ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПОДВЕС ВЕРТИКАЛЬНОГО ВАЛА РОТОРА
ELECTROMAGNETIC SUSPENSION OF VERTICAL ROTOR SHAFT

Настоящее изобретение относится к устройствам бесконтактного электромагнитного подвеса вертикального вала ротора, более конкретно - к электромагнитным подшипникам, предназначенным для использования в различных электрических машинах с вертикальным расположением вала ротора, таких как электромеханические накопители энергии, ветрогенераторы и т.п.
Известен сверхпроводящий магнитный подвес, содержащий статор в виде корпуса, содержащий блок высокотемпературных сверхпроводящих элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора (патент на изобретение РФ №2551864, МПК F16C 32/04) [1]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается использованием высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов на роторе. Недостаток такого подвеса связан с необходимостью использования сложной системы охлаждения для обеспечения сверхпроводимости элементов, а также ограничение по максимальной удельной энергии постоянных магнитов, что ограничивает массу подвешиваемого тела.
Известен магнитный подвес для маховика, реализованный с использованием постоянных магнитов на статоре и роторе (патент на полезную модель РФ №109250, МПК F16F 15/30) [2]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет использования постоянных магнитов на статоре и роторе: вал маховика подвешен относительно корпуса на магнитной подвеске, включающей неподвижные магниты, закрепленные на корпусе, и подвижные магниты, закрепленные на валу. При этом подвижные магниты притягиваются к верхнему неподвижному магниту и отталкиваются от нижнего неподвижного магнита. Недостаток такого подвеса связан с сложностью подбора постоянных магнитов для обеспечения устойчивого равновесия, а также ограничение по максимальной удельной энергии постоянных магнитов, что ограничивает массу подвешиваемого тела.
Известен радиально-аксиальный подшипник, реализованный с использованием ротора и статора из магнитотвердых материалов (патент на изобретение РФ №2176039, МПК F16C 32/04) [3]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет намагничивания магнитотвердых материалов ротора и статора. Недостаток такого подшипника связан с ограничением по массе подвешиваемого тела.
Известно устройство с электромагнитным подвесом маховика, реализованное с использованием электромагнитов (патент на изобретение РФ №2082029, МПК F16C 32/04) [4]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет использования двух кольцевых электромагнитов, которые притягивают вращающийся маховик. Недостаток такого подвеса связан со сложностью системы управления, в случае сбоя в работе системы управления маховик опирается на аварийные шарикоподшипники или полностью притягивается к электромагнитам.
Известен осевой магнитный подвес ротора, реализованный с использованием электромагнитов и нешихтованного ферромагнитного диска [5]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет притягивания ферромагнитного диска, закрепленного на роторе, к неподвижным электромагнитам, которые притягивают вращающийся диск. Недостаток такого подвеса связан со сложностью системы управления, в случае сбоя в работе системы управления маховик будет задевать полюса электромагнитов.
Наиболее близким по технической сущности является магнитный подвес, описанный в [6], этот подвес и принят за прототип (рис. 1.2) [6]. Одноосный магнитный подвес реализован на постоянных магнитах: на неподвижном элементе установлен кольцевой магнит, внутри которого на оси закреплен цилиндрический магнит меньшего диаметра. Под действием веса ротора ось с магнитом опускается, а появляющаяся сила притяжения между магнитами уравновешивает силу тяжести и поддерживает подвижную часть во взвешенном состоянии. Такой подвес предназначен для использования в измерительных приборах и способен обеспечить подвес тела незначительной массы.
Цель изобретения - создание бесконтактного электромагнитного подвеса вертикального вала ротора, который способен обеспечить бесконтактный подвес массивного ротора электромеханического накопителя энергии или другой электрической машины с вертикальным валом ротора.
Технический результат, достигаемый изобретением, - увеличение несущей способности подвеса вертикального вала ротора, снижение механических потерь в устройстве.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен вид спереди электромагнитного подвеса с вертикальным валом ротора, на фиг. 2 - вид сверху электромагнитного подвеса с вертикальным валом ротора.
Электромагнитный подвес с вертикальным валом ротора содержит источник электроэнергии 1, систему управления 2, регулятор тока 3, датчик положения ротора 4, на роторе закрепляется шихтованный ферромагнитный сердечник цилиндрической формы 13, в пазы сердечника вокруг вала ротора укладывается обмотка ротора 10. Выводы обмотки ротора 10 соединены с двумя контактными кольцами 8, по которым скользят щетки 7. Для создания постоянного магнитного поля, пересекающего проводники обмотки ротора 10, на неподвижной части подвеса устанавливаются два П-образных шихтованных ферромагнитных сердечника 11 с обмоткой возбуждения 12. Вал 6 имеет возможность перемещаться в осевом направлении, нижняя часть вала упирается в подпятник 15, для фиксации вала в радиальном направлении используются два направляющих подшипника 5. Подвешиваемое тело 14 закрепляется на валу в нижней части электромагнитного подвеса. Питание обмотки возбуждения 12, системы управления 2 и регулятора тока 3 осуществляется постоянным током от источника электроэнергии 1. Система управления 2 получает данные от датчика осевого положения ротора 4 и управляет регулятором тока 3, который поддерживает необходимое значение постоянного тока в обмотке ротора 10.
