МАГНИТНАЯ ОПОРА ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА
VERTICAL ROTOR MAGNETIC SUPPORT

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к магнитным опорам вертикальных роторов быстровращающихся приборов: гироскопов, накопителей энергии, генераторов, турбомолекулярных насосов, центрифуг и подобных устройств.
Существует большое многообразие предложений по построению магнитных опор на постоянных магнитах. Магнитные опоры многофункциональны и позволяют решить многие проблемы, например разгрузку нижней опоры от осевой нагрузки, обеспечение бесконтактной радиальной жесткой связи ротора с неподвижной частью, центровку ротора относительно корпуса.
Известна магнитная опора вертикального ротора газовой центрифуги, в которой для усиления бесконтактной радиальной жесткой связи с неподвижной частью помимо основного магнита применен дополнительный магнит, установленный на наружной трубке газового коллектора, сила которого направлена против направления притяжения основного магнита.
Патент RU №2115481, МПК В04В 5/08, В04В 9/12, B01D 59/20, опубл.20.07.1998.
Такая магнитная опора усиливает поперечную жесткую связь, но сложна при сборке и имеет большие осевые габариты, что уменьшает полезную длину ротора.
Известна магнитная опора вертикального ротора газовой ультрацентрифуги, содержащая систему магнитов, установленную соосно с ротором, состоящую из постоянных магнитов, расположенных на противоположных концах корпуса, и электромагнитов.
Патент GB №1401514, МПК F16C 32/04, В04В 9/00, опубл. 07.07.1972.
Такая магнитная опора позволяет обеспечить хорошую центровку ротора, но ухудшает массогабаритные показатели и усложняет конструкцию опоры.
Известна магнитная опора вертикального ротора газовой ультрацентрифуги, содержащая систему постоянных магнитов, установленных соосно с ротором.
Патент DE №1132863, МПК В04В 5/08, опубл. 1962-07-05.
В этой магнитной опоре в открытых полостях радиально подвижных элементов расположена демпфирующая жидкость, поэтому частицы жидкости могут мигрировать внутрь полых роторов, а установка герметичных крышек на полости с жидкостью в подвижных элементах усложняет конструкцию магнитных опор.
Задача данного изобретения состоит в создании магнитной опоры с усиленной радиальной жесткой связью при сохранении приемлемого значения нагрузки на нижнюю опору, обеспечивающей работоспособность быстровращающихся роторов в процессе разгона и эксплуатации, повышение надежности и долговечности работы.
Поставленная задача достигается тем, что в магнитной опоре вертикального ротора, расположенной в устройстве в виде полого тонкостенного вертикального ротора, установленного в корпусе, опирающегося на подпятник, содержащей систему постоянных магнитов, установленных соосно с ротором, система магнитов содержит магниты, закрепленные на неподвижных элементах устройства, между которыми установлен один или несколько магнитов, закрепленных на вращающихся элементах устройства.
Кроме того, неподвижный элемент представляет собой коллектор, на котором один из магнитов закреплен выше тонкостенного вертикального ротора, а другой в его полости.
Кроме того, магниты могут быть выполнены кольцевыми.
Кроме того, сечение магнитов может быть выполнено прямоугольным.
Кроме того, сечение магнитов может быть иметь произвольную форму.
Кроме того, магниты могут быть выполнены из материала с высокой электропроводностью.
Кроме того, на неподвижных элементах устройства закреплено несколько магнитов, между которыми установлены несколько магнитов, закрепленных на вращающемся элементе.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 - продольный разрез вертикального ротора с магнитной опорой.
Фиг. 2 - зависимость величины бесконтактной радиальной жесткой связи f от осевого смещения z магнита, закрепленного на вращающемся элементе, относительно неподвижных магнитов при различных соотношениях расстояния между неподвижными магнитами и высоты магнита, закрепленного на вращающемся элементе.
Фиг. 3 - зависимость подъемной силы F от осевого смещения z магнита, закрепленного на вращающемся элементе, относительно неподвижных магнитов при различных соотношениях расстояния между неподвижными магнитами и высоты магнита, закрепленного на вращающемся элементе.
