Система на магнитных подшипниках
SYSTEM BASED ON MAGNETIC BEARINGS

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в качестве подвеса ротора электрических машин.
Известен вертикальный электродвигатель с газодинамической левитацией ротора [патент РФ №14703, Н02K 29/00, опубл. 10.08.2000], содержащий цилиндрический ротор, насаженный на вал, верхняя и нижняя цапфы которого установлены в радиальных подшипниках, жестко закрепленных в торцевых фланцах внешнего статора, на внутренней поверхности которого уложена трехфазная электрическая обмотка, а нижняя цапфа которого опирается на упорный механический подшипник, имеет воздушный винт, насаженный на верхнюю цапфу вала ротора.
Недостаток такой конструкции состоит в том, что левитационная способность газового подшипника в связи с малой вязкостью газов с увеличением зазора резко уменьшается, а также ограничены функциональные возможности управления, обусловленные сложностью демпфирования колебаний ротора в радиальном направлении.
Известна также синхронная электрическая машина с магнитным подвесом ротора [патент РФ №44773, F16C 39/06, опубл. 27.03.2005], содержащая статор и ротор, выполненный из немагнитного материала, с обмоткой возбуждения из сверхпроводящего материала, магнитные подшипники установлены на торцах статора.
Недостатком такого двигателя является сложность его конструкции и значительная нагрузка на радиальный подшипник.
Известна конструкция осевого гибридного магнитного подшипника ротора [патент CN №102900761 А, F16C 32/04, опубл. 30.01.2013], содержащая кольцевой Ш-образный электромагнит, в среднем полюсе которого имеется вставка из постоянного магнита с осевой намагниченностью.
Недостатками данной конструкции являются невысокая энергоэффективность, обусловленная энергопотреблением радиальных магнитных подшипников, технологическая сложность сборки.
Известна конструкция аппарата на магнитных подшипниках [патент US №5739609 А, Н02K 7/09, опубл. 14.04.1998], содержащая ротор, находящийся в двух радиальных и одном осевом электромагнитном подшипнике, а также кольцевые подшипники скольжения, выступающие в качестве страховочных подшипников.
Недостатками данной конструкции являются высокие массогабаритные показатели электромагнитных подшипников, а также невысокая энергоэффективность, обусловленная энергопотреблением радиальных магнитных подшипников, технологическая сложность сборки.
Известно устройство магнитной левитации и контроля гибридного магнитного подшипника [заявка на патент US №2012139375 А1, Н02K 7/09, опубл. 07.06.2012], содержащее ротор, датчики положения ротора, П-образный кольцевой электромагнит, в полюсах которого имеются вставки из двух радиально намагниченных постоянных магнитов прямоугольной формы и одного аксиально намагниченного постоянного магнита прямоугольной формы.
Недостатками данной конструкции являются высокие массогабаритные показатели гибридных магнитных подшипников, а также значительная нагрузка на гибридный магнитный подшипник и технологическая сложность сборки.
Известна конструкция гибридного магнитного подвеса ротора детандер-компрессора [Ульянов Ю.М., Мартиненко Г.Ю., Смирнов М.М. Система управлiння осьовим рухом ротора на комбiнованому магнiтному niдвici з пасивними радiальними i активним осьовим пiдшипниками // Зб., наук. пр. - X.: УкрДАЗТ, 2008. - Вип. 97. - С. 107-118.], содержащая один осевой электромагнитный подшипник и два радиальных магнитных подшипника на постоянных магнитах.
Недостатками указанной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствие демпфирования колебаний ротора в радиальном направлении, значительные массогабаритные показатели осевого электромагнитного подшипника и значительные нагрузки на него.
Наиболее близкой к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является конструкция системы на магнитных подшипниках [патент РФ №2547450, Н02K 7/09, опубл. 29.04.2014], содержащая вал, ротор, статор, корпус, левый подшипниковый щит, правый подшипниковой щит, левый пассивный магнитный подшипник, правый пассивный магнитный подшипник, пассивный демпфер, состоящий из медного кольца и постоянного магнита.
Недостатками указанной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные необходимостью наличия системы управления, датчиков положения ротора и электромагнитных подшипников, а также значительные массогабаритные показатели, невысокая надежность, наличие дестабилизирующих ротор сил и невысокая несущая способность пассивного радиального подшипника.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей благодаря синтезу радиального и осевого магнитных подшипников и обеспечение осевого упора посредством механического подшипника с малым коэффициентом трения.
