Радиальная электромагнитная опора активного магнитного подшипника
RADIAL ELECTROMAGNETIC SUPPORT OF ACTIVE MAGNETIC BEARING

Изобретение относится к подшипниковым устройствам роторных машин и может использоваться в составе различных установок с быстровращающимся ротором, таких как турбоагрегаты, центробежные компрессоры и турбодетандеры, электродвигатели и электрогенераторы.
Активные магнитные подшипники (АМП) в настоящее время получили широкое применение в современных нагнетателях газоперекачивающих агрегатов.
Известна магнитная опора компрессора, содержащая разъемный корпус с установленными в нем радиальным и осевыми электромагнитами и двумя радиальными и радиально-осевыми датчиками перемещений и ротор радиально-осевых датчиков перемещений, размещенных на валу в осевом направлении. Радиально-осевые датчики перемещений и осевые электромагниты установлены со стороны конца вала, а два радиальных датчика перемещений установлены по обе стороны радиального электромагнита, расположенного в части корпуса со стороны компрессора, роторы радиальных датчиков перемещений установлены на первой втулке, общей для этих роторов и ротора радиального электромагнита, ротор осевых электромагнитов установлен на второй втулке, причем внутренние поверхности обоих втулок и наружные поверхности участков вала, на которых они установлены, выполнены коническими. (Патент РФ №2251033, публ. 2005).
Недостатком известной магнитной опоры является то, что в ней конструкция радиальных опор предопределяет несовпадение в осевом направлении сечений, в которых действуют удерживающие силы, и сечений, по которым формируется сигнал отклонения ротора радиальными датчиками перемещений АМП (датчики зазора между статором и ротором). Данное несовпадение приводит к существенному ужесточению требований к точности изготовления и взаимной компоновки элементов конструкции ротора и статора радиальной опоры, усложнению алгоритмов отладки контуров стабилизации АМП, снижению точности стабилизации ротора в сечениях датчиков АМП, а также к увеличению динамических прогибов оси ротора в диапазоне рабочих частот вращения и увеличению динамических нагрузок на опоры в диапазоне рабочих частот вращения, что приводит к требованию применения электромагнитов с большей несущей способностью.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание простой компактной конструкции радиальной опоры АМП с уменьшенными требованиями к точности изготовления ее элементов и их взаимного расположения, а также уменьшения действия динамических нагрузок в диапазоне рабочих частот вращения, за счет совмещения конструкций электромагнитов и датчиков положения ротора с конструкцией радиального электромагнита.
Технический результат достигается тем, что в радиальной электромагнитной опоре активного магнитного подшипника, содержащей корпус с установленными в нем ротором и статором электромагнита, статор электромагнита выполнен трехслойным в осевом направлении и содержит две секции магнитопровода, выполненные в виде пакетов из электротехнической стали с внутренними зубцами, разделенные прослойкой из неферромагнитного материала с идентичным профилем внутренних зубцов, причем на трехслойных внутренних зубцах статора выполнена обмотка, при этом ротор электромагнита также выполнен трехслойным и содержит две секции магнитопровода в виде кольцевых пакетов из электротехнической стали, разделенные кольцевой прослойкой из неферромагнитного материала, являющейся ротором датчиков зазора между статором и ротором электромагнита, причем статоры датчиков зазора установлены в корпусе опоры в сечении прослойки неферромагнитного материала статора электромагнита с возможностью осуществления контроля зазоров по осям стабилизации опоры активного магнитного подшипника.
Встраивание датчиков АМП в средний неферромагнитный слой статора, обеспечивает совпадение сечений, в которых действуют удерживающие силы, и сечений, по которым формируется сигнал отклонения ротора, что способствует уменьшению динамических прогибов оси ротора в диапазоне рабочих частот вращения.
Совмещение электромагнитов и датчиков положения ротора обеспечивают компактность конструкции радиальных электромагнитных опор АМП и снижают требования к точности изготовления элементов опоры и их взаимного расположения, а также увеличивает точность стабилизации ротора в сечениях датчиков АМП.
Совмещение в конструкции сечений электромагнита и датчиков зазора дополнительно упрощает алгоритмы отладки контуров стабилизации АМП.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображен эскиз конструкции радиальной электромагнитной опоры АМП;
- на фиг. 2 изображен эскиз фрагмента сечения в центральной части конструкции радиальной электромагнитной опоры АМП с восьмиполюсным электромагнитом и четырьмя обмотками, четырьмя датчиками АМП (на фиг. 2 показаны два датчика), измеряющими положение ротора относительно двух перпендикулярных осей стабилизации;
- на фиг. 3 изображен эскиз фрагмента сечения в центральной части конструкции радиальной электромагнитной опоры АМП с восьмиполюсным электромагнитом и восемью обмотками, восемью датчиками АМП (на фиг. 2 показаны два датчика), измеряющими положение ротора относительно двух осей стабилизации.
Радиальная электромагнитная опора активного магнитного подшипника содержит статор и ротор опоры. В корпусе 1 статора опоры, установлен статор электромагнита, выполненный трехслойным в осевом направлении. Статор электромагнита содержит две секции магнитопровода, выполненные в виде пакетов 2 из электротехнической стали с внутренними зубцами, разделенные прослойкой 3 неферромагнитного материала с идентичным профилем внутренних зубцов. Обмотки электромагнита 4 охватывают зубцы трехслойного статора. Ротор электромагнита, установленный на валу 5, выполнен также трехслойным и содержит две секции магнитопровода, выполненные в виде кольцевых пакетов 6 электротехнической стали, разделенных кольцевой прослойкой 7 из неферромагнитного материала. Прослойка 7 из неферромагнитного материала является ротором датчиков зазора между статором и ротором электромагнита. Статоры 8 датчиков зазора установлены в корпусе опоры в сечении прослойки 3 из неферромагнитного материала статора электромагнита таким образом, чтобы осуществлять контроль зазоров по осям 9 стабилизации опоры активного магнитного подшипника.
В зависимости от исполнения зубцовых зон электромагнитов возможны варианты установки статоров 8 датчиков зазора, как по их расположению, так и по их количеству. На фиг. 2 показан вариант установки датчиков зазора для восьмиполюсного электромагнита с четырьмя обмотками 4 и двумя осями стабилизации 9. Аналогичный вариант установки датчиков зазора подходит для многополюсных электромагнитов, в которых ось стабилизации совпадает центральным зубцом зоны формирования удерживающих сил. В случаях, когда ось стабилизации не совпадает с осью зубцов зоны создания удерживающих сил, необходимы четыре датчика зазора для формирования дифференциального сигнала отклонения на одну ось стабилизации, как это показано на фиг. 3, или специальные преобразователи координат в устройствах формирования сигналов отклонения.
Радиальная электромагнитная опора активного магнитного подшипника содержит два канала управления по каждой из осей стабилизации. Обычно каналы управления выполняются независимыми. Каждый канал управления АМП работает следующим образом.
При отклонении ротора по любой из радиальных осей, например, по вертикальной оси на фиг. 1, датчики зазора, включенные по дифференциальной схеме, формируют сигнал отклонения ротора от центрального положения. Далее сигнал отклонения поступает в электронный блок управления, в котором формируются токи обмоток электромагнита 4 по данной радиальной оси таким образом, чтобы результирующая сила электромагнита действовала в направлении противоположном отклонению.