ОПОРНЫЙ УЗЕЛ МАГНИТНОГО ПОДВЕСА РОТОРА Российский патент 2016 года по МПК F16C32/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к бесконтактным опорным устройствам с активными магнитными подшипниками для роторов вращения, а именно к опорному узлу магнитного подвеса ротора, и может быть использовано при создании высокооборотных машин, например газоперекачивающих агрегатов, с целью улучшения их эксплуатационных характеристик.

Уровень техники

На данный момент известны и широко применяются в машиностроении радиальные активные магнитные подшипники и осевые активные магнитные подшипники. В частности, известен радиальный активный магнитный подшипник [1 - патент RU 2446324 (C1), опубл. 27.03.2012], который содержит корпус, шихтованный статор с явно выраженными полюсами и шихтованную цилиндрическую ответную часть (цапфу), закрепленную на роторе, а также осевой активный магнитный подшипник [2 - публикация WO 2014099845, опубл. 26.06.2014], который содержит корпус, кольцевые электромагниты и дисковые ответные части, закрепленные на роторе.

Также известна магнитная опора компрессора [3 - патент RU 2251033 (C2), опубл. 20.12.2004], содержащая разъемный корпус с установленными в нем и радиальными и осевым активными магнитными подшипниками (электромагнитами), двумя радиальными и радиально-осевыми датчиками перемещений, при этом роторы радиальных датчиков перемещений и ротор радиально-осевых датчиков перемещений размещены на валу в осевом направлении, радиально-осевые датчики перемещений и осевые магнитные подшипники установлены со стороны конца вала, а два радиальных датчика перемещений установлены по обе стороны радиального магнитного подшипника, расположенного в части корпуса со стороны компрессора. Роторы радиальных датчиков перемещений установлены на первой втулке, общей для этих роторов и шихтованного ротора радиального активного магнитного подшипника, ротор осевых активных магнитных подшипников установлен на второй втулке, причем внутренние поверхности обеих втулок и наружные поверхности участков вала, на которых они установлены, выполнены коническими.

Указанная магнитная опора компрессора [3] является наиболее близким аналогом заявленного изобретения и была выбрана в качестве его прототипа. Конструкция известной магнитной опоры [3] совмещает в себе и радиальные, и осевой активные магнитные подшипники и упрощает регулировку осевых зазоров при установке опоры в компрессор, однако она обладает следующими недостатками. В магнитной опоре [3] радиальные и осевой активные магнитные подшипники размещены в общем корпусе в качестве отдельных опорных узлов, что значительно увеличивает длину ротора и снижает его критическую частоту вращения. Данный недостаток характерен для всех известных магнитных опор, объединяющих в себе и радиальные, и осевые активные магнитные подшипники. Кроме того, недостатком известной магнитной опоры [3] является применение шихтованных магнитопроводов в радиальных активных магнитных подшипниках, которое обусловлено необходимостью снижения потерь на перемагничивание и вихревые токи в условиях радиальной организации магнитных потоков, и является мало технологичным решением при серийном производстве.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения стало усовершенствование конструкции опорного узла магнитного подвеса ротора для устранения недостатков предшествующего уровня техники.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в усовершенствовании конструкции и повышении технологичности изготовления опорного узла магнитного подвеса ротора, объединяющего в себе функции радиальной и осевой магнитных опор, а также в обеспечении возможности снижения общей длины ротора.

Поставленная в изобретении задача решается за счет того, что предлагаемая активная магнитная опора ротора объединяет радиальный и осевой активные магнитные подшипники за счет геометрии цапфы по принципу вложения магнитопроводов друг в друга, без потери силовых характеристик электромагнитов, при равных с традиционным исполнением активных магнитных подшипников габаритах.

Более конкретно, поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая опора содержит размещенные в общем корпусе и выполненные из сплошного материала два статорных сегментированных диска (1) радиального активного магнитного подшипника с аксиальной обмоткой (3), скрепленные цилиндрическими стержнями (2), Т-образный кольцевой статор (4) осевого активного магнитного подшипника с кольцевой обмоткой (5), скрепленный с дисками (1) через немагнитную шайбу (12), и вложенную между указанными статорными частями радиального и осевого активных магнитных подшипников П-образную кольцевую цапфу (6), закрепленную на валу (7) с зазорами относительно указанных статорных частей посредством разрезной втулки (8).

Согласно дополнительным вариантам осуществления магнитная опора также содержит радиальный (9) и осевой (10) датчик положения ротора индуктивного типа, и датчик (11) синхроимпульса для определения скорости вращения ротора.

Предложенное конструктивное выполнение опорного узла магнитного подвеса ротора позволяет разместить магнитопровод осевого активного магнитного подшипника внутри цапфы ротора, что значительно уменьшает общую длину магнитопроводов, и, как следствие, позволяет уменьшить общую длину ротора.

Кроме того, в предложенном опорном узле магнитного подвеса ротора магнитные потоки через цапфу ротора замыкаются встречно, что снижает напряженность магнитного поля на вращающемся участке магнитопровода и обеспечивает возможность выполнения кольцевой цапфы из сплошного магнитного материала. Таким образом, технологичность изготовления магнитопроводов и самого опорного узла существенно повышается.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о достаточности существенных признаков изобретения, раскрытых выше и представленных в независимом пункте формулы изобретения, для достижения заявленного технического результата.

Вышеуказанные преимущества предлагаемого изобретения станут более очевидными из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления изобретения, данного со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором на Фиг. 1 изображен в продольном сечении опорный узел магнитного подвеса на валу ротора согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Далее со ссылкой на прилагаемый чертеж описан опорный узел магнитного подвеса ротора, выполненный в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.

