МАГНИТНАЯ ПОДВЕСКА МАХОВИКА

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в качестве опор быстровращающихся маховиков инерционных накопителей энергии.
Уровень техники
Известны конструкции магнитных подвесок маховика, включающих как постоянные магниты или магнитные системы в виде магнитов, снабженных арматурой, так и электромагниты (см. Джента Дж., Накопление кинетической энергии, Москва, Мир, 1998, с.206-210, рис.4.7, 4.9). Данная конструкция принята за аналог. Недостатками аналога являются сложность и затраты электроэнергии для питания электромагнита.
Известна конструкция магнитной подвески маховика, содержащая только постоянные магниты, включающие подвижные, связанные с осью маховика, и неподвижные, связанные с корпусом, и чередующиеся друг с другом с зазором, причем магниты выполнены кольцеобразными с аксиальной намагниченностью, подвижные магниты выполнены с нижними торцами одноименной полярности, а с верхними - разноименной полярности с прилегающими торцами неподвижных магнитов, а ось маховика закреплена в фиксирующих опорах (см. Гулиа Н.В., «Маховичные двигатели», М., Машиностроение, 1976, стр.57, рис.38). Данная конструкция также принята за аналог. Как в первом аналоге, так и во втором постоянные магниты могут быть выполнены с арматурой, например ярмом (обоймой) и полюсным наконечником, что упрощает устройство и делает их более технологичными. Этот прием используется в подавляющем большинстве устройств с магнитами и является общеизвестным (см. справочник «Постоянные магниты» под ред. Ю.М. Пятина, изд. Энергия, М., 1980, с.127).
Недостатком второго аналога является то, что магнитные силовые линии крайних верхнего и нижнего подвижных (вращающихся) магнитов незамкнуты через магнитовод и могут оказать вредное влияние, а также вызвать потери мощности при взаимодействии с окружающими электропроводящими, а тем более ферромагнитными телами, в первую очередь подшипниками фиксирующих опор.
За прототип выбрано устройство, где крайние верхний и нижний рабочие полюса магнитов выполнены неподвижными, а между ними находятся, как минимум, два подвижных магнита, между которыми помещен один неподвижный; при этом число подвижных магнитов в общем случае четное, а число неподвижных магнитов с полюсами, обращенными в противоположные стороны, нечетное, а, как минимум, один неподвижный магнит подвески снабжен обоймой из магнитопроводящего материала и образует крайние верхний и нижний полюса, обращенные друг к другу, при этом неподвижные магниты с полюсами, обращенными в противоположные стороны, снабжены втулками из немагнитного материала на внешних целиндрических поверхностях, а подвижные магниты - на внутренних цилиндрических поверхностях, причем втулки скреплены с магнитами любым известным способом, причем сами магниты или эти втулки, как и сопрягаемые с ними участки оси маховика и обоймы подвески, снабжены резьбой, и зазоры между взаимодействующими полюсами магнитов выполнены регулируемыми (см. патент РФ №2,253,051 С2, F16C 32/04, 05.01.2001 г., автор - Н.В.Гулиа).
Недостатки прототипа:
1. Втулки, которыми снабжены магниты, выполнены из немагнитного, но электропроводящего материала, поэтому эти втулки не образуют с обоймой, куда они посажены, единого магнитопровода, что ослабляет силу взаимодействия магнитов. К тому же при вращении магнитов относительно втулок на неподвижных магнитах возникают токи Фуко. Они вызывают повышенные сопротивления вращению и нагрев втулок, что в вакууме, где обычно эксплуатируется магнитная подвеска, вредно из-за плохого теплоотвода. Это же относится и к взаимодействию одного из подвижных магнитов с магнитопроводом из мягкой стали своим торцом.
2. Кольцевые магниты закреплены на втулках без кинематической фиксации, например, на клею; однако такое закрепление ненадежно, особенно при нагреве и больших осевых силах.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание надежной магнитной подвески маховика, обладающей малыми сопротивлениями вращению.
Технический результат заключается в обеспечении надежности крепления магнитов ко втулкам при больших осевых силах, действующих на магниты, в устранении токов Фуко во втулках и повышенных сопротивлений вращению маховика, а также увеличении силы взаимодействия магнитов путем создания общего магнитопровода.
