СИСТЕМА НА ГИБРИДНЫХ МАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКАХ
SYSTEM BASED ON HYBRID MAGNETIC BEARINGS

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в качестве подвеса ротора электрических машин.
Известен вертикальный электродвигатель с газодинамической левитацией ротора [патент РФ №14703, кл. Н02К 29/00, 2000 г.], содержащий цилиндрический ротор, насаженный на вал, верхняя и нижняя цапфы которого установлены в радиальных подшипниках, жестко закрепленных в торцевых фланцах внешнего статора, на внутренней поверхности которого уложена трехфазная электрическая обмотка, а нижняя цапфа которого опирается на упорный механический подшипник, имеет воздушный винт, насаженный на верхнюю цапфу вала ротора.
Недостаток такой конструкции состоит в том, что левитационная способность газового подшипника в связи с малой вязкостью газов с увеличением зазора резко уменьшается, а также ограничены функциональные возможности управления, обусловленные сложностью демпфирования колебаний ротора в радиальном направлении.
Известна также синхронная электрическая машина с магнитным подвесом ротора [патент РФ №44773, кл. F16С 39/06, 2005 г.], содержащая статор и ротор, выполненный из немагнитного материала, с обмоткой возбуждения из сверхпроводящего материала, магнитные подшипники установлены на торцах статора.
Недостатком такого двигателя является сложность его конструкции и значительная нагрузка на радиальный подшипник.
Известна конструкция осевого гибридного магнитного подшипника ротора [патент CN №102900761 А, кл. F16C 32/04, 2013 г.], содержащая кольцевой Ш-образный электромагнит, в средней полюсе которого имеется вставка из постоянного магнита с осевой намагниченностью.
Недостатками данной конструкции являются низкая энергоэффективность, обусловленная энергопотреблением радиальных магнитных подшипников, технологическая сложность сборки.
Известна конструкция аппарата на магнитных подшипниках [патент US 5739609 А, кл. Н02К 7/09, 1998 г.], содержащая ротор, находящийся в двух радиальных и одном осевом электромагнитном подшипнике, а также кольцевые подшипники скольжения, выступающие в качестве страховочных подшипников.
Недостатками данной конструкции являются высокие массогабаритные показатели электромагнитных подшипников, а также низкая энергоэффективность, обусловленная энергопотреблением радиальных магнитных подшипников, технологическая сложность сборки.
Известно устройство магнитной левитации и контроля гибридного магнитного подшипника [заявка на патент US 2012/0139375 A1, кл. Н02К 7/09, 2012 г.], содержащее ротор, датчики положения ротора, П-образный кольцевой электромагнит, в полюсах которого имеются вставки из двух радиально намагниченных постоянных магнитов прямоугольной формы и одного аксиально намагниченного постоянного магнита прямоугольной формы.
Недостатками данной конструкции являются высокие массогабаритные показатели гибридных магнитных подшипников, а также значительная нагрузка на гибридный магнитный подшипник и технологическая сложность сборки.
Известна конструкция гибридного магнитного подвеса ротора детандер-компрессора [Ульянов Ю.М., Мартиненко Г.Ю., Смирнов М.М. Система управлшня осьовим рухом ротора на комбшованому магштному пiдвici з пасивними радiальними i активним осьовим пiдшипниками // Зб. наук. пр. - X.: УкрДАЗТ, 2008. - Вип.97. - С.107-118.], содержащая один осевой электромагнитный подшипник и два радиальных магнитных подшипника на постоянных магнитах.
Недостатками указанной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствие демпфирования колебаний ротора в радиальном направлении, значительные массогабаритные показатели осевого электромагнитного подшипника и значительные нагрузки на него.
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является конструкция системы на магнитных подшипниках [Электронный ресурс URL: https://www.google.ru/url?q=http://www.maglev.ir/eng/documents/papers/confere nces/maglev2004/topic10/IMT-_CP_М2004_T10_1.pdf&sa=U&ei=hkUpU97HJO GB4gTMlIDYBw&ved=0CB8QFjAA&sig2=KOgl-eYT2Hsx-u8RBBeTfO&usg=AFQjCNF60wfvfEuxlz9Z4fc5XrlDDzYaSg (дата обращения 19.03.2014)], содержащая вал, ротор, статор, установленный в рубашке охлаждения, корпус, подшипниковые щиты, осевой электромагнитный подшипник, пассивные радиальные магнитные подшипники, выполненные из набора кольцевых постоянных магнитов, намагниченных в осевом направлении, активный радиальный демпфер, датчики радиального и осевого положения ротора.
Недостатками указанной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью синтеза радиального демпфера и радиальных датчиков положения ротора в единой конструкции, низкой энергоэффективностью, вызванной применением активного радиального демпфера, и значительными массогабаритными показателями, и низкая надежность.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей благодаря синтезу радиального демпфера и радиальных датчиков положения ротора в единой конструкции, минимизация массогабаритных показателей за счет применения радиального пассивного демпфера.
