МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к бесконтактным опорным устройствам и может быть использовано при создании тяжелых электрических машин горизонтального исполнения, например, электрических двигателей, турбин, газоперекачивающих агрегатов, турбодетандеров, электрошпинделей, турбомолекулярных насосов и других высокооборотных машин и агрегатов с активным магнитным подвесом роторов.
Известна электромагнитная опора (патент №2037684, публ. 19.06.1995) содержащая магнитопроводящий ротор, размещенный с зазором относительно магнитопроводящего статора, состоящего из ярма с симметрично размещенными относительно координатных осей полюсами с внутренними криволинейными поверхностями. Каждый полюс имеет две катушки с обмотками: обмотку подмагничивания и обмотку управления. Обращенная к ротору поверхность каждого полюса статора выполнена криволинейной с образованием неравномерного в окружном направлении зазора между ротором и полюсами статора. Зазор у наружной радиальной боковой стенки полюса в каждой паре минимальный, а у внутренней боковой стенки полюса (вблизи координатной оси симметрии) максимален. Параметры криволинейности внутренней поверхности каждого полюса выбираются такими, чтобы обеспечивался максимум экономической эффективности электромагнитной опоры. В случае, если неравномерность зазора внутренней поверхности каждой пары полюсов задается радиусом окружности с центром, лежащим на ее координатной оси симметрии и не совпадающим с центром окружности ротора, то максимум эффективности данной конструкции обеспечивается при условии равенства этого радиуса радиусу ротора. Недостатком известной электромагнитной опоры является сложность конструкции из-за большого числа полюсов статора, содержащих криволинейные поверхности и дополнительную обмотку намагничивания, что также снижает массо-габаритные характеристики опоры.
Наиболее близким аналогом является подшипник системы энергонезависимого активного магнитного подвеса ротора (патент №2246644, публ. 20.02.2005). Указанный подшипник содержит размещенный в корпусе статор радиальной опоры и установленный на валу соответствующий ему ротор с зубцами на цилиндрической поверхности, обращенной к рабочей поверхности статора радиальной опоры. На поверхностях боковых полюсов статора расположены зубцы, обращенные к ротору и смещенные друг относительно друга на половину шага зубца. На среднем полюсе статора радиальной опоры размещена обмотка возбуждения, а на его боковых полюсах - генераторные обмотки соединенные последовательно - встречно и подключенные свободными выводами к входам выпрямителя напряжения. Подшипник также снабжен расположенными в корпусе статором и ротором осевой опоры, страховочным шарикоподшипником, внешней обоймой контактирующим с корпусом упругими элементами, комбинированным датчиком регистрации радиального и осевого положений роторов опор. Упругие элементы выполнены с возможностью перемещения вала в осевом и радиальном направлениях. Статор датчика связан с корпусом модулем управления, соединенным посредством информационного канала с системой автоматического управления. Ротор осевой опоры, ротор комбинированного датчика регистрации радиального и осевого положений роторов опор, внутренняя обойма страховочного шарикоподшипника дополнительно установлены на валу. Средний полюс статора радиальной опоры выполнен беззубцовым с дополнительным размещением на нем обмотки управления, при этом магнитная цепь статора выполнена в виде систем полюсов образующих зоны притяжения с осями, расположенными под углом 120° в радиальных направлениях сечения опоры.
Известный подшипник имеет сложную конструкцию, из-за наличия ротора с зубцами на цилиндрической поверхности, обращенной к рабочей поверхности статора и применения среднего полюса статора беззубцовым с двумя обмотками и четырех электромагнитов расположенных ниже горизонтальной линии проходящей через центр подшипника, а также сложную магнитную систему. Такой подшипник сложен в изготовлении и имеет большую массу, что снижает массо-габаритные характеристики системы.
Техническим результатом является упрощение конструкции и уменьшение массы магнитного подшипника.
Технический результат достигается тем, что в магнитном подшипнике, содержащем ротор из электротехнической стали установленный на валу машины, статор с симметрично расположенными в нем электромагнитами и датчик положения ротора, ротор выполнен беззубцовым, а электромагниты расположены в верхней части статора и создают магнитные поля обеспечивающие силы тяги, воздействующие на ротор, векторы которых симметричны, направлены вверх под углом к вертикальной оси магнитного подшипника и расположены выше оси вращения вала.
