МАГНИТНАЯ ОПОРА С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ
MAGNETIC SUPPORT WITH ADDITIONAL MAGNETIC SYSTEM

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к магнитным опорам быстровращающихся роторов, например роторов газовых центрифуг, накопителей энергии, генераторов, гироскопов и подобных устройств.
Существует большое многообразие предложений по построению магнитных опор на постоянных магнитах. Магнитные опоры многофункциональны и позволяют решить многие проблемы, например, разгрузку нижней опоры от осевой нагрузки, обеспечение бесконтактной радиальной жесткой связи ротора с неподвижной частью, центровку ротора относительно корпуса.
При увеличении веса ротора, а также при его продольных деформациях в процессе эксплуатации, нагрузка на нижнюю опору может превышать допустимые величины, так как силы взаимодействия в магнитной опоре ограничены тяговыми характеристиками магнитной опоры и реализуемыми эксплуатационными магнитными зазорами.
Известна магнитная опора ротора, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно ротору на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над втулкой соосно с ней, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита (патент ФРГ №1071593, B04B 9/12, опубл. 09.06.1960 г.).
Данная магнитная опора обеспечивает вращение ротора без механических контактов с элементами верхней части корпуса, разгружает нижнюю опору и стабилизирует положение оси вращения ротора за счет радиальной жесткости, обусловленной действием симметричного магнитного поля. Однако изменение магнитного зазора между полюсным наконечником и роторной втулкой приводит к существенному изменению величины нагрузки на нижнюю опору. Кроме того, при увеличении массы ротора для снижения нагрузки на нижнюю опору применяются магниты увеличенных типоразмеров, что приводит к удорожанию магнитной опоры.
Известна также магнитная опора вертикального ротора газовой центрифуги, в которой для усиления бесконтактной радиальной жесткой связи с неподвижной частью помимо основного магнита применен дополнительный магнит, установленный на наружной трубке газового коллектора, сила которого направлена против направления притяжения основного магнита (патент RU №2115481, МПК В04В 5/08, В04В 9/12, B01D 59/20, опубл. 20.07.1998).
Такая магнитная опора усиливает поперечную жесткую связь, но обладает еще большей чувствительностью к осевым перемещениям элементов опоры, а также сложна при сборке.
Задача данного изобретения состоит в создании магнитной опоры, которая может обеспечить требуемую нагрузку на нижнюю опору, для широкого диапазона величин массы ротора, обеспечивающей работоспособность быстровращающихся роторов в процессе разгона и эксплуатации, повышение надежности и долговечности работы, а также снижению ее себестоимости.
Поставленная задача достигается тем, что магнитная опора устройства с ротором, имеющим механическую контактную пару между вращающимися и невращающимися элементами устройства, содержит дополнительную систему постоянных магнитов, установленных соосно с ротором, на расстоянии от механической контактной пары, при котором взаимным осевым перемещением данных постоянных магнитов при работе устройства можно пренебречь, при этом на вращающейся части-роторе установлен один или несколько магнитов, на неподвижной части установлен один или несколько ответных магнитов.
Кроме того, конфигурация магнитного поля дополнительной магнитной системы может обеспечивать как положительное, так и отрицательное осевое взаимодействие.
Кроме того, сечение магнитов может иметь произвольную форму, представляющую различные геометрические фигуры и их комбинации, например прямоугольную.
Кроме того, магниты могут быть выполнены из материала с высокой электропроводностью, например из сплава системы неодим-железо-бор.
Кроме того, вращающаяся часть опоры может выполнять функции неподвижной части опоры и наоборот, при условии сохранения центральной симметрии магнитного поля.
Изобретение поясняется чертежом.
Фиг. 1 - продольный разрез ротора.
Магнитная опора ротора расположена в устройстве, в котором ротор 1 установлен в неподвижном корпусе 2, в качестве механической контактной пары игла 3, опирающаяся на подпятник 4. В крышке 5 корпуса 2 установлен магнит 6 с полюсным наконечником 7, на крышке 8 ротора 1 расположена ферромагнитная втулка 9. На роторе 1 установлен вращающийся магнит 10, на неподвижной части установлен ответный магнит 11. Вращение обеспечивается электроприводом 12. Взаимное расположение магнитов 10 и 11 выбирается (или рассчитывается) таким образом, чтобы параметры магнитной опоры - нагрузка на нижнюю опору, а следовательно, момент трения и величина бесконтактной радиальной жесткой связи были оптимальны для определенной величины массы ротора.
Конфигурация магнитного поля дополнительной системы магнитов может обеспечивать как положительное, так и отрицательное осевое взаимодействие.
Магниты, как вращающиеся, так и неподвижные, могут состоять из нескольких колец, сцепленных на притяжение.
Сечение магнитов может иметь произвольную форму, представляющую различные геометрические фигуры и их комбинации, например прямоугольную.
Магниты могут быть выполнены из материала с высокой электропроводностью, например из сплава системы неодим-железо-бор.
Вращающаяся часть опоры может выполнять функции неподвижной части опоры и наоборот, при условии сохранения центральной симметрии магнитного поля.
Магнитная опора работает следующим образом.
Опирающийся иглой 3 на подпятник 4 ротор 1 удерживается в центральном положении благодаря бесконтактной радиальной жесткой связи элементов верхней магнитной опоры. При этом осевая сила взаимодействия элементов верхней опоры частично разгружает подпятник 4 от веса ротора, уменьшая трение в механической контактной паре и износ ее элементов. Осевая сила взаимодействия дополнительной магнитной системы может быть направлена вверх и может регулироваться в широких пределах изменением взаиморасположения магнитов, величины зазора между магнитами, количеством магнитов, материалом магнитов. Радиальная сила взаимодействия также может корректироваться. Нагрузка на подпятник изменяется на величину силы осевого взаимодействия дополнительной магнитной системы, поэтому магнит 6 верхней опоры может быть выполнен в значительно меньших габаритах, что снижает стоимость устройства.
Габариты дополнительной магнитной системы малы при значительных величинах силы осевых взаимодействий. Таким образом, основную функцию верхней опоры - разгрузку нижней опоры - выполняет дополнительная магнитная система. При этом существенно снижается влияние осевых перемещений ферромагнитной втулки 9 на величину осевого взаимодействия верхней магнитной опоры. Осевое взаимодействие дополнительной магнитной системы неизменно при разгоне и эксплуатации, поскольку отсутствуют осевые перемещения вращающегося магнита.
Во время разгона и на рабочем режиме ротор может совершать колебания. В случае выполнения магнитов из материала с высокой электропроводностью возможна реализация демпфирования колебаний за счет вихревых токов, возникающих в магнитах.
По сравнению с известными магнитными опорами, повышается эффективность использования магнитов за счет более полного использования энергии магнитного потока.