РАДИАЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК, ИМЕЮЩИЙ РАДИАЛЬНО ШИХТОВАННЫЙ РОТОР Российский патент 2016 года по МПК F16C32/04 

Настоящее изобретение касается радиального магнитного подшипника, имеющего статор и ротор, который оперт в статоре с возможностью вращения, при этом ротор имеет вал, и этот вал окружен кольцеобразной системой пакета сердечника, и система пакета сердечника имеет отдельные листы.

У традиционного радиального магнитного подшипника статор имеет катушки, которые направлены радиально внутрь к опираемому валу, т. е. оси катушек проходят по существу радиально.

Из книги «Magnetic Bearings» («Магнитные подшипники) Герхарда Швайцера и Эрика Х. Масслена, издательство Шпрингер, Берлин, 2009 г., XV, страницы 82-84 и 96, известны радиальные магнитные подшипники, имеющие осевые катушки. Это означает, что оси катушек распространяются параллельно оси подшипника. Соответственно этому поток как в катушках, так и в роторе проходит по существу в осевом направлении.

Радиальные магнитные подшипники должны быть в состоянии регулировать высокие динамические возмущающие воздействия. При этом сила должна следовать току с наименьшим возможным замедлением. Вследствие вихревых токов в роторе происходит зависящее от времени вытеснение поля, что приводит к частотной зависимости силы подшипника. Кроме того, вихревые токи приводят к потерям и нагреву ротора. Из-за этого в итоге снижается коэффициент полезного действия машины. Чтобы противодействовать этому, часто бывает предусмотрено шихтованное магнитное обратное замыкание на валу, которое снижает вихревые токи.

За потери от вихревых токов ответственны по существу числа полюсов магнитных полей, частота вращения вала и вид шихтовки. Для достижения низких частот перемагничивания стремятся к небольшому числу полюсов. Но при этом магнитное поле глубоко проникает в ротор и требует, таким образом, шихтовки с высоким ярмом ротора, что приводит тогда к тонкому валу. Когда превышается критическая склонность к самовозбуждению, число полюсов должно повышаться, что снова приводит к повышенным частотам и потерям.

Из US 6121704 A и JP 11101233 A известны радиальные магнитные подшипники, которые имеют статор и ротор с валом. Вал окружен кольцеобразной системой сердечника, при этом отдельные листы этой системы сердечника расположены радиально относительно оси вала. Отдельные листы выполнены I-образно и соединены друг с другом в окружном направлении. Отдельные листы закреплены на валу с помощью крепежного элемента и фиксирующего кольца.

Кроме того, GB 2246401 A описывает осевой упорный магнитный подшипник, у которого статор и ротор имеют несколько отдельных листов, которые ориентированы радиально относительно оси вала. Отдельные листы ротора оперты на ступицу.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить радиальный магнитный подшипник, у которого дополнительно снижаются вихревые токи.

В соответствии с изобретением эта задача решается с помощью радиального магнитного подшипника по п. 1 формулы изобретения. Радиальный магнитный подшипник включает в себя статор и ротор, который оперт в статоре с возможностью вращения, при этом ротор имеет вал, и этот вал окружен кольцеобразной системой пакета сердечника, и система пакета сердечника имеет отдельные листы, при этом отдельные листы системы пакета сердечника расположены радиально относительно оси вала.

Предпочтительным образом ротор магнитного подшипника имеет, таким образом, отдельные листы, которые выступают радиально наружу относительно оси ротора. При этом могут сильно снижаться вихревые токи в тангенциальном направлении или соответственно в окружном направлении.

Система пакета сердечника имеет втулку, которая закреплена на валу. При этом система пакета сердечника может несколькими приемами надежно крепиться на валу. При этом втулка образована отдельными листами системы пакета сердечника, причем отдельные листы располагаются кольцеобразно друг возле друга.

