УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ РАЗГРУЗКИ РАДИАЛЬНЫХ ОПОР
DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC UNLOADING RADIAL BEARINGS

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам электромагнитной разгрузки радиальных опор и магнитного подвеса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту известным устройством является устройство электромагнитной разгрузки радиальных подшипников [Андрианов А.В., Афанасьев А.Ю., Гузельбаев Я.З. Устройство электромагнитной разгрузки радиальных подшипников, Патент РФ 2207455, МКИ 7 F16C 39/06, опубл. 27.06.2003], которое выбрано в качестве прототипа и содержит статор в виде магнитопровода с тремя полюсами, на среднем из которых расположена обмотка возбуждения, а на боковых полюсах - генераторные обмотки, соединенные последовательно встречно и подключенные ко входу выпрямителя, выход которого подключен к обмотке возбуждения. Статор устройства разгрузки радиальных подшипников расположен над ротором в виде ферромагнитного кольца с зубцами на поверхности, обращенной к рабочей поверхности полюсов статора, причем на рабочих поверхностях боковых полюсов статора имеются зубцы с шагом, совпадающим с шагом зубцов ротора, но взаимно смещенные на половину зубцового шага. Недостатками прототипа являются относительно большое изменение направления действия результирующей силы разгрузки при вращении ротора, а также затрудненные условия самовозбуждения устройства из-за малой остаточной индукции ферромагнитных элементов магнитопровода, что требует применения внешних источников энергии для инициирования процесса самовозбуждения.
Технической задачей изобретения является создание устройства электромагнитной разгрузки радиальных опор, исключающих недостатки прототипа, полностью независимого от внешних источников энергии, с большей нагрузочной способностью и возможностью его эксплуатации во взрывоопасных и агрессивных средах.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве электромагнитной разгрузки радиальных опор, содержащем статор в виде кольцевого магнитопровода с центральным полюсом, имеющим обмотку возбуждения и цилиндрическую рабочую поверхность, с боковыми полюсами, имеющими генераторные обмотки и рабочую поверхность с зубцами, сдвинутыми относительно друг друга на половину зубцового шага, и ротор, выполненный в виде ферромагнитного кольца, установленного на валу, имеющего зубцы на поверхности, обращенной к полюсам статора, с зубцовым шагом, совпадающим с зубцовым шагом боковых полюсов статора, боковые полюса выполнены в виде двух диаметрально противоположных пар полюсов, сдвинутых относительно друг друга на половину зубцового шага, и имеется дополнительный полюс с постоянным магнитом, причем генераторные обмотки диаметрально противоположных боковых полюсов соединены последовательно согласно и образуют две пары обмоток, которые соединены последовательно встречно и подключены ко входу выпрямителя, выход которого подключен к обмотке возбуждения центрального полюса.
На фиг.1 представлена конструкция устройства электромагнитной разгрузки радиальных опор. На фиг.2 показана электрическая схема соединений устройства.
Устройство электромагнитной разгрузки радиальных опор по фиг.1 содержит статор - неподвижный кольцевой магнитопровод 1 с центральным полюсом 2, двумя парами боковых полюсов 3, 4, 5, 6 и полюс с постоянным магнитом 7. На центральном полюсе 2 имеется обмотка возбуждения 8, а на боковых полюсах 3, 4, 5, 6 - генераторные обмотки 9, 10, 11, 12. На вал 13 насажено ферромагнитное кольцо 14, образующее ротор. Рабочая поверхность полюсов 2, 3, 4, 5, 6 охватывает секторную часть цилиндрической поверхности ферромагнитного кольца 14. Полюсы
2-6 имеют наконечники с цилиндрической расточкой, причем наконечник центрального полюса 2 гладкий, а наконечники боковых полюсов 3-6 имеют зубцы (не менее двух на каждом), обращенные к зазору. На внешней поверхности ферромагнитного кольца 14 также имеются зубцы с тем же шагом, что и на боковых полюсах статора, причем зубцы пары полюсов 3, 4 сдвинуты относительно зубцов пары полюсов 5, 6 на половину зубцового деления. Длина полюсной дуги наконечника астрального полюса 2 составляет целое число зубцовых делений (на фиг.1 - шесть зубцовых делений).
На схеме фиг.2 показано соединение генераторных обмоток 9, 10, 11, 12, попарно соединенных последовательно согласно 9-10, 11-12 и образующих две пары обмоток, которые соединены между собой последовательно встречно и подключены на вход двухполупериодного выпрямителя 15, на выходе которого включен емкостный фильтр 16 и обмотка возбуждения 8.
