УСТРОЙСТВО УВЕЛИЧЕНИЯ ДОПУСТИМОЙ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ В ПОДШИПНИКОВОЙ СИСТЕМЕ РОТОРА
DEVICE OF INCREASING OF THRUST CAPACITY IN BEARING SYSTEM OF ROTOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к подшипниковым системам ротора. В частности, изобретение относится к устройству и способу увеличения допустимой осевой нагрузки в подшипниковой системе ротора.
Предшествующий уровень техники
В работающих на высокой скорости подшипниковых системах ротора, испытывающих значительные осевые нагрузки, т.е. когда действует значительная нагрузка, параллельная оси вращения, и толкает вал в осевом направлении, создание упорных подшипников, воспринимающих осевое усилие или давление вала, особенно в подшипниковых системах без смазки, является трудной задачей.
Для таких высокоскоростных систем, не имеющих смазки, используются магнитные подшипники, размер которых можно подобрать с учетом наихудших возможных рабочих условий, а также газодинамические подшипники.
Для обеспечения высокой допустимой нагрузки на упорный подшипник в магнитных подшипниковых системах необходимо решить следующие конструкторские задачи:
- высокая допустимая нагрузка означает большую площадь действия усилия в валу, но площадь действия усилия ограничена максимальным наружным диаметром в связи с пределом прочности материала ротора;
- для высокой допустимой нагрузки требуются катушки большого размера и путь магнитного потока в статоре, что обусловливает большие осевые габариты статора, и, в свою очередь, требуется более длинный ротор, но длина ротора ограничена частотой колебаний вала;
- для катушек обычно требуется сильный ток, но однополюсный наконечник не позволяет повысить температуру в обмотке. Кроме того, наличие сильного тока предполагает использование дорогостоящей силовой электроники.
В газодинамических подшипниковых системах, таких как гидростатические или гидродинамические системы, для работающего под высокой осевой нагрузкой подшипника требуется очень большая площадь усилия, которую подчас невозможно обеспечить. В этих системах главная трудность вызвана низкой вязкостью газа, низкой относительной скоростью между ротором и подшипниками вблизи центра вращения и ограниченным обеспечиваемым давлением.
В системах упорных подшипников с элементом качения и в системах гидростатических подшипников сильная нагрузка обусловливает рост потерь в системе, что приводит к низкому кпд и даже к перегреву системы.
Из вышеизложенного очевидно следует необходимость обеспечения компактного, с высоким кпд устройства и способа, обеспечивающих повышение допустимой осевой нагрузки в подшипниковой системе ротора.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного устройства и способа для повышения допустимой осевой нагрузки в подшипниковой системе ротора.
Поставленная задача согласно настоящему изобретению решена путем создания устройства для увеличения допустимой осевой нагрузки в подшипниковой системе ротора, которое содержит:
статор, установленный на оси вращения подшипниковой системы ротора;
ротор, отделенный от статора первым воздушным зазором на оси вращения;
по меньшей мере один постоянный магнит, отделенный от ротора вторым воздушным зазором.
ext
Устройство характеризуется тем, что по меньшей мере один постоянный магнит, статор и ротор образуют магнитную цепь, обеспечивающую путь магнитного потока, причем поток в первом и втором воздушных зазорах обеспечивает формирование компенсирующего усилия между ротором и статором, которое противодействует внешнему усилию F.
Поставленная задача решена также путем создания способа увеличения допустимой осевой нагрузки в подшипниковой системе ротора, согласно которому:
используют статор, установленный на оси вращения подшипниковой системы ротора;
используют ротор, отделенный от статора первым воздушным зазором на оси вращения;
используют по меньшей мере один постоянный магнит, отделенный от ротора вторым воздушным зазором.
ext
Способ характеризуется тем, что по меньшей мере один постоянный магнит, статор и ротор образуют магнитную цепь, обеспечивающую путь магнитного потока, при этом поток в первом и втором воздушных зазорах обеспечивает формирование компенсирующего усилия между ротором и статором, которое противодействует внешнему усилию F.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему устройства для повышения допустимой нагрузки согласно первому варианту осуществления изобретения;
Фиг.2 - схему устройства для повышения допустимой нагрузки согласно второму варианту осуществления изобретения;
Фиг.3 - схему устройства для повышения допустимой нагрузки согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 - схему устройства повышения допустимой нагрузки согласно четвертому варианту осуществления изобретения;
Фиг.5 - схему устройства повышения допустимой нагрузки согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения
Согласно изобретению предложены устройство и способ для увеличения допустимой осевой нагрузки в подшипниковой системе ротора.
ext
ext
Устройство увеличения допустимой нагрузки в подшипниковой системе ротора согласно первому аспекту настоящего изобретения содержит статор и ротор, выполненные с обеспечением увеличения допустимой магнитной осевой нагрузки за счет применения нескольких постоянных магнитов, создающих силу притяжения между ротором и статором, которая противодействует усилию F, прилагаемому извне. Внешнее усилие F может быть вызвано давлением или силой тяжести при вертикальной конфигурации вала, когда центр тяжести в этой конфигурации расположен низко.
