БЕСКОНТАКТНЫЙ МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК С ОБМОТКОЙ ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ЛЕНТ

Полезная модель относится к области бесконтактных магнитных подшипников с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и может найти применение при конструировании электротехнических устройств различного назначения с массивным вращающимся ротором/валом.
Известен сверхпроводящий магнитный подшипник (RU 174146 U1, ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ", 04.10.2017), включающий в свою конструкцию несущую трубу криостата, на внутренней и внешней поверхностях которой закреплены цилиндрические ВТСП элементы, а также внутренний и внешний роторы с установленными на них кольцевыми магнитами чередующейся полярности. Магниты намагничены в осевом направлении и разделены вставками из магнитомягкого материала. Охлаждение ВТСП элементов осуществляется за счет прокачки жидкого азота через канал в трубе криостата. Устройство функционирует в вакууме и потому не требует дополнительной термоизоляции ВТСП элементов, что позволяет уменьшить зазор между ротором и статором.
К недостаткам устройства, известного из RU 174146 U1, можно отнести отсутствие возможности масштабирования подшипника, сложность изготовления устройства, связанную с использованием объемных ВТСП элементов, сложность системы охлаждения, а также необходимость размещения устройства в вакуумной камере.
Известен сверхпроводящий магнитный подшипник (RU 164521 U1, ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ", 10.09.2016), состоящий из статора, выполненного в виде двух цилиндрических трубок, к наружной поверхности которого приклеены ВТСП элементы, и ротора, внутри которого располагаются постоянные магниты. ВТСП элементы и постоянные магниты выполнены в форме колец и имеют одинаковую ширину. При подготовке устройства к началу работы ротор фиксируется напротив ВТСП элементов с помощью арретиров и кольцевых проставок, а кювета, образованная цилиндрическими трубками статора, заполняется жидким азотом.
К недостаткам устройства, раскрытого в RU 164521 U1, можно отнести использование объемных ВТСП элементов, отсутствие возможности масштабирования подшипника, а также сложную систему позиционирования ротора в рабочем положении.
Наиболее близким аналогом предложенного технического решения является сверхпроводящий магнитный подшипник, раскрытый в документе RU 2610880 С1 (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ", 17.02.2017), включающий в свою конструкцию ротор и статор. Статор подшипника представляет собой охлаждаемую изнутри металлическую трубу, к наружной стенке которой прикреплен цилиндр из ВТСП материала, а на валу ротора друг над другом расположены разделенные вставками из магнитомягкого материала постоянные кольцевые магниты чередующейся полярности, намагниченные в осевом направлении. Устройство также содержит магнитную систему позиционирования ротора напротив ВТСП цилиндра.
К недостаткам технического решения, раскрытого в RU 2610880 С1, также можно отнести отсутствие возможности масштабирования подшипника - размеры магнитов и ВТСП трубки фиксированы, сложность изготовления подшипника, связанную с использованием объемных ВТСП-элементов.
Технический результат предложенной полезной модели заключается в упрощении процедуры изготовления сверхпроводящего магнитного подшипника за счет упрощения технологии изготовления сверхпроводящего статора - ВТСП элементы формируются путем намотки сверхпроводящей ленты; снижении материалоемкости конструкции, а также в принципиальной возможности многократного масштабирования подшипника.
Достижение указанного технического результата обеспечивается предложенным бесконтактным магнитным подшипником на высокотемпературных сверхпроводниках, состоящим из ротора с закрепленными на нем магнитами и статора, содержащего сверхпроводящие элементы.
Статор устройства выполнен в виде трубы из немагнитного материала с высокой теплопроводностью, на внешней стороне которой выполнены сверхпроводящие обмотки, каждая из которых представляет собой намотанную слоями ВТСП-ленту второго поколения. Причем первый виток обмотки на трубе располагается в плоскости перпендикулярной оси трубы, а внутренняя сторона каждого последующего витка располагается строго на внешней стороне предыдущего. Число витков в каждой из обмоток определяется индукцией постоянных магнитов ротора и может варьироваться от одного до нескольких сотен. Увеличение числа витков приводит к увеличению силы взаимодействия сверхпроводящей обмотки и ротора с постоянными магнитами. Число сверхпроводящих обмоток определяется размерами подшипника и требуемой величиной полезной нагрузки подшипника. Охлаждение ВТСП-ленты осуществляется за счет охлаждения трубы путем заливания хладагента внутрь трубы, присоединения к торцу трубы криокулера или другим известным из уровня техники способом.
Ротор подшипника представляет собой выполненный из немагнитного материала корпус, на внутренней стороне которого в пазах закреплены магниты. Указанные пазы выполнены таким образом, что магниты образуют расположенные друг над другом ряды, число которых совпадает с числом ВТСП-обмоток. Высота магнитов не превышает ширину ВТСП-ленты, а сами магниты имеют прямоугольное (в частности, квадратное) сечение в плоскости, перпендикулярной направлению оси намагниченности. В каждом из указанных рядов магниты уложены вдоль окружности, центр которой лежит на оси подшипника, таким образом, что ребра их граней, обращенных к оси, соприкасаются. А расстояние между соседними рядами таково, что центральная плоскость каждого ряда магнитов совпадает с центральной плоскостью соответствующей ВТСП-обмотки. При этом ряды формируют таким образом, чтобы у одного из двух соседних рядов векторы намагниченности были направлены вдоль радиуса к оси подшипника, а у второго - вдоль радиуса от оси подшипника. Такая магнитная конфигурация была выбрана для увеличения нагрузочной способности подшипника.
