МАХОВИК С МАГНИТНОЙ СМАЗКОЙ (ВАРИАНТЫ)
FLYWHEEL WITH MAGNETIC LUBRICANT (OPTIONS)

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в линейных электродвигателях. В частности, устройство может использоваться в электродвигателях-маховиках большого диаметра, выполненных с закольцованным ротором и секторным статором, применяемых для систем ориентации и стабилизации космических аппаратов, а также для систем «курс-вертикаль» атмосферных летательных аппаратов.
Механические потери (потери на трение) могут значительно снизить полезную мощность электрической машины, они существенно зависят от вида применяемой смазки (см., например, А.В. Иванов-Смоленский. Электрические машины. В двух томах, Том 1: Учебник для вузов - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2004 - 652 с.). Используются твердые, пластичные и полужидкие традиционные смазки. Пластичные и полужидкие традиционные смазки представляют собой коллоидные системы, состоящие из дисперсионной среды, дисперсной фазы, а также присадок и добавок. Недостатком традиционных смазок является «случайность» их распределения в выделенном для них объеме. Следует отметить, что магнитные смазки (жидкости), как и традиционные смазки, представляют собой коллоидные системы, их характеристики во многом схожи с характеристиками традиционных смазок, но в отличие от традиционных магнитные смазки (жидкости) распределяются параллельно силовым линиям магнитного поля.
Прототипом настоящего изобретения является Устройство для гашения низкочастотных вибраций (Патент на полезную модель №144547, МПК F16F 9/53, F16F 6/00), содержащее корпус из немагнитного материала, внутри которого выполнена цилиндрическая камера, содержащая магнитную жидкостью в коллоидном состоянии, отличающееся тем, что корпус из немагнитного материала жестко крепится к внешней конструкции, подвергающейся низкочастотным вибрационным воздействиям, а в камеру помещен магнит в форме прямого кругового цилиндра с возможностью его обволакивания содержащейся в камере магнитной жидкостью, причем в боковой стенке цилиндрической камеры по всей ее длине выполнена сужающаяся в ее внешнюю сторону выемка, а в нижней и верхней стенках цилиндрической камеры в их центральной части выполнены выпуклые элементы. Недостатком прототипа является то, что на основе магнита и обволакивающей его магнитной (ферромагнитной) жидкости построено лишь устройство для гашения вибраций, т.е. выявлены не все возможные применения этого технического решения.
На принципе обволакивания магнита магнитной жидкостью может быть также построен маховик с магнитной смазкой. Традиционная смазка, как правило, обеспечивает «всплывание» и низкий коэффициент трения опор вала лишь при высоких скоростях вращения ротора. По этой причине режим запуска двигателя является одним из самых тяжелых с точки зрения трения. Магнитная смазка будет обеспечивать низкий коэффициент трения покоя ротора маховика, а также низкий коэффициент трения при низких скоростях движения (вращения) ротора. За счет этого у ротора маховика с магнитной смазкой будут существенно уменьшены потери на трение о корпус при нулевой и низких скоростях. Следует отметить, что низкие скорости движения ротора необходимы для обеспечения специальных режимов работы маховика с магнитной смазкой. Например, при стереосъемке поверхности Земли космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли низкие скорости вращения маховиков системы ориентации и стабилизации обеспечивают минимизацию возмущающих моментов, действующих на космический аппарат.
Целью настоящего изобретения (по обоим вариантам) является создание линейного электродвигателя-маховика, в котором ротор создан на основе постоянных магнитов, обволакиваемых магнитной жидкостью.
Техническим результатом настоящего изобретения (по обоим вариантам) является создание маховика с магнитной смазкой, обладающего низкими потерями на трение при нулевой и низких скоростях движения (вращения) ротора.
Эскиз маховика с магнитной смазкой по варианту 1 изображен на фигуре 1, поперечное сечение маховика с магнитной смазкой по варианту 1 изображено на фигуре 2. Маховик с магнитной смазкой состоит из корпуса 1 из немагнитного материала, в форме полого тора кольцевого сечения, который жестко крепится к внешней конструкции. Внутри корпуса 1 выполнена камера, в камеру помещены постоянные магниты 2 в форме прямых круговых цилиндров, намагниченных в осевом направлении, вследствие воздействия их собственного магнитного поля постоянные магниты 2 обволакиваются магнитной жидкостью 3. Между постоянными магнитами имеются магнитные (ферромагнитные) вставки в виде шариков 4.
На корпусе 1 маховика с магнитной смазкой жестко крепится обмотка статора 5. В качестве примера, на фигуре 1 показана трехфазная обмотка статора 5, соединенная в звезду, где А, В, С - начала соответствующих фаз, 0 - общая точка. Однако число фаз обмотки может отличаться от трех, число катушек обмотки статора также может быть другим и определяться при инженерном проектировании маховика с магнитной смазкой.
