МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК, РОТАЦИОННАЯ УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ УПОМЯНУТЫЙ ПОДШИПНИК, И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО ПОДШИПНИКА
MAGNETIC BEARING, ROTARY MACHINE COMPRISING THE SAID BERING, AND METHOD OF PRODUCTION OF SUCH BEARING

Раскрытые варианты выполнения относятся, в целом, к магнитным подшипникам для ротационных установок, содержащих ротор. В частности, данные варианты выполнения относятся к магнитным подшипникам для ротационных установок, в которых ротор и подшипник при использовании находятся в контакте с текучей средой, например с газообразной окружающей средой, являющейся коррозионной, кислотной или переносящей частицы. Некоторые иллюстративные варианты выполнения относятся конкретно к ротационной установке, содержащей такой магнитный подшипник.
Все более и более широко распространенным становится использование магнитных подшипников для ротационных установок, в частности, в случае наличия коррозионной текучей среды. Когда рабочая текучая среда установки, в которой работает подшипник, является либо кислотной, либо коррозионной, либо переносящей частицы, то появляется необходимость в обязательной защите обмоток магнитного подшипника и связанных с ними средств с помощью использования антикоррозионных защитных технологий. Примером такой технологии является заключенный в кожух подшипник, в котором его статорная часть защищена металлическим кожухом, выполненным из материала, который не окисляется или корродирует и, в целом, не страдает от каких-либо явлений, связанных с агрессивностью окружающей среды.
Кожух может быть выполнен в форме пластины, приваренной к кольцеобразной опоре, в которой размещен статорный магнитопровод, содержащий по меньшей мере одну обмотку и ферромагнитное тело. Кольцеобразная опора может быть выполнена из коррозионно-стойкого материала, такого как магнитная нержавеющая сталь. Кожух из ограждающей пластины может быть выполнен из того же материала, что и кольцеобразная опора, или он может быть выполнен из другого металлического материала, такого как, например, сплав на основе никеля.
Для выдерживания условий эксплуатации (давление, быстрые изменения давления, температура, способность не поддаваться коррозии и абразивному изнашиванию) кожух, по существу, имеет толщину в диапазоне 0,3-1 мм или более, например в диапазоне 0,3-0,5 мм, то есть аналогично диапазону воздушного зазора магнитного подшипника (который является расстоянием между статорным магнитопроводом и роторной арматурой подшипника). Таким образом, наличие такого кожуха из немагнитного материала равносильно увеличению величины воздушного зазора подшипника, что приводит к значительному ограничению несущей способности указанного подшипника. Помимо этого, такое решение не обеспечивает полностью отсутствия контактов между кожухом и роторной арматурой магнитного подшипника в любых условиях.
Следовательно, является желательным уменьшить толщину кожуха и выполнить его из чистого металлического листа. Тем не менее, для данного кожуха требуется использование особых материалов с высокими механическими и антикоррозийными свойствами, чтобы обеспечить защиту статорного магнитопровода от коррозии и сохранение его формы и размеров в процессе работы.
Кроме того, изготовление кожуха, после сварки и окончательной повторной обработки, не позволяет выполнить проверку точной толщины кожуха и, соответственно, фактического воздушного зазора подшипника.
Целью предложенного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков с одновременным сохранением преимуществ механизма работы заключенных в кожух подшипников. В частности, одной целью предложенного изобретения является создание магнитного подшипника, более простого в производстве и имеющего более высокую несущую способность.
В соответствии с первым аспектом в иллюстративном варианте выполнения магнитный подшипник, предназначенный для ротационной установки с ротором, содержит статорный магнитопровод, прикрепленный к неподвижному опорному компоненту. Статорный магнитопровод содержит по меньшей мере одну обмотку и ферромагнитное тело, размещенные в защитной кольцеобразной опоре, причем защитная кольцеобразная опора оставляет незакрытой поверхность ферромагнитного тела и поверхность указанной по меньшей мере одной обмотки. Подшипник также может содержать по меньшей мере одну кольцеобразную заглушку, размещенную на поверхности указанной по меньшей мере одной обмотки, которая оставлена незакрытой защитной кольцеобразной опорой, при этом кольцеобразная заглушка и поверхность ферромагнитного тела, которая оставлена незакрытой защитной кольцеобразной опорой, покрыты защитным слоем.