Смежные отдельные листы системы пакета сердечника соединены друг с другом с замыканием материала. В частности, смежные отдельные листы системы пакета сердечника могут быть сварены друг с другом. Но отдельные листы системы пакета сердечника могут быть также спаяны или склеены друг с другом. С помощью такого рода соединения посредством материала может реализовываться просто монтируемая втулка. Альтернативно смежные отдельные листы могут быть также соединены друг с другом с геометрическим замыканием.

Предпочтительным образом втулка напрессована на вал в горячем состоянии. При этом не требуется никакой дополнительный компонент для крепления втулки на валу. Кроме того, при напрессовывании в горячем состоянии образуется очень прочное соединение.

Между двумя соседними отдельными листами системы пакета сердечника может всегда иметься клинообразный зазор. Это происходит, в частности, тогда, кода отдельные листы в радиальном направлении относительно оси ротора имеют постоянную толщину.

В одном из особых вариантов осуществления отдельные листы по внутреннему периметру системы пакета сердечника примыкают каждый непосредственно к смежным с ними отдельным листам. Благодаря этому система пакета сердечника приобретает сплошную внутреннюю боковую поверхность. При этом получается также наиболее плотная радиальная шихтовка в окружном направлении.

Как упомянуто выше, при необходимости между смежными отдельными листами системы пакета сердечника всегда имеется клинообразный зазор. Этот клинообразный зазор предпочтительно наполнен непроводящим твердым материалом. Этот непроводящий твердый материал служит для прерывания течения тока в окружном направлении ротора. В принципе, клинообразные зазоры между отдельными листами необязательно должны быть заполнены. Но тогда система пакета сердечника является менее стабильной и обладает более высоким сопротивлением движению.

Твердый материал для наполнения клинообразных зазоров может состоять из пластмассы, стекла или керамики. В частности, в качестве этого твердого материала пригодна эпоксидная смола или низкоплавкое стекло. При необходимости применяемая керамика может быть также спечена.

Теперь настоящее изобретение поясняется подробнее с помощью прилагаемых чертежей, на которых показано:

фиг. 1: продольное сечение ротора радиального магнитного подшипника по оси ротора;

фиг. 2: увеличенный фрагмент фиг. 1;

фиг. 3: вид с торцевой стороны ротора с фиг. 1;

фиг. 4: вид с торцевой стороны предлагаемой изобретением системы пакета сердечника;

фиг. 5: система пакета сердечника с фиг. 4 на валу;

фиг. 6: увеличенный фрагмент системы пакета сердечника с фиг. 4 на виде в перспективе; и

фиг. 7: фрагмент фиг. 6 на виде с торцевой стороны.

Изложенные подробнее ниже примеры осуществления представляют собой предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.

Однако для лучшего понимания изобретения сначала с помощью фиг. 1-3 поясняется подробнее уровень техники.

Радиальный магнитный подшипник имеет статор и ротор. Статор имеет обычно корпус, который выполнен в виде полого цилиндра. Внутри корпуса находятся, примыкая к стенке корпуса или по меньшей мере повторяя форму стенки корпуса, несколько катушек, предпочтительно четыре катушки. Эти катушки представляют собой осевые катушки или радиальные катушки. Это означает, что оси катушек проходят либо параллельно оси подшипника, либо перпендикулярно ей. Радиально внутри катушек образуется свободное пространство, в котором может свободно двигаться ротор. Такого рода ротор изображен на фиг. 1 в продольном сечении, т. е. в сечении, параллельном оси 1 вращения ротора.

Воспроизведенный на фиг. 1 ротор имеет цилиндрический вал 2. Этот вал частично окружен стандартным пакетом 3 сердечника ротора.

Увеличенный фрагмент II в области стандартного пакета 3 сердечника ротора воспроизведен на фиг. 2. При этом видны отдельные листы 4 пакета сердечника, которые расположены на валу 2. Отдельные листы 4 распространяются всегда главным образом в плоскости, перпендикулярной оси 1 вращения ротора. Это означает, что отдельные листы 4 спакетированы в осевом направлении. При этом могут эффективно подавляться осевые компоненты вихревых токов.

На фиг. 3 показан ротор с фиг. 1 на виде с торцевой стороны. На валу 2 установлена кольцеобразная стандартная система 3 пакета сердечника.

