngg ddeemmoonnssttrraatteedd tthhaatt tthhee uussee ooff ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneettss ccaann iimmpprroovvee ooppeerraattiinngg eeffffiicciieennccyy oovveerr ccoonnvveennttiioonnaall,, aallll--eelleeccttrroommaaggnneett ddeessiiggnnss.. TToo lliinneeaarriizzee tthhee ffoorrccee--ttoo--ccuurrrreenntt rreellaattiioonnsshhiipp ffoorr mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss,, oonnee mmuusstt pprroovviiddee aa ""bbiiaass fflluuxx..»» TThhee ccuurrrreenntt iinndduussttrriiaall pprraaccttiiccee iiss ttoo ssuuppppllyy tthhee bbiiaass fflluuxx wwiitthh eelleeccttrroommaaggnneettss,, wwhhiicchh mmeeaannss tthhaatt eelleeccttrriiccaall ppoowweerr iiss rreeqquuiirreedd ffuullll ttiimmee ttoo ssuuppppllyy tthhee bbiiaass fflluuxx.. IInn tthhee hhyybbrriidd bbeeaarriinngg,, tthhee ppeerr mmaanneenntt mmaaggnneett ssuupppplliieess tthhee bbiiaass fflluuxx wwiitthhoouutt ppoowweerr eexxppeennddiittuurree,, rreessuullttiinngg iinn aa llaarrggee ppoowweerr ssaavviinngg.. RReeffeerreennccee 55 ccoommppaarreess bbeeaarriinngg ssiizzee,, wweeiigghhtt aanndd ppoowweerr ccoonnssuummppttiioonn ooff tthhee hhyybbrriidd aanndd ccoonnvveennttiioonnaall mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss.. TThhee wweeiigghhtt aanndd ssiizzee ooff tthhee ppoowweerr aammpplliiffiieerr eelleeccttrroonniiccss aarree aallssoo ssiiggnniiffiiccaannttllyy rreedduucceedd ffoorr tthhee hhyybbrriidd bbeeaarriinngg iinn ccoommppaarriissoonn ttoo aallll--eelleeccttrroommaaggnneett bbeeaarriinnggss.. TThhee hhyybbrriidd bbeeaarriinngg bbuuiilltt ffoorr tthhiiss ssttuuddyy iiss 55..2255 iinn.. iinn ddiiaammeetteerr,, 44..55 iinn.. lloonngg,, aanndd wweeiigghhss 1177..44 llbb.. IIttss bboorree iiss 33..0033 iinn..,, aanndd iittss aaiirr ggaapp iiss 00..002244 iinn.. TThhee rraaddiiaall llooaadd ccaappaacciittyy iiss 550000 llbb ((lliinneeaarr llooaadd lliimmiitt iiss aapppprrooxxiimmaatteellyy 332200 IIbb aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree)) aanndd ccoouulldd bbee ssuubbssttaannttiiaallllyy iinnccrreeaasseedd bbyy ooppttiimmiizzaattiioonn.. TThhee oobbjjeeccttiivveess ooff tthhiiss rreesseeaarrcchh wweerree ttoo ((11)) DDeetteerrmmiinnee tthhee ffeeaassiibbiilliittyy ooff uussiinngg mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss iinn ccrryyooggeenniicc ttuurrbbooppuummppss ((22)) AAppppllyy mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss ttoo ccoonnttrrooll tthhee rroottoorrddyynnaammiiccss ooff ssuuppeerrccrriittiiccaall rroottoorrss ssuucchh aass tthhoossee ffoouunndd iinn tthhee SSSSMMEE ttuurrbbooppuummppss ((33)) EExxpplloorree aannyy ssppeecciiaall pprroobblleemmss iinn aappppllyyiinngg mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss ttoo ttuurrbbooppuummppss TTEESSTT RRIIGG AANNDD MMAAGGNNEETTIICC BBEEAARRIINNGG TTEESSTT RRIIGG TThhee tteesstt rriigg ssiimmuullaatteess aa rroottoorr aanndd tthhee ccoolldd eennvviirroonnmmeenntt ooff aa ccrryyooggeenniicc ttuurrbbooppuummpp.. TThhiiss rriigg,, oorriiggiinnaallllyy ddeessiiggnneedd ttoo eevvaalluuaattee eeddddyy ccuurrrreenntt aanndd eelleeccttrroommaaggnneettiicc ddaammppeerrss,, wwaass mmooddiiffiieedd ttoo iinnccoorrppoo rraattee tthhee hhyybbrriidd bbeeaarriinngg aanndd ttoo ooppeerraattee aatt ccrryyooggeenniicc ccoonnddiittiioonnss.. TThhee rriigg hhaass aa uunniiqquuee ccaappaabbiilliittyy ooff aappppllyyiinngg mmeeaassuurreedd ffoorrcceess ttoo tthhee sshhaafftt ttoo mmeeaassuurree mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss aanndd ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrcceess aatt bbootthh rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree.. AA ddrraawwiinngg ooff tthhee rriigg iiss sshhoowwnn iinn FFiigguurree 11.. TThhee rroottoorr hhaass aa vveerrttiiccaall aaxxiiss aanndd iiss ssuuppppoorrtteedd bbyy tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg aatt tthhee bboottttoomm aanndd aa pprreellooaaddeedd dduupplleexx bbaallll bbeeaarriinngg aatt tthhee ttoopp.. TThhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ccaarrrriieess oonnllyy rraaddiiaall llooaadd,, aanndd tthhee bbaallll bbeeaarriinngg ccaarrrriieess rraaddiiaall aanndd tthhrruusstt llooaadd.. TThhee rroottoorr iiss ddrriivveenn bbyy aann aacc mmoottoorr tthhrroouugghh aa bbeelltt aanndd ppuulllleeyy ssppeeeedd iinnccrreeaasseerr ((22 ttoo 11 rraattiioo)) aatt ssppeeeeddss uupp ttoo 1144 000000 rrppmm.. TThhee rroottoorr hhaass aa pprriimmaarriillyy rriiggiidd bbooddyy aanndd aa bbeennddiinngg ccrriittiiccaall ssppeeeedd wwiitthhiinn tthhee ooppeerraattiinngg rraannggee,, aanndd iitt ccaann bbee uunnbbaallaanncceedd bbyy ppllaacciinngg sseett ssccrreewwss iinn oonnee ooff tthhee ddiisskkss.. FFoorr ccrryyooggeenniicc ooppeerraattiioonn,, lliiqquuiidd nniittrrooggeenn aatt --332200 OOFF ssuubbmmeerrggeess tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg,, aanndd lliiqquuiidd lleevveell iiss ccoonnttrroolllleedd bbyy aa sseennssiinngg ssyysstteemm.. AA vvaaccuuuumm cchhaammbbeerr ((FFiigguurree 11)) rreedduucceess tthhee lliiqquuiidd bbooiill--ooffff rraattee.. MMAAGGNNEETTIICC BBEEAARRIINNGG TThhee kkeeyy mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ccoommppoonneennttss ccaann bbee sseeeenn iinn FFiigguurree 11.. TThheessee aarree tthhee ffeerrrroommaaggnneettiicc rroottoorr,, rroottoorr llaammiinnaattiioonnss,, ssttaattoorr llaammiinnaattiioonnss,, ssttaattoorr wwiinnddiinnggss,, ssaammaarriiuumm ccoobbaalltt ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett,, ppoollee ppiieeccee,, aanndd ppoossiittiioonn sseennssoorrss.. TThhee bbaacckkuupp bbeeaarriinngg sshhoowwnn aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt ppoossiittiioonnss tthhee rroottoorr wwhheenn tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg iiss nnoott ooppeerraattiinngg.. WWhheenn tthhee rroottoorr iiss cceenntteerreedd,, tthheerree iiss aa 00..001100--iinn.. rraaddiiaall ggaapp bbeettwweeeenn tthhee rroottoorr aanndd tthhee bbaacckkuupp bbeeaarriinngg.. 22 DDrriivvee bbeelltt UUppppeerr ssuuppppoorrtt bbeeaarriinnggss --'',, "" -- SShhaafftt SShhaafftt sseeaall ---- __---- DDiisskk RRaaddiiaall PPllaassttiicc ffoorrccee iinnssuullaattiioonn -- ____ ggeenneerraattoorr RRoottoorr ppoossiittiioonn sseennssoorr,, 990000------~~~~-- PPoollee ppiieeccee RRoottoorr llaammiinnaattiioonnss FFeerrrroommaaggnneettiicc rroottoorr ---- PPeerrmmaanneenntt mmaaggnneett VVaaccuuuumm cchhaammbbeerr -------- -- ---- LLiiqquuiidd nniittrrooggeenn SSttaattoorr llaammiinnaattiioonnss II // II // BBaacckkuupp ttoouucchh--ddoowwnn II SSttaattoorr wwiinnddiinnggss ......JJ LLppoossiittiioonn sseennssoorr,, 990000 bbeeaarriinnggss FFiigguurree 11..--CCrryyooggeenniicc hhyybbrriidd mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg aanndd tteesstt rriigg.. DDIISSPPLLAACCEEMMEENNTT SSEENNSSOORRSS EEiigghhtt eeddddyy ccuurrrreenntt ppoossiittiioonn sseennssoorrss wweerree uusseedd ttoo ccoonnttrrooll tthhee bbeeaarriinngg ((FFiigguurree 11)).. FFoouurr pprroobbeess llooccaatteedd bbeellooww tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg mmeeaassuurreedd oorrtthhooggoonnaall ddiissppllaacceemmeennttss aatt tthhee eenndd ooff tthhee sshhaafftt.. FFoorr eeaacchh aaxxiiss ((XX aanndd YY)),, tthhee ddiiffffeerreennccee bbeettwweeeenn tthhee ssiiggnnaallss ffrroomm ttwwoo ddiiaammeettrriiccaallllyy ooppppoosseedd pprroobbeess wwaass uusseedd aass tthhee ppoossiittiioonn ssiiggnnaall.. TThhiiss rreedduucceedd tthhee eeffffeecctt ooff sshhaafftt ssuurrffaaccee iirrrreegguullaarriittyy oonn tthhee ccoonnttrrooll ssiiggnnaall aanndd rreedduucceedd tthhee zzeerroo sshhiifftt iinn tthhee pprroobbee ssiiggnnaallss bbeettwweeeenn rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerr aattuurree.. TThhee ssaammee wwaass ddoonnee ffoorr tthhee ffoouurr pprroobbeess llooccaatteedd aabboovvee tthhee bbeeaarriinngg.. SSiinnccee tthhee uuppppeerr aanndd lloowweerr pprroobbeess wweerree eeqquuiiddiissttaanntt ffrroomm tthhee bbeeaarriinngg cceenntteerr,, aa ssiimmppllee aavveerraaggee ooff tthhee uuppppeerr aanndd lloowweerr pprroobbee ssiigg nnaallss pprroovviiddeedd ccoonnttrrooll ssiiggnnaallss tthhaatt wweerree,, iinn eeffffeecctt,, ccoo--llooccaatteedd wwiitthh tthhee aaxxiiaall cceenntteerr ooff tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg.. SSttaabbllee lleevviittaattiioonn wwaass nnoott ppoossssiibbllee wwiitthh oonnllyy tthhee uuppppeerr sseett ooff pprroobbeess.. SSttaabbllee lleevviittaattiioonn wwaass ppoossssiibbllee wwiitthh oonnllyy tthhee lloowweerr sseett aatt llooww ssttiiffffnneessss.. CCOONNTTRROOLLSS AAllll rreessuullttss pprreesseenntteedd iinn tthhiiss ppaappeerr wweerree oobbttaaiinneedd wwiitthh aa ssiimmppllee pprrooppoorrttiioonnaall ddeerriivvaattiivvee oorr pprroo ppoorrttiioonnaall iinntteeggrraall ddeerriivvaattiivvee aannaalloogg ccoonnttrroolllleerr.. TThhee sscchheemmaattiicc ooff tthhee ccoonnttrrooll cciirrccuuiitt ffoorr oonnee bbeeaarr-- iinngg aaxxiiss iiss sshhoowwnn iinn FFiigguurree 22.. TThhee ccoommppoonneenntt vvaalluueess sshhoowwnn pprroodduucceedd aa mmeeaassuurreedd ssttiiffffnneessss ooff 2200 ttoo 2222 llbb//mmiill.. TThhee ssuummmmeerr aatt tthhee ffrroonntt eenndd ooff tthhee cciirrccuuiitt aaddddeedd tthhee ssiiggnnaallss ffrroomm tthhee ddiissppllaacceemmeenntt sseennssoorrss tthhaatt wweerree aabboovvee aanndd bbeellooww tthhee bbeeaarriinngg ttoo oobbttaaiinn aa vvaalluuee pprrooppoorrttiioonnaall ttoo tthhee ddiissppllaacceemmeenntt aatt tthhee bbeeaarriinngg cceenntteerr.. TThhee mmeeaassuurreedd ttrraannssffeerr ffuunnccttiioonn ooff tthhee ccoonnttrroolllleerr iiss sshhoowwnn iinn FFiigguurree 33.. TThhee ddeerriivvaattiivvee wwaass lliimmiitteedd ttoo aa 11..55--kkHHzz bbaannddwwiiddtthh,, aanndd tthhee oovveerraallll ccoonnttrrooll wwaass lliimmiitteedd ttoo aa 33--kkHHzz bbaannddwwiiddtthh bbyy tthhee llooww ppaassss ffiilltteerr.. 