МАГНИТНАЯ ПОДВЕСКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК H02K7/09 

Изобретение относится к приборостроению и касается устройств, обеспечивающих неконтактный подвес ферромагнитного элемента (элементов) с полезной нагрузкой.

Известна электромагнитная подвеска, содержащая подвижный ферромагнитный элемент (якорь) и обмотку вертикальной стабилизации подвижного элемента (см. Сарахов А. И. "Весы в физико-химических исследованиях", М., "Наука", 1968, стр. 155, рис. 100). Однако указанная простейшая конструкция в качестве "магнитной опоры" непригодна, поскольку имеет малую нагрузочную способность и не обеспечивает достаточной радиальной (боковой) жесткости.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению для всех его вариантов является магнитная подвеска, защищенная патентом США 3731984, МПК F 16 C 39/06 (опуб. 08.05.1973). Прототип - "Магнитная подвеска цилиндрического ротора" включает два симметрично расположенных по обе стороны ротора неподвижных кольцевых источника магнитного поля с продольной (осевой) ориентацией вектора магнитной индукции, а также закрепленные на торцах ротора пассивные элементы - ферромагнитные центрирующие узлы. Таким образом, магнитное поле концентрируется в кольцевых зазорах (рабочих зазорах) между источниками поля и центрирующими узлами, что позволяет при значительной нагрузочной способности повысить радиальную жесткость подвески.

В частности, на фиг.2 описания патента изображена "магнитная растяжка", поскольку силы магнитного взаимодействия в верхней и нижней частях устройства направлены противоположно. Эта конструкция наиболее выгодна, если требуется центрировать ротор сравнительно небольшой массы при ожидаемых радиальных нагрузках (например, анемометр или расходомер).

На фиг. 1 описания патента изображена подвеска типа "тандем", в которой магнитные силы складываются. Такая конструкция рекомендуется для массивного ротора в условиях отсутствия значительных возмущений (например, ультрацентрифуга). Следует отметить, что показанная на фиг.1 конструкция является "неразъемной", поскольку для извлечения ротора необходимо демонтировать узлы как подвижной, так и неподвижной частей. На практике устройства с магнитной подвеской приходится довольно часто разбирать для очистки от загрязнений, неизбежно попадающих в открытые рабочие зазоры. Наконец, описанная в прототипе подвеска все-таки не обладает достаточной устойчивостью по всем степеням свободы ротора. Существует специфическая опасность неконтролируемого разворота - "перекоса" - ротора относительно оси, перпендикулярной основной оси устройства. Это может привести к аварийной ситуации - прямому механическому контакту подвижной и неподвижной частей.

Задачей создания изобретения является разработка конструкции магнитной подвески с повышенной устойчивостью ротора и с возможностью увеличения рабочих зазоров, а также одновременное повышение нагрузочной способности и снижение энергоемкости.

Поставленная задача по 1-му варианту решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения и общих с прототипом - таких как магнитная подвеска немагнитного цилиндрического ротора, состоящая из верхнего и нижнего магнитных блоков, включающих неподвижные кольцевые источники магнитного поля с осевой ориентацией вектора магнитной индукции и закрепленные на торцах немагнитного цилиндрического ротора ферромагнитные центрирующие узлы, а также отличительных, существенных признаков -каждый независимый центрирующий узел содержит 2n ферромагнитных элементов, выполненных в виде секторов пустотелых концентрических усеченных конусов, при этом внешние указанные ферромагнитные элементы попарно соединены с противолежащими относительно оси вращения внутренними указанными ферромагнитными элементами посредством ферромагнитных перемычек, причем нижний центрирующий узел повернут относительно верхнего на 180^o/n вокруг оси вращения, где n≥3.

Форма, размещение в пространстве элементов позволяет получить результат - создать конструкцию магнитной подвески с повышенной радиальной жесткостью, а также повысить нагрузочную способность и снизить энергоемкость.