Техническим результатом является повышение ресурса работы, энергоэффективности системы на гибридных магнитных подшипниках, а также возможность получения данных о положении ротора, его вибрациях и колебаниях непосредственно с радиального пассивного демпфера.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в системе на магнитных подшипниках, содержащей вал, ротор, статор, установленный в рубашке охлаждения, корпус, подшипниковые щиты, осевой электромагнитный подшипник, пассивные радиальные магнитные подшипники, радиальный демпфер, датчики радиального и осевого положения ротора, согласно изобретению введен осевой пассивный демпфер, состоящий из кольцевого постоянного магнита, намагниченного в осевом направлении, установленного в торцевой поверхности вала, и медного кольца, установленного в подшипниковом щите, при этом радиальный демпфер выполнен пассивным, состоящим из кольцевого постоянного магнита с радиальной намагниченностью и медной втулки, причем медная втулка плотно прилегает к внутренней поверхности рубашки охлаждения, при этом датчики радиального положения ротора выполнены в виде датчиков Холла, установленных перпендикулярно внешней поверхности медной втулки, а датчики осевого положения ротора выполнены в виде датчиков Холла, установленных перпендикулярно торцевой поверхности медного кольца.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен продольный разрез системы на гибридных магнитных подшипниках.
Предложенное устройство содержит вал 1, ротор 2, статор 3, установленный в рубашке охлаждения 4, корпус 5, первый подшипниковый щит 6, второй подшипниковой щит 7, осевой электромагнитный подшипник 8, установленный в первом подшипниковом щите 6, пассивный осевой демпфер 9, состоящий из кольцевого постоянного магнита 10, намагниченного в осевом направлении, установленного в торцевой поверхности вала 1, и медного кольца 11, установленного во втором подшипниковом щите 7, пассивные радиальные магнитные подшипники 12, состоящие из подвижных колец 13, установленных на валу 1, и неподвижных колец 14, установленных в корпусе 5, пассивный радиальный демпфер 15, состоящий из кольцевого постоянного магнита 16 с радиальной намагниченностью, установленного на валу 1, и медной втулки 17, плотно прилегающей к рубашке охлаждения 4, датчики радиального положения ротора 18, выполненные в виде датчиков Холла, установленных перпендикулярно внешней поверхности медной втулки 17, датчики осевого положения ротора 19, выполненные в виде датчиков Холла, установленных перпендикулярно торцевой поверхности медного кольца 11.
Устройство работает следующим образом. Бесконтактное вращение вала 1 с ротором 2 обеспечивается осевым электромагнитным подшипником 8, пассивными радиальными магнитными подшипниками 12, состоящими из подвижных колец 13, установленных на валу 1, и неподвижных колец 14, между подвижными кольцами 13 и неподвижными кольцами 14 возникают силы отталкивания, которыми обеспечивается подвес ротора 2 в радиальном направлении, в осевом направлении подвес ротора обеспечивается осевым электромагнитным подшипником 8. При появлении колебаний и вибраций вала 1 с ротором 2, обусловленных, например, переходом ротора 2 через первую критическую скорость или несимметричными короткими замыканиями, кольцевой постоянный магнит 16 с радиальной намагниченностью, установленный на валу 1, начинает колебаться относительно медной втулки 17, плотно прилегающей к рубашке охлаждения 4. В медной втулке 17 при этом наводятся вихревые токи, тем самым гасится энергия колебаний и вибраций и обеспечивается устойчивое вращение ротора на гибридных магнитных подшипниках. Кроме этого, датчики радиального положения ротора 18, выполненные в виде датчиков Холла, установленных перпендикулярно внешней поверхности медной втулки 17, фиксируют величину напряженности магнитного поля, наведенного в медной втулке 17, по величине которой возможно судить о колебаниях и вибрациях вала 1, а также о положении ротора, тем самым достигается синтез радиального демпфера и радиальных датчиков положения ротора в единой конструкции. Минимизация тепловых потерь, создаваемых в медной втулке 15 вихревыми токами, обеспечивается прохождением хладагента через рубашку охлаждения 5. При появлении осевых колебаний вала 1 с ротором 2 кольцевой постоянный магнит 10, намагниченный в осевом направлении, установленный в торцевой поверхности вала 1, начинает колебаться относительно медного кольца 11, установленного во втором подшипниковом щите. Кроме этого, датчики осевого положения ротора 19, выполненные в виде датчиков Холла, установленных перпендикулярно торцевой поверхности медного кольца 11, фиксируют величину напряженности магнитного поля, наведенного в медном кольце 11, по величине которой возможно судить о колебаниях и вибрациях вала 1, а также о положении ротора, тем самым достигается синтез осевого пассивного демпфера и осевых датчиков положения ротора в единой конструкции.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности благодаря синтезу радиального демпфера и радиальных датчиков положения ротора в единой конструкции, минимизировать массогабаритные показатели системы на гибридных магнитных подшипниках за счет применения радиального пассивного демпфера.
В результате повышается надежность, энергоэффективность системы на гибридных магнитных подшипниках, а также обеспечивается получение информации о положении ротора, его вибрациях и колебаниях непосредственно с радиального пассивного демпфера.