33 PPoossiittiioonn aaddjjuussttmmeenntt IInnppuutt ssuummmmeerr ll aanndd bbuucckkiinngg ..--------''\\NN\\rr--------,, --==-- 1100 kk!!}} 1100 kk!!}} BBuuffffeerr UUppppeerr pprroobbeess 1100kk!!}} LLooww 1111 kk!!}} DDeerriivvaattiivvee 1100kk!!}} LLoowweerr kk pprroobbeess oo--__11--''\\00NNvv--!!}}--------,,----ll 1100kk!!}} 1100 kk!!}} GGaaiinn SSuummmmeerr PPrrooppoorrttiioonnaall ccoonnttrrooll 1100kk!!}} IInnvveerrtteerr 1100kk!!}} 1100kk!!}} 1100kk!!}} EExxcciittaattiioonn iinnppuutt FFiigguurree 22..--AAnnaalloogg ccoonnttrrooll ssyysstteemm ffoorr hhyybbrriidd mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg.. 3300 --1100 ccoo ccoo ""00 2255 ""00 aaii aaii --2200 ""00 ::JJ 2200 ""::CCJJ CC..~~ii ..~~ CCii --3300 EE 1155 EE <<::(( <<::(( 1100 --4400 ''--------''----''''--''--''.. ......................'' ''------''--~~~~--UU........------LL...... .......................... ..LL..UU....LLUU 9900 220000 eenn eenn QQ)) QQ)) ""00 4455 ""CC 116600 eeQQnn)) eeQQnn)) cc:::: 00 ~~ 112200 ~~ QQ)) QQ)) ((JJ)) ((JJ)) ..ss~~:::: --4455 ~~ 8800 aa.. aa.. --9900 4400 ~~~~~~""----~~~~~~~~~~==--~~~~== 110011 110022 110033 110044 110011 FFrreeqquueennccyy FFrreeqquueennccyy FFiigguurree 33..--TTrraannssffeerr ffuunnccttiioonn ffoorr aannaalloogg ccoonnttrroolllleerr.. FFiigguurree 44..--TTrraannssffeerr ffuunnccttiioonn ffoorr ppoowweerr aammpplliiffiieerrss.. 44 PPOOWWEERR AAMMPPLLIIFFIIEERRSS LLiinneeaarr ttrraannssccoonndduuccttaannccee ppoowweerr aammpplliiffiieerrss wweerree uusseedd ffoorr tthhee llaabboorraattoorryy tteessttss,, eevveenn tthhoouugghh wweeiigghhtt aanndd ssiizzee lliimmiittaattiioonnss wwoouulldd pprroobbaabbllyy rreeqquuiirree sswwiittcchhiinngg aammpplliiffiieerrss ffoorr ppootteennttiiaall fflliigghhtt vveerrssiioonnss.. TThhee cciirr ccuuiitt ddiiaaggrraamm ffoorr tthhee aammpplliiffiieerrss iiss sshhoowwnn iinn tthhee iinnsseett ooff FFiigguurree 44.. TThhee rreessiissttiivvee--ccaappaacciittiivvee ffeeeeddbbaacckk cciirr ccuuiitt,, rreeqquuiirreedd ffoorr ssttaabbiilliittyy,, lliimmiittss tthhee bbaannddwwiiddtthh ooff tthhee aammpplliiffiieerr ttoo aabboouutt 11..55 kkHHzz,, aass sshhoowwnn bbyy tthhee aammpplliiffiieerr ttrraannssffeerr ffuunnccttiioonn bbeettwweeeenn iinnppuutt vvoollttaaggee VV aanndd oouuttppuutt ccuurrrreenntt 1100 iinn FFiigguurree 44.. TThhiiss iinn ssoommeewwhhaatt mmaarrggiinnaall bbaannddwwiiddtthh iiss aa ccoonnsseeqquueennccee ooff tthhee II--MMHHzz ggaaiinn--bbaannddwwiiddtthh pprroodduucctt ooff tthhee hhyybbrriidd ppoowweerr ooppeerraattiioonnaall aammpplliiffiieerr uusseedd aanndd tthhee 3355--mmHH iinndduuccttaannccee bbeeiinngg ddrriivveenn.. AAnn iinnccrreeaassee iinn bbaannddwwiiddtthh ooff aa ffaaccttoorr ooff 22 ttoo 44 wwoouulldd bbee pprreeffeerrrreedd.. TThhee mmaaxxiimmuumm vvoollttaaggee oouuttppuutt ooff tthhee aammpplliiffiieerr iiss aabboouutt 6655 VV,, aanndd sstteeaaddyy ccuurrrreennttss ooff 1100 AA oorr mmoorree aarree wweellll wwiitthhiinn iittss ssaaffee ooppeerraattiinngg aarreeaa.. AACCTTUUAATTOORR PPEERRFFOORRMMAANNCCEE PPEERRMMAANNEENNTT MMAAGGNNEETT SSTTIIFFFFNNEESSSS TThhee ppoossiittiioonn ssttiiffffnneessss dduuee ttoo tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett aalloonnee iiss aann iimmppoorrttaanntt ddeessiiggnn ppaarraammeetteerr ffoorr tthhiiss ttyyppee ooff bbeeaarriinngg.. IItt wwaass mmeeaassuurreedd bbyy ppoossiittiioonniinngg tthhee rroottoorr oonn tthhee bbaacckkuupp bbeeaarriinngg ((mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ppoowweerr ooffff)) aanndd aappppllyyiinngg aa ffoorrccee aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt ((jjuusstt bbeellooww tthhee lloowweerr ppoossiittiioonn sseennssoorrss)) wwhhiillee ssiimmuullttaanneeoouussllyy mmeeaassuurriinngg tthhee aapppplliieedd ffoorrccee aanndd sshhaafftt rraaddiiaall ppoossiittiioonn aatt tthhee cceenntteerr ooff tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg.. AAss tthhee ffoorrccee wwaass aapppplliieedd,, tthhee sshhaafftt mmoovveedd ssmmooootthhllyy aanndd ccoonnttiinnuuoouussllyy ttoowwaarrdd tthhee rraaddiiaall cceenntteerr ooff tthhee bbeeaarriinngg.. TThhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee aatt tthhee aaxxiiaall cceenntteerr ooff tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg wwaass ccaallccuullaatteedd ffrroomm tthhee mmeeaassuurreedd ffoorrccee bbyy ttaakkiinngg mmoommeennttss aabboouutt tthhee ttoopp bbeeaarriinngg ggiivviinngg FF ppmm == 11..2277FFmm ee'' wwhheerree FF ppmm iiss tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee aatt tthhee aaxxiiaall cceenntteerr ooff tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg,, aanndd FF mmee iiss tthhee mmeeaassuurreedd ffoorrccee aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt.. TThhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee vveerrssuuss ddiissppllaacceemmeenntt iiss sshhoowwnn iinn FFiigguurree 55.. TThhee eexxppeerriimmeennttaall vvaalluuee ooff ssttiiffffnneessss,, ddeerriivveedd ffrroomm aa lliinneeaarr ccuurrvvee ffiitt tthhrroouugghh tthhee ffoorrccee vveerrssuuss ddiissppllaacceemmeenntt ddaattaa,, wwaass --1199 000000 llhh//iinn.. aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree.. PPee~~mmaanneenntt mmaaggnneett ssttiiffffnneessss mmeeaassuurreemmeennttss mmaaddee aatt lliiqquuiidd nniittrroo ggeenn tteemmppeerraattuurree vvaarriieedd bbeettwweeeenn --1133 000000 aanndd --2211 000000 IIbb//iinn.. SSiinnccee tthhiiss mmeeaassuurreemmeenntt wwaass mmaaddee bbeeffoorree tthhee ddiiffffeerreennttiiaall pprroobbee ssyysstteemm wwaass iinnssttaalllleedd,, tteemmppeerraattuurree cchhaannggeess ccaauusseedd ccoonnssiiddeerraabbllee ddrriifftt iinn tthhee ddiissppllaacceemmeenntt ddaattaa aatt lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree,, ccaauussiinngg ssccaatttteerr iinn tthhee ssttiiffffnneessss mmeeaassuurreemmeenntt.. TThhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ssttiiffffnneessss iiss eexxppeecctteedd ttoo iinnccrreeaassee aatt lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree.. AACCTTUUAATTOORR GGAAIINN FFiigguurree 66 sshhoowwss eexxppeerriimmeennttaall ddaattaa ffoorr tthhee eelleeccttrroommaaggnneett ffoorrccee vveerrssuuss ccuurrrreenntt ffoorr rroooomm tteemmppeerraa ttuurree aanndd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree.. TThhee aaccttuuaattoorr ggaaiinn iiss tthhee ssllooppee ooff tthhiiss ccuurrvvee aanndd,, ffoorr tthhee lliinneeaarr ppoorrttiioonn,, iiss 8899 llbb// AA ffoorr bbootthh rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree.. TThhee lliinneeaarr ppoorrttiioonn eexxtteennddss oouutt ttoo aapppprrooxxiimmaatteellyy 332200 llbb ffoorr rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd aapppprrooxxiimmaatteellyy 335500 llbb ffoorr lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree wwiitthh ssoommee uunneexxppllaaiinneedd aassssyymmmmeettrryy wwiitthh rreessppeecctt ttoo ppoossiittiivvee aanndd nneeggaattiivvee ccuurrrreenntt.. TThhee aaccttuuaattoorr ggaaiinn aass aa ffuunnccttiioonn ooff rroottoorr rraaddiiaall ppoossiittiioonn wwaass ffoouunndd ttoo bbee iinnddeeppeennddeenntt ooff rraaddiiaall ppoossiittiioonn wwiitthhiinn aapppprrooxxiimmaatteellyy 55 ppeerrcceenntt.. DDaattaa ffoorr tthheessee ccuurrvveess wweerree aaccqquuiirreedd bbyy ssttaabbiilliizziinngg tthhee sshhaafftt aatt tthhee bboottttoomm aanndd mmeeaassuurriinngg tthhee rraaddiiaall ffoorrccee rreeaaccttiioonn aatt tthhee bboottttoomm eenndd ooff tthhee sshhaafftt wwiitthh llooaadd cceellllss aass ccuurrrreenntt wwaass aapppplliieedd ttoo tthhee aaccttuuaattoorr ccooiillss.. TThhee ffoorrccee aatt tthhee aaxxiiaall cceenntteerr ooff tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg wwaass ccaallccuullaatteedd ffrroomm tthhee mmeeaassuurreedd rreeaaccttiioonn aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt bbyy ttaakkiinngg mmoommeennttss aabboouutt tthhee ttoopp bbeeaarriinngg:: FF mmbb == 11..2277RRmmee ((11)) wwhheerree FF mmbb iiss tthhee ttoottaall ffoorrccee eexxeerrtteedd bbyy tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg aatt iittss aaxxiiaall cceenntteerr ((ssuumm ooff eelleeccttrroommaagg nneett aanndd ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrcceess)),, aanndd RRmmee iiss tthhee mmeeaassuurreedd rreeaaccttiioonn aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt.. 55 ...... 116600 <<11ll oo EExxppeerriimmeennttaall ddaattaa cc CCCC11ll ll..oo 112200 EE-- cc:: ccii 8800 CC<<11ll ..00.... oo RRoooomm tteemmppeerraattuurree EECC11llooSS ?? oo UUqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree 4400 660000 <<11ll aa.. 440000 oo 22 44 66 88 1100 DDiissppllaacceemmeenntt aalloonngg XX--aaxxiiss aatt ::99 220000 rroooomm tteemmppeerraattuurree,, mmiill ..cc....ii 00 00 uu00.... RRgguurree 55..--PPeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee aass ffuunnccttiioonn --220000 ooff rroottoorr rraaddiiaall ppoossiittiioonn.. rr --440000 tt ----{{ll0000 --88 ----{{ll --44 --22 00 22 44 66 88 nnoo~~ :::: 110000 CCuurrrreenntt,, AA aaee::::~~ FFiigguurree 66..