Но изображенная на фиг. 1-3 система 3 пакета сердечника неэффективна для осевой компоненты магнитного потока и повышает магнитное сопротивление в осевом направлении. Поэтому коэффициент полезного действия радиального магнитного подшипника такого рода при определенных обстоятельствах ограничен.

Если рассмотреть ротор радиального подшипника, имеется переменное магнитное поле, частота которого зависит от числа полюсов статора и частоты вращения. Число полюсов статора должно быть как можно меньшим. Поэтому для статора радиального подшипника должно по возможности выбираться число пар полюсов, равное 2. Тем не менее, в роторе вследствие изменений потока в электрически проводящих областях индуцируются токи, что требует особых мер по снижению вихревых токов.

Поэтому в соответствии с изобретением для ротора предусмотрена система пакета сердечника, отдельные листы которой лучеобразно или соответственно радиально выдаются наружу. Такого рода система пакета сердечника воспроизведена на фиг. 4 на виде с торцевой стороны. Система 5 пакета сердечника при этом, как в примере фиг. 1-3, выполнена кольцеобразно. В этом особом примере она имеет форму полого цилиндра. Она может также называться втулкой из радиальных листов, так как она выполняет функцию втулки для ротора и имеет радиально направленные наружу листы. Каждый из отдельных листов 6 проходит по существу в одной плоскости параллельно через ось кольцеобразной системы 5 пакета сердечника.

На фиг. 5 воспроизведена система 5 пакета сердечника на виде в перспективе. При этом она закреплена на валу 7. Кольцеобразная система 5 пакета сердечника имеет внутренний диаметр, который примерно соответствует наружному диаметру вала 7. Предпочтительно система 5 пакета сердечника напрессована в горячем состоянии на вал 7 ротора. Для этого система 5 пакета сердечника имеет несколько меньший внутренний диаметр, чем наружный диаметр вала 7.

Фиг. 6 воспроизводит фрагмент системы 5 пакета сердечника фиг. 4 и 5 на виде в перспективе. Там хорошо видны отдельные листы 6, которые радиально или соответственно лучеобразно отстоят наружу. Все отдельные листы 6 имеют одинаковую толщину. Благодаря тому, что они радиально выдаются наружу, между двумя смежными отдельными листами 6 всегда образуется клинообразный зазор 11. Этот клинообразный зазор сужается в направлении, радиальном относительно центра системы 5 пакета сердечника. В осевом направлении поперечное сечение зазора 11 не изменяется.

Отдельные листы 6 на внутренней боковой поверхности 8 непосредственно прилегают друг к другу, т. е. на внутренней боковой поверхности 8 нет промежутка между отдельными листами 6. Поэтому в этом месте они предпочтительно прикреплены друг к другу.

В примере с фиг. 6 отдельные листы 6 соединены друг с другом посредством материала. В частности, они сварены друг с другом. Это указано на фиг. 6 зонами 9 сварки. Эти зоны 9 сварки образуются, например, при электросварке. Они проходят на определенном радиальном участке. Центром каждой отдельной зоны 9 сварки всегда является та область, в которой два смежных отдельных листа 6 примыкают друг к другу. Сваркой отдельные листы 6 на заданном радиальном участке жестко соединены друг с другом и расходятся все дальше друг от друга с увеличением расстояния от внутренней боковой поверхности 8.

На фиг. 7 изображен фрагмент пакета сердечника с фиг. 6 на виде с торцевой стороны. В этой перспективе снова видны отдельные листы 6, которые лучеобразно или соответственно радиально выдаются наружу от внутренней боковой поверхности 8 кольцеобразной системы 5 пакета сердечника, и клинообразные зазоры 11 между отдельными листами 6. Зазоры 11 при этом не заполнены воздухом, а на фиг. 7 графически обозначено, что зазоры 11 заполнены наполнителем 10. Этот наполнитель 10 должен представлять собой электрически непроводящий органический или неорганический твердый материал. В частности, в качестве наполнителя 10 пригодна эпоксидная смола. Альтернативно для наполнения может также применяться низкоплавкое стекло или керамика. При необходимости керамика спекается в зазоре 11, так что получается соответствующее соединение посредством материала.