Поставленная задача по 2-му варианту решается с помощью признаков, указанных во 2-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом - таких как магнитная подвеска немагнитного цилиндрического ротора, состоящая из верхнего и нижнего магнитных блоков, включающих неподвижные кольцевые источники магнитного поля с осевой ориентацией вектора магнитной индукции и закрепленные на торцах немагнитного цилиндрического ротора ферромагнитные центрирующие узлы, а также отличительных, существенных признаков - при пустотелом немагнитном цилиндрическом роторе указанный верхний кольцевой источник магнитного поля выполнен в виде постоянного магнита, а нижний - в виде ферромагнитного стержня с управляющей обмоткой, установленного по оси вращения, нижний конец которого снабжен полюсным наконечником в виде диска с краевым утолщением, под которым расположен нижний ферромагнитный центрирующий узел, при этом каждый ферромагнитный центрирующий узел содержит n≥3 ферромагнитных элементов, выполненных в виде секторов пустотелых усеченных конусов, причем указанные ферромагнитные элементы верхнего центрирующего узла попарно соединены с противолежащими относительно оси вращения указанными ферромагнитными элементами нижнего центрирующего узла посредством спиральных магнитопроводов, идущих вдоль всей длины немагнитного цилиндрического ротора, при этом диаметр диска полюсного наконечника и управляющей обмотки указанного нижнего кольцевого источника магнитного поля меньше внутреннего диаметра немагнитного цилиндрического ротора, а внутренний диаметр нижнего ферромагнитного центрирующего узла меньше диаметра диска полюсного наконечника нижнего кольцевого источника магнитного поля.

Вышеописанная форма и размещение элементов наряду с другими признаками позволяет получить технический результат - создать магнитную подвеску с повышенной радиальной устойчивостью ротора и минимальным энергопотреблением.

Поставленная задача по 3-му варианту решается с помощью признаков, указанных в 3-м пункте формулы изобретения и общих с прототипом - таких как магнитная подвеска немагнитного цилиндрического ротора, состоящая из двух расположенных по обе его стороны магнитных блоков, включающих неподвижные кольцевые источники магнитного поля с осевой ориентацией вектора магнитной индукции и закрепленные на торцах немагнитного цилиндрического ротора ферромагнитные центрирующие узлы, а также отличительных, существенных признаков - указанные неподвижные кольцевые источники магнитного поля выполнены в виде постоянных магнитов, а каждый ферромагнитный центрирующий узел содержит n≥3 ферромагнитных элементов, выполненных в виде секторов пустотелых усеченных конусов, причем указанные ферромагнитные элементы одного ферромагнитного центрирующего узла попарно соединены с противолежащими относительно оси вращения ферромагнитными элементами другого ферромагнитного центрирующего узла посредством спиральных ферромагнитных перемычек, идущих вдоль всей длины немагнитного цилиндрического ротора, торцы которого снабжены вкладышами из твердого немагнитного материала, а кольцевые источники магнитного поля имеют немагнитные игольчатые упоры, контактирующие с вкладышами из твердого немагнитного материала немагнитного цилиндрического ротора.

Форма и размещение элементов наряду с другими признаками позволяет получить технический результат - создать достаточно простую конструкцию магнитной подвески, не требующую электрического питания.

Наиболее предпочтительный вариант выполнения вкладышей и упоров нашел отражение в 4-м пункте формулы изобретения, а именно - вкладыши выполнены из стекла, а немагнитные упоры представляют собой микрометрические винты с игольчатыми наконечниками.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
На фиг.1 представлена подвеска по 1-му варианту (продольный разрез), на фиг.2 - расположение конических секторов и перемычек в пространстве, на фиг. 3 - магнитная подвеска по 2-му варианту (вид сбоку и частичный продольный разрез) и на фиг.4 - магнитная подвеска по 3-му варианту (продольный разрез).