--EElleeccttrroommaaggnneettiicc ffoorrccee aass ffuunnccttiioonn ooff --44 00 11 2233 44 ccuurrrreenntt.. ~~ ~~ ~~ YY aaccttuuaattoorr ccuurrrreenntt,, AA FFiigguurree 77..--XX aaccttuuaattoorr ggaaiinn aass ffuunnccttiioonn ooff YY ccuurrrreenntt aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree.. AA ccoorrrreeccttiioonn wwaass rreeqquuiirreedd bbeeccaauussee ooff sshhaafftt ddeefflleeccttiioonn aass tthhee aaccttuuaattoorr ffoorrccee wwaass aapppplliieedd.. TThhiiss ddeefflleeccttiioonn ccaauusseedd tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ttoo ppuullll oonn tthhee sshhaafftt iinn tthhee ssaammee ddiirreeccttiioonn aass tthhee aaccttuuaattoorr ffoorrccee.. TThheerreeffoorree,, tthhee rreeaaccttiioonn mmeeaassuurreedd bbyy tthhee llooaadd cceellllss wwaass dduuee ttoo tthhee ssuumm ooff tthhee eelleeccttrroommaaggnneett ffoorrccee aanndd tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee.. TThhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee wwaass ccaallccuullaatteedd bbyy mmuullttiippllyyiinngg tthhee mmeeaassuurreedd ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ssttiiffffnneessss ((ddeessccrriibbeedd aabboovvee)) bbyy tthhee mmeeaassuurreedd sshhaafftt ddeefflleeccttiioonn,, hheennccee ((22)) wwhheerree FFeerrnn iiss tthhee eelleeccttrroommaaggnneett ffoorrccee,, FF mmbb iiss tthhee ttoottaall ffoorrccee eexxeerrtteedd bbyy tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg,, KK mm PP iiss tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ssttiiffffnneessss,, aanndd ss iiss tthhee sshhaafftt ddeefflleeccttiioonn aatt tthhee aaxxiiaall cceenntteerr ooff tthhee bbeeaarriinngg.. XX//YY FFOORRCCEE IINNTTEERRAACCTTIIOONN DDuurriinngg tthhee tteessttiinngg ooff tthhee bbeeaarriinngg,, aa ffoorrccee iinntteerraaccttiioonn bbeettwweeeenn tthhee XX aanndd YY aaxxeess wwaass nnoottiicceedd.. TThhiiss iinntteerraaccttiioonn wwaass eevvaalluuaatteedd bbyy mmeeaassuurriinngg tthhee XX aaccttuuaattoorr ggaaiinn aass tthhee YY aaccttuuaattoorr ccuurrrreenntt wwaass vvaarriieedd.. TThhee rreessuullttss aarree sshhoowwnn iinn FFiigguurree 77.. TThhee ffiigguurree sshhoowwss tthhaatt,, ffoorr zzeerroo ccuurrrreenntt iinn tthhee YY aaccttuuaattoorr,, tthhee XX aaccttuuaattoorr ggaaiinn iiss aapppprrooxxiimmaatteellyy 8899 llbbll AA,, aanndd aatt 33 AA ooff YY aaccttuuaattoorr ccuurrrreenntt,, tthhee XX aaccttuuaattoorr ggaaiinn ffaallllss ooffff ttoo aapppprrooxxiimmaatteellyy 6655 llbbll AA.. TThhee rreeaassoonn ffoorr tthhiiss iiss nnoott yyeett uunnddeerrssttoooodd.. TThhiiss ddeeggrreeee ooff iinntteerr aaccttiioonn bbeettwweeeenn tthhee ttwwoo aaxxeess ccaann ccaauussee ccoonnttrrooll aanndd ssttaabbiilliittyy pprroobblleemmss.. MMAAGGNNEETTIICC BBEEAARRIINNGG SSTTIIFFFFNNEESSSS TThhee mmaaggnneeLLiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss wwaass oobbttaaiinneedd bbyy lleevviittaattiinngg tthhee sshhaafftt aanndd aappppllyyiinngg aa kknnoowwnn ffoorrccee aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt wwhhiillee ssiimmuullttaanneeoouussllyy mmeeaassuurriinngg tthhee ddiissppllaacceemmeenntt aatt tthhee cceenntteerr ooff tthhee !! II II LL-- ------ ----__..------ mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg.. TThhee ffoorrccee eexxeerrtteedd bbyy tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg wwaass ccaallccuullaatteedd uussiinngg tthhee kknnoowwnn ffoorrccee bbyy ttaakkiinngg mmoommeennttss aabboouutt tthhee ttoopp bbeeaarriinngg cceenntteerr lliinnee.. TThhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ((~~ ffoorrccee// ~~ ddiissppllaacceemmeenntt)) wwaass ccaallccuullaatteedd ffrroomm tthheessee ddaattaa.. SSttaattiicc ((nnoonnrroottaattiinngg)) ssttiiffffnneessss ffrroomm 1100 000000 llbb//iinn.. uupp ttoo 8855 000000 llbb//iinn.. wwaass aacchhiieevveedd wwhhiillee pprreesseerrvviinngg ssttaabbiilliittyy.. TThhee hhiigghheesstt ssttiiffffnneessss aacchhiieevveedd ffoorr tthhee rroottaattiinngg tteessttss wwaass aapppprrooxxiimmaatteellyy 4466 000000 llbb//iinn.. TThhee ssttaabbiilliittyy ooff tthhee bbeeaarriinngg aass tthhee ssttiiffffnneessss iiss iinnccrreeaasseedd nneeeeddss ffuurrtthheerr wwoorrkk.. RROOTTOORR PPEERRFFOORRMMAANNCCEE RROOTTOORR CCRRIITTIICCAALL SSPPEEEEDDSS AANNDD MMOODDEE SSHHAAPPEESS TThhee ffiirrsstt ttwwoo rroottoorr ccrriittiiccaall ssppeeeeddss aarree ssttrroonnggllyy ddeeppeennddeenntt oonn tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss.. FFiigguurree 88 sshhoowwss tthhee aannaallyyttiiccaallllyy ddeetteerrmmiinneedd mmooddee sshhaappeess ffoorr tthhee ffiirrsstt ttwwoo mmooddeess ffoorr aa mmaaggnneettiicc bbeeaarr iinngg ssttiiffffnneessss ooff 1155 330000 IIbb//iinn.. aanndd aa ttoopp bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 880000 000000 IIbb//iinn.. TThhee ffttrrsstt mmooddee,, ooccccuurrrriinngg aatt 55446600 rrppmm,, iiss pprriimmaarriillyy aa rriiggiidd bbooddyy mmooddee bbuutt hhaass ssoommee sshhaafftt bbeennddiinngg iinn iitt bbeeccaauussee ooff tthhee hhiigghh ddeeggrreeee ooff sshhaafftt fflleexxiibbiilliittyy.. TThhee sseeccoonndd mmooddee,, ooccccuurrrriinngg aatt 1122 220000 rrppmm,, hhaass tthhee cchhaarraacctteerr ooff aa lluusstt bbeennddiinngg mmooddee.. TThheessee aarree ttyyppiiccaall mmooddee sshhaappeess ffoorr tthhee ffiirrsstt ttwwoo mmooddeess ffoorr mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneesssseess bbeellooww aabboouutt 3300 000000 llbb//iinn.. WWhheenn tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss iiss iinnccrreeaasseedd ttoo aabboouutt 4455 000000 IIbb//iinn..,, tthhee ffttrrsstt mmooddee bbeeccoommeess ffttrrsstt bbeennddiinngg iinn cchhaarraacctteerr.. TThhiiss iiss iilllluussttrraatteedd iinn FFiigguurree 99,, wwhhiicchh sshhoowwss --tthhee ffttrrsstt mmooddee ffoorr aa mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 4466 550000 llbb//iinn.. FFiigguurree 1100 iiss aann aannaallyyttiiccaallllyy ddeetteerrmmiinneedd pplloott ooff ccrriitt iiccaall ssppeeeedd vveerrssuuss mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ffoorr tthhee ffiirrsstt ttwwoo mmooddeess.. RROOTTAATTIINNGG TTEESSTTSS RRoottaattiinngg tteessttss wweerree ppeerrffoorrmmeedd ffoorr mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneesssseess ffrroomm 1100 000000 llbb//iinn.. ttoo 2222 000000 llbb//iinn.. aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree aanndd aatt 4466 000000 IIbb//iinn.. aatt rroooomm tteemmppeerraa ttuurree.. TThhee rroottoorr wwaass ffiinneellyy bbaallaanncceedd ffoorr tthheessee tteessttss ((ii..ee..,, nnoo iinntteennttiioonnaall uunnbbaallaannccee wwaass aapppplliieedd)).. FFoorr aa mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff aapppprrooxxiimmaatteellyy 2200 000000 llbb//iinn..,, tthhee bbeeaarriinngg wwaass ooppeerraatteedd uupp ttoo 1144 000000 rrppmm,, wwhhiicchh iiss tthhee ffuullll ssppeeeedd ccaappaabbiilliittyy ooff tthhee rriigg.. FFiigguurreess ll11{{aa)) aanndd ((bb)) sshhooww tthhee oorrbbiittss aatt tthhee lloowweerr aanndd uuppppeerr mmeeaassuurriinngg ppllaanneess ffoorr rroooomm tteemmppeerraattuurree.. FFiigguurree 1111 ((cc)) sshhoowwss tthhee vvoollttaaggee aapppplliieedd ttoo tthhee aaccttuuaattoorr ccooiillss ((YY vvoollttaaggee ppllootttteedd aaggaaiinnsstt XX vvoollttaaggee)) ffoorr aa mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 2200 000000 llbb//iinn.. aanndd aa ssppeeeedd ooff 1144 000000 rrppmm.. TThhiiss ttyyppee ooff pplloott cclleeaarrllyy rreevveeaallss wwhheetthheerr tthhee ppoowweerr aammpplliiffiieerr vvoollttaaggee lliimmiittss ((rraaiillss)) aarree rreeaacchheedd.. EExxcceeeeddiinngg tthhiiss vvoollttaaggee lliimmiitt ccaauusseess nnoonnlliinneeaarr bbeehhaavviioorr.. TThhee nneeaarrllyy ssqquuaarree sshhaappee ooff tthhee vvoollttaaggee ""oorrbbiittss"" mmaayy bbee dduuee ttoo tthhee aaxxiiss iinntteerraaccttiioonn eeffffeecctt mmeennttiioonneedd aabboovvee.. TThhee oorrbbiittss aanndd vvoollttaaggeess ffoorr lliiqquuiidd nniittrrooggeenn ooppeerraattiioonn wweerree ssiimmiillaarr ttoo tthhoossee aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree bbuutt wwiitthh ssoommeewwhhaatt llaarrggeerr oorrbbiitt aammpplliittuuddee.. FFoorr tthhiiss ssttiiffffnneessss,, tthhee ffiirrsstt ccrriittiiccaall ssppeeeedd wwaass ttrraavveerrsseedd aatt 66330000 rrppmm,, aanndd tthhee sseeccoonndd ccrriittiiccaall ssppeeeedd wwaass ttrraavveerrsseedd aatt 1122 660000 rrppmm ((sseeee RRoottoorr CCrriittiiccaall SSppeeeeddss aanndd MMooddee SShhaappeess)).. TThhee aammoouunntt ooff ddaammppiinngg ooffffeerreedd bbyy tthhee ccoonnttrroolllleerr wwaass ssuucchh tthhaatt aammpplliittuuddee ppeeaakkss aatt tthheessee ssppeeeeddss wweerree nnoott mmaarrkkeeddllyy eevviiddeenntt iinn tthhee oorrbbiitt ttrraacceess.. TThheessee ffrreeqquueenncciieess wweerree oobbsseerrvveedd,, hhoowweevveerr,, iinn tthhee ssppeeccttrraall mmaapp sshhoowwnn iinn FFiigguurree 1122.. TThhee pplloott sshhoowwss aa rreessoonnaannccee aatt 110055 HHzz ((66330000 rrppmm)),, wwhhiicchh iiss tthhee ffiirrsstt ccrriittiiccaall ssppeeeedd,, aanndd aannootthheerr rreessoonnaannccee aatt 221100 HHzz ((1122 660000 rrppmm)),, wwhhiicchh iiss tthhee sseeccoonndd ccrriittiiccaall.. NNoottee tthhaatt tthhee aammpplliittuuddeess ooff tthhee ccrriittiiccaall ssppeeeeddss iinn tthhee ssppeeccttrraall mmaapp wweerree vveerryy ssmmaallll iinnddiiccaattiinngg aa llaarrggee aammoouunntt ooff ddaammppiinngg.. TThhee hhaallff oorrddeerr aanndd hhiigghheerr oorrddeerr