ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОПОРА Российский патент 1995 года по МПК F16C32/04 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к прикладной электромеханики, в частности к устройствам, предназначенным для поддержания как вращающихся, так и невращающихся деталей во взвешенном состоянии, например, для бесконтактной подвески роторов, валов, шпинделей и т.д. вращающихся с любой угловой скоростью.

Известны электромагнитные опоры, представляющие собой электромагнитный подшипник, имеющий кольцевой статор с несколькими полюсами, каждый полюс которого имеет катушку с обмоткой подмагничивания и катушку с обмоткой управления и магнитопроводящий ротор [1,2]
Недостатком известных опор является повышенное энергопотребление обмотками подмагничивания и управления.

Известна конструкция электромагнитной опоры, которая является наиболее близким техническим решением к изобретению и содержит магнитопроводящий статор, состоящий из ярма, равномерно расположенных по окружности восьми полюсов, ротора.

В соосном положении величина рабочего зазора (δ_н) между ротором и полюсами статора по длине окружности постоянна. Каждый полюс имеет катушку с обмоткой подмагничивания и катушку с обмоткой управления положением ротора по соответствующим координатам [3]
Недостатком известной конструкции электромагнитной опоры является повышенный расход электроэнергии в обмотках катушек управления при стабилизации соосности вращающегося магнитопроводящего ротора во время эксплуатации.

Задача изобретения состоит в устранении указанных недостатков опоры.

Предлагаемая электромагнитная опора содержит магнитопроводящий ротор, размещенный с зазором относительно магнитопроводящего статора, состоящего из ярма с симметрично размещенными относительно координатных осей полюсами с внутренними криволинейными поверхностями. Каждый полюс имеет две катушки с обмотками: обмотку подмагничивания и обмотку управления. Обращенная к ротору поверхность каждого полюса статора выполнена криволинейной с образованием неравномерного в окружном направлении зазора между ротором и полюсами статора, причем зазор у наружной радиальной боковой стенки полюса в каждой паре минимальный, а у внутренней боковой стенки полюса (вблизи координатной оси симметрии) максимален. Параметры криволинейности внутренней поверхности каждого полюса выбираются такими, чтобы обеспечивался максимум экономической эффективности электромагнитной опоры. В случае, если неравномерность зазора внутренней поверхности каждой пары полюсов задается радиусом окружности с центром, лежащим на ее координатной оси симметрии и не совпадающим с центром окружности ротора, то максимум эффективности данной конструкции обеспечивается при условии равенства этого радиуса радиусу ротора.

На фиг.1 изображена электромагнитная опора с неравномерным по окружности рабочим зазором между ротором и каждым полюсом статора, в котором внутренняя расточка поверхности каждого полюса представляет собой цилиндрическую поверхность (изображен частный случай, когда число равномерно распределенных по окружности полюсов р 8); на фиг.2 участок опоры с симметрично расположенной относительно координатной оси парой полюсов, внутренняя поверхность каждого полюса имеет угловую величину α_n и расположена под углом α_o относительно координатной оси симметрии. Изображен частный случай, когда внутренняя расточка пары полюсов выполнена по окружности с центром, лежащим на координатной оси симметрии и отстоящим от центра ротора на величину ε, при этом радиус внутренней расточки пары полюсов равен радиусу ротора, чем и достигается максимум эффективности конструкции.

Электромагнитная опора содержит магнитопроводящий ротор 1, магнитопроводящий статор 2, состоящий из ярма 3 с симметрично размещенными относительно координатной оси парами полюсов 4 с внутренними криволинейными поверхностями 5. Каждый полюс имеет две катушки с обмотками: обмотку подмагничивания 6 и обмотку управления 7. Внутренняя поверхность каждого полюса выполнена криволинейной с образованием неравномерного по окружности зазора с ротором, при этом зазор у наружной радиальной боковой стенки полюса в каждой паре минимальный, а у внутренней боковой стенки полюса (вблизи координатной оси симметрии) максимален, т. е. величина зазора увеличивается от δ_min до δ_max по длине окружности ротора от периферии к оси симметрии OY. При этом параметры криволинейности внутренней поверхности каждого полюса выбираются такими, чтобы обеспечивался максимум экономической эффективности электромагнитной опоры.

В случае, когда внутренняя поверхность каждого полюса выполнена по радиусу окружности с центром, лежащим на координатной оси симметрии и не совпадающим с центром окружности ротора (фиг. 2), то критерию максимума экономической эффективности электромагнитной опоры в этом случае отвечает условие выполнения равенства указанного радиуса радиусу окружности ротора.

