ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ
HIGH-RATE ELECTRICAL MACHINE WITH VERTICAL SHAFT

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в качестве подвеса ротора электрических машин.
Известен вертикальный электродвигатель с газодинамической левитацией ротора [патент РФ №14703, кл. Н02K 29/00, 2000 г.], содержащий цилиндрический ротор, насаженный на вал, верхняя и нижняя цапфы которого установлены в радиальных подшипниках, жестко закрепленных в торцевых фланцах внешнего статора, на внутренней поверхности которого уложена трехфазная электрическая обмотка, а нижняя цапфа которого опирается на упорный механический подшипник, имеет воздушный винт, насаженный на верхнюю цапфу вала ротора.
Недостаток такой конструкции состоит в том, что левитационная способность газового подшипника в связи с малой вязкостью газов с увеличением зазора резко уменьшается, а также ограничены функциональные возможности управления, обусловленные сложностью регулирования положения ротора.
Известна также синхронная электрическая машина с магнитным подвесом ротора [патент РФ №44773, кл. F16C 39/06, 2005 г.], содержащая статор и ротор, выполненный из немагнитного материала, с обмоткой возбуждения из сверхпроводящего материала, магнитные подшипники установлены на торцах статора.
Недостатком такого двигателя является сложность его конструкции и значительная нагрузка на осевой и радиальный подшипники.
Известна конструкция осевого гибридного магнитного подшипника ротора [патент CN №102900761 А, кл. F16C 32/04, 2013 г.], содержащая кольцевой Ш-образный электромагнит, в среднем полюсе которого имеется вставка из постоянного магнита с осевой намагниченностью.
Недостатком данной конструкции являются потери полезного потока в радиальном направлении, значительная нагрузка на осевой гибридный магнитный подшипник и технологическая сложность сборки.
Известна конструкция аппарата на магнитных подшипниках [патент US 5739609 А, кл. H02K 7/09, 1998 г.], содержащая ротор, находящийся в двух радиальных и одном осевом электромагнитном подшипнике, а также кольцевые подшипники скольжения, выступающие в качестве страховочных подшипников.
Недостатками данной конструкции являются высокие массогабаритные показатели электромагнитных подшипников, а также значительная нагрузка на осевой электромагнитный подшипник.
Известно устройство магнитной левитации и контроля гибридного магнитного подшипника [заявка на патент US 2012/0139375 А1, кл. H02K 7/09, 2012 г.] содержащее ротор, датчики положения ротора, П-образный кольцевой электромагнит, в полюсах которого имеются вставки из двух радиально намагниченных постоянных магнитов прямоугольной формы и одного аксиально намагниченного постоянного магнита прямоугольной формы.
Недостатками данной конструкции являются высокие массогабаритные показатели гибридных магнитных подшипников, а также значительная нагрузка на гибридный магнитный подшипник и технологическая сложность сборки.
Известна конструкция гибридного магнитного подвеса ротора детандер-компрессора [Ульянов Ю.М., Мартиненко Г.Ю., Смирнов М.М. Система управлiння осьовим рухом ротора на комбiнованому магнiтному пiдвiсi з пасивними радiальними i активним осьовим пiдшипниками // Зб. наук. пр. - X.: УкрДАЗТ, 2008. - Вип.97. - С.107-118], содержащая один осевой электромагнитный подшипник и два радиальных магнитных подшипника на постоянных магнитах.
Недостатками указанной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием управления положением ротора в радиальном направлении, значительные массогабаритные показатели осевого электромагнитного подшипника и значительные нагрузки на него.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является конструкция высокоскоростной магнитоэлектрической машины с вертикальным валом [патент РФ 2475928 C1, Н02K 21/22, 2013], содержащая осевые и радиальные гибридные магнитные подшипники, состоящие из электромагнитов и постоянных магнитов, страховочные подшипники, ротор, насаженный на вертикальный вал, и статор.
Недостатками указанной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что магнитный поток в электромагнитах гибридных магнитных подшипников зависит только от силы тока в их обмотках, значительные массогабаритные показатели осевых и радиальных гибридных магнитных подшипников, значительные нагрузки на осевые гибридные магнитные подшипники.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, благодаря зависимости магнитного потока не только от силы тока, протекающего в обмотках, но и от магнитного потока постоянных магнитов, минимизация массогабаритных показателей за счет минимизации количества элементов гибридного магнитного подвеса и снижение нагрузок на осевые гибридные магнитные подшипники, благодаря использованию двух осевых магнитных подшипников на постоянных магнитах, один из которых работает на притяжение, а другой на отталкивание.
