МАГНИТНАЯ ОПОРА ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА Российский патент 2005 года по МПК F16C32/04 B04B9/12 

Изобретение относится к верхним магнитным опорам высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения, посредством которых роторы удерживаются в вертикальном положении, например, роторов накопителей энергии, центрифуг, гироскопов и подобных устройств.

В верхних опорах высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения для уменьшения давления на нижнюю опору применяют магнитные подшипники, повышающие надежность и долговечность работы опор. Для выполнения функций осевой разгрузки нижней опоры и стабилизации вертикального положения оси вращения ротора, верхняя магнитная опора должна обладать достаточными осевой силой притяжения и радиальной жесткостью и иметь относительно малые массу и габариты вращающихся элементов.

Известна магнитная опора ротора, вращающегося вокруг вертикальной оси, содержащая неподвижный кольцевой постоянный магнит с двумя полюсными наконечниками, расположенными на рабочем торце, разнесенными по радиусу и направленными вниз, и установленный на роторе якорь в виде втулки с двумя ответными по отношению к полюсным наконечникам кольцевыми выступами, имеющими одинаковые с полюсными наконечниками размеры и отдаленными от них осевым зазором. Опора снабжена также по меньшей мере одним диском, установленным на роторе между кольцевыми электрообмотками, для компенсации части силы веса ротора и его осевых отклонений (Патент Великобритании №13379987, F 16 С 32/04, опубл. 08.01.75).

Эта магнитная опора разгружает нижнюю опору ротора и стабилизирует его вертикальное положение. Однако она отличается сложной конструкцией, имеет увеличенную массу и радиальные габариты вращающегося с ротором якоря, что неприемлемо для высокооборотных роторов.

Известна также магнитная опора ротора, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно ротору на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над втулкой соосно ей, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита (Патент ФРГ №1071593, В 04 В 9/12, опубл.09.06.90).

Данная магнитная опора обеспечивает вращение ротора без механических контактов с элементами верхней части корпуса, разгружает нижнюю опору действием осевой силы притяжения магнита и стабилизирует положение оси вращения ротора за счет радиальной жесткости, обусловленной действием симметричного магнитного поля. Однако конструкция элементов данной магнитной опоры не позволяет эффективно использовать энергию магнита для повышения несущей способности и жесткой опоры. В этой опоре увеличение осевой силы притяжения ротора и повышение радиальной жесткости может быть достигнуто за счет увеличения массы и габаритов магнита, что существенно увеличивает стоимость, особенно при использовании редкоземельных материалов для магнита.

Ближайшим техническим решением к предложенному является магнитная опора ротора газовой центрифуги, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно с ротором на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над втулкой соосно с ней, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита, при этом ферромагнитная втулка в верхней части снабжена кольцевым радиальным выступом, толщина которого оптимизирована с шириной нижнего торца полюсного наконечника, а наружный диаметр наконечника оптимизирован со средним диаметром магнита (Патент России №22054334, В 04 В 9/12, опубл. 20.02.96).

Данная магнитная опора позволяет одновременно повысить жесткость магнитной опоры газовой центрифуги на 10% и уменьшить давление на нижнюю опору на 5%, однако этого недостаточно.

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы уменьшить давление на нижнюю опору и уменьшить массу и габариты магнитной опоры, особенно в осевом направлении, так как это позволяет увеличить рабочую длину ротора.

Поставленная задача достигается тем, что в магнитной опоре вертикального ротора, содержащей кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником на нижнем торце, установленный на корпусе над ферромагнитной втулкой, закрепленной соосно с ротором на его верхней крышке, на верхнем торце магнита установлено ферромагнитное кольцо, толщина которого равна 0,1...0,4 от толщины магнита, причем внутренний диаметр ферромагнитного кольца совпадает с внутренним диаметром магнита, а наружный диаметр составляет 1,2...1,5 от среднего диаметра магнита, при этом между магнитом и ферромагнитным кольцом может быть установлена немагнитная прокладка, толщина которой равна половине толщины ферромагнитного кольца.

Изобретение поясняется чертежом на котором показан продольный разрез магнитной опоры.

Магнитная опора ротора включает аксиально намагниченный кольцевой магнит 1, имеющий толщину S₁, внутренний диаметр D₁, средний диаметр D_cp, и ферромагнитное кольцо 2, толщина которого S₂ равна 0,1...0,4 от толщины магнита S₁, внутренний диаметр кольца 2 совпадает с внутренним диаметром магнита D₁, а его наружный диаметр D₂ составляет 1,2...1,5 от среднего диаметра магнита D_cp. Между магнитом 1 и ферромагнитным кольцом 2 установлена немагнитная прокладка 3, толщина которой S равна половине толщины ферромагнитного кольца 2. На нижнем торце магнита 1 имеется кольцевой полюсный наконечник 4, установленный на крышке 5, закрепленной на корпусе 6, соосном вертикальному ротору 7, причем крышка 5 в зоне установки магнита 1 имеет толщину L. Соосно ротору 7 на его верхней крышке 8 установлена ферромагнитная втулка 9. Ротор 7 опирается на нижнюю опору 10. Между верхним торцом ферромагнитной втулки 9 и нижним торцом крышки 5 имеется технологический зазор К, необходимый для гарантированного отсутствия касания вращающихся и неподвижных частей машины. Сумма зазоров L и К образует зазор Х между верхним торцом втулки 9 и нижним торцом наконечника 4.

