МАГНИТНАЯ ОПОРА СОСТАВНОГО ТИПА
MAGNETIC SUPPORT OF COMPOSITE TYPE

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к магнитным опорам вертикальных роторов быстровращающихся приборов, 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.
Известна магнитная опора ротора, опирающегося на подпятник, 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, примыкающему 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 подпятник действием осевой силы притяжения магнита 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.
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, величина которой не зависит от вертикальных перемещений вращающейся части относительно неподвижной части при динамических изменениях осевого положения ротора, обеспечивающей работоспособность быстровращающихся роторов в процессе разгона и эксплуатации, повышение надежности и долговечности работы.
Поставленная задача достигается тем, что в магнитной опоре вертикального ротора, расположенной в устройстве в виде полого тонкостенного вертикального ротора, установленного в корпусе и опирающегося на подпятник, содержащей систему постоянных магнитов, установленных соосно с ротором, система магнитов содержит магниты, закрепленные на неподвижной части устройства, между которыми установлен один или несколько магнитов, закрепленных на вращающейся части устройства, и один или несколько ферромагнитных элементов, закрепленных на вращающейся части устройства.
Кроме того, неподвижная часть может представлять собой коллектор, на котором один из магнитов закреплен выше вертикального ротора, а другой - в его полости.
Кроме того, магниты могут быть выполнены кольцевыми.
Кроме того, сечение магнитов может быть выполнено прямоугольным.
Кроме того, сечение магнитов может быть иметь произвольную форму.
Кроме того, магниты могут быть выполнены из материала с высокой электропроводностью.
Кроме того, на неподвижной части устройства закреплено несколько магнитов, между которыми установлены несколько магнитов, закрепленных на вращающейся части.
Кроме того, ферромагнитный элемент может нести дополнительные функции как механического свойства, так и электропроводного.
Кроме того, ферромагнитных элементов может быть несколько.
Кроме того, вращающаяся часть опоры может выполнять функции неподвижной части опоры и наоборот при условии сохранения центральной симметрии магнитного поля.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 - продольный разрез вертикального ротора с магнитной опорой.
Фиг. 2 - зависимость нагрузки на нижнюю опору f от осевого смещения z вращающейся части устройства относительно неподвижной части при различных соотношениях расстояний между элементами устройства.
Магнитная опора вертикального ротора расположена в устройстве, в котором полый тонкостенный вертикальный ротор 1 установлен в неподвижном корпусе 2, и опирается иглой 3 на подпятник 4 нижнего демпфера 5. В крышке 6 корпуса 2 закреплен неподвижный коллектор 7, расположенный в полости тонкостенного вертикального ротора 1, на коллекторе 7 установлены магниты 8 и 9. На полом тонкостенном вертикальном роторе 1 установлен вращающийся магнит 10 и ферромагнитный элемент 11.
Магнитная опора, представляющая собой систему постоянных магнитов, установленных соосно с полым тонкостенным вертикальным ротором 1, состоит из постоянных магнитов 8 и 9, закрепленных на неподвижной части устройства, между которыми установлены постоянный магнит 10 и ферромагнитный элемент 11, закрепленные на вращающейся части.
Взаимное расположение магнитов и ферромагнитных элементов 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 и подчинялись требуемому закону изменения при динамических изменениях осевого положения вращающейся части.
Например, магнитная опора расположена внутри герметичного корпуса 2 и представляет собой систему постоянных магнитов, установленных соосно с полым тонкостенным вертикальным ротором 1, в которой между закрепленными на неподвижном коллекторе 7 магнитами 8 и 9, один из которых установлен выше тонкостенного вертикального ротора 1, а другой - в его полости, расположены магнит 10 и ферромагнитный элемент 11, закрепленный на вертикальном роторе 1.
Магниты могут быть выполнены кольцевыми.
Сечение магнитов может быть выполнено прямоугольным.
Сечение магнитов может иметь произвольную форму, представляющую различные геометрические фигуры и их комбинации.
Магниты могут быть выполнены из материала с высокой электропроводностью.
Магнитная опора может состоять из нескольких магнитов, закрепленных на неподвижной части устройства, между которыми установлено несколько магнитов, закрепленных на вращающейся части, и несколько ферромагнитных элементов.
Ферромагнитный элемент может нести дополнительные функции - как механического свойства, например, механического контактного демпфера, так и электропроводного, например, электромеханического демпфера.
Ферромагнитных элементов может быть несколько.
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 полый тонкостенный вертикальный ротор 1 удерживается в вертикальном положении благодаря бесконтактной радиальной жесткой связи элементов магнитной опоры, причем бесконтактная радиальная жесткая связь создается за счет взаимодействия осесимметричного магнитного поля магнитов 8 и 9, и магнита 10 и ферромагнитного элемента 11. При этом осевая сила взаимодействия магнитов 8 и 9, магнита 10 и ферромагнитного элемента 11 частично разгружает подпятник 4 от веса ротора, уменьшая трение в опоре и износ ее элементов. Суммарная сила взаимодействия системы магнитов и системы магнит-ферромагнитный элемент обеспечивает независимость нагрузки на нижнюю опору от вертикальных перемещений элементов опоры либо требуемый закон изменения нагрузки.
На характерной кривой зависимости нагрузки на нижнюю опору f от осевого смещения z вращающейся части устройства относительно неподвижной части при различных соотношениях расстояний между элементами устройства наблюдается широкий участок с практически постоянным, при определенном взаимном положении элементов опоры, значением величины нагрузки на нижнюю опору. Изменяя взаимное положение элементов опоры, можно задавать закон изменения величины нагрузки на нижнюю опору f от осевого смещения z вращающейся части устройства относительно неподвижной части, а также радиальной жесткой связи.
Во время разгона ротора 1 при прохождении критических частот вращения, а также на рабочем режиме за счет нутации, остаточного дисбаланса и действия случайных внешних сил ротор 1 может совершать колебания относительно нижней опоры, а составные и длинные роторы могут быть подвержены изгибным колебаниям. В случае выполнения магнитов из материала с высокой электропроводностью усиливается эффект радиального и осевого демпфирования. Также на ферромагнитный элемент может быть нанесено покрытие с высокой электропроводностью, что может привести к эффекту радиального и осевого демпфирования за счет рассеивания возникающих вихревых токов, возникающих при различных видах колебаний.
Также, по сравнению с известными магнитными опорами, повышается эффективность использования магнитов за счет более полного использования энергии магнитного потока.