НЕКОНТАКТНЫЙ ПОДВЕС РОТОРА Российский патент 2015 года по МПК G01C19/24 

Область техники

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в неконтактных гироскопах, акселерометрах и магнитных подшипниках.

Предшествующий уровень техники

Наиболее простые неконтактные подвесы ферромагнитных и проводящих роторов основаны на использовании резонансных LC-контуров, которые образованы либо индуктивностями поддерживающих (тяговых) электромагнитов с настроечными конденсаторами (Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники. - Санкт-Петербург: «Политехника», 2003, стр. 11-12, рис.1-7), либо емкостями поддерживающих конденсаторов с настроечными катушками индуктивности (http:file:////mexman.ru «Гироскоп с электростатическим подвесом», стр. 9-10, рис.2). В таких неконтактных подвесах роторов используются пары диаметрально противоположно расположенных поддерживающих элементов, каждый из которых соединен с соответствующим настроечным элементом.

Известен усовершенствованный подвес ротора, принятый за прототип, и описание которого дано в статье «Усовершенствованный электромагнитный резонансный подвес тела», журнал «Гироскопия и навигация», 1998, №2 (21), стр. 82-87, рис.1, а также в патенте РФ №2077175 «Устройство подвеса ферромагнитного тела». Подвес ротора, описанный в статье «Усовершенствованный электромагнитный резонансный подвес тела», журнал «Гироскопия и навигация», 1998, №2 (21), стр. 82-87, рис.1, принят за прототип предлагаемого изобретения. Такой подвес содержит пары диаметрально противоположно расположенных поддерживающих элементов (электромагнитов), подключенных к выходам фазоинвертора, вход которого соединен с источником переменного напряжения. Фаза напряжения на одном из выходов фазоинвертора сдвинута на 180 градусов по отношению к фазе напряжения на другом выходе. Это позволило использовать для каждой пары LC-контуров подвеса один демпфирующий двухполюсник вместо двух при традиционном однофазном питании подвеса. Ввиду дуальности электромагнитного и электростатического подвесов, данное техническое решение справедливо и для подвеса проводящего ротора с поддерживающими элементами в виде электродов, образующих емкости с поверхностью ротора. Недостатком прототипа является использование для пары поддерживающих элементов двух настроечных элементов, что приводит к усложнению конструкции подвеса, нелинейности тяговой характеристики подвеса и нестабильности нулевого (центрального) положения ротора.

Сущность изобретения

Задача изобретения заключается в упрощении конструкции подвеса ротора, линеаризации тяговой характеристики и устранении нестабильности центрального положения ротора, обусловленной изменением параметров настроечных элементов. Поставленная задача решена весьма простым включением одного общего настроечного элемента между общей точкой соединения пары поддерживающих элементов и общей точкой фазоинвертора.

Перечень фигур и чертежей

На фиг.1 представлена электрическая схема прототипа - подвеса ротора, с поддерживающими элементами - электромагнитами и настроечными элементами - конденсаторами.

На фиг.2 дана схема предложенной опоры с поддерживающими элементами - электромагнитами и общим настроечным элементом - конденсатором.

На фиг.3 показана схема предложенной опоры с поддерживающими элементами - электродами и общим настроечным элементом - катушкой индуктивности.

На фиг.4 представлены графики тяговых характеристик подвеса - прототипа и предложенного подвеса.

На фиг.1-4 приняты следующие обозначения:

1 - ротор,

2 - первый поддерживающий элемент - электромагнит,

3 - второй поддерживающий элемент - электромагнит,

4 - первый настроечный элемент прототипа - конденсатор,

5 - второй настроечный элемент прототипа - конденсатор,

6 - фазоинвертор,

7 - источник переменного напряжения,

8 - демпфирующий двухполюсник,

9 - общий настроечный элемент - конденсатор подвеса с электромагнитами,

10 - первый поддерживающий элемент - в виде электродов,

11 - второй поддерживающий элемент - в виде электродов,

12 - общий настроечный элемент - катушка индуктивности подвеса с электродами.