Работа электромагнитного подвеса с вертикальным валом ротора.
В выключенном состоянии вал ротора упирается в подпятник. При работе электромагнитного подвеса осевое положение ротора определяется зазором между верхней торцевой частью вала 6 и датчиком осевого положения ротора 4. При включении электромагнитного подвеса постоянное напряжение подключается к обмотке возбуждения 12, которая создает магнитный поток, который замыкается через ферромагнитный сердечник цилиндрической формы 13 на роторе и пересекает обмотку ротора 10. Далее система управления 2 обеспечивает позиционирование вала 6 в осевом направлении, для чего задает необходимое значение тока регулятором тока 3 в обмотке ротора 10, это позволяет поднять ротор с подвешиваемым телом 14. В результате в заданном положении ротора сила Ампера уравновешивает силу тяжести, что обеспечивает устойчивое положение вала 6 с подващиваемым телом 14 в осевом направлении.
Технический результат в изобретении достигается тем, что на роторе закрепляется шихтованный ферромагнитный сердечник цилиндрической формы, в пазы сердечника вокруг вала ротора укладывается обмотка, выводы которой соединены с двумя контактными кольцами, размещенными на валу. Для создания постоянного магнитного поля, пересекающего проводники обмотки ротора, на неподвижной части подвеса устанавливаются два П-образных шихтованных ферромагнитных сердечника с обмоткой возбуждения. Вал имеет возможность перемещаться в осевом направлении, нижняя часть вала упирается в подпятник, для фиксации вала в радиальном направлении используются два направляющих подшипника.
Таким образом, может быть реализована необходимая подъемная сила Ампера для преодоления силы тяжести, большая, чем при использовании высококоэрцитивных постоянных магнитов или электромагнитов и токопроводящих дисков. Упрощение процесса позиционирования вала в осевом направлении обеспечивается за счет конструкции электромагнитного подвеса: увеличение силы тока в обмотке ротора приводит к увеличению подъемной силы Ампера и подъему сердечника цилиндрической формы на роторе с обмоткой вверх, при этом верхняя часть обмотки ротора поднимется выше полюса неподвижного сердечника, магнитная индукция для этой части обмотки уменьшится, что приведет к уменьшению подъемной силы Ампера и стабилизации ротора в новом положении в осевом направлении.
Для обеспечения минимального расхода электроэнергии для поддержания подвешиваемого тела необходимо, чтобы обмотка ротора в рабочем режиме полностью находилась в магнитном поле полюсов неподвижного сердечника, также для уменьшения потерь мощности при левитации ротора в качестве электропроводящего материала обмоток необходимо использовать электротехническую медь.
Достоинство предлагаемого устройства состоит в том, что оно позволяет обеспечить бесконтактный подвес тела с массой несколько тонн с незначительным потреблением электроэнергии, величина которой зависит от геометрических размеров устройства, плотности тока в обмотках и частоты вращения вертикального ротора.
Источники информации
1. Пат. RU(11) 2551864 (13) C1 МПК F16C 32/04. Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии / В.А. Матвеев, О.Л. Полущенко, Н.А. Нижельский и др. - №2014113299/11; Заявлено 04.04.2014; Опубл. 27.05.2015. Бюл. №15.
2. Пат. RU(11) 109250 (13) U1 МПК F16F 15/30. Маховичный накопитель энергии / Н.В. Гулиа. - №2011118975/11; Заявлено 12.05.2011; Опубл. 10.10.2011. Бюл. №28.
3. Пат. RU(11) 2176039 (13) C2 МПК F16C 32/04. Радиально-аксиальный подшипник / Б.П. Фридман, В.С. Жернаков, О.Б. Фридман. - №99103880/09; Заявлено 23.02.1999; Опубл. 20.11.2001. Бюл. №08.
4. Пат. RU(11) 2082029 (13) C1 МПК F16C 32/04. Устройство с электромагнитным подвесом маховика / Н.А. Заболотский, А.И. Коновалов. - №93018970/28; Заявлено 13.04.1993; Опубл. 20.06.1997. Бюл. №2.
5. Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение [Текст] / Ю.Н. Журавлев // СПб.: Политехника, 2003. - 206 с.
6. Осокин Ю.А. Теория и применение магнитных подвесов [Текст] / Ю.А. Осокин, В.Н. Герди, К.А. Майков, Н.Н. Станкевич // М.: Машиностроение, 1980. - 284 с.