Как показано на Фиг. 1, опорный узел магнитного подвеса ротора содержит два статорных сегментированных диска (1) радиального активного магнитного подшипника с аксиальной обмоткой (3), скрепленные цилиндрическими стержнями (2), Т-образный кольцевой статор (4) осевого активного магнитного подшипника с кольцевой обмоткой (5) и П-образную кольцевую цапфу (6), закрепленную на валу (7) с зазорами относительно указанных статорных частей посредством разрезной втулки (8). За счет геометрического исполнения кольцевой цапфы (6) и кольцевого статора (4) описанного опорного узла цапфа (6) вкладывается между статорными частями радиального и осевого активных магнитных подшипников. Кольцевой статор (4) осевого активного магнитного подшипника крепится к двум статорным сегментированным дискам (1) радиального активного магнитного подшипника через немагнитную шайбу (12). Таким образом, магнитопровод кольцевого статора (4) осевого активного магнитного подшипника размещается и занимает место внутри кольцевой цапфы (6).

Согласно одному из вариантов осуществления опорный узел также содержит радиальный датчик (9) и осевой датчик (10) индуктивного типа для контроля положения ротора. Скорость вращения ротора определяется с помощью датчика (11) синхроимпульса, который также может быть установлен в опорном узле, как показано на Фиг. 1.

Во время работы опорного узла магнитного подвеса ротора, силы магнитных полей, создаваемых активными магнитными подшипниками, уравновешивают силы, действующие на вал (7), который, таким образом, удерживается в центральном положении. При этом магнитные силы, создаваемые магнитным потоком F1, протекающим через статорные диски (1) радиального активного магнитного подшипника, удерживают кольцевую цапфу (6) в необходимом центральном положении на оси вращения вала (7), обеспечивая заданный зазор (S1) между цапфой (6) и дисками (1). В свою очередь, магнитные силы, создаваемые магнитным потоком F2, протекающим через кольцевой статор (4) осевого активного магнитного подшипника, удерживает цапфу (6) в необходимом положении относительно продольной оси ротора с заданным зазором (S2) между цапфой (6) и статором (4). Зазоры (S1 и S2) между цапфой (6) и статорными частями (1 и 4) опорного узла могут быть разными и задаваться в зависимости от требований и параметров конкретного осуществления опорного узла магнитного подвеса ротора.

Как видно на Фиг. 1, магнитные потоки F1 и F2 замыкаются через цапфу (6) ротора встречно, чем снижают напряженность магнитного поля на вращающемся участке магнитопровода, что значительно снижает потери на перемагничивание. Организация магнитных потоков таким способом позволяет выполнить цапфу ротора из сплошного магнитного материала, что значительно повышает технологичность изготовления опорного узла по сравнению с узлами с применением шихтованных магнитопроводов.

Таким образом, создан опорный узел магнитного подвеса ротора усовершенствованной конструкции, позволяющей без потери силовых характеристик электромагнитов и при равных с традиционным исполнением активных магнитных подшипников габаритах снизить длину ротора, а также повысить технологичность изготовления опорных узлов, объединяющих функции радиальной и осевой магнитной опоры.

Необходимо понимать, что приведенные выше для примера варианты осуществления изобретения не являются ограничивающими объем изобретения, и после ознакомления с настоящим описанием специалисты в данной области техники могут предложить множество изменений и дополнений к описанным вариантам осуществления, все из которых попадают в объем патентной защиты изобретения, определяемый совокупностью признаков формулы изобретения.

Изобретение относится к бесконтактным опорным устройствам с активными магнитными подшипниками для роторов вращения, а именно к опорному узлу магнитного подвеса ротора, и может быть использовано при создании высокооборотных машин, например газоперекачивающих агрегатов, с целью улучшения их эксплуатационных характеристик. Опорный узел магнитного подвеса ротора содержит размещенные в общем корпусе и выполненные из сплошного материала два статорных сегментированных диска (1) радиального активного магнитного подшипника с аксиальной обмоткой (3), скрепленные цилиндрическими стержнями (2), Т-образный кольцевой статор (4) осевого активного магнитного подшипника с кольцевой обмоткой (5), скрепленный с дисками (1) через немагнитную шайбу (12), и вложенную между статорными частями радиального и осевого активных магнитных подшипников П-образную кольцевую цапфу (6), закрепленную на валу (7) с зазорами относительно статорных частей посредством разрезной втулки (8). Технический результат: усовершенствование конструкции и повышение технологичности изготовления опорного узла магнитного подвеса ротора, объединяющего в себе функции радиальной и осевой магнитных опор, а также в обеспечении возможности снижения общей длины ротора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Опорный узел магнитного подвеса ротора, содержащий размещенные в общем корпусе и выполненные из сплошного материала:
два статорных сегментированных диска (1) радиального активного магнитного подшипника с аксиальной обмоткой (3), скрепленные цилиндрическими стержнями (2),
Т-образный кольцевой статор (4) осевого активного магнитного подшипника с кольцевой обмоткой (5), скрепленный с дисками (1) через немагнитную шайбу (12), и
вложенную между указанными статорными частями радиального и осевого активных магнитных подшипников П-образную кольцевую цапфу (6), закрепленную на валу (7) с зазорами относительно указанных статорных частей посредством разрезной втулки (8).

2. Опорный узел по п. 1, дополнительно содержащий радиальный датчик (9) положения ротора и осевой датчик (10) положения ротора индуктивного типа.

3. Опорный узел по п. 1, дополнительно содержащий датчик (11) синхроимпульса для определения скорости вращения ротора.