2
Благодаря защитному слою материал заглушки может быть выбран за магнитные и механические свойства материала, так как свойства защиты от коррозии больше не являются существенными. Материал заглушки и материал статорного магнитопровода защищены от коррозии защитным слоем. В частности, защитный слой не допускает повреждений углеродистой и низколегированной сталей от коррозии, обусловленной наличием влажного CO, а также не допускает повреждений нержавеющей стали от точечной коррозии, обусловленной наличием хлоридов. Соответственно, становится возможным выбор этих материалов (имеющих требуемые магнитные и механические свойства) для заглушки. Помимо этого, если материал заглушки является ферромагнитным материалом, то больше нет необходимости в наличии тонкой заглушки для защиты обмоток. То есть, заглушка может иметь большую толщину по сравнению с обычным кожухом, что снижает требования к материалу в отношении его механических свойств и к деформации заглушки при использовании, что приводит к удлинению срока службы подшипника и меньшему воздушному зазору.
Следовательно, благодаря отсутствию кожуха и, соответственно, уменьшению воздушного зазора, увеличиваются возможности магнитного подшипника, выполненного в соответствии с предложенным изобретением. Помимо этого, защитный слой может быть легко обновлен во время технического обслуживания, что позволяет улучшить и облегчить ремонтопригодность подшипника. Кроме того, защитный слой является более дешевым, чем обычный кожух.
В некоторых вариантах выполнения защитный слой может содержать слой из никеля.
Указанный слой из никеля может быть сформирован нанесением методом химического восстановления никеля.
Указанный слой из никеля может содержать никель и фосфор.
В некоторых вариантах выполнения кольцеобразная заглушка может содержать магнитный материал, выбранный из группы, включающей ферромагнитный материал, магнитную нержавеющую сталь и сплав на основе никеля.
В соответствии с вариантом выполнения предложенный подшипник является упорным магнитным подшипником. Подшипник может содержать роторную арматуру в форме диска, прикрепленную к ротору, и статорный магнитопровод может быть обращен к указанной роторной арматуре.
Ротор и роторная арматура при использовании могут находиться в контакте с текучей средой, например с газообразной окружающей средой, являющейся коррозионной, кислотной или переносящей частицы.
В некоторых вариантах выполнения кольцеобразная заглушка припаяна к указанной по меньшей мере одной обмотке, например, посредством низкотемпературной пайки.
В некоторых вариантах выполнения кольцеобразная заглушка может иметь U-образное сечение с радиальной перемычкой и двумя осевыми выступами.
В соответствии с еще одним аспектом ротационная установка, например турбоустановка, может содержать ротор и подшипник, как было изложено выше.
В соответствии с еще одним аспектом способ изготовления подшипника, как изложено выше, может включать следующие этапы: а) приваривание указанной по меньшей мере одной кольцеобразной заглушки к указанной по меньшей мере одной обмотке и/или ферромагнитному телу; и b) покрытие защитным слоем указанной по меньшей мере одной кольцеобразной заглушки и поверхности ферромагнитного тела, которая оставлена незакрытой защитной кольцеобразной опорой.
В некоторых вариантах выполнения способ, между этапами а) и b), может также включать этап повторной обработки указанной по меньшей мере одной кольцеобразной заглушки и поверхности ферромагнитного тела, которая осталась незакрытой защитной кольцеобразной опорой, для получения плоской поверхности.
Другие используемые характеристики будут очевидны при прочтении нижеследующего описания конкретного варианта выполнения предложенного изобретения, приведенного в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен осевой разрез по линии I-I на фиг. 2 магнитного подшипника в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
на фиг. 2 представлен разрез по линии II-II, показанной на фиг. 1.
Нижеследующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковыми ссылочными позициями на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Кроме того, представленные чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
На фиг. 1 и 2 показан иллюстративный вариант выполнения упорного магнитного подшипника 1 в соответствии с предложенным изобретением, предназначенного для ротационной установки. Магнитный подшипник 1 содержит статорную арматуру 2 и роторную арматуру 3, выполненную в форме диска, прикрепленного к вращающемуся валу 4 ротационной установки.
Статорная арматура 2 содержит статорный магнитопровод 5, содержащий, общепринятым способом, одну или более кольцеобразных обмоток 6 и ферромагнитное тело 7. Ферромагнитное тело 7 может быть цельным или оно может быть локально ламинированным. Статорный магнитопровод 5 размещен в металлической защитной кольцеобразной опоре 8, прикрепленной к неподвижному опорному компоненту 9.
Статорный магнитопровод 5 расположен так, что он обращен к роторной арматуре 3. Статорный магнитопровод 5 и его защитная кольцеобразная опора 8 определяют границы воздушного зазора Δ относительно роторной арматуры 3. В некоторых вариантах выполнения величина воздушного зазора Δ может лежать в диапазоне 0,4-1,5 мм, предпочтительно в диапазоне 0,4-1,2 мм.
