ГОМОПОЛЯРНЫЙ МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
HOMOPOLAR MAGNETIC BEARING FOR HIGH-SPEED ELECTRIC MACHINES

Изобретение относится к области электрических машин и может быть использовано в высокоскоростных электрических машинах.
Известна система на гибридных магнитных подшипниках [патент RU №2547450 C1, H02K 7/09, 10.04.2015], содержащая 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, в которой 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.
Недостатками указанной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, низкая энергоэффективность, вызванная наведением вихревых токов, значительные массогабаритные показатели и низкая надежность.
Известно устройство гибридного магнитного подшипника [патент US 005767597 А, кл. H02K 7/09, 1998 г.], включающее в себя одну кольцевую катушку смещения, являющуюся общей для всех полюсов и расположенных по окружности вокруг вращающегося элемента, четыре полюсных зажима, четыре равноудаленных друг от друга П-образных полюса с полюсными наконечниками и контрольными управляющими катушками, причем каждая пара П-образных полюсов расположена диаметрально противоположно и открытый конец каждого П-образного полюса обращен к вращающемуся элементу и перпендикулярны ему.
Недостатками данной конструкции являются высокие массогабаритные показатели, а также значительная нагрузка на гибридный магнитный подшипник и технологическая сложность сборки.
Известно устройство многополюсных гомополярных магнитных подшипников с конфигурацией полюсов для малых потерь [патент US 6313555 В1, кл. H02K 7/09, 2001 г.], включающее вал, ротор, два статора, содержащие управляющие катушки, между которыми расположены постоянные магниты.
Недостатками данной конструкции являются низкая энергоэффективность, обусловленная большим энергопотреблением и насыщением статора, большие массогабаритные показателями, а также технологическая сложность сборки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является гомополярный магнитный подшипник с постоянным магнитом и встроенным датчиком скорости вращения [патент US 20150054389 А1, кл. H02K 7/09, 2015 г.], содержащий вал, ротор, статор, при этом радиальные полюса размещаются вокруг радиальной цепи исполнительного механизма, корпус, радиальные полюса оснащены управляющей обмоткой, датчик Холла измеряет магнитное поле смещения в воздушном зазоре между полюсом и статором.
Недостатками указанной конструкции являются ограниченные функциональные возможности по причине отсутствия пассивного демпфера, небольшая энергоэффективность, вызванная наведением вихревых токов и насыщением статора, низкая надежность и значительные массогабаритные показатели.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей благодаря введению системы измерения перемещения ротора и момента, минимизация массогабаритных показателей за счет применения радиального пассивного демпфера, а также за счет слабого насыщения статора.
Техническим результатом является повышение надежности подшипника, повышение КПД за счет снижения потерь на вихревые токи и гистерезис, а также снижение массогабаритных показателей за счет применения радиального демпфера.
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в гомополярном магнитном подшипнике, состоящем из вала, ротора, статора, радиального полюса, корпуса, управляющей обмотки датчика Холла с возможностью измерения магнитного поля смещения в воздушном зазоре, согласно изобретению постоянные магниты, намагниченные в осевом и диаметральном направлении, расположены в роторе и выполнены в виде цельного диска, вал выполнен в виде бандажной оболочки из ферромагнитного материала, при этом к дисковому постоянному магниту, намагниченному в осевом направлении с одной стороны, прилегает диск из немагнитного материала, а также введен осевой пассивный демпфер, имеющий под статором слой медного напыления.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема с гомополярным магнитным подшипником. На фиг. 2 изображен разрез гомополярного магнитного подшипника.
Гомополярный магнитный подшипник для высокоскоростных электрических машин содержит (фиг. 1) статор 1 с обмотками возбуждения 2, вал выполнен в виде бандажной оболочки из ферромагнитного материала 3, с запрессованными дисковыми постоянными магнитами 4, намагниченными в осевом направлении, на торцах которых запрессованы барьеры магнитного потока из немагнитного материала 5, кроме того, установлен пассивный осевой демпфер 6, состоящий из ротора 7, с дисковыми постоянными магнитами с диаметральной намагниченностью 8 (фиг. 2) и с медным напылением 9 под статором, для измерения биения установлены датчики системы измерения перемещения 10 ротора 7, выполненные в виде датчиков Холла.
Гомополярный магнитный подшипник для высокоскоростных электрических машин работает следующим образом. Вращение вала 3 с ротором 7 с дисковыми постоянными магнитами с диаметральной намагниченностью 8 и дисковым постоянным магнитом 4, намагниченным в осевом направлении, запрессованными в бандажную оболочку 3 с статором 1 и обмоткой возбуждения 2, которыми обеспечивается подвес ротора 7 в радиальном и осевом направлении, возникают колебания и вибрация ротора 7. К примеру, при переходе ротора 7 через критическую скорость или при несимметричном коротком замыкании, а также биением от привода. При колебании ротора 7 в медном напылении 9 наводятся вихревые токи, тем самым гасится энергия колебаний и вибраций и обеспечивается устойчивое вращение ротора на гомополярных магнитных подшипниках. Кроме того, чтобы магнитный поток дисковых магнитов с диаметральной намагниченностью 8 не препятствовал работе гомополярного магнитного подшипника, установлен барьер магнитного потока 5 в виде диска из немагнитного материала. Датчики системы измерения перемещения 10 ротора 7, установленные перпендикулярно внешней поверхности ротора 7, измеряют перемещение ротора 7, а также фиксируют величину напряженности магнитного потока, наводимого на медной напыленной поверхности 9, по величине которой возможно судить о колебаниях, вибрациях и положении ротора 7, благодаря чему достигается совместная работа в единой конструкции радиального демпфера 6 и датчиков системы измерения перемещения 10 ротора 7.
Таким образом достигается расширение функциональных возможностей благодаря введению системы измерения перемещения ротора и минимизации массогабаритных показателей гомополярного магнитного подшипника за счет применения радиального пассивного демпфера.
В результате повышается надежность, энергоэффективность и КПД системы на гомополярных магнитных подшипниках, а также снижаются массогабаритные показатели за счет радиального демпфера и снижения потерь на вихревые токи и гистерезис.