Для достижения технического результата магнитная подвеска маховика, включающая кольцевые магниты с аксиальной намагниченностью, связанные с осью маховика, а также магниты, связанные с обоймой и корпусом, чередующиеся друг с другом с зазорами, причем магниты выполнены с полюсами, обращенными в противоположные стороны, а связь магнитов с осью и обоймой осуществляется через втулки, характеризуется тем, что упомянутые втулки выполнены, как минимум, частично неэлектропроводящими, с опиранием посаженных друг в друга втулок и магнитов в осевом направлении посредством кольцевых торцевых участков на магнитах и втулках.
Следующим отличием предлагаемого устройства является то, что кольцевые торцевые опорные участки выполнены по периферии магнитов, связанных с обоймой, и по внутренней зоне отверстий магнитов, связанных с осью, и первые магниты выполнены с внешним диаметром и диаметром отверстий большими, чем вторые.
Еще одним отличием предлагаемого устройства является то, что втулки, через которые осуществляется механическая связь магнитов с осью и корпусом, выполнены с этой связью посредством резьбы.
Еще одним отличием предлагаемого устройства является то, что втулки, контактирующие с магнитами по их цилиндрическим поверхностям, выполнены из ферромагнитного материала.
Следующим отличием предлагаемого устройства является то, что торцы всех вращающихся магнитов выполнены магнитно взаимодействующими только с торцами магнитов невращающихся, без их взаимодействия с магнитомягкими электропроводящими торцевыми поверхностями.
Таким выполнением устройства достигается желаемый технический результат, приведенный выше.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема магнитной подвески маховика.
Так как устройство симметрично относительно оси, на чертежах представлена только половина устройства.
Осуществление полезной модели
Манитная подвеска маховика (маховик на чертежах не показан, но сила тяжести, действующая с его стороны на ось подвески, изображена стрелкой G) включает корпус 1 с крышкой 2, изготовленные из немагнитного материала (немагнитной стали, латуни, титана и пр.), в котором находится магнитопровод (например, из магнитной низкоуглеродистой стали), состоящий из обоймы 3 с крышкой 4, крепящейся, например, на резьбе в обойме 3 по цилиндрической поверхности их сопряжения. В обойме 3 магнитопровода на втулках 5 из ферромагнитного материала (например, низкоуглеродистой стали) посажены кольцевые постоянные магниты 6 с аксиальной намагниченностью (например, на основе материала «неодим-железо-бор»). Втулки 7 из немагнитного и неэлектропроводящего материала (например, прочных пластиков) фиксируют магниты 6 от их осевого смещения вниз под действием магнитных сил от магнитов 8, закрепленных на оси 9 из ферромагнитной стали на втулках 10 и 11, аналогичных по материалу и функциям, соответственно, втулкам 5 и 7. От радиальных смещений друг от друга магниты 6 и 8 предохраняют плотно посаженные на эти магниты втулки 5 и 10, в свою очередь посаженные соответственно в обойму 3 магнитопровода и на ось 9 на резьбе. Ось 9 зафиксирована от радиальных смещений в корпусе 1 с отцентрированной на нем крышкой 2 и плотно посаженной в корпусе 1 и обойме 3 магнитопровода центрирующими подшипниками 12 и 13, необходимыми в осевых магнитных подвесках (опорах) с постоянными магнитами (см. статью Н.В. Гулиа «Новая магнитная опора большой грузоподъемности», ж-л «Вестник машиностроения», №3, 2004 г., с.77-79). Для того, чтобы втулки 5, 7 и магниты 6, а также втулки 10, 11 и магниты 8 могли опираться своими торцами друг на друга, магниты 6 и магниты 8 выполнены с разными диаметрами - внешним и отверстия, причем у магнитов 6 оба эти диаметра больше, чем у магнитов 8. Ось 9 с закрепленными на ней втулками 10, 11 и магнитами 8, зафиксирована относительно корпуса 1 с крышкой 2 и, находящимися внутри последних, магнитопровода со втулками 5, 7 и магнитами 6 с возможностью небольшого осевого люфта в тех пределах, когда сила взаимодействия магнитов 6 и магнитов 8 примерно постоянна - для опытного образца подвески это примерно 0,4 мм, что вполне достаточно и для тепловой компенсации и для компенсации погрешностей изготовления в осевом направлении (см. статью Н.