РАДИАЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК С ОТДЕЛЬНЫМИ ЛИСТАМИ В ТАНГЕНЦИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ
RADIAL MAGNETIC BEARING WITH SEPARATE SHEET IN TANGENTIAL DIRECTION

Изобретение относится к радиальному магнитному подшипнику для вращательного опирания ротора, содержащему статор с несколькими катушечными устройствами, причем катушечные устройства расположены в направлении периферии вокруг оси подшипника и каждое из катушечных устройств содержит пакет железа из отдельных листов и катушку, намотанную на соответствующий пакет железа.
В традиционном радиальном магнитном подшипнике статор содержит катушки, направленные радиально внутрь к опираемому валу. Это значит, что оси катушек проходят, в основном, радиально.
Из книги Gerhard Schweitzer, Eric H. Maslen «Magnetic Bearings», Springer Verlag Berlin, 2009, XV, стр. 82-84, 96, известны также радиальные магнитные подшипники с осевыми катушками. Это значит, что оси катушек проходят параллельно оси подшипника. В соответствии с этим поток течет как в катушках, так и в роторе, в основном, в осевом направлении.
Радиальные магнитные подшипники должны иметь возможность отрегулировать высокодинамичные возмущающие воздействия. При этом сила должна следовать за током с минимальной задержкой.
Задача изобретения заключается, следовательно, в повышении динамики радиального магнитного подшипника.
Согласно изобретению, эта задача решается посредством радиального магнитного подшипника для вращательного опирания ротора, содержащего статор с несколькими катушечными устройствами, причем катушечные устройства расположены в направлении периферии вокруг оси подшипника и каждое из катушечных устройств содержит пакет железа из отдельных листов и катушку, намотанную на соответствующий пакет железа, причем отдельные листы в каждом пакете шихтованы в направлении периферии, а каждая катушка выполнена в виде осевой катушки возбуждения.
Предпочтительным образом радиальный магнитный подшипник содержит, следовательно, катушки в осевом направлении на пакетах, отдельные листы которых шихтованы в тангенциальном направлении. Таким образом, плотность вихревых токов в магнитной цепи поддерживается низкой. За счет этого сила может следовать за током очень быстро, благодаря чему может быть достигнута очень динамичная характеристика подшипника. При этом задача пакета заключается, разумеется, в том, чтобы направлять магнитное поле и за счет позиционирования в радиальном направлении с распределением по окружности воспринимать подъемную силу.
Преимущественно радиальный магнитный подшипник содержит четыре попарно противоположных катушечных устройства. Это позволяет обеспечить достаточное опирание при простой конструкции.
Кроме того, предпочтительно, если каждый пакет имеет в аксиально проходящей плоскости разреза U-образное сечение, имеющее два колена и соединяющий их отрезок. При этом соответствующая катушка намотана на часть пакета в направлении перпендикулярно оси подшипника и часть пакета придана соединяющему отрезку сечения. Таким образом, над опираемым валом можно реализовать почти замкнутую магнитную цепь.
Каждый пакет может быть выполнен в направлении периферии дугообразным. Преимущественно он имеет в направлении периферии контур, отстоящий на постоянное расстояние от опираемого заданного вала. Катушечное устройство имеет тогда, в целом, приблизительно форму почки.
Кроме того, каждое катушечное устройство может содержать каркас, расположенный вокруг соответствующего пакета. Такой каркас придает соответствующей катушке нужную поддержку. Каркас может быть выполнен составным. В частности, он должен состоять, по меньшей мере, из двух частей, которые могут легко надеваться на предварительно изготовленный пакет. Так, например, рекомендуется разделение на две части таким образом, чтобы радиально внешняя и радиально внутренняя части каркаса были противоположны друг другу.
В одном особом варианте каркас катушки может быть также прилит к соответствующему пакету. Таким образом, каркас катушки может быть прикреплен к пакету без больших производственных затрат.