Предложенный неконтактный подвес ротора содержит пару поддерживающих элементов в виде электромагнитов 2 и 3 (фиг.2) или электродов 10 и 11 (фиг.3), подключенных к выходам фазоинвертора 6, вход которого соединен с источником переменного напряжения 7. Общий настроечный элемент в виде конденсатора 9 (фиг.2) или катушки индуктивности 12 (фиг.3) включен между общей точкой соединения пары поддерживающих элементов и общей точкой фазоинвертора 6.

Работа предложенного подвеса происходит следующим образом. Для схемы фиг.2 (с поддерживающими элементами в виде электромагнитов) при смещении ротора 1 от электромагнита 2 к электромагниту 3 индуктивности их обмоток L₂ и L₃ (определяемые главным образом величиной зазора по отношению к поверхности ротора) изменяются в соответствии с выражениями:

,

где L₀ - индуктивность обмотки при номинальном зазоре δ₀ между электромагнитом и ротором (центральное положение ротора),

Δ=Δ_δ/δ₀ - относительное смещение ротора,

Δ_δ - смещение ротора.

Величина настроечного элемента - конденсатора 9 устанавливается примерно равной:

где ω - угловая частота источника напряжения 7.

При этом ток I₂ через электромагнит 2 увеличивается, а ток I₃ через электромагнит 3 уменьшается, что создает восстанавливающую силу, возвращающую ротор 1 в центр подвеса. Задавая величины индуктивностей по формулам (2) для различных значений Δ, можно с помощью компьютерной модели определить значения токов I₂ и I₃, а затем вычислить силу F тяги подвеса по формуле:

.

На фиг.4 приведены построенные таким образом относительные тяговые характеристики прототипа - кривая «а» и предложенного подвеса - практически прямая «б» (K - отношение сил предложенного подвеса и подвеса - прототипа, значение K=1 соответствует одинаковым максимальным нагрузкам сравниваемых подвесов).

Для схемы подвеса фиг.3 (с поддерживающими элементами в виде электродов) смещение ротора 1 от электродов 10 к электродам 11 приводит к уменьшению емкости электродов 10 и увеличению емкости электродов 11. При этом индуктивность настроечного элемента - катушки 12 устанавливается примерно равной:

,

где C₀ - емкость электродов 10 (или 11) относительно поверхности ротора 1 при его центральном положении. При выполнении условия (4) подвес обладает свойствами, подобными дуальной схеме (фиг.2) с электромагнитами.

В предложенном подвесе при необходимости демпфирования колебаний ротора (например, в условиях вакуума) применяются, как и в прототипе, демпфирующие двухполюсники 8 (фиг.2 и 3).

Использование одного общего (для пары поддерживающих элементов) настроечного элемента позволяет упростить схему предложенного подвеса, обеспечить линейность тяговой характеристики и стабильность нулевого (центрального) положения ротора, благодаря исключению относительного изменения величин двух настроечных элементов подвеса - прототипа.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в неконтактных гироскопах, акселерометрах и магнитных подшипниках. Предложенный неконтактный подвес ротора содержит пары диаметрально противоположно расположенных поддерживающих ротор элементов в виде электромагнитов или электродов, подключенных к выходам фазоинвертора, вход которого соединен с источником переменного напряжения, и один общий настроечный элемент в виде конденсатора или катушки индуктивности, примененный для каждой пары поддерживающих элементов и включенный между общей точкой соединения пары поддерживающих элементов и общей точкой фазоинвертора. Использование одного общего настроечного элемента позволяет упростить схему предложенного подвеса, обеспечить линейность тяговой характеристики и стабильность нулевого положения ротора, благодаря исключению относительного изменения величин двух настроечных элементов традиционного резонансного подвеса. 4 ил.

Неконтактный подвес ротора, содержащий пары диаметрально противоположно расположенных поддерживающих ротор элементов в виде электромагнитов или электродов, подключенных к выходам фазоинвертора, вход которого соединен с источником переменного напряжения, отличающийся тем, что для каждой пары поддерживающих элементов применен один общий настроечный элемент в виде конденсатора или катушки индуктивности, включенный между общей точкой соединения пары поддерживающих элементов и общей точкой фазоинвертора.