hhaarrmmoonniiccss aarree eevviiddeennccee ooff IIlloonnlliinneeaarriittiieess.. TThhee hhaallff--oorrddeerr hhaarrmmoonniicc iiss eevviiddeenntt iinn tthhee oorrbbiittss,, wwhhiicchh rreeqquuiirree ttwwoo rreevvoolluuttiioonnss bbeeffoorree rreeppeeaattiinngg.. RRoottaattiinngg tteessttss wweerree aallssoo ppeerrffoorrmmeedd aatt aa bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff aapppprrooxxiimmaatteellyy 4466 000000 IIbb//iinn.. aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree.. TThhee oorrbbiittss ffoorr ddiissppllaacceemmeenntt wweerree ssiimmiillaarr ttoo tthhoossee ffoorr tthhee 2200 OOOOOO--IIbb//iinn.. ssttiiffffnneessss.. TThhee bbeeaarriinngg wwaass ooppeerraatteedd uupp ttoo 1100 000000 rrppmm tthhrroouugghh tthhee bbeennddiinngg mmooddee,, wwhhiicchh ooccccuurrrreedd aatt aapppprrooxxiimmaatteellyy 77660000 rrppmm.. AAmmpplliittuuddee bbuuiilldduupp aatt tthhee ffiirrsstt ccrriittiiccaall ssppeeeedd wwaass nnoott oobbsseerrvveedd ffoorr tthhiiss ccaassee eeiitthheerr.. AAtt 1100 000000 rrppmm,, aann iinnssttaabbiilliittyy wwaass eennccoouunntteerreedd aatt tthhiiss ssttiiffffnneessss.. HHiigghheerr ppoowweerr aammpplliiffiieerr vvoollttaaggee aanndd iimmpprroovveedd ccoommppeennssaattiioonn tthhaatt wweerree mmaaddee ttoo tthhee ccoonnttrroolllleerr aafftteerr tthheessee tteessttss wweerree ppeerrffoorrmmeedd sshhoouulldd ppeerrmmiitt ooppeerraattiioonn ttoo 1144 000000 rrppmm aatt tthhiiss ssttiiffffnneessss.. 77 OOJJ cc:::: ..;;:::: 33 aa..CC1133 00<<11>> ,,....--,, ~~..oo II // ..// 22 11 --aaii MMooddee SSppeeeedd ''\\..''\\.. ''00 --2200 ::;;,, ::cc.. FFiirrsstt 55446600 ''\\.. aa --4400 SSeeccoonndd 1122220000 ''\\ EE --11 ~~ ~~OOooLL --LL--~~~~~~--LL--LL--LL~~~~~~~~ LL--____________________~~ 22 44 66 88 11 00 11 22 11 44 11 66 1188 2200 2222 --33 33 SShhaafftt lleennggtthh,, iinn.. XX ddiirreeccttiioonn,, mmiill ((aa)) RRoottoorr oorrbbiitt aatt lloowweerr mmeeaassuurree FFiigguurree 88..--SShhaafftt mmooddee sshhaappeess ffoorr mmaaggnneettiicc mmeenntt ppllaannee.. bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 1155 330000 IIbb//iinn.. ((aannaallyyttiiccaall ddaattaa)).. TToopp bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, 880000 000000 IIbb//iinn.. 22 ''EE 11 CC 00 aa '''';;;; uu <<II>> ''-- 220000 ''55 >>-- --11 ((//)) aaii~~ 110000 ''00::;;,, --22LL------------------------~~ ~~~~ OOll--++----------------''--~~ --33 33 aa..~~ XX ddiirreeccttiioonn,, mmiill EE··''tt:::: ~~--ee--110000 ((bb)) RRoottoorr oorrbbiitt aatt uuppppeerr mmeeaassuurree CC1133 mmeenntt ppllaannee.. --220000 LL----__....II........--__--ll........--__--''--__--LL__------'' oo 55 1100 1155 2200 2255 7700 SShhaafftt lleennggtthh,, iinn.. >> --aaii CCll CC1133 FFiigguurree gg..--SShhaafftt ffiirrsstt mmooddee sshhaappee ffoorr mmaaggnneettiicc 3355 ''00 bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 4466 550000 IIbb//iinn.. ((aannaallyyttiiccaall >> ddaattaa)).. TToopp bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, 880000 000000 IIbb//iinn.. uu OOJJ <<II>> aa cc:::: CCll CC1133 --EE 00 ''-- --3355 uu EE 1166xx110033 <<II>> ((jjjj aa.. --''gg-- ~~ 00 FFiirrsstt mmooddee >>-- --7700 1122 00 SSeeccoonndd mmooddee --7700 7700 <<II>> aa.. ((//)) XX eelleeccttrroommaaggnneettiicc vvoollttaaggee,, VV 88 ((iijj uu ((cc)) YY eelleeccttrroommaaggnneettiicc vvoollttaaggee ..OO;;::JJ:: 44 vveerrssuuss XX eelleeccttrroommaaggnneettiicc vvoollttaaggee.. (()) aa 22 44 66 88 1100xx110044 MMaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, IIbb//iinn.. FFiigguurree 1111..--RRoottoorr oorrbbiittss aanndd eelleeccttrroommaaggnneett vvoollttaaggee.. SSppeeeedd,, 1144000000 rrppmm;; mmaaggnneettiicc bbeeaarr iinngg ssttiiffffnneessss,, 2200000000 IIbb//iinn..;; rroooomm tteemmppeerraattuurree.. FFiigguurree 1100..--SShhaafftt ccrriittiiccaall ssppeeeedd aass ffuunnccttiioonn ooff mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ((aannaallyyttiiccaall ddaattaa)).. TToopp bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, 880000 000000 IIbb//iinn.. 88 ----II ~~----""~~,,------------------,,----..----..--..------~~----------~~......,,,,..,,..,,,,....~~++......--------------~~--~~~~--~~----~~~~------~~~~-- EE ee-- --00 <<11>> <<11>> aa.. CCII)) FFiigguurree 1122..--SSppeeccttrraall mmaapp ffoorr rroooomm tteemmppeerraattuurree ooppeerraattiioonn.. MMaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, 2200 000000 IIbb//iinn.. oo 4400 ccoo --55 ccoo ""00 ""00 2200 ..gg --1100 aaii 22 ~~ 00 ''cc --1155 ''22 gg>> CC)) ~~ --2200 ~~ --2200 --4400 ''----__--''------__----''--__------''''----__......!!..''__----JJ --2255 ''----__........II....--__----''--__------''''------__........II....--__--..JJ oo oo 110000 220000 330000 440000 550000 110000 220000 330000 440000 550000 FFrreeqquueennccyy,, HHzz FFrreeqquueennccyy,, HHzz ((aa)) UUgghhttllyy ddaammppeedd.. ((bb)) HHeeaavviillyy ddaammppeedd.. FFiigguurree 1133..-- TTrraannssffeerr ffuunnccttiioonn bbeettwweeeenn nnooiissee iinnttoo mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ccoonnttrroolllleerr aanndd lloowweerr ddiissppllaacceemmeenntt pprroobbeess.. MMaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, 2200 000000 IIbb//iinn.. 99

ebook img

NASA Technical Reports Server (NTRS) 19920011281: Performance tests of a cryogenic hybrid magnetic bearing for turbopumps PDF

16 Pages·9.6 MB·English
by  NASA Technical Reports Server (NTRS)
#additional_collections #NASA_NTRS_Archive
Save to my drive
Quick download
Download
Upgrade Premium
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview NASA Technical Reports Server (NTRS) 19920011281: Performance tests of a cryogenic hybrid magnetic bearing for turbopumps

NNAASSAA TTeecchhnniiccaall MMeemmoorraanndduumm 110055662277 PPeerrffoonnnnaannccee TTeessttss ooff aa CCrryyooggeenniicc HHyybbrriidd MMaaggnneettiicc BBeeaarriinngg ffoorr TTuurrbbooppuummppss EElliisseeoo DDiiRRuussssoo aanndd GGeerraalldd VV.. BBrroowwnn LLeewwiiss RReesseeaarrcchh CCeenntteerr CClleevveellaanndd,, OOhhiioo PPrreeppaarreedd ffoorr tthhee TThhiirrdd IInntteerrnnaattiioonnaall SSyymmppoossiiuumm oonn MMaaggnneettiicc BBeeaarriinnggss AAlleexxaannddrriiaa,, VViirrggiinniiaa,, JJuullyy 2299--3311,, 11999922 NNII\\SS//\\ __.. ,,------""'' ------__ ......__ __ ..__ .... __------ PPEERRFFOORRMMAANNCCEE TTEESSTTSS OOFF AA CCRRYYOOGGEENNIICC HHYYBBRRIIDD MMAAGGNNEETTIICC BBEEAARRIINNGG FFOORR TTUURRBBOO PPUUMMPPSS EElliisseeoo DDiiRRuussssoo aanndd GGeerraalldd VV.. BBrroowwnn NNaattiioonnaall AAeerroonnaauuttiiccss aanndd SSppaaccee AAddmmiinniissttrraattiioonn LLeewwiiss RReesseeaarrcchh CCeenntteerr CClleevveellaanndd,, OOhhiioo 4444113355 AABBSSTTRRAACCTT EExxppeerriimmeennttss wweerree ppeerrffoorrmmeedd oonn aa HHyybbrriidd MMaaggnneettiicc BBeeaarriinngg ddeessiiggnneedd ffoorr ccrryyooggeenniicc aapppplliiccaattiioonnss ssuucchh aass ttuurrbbooppuummppss.. TThhiiss bbeeaarriinngg iiss ccoonnssiiddeerraabbllyy ssmmaalllleerr aanndd lliigghhtteerr tthhaann ccoonnvveennttiioonnaall mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss aanndd iiss mmoorree eeffffiicciieenntt bbeeccaauussee iitt uuttiilliizzeess aa ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ttoo pprroovviiddee aa bbiiaass fflluuxx.. TThhee tteessttss wweerree ppeerrffoorrmmeedd iinn aa tteesstt rriigg tthhaatt uusseedd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn ttoo ssiimmuullaattee ccrryyooggeenniicc ttuurrbbooppuummpp tteemmppeerraattuurreess.. TThhee bbeeaarriinngg wwaass tteesstteedd aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd aatt lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree ((--332200 OOFF)).. TThhee mmaaxxiimmuumm ssppeeeedd ffoorr tthhee tteesstt rriigg wwaass 1144 000000 rrppmm.. FFoorr aa mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 2200 000000 llbb//iinn..,, tthhee fflleexxiibbllee rroottoorr hhaadd ttwwoo ccrriittiiccaall ssppeeeeddss ((66330000 aanndd 1122 660000 rrppmm)) wwiitthhiinn tthhee 1144 OOOOOO--rrppmm ooppeerraattiinngg rraannggee aanndd wwaass ooppeerraatteedd tthhrroouugghh bbootthh ccrriittiiccaall ssppeeeeddss.. AA ssttaattiicc ((nnoonnrroottaattiinngg)) bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 8855 000000 llbb//iinn.. wwaass aacchhiieevveedd.. MMaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffff nneessss,, ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ssttiiffffnneessss,, aaccttuuaattoorr ggaaiinn,, aanndd aaccttuuaattoorr ffoorrccee iinntteerraaccttiioonn bbeettwweeeenn ttwwoo aaxxeess wweerree eevvaalluuaatteedd,, aanndd ccoonnttrroolllleerr//ppoowweerr aammpplliiffiieerr cchhaarraacctteerriissttiiccss wweerree ddeetteerrmmiinneedd.. TThhee tteessttss rreevveeaalleedd tthhaatt iitt iiss ffeeaassiibbllee ttoo uussee tthhiiss bbeeaarriinngg iinn tthhee ccrryyooggeenniicc eennvviirroonnmmeenntt aanndd ttoo ccoonnttrrooll tthhee rroottoorrddyynnaammiiccss ooff fflleexxiibbllee rroottoorrss wwhheenn ppaassssiinngg tthhrroouugghh bbeennddiinngg ccrriittiiccaall ssppeeeeddss.. TThhee tteessttss.. aallssoo rreevveeaalleedd tthhaatt mmoorree eeffffoorrtt sshhoouulldd bbee ppllaacceedd oonn eennhhaanncciinngg tthhee ccoonnttrroolllleerr ttoo aacchhiieevvee hhiigghheerr bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss aanndd oonn ddeevveellooppiinngg ddiissppllaacceemmeenntt sseennssoorrss tthhaatt rreedduuccee ddrriifftt ccaauusseedd bbyy tteemmppeerraattuurree aanndd rreedduuccee sseennssoorr