В другом варианте радиальный магнитный подшипник может содержать кольцеобразный корпус, в котором закреплены катушечные устройства. За счет этого кольцеобразного корпуса могут быть не только закреплены катушечные устройства, но и обеспечена защита от влияний окружающей среды.
Корпус может быть выполнен из двух частей, причем обе части также кольцеобразные. Таким образом, корпус может быть составлен в осевом направлении, причем катушечные устройства удерживаются между его обеими половинами.
На внутренней окружности кольцеобразного корпуса может быть размещено отдельное поддерживающее кольцо для радиальной поддержки катушечных устройств. Это поддерживающее кольцо может выполнять не только задачи поддержки, но и при выборе подходящего материала также задачи изоляции.
Изобретение более подробно поясняется с помощью прилагаемых чертежей, на которых изображают:
- фиг. 1: принципиальную конструкцию предложенного радиального магнитного подшипника в разрезе вдоль его оси;
- фиг. 2: сечение активных частей радиального магнитного подшипника из фиг. 1 поперек оси;
- фиг. 3: перспективный вид пакета железа;
- фиг. 4: пакет железа из фиг. 3 с каркасом катушки;
- фиг. 5: пакет железа из фиг. 4 с намотанной на каркас катушкой, в результате чего возникает катушечное устройство;
- фиг. 6: катушечное устройство из фиг. 5, помещенное в половину корпуса;
- фиг. 7: половину корпуса из фиг. 6, оснащенную другими катушечными устройствами и поддерживающим кольцом;
- фиг. 8: укомплектованный второй половиной корпуса радиальный магнитный подшипник.
Подробно описанные ниже примеры осуществления изобретения представляют собой предпочтительные варианты его осуществления.
На фиг. 1 активные части радиального магнитного подшипника изображены в продольном разрезе, т.е. вдоль его оси 1. Подшипник содержит статор 2, служащий для вращательного опирания ротора 3. Ротор 3 содержит вал 4, окруженный в зоне статора листом 5 ротора. Задачей листа 5 является поддержание на минимальном уровне потери от вихревых токов, если магнитное поле из-за небольшого числа полюсов проникает глубоко в ротор. В свою очередь, с небольшим числом полюсов можно достичь небольшой частоты перемагничивания.
Статор содержит несколько распределенных по окружности катушечных устройств 6, каждое из которых содержит пакет 7 железа. Он состоит из отдельных листов, которые по отношению к его середине шихтованы в тангенциальном направлении подшипника. Сечение каждого пакета 7 вдоль оси 1 подшипника имеет, в основном, U-образную форму. Она состоит из двух колен 8, 9 и соединяющего их отрезка 10. На этот соединительный отрезок 10 или на соответствующий участок пакета намотана осевая катушка возбуждения 11. Ее ось проходит параллельно оси 1 подшипника.
При основном возбуждении катушечных устройств 6 в подшипнике возникает обозначенный на фиг. 1 стрелками 12, 13 магнитный поток. Он течет сначала по стрелке 12 из осевой катушки возбуждения 11 через колено 9 пакета 7. Оттуда он течет дальше через радиальный воздушный зазор 14 между статором 2 и ротором 3. Затем он течет через лист 5 ротора и вал, а оттуда - по стрелке 13 аналогичным образом обратно в катушку 11. Следовательно, магнитный поток течет в катушке 11 сначала в осевом направлении и отклоняется в пакете 7, так что он течет в радиальном направлении через колено 9, воздушный зазор 14 и лист 5 ротора, в основном, радиально внутрь. В роторе 3 магнитный поток снова отклоняется в радиальном направлении, покидая ротор 3, к статору 3. В колене 8 пакета 7 магнитный поток снова отклоняется в осевом направлении. Аналогичный поток возникает также для всех других катушечных устройств 6.
На фиг. 2 активные части из фиг. 1 изображены в сечении перпендикулярно оси 1 подшипника. В частности, видны пакеты 7, 7' железа, в которых отдельные листы шихтованы в тангенциальном направлении или в направлении периферии.
