МАГНИТНЫЙ ОПОРНЫЙ УЗЕЛ
MAGNETIC BEARING ASSEMBLY

Изобретение относится к опорным устройствам и подшипникам с постоянными магнитами и может быть использовано преимущественно для вращающихся валов и роторов машин с мало меняющейся и постоянной внешней осевой нагрузкой, таких как вентиляторы, турбокомпрессоры, электродвигатели, маховики (накопители энергии), гироскопы и т.п.
Известен опорный узел, содержащий бесконтактную магнитную радиальную опору вала и осевой механический упор [1]. В данной конструкции ротор установлен вертикально. Осевую нагрузку на упор уменьшают путем уравновешивания веса ротора осевой силой притяжения в магнитной радиальной опоре. Недостатком данного технического решения является наличие трения в зоне контакта механического упора и корпуса. Трение вызвано неуравновешенной радиальной нагрузкой. Этот недостаток усугубляется при использовании устройства в горизонтальном и любом другом, кроме вертикального, пространственном положении.
Наиболее близким к настоящему изобретению является магнитный опорный узел, содержащий ротор с опорным и выходным концами, статор, две радиальные магнитные опоры ротора с кольцевыми коаксиальными магнитами, установленными на роторе и статоре, и осевой упор, воздействующий на торец опорного конца ротора [2].
Техническое решение опорного узла исключает недостатки аналога. Ротор может быть размещен в горизонтальном и ином пространственном положении с обеспечением минимального трения в контактной зоне упора.
Недостатком прототипа, во-первых, является сложность технического решения. Для стабилизации ротора в осевом направлении и уравновешивания внешних осевых нагрузок используется специальная дополнительная группа магнитов. Во-вторых, дополнительные магниты создают толкающее усилие, которое действует на ротор не только в осевом направлении. При малейшем радиальном смещении ротора возникает радиальная сила, которая воспринимается радиальной опорой. Это снижает ее жесткость и несущую способность.
Настоящее изобретение направлено на устранение недостатков прототипа.
Новый магнитный опорный узел, также как и прототип, содержит ротор с опорным и выходным концами, статор, две радиальные магнитные опоры ротора с кольцевыми магнитами, установленными на роторе и статоре, и осевой упор, воздействующий на торец опорного конца ротора. Каждая радиальная магнитная опора содержит не менее двух кольцевых магнитов, имеющих одинаковые размеры и одинаковое направление осевой намагниченности. Магниты взаимодействуют в режиме притяжения через осевой зазор, Магниты статора размещены между магнитами ротора. Ротор с помощью упора смещен в осевом направлении в сторону, противоположную направлению внешней осевой нагрузки, с образованием разных осевых зазоров в магнитных опорах.
Ротор состоит из двух коаксиальных разъемных частей, первая из которых содержит выходной конец с посадочной поверхностью, закрепленный на ней кольцевой магнит и хвостовик, входящий в отверстие второй части ротора, содержащей второй кольцевой магнит и плоскую торцевую поверхность, контактирующую с упором.
Осевой упор ротора выполнен с возможностью точного перемещения вдоль оси ротора, для чего имеет цилиндрическую резьбу, размещенную в резьбовом отверстии статора, и содержит сферическую поверхность, контактирующую с плоским торцом опорного конца ротора.
Разница осевых зазоров между магнитами в радиальных опорах определяется в зависимости от величины внешней осевой нагрузки и суммарной осевой жесткости магнитных опор по формуле:
Δs=s2-s1=k*F/j
где
s1 - осевой зазор в магнитной опоре, находящейся вблизи выходного конца ротора, мм;
s2 - осевой зазор в магнитной опоре, находящейся вблизи опорного конца ротора, мм;
F - постоянно действующая внешняя осевая нагрузка, Н;
j - суммарная осевая жесткость магнитных опор, Н/мм;
k=0,8…0,9 - коэффициент.
В осевом зазоре, расположенном со стороны опорного конца ротора, размещена шайба, выполненная из немагнитного материала и имеющая толщину, рассчитываемую по формуле:
h=c*(s1+s2)/2
где
с=1,05…1,1 - коэффициент.
Наличие данной шайбы позволяет исключить осевое смещение ротора в крайнее левое устойчивое положение, при котором возникнет трение между магнитами. Такое смещение может быть вызвано случайными внешними силами, направленными против постоянно действующей внешней осевой нагрузки.
По сравнению с прототипом новое техническое решение позволяет упростить конструкцию опорного узла. Это достигается за счет уменьшения количества используемых магнитов. Установленные в опорах две пары кольцевых магнитов не только противодействуют внешней радиальной нагрузке, но и уравновешивают внешнюю осевую нагрузку. При этом, в отличие от прототипа, несущая способность радиальных опор не снижается.
Пример реализации изобретения представлен на чертеже.
Магнитный опорный узел содержит ротор, состоящий из вала 1 и гильзы 2, и статор 3, закрепленный в корпусе 4. Вал 1 имеет выходной конец, предназначенный для базирования функциональных элементов, а также -цилиндрический хвостовик, входящий в отверстие гильзы 2. Последняя имеет опорный конец, выполненный в форме плоского торца, который контактирует со сферической поверхностью осевого упора 5.
На валу 1 и гильзе 2 закреплены магниты 6 и 7, которые взаимодействуют с магнитами 8 и 9 статора в режиме притяжения.
Кольцевые магниты ротора 6 и 7 и магниты 8 и 9 статора установлены коаксиально, имеют одинаковые размеры и одинаковое направление намагниченности. Магниты 8 и 9 статора размещены между магнитами 6 и 7 ротора. Ротор с помощью упора 5 смещен в осевом направлении в сторону противоположную направлению внешней осевой нагрузки F с образованием разных осевых зазоров s1 и s2 в магнитных опорах.
Осевой упор 5 выполнен с возможностью точного перемещения вдоль оси ротора. Он имеет цилиндрическую резьбу, размещенную в резьбовом отверстии статора 3.
В осевом зазоре, расположенном со стороны опорного конца гильзы 2 ротора, размещена шайба 10, выполненная из немагнитного материала.
В таблице представлен результат расчета значений осевого зазора и толщины шайбы в магнитных опорах при заданной величине внешней осевой нагрузки на примере использования магнитной опоры для ротора компьютерного вентилятора (кулера CM12V), в котором внешняя осевая нагрузка F создается при взаимодействии лопастей крыльчатки вентилятора с потоком воздуха.
Примечание: D*d*h - размеры магнита (диаметр наружный * диаметр внутренний * высота)
Настоящее изобретение с помощью простого конструктивного решения позволяет обеспечить осевую стабилизацию положения ротора с компенсацией внешней осевой нагрузки, действующей на осевой упор. В результате сила трения в зоне контакта упора и ротора существенно уменьшается. Это ведет к повышению долговечности магнитных опор. При использовании новых магнитных опор в различных машинах снижаются энергетические затраты и повышается КПД.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Патент RU 2272676. М. кл. F04B 9/12, F16C 32/04. Опубликовано 27.03.2006 г. Бюл. №9.
2. Авторское свидетельство СССР №847443. М. кл. H02K 5/16, F16C 32/04. Опубликовано 15.07.1981 г. Бюл. №26.