eelleeccttrriiccaall nnooiissee.. IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN TThhee ccrryyooggeenniicc ttuurrbbooppuummppss ffoorr ppuummppiinngg lliiqquuiidd hhyyddrrooggeenn aanndd lliiqquuiidd ooxxyyggeenn ttoo tthhee ssppaaccee sshhuuttttllee mmaaiinn eennggiinneess ((SSSSMMEEss)) hhaavvee eexxppeerriieenncceedd sseerriioouuss rroottoorr vviibbrraattiioonnss.. RReeffeerreenncceess 11 aanndd 22 ddeessccrriibbee tthhee hhyyddrrooggeenn ppuummpp,, iittss aassssoocciiaatteedd iinnssttaabbiilliittiieess,, aanndd tthhee eeffffeeccttss ooff sseeaall ssttiiffffnneessss aanndd ddaammppiinngg oonn rroottoorr ssttaabbiilliittyy.. BBeeccaauussee ooff hhiigghh llooaaddiinngg aanndd ssppeeeedd,, tthhee rroolllliinngg eelleemmeenntt bbeeaarriinnggss uusseedd iinn tthhee SSSSMMEE ttuurrbboo ppuummppss hhaavvee vveerryy lliimmiitteedd lliiffee.. SSiinnccee tthhee bbeeaarriinngg ccoommppaarrttmmeennttss ooff ttuurrbbooppuummppss ccoonnttaaiinn lliiqquuiidd ooxxyyggeenn oorr lliiqquuiidd hhyyddrrooggeenn,, ddaammppiinngg sscchheemmeess ttyyppiiccaallllyy uusseedd iinn aaiirrccrraafftt eennggiinneess,, ssuucchh aass ssqquueeeezzee ffiillmm ddaammppeerrss,, ccaannnnoott bbee uusseedd.. EEddddyy ccuurrrreenntt ddaammppeerrss [[33]] oorr eelleeccttrroommaaggnneettiicc ddaammppeerrss [[44]] pprroovviiddee lliimmiitteedd ddaammppiinngg aatt hhiigghh ffrreeqquueenncciieess oorr mmuusstt bbee ttuunneedd ttoo ssppeecciiffiicc ffrreeqquueennccyy bbaannddwwiiddtthhss.. TThheessee ppaassssiivvee ddeevviicceess ccaannnnoott bbee uusseedd ttoo aaccttiivveellyy ccoonnttrrooll rroottoorr ssttaabbiilliittyy,, aanndd tthheeyy tteenndd ttoo bbee llaarrggee aanndd hheeaavvyy.. IItt aappppeeaarrss tthhaatt tthhee pprroobb lleemmss ooff ssttaabbiilliittyy,, llooww ddaammppiinngg,, aanndd sshhoorrtt bbeeaarriinngg lliiffee ccaann bbee aaddddrreesssseedd bbyy uussiinngg mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss.. TThhiiss ppaappeerr ffooccuusseess oonn tthhaatt aapppplliiccaattiioonn.. SSiinnccee iinndduussttrriiaall mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss aarree ttyyppiiccaallllyy llaarrggee aanndd hheeaavvyy ccoommppaarreedd wwiitthh ccoonnvveennttiioonnaall rroolllliinngg eelleemmeenntt bbeeaarriinnggss,, aa sseeaarrcchh wwaass mmaaddee ttoo iiddeennttiiffyy aa ssmmaallll,, lliigghhttwweeiigghhtt,, aanndd eelleeccttrriiccaallllyy eeffffiicciieenntt bbeeaarriinngg.. AA hhyybbrriidd mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg tthhaatt uuttiilliizzeess bbootthh ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneettss aanndd eelleeccttrroommaaggnneettss wwaass cchhoosseenn.. TThhiiss bbeeaarriinngg wwaass ddeessiiggnneedd ffoorr ccrryyooggeenniicc aapppplliiccaattiioonn bbyy AAvvccoonn,, IInncc..,, aanndd NNAASSAA LLeewwiiss RReesseeaarrcchh CCeenntteerr.. TThhee AAvvccoonn bbeeaarriinngg iiss ddiissccuusssseedd iinn RReeffeerreenncceess 55,, 66,, aanndd 77.. TThhiiss hhyybbrriidd ccoonncceepptt ddiiffffeerrss ffrroomm ootthheerrss iinn tthhaatt tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneettss aarree aarrrraannggeedd ssuucchh tthhaatt tthhee eelleeccttrroommaaggnneett fflluuxx ddooeess nnoott ppaassss tthhrroouugghh tthheemm,, wwhhiicchh rreessuullttss iinn hhiigghheerr eeffffiicciieennccyy.. OOtthheerr eeffffiicciieenntt hhyybbrriidd mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss hhaavvee bbeeeenn ddeessiiggnneedd.. RReeffeerreenncceess 88 aanndd 99 ddeessccrriibbee aa ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett bbiiaasseedd mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg tthhaatt iinntteeggrraatteess aa tthhrruusstt bbeeaarriinngg aalloonngg wwiitthh tthhee rraaddiiaall bbeeaarriinngg.. TThhiiss bbeeaarriinngg wwaass ddeessiiggnneedd ffoorr rroooomm tteemmppeerraattuurree aapppplliiccaattiioonn.. TThhee tteessttiinngg ddeemmoonnssttrraatteedd tthhaatt tthhee uussee ooff ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneettss ccaann iimmpprroovvee ooppeerraattiinngg eeffffiicciieennccyy oovveerr ccoonnvveennttiioonnaall,, aallll--eelleeccttrroommaaggnneett ddeessiiggnnss.. TToo lliinneeaarriizzee tthhee ffoorrccee--ttoo--ccuurrrreenntt rreellaattiioonnsshhiipp ffoorr mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss,, oonnee mmuusstt pprroovviiddee aa ""bbiiaass fflluuxx..»» TThhee ccuurrrreenntt iinndduussttrriiaall pprraaccttiiccee iiss ttoo ssuuppppllyy tthhee bbiiaass fflluuxx wwiitthh eelleeccttrroommaaggnneettss,, wwhhiicchh mmeeaannss tthhaatt eelleeccttrriiccaall ppoowweerr iiss rreeqquuiirreedd ffuullll ttiimmee ttoo ssuuppppllyy tthhee bbiiaass fflluuxx.. IInn tthhee hhyybbrriidd bbeeaarriinngg,, tthhee ppeerr mmaanneenntt mmaaggnneett ssuupppplliieess tthhee bbiiaass fflluuxx wwiitthhoouutt ppoowweerr eexxppeennddiittuurree,, rreessuullttiinngg iinn aa llaarrggee ppoowweerr ssaavviinngg.. RReeffeerreennccee 55 ccoommppaarreess bbeeaarriinngg ssiizzee,, wweeiigghhtt aanndd ppoowweerr ccoonnssuummppttiioonn ooff tthhee hhyybbrriidd aanndd ccoonnvveennttiioonnaall mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss.. TThhee wweeiigghhtt aanndd ssiizzee ooff tthhee ppoowweerr aammpplliiffiieerr eelleeccttrroonniiccss aarree aallssoo ssiiggnniiffiiccaannttllyy rreedduucceedd ffoorr tthhee hhyybbrriidd bbeeaarriinngg iinn ccoommppaarriissoonn ttoo aallll--eelleeccttrroommaaggnneett bbeeaarriinnggss.. TThhee hhyybbrriidd bbeeaarriinngg bbuuiilltt ffoorr tthhiiss ssttuuddyy iiss 55..2255 iinn.. iinn ddiiaammeetteerr,, 44..55 iinn.. lloonngg,, aanndd wweeiigghhss 1177..44 llbb.. IIttss bboorree iiss 33..0033 iinn..,, aanndd iittss aaiirr ggaapp iiss 00..002244 iinn.. TThhee rraaddiiaall llooaadd ccaappaacciittyy iiss 550000 llbb ((lliinneeaarr llooaadd lliimmiitt iiss aapppprrooxxiimmaatteellyy 332200 IIbb aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree)) aanndd ccoouulldd bbee ssuubbssttaannttiiaallllyy iinnccrreeaasseedd bbyy ooppttiimmiizzaattiioonn.. TThhee oobbjjeeccttiivveess ooff tthhiiss rreesseeaarrcchh wweerree ttoo ((11)) DDeetteerrmmiinnee tthhee ffeeaassiibbiilliittyy ooff uussiinngg mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss iinn ccrryyooggeenniicc ttuurrbbooppuummppss ((22)) AAppppllyy mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss ttoo ccoonnttrrooll tthhee rroottoorrddyynnaammiiccss ooff ssuuppeerrccrriittiiccaall rroottoorrss ssuucchh aass tthhoossee ffoouunndd iinn tthhee SSSSMMEE ttuurrbbooppuummppss ((33)) EExxpplloorree aannyy ssppeecciiaall pprroobblleemmss iinn aappppllyyiinngg mmaaggnneettiicc bbeeaarriinnggss ttoo ttuurrbbooppuummppss TTEESSTT RRIIGG AANNDD MMAAGGNNEETTIICC BBEEAARRIINNGG TTEESSTT RRIIGG TThhee tteesstt rriigg ssiimmuullaatteess aa rroottoorr aanndd tthhee ccoolldd eennvviirroonnmmeenntt ooff aa ccrryyooggeenniicc ttuurrbbooppuummpp.. TThhiiss rriigg,, oorriiggiinnaallllyy ddeessiiggnneedd ttoo eevvaalluuaattee eeddddyy ccuurrrreenntt aanndd eelleeccttrroommaaggnneettiicc ddaammppeerrss,, wwaass mmooddiiffiieedd ttoo iinnccoorrppoo rraattee tthhee hhyybbrriidd bbeeaarriinngg aanndd ttoo ooppeerraattee aatt ccrryyooggeenniicc ccoonnddiittiioonnss.. TThhee rriigg hhaass aa uunniiqquuee ccaappaabbiilliittyy ooff aappppllyyiinngg mmeeaassuurreedd ffoorrcceess ttoo tthhee sshhaafftt ttoo mmeeaassuurree mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss aanndd ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrcceess aatt bbootthh rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree.. AA ddrraawwiinngg ooff tthhee rriigg iiss sshhoowwnn iinn FFiigguurree 11.. TThhee rroottoorr hhaass aa vveerrttiiccaall aaxxiiss aanndd iiss ssuuppppoorrtteedd bbyy tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg aatt tthhee bboottttoomm aanndd aa pprreellooaaddeedd dduupplleexx bbaallll bbeeaarriinngg aatt tthhee ttoopp.. TThhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ccaarrrriieess oonnllyy rraaddiiaall llooaadd,, aanndd tthhee bbaallll bbeeaarriinngg ccaarrrriieess rraaddiiaall aanndd tthhrruusstt llooaadd.. TThhee rroottoorr iiss ddrriivveenn bbyy aann aacc mmoottoorr tthhrroouugghh aa bbeelltt aanndd ppuulllleeyy ssppeeeedd iinnccrreeaasseerr ((22 ttoo 11 rraattiioo)) aatt ssppeeeeddss uupp ttoo 1144 000000 rrppmm.. TThhee rroottoorr hhaass aa pprriimmaarriillyy rriiggiidd bbooddyy aanndd aa bbeennddiinngg ccrriittiiccaall ssppeeeedd wwiitthhiinn tthhee ooppeerraattiinngg rraannggee,, aanndd iitt ccaann bbee uunnbbaallaanncceedd bbyy ppllaacciinngg sseett ssccrreewwss iinn oonnee ooff tthhee ddiisskkss.. FFoorr ccrryyooggeenniicc ooppeerraattiioonn,, lliiqquuiidd nniittrrooggeenn aatt --332200 OOFF ssuubbmmeerrggeess tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg,, aanndd lliiqquuiidd lleevveell iiss ccoonnttrroolllleedd bbyy aa sseennssiinngg ssyysstteemm.. AA vvaaccuuuumm cchhaammbbeerr ((FFiigguurree 11)) rreedduucceess tthhee lliiqquuiidd bbooiill--ooffff rraattee.. MMAAGGNNEETTIICC BBEEAARRIINNGG TThhee kkeeyy mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ccoommppoonneennttss ccaann bbee sseeeenn iinn FFiigguurree 11.. TThheessee aarree tthhee ffeerrrroommaaggnneettiicc rroottoorr,, rroottoorr llaammiinnaattiioonnss,, ssttaattoorr llaammiinnaattiioonnss,, ssttaattoorr wwiinnddiinnggss,, ssaammaarriiuumm ccoobbaalltt ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett,, ppoollee ppiieeccee,, aanndd ppoossiittiioonn sseennssoorrss.. TThhee bbaacckkuupp bbeeaarriinngg sshhoowwnn aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt ppoossiittiioonnss tthhee rroottoorr wwhheenn tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg iiss nnoott ooppeerraattiinngg.. WWhheenn tthhee rroottoorr iiss cceenntteerreedd,, tthheerree iiss aa 00..001100--iinn.. rraaddiiaall ggaapp bbeettwweeeenn tthhee rroottoorr aanndd tthhee bbaacckkuupp bbeeaarriinngg.. 