Магнитная опора вертикального ротора расположена в устройстве, в котором полый тонкостенный вертикальный ротор 1 установлен в неподвижном корпусе 2, и опирается иглой 3 на подпятник 4 нижнего механического демпфера 5. В крышке 6 корпуса 2 закреплен неподвижный коллектор 7, расположенный в полости тонкостенного вертикального ротора 1.
Магнитная опора, представляющая собой систему постоянных магнитов, установленных соосно с полым тонкостенным вертикальным ротором 1, состоит из постоянных магнитов 8 и 9, закрепленных на неподвижных элементах устройства, между которыми установлен постоянный магнит 10 или несколько магнитов, закрепленные на вращающемся элементе.
Например, магнитная опора расположена внутри герметичного корпуса 2 и представляет собой систему постоянных магнитов, установленных соосно с полым тонкостенным вертикальным ротором 1, в которой между закрепленными на неподвижном коллекторе 7 магнитами 8 и 9, один из которых установлен выше тонкостенного вертикального ротора 1, а другой в его полости, расположен магнит 10, закрепленный на вертикальном роторе 1.
Магниты могут быть выполнены кольцевыми.
Взаимное расположение магнитов выбирается (или рассчитывается) таким образом, чтобы параметры магнитной опоры - нагрузка на нижнюю опору, а следовательно, момент трения и величина бесконтактной радиальной жесткой связи были оптимальны.
Сечение магнитов может быть выполнено прямоугольным.
Сечение магнитов может иметь произвольную форму, представляющую различные геометрические фигуры и их комбинации.
Магниты могут быть выполнены из материала с высокой электропроводностью.
Магнитная опора работает следующим образом.
Опирающийся иглой 3 на подпятник 4 полый тонкостенный вертикальный ротор 1 удерживается в вертикальном положении благодаря бесконтактной радиальной жесткой связи магнитной опоры, представляющей собой систему магнитов, причем бесконтактная радиальная жесткая связь создается за счет взаимодействия осесимметричного магнитного поля магнитов 8 и 9 и магнита 10. При этом осевая сила взаимодействия магнитов 8 и 9 и магнита 10 частично разгружает подпятник 4 от веса ротора, уменьшая трение в опоре и износ ее элементов.
Анализируя графики зависимостей величин бесконтактной радиальной жесткой связи f и подъемной силы F от величины смещения z магнита, закрепленного на вращающемся элементе, относительно закрепленных на неподвижных элементах устройства магнитов, можно сделать вывод о симметричности характеристик относительно центрального положения.
В зоне точки симметрии на характерной кривой бесконтактной радиальной жесткой связи наблюдается широкий участок с практически постоянным при определенном взаимном положении магнитов значением величины бесконтактной радиальной жесткой связи с малыми значениями величин осевых усилий. И, напротив - на участках с малыми величинами бесконтактной радиальной жесткой связи наблюдаются участки с практически постоянными значениями осевых усилий.
Рабочие характеристики такой магнитной опоры при различных соотношениях расстояния между магнитами, закрепленными на неподвижных элементах устройства, и высоты магнита, закрепленного на вращающемся элементе, позволяют выбрать вариант взаимного расположения магнитов с оптимальными параметрами величин давления на нижнюю опору и радиальной жесткой связи.
Во время разгона ротора 1 при прохождении критических частот вращения, а также на рабочем режиме за счет нутации, остаточного дисбаланса и действия случайных внешних сил ротор 1 может совершать колебания относительно нижней опоры, а составные и длинные роторы могут быть подвержены изгибным колебаниям. В случае выполнения магнитов из материала с высокой электропроводностью усиливается эффект радиального и осевого демпфирования.
По сравнению с известными магнитными опорами повышается эффективность использования магнитов за счет более полного использования энергии магнитного потока. При этом может быть сэкономлено до 50% массы магнитного материала, что особенно актуально при использовании дорогих редкоземельных металлов для изготовления магнитов.