Магнитная подвеска немагнитного цилиндрического ротора 1 по 1-му варианту состоит из двух разнесенных по вертикали независимых магнитных блоков, включающих кольцевые источники магнитного поля 2-3 с продольной (осевой) ориентацией вектора магнитной индукции и закрепленные на торцах ротора 1 ферромагнитные центрирующие узлы 4-5-6. Центрирующий узел содержит 2n (где n≥3) элементов, выполненных в виде секторов пустотелых концентрических усеченных конусов, причем внешние секторы 4 попарно соединены с противолежащими относительно оси вращения внутренними секторами 5 посредством ферромагнитных перемычек 6 (сплошных или состоящих из набора проволок). Источники магнитного поля здесь - электромагниты 2 с обмотками 3. Нижний магнитный блок (электромагнит и центрирующий узел) является зеркальной копией верхнего магнитного блока, однако при этом повернут на угол 180^o/n относительно геометрической оси устройства. На фиг.2 показана форма элементов верхнего центрирующего узла и их взаимное расположение в пространстве. Чтобы соблюдалось равенство площадей магнитных потоков, при n=3 внешний сектор 4 охватывает угол около 60^o, а внутренний сектор 5 - угол до 110^o. Таким образом, соотношение диаметров внешнего и внутреннего конусов равно 2 (на фиг.2 - несколько больше для наглядности). Особо следует отметить, что толщина конических элементов меньше толщины стенок магнитопровода 2 (при соответственно большей индукции насыщения материала элементов 4, 5). Угол раскрытия конусов - не менее 45^o, а длина элементов 4, 5 вдоль образующей конуса примерно равна ширине "окна" обмотки 3. Следует отметить, что отклонения в пределах 10-20% от указанных значений вполне допустимы.

Устройство работает следующим образом. При прохождении тока через обмотку 3 в магнитной цепи возникает магнитный поток сложной конфигурации, последовательно обтекающий все секторы и перемычки. При вращении ротора перемагничивания элементов не происходит, однако зоны концентрации поля перемещаются вдоль стенок магнитопровода 2. Это вызывает некоторые побочные "тормозные" эффекты, но они на много порядков меньше трения в любом механическом подшипнике. При большом диаметре ротора число элементов 4, 5 можно увеличить до 10-14, однако слишком большое число секторов приводит к "коротким замыканиям" магнитных потоков внутри центрирующих узлов. Как и в прототипе, имеется серьезное ограничение на величину рабочих зазоров (что связано с т.н. "потоком рассеяния" внутри электромагнита 2, 3).

Магнитная подвеска немагнитного цилиндрического ротора 7 по 2-му варианту состоит из двух разнесенных по вертикали магнитно-связанных источников поля: верхнего 8 и нижнего 9-12-13 с продольной (осевой) ориентацией вектора магнитной индукции, а также двух ферромагнитных центрирующих узлов - верхнего 10 и нижнего 11. Верхний источник магнитного поля 8 представляет собой постоянный магнит - например, из сплава Fe-B-Nd с большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией на уровне 1 Тл. При этом немагнитный цилиндрический ротор 7 выполнен пустотелым и на его геометрической оси (оси вращения) установлен центральный ферромагнитный стержень 12 с управляющей обмоткой 13. Нижний конец стержня 12 снабжен полюсным наконечником 9 в форме диска с краевым утолщением, под которым расположен нижний центрирующий узел 11. Центрирующие узлы состоят из n≥3 элементов, соединенных идущими по всей длине ротора 7 спиральными магнитопроводами 14.

Форма магнитопроводов 14 объясняется необходимостью предельно снизить паразитный поток рассеяния между ними и полюсным наконечником 9. Таким образом, в нижней части устройства также создается кольцевая зона концентрации поля. Отсюда соотношение геометрических размеров - внутренний диаметр нижнего центрирующего узла 11 меньше диаметра полюсного наконечника 9, а он в свою очередь меньше внутреннего диаметра ротора 7 (устройство легко разбирается).

Основной массивный ротор (на фиг.3 не показан) имеет традиционную форму кольца, "одевается" сверху и опирается на выступ ротора-каркаса 7. При вращении основной ротор принимает на себя все центробежные нагрузки. Элементы 14 несколько деформируются и "заклиниваются" внутри основного ротора, обеспечивая достаточно жесткую связь между частями конструкции во время вращения.

Подвеска по 2-му варианту работает следующим образом. Элементы верхнего центрирующего узла 10 выполнены тонкими из специального материала (сплав типа "пермендюр") и намагничены почти до "насыщения", однако в нижней части магнитной цепи индукция поля внутри материала далека от критической за счет большей толщины элементов нижнего центрирующего узла 11. Кроме того, часть магнитного потока замыкается между магнитопроводами 14 и центральным стержнем 12. Обмотка 13 подключена к регулятору с двуполярным питанием. При смещении ротора 7 вниз обмотка 13 создает в центральном стержне 12 "согласный" магнитный поток, сила взаимодействия между диском 9 и нижним центрирующим узлом 11 возрастает и ротор поднимается к положению равновесия. Возникающие вертикальные колебания ротора также гасятся за счет управляющей обмотки 13.