22 DDrriivvee bbeelltt UUppppeerr ssuuppppoorrtt bbeeaarriinnggss --'',, "" -- SShhaafftt SShhaafftt sseeaall ---- __---- DDiisskk RRaaddiiaall PPllaassttiicc ffoorrccee iinnssuullaattiioonn -- ____ ggeenneerraattoorr RRoottoorr ppoossiittiioonn sseennssoorr,, 990000------~~~~-- PPoollee ppiieeccee RRoottoorr llaammiinnaattiioonnss FFeerrrroommaaggnneettiicc rroottoorr ---- PPeerrmmaanneenntt mmaaggnneett VVaaccuuuumm cchhaammbbeerr -------- -- ---- LLiiqquuiidd nniittrrooggeenn SSttaattoorr llaammiinnaattiioonnss II // II // BBaacckkuupp ttoouucchh--ddoowwnn II SSttaattoorr wwiinnddiinnggss ......JJ LLppoossiittiioonn sseennssoorr,, 990000 bbeeaarriinnggss FFiigguurree 11..--CCrryyooggeenniicc hhyybbrriidd mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg aanndd tteesstt rriigg.. DDIISSPPLLAACCEEMMEENNTT SSEENNSSOORRSS EEiigghhtt eeddddyy ccuurrrreenntt ppoossiittiioonn sseennssoorrss wweerree uusseedd ttoo ccoonnttrrooll tthhee bbeeaarriinngg ((FFiigguurree 11)).. FFoouurr pprroobbeess llooccaatteedd bbeellooww tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg mmeeaassuurreedd oorrtthhooggoonnaall ddiissppllaacceemmeennttss aatt tthhee eenndd ooff tthhee sshhaafftt.. FFoorr eeaacchh aaxxiiss ((XX aanndd YY)),, tthhee ddiiffffeerreennccee bbeettwweeeenn tthhee ssiiggnnaallss ffrroomm ttwwoo ddiiaammeettrriiccaallllyy ooppppoosseedd pprroobbeess wwaass uusseedd aass tthhee ppoossiittiioonn ssiiggnnaall.. TThhiiss rreedduucceedd tthhee eeffffeecctt ooff sshhaafftt ssuurrffaaccee iirrrreegguullaarriittyy oonn tthhee ccoonnttrrooll ssiiggnnaall aanndd rreedduucceedd tthhee zzeerroo sshhiifftt iinn tthhee pprroobbee ssiiggnnaallss bbeettwweeeenn rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerr aattuurree.. TThhee ssaammee wwaass ddoonnee ffoorr tthhee ffoouurr pprroobbeess llooccaatteedd aabboovvee tthhee bbeeaarriinngg.. SSiinnccee tthhee uuppppeerr aanndd lloowweerr pprroobbeess wweerree eeqquuiiddiissttaanntt ffrroomm tthhee bbeeaarriinngg cceenntteerr,, aa ssiimmppllee aavveerraaggee ooff tthhee uuppppeerr aanndd lloowweerr pprroobbee ssiigg nnaallss pprroovviiddeedd ccoonnttrrooll ssiiggnnaallss tthhaatt wweerree,, iinn eeffffeecctt,, ccoo--llooccaatteedd wwiitthh tthhee aaxxiiaall cceenntteerr ooff tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg.. SSttaabbllee lleevviittaattiioonn wwaass nnoott ppoossssiibbllee wwiitthh oonnllyy tthhee uuppppeerr sseett ooff pprroobbeess.. SSttaabbllee lleevviittaattiioonn wwaass ppoossssiibbllee wwiitthh oonnllyy tthhee lloowweerr sseett aatt llooww ssttiiffffnneessss.. CCOONNTTRROOLLSS AAllll rreessuullttss pprreesseenntteedd iinn tthhiiss ppaappeerr wweerree oobbttaaiinneedd wwiitthh aa ssiimmppllee pprrooppoorrttiioonnaall ddeerriivvaattiivvee oorr pprroo ppoorrttiioonnaall iinntteeggrraall ddeerriivvaattiivvee aannaalloogg ccoonnttrroolllleerr.. TThhee sscchheemmaattiicc ooff tthhee ccoonnttrrooll cciirrccuuiitt ffoorr oonnee bbeeaarr-- iinngg aaxxiiss iiss sshhoowwnn iinn FFiigguurree 22.. TThhee ccoommppoonneenntt vvaalluueess sshhoowwnn pprroodduucceedd aa mmeeaassuurreedd ssttiiffffnneessss ooff 2200 ttoo 2222 llbb//mmiill.. TThhee ssuummmmeerr aatt tthhee ffrroonntt eenndd ooff tthhee cciirrccuuiitt aaddddeedd tthhee ssiiggnnaallss ffrroomm tthhee ddiissppllaacceemmeenntt sseennssoorrss tthhaatt wweerree aabboovvee aanndd bbeellooww tthhee bbeeaarriinngg ttoo oobbttaaiinn aa vvaalluuee pprrooppoorrttiioonnaall ttoo tthhee ddiissppllaacceemmeenntt aatt tthhee bbeeaarriinngg cceenntteerr.. TThhee mmeeaassuurreedd ttrraannssffeerr ffuunnccttiioonn ooff tthhee ccoonnttrroolllleerr iiss sshhoowwnn iinn FFiigguurree 33.. TThhee ddeerriivvaattiivvee wwaass lliimmiitteedd ttoo aa 11..55--kkHHzz bbaannddwwiiddtthh,, aanndd tthhee oovveerraallll ccoonnttrrooll wwaass lliimmiitteedd ttoo aa 33--kkHHzz bbaannddwwiiddtthh bbyy tthhee llooww ppaassss ffiilltteerr.. 33 PPoossiittiioonn aaddjjuussttmmeenntt IInnppuutt ssuummmmeerr ll aanndd bbuucckkiinngg ..--------''\\NN\\rr--------,, --==-- 1100 kk!!}} 1100 kk!!}} BBuuffffeerr UUppppeerr pprroobbeess 1100kk!!}} LLooww 1111 kk!!}} DDeerriivvaattiivvee 1100kk!!}} LLoowweerr kk pprroobbeess oo--__11--''\\00NNvv--!!}}--------,,----ll 1100kk!!}} 1100 kk!!}} GGaaiinn SSuummmmeerr PPrrooppoorrttiioonnaall ccoonnttrrooll 1100kk!!}} IInnvveerrtteerr 1100kk!!}} 1100kk!!}} 1100kk!!}} EExxcciittaattiioonn iinnppuutt FFiigguurree 22..--AAnnaalloogg ccoonnttrrooll ssyysstteemm ffoorr hhyybbrriidd mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg.. 3300 --1100 ccoo ccoo ""00 2255 ""00 aaii aaii --2200 ""00 ::JJ 2200 ""::CCJJ CC..~~ii ..~~ CCii --3300 EE 1155 EE <<::(( <<::(( 1100 --4400 ''--------''----''''--''--''.. ......................'' ''------''--~~~~--UU........------LL...... .......................... ..LL..UU....LLUU 9900 220000 eenn eenn QQ)) QQ)) ""00 4455 ""CC 116600 eeQQnn)) eeQQnn)) cc:::: 00 ~~ 112200 ~~ QQ)) QQ)) ((JJ)) ((JJ)) ..ss~~:::: --4455 ~~ 8800 aa.. aa.. --9900 4400 ~~~~~~""----~~~~~~~~~~==--~~~~== 110011 110022 110033 110044 110011 FFrreeqquueennccyy FFrreeqquueennccyy FFiigguurree 33..--TTrraannssffeerr ffuunnccttiioonn ffoorr aannaalloogg ccoonnttrroolllleerr.. FFiigguurree 44..--TTrraannssffeerr ffuunnccttiioonn ffoorr ppoowweerr aammpplliiffiieerrss.. 44 PPOOWWEERR AAMMPPLLIIFFIIEERRSS LLiinneeaarr ttrraannssccoonndduuccttaannccee ppoowweerr aammpplliiffiieerrss wweerree uusseedd ffoorr tthhee llaabboorraattoorryy tteessttss,, eevveenn tthhoouugghh wweeiigghhtt aanndd ssiizzee lliimmiittaattiioonnss wwoouulldd pprroobbaabbllyy rreeqquuiirree sswwiittcchhiinngg aammpplliiffiieerrss ffoorr ppootteennttiiaall fflliigghhtt vveerrssiioonnss.. TThhee cciirr ccuuiitt ddiiaaggrraamm ffoorr tthhee aammpplliiffiieerrss iiss sshhoowwnn iinn tthhee iinnsseett ooff FFiigguurree 44.. TThhee rreessiissttiivvee--ccaappaacciittiivvee ffeeeeddbbaacckk cciirr ccuuiitt,, rreeqquuiirreedd ffoorr ssttaabbiilliittyy,, lliimmiittss tthhee bbaannddwwiiddtthh ooff tthhee aammpplliiffiieerr ttoo aabboouutt 11..55 kkHHzz,, aass sshhoowwnn bbyy tthhee aammpplliiffiieerr ttrraannssffeerr ffuunnccttiioonn bbeettwweeeenn iinnppuutt vvoollttaaggee VV aanndd oouuttppuutt ccuurrrreenntt 1100 iinn FFiigguurree 44.. TThhiiss iinn ssoommeewwhhaatt mmaarrggiinnaall bbaannddwwiiddtthh iiss aa ccoonnsseeqquueennccee ooff tthhee II--MMHHzz ggaaiinn--bbaannddwwiiddtthh pprroodduucctt ooff tthhee hhyybbrriidd ppoowweerr ooppeerraattiioonnaall aammpplliiffiieerr uusseedd aanndd tthhee 3355--mmHH iinndduuccttaannccee bbeeiinngg ddrriivveenn.. AAnn iinnccrreeaassee iinn bbaannddwwiiddtthh ooff aa ffaaccttoorr ooff 22 ttoo 44 wwoouulldd bbee pprreeffeerrrreedd.. TThhee mmaaxxiimmuumm vvoollttaaggee oouuttppuutt ooff tthhee aammpplliiffiieerr iiss aabboouutt 6655 VV,, aanndd sstteeaaddyy ccuurrrreennttss ooff 1100 AA oorr mmoorree aarree wweellll wwiitthhiinn iittss ssaaffee ooppeerraattiinngg aarreeaa.. AACCTTUUAATTOORR PPEERRFFOORRMMAANNCCEE PPEERRMMAANNEENNTT MMAAGGNNEETT SSTTIIFFFFNNEESSSS TThhee ppoossiittiioonn ssttiiffffnneessss dduuee ttoo tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett aalloonnee iiss aann iimmppoorrttaanntt ddeessiiggnn ppaarraammeetteerr ffoorr tthhiiss ttyyppee ooff bbeeaarriinngg.. IItt wwaass mmeeaassuurreedd bbyy ppoossiittiioonniinngg tthhee rroottoorr oonn tthhee bbaacckkuupp bbeeaarriinngg ((mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ppoowweerr ooffff)) aanndd aappppllyyiinngg aa ffoorrccee aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt ((jjuusstt bbeellooww tthhee lloowweerr ppoossiittiioonn sseennssoorrss)) wwhhiillee ssiimmuullttaanneeoouussllyy mmeeaassuurriinngg tthhee aapppplliieedd ffoorrccee aanndd sshhaafftt rraaddiiaall ppoossiittiioonn aatt tthhee cceenntteerr ooff tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg.. AAss tthhee ffoorrccee wwaass aapppplliieedd,, tthhee sshhaafftt mmoovveedd ssmmooootthhllyy aanndd ccoonnttiinnuuoouussllyy ttoowwaarrdd tthhee rraaddiiaall cceenntteerr ooff tthhee bbeeaarriinngg.. TThhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee aatt tthhee aaxxiiaall cceenntteerr ooff tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg wwaass ccaallccuullaatteedd ffrroomm tthhee mmeeaassuurreedd ffoorrccee bbyy ttaakkiinngg mmoommeennttss aabboouutt tthhee ttoopp bbeeaarriinngg ggiivviinngg FF ppmm == 11..2277FFmm ee'' wwhheerree FF ppmm iiss tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee aatt tthhee aaxxiiaall cceenntteerr ooff tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg,, aanndd FF mmee iiss tthhee mmeeaassuurreedd ffoorrccee aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt.. TThhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee vveerrssuuss ddiissppllaacceemmeenntt iiss sshhoowwnn iinn FFiigguurree 55.. TThhee eexxppeerriimmeennttaall vvaalluuee ooff ssttiiffffnneessss,, ddeerriivveedd ffrroomm aa lliinneeaarr ccuurrvvee ffiitt tthhrroouugghh tthhee ffoorrccee vveerrssuuss ddiissppllaacceemmeenntt ddaattaa,, wwaass --1199 000000 llhh//iinn.. aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree.. PPee~~mmaanneenntt