Для уменьшения потерь в электромагнитной опоре на вихревые токи и для увеличения быстродействия статор может выполняться из набора шихтованных пластин, а магнитопроводящий ротор из набора шихтованных колец. При этом чередование полярностей полюсов (если статор содержит более одной пары полюсов) обеспечивается соответствующим подключением обмоток полюсных катушек, причем полюса, примыкающие к участку магнитопровода между парами смежных полюсов, имеют одинаковую полярность (фиг.1).

Электромагнитная опора работает следующим образом. Обмотки подмагничивания обеспечивают необходимую "растяжку ротора" (магнитную) и тем самым определяют рабочую точку на кривой намагничивания стали, которая обеспечивает заданный интервал регулирования электрического тока в обмотках управления положением ротора. При отклонении магнитопроводящего ротора от положения равновесия возникают сигналы, подающиеся на обмотку управления соответствующей координаты, электрический ток в обмотке управления изменяется по величине, электромагнитная сила возврата увеличивается и ротор возвращаeтся в положение равновесия.

Сравнительный анализ работы известной и предложенной конструкции (фиг.1 и 2) показывает, что при отклонении ротора от положения равновесия (Δ > 0) при наличии электрического тока в обмотках подмагничивания сила притяжения ротора к полюсам статора в заявляемой конструкции значительно ниже, чем в прототипе, в связи с чем требуется и формирование меньших по величине сил возврата ротора в исходное положение, что потребует и меньших затрат электроэнергии на формирование этих сил возврата.

Эффективность предложенной конструкции электромагнитной опоры зависит от правильного выбора закона формирования неравномерности зазора между полюсами статора и ротором, находящимся в положении равновесия (Δ 0). Так, например, если внутренняя поверхность каждой пары смежных полюсов определяется радиусом окружности с центром, лежащим на координатной оси симметрии пары полюсов и не совпадающим с центром вращения ротора, то максимум экономической эффективности конструкции достигается при условии равенства этого радиуса радиусу ротора (фиг.2).

Для большей наглядности преимущества поиска оптимальных геометрических соотношений для выбранного закона формирования неравномерности зазора между ротором и полюсами статора для выявления максимальной эффективности предложенной электромагнитной опоры рассмотрим вариант сравнения при равенстве магнитной проводимости рабочего зазора известной конструкции [3] и предложенной конструкции. Этот вариант сравнения наиболее целесообразен, так как в данном случае речь идет об экономии электрической энергии, затрачиваемой на возврат ротора в исходное положение при его отклонении от соосности. Условием же равенства потребляемой энергии в положении равновесия (Δ 0) является равенство магнитных проводимостей рабочих зазоров.

Для упрощения вычислений и снижения объема приводимых результатов, приводим результаты расчета для полюса одной пары смежных полюсов.

Расчет проводился при разных типоразмерах ротора для случая (фиг.2), когда внутренняя поверхность полюса выполнена по окружности радиуса R с центром, лежащим на координатной оси симметрии и отстоящим от центра окружности ротора радиуса r_p на величину ε, при этом угловые характеристики полюса составляют величину
α_n π / 8 α_o α_n / 2.

В табл.1-7 приведены результаты расчетов при следующих исходных данных;
для прототипа: R 150,6 мм; r_p 150 мм, δ_н= 0,6 мм R r_p + δ_н;
для изобретения: r_p 150 мм, R менялось от 149,7 мм до 150,2 мм с шагом 0,1 мм, а параметр ε определялся из условия равенства магнитной проводимости зазора известной и предложенной электромагнитных опор.

В обеих конструкциях: высота полюсов 59 мм, осевая длина статора L 50 мм, материал магнитопровода: сталь Э330 ГОСТ 21427.0-75
Удельные параметры, относительно которых были проведены расчеты:
- магнитная проводимость рабочего зазора;
равнодействующая силы притяжения, действующая на одном полюсе,
проекция равнодействующей силы притяжения на направление оси OY;
K₁, K₂ размерные константы соответствующих параметров,
ΔF · 100% эффективность или относительный выигрыш в управляющих силах, т. е. чем выше эта величина, тем требуется меньший расход электрической энергии на создание управляющих электромагнитных сил, индексы: п прототип, и изобретение.

Результаты расчета известной электромагнитной опоры [3] при R=150,6 мм, ε 0 приведены в табл. 1; результаты расчета предложенной электромагнитной опоры в табл.2-7.