При смещении ротора 7 вверх обмотка 13 создает "встречный" поток, сила взаимодействия диска 9 и элементов 11 уменьшается, в результате чего ротор под действием превосходящей силы тяжести опускается к положению равновесия. Поскольку масса ротора в рабочем режиме постоянна, ток обмотки 13 стремится к нулю и подвеска может удерживать ротор даже при отключении внешнего питания (вспомогательные устройства работают от встроенного аккумулятора).

Особо следует отметить проблему загрязнения воздушных зазоров, прежде всего - ферромагнитными частицами. Если зазоры малы, то несколько мелких частиц способны резко увеличить трение и даже привести к аварии. Поскольку воздушными потоками обычно переносятся ферромагнитные частицы диаметром не более 0,1 мм, то рабочие зазоры должны быть большими примерно на порядок (1-2 мм). Как уже отмечалось выше, устройство с магнитной подвеской должно легко разбираться для очистки внутренних элементов конструкции. Открутив верхнюю гайку 15, все остальные части удаляют последовательно одну за другой (обмотка 13 снабжена штыревыми разъемами). Дополнительно следует отметить, что для уменьшения влияния вихревых токов при импульсном регулировании тока обмотки 13 внутренние ферромагнитные элементы 9, 12 должны иметь радиальные прорези.

Магнитная подвеска применительно к ультрацентрифуге позволяет вообще обойтись без привода как обязательного конструктивного узла. Ротор разгоняется и тормозится гидравлической (масляной) турбиной, а в рабочем режиме вращается по инерции (при условии вакуумирования кожуха, что обычно делается в ультрацентрифугах).

По 3-му варианту магнитная подвеска немагнитного цилиндрического ротора 16 состоит из двух расположенных по обе стороны ротора, одинаковых неподвижных кольцевых источников магнитного поля с продольной (осевой) ориентацией вектора магнитной индукции - постоянных магнитов 17, а также закрепленных на торцах ротора 16 ферромагнитных центрирующих узлов 18, выполненных в виде секторов пустотелых усеченных конусов, причем элементы одного центрирующего узла попарно соединены с противолежащими относительно оси вращения элементами другого центрирующего узла посредством спиральных ферромагнитных перемычек 19, идущих по всей длине ротора, при этом торцы ротора снабжены вкладышами 20 из твердого немагнитного материала, а кольцевые источники поля 17 имеют немагнитные игольчатые упоры 21, контактирующие со вкладышами 20. Вкладыши 20 выполнены предпочтительно из стекла, а немагнитные упоры 21 - в виде микрометрических винтов. Кольцевые источники поля - постоянные магниты 17 - соединены между собой внешним замыкателем 22. При большой коэрцитивной силе магнитов данный элемент не обязателен, однако его наличие позволяет добиться максимальной величины рабочих зазоров.

В устройстве по 3-му варианту реализуется принцип "сквозного" магнитного потока, что позволяет избежать паразитных потоков рассеяния и получить максимальные рабочие зазоры (до 2-3 мм). Изображенное на фиг.4 устройство не является "полной" магнитной подвеской в том смысле, что осевая устойчивость ротора 16 обеспечивается за счет ограничителей 20, 21. Однако при точной юстировке износ ограничителей минимален, а отложения солей на открытых вращающихся поверхностях не происходит. Крупные ферромагнитные частицы могут создать проблему, но применительно к водопроводным сетям проблема снимается - железо в водной среде существует только в виде слабомагнитных химических соединений.

Фиг. 5-10 поясняют особенности заявленных конструкций и поясняют принцип работы магнитной подвески.