mmaaggnneett ssttiiffffnneessss mmeeaassuurreemmeennttss mmaaddee aatt lliiqquuiidd nniittrroo ggeenn tteemmppeerraattuurree vvaarriieedd bbeettwweeeenn --1133 000000 aanndd --2211 000000 IIbb//iinn.. SSiinnccee tthhiiss mmeeaassuurreemmeenntt wwaass mmaaddee bbeeffoorree tthhee ddiiffffeerreennttiiaall pprroobbee ssyysstteemm wwaass iinnssttaalllleedd,, tteemmppeerraattuurree cchhaannggeess ccaauusseedd ccoonnssiiddeerraabbllee ddrriifftt iinn tthhee ddiissppllaacceemmeenntt ddaattaa aatt lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree,, ccaauussiinngg ssccaatttteerr iinn tthhee ssttiiffffnneessss mmeeaassuurreemmeenntt.. TThhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ssttiiffffnneessss iiss eexxppeecctteedd ttoo iinnccrreeaassee aatt lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree.. AACCTTUUAATTOORR GGAAIINN FFiigguurree 66 sshhoowwss eexxppeerriimmeennttaall ddaattaa ffoorr tthhee eelleeccttrroommaaggnneett ffoorrccee vveerrssuuss ccuurrrreenntt ffoorr rroooomm tteemmppeerraa ttuurree aanndd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree.. TThhee aaccttuuaattoorr ggaaiinn iiss tthhee ssllooppee ooff tthhiiss ccuurrvvee aanndd,, ffoorr tthhee lliinneeaarr ppoorrttiioonn,, iiss 8899 llbb// AA ffoorr bbootthh rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree.. TThhee lliinneeaarr ppoorrttiioonn eexxtteennddss oouutt ttoo aapppprrooxxiimmaatteellyy 332200 llbb ffoorr rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd aapppprrooxxiimmaatteellyy 335500 llbb ffoorr lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree wwiitthh ssoommee uunneexxppllaaiinneedd aassssyymmmmeettrryy wwiitthh rreessppeecctt ttoo ppoossiittiivvee aanndd nneeggaattiivvee ccuurrrreenntt.. TThhee aaccttuuaattoorr ggaaiinn aass aa ffuunnccttiioonn ooff rroottoorr rraaddiiaall ppoossiittiioonn wwaass ffoouunndd ttoo bbee iinnddeeppeennddeenntt ooff rraaddiiaall ppoossiittiioonn wwiitthhiinn aapppprrooxxiimmaatteellyy 55 ppeerrcceenntt.. DDaattaa ffoorr tthheessee ccuurrvveess wweerree aaccqquuiirreedd bbyy ssttaabbiilliizziinngg tthhee sshhaafftt aatt tthhee bboottttoomm aanndd mmeeaassuurriinngg tthhee rraaddiiaall ffoorrccee rreeaaccttiioonn aatt tthhee bboottttoomm eenndd ooff tthhee sshhaafftt wwiitthh llooaadd cceellllss aass ccuurrrreenntt wwaass aapppplliieedd ttoo tthhee aaccttuuaattoorr ccooiillss.. TThhee ffoorrccee aatt tthhee aaxxiiaall cceenntteerr ooff tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg wwaass ccaallccuullaatteedd ffrroomm tthhee mmeeaassuurreedd rreeaaccttiioonn aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt bbyy ttaakkiinngg mmoommeennttss aabboouutt tthhee ttoopp bbeeaarriinngg:: FF mmbb == 11..2277RRmmee ((11)) wwhheerree FF mmbb iiss tthhee ttoottaall ffoorrccee eexxeerrtteedd bbyy tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg aatt iittss aaxxiiaall cceenntteerr ((ssuumm ooff eelleeccttrroommaagg nneett aanndd ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrcceess)),, aanndd RRmmee iiss tthhee mmeeaassuurreedd rreeaaccttiioonn aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt.. 55 ...... 116600 <<11ll oo EExxppeerriimmeennttaall ddaattaa cc CCCC11ll ll..oo 112200 EE-- cc:: ccii 8800 CC<<11ll ..00.... oo RRoooomm tteemmppeerraattuurree EECC11llooSS ?? oo UUqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree 4400 660000 <<11ll aa.. 440000 oo 22 44 66 88 1100 DDiissppllaacceemmeenntt aalloonngg XX--aaxxiiss aatt ::99 220000 rroooomm tteemmppeerraattuurree,, mmiill ..cc....ii 00 00 uu00.... RRgguurree 55..--PPeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee aass ffuunnccttiioonn --220000 ooff rroottoorr rraaddiiaall ppoossiittiioonn.. rr --440000 tt ----{{ll0000 --88 ----{{ll --44 --22 00 22 44 66 88 nnoo~~ :::: 110000 CCuurrrreenntt,, AA aaee::::~~ FFiigguurree 66..--EElleeccttrroommaaggnneettiicc ffoorrccee aass ffuunnccttiioonn ooff --44 00 11 2233 44 ccuurrrreenntt.. ~~ ~~ ~~ YY aaccttuuaattoorr ccuurrrreenntt,, AA FFiigguurree 77..--XX aaccttuuaattoorr ggaaiinn aass ffuunnccttiioonn ooff YY ccuurrrreenntt aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree.. AA ccoorrrreeccttiioonn wwaass rreeqquuiirreedd bbeeccaauussee ooff sshhaafftt ddeefflleeccttiioonn aass tthhee aaccttuuaattoorr ffoorrccee wwaass aapppplliieedd.. TThhiiss ddeefflleeccttiioonn ccaauusseedd tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ttoo ppuullll oonn tthhee sshhaafftt iinn tthhee ssaammee ddiirreeccttiioonn aass tthhee aaccttuuaattoorr ffoorrccee.. TThheerreeffoorree,, tthhee rreeaaccttiioonn mmeeaassuurreedd bbyy tthhee llooaadd cceellllss wwaass dduuee ttoo tthhee ssuumm ooff tthhee eelleeccttrroommaaggnneett ffoorrccee aanndd tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee.. TThhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ffoorrccee wwaass ccaallccuullaatteedd bbyy mmuullttiippllyyiinngg tthhee mmeeaassuurreedd ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ssttiiffffnneessss ((ddeessccrriibbeedd aabboovvee)) bbyy tthhee mmeeaassuurreedd sshhaafftt ddeefflleeccttiioonn,, hheennccee ((22)) wwhheerree FFeerrnn iiss tthhee eelleeccttrroommaaggnneett ffoorrccee,, FF mmbb iiss tthhee ttoottaall ffoorrccee eexxeerrtteedd bbyy tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg,, KK mm PP iiss tthhee ppeerrmmaanneenntt mmaaggnneett ssttiiffffnneessss,, aanndd ss iiss tthhee sshhaafftt ddeefflleeccttiioonn aatt tthhee aaxxiiaall cceenntteerr ooff tthhee bbeeaarriinngg.. XX//YY FFOORRCCEE IINNTTEERRAACCTTIIOONN DDuurriinngg tthhee tteessttiinngg ooff tthhee bbeeaarriinngg,, aa ffoorrccee iinntteerraaccttiioonn bbeettwweeeenn tthhee XX aanndd YY aaxxeess wwaass nnoottiicceedd.. TThhiiss iinntteerraaccttiioonn wwaass eevvaalluuaatteedd bbyy mmeeaassuurriinngg tthhee XX aaccttuuaattoorr ggaaiinn aass tthhee YY aaccttuuaattoorr ccuurrrreenntt wwaass vvaarriieedd.. TThhee rreessuullttss aarree sshhoowwnn iinn FFiigguurree 77.. TThhee ffiigguurree sshhoowwss tthhaatt,, ffoorr zzeerroo ccuurrrreenntt iinn tthhee YY aaccttuuaattoorr,, tthhee XX aaccttuuaattoorr ggaaiinn iiss aapppprrooxxiimmaatteellyy 8899 llbbll AA,, aanndd aatt 33 AA ooff YY aaccttuuaattoorr ccuurrrreenntt,, tthhee XX aaccttuuaattoorr ggaaiinn ffaallllss ooffff ttoo aapppprrooxxiimmaatteellyy 6655 llbbll AA.. TThhee rreeaassoonn ffoorr tthhiiss iiss nnoott yyeett uunnddeerrssttoooodd.. TThhiiss ddeeggrreeee ooff iinntteerr aaccttiioonn bbeettwweeeenn tthhee ttwwoo aaxxeess ccaann ccaauussee ccoonnttrrooll aanndd ssttaabbiilliittyy pprroobblleemmss.. MMAAGGNNEETTIICC BBEEAARRIINNGG SSTTIIFFFFNNEESSSS TThhee mmaaggnneeLLiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss wwaass oobbttaaiinneedd bbyy lleevviittaattiinngg tthhee sshhaafftt aanndd aappppllyyiinngg aa kknnoowwnn ffoorrccee aatt tthhee bboottttoomm ooff tthhee sshhaafftt wwhhiillee ssiimmuullttaanneeoouussllyy mmeeaassuurriinngg tthhee ddiissppllaacceemmeenntt aatt tthhee cceenntteerr ooff tthhee !! II II LL-- ------ ----__..------ mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg.. TThhee ffoorrccee eexxeerrtteedd bbyy tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg wwaass ccaallccuullaatteedd uussiinngg tthhee kknnoowwnn ffoorrccee bbyy ttaakkiinngg mmoommeennttss aabboouutt tthhee ttoopp bbeeaarriinngg cceenntteerr lliinnee.. TThhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ((~~ ffoorrccee// ~~ ddiissppllaacceemmeenntt)) wwaass ccaallccuullaatteedd ffrroomm tthheessee ddaattaa.. SSttaattiicc ((nnoonnrroottaattiinngg)) ssttiiffffnneessss ffrroomm 1100 000000 llbb//iinn.. uupp ttoo 8855 000000 llbb//iinn.. wwaass aacchhiieevveedd wwhhiillee pprreesseerrvviinngg ssttaabbiilliittyy.. TThhee hhiigghheesstt ssttiiffffnneessss aacchhiieevveedd ffoorr tthhee rroottaattiinngg tteessttss wwaass aapppprrooxxiimmaatteellyy 4466 000000 llbb//iinn.. TThhee ssttaabbiilliittyy ooff tthhee bbeeaarriinngg aass tthhee ssttiiffffnneessss iiss iinnccrreeaasseedd nneeeeddss ffuurrtthheerr wwoorrkk.. RROOTTOORR PPEERRFFOORRMMAANNCCEE RROOTTOORR CCRRIITTIICCAALL SSPPEEEEDDSS AANNDD MMOODDEE SSHHAAPPEESS TThhee ffiirrsstt ttwwoo rroottoorr ccrriittiiccaall ssppeeeeddss aarree ssttrroonnggllyy ddeeppeennddeenntt oonn tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss.. FFiigguurree 88 sshhoowwss tthhee aannaallyyttiiccaallllyy ddeetteerrmmiinneedd mmooddee sshhaappeess ffoorr tthhee ffiirrsstt ttwwoo mmooddeess ffoorr aa mmaaggnneettiicc bbeeaarr iinngg ssttiiffffnneessss ooff 1155 330000 IIbb//iinn.. aanndd aa ttoopp bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 880000 000000 IIbb//iinn.. TThhee ffttrrsstt mmooddee,, ooccccuurrrriinngg aatt 55446600 rrppmm,, iiss pprriimmaarriillyy aa rriiggiidd bbooddyy mmooddee bbuutt hhaass ssoommee sshhaafftt bbeennddiinngg iinn iitt bbeeccaauussee ooff tthhee hhiigghh ddeeggrreeee ooff sshhaafftt fflleexxiibbiilliittyy.. TThhee sseeccoonndd mmooddee,, ooccccuurrrriinngg aatt 1122 220000 rrppmm,, hhaass tthhee cchhaarraacctteerr ooff aa lluusstt bbeennddiinngg mmooddee.. TThheessee aarree ttyyppiiccaall mmooddee sshhaappeess ffoorr tthhee ffiirrsstt ttwwoo mmooddeess ffoorr mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneesssseess bbeellooww aabboouutt 3300 000000 llbb//iinn.. WWhheenn tthhee mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss iiss iinnccrreeaasseedd ttoo aabboouutt 4455 000000 IIbb//iinn..,, tthhee ffttrrsstt mmooddee bbeeccoommeess ffttrrsstt bbeennddiinngg iinn