На фиг. 1. представлен магнитный подшипник, вид спереди; на фиг. 2. представлен магнитный подшипник вид сбоку в разрезе; на фиг. 3. представлен датчик положения ротора.
Магнитный подшипник содержит статор 1, электромагниты 2 и 3, датчик положения ротора 4, магнитопровод 5, катушки 6, ротор 7, вал 8, страховочный шарикоподшипник 9.
На статор 1 магнитного подшипника с помощью болтов в верхней половине окружности выше горизонтальной оси установлены одинаковые «П» образные электромагниты 2 и 3. Электромагниты 2 и 3 имеют по одной обмотке на каждом полюсе. Также на статор 1 магнитного подшипника с помощью болтов установлен индуктивный датчик положения ротора 4. Датчик положения ротора 4 представляет собой магнитопровод 5, выполненный в виде кольца, на котором установлены четыре группы катушек индуктивности 6, по четыре катушки в каждой группе. Катушки индуктивности 6 имеют одинаковые параметры и включены по мостовой схеме по одной группе катушек в каждом плече. Две группы катушек в датчике положения ротора размещены оппозитно друг другу по горизонтальной оси, а две другие группы катушек размещены оппозитно друг другу по вертикальной оси магнитного подшипника. Ротор 7 магнитного подшипника выполнен в виде пакета электротехнической стали и закреплен на валу 8 машины. Между валом 8 и магнитным подшипником установлен страховочный подшипник 9.
Магнитный подшипник работает следующим образом.
Магнитный подшипник должен постоянно поддерживать ротор в рабочем положении.
Смещение ротора 7 магнитного подшипника может происходить под действием нагрузки на вал 8, по горизонтали - вправо или влево и по вертикали - вверх или вниз.
При изменении положения ротора 7 датчик положения ротора 4 передает сигнал отклонения ротора на систему управления (на рисунке не показана).
При смещении ротора магнитного подшипника относительно рабочего положения по горизонтали вправо увеличивается сигнал управления (от системы управления) на электромагниты 2, одновременно уменьшается сигнал на электромагниты 3. В результате увеличивается магнитное поле образованное электромагнитами 2 и сила тяги, приложенная к ротору 7. Одновременно с этим, магнитное поле электромагнитов 3 уменьшается, и воздействие соответствующей силы тяги на ротор 7 также уменьшается. Ротор 7 под действием этих сил возвращается в рабочее положение.
При смещении ротора магнитного подшипника влево относительно рабочего положения увеличивается сигнал управления на электромагниты 3, одновременно уменьшается сигнал на электромагниты 2. В результате увеличивается магнитное поле образованное электромагнитами 3 и уменьшается магнитное поле электромагнитов 2. Аналогично изменяются силы тяги, которые формируются соответствующими магнитными полями. В результате воздействия этих сил тяги ротор 7 под действием этой силы возвращается в рабочее положение.
При смещении ротора магнитного подшипника относительно рабочего положения по вертикали вниз, увеличиваются сигналы управления на электромагниты 2 и 3. При этом, увеличиваются магнитные поля и силы тяги, действующие на ротор и подтягивающие его вверх. В результате чего ротор 7 возвращается в рабочее положение.
При смещении ротора 7 вверх относительно рабочего положения, сигналы управления на электромагниты 2 и 3 уменьшаются, магнитные поля и соответствующие им силы тяги также уменьшаются и ротор под действием собственной силы тяжести возвращается в рабочее положение.
При нерабочем или аварийном состоянии машины, отсутствии сигналов управления ротор опирается на страховочный подшипник.
Конструктивная особенность предложенного к патентованию магнитного подшипника заключается в отсутствии нижних электромагнитов в нижней части статора.
Так как возникающие в процессе эксплуатации ротора динамические усилия, действующие на ротор малы по сравнению с весом ротора (до 20%), и основной нагрузкой является сила тяжести ротора то целесообразно применить только верхние электромагниты и не использовать электромагниты в нижней части статора.