На фиг. 5 показана примерная картина распределения магнитного поля в кольцевом зазоре между источником с внешним радиусом R и центрирующим узлом прототипа при небольшом радиальном (параллельном) смещении ротора. Легко заметить, что большая часть магнитного потока ориентирована вдоль оси вращения и соответственно невелика возвращающая сила, действующая на ротор при радиальном смещении. На фиг. 6 показана ситуация, возникающая при "перекосе" ротора устройства с кольцевыми рабочими зазорами. Из геометрических соображений устойчивость ротора возможна при где δR₁ - ширина магнитного кольца, l - длина ротора, R - радиус ротора.

Например, для ротора радиусом 25-30 мм при δR₁~ 5-7 мм и Z≤1 мм условие дает l > 100 мм. Увеличить Z в прототипе невозможно по двум причинам. Во-первых, само по себе увеличение зазоров требует увеличения тока обмоток. Во-вторых, в кольцевом /броневом/ электромагните всегда возникает поток рассеяния, не проходящий через рабочий зазор и замыкающийся внутри магнитопровода. Легко показать /через формулы магнитных проводимостей/, что поток рассеяния минимален при где δR_обм - разность между внешним и внутренним радиусами обмотки /ширина "окна"/. Величина R_обм определяется необходимым сечением провода и количеством витков. Реально h_обм не менее 30-50 мм при δR_обм~ 20-25 мм. Получается, что второе условие входит в противоречие с первым - это и есть главный недостаток прототипа. Наконец, малая радиальная жесткость прототипа ограничивает максимальные радиальные нагрузки, и тем самым идея "магнитной растяжки" оказывается нереализованной.

Целью настоящего изобретения является существенное повышение радиальной жесткости магнитной подвески. Общая идея иллюстрируется фиг. 7. На ней изображен профилированный ферромагнитный элемент, расположенный между двух магнитных полюсов. При выполнении условий
l >> Z, δR₃≥δR₁>δR₂, 45^°<α<60^°
/l - длина профиля, δR₂ - толщина материала профиля, δR₃- образущая профиля, α - "краевой угол"/,
магнитный поток концентрируется в профилированном элементе и его материал близок к "насыщению" /при условии достаточной величины коэрцитивной силы постоянных магнитов/. В продольном направлении /по горизонтали/ профиль неустойчив, но степень неустойчивости быстро падает с приближением к "насыщению".

Наиболее интересная картина наблюдается при поперечном /здесь вертикальном/ смещении профиля. На фиг.8а показано смещение профиля вверх, на фиг. 8б - смещение профиля вниз. При смещении вверх магнитный поток в зазоре напоминает поток между ротором и статором синхронной машины - возникает значительная поперечная компонента поля. Соответственно появляется значительная возвращающая сила. При смещении профиля вниз магнитный поток распределяется на сравнительно большую площадь, а поперечная компонента поля мала.

Если же поместить между двух кольцевых магнитов поверхность, образованную профилем при вращении вокруг внешней оси /показана на фиг.7/, то стабилизирующий эффект окажется не слишком заметным /фиг.9/. Причина - перераспределение магнитных потоков внутри цилиндроконической поверхности /"банки"/. Чтобы повысить устойчивость ротора к "перекосу", необходимо повернуть левую часть профиля относительно правой на 180^o вокруг оси устройства. Teм самым сплошная поверхность распадается на n спиралей, что и составляет суть изобретения. В случае "перекоса" ротора возникает значительный момент сил, возвращающий ротор в коаксиальное положение /фиг.10/. В устройстве по п. 1 настоящей заявки та же идея реализуется для двух раздельных магнитных цепей - аналогично прототипу. "Сквозной" магнитный поток предпочтительнее, но он не всегда на практике может быть реализован.