Ось симметрии ротора совпадает с осью симметрии статора. Для достижения наибольшей силы сцепления расстояние между обращенными к оси гранями магнитов ротора и внешними витками ВСТП-обмоток статора выполнено минимально возможным. Большая часть зазора между ротором и статором заполнена термоизоляционным материалом, при этом механический контакт между ротором и термоизоляцией отсутствует.
Конструкция подшипника обладает хорошей масштабируемостью: модульная конструкция ротора позволяет относительно легко изготавливать подшипники различных диаметров за счет изменения числа магнитов в рядах. В то же время вертикальные размеры подшипника могут быть увеличены путем добавления в конструкцию ротора дополнительных рядов магнитов, а простая технология изготовления ВТСП-обмоток позволяет легко увеличивать число сверхпроводящих элементов статора.
Устройство также может включать систему позиционирования ротора, позволяющую фиксировать ротор в рабочем положении, то есть в положении, когда оси ротора и статора совпадают, а центральная плоскость каждого ряда магнитов совпадает с центральной плоскостью соответствующей ВТСП-обмотки. Установка ротора осуществляется до начала работы подшипника. После охлаждения сверхпроводящих элементов система позиционирования удаляется (например, опускается вниз вдоль направляющих стержней, закрепленных на том же основании, что и статор) из рабочей области устройства.
Конструкция устройства поясняется следующими чертежами:
На фиг. 1 представлен общий вид конструкции предлагаемого бесконтактного магнитного подшипника в сборе для случая, когда число рядов магнитов ротора и ВТСП-обмоток статора равно 3.
На фиг. 2 показана конструкция ротора подшипника, представленного на фиг. 1.
На фиг. 3 представлен ротор подшипника в разрезе.
На фиг. 4 представлен общий вид конструкции бесконтактного магнитного подшипника, изготовленного для демонстрации возможности осуществления предложенной полезной модели.
Нумерация элементов на чертежах: 1 - статор, 2 - ВТСП-обмотки,3 - ротор, 4 - ряд магнитов, 5 - центральная плоскость, 6 - термоизоляция, 7 - поддерживающая система, 8 - направляющие стержни.
Предложенный бесконтактный магнитный подшипник на высокотемпературных сверхпроводниках (фиг. 1) включает в свою конструкцию статор 1, на поверхности которого выполнены сверхпроводящие обмотки 2, и ротор 3 с закрепленными на нем рядами магнитов 4. Ось симметрии ротора 3 совпадает с осью симметрии статора 1, а центральная плоскость 5 каждого слоя магнитов 4 совпадает с центральной плоскостью соответствующей обмотки 2. Ряды магнитов 4 размещены на внутренней поверхности ротора 3 так, как это показано на фигурах 2 и 3. На фигуре 3 также стрелками показано направление вектора намагниченности в каждом ряду магнитов 4. Зазор между ротором 3 и статором 1 заполнен термоизоляционным материалом 6, при этом контакт между рядами магнитов 4 и термоизоляцией 6 отсутствует.
Для демонстрации возможности осуществления предложенной полезной модели был изготовлен бесконтактный магнитный подшипник (фиг. 4), ротор 3 которого содержал три ряда магнитов 4, а статор 1 - три ВТСП-обмотки 2. При конструировании подшипника использовались неодимовые магниты марки N42 с размерами 10×10×10 мм. Сила сцепления отдельного магнита составляла 4,56 кг. В роторе 3 подшипника магниты были уложены в 3 ряда по 16 магнитов в каждом, расстояние между рядами составляло 2 мм. Ряды магнитов 4 располагались один над другим, причем в центральном слое вектор намагниченности каждого магнита был направлен вдоль радиуса к оси подшипника, а в верхнем и нижнем - от оси подшипника (см. фиг. 3).
Для реализации выбранной конфигурации расположения магнитов, был спроектирован и изготовлен формер-держатель магнитов - корпус ротора 3, - представляющий собой конструкцию из нескольких деталей, распечатанных на 3D принтере. В качестве материала ротора 3 был выбран ABS пластик. Благодаря взаимодействию отдельных магнитов, а также образованных ими рядов 4, расположение магнитов в пазах было устойчивым - магниты не требовалось вклеивать или дополнительно закреплять каким-либо другим образом.
Статор 1 подшипника представлял собой медную трубу, на внешней поверхности которой были выполнены три ВТСП-обмотки 2. Для изготовления обмоток 2 использовалась омедненная лента производства фирмы СуперОкс. Ширина ленты составляла 12 мм, а число слоев ленты в каждой обмотке равнялось 10. Охлаждение статора 1 осуществлялось жидким азотом, который заливали внутрь медной трубы перед началом работы. Расстояние между внешними витками ВТСП-обмоток 2 и соответствующими рядами магнитов 4 ротора 3 составляло 4,8 мм. Большую часть данного зазора занимала термоизоляция 6.
Рабочей для данного подшипника является конфигурация, при которой центральная плоскость каждого слоя магнитов 4 совпадает с центральной плоскостью соответствующей обмотки 2 сверхпроводящей ленты, а ось симметрии ротора 3 совпадает с осью симметрии статора 1. Причем сначала ротор 3 необходимо зафиксировать в данной конфигурации, а затем залить в полость медной трубы статора 1 жидкий азот. С целью однозначного позиционирования ротора 3 также была сконструирована специальная поддерживающая система 7. После охлаждения сверхпроводящих элементов 2 поддерживающая система 7 опускалась вдоль направляющих стержней 8, освобождая ротор 3.
Из схемы устройства, представленной на фиг. 1, видно, что конструкция подшипника легко масштабируется. Благодаря модульной конструкции ротора 3 возможно добавление дополнительных слоев магнитов 4. А конструкция статора 1 позволяет легко добавлять новые ВТСП-обмотки 2.