СТАТОР СФЕРИЧЕСКОГО МАГНИТНОГО ПОДВЕСА Российский патент 1996 года по МПК G01C19/24 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при неконтактном подвешивании силами электромагнитного поля ферромагнитных тел со сферической опорной поверхностью. Такие подвесы используются, например, для подвеса роторов гироскопов. Электромагниты подвеса чаще всего сгруппированы на магнитопроводах двух соосных статоров подвеса, между которыми размещается подвешиваемое тело.

Известен статор подвеса, выполненный из плоских пластин электротехнической стали [1]
Этот статор содержит кольцевой магнитопровод с осевой симметрией и равномерно распределенными по окружности полюсами электромагнитов. В зоне взаимодействия статора с подвешиваемым телом полюса электромагнитов имеют сферическую поверхность.

Магнитопровод набран из пластин электротехнической стали и имеет наружные поверхности параллельные между собой. Полюс электромагнита ограничен поверхностями, формирующими пазы между соседними полюсами, в которых размещаются проводники обмоток электромагнитов. В зоне взаимодействия с подвешиваемым телом, рассматриваемые пазы имеют радиальные части, т.е. участки, на которых сохраняется постоянным расстояние между боковыми поверхностями соседних полюсов.

К недостаткам приведенной конфигурации статора подвеса относятся:
большая длина магнитных цепей;
значительные магнитные потоки рассеяния;
невозможность применения жестких катушек электромагнитов без существенного уменьшения сечения полюсов, что затрудняет автоматизацию изготовления катушек и сборки статоров;
плохая организация пространства вокруг подвешиваемого тела, препятствующая, например, созданию миниатюрных гироскопов.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание статора сферического магнитного подвеса с увеличенной несущей способность, уменьшенными размерами и энергопотреблением, а также в большей степени пригодного для серийного изготовления.

Указанный результат достигается путем соответствующего изменения формы магнитопровода статора подвеса и размещенных в нем катушек электромагнитов. При этом, оси симметрии полюсов статора ориентированы по нормалям к участкам сферических поверхностей, взаимодействующим с подвешиваемым телом. Такое техническое решение обеспечивает приближение катушек электромагнитов к рабочей зоне, уменьшение протяженности магнитных цепей и увеличение сечения полюсов. Предложенные формы полюсов, пазов между ними и катушек обеспечили также снижение потоков рассеяния и возможность применения жестких катушек, предварительно сформованных на оправках. Настоящее изобретение стало возможным при использовании феррита в качестве ферромагнитного материала сердечника статора. В данном случае феррит используется как изотропный ферромагнитный и конструкционный материал. Применение феррита позволило создать объемную конструкцию, способную в большей степени оптимизировать параметры статора подвеса.

Изобретение поясняется фиг. 1, а, б, и 2 а, б, на которых изображена конфигурация части 1 сердечника предложенного статора и фиг.3, а, б, изображающей конфигурацию катушки электромагнита этого статора.

Внешняя 2 и внутренняя 3 поверхности полюса 4 образованы частями боковых поверхностей двух соосных прямых круглых конусов с вершинами O₂ и O₃, лежащими на оси О-О симметрии магнитопровода и одинаково ориентированными вдоль этой оси. Угол α₁ конуса при вершине О₂ больше соответствующего угла α₂ при вершине O₃.

Боковые поверхности 5 и 6 полюса 4 образованы двумя плоскостями, пересекающимися под некоторым углом Φ по линии Г-Г, составляющей угол a₂ с осью О-О и лежащей в плоскости А-А симметрии полюса 4. Поверхности 5 и 6 расположены симметрично относительно плоскости А-А.

Центр O₁ сферической поверхности 7 лежит на оси О-О между вершинами O₂ и O₃ упомянутых ранее конусов.

Сечение В-В полюса 4 в плоскости, нормальной к линии Г-Г представляет собой фигуру, образованную двумя кривыми АБ и ВГ и двумя отрезками прямых АВ и БГ, пересекающимися между собой под углом Φ.. Такая форма боковых поверхностей полюса обеспечивает постоянство угла Φ для всех аналогичных сечений полюса, проведенных на различных расстояниях от поверхности 7, в то время, как кривизны дуг, длина дуги выпуклой части сечения и длины отрезков прямых, образующих сечения, имеют разные значения. По мере удаления от поверхности 7, площадь сечения полюса и расстояния между соседними полюсами увеличивается.