Устройство увеличения допустимой нагрузки содержит статор 14 (фиг.1, 2, 3) и ротор 12, выполненные с возможностью обеспечения компенсирующих усилий между статором 14 и ротором 12.
На Фиг.1 представлен первый вариант осуществления устройства увеличения допустимой нагрузки, которое содержит ротор 12, однополюсный наконечник 14 статора, постоянный магнит 16 и прокладку 18.
Постоянный магнит 16 прикреплен к однополюсному наконечнику 14 статора таким образом, что постоянный магнит 16, однополюсный наконечник 14 и ротор 12 образуют магнитную цепь, причем однополюсный наконечник 14 статора и ротор 12 отделены друг от друга зазором, и также отделены друг от друга зазором ротор 12 и постоянный магнит 16.
ext
Сформированная таким образом магнитная цепь обеспечивает путь магнитного потока, показанного пунктирной линией. Магнитный поток в воздушных зазорах между однополюсным наконечником 14 статора и ротором 12, и ротором 12 и постоянным магнитом 16, соответственно, генерирует силу притяжения, которая в состоянии компенсировать внешнее усилие F.
За счет оптимизации конструктивных параметров различных выполненных из мягкого магнитного материала поверхностей полюса, магнита и воздушных зазоров можно использовать минимальный объем магнита с соблюдением ограничений по размерам и воздушным зазорам. После того как определено расположение постоянного магнита 16 по отношению к выполненным из мягкого магнитного материала полюсам, посредством прокладки 18 обеспечивается регулировка воздушных зазоров для изменения величины компенсации, поскольку известное физическое правило заключается в том, что сила действия магнитного поля возрастает с уменьшением воздушного зазора. Эта регулировка обеспечивает гибкость при использовании указанной конструкции, при изготовлении и подборе материалов, и гибкость при изменениях в технологическом процессе.
Во втором варианте осуществления (Фиг.2) устройство увеличения допустимой нагрузки в подшипниковой системе ротора в основном аналогично устройству на Фиг.1. Единственное отличие заключается в том, что магнит 16 установлен в роторе 12 и сила притяжения между ротором 12 и статором 14 создается этим магнитом 16.
Ротор 12 выполнен из мягкого магнитного материала, такого как углеродистая сталь. Однополюсный наконечник 14 статора также выполнен из мягкого магнитного материала, такого как мягкая сталь.
Согласно третьему варианту осуществления (Фиг.3) сила притяжения между ротором 12 и статором 14 создается первым магнитом 16а, установленным в роторе 12, и вторым магнитом 16b, установленным в статоре 14. Каждый магнит 16а, 16b имеет полюсы разной полярности, обращенные друг к другу. Альтернативно, когда ротор 12 и статор 14 выполнены из мягких магнитных материалов, то силу притяжения между ротором 12 и статором 14 можно создать за счет расположения поверхностей полюса между ротором 12 и статором 14.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения устройство увеличения допустимой нагрузки в подшипниковой системе ротора содержит статор и ротор, выполненные с обеспечением увеличения допустимой магнитной осевой нагрузки за счет использования нескольких постоянных магнитов, создающих силу отталкивания между ротором и статором.
Силу отталкивания можно сформировать первым магнитом 16а (фиг.4), установленным в роторе 12, и вторым магнитом 16b, установленным в статоре 14. При этом в магнитах 16а и 16b полюсы одинаковой полярности обращены друг к другу, например полюс N магнита 16а обращен к полюсу N магнита 16b.
Из вышеизложенного следует, что либо силу притяжения, либо силу отталкивания можно создать с помощью двух магнитов, за счет изменения расположения полярностей разных магнитов, в зависимости от направления действующих внешних сил.
В обоих случаях, если устройство увеличения допустимой нагрузки в подшипниковой системе ротора, согласно настоящему изобретению, содержит магнит, установленный в роторе, и магнит, установленный в статоре (Фиг.3 и Фиг.4), то ротор 12 и статор 14 могут быть выполнены из немагнитных материалов. Если в роторе 12 и статоре 14 используются мягкие магнитные материалы, то геометрию магнитов и расположение поверхностей полюса и воздушных зазоров можно оптимизировать для использования минимального объема магнитов, что обеспечивает компактность и экономию затрат. Если для статора 14 и ротора 12 используются мягкие магнитные материалы, то усилие, создаваемое в воздушном зазоре между ними, также способствует созданию компенсирующего усилия. Поэтому для магнита требуется меньшее количество материала. Но этот вариант может оказаться очень дорогостоящим, поскольку мягкие магнитные материалы могут быть довольно дорогими.