Защитная кольцеобразная опора 8 статорного магнитопровода 5 имеет U-образное сечение с радиальной перемычкой 10 и внутренним и наружным осевыми выступами 11 и 12. Длина выступов 11 и 12 в направлении оси вращающегося вала 4 равна по меньшей мере высоте ферромагнитного тела 7 статорного магнитопровода 5. Следовательно, защитная кольцеобразная опора 8 оставляет незакрытой поверхность ферромагнитного тела 7, в частности, поверхность ферромагнитного тела 7, обращенную к роторной арматуре 3, и поверхность одной или более обмоток 6, в частности, поверхность одной или более обмоток 6, обращенной к роторной арматуре 3.
Магнитный подшипник 1 также содержит одну или более кольцеобразных заглушек 13. Кольцеобразные заглушки 13 имеют U-образное сечение с радиальной перемычкой 14 и внутренним и наружным осевыми выступами 15 и 16. Кольцеобразные заглушки 13 приварены к ферромагнитному телу 7 посредством их выступов 15 и 16. Кольцеобразные заглушки 13 также могут быть припаяны к обмоткам 6 с использованием низкотемпературного припоя. Кольцеобразные заглушки 13 размещены на поверхности одной или более обмоток 6, которая осталась незакрытой защитной кольцеобразной опорой 8.
Кольцеобразные заглушки 13 могут содержать магнитный материал, например магнитную нержавеющую сталь, сплав на основе никеля, такой как Inconel, или предпочтительно ферромагнитный материал, такой как углеродистые и низколегированные стали. В частности, поскольку заглушки покрыты защитным слоем, обеспечивающим защиту от коррозии, то больше нет необходимости в использовании материалов с высокими антикоррозийными свойствами. Материал заглушек 13 выбран в соответствии с его магнитными и механическими свойствами.
Помимо этого, поскольку поверхность ферромагнитного тела 7, которая осталась незакрытой защитной кольцеобразной опорой 8, и наружная поверхность радиальной перемычки 14 кольцеобразной заглушки 13 могут быть повторно обработаны для получения поверхности с повышенной степенью плоскости, то заглушки 13 могут иметь толщину, равную или превышающую толщину защитной кольцеобразной опоры 8, чтобы избежать какой-либо деформации заглушек 13 по воздействием давления.
Магнитный подшипник 1 также содержит защитный слой 17. Назначение защитного слоя 17 заключается в защите статорного магнитопровода 5 от коррозии. Защитный слой 17 имеется на поверхности ферромагнитного тела 7, оставленной незакрытой защитной кольцеобразной опорой 8, и на наружной поверхности перемычки 14 заглушек 13. Другими словами, защитный слой 17 покрывает поверхность статорной арматуры 2, обращенной к роторной арматуре 3. Защитный слой 17 также может покрывать наружную поверхность выступов 11, 12 защитной кольцеобразной опоры 8.
В некоторых вариантах толщина защитного слоя 17 может быть в диапазоне от 1 нм до 1 мм, предпочтительно от 100 нм до 10 мкм.
В некоторых вариантах выполнения защитный слой 17 может быть слоем из никеля. Слой из никеля может быть сформирован нанесением покрытия методом химического восстановления никеля. Слой из никеля может содержать никель и фосфор.
Благодаря использованию кольцеобразных заглушек 13 и защитного слоя 17, обеспечивается возможность защиты статорного магнитопровода 5 от коррозии при одновременном обеспечении уменьшенного воздушного зазора Δ между магнитопроводом 5 и роторной арматурой 3 по сравнению с магнитными подшипниками предшествующего уровня техники. В частности, когда кольцеобразные заглушки 13 содержат ферромагнитный материал, то воздушный зазор Δ определяется суммой значения расстояния между защитным слоем 17 и роторной арматурой 3 и значения толщины защитного слоя 17.
Кроме этого, благодаря повторной обработке поверхности ферромагнитного тела 7 совместно с поверхностью радиальной перемычки кольцеобразных заглушек 13, а также благодаря покрытию защитным слоем может быть получена поверхность с высокой степенью плоскости, обращенная к роторной арматуре 3, и, следовательно, уменьшен воздушный зазор.
Приведенное выше описание выполнено со ссылкой на магнитный подшипник упорного типа. Однако оно подобным образом может быть применено к магнитному подшипнику радиального типа или к магнитному подшипнику конического типа, сочетающего функции радиального и упорного подшипников.