Как видно из табл. 1-7 для типоразмера радиуса ротора r_p 150 мм наибольшая экономическая эффективность конструкции изобретения во всем диапазоне изменения отклонения ротора от положения соосности наблюдается при R r_p.

В табл. 8-9 приведены результаты расчетов эффективности при α_n π / 8 α_o α_n / 2 и следующих типоразмерах ротора и зазора прототипа в сравнении с конструкцией изобретения:
1) R 100,5 мм; r_p 100 мм; δ_н= 0,5 мм
λ_R/K₁ (Δ= 0) 785,3981634 (табл.8),
2) R 50,35 мм; r_p 50 мм; δ_н= 0,35 мм
λ_R/K₁ (Δ= 0) 1121,997375 (табл.9).

Результаты расчета показывают, что и при других типоразмерах радиуса ротора и номинального рабочего зазора (табл.8-9) максимум эффективности наблюдается при соотношении R r_p во всем диапазоне отклонения ротора от положения равновесия. Причем эффективность использования конструкции изобретения тем выше, чем больше типоразмер радиуса ротора и больше возможное отклонение ротора от положения равновесия.

Режим очень больших отклонений ротора характерен для аварийных ситуаций, возникающих в непредвиденных случаях, например, во время экспериментальных исследований, при прохождении ротором резонансных частот вращения, частичной или полной потери жесткости опоры из-за возникновения каких-либо неисправностей. Поэтому в каждом отдельном случае требуемая эффективность предложенной электромагнитной опоры может быть заранее предопределена исходя из ожидаемого возможного диапазона отклонений ротора от положения равновесия.

Показатель экономии электроэнергии зависит от крутизны кривой намагничивания стали, т.е. от выбора используемого магнитного материала опоры. Как правило, одновременно не удается совместить в одном магнитном материале и требование высокой прочности при больших угловых скоростях вращения, и требование необходимых магнитных свойств материала. Отсюда и возможность получения широкого диапазона получаемой экономии электроэнергии в зависимости от выбора магнитного материала электромагнитной опоры.

В данном случае существенным является то, что предложенная конструкция обеспечивает наименьшую силу притяжения ротора к полюсам статора при отклонении ротора от положения равновесия в широком диапазоне изменения типоразмеров электромагнитной опоры по диаметру ротора и ее номинальному рабочему зазору. И именно это уменьшение силы притяжения приводит к тому следствию, которое ведет к достаточности создания наименьших управляющих сил, необходимых для возврата ротора в исходное положение, а это ведет к меньшему потреблению электроэнергии на переходных режимах работы конструкции.

Использование изобретения позволит повысить надежность электромагнитной опоры при минимальном расходе электроэнергии.

Использование: область машиностроения, а именно прикладная электромеханика, в частности, устройства для поддержания вращающихся деталей во взвешенном состоянии. Сущность изобретения: электромагнитная опора содержит магнитопроводящий ротор, охваченный с зазором магнитопроводящим статором с симметрично размещенными относительно координатных осей полюсами, имеющими обмотки подмагничивания и обмотки управления. Обращенная к ротору криволинейная поверхность каждого полюса статора формирует неравномерный по окружности ротора зазор, увеличивающийся от наружной боковой стенки полюса к координатной оси симметрии пары полюсов. Криволинейные поверхности каждой пары полюсов выполнены с одинаковыми радиусами кривизны, равными радиусу наружной поверхности ротора с общим центром кривизны на координатной оси симметрии и смещенными относительно центра окружности ротора к указанным полюсам. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 9 табл.

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОПОРА, содержащая магнитопроводящий ротор, размещенный с зазором относительно магнитопроводящего статора с симметрично размещенными относительно координатных осей полюсами, на которых расположены обмотки подмагничивания и обмотки управления для каждой пары полюсов, отличающаяся тем, что обращенная к ротору поверхность каждого полюса статора выполнена криволинейной с образованием неравномерного зазора между ротором и полюсами статора, причем с увеличением зазора в направлении от наружной радиальной боковой стенки полюса в каждой паре к координатной оси симметрии данной пары полюсов. 2. Опора по п.1, отличающаяся тем, что криволинейные поверхности каждой пары полюсов выполнены с одинаковыми радиусами кривизны, равными радиусу наружной поверхности ротора, с общим центром кривизны, расположенным на координатной оси симметрии данной пары полюсов, смещенным относительно центра окружности ротора к указанным полюсам.