Техническим результатом является повышение надежности, энергоэффективности системы на магнитных подшипников, снижение дестабилизирующих ротор магнитных сил и повышение несущей способности пассивного подшипника.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в системе на магнитных подшипниках, содержащей вал, ротор, статор, корпус, левый подшипниковый щит, правый подшипниковой щит, левый пассивный магнитный подшипник, правый пассивный магнитный подшипник, пассивный демпфер, состоящий из медного кольца и постоянных магнитов, согласно изобретению, левый пассивный магнитный подшипник выполнен в виде комбинированного радиально-аксиального магнитного подшипника, состоящего из первого левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, первого левого радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, второго левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N - и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, первого левого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, второго левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, при этом второй левый внутренний аксиально намагниченный постоянный магнит - направление намагниченности S-N - является одновременно подвижной частью левого аксиального магнитного подшипника, неподвижная часть левого аксиального магнитного подшипника выполнена в виде магнитного кольца с аксиальным направлением намагниченности S-N с внешним диаметром, равным внешнему диаметру левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, установленного в левом медном экране, который закреплен в корпусе, причем неподвижная часть выполнена с воздушным зазором относительно вала, кроме того, для левого осевого упора системы в левом подшипниковом щите установлен механический подшипник с малым коэффициентом трения, правый пассивный магнитный подшипник выполнен в виде комбинированного радиально-аксиального магнитного подшипника, состоящего из первого правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, первого правого радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, второго правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S - и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, первого правого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, второго правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, при этом второй правый внутренний аксиально намагниченный постоянный магнит - направление намагниченности N-S - является одновременно подвижной частью правого аксиального магнитного подшипника, а неподвижная часть правого аксиального магнитного подшипника выполнена в виде магнитного кольца с аксиальным направлением намагниченности N-S с внешним диаметром, равным внешнему диаметру правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, установленного в правом медном экране, который закреплен в корпусе, причем неподвижная часть выполнена с воздушным зазором относительно вала, кроме того, для обеспечения правого осевого упора системы в правом подшипниковом щите установлен механический подшипник с малым коэффициентом трения. Функцию пассивного демпфера выполняют левый медный экран и правый медный экран.
Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез системы на магнитных подшипниках.
Предложенное устройство содержит (чертеж) вал 1 с ротором 2, расположенным в расточке статора 3, запрессованного в корпус 4, а также левый подшипниковый щит 5, правый подшипниковой щит 6, левый пассивный магнитный подшипник 7, состоящий из первого левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита 8 - направление намагниченности N-S, первого левого радиально намагниченного постоянного магнита 9 - направление намагниченности S-N, второго левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита 10 - направление намагниченности S-N - и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита 11 - направление намагниченности N-S, первого левого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита 12 - направление намагниченности S-N, второго левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита 13 - направление намагниченности S-N, параллельно которому установлен закрепленный в корпусе 4 левый медный экран 14, в котором расположено магнитное кольцо с аксиальным направлением намагниченности S-N 15 и упорное кольцо 16. Кроме того, в левом подшипниковом щите 5 установлен левый механический подшипник с малым коэффициентом трения 17. Также устройство содержит правый пассивный магнитный подшипник 18, состоящий из первого правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита 22 - направление намагниченности S-N, первого правого радиально намагниченного постоянного магнита 23 - направление намагниченности S-N, второго правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита 24 - направление намагниченности N-S и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита 19 - направление намагниченности S-N, первого правого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита 20 - направление намагниченности N-S, второго правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита 21 - направление намагниченности N-S, параллельно которому установлен закрепленный в корпусе 4 правый медный экран 25, в котором расположено магнитное кольцо с аксиальным направлением намагниченности N-S 26 и упорное кольцо 27. Кроме того, в правом подшипниковом щите 6 установлен правый механический подшипник с малым коэффициентом трения 28.
Устройство работает следующим образом. Бесконтактное вращение вала 1 с ротором 2 обеспечивается левым пассивным магнитным подшипником 7 и правым пассивным магнитным подшипником 18. При этом направление намагниченности колец этих подшипников позволяет сформировать в них магнитную сборку Халбаха, усиливая тем самым магнитные силы в воздушном зазоре левого пассивного магнитного подшипника 7 и правого пассивного магнитного подшипника 18, что обеспечивает устойчивый радиальный подвес вала 1 с ротором 2. Для обеспечения аксиального устойчивого подвеса вала 1 с ротором 2 используются левый механический подшипник с малым коэффициентом трения 17 и правый механический подшипник с малым коэффициентом трения 28. Для снижения нагрузки на левый и правый механические подшипники с малым коэффициентом трения (17 и 28) используется магнитное кольцо с аксиальным направлением намагниченности S-N 15, которое притягивается ко второму левому внутреннему аксиально намагниченному постоянному магниту 13 - направление намагниченности S-N - и магнитное кольцо с аксиальным направлением намагниченности N-S 26, которое притягивается ко второму правому внутреннему аксиально намагниченному постоянному магниту 21 - направление намагниченности N-S. За счет этого достигается значительное снижение массогабаритных показателей всей системы, так как пассивные подшипники получаются радиально-аксиальными. При этом магнитный поток магнитного кольца с аксиальным направлением намагниченности S-N 15 замыкается через левый медный экран 14 и второй левый внутренний аксиально намагниченный постоянный магнит 13 - направление намагниченности S-N, таким образом, левый медный экран 14 выполняет роль вихретокового пассивного демпфера, гасящего колебания и вибрации системы на магнитных подшипниках. Аналогичную функцию выполняет правый медный экран 25. При этом для снижения дестабилизирующих усилий системы на магнитном подвесе магнитное кольцо с аксиальным направлением намагниченности S-N 15, которое притягивается ко второму левому внутреннему аксиально намагниченному постоянному магниту 13 - направление намагниченности S-N - выполнено с внешним диаметром, равным внешнему диаметру второго левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита 13 - направление намагниченности S-N. Аналогичное решение имеет место и с правой стороны подшипника.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности, благодаря синтезу радиального и осевого магнитных подшипников и обеспечению осевого упора посредством механического подшипника с малым коэффициентом трения.
В результате повышается надежность, энергоэффективность системы на магнитных подшипниках, снижаются дестабилизирующие ротор магнитные силы и повышается несущая способность пассивного подшипника.