В. Гулиа «Новая магнитная опора большой грузоподъемности», ж-л «Вестник машиностроения», №3, 2004 г., с.77-79). Подшипник 12 зафиксирован на оси 9 жестко с помощью гайки 14, прижимающей подшипник 12 своим внутренним кольцом к крайней нижней втулке 11, а через нее и последующие втулки 10 и 11 - к внутреннему кольцу подшипника 13, зафиксированного на оси 9, например, с помощью гайки 15 с контргайкой 16 на резьбе, нарезанной на оси 9. Внешние кольца подшипников 12 и 13, выполнены, как это чаще всего и делается, на такой посадке, соответственно, в корпусе 1 и крышке 2, которая допускает осевое перемещение этих внешних колец, а вместе с ними и подшипников 12 и 13. Заметим здесь, что в случае применения радиальных шариковых однорядных подшипников 12 и 13 некоторое малое осевое перемещение внутреннего кольца относительно внешнего обеспечивается так называемой «осевой игрой» в таких подшипниках, что достаточно, например, для тепловой компенсации, которая при стальных корпусе 1 и оси 9 ничтожна. Боковые зазоры 17 между корпусом 1 и внешним кольцом подшипника 12 в сумме существенно превышают в величину люфта, и, таким образом подшипнику 12 ничего не мешает перемещаться в осевом направлении в пределах люфта. Фиксация же подшипника 13 в осевом направлении относительно корпуса 1 с крышкой 2 и крышкой 4 обоймы 3 магнитопровода осуществляется с помощью нескольких винтов 18 в крышке 2 и болтов 19, упругой прокладки 20 между корпусом 1 и крышкой 2, а также упругих шайб 21 под головкой болтов 19. Прокладка 20 и шайба 21 выполнены с повышенной осевой жесткостью, например, из жесткой резины первая и из полимерного материала вторая. Для ограничения хода вверх оси 9 предусмотрена гайка 22 с фиксатором 23 в крышке 2. Для регулировки (уменьшение) зазора 17 в корпусе предусмотрены винты 24, упирающиеся во внешние кольцо подшипника 12, а для фиксации положения подшипника 12 на оси 9 предусмотрена гайка 25, упирающаяся во внутреннее кольцо подшипника 12.
Подготовка устройства к работе (его сборка) и работа его заключаются в следующем. Сборка осуществляется в следующей последовательности. Первым сверху заводится в обойму 3 на резьбе самый нижний магнит 6 с втулкой 5. Крышки 2 и 4 при этом, разумеется, сняты. Затем на резьбе по оси 9 заводится самая нижняя втулка 11 до упора во внутреннее кольцо подшипника 12, выставленного винтами 24 и гайкой 14 на оси 9 в положение по осевым размером, обеспечивающим одинаковый зазор между магнитами 8 и магнитами 6, равным примерно половине величины люфта. Разумеется, при этом учитываются тщательно измеренные и откорректированные осевые размеры втулок 5, 7, 10 и 11 с учетом их предельных отклонений. Затем по резьбе на оси 9 заводится первый снизу магнит 8 на втулке 7. Для удобства завинчивания втулок в их верхних торцах выполнены захваты для ключа, например, отверстия 25. При этом приходится преодолевать высокие осевые нагрузки между магнитами 8 и 6. С помощью резьбы же эта операция вполне проста. Таким же образом вводятся все остальные магниты, а последний сверху после его ввинчивания в обойму 3 зажимается крышкой 4 на резьбе по обойме 3.
После этого можно устанавливать магнитную подвеску вертикально на неподвижном корпусе маховичного накопителя и крепить маховик на конце оси 9, или же на корпусе 1 при неподвижно зафиксированной оси 9. В этом случае магнитную подвеску следует перевернуть (на чертеже фиг.1 этот случай не показан).
При вращении маховика, а, стало быть, магнитов 8 или 6 относительно близкорасположенных от них втулок 7 или 11 не возникает токов Фуко (вихревых токов), так как втулки выполнены неэлектропроводящими. Кроме того, устранено взаимодействие магнита, вращающегося с небольшим зазором, с примыкающим к нему неподвижным торцом из магнитомягкого материала, или наоборот, что вызывает не только токи Фуко, но и потери на перемагничивание. В предлагаемом устройстве подвижные магниты взаимодействуют торцами только с торцами прилегающих неподвижных магнитов из магнитотвердого материала, что исключает потери на перемагничивание и сильно уменьшает потери на токи Фуко при увеличении подъемной силы магнитной подвески. Втулки 5 и 10, выполненные из ферромагнитных материалов, например, низкоуглеродистой стали, способствуют образованию эффективных магнитопроводов с обоймой 3 и осью 9, что повышает несущую способность магнитной подвески.