Поверхности 8 оснований пазов в магнитопроводе между полюсами ориентированы так, чтобы они касались боковой поверхности прямого круглого конуса с вершиной O₄, расположенной на оси О-О и ориентированной вдоль нее в противоположном направлении по отношению к указанным ранее конусам. Угол a₃ при вершине конуса О₄ выбран таким образом, чтобы выполнялось соотношение α₂<α₃<α₁. При этом, в радиальном сечении Б-Б образующие конусов с вершинами O₂ и O₃ пересекаются с образующей конуса с вершиной O₂ под углами, близкими к прямым.

При всей сложности формы полюсов и пазов между ними предложенная конфигурация магнитопровода статора подвеса достаточно технологична и допускает одевание соответствующим образом выполненных жестких катушек электромагнитов на полюса.

При конструировании сферического магнитного подвеса в ограниченном пространстве часто не хватает места для размещения проводников, подводящих питание к катушкам электромагнитов статоров, а также проводов связи между отдельными компонентами устройства, в состав которого входит магнитный подвес. С целью обеспечения возможности передачи энергии и сигналов через конструкцию статора подвеса на наружной поверхности магнитопровода выполнены пазы 9, расположенные в плоскостях симметрии полюсов. Такое расположение пазов существенно не уменьшает сечение магнитопровода для проходящих через него магнитных потоков и позволяет более компактно выполнить конструкцию устройства со сферическим магнитным подвесом.

В состав предложенного статора входит жесткая катушка электромагнита, конфигурация которой приведена на рис. 3а, б. Внутренняя форма катушки в известной мере повторяет форму наружных поверхностей полюса 4 за исключением части, обращенной к оси симметрии статора подвеса. Эта часть выполнена плоской, что упрощает технологию образования формы катушки и не препятствует ее размещению на магнитопроводе статора.

Предложенная конфигурация жесткой катушки в совокупности с предложенной конфигурацией магнитопровода статора подвеса позволяет ее одевать на зубцы магнитопровода.

Экспериментальная проверка свойств предложенного статора в составе сферического магнитного подвеса показала существенное увеличение его максимальной подъемной силы по отношению к ранее применявшимся прототипам при одновременном уменьшении габаритов и потребляемой мощности.

Использование: в области точного приборостроения при неконтактном подвешивании ферромагнитных тел со сферической опорной поверхностью силами электромагнитного поля, например, для подвеса ротора гироскопа. Сущность изобретения: в статоре магнитного подвеса с полюсами, имеющими сферическую поверхность в зоне взаимодействия статора с подвешиваемым сферическим телом, и размещенными на его полюсах катушками электромагнитов, полюса статора имеют форму, образованную участками боковых поверхностей двух соосных прямых круглых конусов, вершины которых одинаково ориентированы вдоль оси симметрии статора, причем угол при вершине конуса, образующего внешние поверхности, больше соответствующего угла конуса, образующего внутренние поверхности, а боковые поверхности каждого полюса образованы двумя пересекающимися плоскостями, расположенными таким образом, чтобы в любом сечении полюса, нормальном по отношению к направлению одевания на него катушки электромагнита, образовалась фигура, ограниченная двумя дугами и двумя отрезками прямых, пересекающихся для любого сечения под одним и тем же углом, причем отрезки прямых расположены симметрично по разные стороны оси симметрии сечения полюса. Такая конфигурация статора обладает увеличенной несущей способностью. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Статор сферического магнитного подвеса с осевой симметрией, кольцевым магнитопроводом, полюсами электромагнитов, равномерно распределенными по окружности и имеющими сферическую поверхность в зоне их взаимодействия с подвешиваемым телом, катушками электромагнитов, расположенными на полюсах, отличающийся тем, что полюса статора имеют форму, образованную участками боковых поверхностей двух соосных прямых круглых конусов, вершины которых одинаково ориентированы вдоль оси симметрии статора, причем угол при вершине конуса, образующего внешние поверхности полюсов, больше соответствующего конуса, образующего внутренние поверхности, а боковые поверхности каждого полюса образованы двумя плоскостями, пересекающимися по линии, параллельной линии, лежащей в плоскости симметрии полюса на поверхности конуса, образующего внутреннюю поверхность полюса. 2. Статор по п. 1, отличающийся тем, что основания пазов между полюсами образованы вогнутыми поверхностями, касающимися в своей средней части боковой поверхности прямого круглого конуса, соосного с конусами, образующими внешние и внутренние поверхности полюсов и с противоположной ориентацией вершины по отношению к ориентации вершин указанных конусов. 3. Статор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что на внешней цилиндрической поверхности магнитопровода статора в плоскости симметрии каждого полюса выполнены пазы. 4. Статор по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что форма сечения каждой жесткой катушки повторяет форму сечения полюса, причем вогнутая дуга заменяется хордой.