10
11
20
21
10
11
20
21
0
10
11
20
21
0
10
11
20
21
10
11
20
21
0
10
11
20
21
0
Устройство работает следующим образом. В полюсах магнитопровода 1 создаются начальные магнитные потоки полем постоянного магнита полюса 7, необходимые для инициирования процесса самовозбуждения устройства разгрузки. При вращении губчатого кольца 14 происходит пульсация магнитных потоков Ф, Ф, Ф, Ф в боковых полюсах 3-6, причем переменные составляющие пульсирующих потоков Ф, Ф находятся в противофазе с потоками Ф, Ф из-за наличия сдвига зубцов боковых полюсов. В генераторных обмотках 9-10 и 11-12 наводятся переменные ЭДС, которые также находятся в противофазе. Благодаря встречному включению пар обмоток 9-10 и 11-12 эти ЭДС суммируются. Результирующая ЭДС поступает на вход выпрямителя 15. Выпрямленное напряжение сглаживается емкостным фильтром 16 и питает обмотку возбуждения X. Под действием выходного напряжения выпрямителя 15 начальный магнитный поток Ф центрального полюса 2 увеличивается, что приводит к увеличению амплитуды пульсации магнитных потоков Ф, Ф, Ф, Ф, затем к увеличению ЭДС в обмотках 9-12 и т.д. По мере увеличения магнитного потока Ф наступает насыщение магнитопровода, амплитуда магнитных потоков Ф, Ф, Ф, Ф стабилизируется и электромагнитные процессы переходят в установившийся режим. В установившемся режиме каждый из магнитных потоков боковых полюсов Ф, Ф, Ф, Ф сдержит постоянную и пульсирующую составляющие. В силу симметричной конструкции магнитопровода статора постоянные составляющие каждого из магнитных потоков боковых полюсов одинаковы и составляют одну четвертую часть от потока Ф. Амплитуда пульсирующей составляющей каждого из указанных магнитных потоков также одинакова, при этом пульсирующие составляющие пар магнитных потоков Ф, Ф, Ф, Ф находятся в противофазе и, следовательно, взаимно компенсируются, т.е. через левое и правое ярмо магнитопровода статора замыкаются близкие к постоянной величине магнитные потоки, равные половине потока Ф.
0
0
10
11
20
21
10
11
20
21
ост
На ферромагнитное кольцо 14 со стороны каждого из полюсов действуют пондематорные силы, величина которых пропорциональна квадрату величины индукции в зазоре и площади проекции поверхностей наконечников полюсов, обращенных к зазору. В установившемся режиме работы устройства разгрузки сила F, действующая на ротор со стороны центрального полюса 2, практически постоянна, так как магнитный поток Ф близок к постоянной величине. Пульсации магнитных потоков в боковых полюсах 3-6 создают пульсирующие силы Ф, Ф, Ф, Ф, действующие на ротор. Так как боковые полюсы с одинаковыми магнитными потоками Ф, Ф или Ф, Ф в устройстве разгрузки расположены диаметрально противоположно, то силы, действующие на ротор со стороны пар полюсов 3, 4 или 5, 6, взаимно компенсируются и не оказывают влияния на результирующую силу разгрузки, направленную в сторону центрального полюса 2. Сила F, создаваемая полюсом 7 с постоянным магнитом, незначительна, так как необходимая величина индукции в зазоре полюса 7 определяется условиями, обеспечивающими начало процесса самовозбуждения устройства, поэтому значительно меньше величины индукции под центральным полюсом 2 в возбужденном состоянии устройства разгрузки.
0
По сравнению с прототипом направление действия результирующей силы F устройства разгрузки не зависит от пульсирующих составляющих сил, действующих со стороны боковых полюсов. Наличие полюса с постоянным магнитом гарантированно обеспечивает процесс самовозбуждения устройства без применения внешних источников энергии.
Так как в устройстве электромагнитной разгрузки боковые полюсы 3-6 статора вынесены в зону горизонтальной оси, то увеличивается зона под центральным полюсом 2, что позволяет увеличить удельную нагрузочную способность устройства.
При работе устройства электромагнитной разгрузки не требуется внешних источников электроэнергии, так как оно потребляет механическую энергию от вала ротора. При герметичном исполнении конструкции устройство может работать во взрывоопасных и агрессивных средах.
Таким образом, благодаря введению в конструкцию статора диаметрально противоположных пар боковых (генераторных) полюсов, на рабочих поверхностях которых выполнены зубцы, совпадающие с шагом зубцов ротора, но имеющих относительный сдвиг зубцов в парах на половину зубцового шага, а также полюса с постоянным магнитом получено устройство электромагнитной разгрузки радиальных опор с минимальным угловым изменением направления действия результирующей силы разгрузки, с гарантированными условиями самовозбуждения устройства, с повышенной удельной нагрузочной способностью и возможностью работы во взрывоопасных и агрессивных средах.
Применение устройства электромагнитной разгрузки в конструкции радиальных опор (подшипников качения, подшипников скольжения, газостатических или газодинамических подшипников и т.д.) позволяет существенно уменьшить нагрузку на опоры, тем самым оптимизировать конструкцию опор, уменьшить потери мощности на трение, увеличить их надежность и ресурс.