Хотя предпочтительный пример реализации подвески по каждому варианту описан выше достаточно подробно, в него могут вноситься изменения без отхода от существа изобретения. Кроме того, следует понимать: в рамках приводимой ниже формулы изобретения на практике само изобретение может осуществляться несколько иначе, чем было описано.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к электромагнитным устройствам, обеспечивающим неконтактный подвес ферромагнитного элемента с полезной нагрузкой в ультрацентрифугах, расходомерах и т.д. Магнитная подвеска цилиндрического ротора включает два разнесенных по оси вращения неподвижных кольцевых источника магнитного поля с осевой ориентацией вектора индукции. На роторе закреплены ферромагнитные центрирующие узлы, каждый из которых включает в себя 2n элементов, где n≥3, и выполнен в форме секторов пустотелых концентрических усеченных конусов. Внешние секторы попарно соединены с противолежащими относительно оси вращения внутренними секторами посредством ферромагнитных перемычек. Технический результат заключается в повышении устойчивости ротора, возможности увеличения допустимых рабочих зазоров с одновременным повышением нагрузочной способности и существенным снижением энергоемкости. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Магнитная подвеска немагнитного цилиндрического ротора, состоящая из верхнего и нижнего и магнитных блоков, включающих неподвижные кольцевые источники магнитного поля с осевой ориентацией вектора магнитной индукции, и закрепленные на торцах немагнитного цилиндрического ротора ферромагнитные центрирующие узлы, отличающаяся тем, что каждый ферромагнитный центрирующий узел содержит 2n ферромагнитных элементов, выполненных в виде секторов пустотелых концентричных усеченных конусов, при этом, внешние указанные ферромагнитные элементы попарно соединены с противолежащими относительно оси вращения внутренними указанными ферромагнитными элементами посредством ферромагнитных перемычек, причем, нижний ферромагнитный центрирующий узел повернут относительно верхнего на 180°/n вокруг оси вращения, где n≥3.2. Магнитная подвеска немагнитного цилиндрического ротора, состоящая из верхнего и нижнего магнитных блоков, включающих неподвижные кольцевые источники магнитного поля с осевой ориентацией вектора магнитной индукции и закрепленные на торцах немагнитного цилиндрического ротора ферромагнитные центрирующие узлы, отличающаяся тем, что при пустотелом немагнитном цилиндрическом роторе указанный верхний кольцевой источник магнитного поля выполнен в виде постоянного магнита, а нижний - в виде ферромагнитного стержня с управляющей обмоткой, установленного по оси вращения, нижний конец которого снабжен полюсным наконечником в виде диска с краевым утолщением, под которым расположен нижний ферромагнитный центрирующий узел, при этом, каждый ферромагнитный центрирующий узел содержит n≥3 ферромагнитных элементов, выполненных в виде секторов пустотелых усеченных конусов, причем, указанные ферромагнитные элементы верхнего центрирующего узла попарно соединены с противолежащими относительно оси вращения указанными ферромагнитными элементами нижнего центрирующего узла посредством спиральных магнитопроводов, идущих вдоль всей длины немагнитного цилиндрического ротора, при этом диаметр диска полюсного наконечника и управляющей обмотки указанного нижнего кольцевого источника магнитного поля меньше внутреннего диаметра немагнитного цилиндрического ротора, а внутренний диаметр нижнего ферромагнитного центрирующего узла меньше диаметра диска полюсного наконечника нижнего кольцевого источника магнитного поля.3. Магнитная подвеска немагнитного цилиндрического ротора, состоящая из двух расположенных по обе его стороны магнитных блоков, включающих неподвижные кольцевые источники магнитного поля с осевой ориентацией вектора магнитной индукции и закрепленные на торцах немагнитного цилиндрического ротора ферромагнитные центрирующие узлы, отличающаяся тем, что указанные неподвижные кольцевые источники магнитного поля выполнены в виде постоянных магнитов, а каждый ферромагнитный центрирующий узел содержит n>3 ферромагнитных элементов, выполненных в виде секторов пустотелых усеченных конусов, причем, указанные ферромагнитные элементы одного ферромагнитного центрирующего узла попарно соединены с противолежащими относительно оси вращения ферромагнитными элементами другого ферромагнитного центрирующего узла посредством спиральных ферромагнитных перемычек, идущих вдоль всей длины немагнитного цилиндрического ротора, торцы которого снабжены вкладышами из твердого немагнитного материала, а кольцевые источники магнитного поля имеют немагнитные игольчатые упоры, контактирующие с вкладышами из твердого немагнитного материала немагнитного цилиндрического ротора.4. Магнитная подвеска по п.3, отличающаяся тем, что вкладыши из твердого немагнитного материала выполнены из стекла, а немагнитные игольчатые упоры - в виде микрометрических винтов.