Наполнение зазоров 11 имеет преимущества, в частности, при высоких частотах вращения. А именно, наполнение не только уменьшает сопротивление воздуха (по наружному периметру кольцеобразной системы пакета сердечника возникает меньше завихрений воздуха), но и служит также для повышения прочности системы пакета сердечника.

Радиально шихтованная втулка представляет собой, таким образом, конструктивный элемент, который легко может устанавливаться на вал радиального магнитного подшипника и способствует при этом снижению вихревых токов в окружном направлении. Кроме того, благодаря этому обеспечивается снижение магнитного сопротивления в осевом направлении.

Изобретение относится к радиальному магнитному подшипнику. Радиальный магнитный подшипник имеет статор и ротор, который оперт в статоре с возможностью вращения, при этом ротор имеет вал (7), а этот вал (7) окружен кольцеобразной системой (5) пакета сердечника. Система пакета сердечника имеет отдельные листы. Отдельные листы системы (5) пакета сердечника расположены радиально относительно оси вала (7). Система (5) пакета сердечника имеет втулку, которая закреплена на валу (7). При этом смежные отдельные листы системы (5) пакета сердечника соединены друг с другом с замыканием материала, а втулка образована отдельными листами (6) системы (5) пакета сердечника. Технический результат: создание радиального магнитного подшипника, в котором снижаются вихревые токи в окружном направлении, при этом обеспечивается снижение магнитного сопротивления в осевом направлении. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Радиальный магнитный подшипник, имеющий
- статор и
- ротор, который оперт в статоре с возможностью вращения, при этом
- ротор имеет вал (7),
- вал (7) окружен кольцеобразной системой (5) пакета сердечника, и
- система (5) пакета сердечника имеет отдельные листы (6), при этом
- отдельные листы (6) системы (5) пакета сердечника расположены радиально относительно оси вала (7), и при этом
- система (5) пакета сердечника имеет втулку, которая закреплена на валу (7),
отличающийся тем, что
- смежные отдельные листы (6) системы (5) пакета сердечника соединены друг с другом с замыканием материала, и
- втулка образована отдельными листами (6) системы (5) пакета сердечника.

2. Радиальный магнитный подшипник по п. 1, причем втулка напрессована на вал (7) в горячем состоянии.

3. Радиальный магнитный подшипник по п. 1 или 2, причем между смежными отдельными листами (6) системы (5) пакета сердечника всегда имеется клинообразный зазор (11).

4. Радиальный магнитный подшипник по п. 1 или 2, причем отдельные листы (6) по внутреннему периметру системы (5) пакета сердечника примыкают каждый непосредственно к смежным с ними отдельным листам (6).

5. Радиальный магнитный подшипник по п. 3, причем отдельные листы (6) по внутреннему периметру системы (5) пакета сердечника примыкают каждый непосредственно к смежным с ними отдельным листам (6).

6. Радиальный магнитный подшипник по п. 1 или 2, причем смежные отдельные листы (6) системы (5) пакета сердечника сварены друг с другом.

7. Радиальный магнитный подшипник по п. 3, причем смежные отдельные листы (6) системы (5) пакета сердечника сварены друг с другом.

8. Радиальный магнитный подшипник по п. 3, причем клинообразный зазор (11) наполнен непроводящим твердым материалом (10).

9. Радиальный магнитный подшипник по п. 5 или 7, причем клинообразный зазор (11) наполнен непроводящим твердым материалом (10).

10. Радиальный магнитный подшипник по п. 1, 2 или 5, причем твердый материал (10) состоит из пластмассы, стекла или керамики.

11. Радиальный магнитный подшипник по п. 3, причем твердый материал (10) состоит из пластмассы, стекла или керамики.

12. Радиальный магнитный подшипник по п. 4, причем твердый материал (10) состоит из пластмассы, стекла или керамики.