Магнитная опора работает следующим образом.

Кольцевой магнит 1 с полюсным наконечником 4 создает осесимметричное магнитное поле, сила притяжения которого через ферромагнитную втулку 9 разгружает нижнюю опору 10 от части силы веса ротора 7.

Магнитный поток между полюсами магнита 1 замыкается через полюсный наконечник 4, ферромагнитную втулку 9 и ферромагнитное кольцо 2.

В покое и при вращении ротора 7 осесимметричное магнитное поле удерживает ферромагнитную втулку 9 и связанный с ней ротор в вертикальном стационарном положении, не препятствуя вращению ротора 7. В случае отклонений ротора от стационарного положения симметричность магнитного поля нарушается, что создает радиальную силу, препятствующую отклонению ротора 7 и возвращающую ротор в исходное положение при прекращении действия возмущающей силы. Благодаря наличию ферромагнитного кольца 2 на верхнем торце магнита 1 и предполагаемых диапазонов его предпочтительных геометрических соотношений с кольцевым магнитом 1 в данной магнитной системе обеспечивается повышенная концентрация магнитного поля в зазоре К между ферромагнитной втулкой 9 и полюсным наконечником 4, что по сравнению с известными магнитными опорами, повышает эффективность разгрузки нижней опоры 10 за счет более полного полезного использования энергии магнитного потока. При этом может быть сэкономлено до 30% массы магнита, что особенно актуально при использовании дорогих редкоземельных металлов для изготовления магнитов, где влияние установки ферромагнитного кольца 2 особенно значительно.

Одновременно из-за увеличения магнитного потока можно увеличить толщину L, обеспечивающую «самоотрыв» ротора 7 от верхней крышки 5 корпуса 6; это повышает механическую прочность крышки 5 при разрушении роторов, так как малая величина L может привести к деформации и снижению вакуумной плотности материала крышки 5, при этом из-за увеличения суммарного рабочего зазора Х несколько уменьшается поперечная жесткость магнитной опоры. Для компенсации этого уменьшения может быть устанавлена немагнитная прокладка 3 между магнитом 1 и ферромагнитным кольцом 2, что увеличивает на 10% поперечную жесткость магнитной опоры без изменения величины давления на нижнюю опору.

Приведенные соотношения ферромагнитного кольца 2 позволяют оптимально выбрать параметры магнитной опоры - давление на нижнюю опору и поперечную жесткость.

Экспериментальные исследования, выполненные заявителем, показали, что при применении ферромагнитного кольца 2, установленного на верхнем торце магнита 1 в одной из магнитных опор, уменьшается давление на нижнюю опору на 20%, при этом толщина L дна крышки 5 увеличилась с 2,8 мм до 4,6 мм.

Предложенное устройство относится к верхним магнитным опорам высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения, посредством которых роторы удерживаются в вертикальном положении, например, роторов накопителей энергии, центрифуг, гироскопов и подобных устройств. Опора включает ферромагнитное кольцо, установленное на верхнем торце магнита магнитной опоры ротора, толщина которого равна 0,1...0,4 от толщины магнита. Внутренний диаметр ферромагнитного кольца совпадает с внутренним диаметром магнита. Наружный диаметр составляет 1,2...1,5 от среднего диаметра магнита. Между магнитом и ферромагнитным кольцом может быть установлена немагнитная прокладка, толщина которой равна половине толщины ферромагнитного кольца. Предложенная конструкция устройства позволяет уменьшить давление на нижнюю опору и уменьшить массу и габариты магнитной опоры, особенно в осевом направлении, так как это позволяет увеличить рабочую длину ротора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Магнитная опора вертикального ротора, содержащая кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником на нижнем торце, установленный на корпусе над ферромагнитной втулкой, закрепленной соосно с ротором на его верхней крышке, отличающаяся тем, что на верхнем торце магнита установлено ферромагнитное кольцо, толщина которого равна 0,1...0,4 толщины магнита, причем внутренний диаметр ферромагнитного кольца совпадает с внутренним диаметром магнита, а его наружный диаметр составляет 1,2...1,5 среднего диаметра магнита.2. Магнитная опора по п.1, отличающаяся тем, что между магнитом и ферромагнитным кольцом установлена немагнитная прокладка, толщина которой равна половине толщины ферромагнитного кольца.