Маховик с магнитной смазкой собирается следующим образом. Из четного числа постоянных магнитов 2 и четного числа магнитных вставок, представляющих собой магнитные шарики 4, составляют развернутую в линию заготовку ротора, которая составляет единое целое благодаря силам магнитного притяжения. Далее на заготовку ротора равномерно наносят магнитную жидкость 3, которая под действием магнитного поля распределяется вдоль его силовых линий, т.е. обволакивает постоянные магниты 2. При этом магнитная жидкость 3 образует устойчивые к воздействию центробежных сил магнитные оболочки постоянных магнитов 2. Заготовкой для корпуса 1 служит труба круглого сечения из немагнитного материала, внутренний диаметр которой больше диаметра постоянных магнитов на величину оболочки из магнитной жидкости 3. Далее заготовку ротора вставляют в заготовку корпуса и сворачивают их в форме тора. При этом концы заготовки ротора соединяются сами посредством магнитных сил, а концы заготовки корпуса необходимо соединить между собой пайкой, сваркой или клеем. Могут быть также приведены иные варианты сборки маховика с магнитной смазкой.
Технический результат настоящего изобретения по варианту 1 достигается следующим образом. При подаче напряжения на катушки фаз обмотки секторного статора 5 по ним протекает ток, образуется магнитодвижущая сила (МДС) статора. При взаимодействии МДС статора с магнитным полем постоянных магнитов 2 ротора на ротор действует электромагнитная сила, а поскольку ротор представляет собой тор, то и вращающий момент. Под действием вращающего момента ротор с магнитной смазкой вращается, причем вращающий момент и электромагнитная мощность маховика пропорциональны току обмотки статора 5. Часть мощности маховика с магнитной смазкой теряется в виде потерь. В суммарных потерях ротора существенную роль играют механические потери, обусловленные трением постоянных магнитов 2 в форме прямых круговых цилиндров и магнитных вставок в виде шариков 4 о корпус 1. Это трение, и как следствие механические потери на трение, существенно снижаются при низких скоростях движения ротора по сравнению с традиционными смазками благодаря обволакиванию постоянных магнитов 2 магнитной жидкостью 3.
Эскиз маховика с магнитной смазкой по варианту 2 изображен на фигуре 3, поперечное сечение маховика с магнитной смазкой по варианту 2 изображено на фигуре 4. Маховик с магнитной смазкой состоит из корпуса 6 из немагнитного материала в форме полого тора кольцевого сечения, который жестко крепится к внешней конструкции. Внутри корпуса 6 выполнена камера, в камеру помещены постоянные магниты 7 в форме прямых круговых цилиндрических колец, намагниченных в осевом направлении, вследствие воздействия их собственного магнитного поля постоянные магниты 7 обволакиваются магнитной жидкостью 8. Между постоянными магнитами имеются магнитные (ферромагнитные) вставки в виде шариков 9.
На корпусе 6 маховика с магнитной смазкой жестко крепится обмотка статора 10. В качестве примера, на фигуре 3 показана трехфазная обмотка статора 10, соединенная в звезду, где А, В, С - начала соответствующих фаз, 0 - общая точка. Однако число фаз обмотки может отличаться от трех, число катушек обмотки статора также может быть другим и определяться при инженерном проектировании маховика с магнитной смазкой.
Маховик с магнитной смазкой собирается следующим образом. Из четного числа постоянных магнитов 7 и четного числа магнитных вставок, представляющих собой магнитные шарики 9, составляют развернутую в линию заготовку ротора, которая составляет единое целое благодаря силам магнитного притяжения. Далее на заготовку ротора равномерно наносят магнитную жидкость 8, которая под действием магнитного поля распределяется вдоль его силовых линий, т.е. обволакивает постоянные магниты 7. При этом магнитная жидкость 8 образует устойчивые к воздействию центробежных сил магнитные оболочки постоянных магнитов 7. Заготовкой для корпуса 7 служит труба круглого сечения из немагнитного материала, внутренний диаметр которой больше диаметра постоянных магнитов на величину оболочки из магнитной жидкости 8. Далее заготовку ротора вставляют в заготовку корпуса и сворачивают их в форме тора. При этом концы заготовки ротора соединяются сами посредством магнитных сил, а концы заготовки корпуса необходимо соединить между собой пайкой, сваркой или клеем. Могут быть также приведены иные варианты сборки маховика с магнитной смазкой.
Технический результат настоящего изобретения по варианту 2 достигается следующим образом. При подаче напряжения на катушки фаз обмотки секторного статора 10 по ним протекает ток, образуется магнитодвижущая сила (МДС) статора. При взаимодействии МДС статора с магнитным полем постоянных магнитов 7 ротора на ротор маховика с магнитной смазкой действует электромагнитная сила, а поскольку ротор представляет собой тор, то и вращающий момент. Под действием вращающего момента ротор маховика с магнитной смазкой вращается, причем вращающий момент и электромагнитная мощность маховика пропорциональны току обмотки статора 10. Часть мощности маховика с магнитной смазкой теряется в виде потерь. В суммарных потерях ротора существенную роль играют механические потери, обусловленные трением постоянных магнитов 7 в форме прямых круговых цилиндрических колец и магнитных вставок в виде шариков 9 о корпус 6. Это трение, и как следствие механические потери на трение, существенно снижаются при низких скоростях движения ротора по сравнению с традиционными смазками благодаря обволакиванию постоянных магнитов 7 магнитной жидкостью 8.