Прокладка 18 позволяет изменять воздушные зазоры и, таким образом, регулировать компенсирующее усилие.
Если требуется автоматическая регулировка или регулировка на месте компенсирующего усилия, то можно использовать пьезоэлектрический исполнительный механизм 20 (фиг.5) (вместо прокладки) для регулировки воздушных зазоров, которая, в свою очередь, будет изменять компенсирующее усилие.
Специалистам в данной области техники ясно, что конфигурацию, представленную на Фиг.5, можно использовать для компенсирования внешнего динамического усилия, если сигнал динамической компенсации подается на пьезоэлектрический исполнительный механизм 20.
Для измерения компенсирующего усилия устройство увеличения допустимой нагрузки в подшипниковой системе ротора можно обеспечить устройствами 22 (фиг.5) измерения усилия, такими как тензометры или пьезоэлектрические элементы. Это целесообразно для осуществления непрерывного контроля. В активных магнитных подшипниковых системах целесообразно использовать усилие (динамическое или статическое), обеспечиваемое активным подшипником. Поэтому с помощью представленного на Фиг.5 устройства измерения усилия можно измерять усилие, компенсируемое устройством увеличения допустимой нагрузки в подшипниковой системе ротора. Таким образом, можно определить общее внешнее усилие, прилагаемое на вал.
ext
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ достижения увеличения допустимой нагрузки другого уровня за счет регулирования магнитного воздушного зазора между статором и ротором. Раскрытое выше устройство увеличения допустимой нагрузки в подшипниковой системе ротора позволяет создавать усилие между статором и ротором, компенсирующее внешнее усилие F.
Регулирование можно обеспечить посредством прокладки (Фиг.1) или автоматически посредством исполнительного механизма, например пьезоэлектрическим элементом, установленным в статоре (Фиг.5).
Усилие, обеспечиваемое устройством увеличения допустимой нагрузки в подшипниковой системе ротора, можно измерять либо тензометром, либо пьезоэлектрическим элементом (Фиг.5).
Способ согласно третьему аспекту настоящего изобретения предусматривает использование мягких магнитных материалов для выполнения статора и ротора, что позволяет оптимизировать применение создающих компенсирующее усилие магнитов (Фиг.1-4), или использование прокладки для регулирования компенсирующего усилия, или использование пьезоэлектрического исполнительного механизма для автоматической регулировки компенсирующего усилия (как статического, так и/или динамического), или использование тензометра или пьезоэлектрического элемента для измерения компенсирующего усилия, или установку устройства увеличения допустимой нагрузки в конце вала, в результате чего исключается необходимость модифицирования длины вала.
Из вышеизложенного ясно, что в конструкцию можно вносить изменения согласно конкретным вариантам применения. Например, если важно свести к минимуму длину вала, то целесообразной может стать конфигурация, представленная на Фиг.1.
Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность увеличения допустимой магнитной осевой нагрузки и при этом исключает необходимость применения твердых или жидких контактов, т.е. с помощью бесконтактных средств.
Применение настоящего изобретения может быть целесообразным в системах, в которых осевое усилие является однонаправленным либо со стороны внешней рабочей нагрузки, либо со стороны веса ротора в вертикальной конфигурации.
Предложенное устройство и способ увеличения допустимой нагрузки в подшипниковой системе ротора согласно настоящему изобретению можно использовать в магнитной подшипниковой системе, гидростатической подшипниковой системе, гидродинамической подшипниковой системе или подшипниковой системе с элементом качения. Например, настоящее изобретение можно использовать для компенсации однонаправленной внешней статической нагрузки, такой как рабочая нагрузка, например статическое давление, или вес вала в вертикальной конфигурации.
В соответствии с настоящим изобретением можно обеспечить компактное и недорогостоящее средство для компенсации осевой нагрузки - упорный подшипник и устройство увеличения допустимой осевой нагрузки.
Можно также компенсировать динамическую нагрузку, если она измеряется и исполнительный механизм выполнен согласно Фиг.5.
Поскольку устройство увеличения допустимой нагрузки согласно настоящему изобретению можно установить на одном конце вала (Фиг.1-5), длину вала не нужно модифицировать.
Из вышеизложенного ясно, что изобретение позволяет исключить потери на трение при непосредственном контакте, например, упорных подшипников с элементом качения или гидростатических упорных подшипников. Поскольку по сравнению с системами упорных подшипников можно использовать значительно большие зазоры между ротором и статором, настоящее изобретение обеспечивает возможность минимальных потерь на обмотку.