В данном примере с равномерным распределением по окружности расположены четыре катушечных устройства, содержащих соответственно пакет 7 железа и осевую катушку возбуждения 11. Это значит, что по отношению к оси 1 попарно напротив друг друга расположены всегда два из четырех катушечных устройств.
На фиг. 2 обозначено также направление 15 тока для основного возбуждения в каждой катушке 11. Это направление тока приводит к магнитному потоку на фиг. 1.
На фиг. 3 пакет 7 железа изображен в перспективе. Как уже сказано, пакет 7 имеет в осевом направлении U-образное сечение. В направлении периферии он изогнут. Контур обращенного к ротору участка пакета 7 соответствует отрезку дуги окружности. Таким образом, в данном примере пакет 7 перекрывает приблизительно круговой сектор ротора 3 в 90°. На фиг. 3 видны также шихтованные в тангенциальном направлении или в направлении периферии отдельные листы пакета 7.
На фиг. 4 пакет 7 из фиг. 3 снабжен каркасом 16 катушки. Каркас 16 состоит преимущественно из пластика. Он может быть выполнен из двух частей, так что он легко надевается на пакет 7. Например, каркас 16 состоит из двух половин: радиально внешней и радиально внутренней. Они надеваются на участок 10 пакета 7. В качестве альтернативы каркас 16 может быть также прилит к пакету 7.
На фиг. 5 изображено катушечное устройство 6 в перспективе в сборе. На каркас 16 намотана катушка 17. Ее ось проходит параллельно оси 1 подшипника.
Следовательно, согласно изобретению, магнитопровод может быть выполнен с малыми вихревыми токами. Четыре магнитопровода в статоре шихтованы.
Как показано на фиг. 5, катушечное устройство имеет преимущественно форму почки. Это позволяет реализовать особенно компактный подшипник, как это показано на фиг. 6-8.
На фиг. 6 изображена первая часть 17 кольцеобразного корпуса, в которую помещено катушечное устройство 6 из фиг. 5. Заплечик 18 в части 17 корпуса удерживает катушечное устройство 6 от радиального смещения наружу. Кроме того, рядом с катушечным устройством 6 в части 17 корпуса видны канавки 19, которые служат для фиксации показанного на фиг. 7 поддерживающего кольца 20. Канавки 19 проходят в радиальном направлении и заканчиваются перед внутренним радиусом части 17 корпуса.
На фиг. 7 часть 17 корпуса изображена с четырьмя распределенными по окружности катушечными устройствами 6. Кроме того, показано поддерживающее кольцо 20, которое внутри прилегает ко всем катушечным устройствам 6, поддерживая их тем самым радиально внутрь. Поддерживающее кольцо 20 имеет радиально отстоящие крылья 21, которые удерживают его в нужном положении относительно корпуса за счет геометрического замыкания. Отдельные катушечные устройства изолированы друг от друга крыльями 21, поскольку между двумя катушечными устройствами 6 находится соответственно одно крыло 21.
На фиг. 8 радиальный магнитный подшипник изображен в сборе без ротора. Вторая часть 22 корпуса, которая может быть выполнена идентично его первой части 17, надета на нее, в результате чего катушечные устройства 6 полностью закрыты. Внутри кольцеобразного корпуса, составленного из обеих половин 17, 22, видно поддерживающее кольцо 20 с его крыльями 21. На обеих сторонах поддерживающего кольца заподлицо с ним расположены оба колена 8, 9 соответствующих пакетов железа.
Предложенное строение магнитного подшипника с катушками в форме почки на каркасах обеспечивает особенно компактную конструкцию. За счет шихтовки магнитомягких сегментов достигается высокое качество регулирования. Все детали имеют преимущественно такую форму, что они могут фиксироваться за счет простого осевого соединения. Это обеспечивает недорогой монтаж.