cchhaarraacctteerr.. TThhiiss iiss iilllluussttrraatteedd iinn FFiigguurree 99,, wwhhiicchh sshhoowwss --tthhee ffttrrsstt mmooddee ffoorr aa mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 4466 550000 llbb//iinn.. FFiigguurree 1100 iiss aann aannaallyyttiiccaallllyy ddeetteerrmmiinneedd pplloott ooff ccrriitt iiccaall ssppeeeedd vveerrssuuss mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ffoorr tthhee ffiirrsstt ttwwoo mmooddeess.. RROOTTAATTIINNGG TTEESSTTSS RRoottaattiinngg tteessttss wweerree ppeerrffoorrmmeedd ffoorr mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneesssseess ffrroomm 1100 000000 llbb//iinn.. ttoo 2222 000000 llbb//iinn.. aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree aanndd lliiqquuiidd nniittrrooggeenn tteemmppeerraattuurree aanndd aatt 4466 000000 IIbb//iinn.. aatt rroooomm tteemmppeerraa ttuurree.. TThhee rroottoorr wwaass ffiinneellyy bbaallaanncceedd ffoorr tthheessee tteessttss ((ii..ee..,, nnoo iinntteennttiioonnaall uunnbbaallaannccee wwaass aapppplliieedd)).. FFoorr aa mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff aapppprrooxxiimmaatteellyy 2200 000000 llbb//iinn..,, tthhee bbeeaarriinngg wwaass ooppeerraatteedd uupp ttoo 1144 000000 rrppmm,, wwhhiicchh iiss tthhee ffuullll ssppeeeedd ccaappaabbiilliittyy ooff tthhee rriigg.. FFiigguurreess ll11{{aa)) aanndd ((bb)) sshhooww tthhee oorrbbiittss aatt tthhee lloowweerr aanndd uuppppeerr mmeeaassuurriinngg ppllaanneess ffoorr rroooomm tteemmppeerraattuurree.. FFiigguurree 1111 ((cc)) sshhoowwss tthhee vvoollttaaggee aapppplliieedd ttoo tthhee aaccttuuaattoorr ccooiillss ((YY vvoollttaaggee ppllootttteedd aaggaaiinnsstt XX vvoollttaaggee)) ffoorr aa mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 2200 000000 llbb//iinn.. aanndd aa ssppeeeedd ooff 1144 000000 rrppmm.. TThhiiss ttyyppee ooff pplloott cclleeaarrllyy rreevveeaallss wwhheetthheerr tthhee ppoowweerr aammpplliiffiieerr vvoollttaaggee lliimmiittss ((rraaiillss)) aarree rreeaacchheedd.. EExxcceeeeddiinngg tthhiiss vvoollttaaggee lliimmiitt ccaauusseess nnoonnlliinneeaarr bbeehhaavviioorr.. TThhee nneeaarrllyy ssqquuaarree sshhaappee ooff tthhee vvoollttaaggee ""oorrbbiittss"" mmaayy bbee dduuee ttoo tthhee aaxxiiss iinntteerraaccttiioonn eeffffeecctt mmeennttiioonneedd aabboovvee.. TThhee oorrbbiittss aanndd vvoollttaaggeess ffoorr lliiqquuiidd nniittrrooggeenn ooppeerraattiioonn wweerree ssiimmiillaarr ttoo tthhoossee aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree bbuutt wwiitthh ssoommeewwhhaatt llaarrggeerr oorrbbiitt aammpplliittuuddee.. FFoorr tthhiiss ssttiiffffnneessss,, tthhee ffiirrsstt ccrriittiiccaall ssppeeeedd wwaass ttrraavveerrsseedd aatt 66330000 rrppmm,, aanndd tthhee sseeccoonndd ccrriittiiccaall ssppeeeedd wwaass ttrraavveerrsseedd aatt 1122 660000 rrppmm ((sseeee RRoottoorr CCrriittiiccaall SSppeeeeddss aanndd MMooddee SShhaappeess)).. TThhee aammoouunntt ooff ddaammppiinngg ooffffeerreedd bbyy tthhee ccoonnttrroolllleerr wwaass ssuucchh tthhaatt aammpplliittuuddee ppeeaakkss aatt tthheessee ssppeeeeddss wweerree nnoott mmaarrkkeeddllyy eevviiddeenntt iinn tthhee oorrbbiitt ttrraacceess.. TThheessee ffrreeqquueenncciieess wweerree oobbsseerrvveedd,, hhoowweevveerr,, iinn tthhee ssppeeccttrraall mmaapp sshhoowwnn iinn FFiigguurree 1122.. TThhee pplloott sshhoowwss aa rreessoonnaannccee aatt 110055 HHzz ((66330000 rrppmm)),, wwhhiicchh iiss tthhee ffiirrsstt ccrriittiiccaall ssppeeeedd,, aanndd aannootthheerr rreessoonnaannccee aatt 221100 HHzz ((1122 660000 rrppmm)),, wwhhiicchh iiss tthhee sseeccoonndd ccrriittiiccaall.. NNoottee tthhaatt tthhee aammpplliittuuddeess ooff tthhee ccrriittiiccaall ssppeeeeddss iinn tthhee ssppeeccttrraall mmaapp wweerree vveerryy ssmmaallll iinnddiiccaattiinngg aa llaarrggee aammoouunntt ooff ddaammppiinngg.. TThhee hhaallff oorrddeerr aanndd hhiigghheerr oorrddeerr hhaarrmmoonniiccss aarree eevviiddeennccee ooff IIlloonnlliinneeaarriittiieess.. TThhee hhaallff--oorrddeerr hhaarrmmoonniicc iiss eevviiddeenntt iinn tthhee oorrbbiittss,, wwhhiicchh rreeqquuiirree ttwwoo rreevvoolluuttiioonnss bbeeffoorree rreeppeeaattiinngg.. RRoottaattiinngg tteessttss wweerree aallssoo ppeerrffoorrmmeedd aatt aa bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff aapppprrooxxiimmaatteellyy 4466 000000 IIbb//iinn.. aatt rroooomm tteemmppeerraattuurree.. TThhee oorrbbiittss ffoorr ddiissppllaacceemmeenntt wweerree ssiimmiillaarr ttoo tthhoossee ffoorr tthhee 2200 OOOOOO--IIbb//iinn.. ssttiiffffnneessss.. TThhee bbeeaarriinngg wwaass ooppeerraatteedd uupp ttoo 1100 000000 rrppmm tthhrroouugghh tthhee bbeennddiinngg mmooddee,, wwhhiicchh ooccccuurrrreedd aatt aapppprrooxxiimmaatteellyy 77660000 rrppmm.. AAmmpplliittuuddee bbuuiilldduupp aatt tthhee ffiirrsstt ccrriittiiccaall ssppeeeedd wwaass nnoott oobbsseerrvveedd ffoorr tthhiiss ccaassee eeiitthheerr.. AAtt 1100 000000 rrppmm,, aann iinnssttaabbiilliittyy wwaass eennccoouunntteerreedd aatt tthhiiss ssttiiffffnneessss.. HHiigghheerr ppoowweerr aammpplliiffiieerr vvoollttaaggee aanndd iimmpprroovveedd ccoommppeennssaattiioonn tthhaatt wweerree mmaaddee ttoo tthhee ccoonnttrroolllleerr aafftteerr tthheessee tteessttss wweerree ppeerrffoorrmmeedd sshhoouulldd ppeerrmmiitt ooppeerraattiioonn ttoo 1144 000000 rrppmm aatt tthhiiss ssttiiffffnneessss.. 77 OOJJ cc:::: ..;;:::: 33 aa..CC1133 00<<11>> ,,....--,, ~~..oo II // ..// 22 11 --aaii MMooddee SSppeeeedd ''\\..''\\.. ''00 --2200 ::;;,, ::cc.. FFiirrsstt 55446600 ''\\.. aa --4400 SSeeccoonndd 1122220000 ''\\ EE --11 ~~ ~~OOooLL --LL--~~~~~~--LL--LL--LL~~~~~~~~ LL--____________________~~ 22 44 66 88 11 00 11 22 11 44 11 66 1188 2200 2222 --33 33 SShhaafftt lleennggtthh,, iinn.. XX ddiirreeccttiioonn,, mmiill ((aa)) RRoottoorr oorrbbiitt aatt lloowweerr mmeeaassuurree FFiigguurree 88..--SShhaafftt mmooddee sshhaappeess ffoorr mmaaggnneettiicc mmeenntt ppllaannee.. bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 1155 330000 IIbb//iinn.. ((aannaallyyttiiccaall ddaattaa)).. TToopp bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, 880000 000000 IIbb//iinn.. 22 ''EE 11 CC 00 aa '''';;;; uu <<II>> ''-- 220000 ''55 >>-- --11 ((//)) aaii~~ 110000 ''00::;;,, --22LL------------------------~~ ~~~~ OOll--++----------------''--~~ --33 33 aa..~~ XX ddiirreeccttiioonn,, mmiill EE··''tt:::: ~~--ee--110000 ((bb)) RRoottoorr oorrbbiitt aatt uuppppeerr mmeeaassuurree CC1133 mmeenntt ppllaannee.. --220000 LL----__....II........--__--ll........--__--''--__--LL__------'' oo 55 1100 1155 2200 2255 7700 SShhaafftt lleennggtthh,, iinn.. >> --aaii CCll CC1133 FFiigguurree gg..--SShhaafftt ffiirrsstt mmooddee sshhaappee ffoorr mmaaggnneettiicc 3355 ''00 bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ooff 4466 550000 IIbb//iinn.. ((aannaallyyttiiccaall >> ddaattaa)).. TToopp bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, 880000 000000 IIbb//iinn.. uu OOJJ <<II>> aa cc:::: CCll CC1133 --EE 00 ''-- --3355 uu EE 1166xx110033 <<II>> ((jjjj aa.. --''gg-- ~~ 00 FFiirrsstt mmooddee >>-- --7700 1122 00 SSeeccoonndd mmooddee --7700 7700 <<II>> aa.. ((//)) XX eelleeccttrroommaaggnneettiicc vvoollttaaggee,, VV 88 ((iijj uu ((cc)) YY eelleeccttrroommaaggnneettiicc vvoollttaaggee ..OO;;::JJ:: 44 vveerrssuuss XX eelleeccttrroommaaggnneettiicc vvoollttaaggee.. (()) aa 22 44 66 88 1100xx110044 MMaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, IIbb//iinn.. FFiigguurree 1111..--RRoottoorr oorrbbiittss aanndd eelleeccttrroommaaggnneett vvoollttaaggee.. SSppeeeedd,, 1144000000 rrppmm;; mmaaggnneettiicc bbeeaarr iinngg ssttiiffffnneessss,, 2200000000 IIbb//iinn..;; rroooomm tteemmppeerraattuurree.. FFiigguurree 1100..--SShhaafftt ccrriittiiccaall ssppeeeedd aass ffuunnccttiioonn ooff mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss ((aannaallyyttiiccaall ddaattaa)).. TToopp bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, 880000 000000 IIbb//iinn.. 88 ----II ~~----""~~,,------------------,,----..----..--..------~~----------~~......,,,,..,,..,,,,....~~++......--------------~~--~~~~--~~----~~~~------~~~~-- EE ee-- --00 <<11>> <<11>> aa.. CCII)) FFiigguurree 1122..--SSppeeccttrraall mmaapp ffoorr rroooomm tteemmppeerraattuurree ooppeerraattiioonn.. MMaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, 2200 000000 IIbb//iinn.. oo 4400 ccoo --55 ccoo ""00 ""00 2200 ..gg --1100 aaii 22 ~~ 00 ''cc --1155 ''22 gg>> CC)) ~~ --2200 ~~ --2200 --4400 ''----__--''------__----''--__------''''----__......!!..''__----JJ --2255 ''----__........II....--__----''--__------''''------__........II....--__--..JJ oo oo 110000 220000 330000 440000 550000 110000 220000 330000 440000 550000 FFrreeqquueennccyy,, HHzz FFrreeqquueennccyy,, HHzz ((aa)) UUgghhttllyy ddaammppeedd.. ((bb)) HHeeaavviillyy ddaammppeedd.. FFiigguurree 1133..-- TTrraannssffeerr ffuunnccttiioonn bbeettwweeeenn nnooiissee iinnttoo mmaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ccoonnttrroolllleerr aanndd lloowweerr ddiissppllaacceemmeenntt pprroobbeess.. MMaaggnneettiicc bbeeaarriinngg ssttiiffffnneessss,, 2200 000000 IIbb//iinn.. 99

See more

The list of books you might like

Upgrade Premium
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.
DMCA & Copyright: Dear all, most of the website is community built, users are uploading hundred of books everyday, which makes really hard for us to identify copyrighted material, please contact us if you want any material removed.
Copyright @ PDFdrive.to, 2022 | We love our users