Техническим результатом является повышение надежности, энергоэффективности, силовых характеристик и жесткости гибридного магнитного подшипника, минимизация нагрузок на гибридные магнитные подшипники.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в высокоскоростной электрической машине с вертикальным валом, содержащей статор, ротор, насаженный на вертикальный вал, осевые и радиальные гибридные магнитные подшипники, страховочные подшипники, согласно изобретению, установлены два радиальных и один осевой гибридные магнитные подшипники, выполненные из электромагнитов, в магнитопроводе которых установлены вставки из постоянных магнитов, при этом каждая вставка из постоянных магнитов намагничена в направлении силовой линии магнитного потока, создаваемого обмоткой электромагнита, в качестве дополнительных осевых опор установлены магнитные подшипники на постоянных магнитах, причем на стороне ротора, где осевые силы имеют максимальное значение, магнитные подшипники на постоянных магнитах установлены с возможностью отталкивания, а на противоположной стороне ротора магнитные подшипники на постоянных магнитах установлены с возможностью притяжения.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид устройства. На фиг.2 изображена конструкция осевого гибридного магнитного подшипника. На фиг.3 изображена конструкция радиального гибридного магнитного подшипника. На фиг.4 изображены силы, действующие на дополнительные осевые магнитные подшипники на постоянных магнитах (F1 - силы притяжения дополнительных осевых магнитных подшипников на постоянных магнитах, F2 - силы отталкивания дополнительных осевых магнитных подшипников на постоянных магнитах, Fm - силы вала с ротором).
Предложенное устройство содержит (фиг.1) вал 1, на котором установлен ротор 2. На верхнем конце вала 1 расположен дополнительный осевой магнитный подшипник на постоянных магнитах 3, работающий на притяжение, а на нижнем конце вала 1 установлен дополнительный осевой магнитный подшипник на постоянных магнитах 4, работающий на отталкивание. Вал расположен перпендикулярно торцевой поверхности осевого гибридного магнитного подшипника 5 (фиг.2), состоящего из магнитопровода 6, в пазах которого уложены обмотки 7 ферромагнитной пластины 8, при этом в магнипроводе 6 имеются вставки из постоянных магнитов 9, намагниченных в направлении силовой линии магнитного потока, создаваемого магнитопроводом 6 при протекании по обмотке 7 электрического тока, и немагнитного диска 10. Вал расположен концентрично в радиальных гибридных магнитных подшипниках 11 (фиг.3), состоящих из магнитопровода 12, в пазах которого уложена обмотка 13, причем в магнитопроводе 12 имеются вставки из постоянных магнитов 14, намагниченных в направлении силовой линии магнитного потока, создаваемого магнитопроводом 12 при протекании по обмотке 13 электрического тока и немагнитной втулки 15, также концентрично вал расположен в страховочных подшипниках 16.
Устройство работает следующим образом. Бесконтактное вращение вала 1 с ротором 2 обеспечивается дополнительными осевыми магнитными подшипниками на постоянных магнитах 3, 4, работающими на притяжение и отталкивание, радиальными гибридными магнитными подшипниками 11 и осевым гибридным магнитным подшипником 5. Основные осевые нагрузки на вал 1 воспринимаются дополнительными осевыми магнитными подшипниками на постоянных магнитах, работающими на притяжение и отталкивание 3, 4. Так как сила притяжения превышает на 10-15% силу отталкивания, то дополнительный осевой магнитный подшипник на постоянных магнитах 3, работающий на притяжение, установлен таким образом, что силы тяжести вала 1 направлены в противоположную сторону силам притяжения дополнительного осевого магнитного подшипника на постоянных магнитах 3, работающего на притяжение, и силам отталкивания дополнительного осевого магнитного подшипника на постоянных магнитах 4, работающего на отталкивание (фиг.4), что приводит к снижению нагрузок на осевой гибридный магнитный подшипник 5.
Вставки из постоянных магнитов 9 и 14, намагниченные в направлении силовых линий магнитного потока, создаваемых магнитопроводами 6, 12 при протекании по обмоткам 7, 13 электрического тока, усиливают магнитный поток на каждом участке магнитопроводов 6, 12, тем самым появляется возможность минимизации массогабаритных показателей радиальных и осевых гибридных магнитных подшипников 11, 5, повышения их энергоэффективности и надежности.
Немагнитный диск 10 и немагнитная втулка 15 предохраняют вылет вставок из постоянных магнитов 9 и 14, намагниченных в направлении силовых линий магнитного потока, создаваемых магнитопроводами 6, 12 при протекании по обмоткам 7, 13 из магнитопроводов 6, 12.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности, благодаря зависимости магнитного потока не только от силы тока, протекающего в обмотках, минимизировать массогабаритные показатели за счет минимизации количества элементов гибридного магнитного подвеса и снизить нагрузки на осевые гибридные магнитные подшипники, благодаря использованию двух осевых магнитных подшипников на постоянных магнитах, один из которых работает на притяжение, а другой работает на отталкивание.
Таким образом, повышается надежность, энергоэффективность, силовые характеристики и жесткость гибридного магнитного подшипника, минимизируются нагрузки, действующие на гибридные магнитные подшипники.