Система на магнитных подшипниках Российский патент 2017 года по МПК H02K7/09 F16C32/04 

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в качестве подвеса ротора электрических машин.

Известен вертикальный электродвигатель с газодинамической левитацией ротора [патент РФ №14703, Н02K 29/00, опубл. 10.08.2000], содержащий цилиндрический ротор, насаженный на вал, верхняя и нижняя цапфы которого установлены в радиальных подшипниках, жестко закрепленных в торцевых фланцах внешнего статора, на внутренней поверхности которого уложена трехфазная электрическая обмотка, а нижняя цапфа которого опирается на упорный механический подшипник, имеет воздушный винт, насаженный на верхнюю цапфу вала ротора.

Недостаток такой конструкции состоит в том, что левитационная способность газового подшипника в связи с малой вязкостью газов с увеличением зазора резко уменьшается, а также ограничены функциональные возможности управления, обусловленные сложностью демпфирования колебаний ротора в радиальном направлении.

Известна также синхронная электрическая машина с магнитным подвесом ротора [патент РФ №44773, F16C 39/06, опубл. 27.03.2005], содержащая статор и ротор, выполненный из немагнитного материала, с обмоткой возбуждения из сверхпроводящего материала, магнитные подшипники установлены на торцах статора.

Недостатком такого двигателя является сложность его конструкции и значительная нагрузка на радиальный подшипник.

Известна конструкция осевого гибридного магнитного подшипника ротора [патент CN №102900761 А, F16C 32/04, опубл. 30.01.2013], содержащая кольцевой Ш-образный электромагнит, в среднем полюсе которого имеется вставка из постоянного магнита с осевой намагниченностью.

Недостатками данной конструкции являются невысокая энергоэффективность, обусловленная энергопотреблением радиальных магнитных подшипников, технологическая сложность сборки.

Известна конструкция аппарата на магнитных подшипниках [патент US №5739609 А, Н02K 7/09, опубл. 14.04.1998], содержащая ротор, находящийся в двух радиальных и одном осевом электромагнитном подшипнике, а также кольцевые подшипники скольжения, выступающие в качестве страховочных подшипников.

Недостатками данной конструкции являются высокие массогабаритные показатели электромагнитных подшипников, а также невысокая энергоэффективность, обусловленная энергопотреблением радиальных магнитных подшипников, технологическая сложность сборки.

Известно устройство магнитной левитации и контроля гибридного магнитного подшипника [заявка на патент US №2012139375 А1, Н02K 7/09, опубл. 07.06.2012], содержащее ротор, датчики положения ротора, П-образный кольцевой электромагнит, в полюсах которого имеются вставки из двух радиально намагниченных постоянных магнитов прямоугольной формы и одного аксиально намагниченного постоянного магнита прямоугольной формы.

Недостатками данной конструкции являются высокие массогабаритные показатели гибридных магнитных подшипников, а также значительная нагрузка на гибридный магнитный подшипник и технологическая сложность сборки.

Известна конструкция гибридного магнитного подвеса ротора детандер-компрессора [Ульянов Ю.М., Мартиненко Г.Ю., Смирнов М.М. Система управлiння осьовим рухом ротора на комбiнованому магнiтному niдвici з пасивними радiальними i активним осьовим пiдшипниками // Зб., наук. пр. - X.: УкрДАЗТ, 2008. - Вип. 97. - С. 107-118.], содержащая один осевой электромагнитный подшипник и два радиальных магнитных подшипника на постоянных магнитах.

Недостатками указанной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствие демпфирования колебаний ротора в радиальном направлении, значительные массогабаритные показатели осевого электромагнитного подшипника и значительные нагрузки на него.

Наиболее близкой к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является конструкция системы на магнитных подшипниках [патент РФ №2547450, Н02K 7/09, опубл. 29.04.2014], содержащая вал, ротор, статор, корпус, левый подшипниковый щит, правый подшипниковой щит, левый пассивный магнитный подшипник, правый пассивный магнитный подшипник, пассивный демпфер, состоящий из медного кольца и постоянного магнита.

Недостатками указанной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные необходимостью наличия системы управления, датчиков положения ротора и электромагнитных подшипников, а также значительные массогабаритные показатели, невысокая надежность, наличие дестабилизирующих ротор сил и невысокая несущая способность пассивного радиального подшипника.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей благодаря синтезу радиального и осевого магнитных подшипников и обеспечение осевого упора посредством механического подшипника с малым коэффициентом трения.

Техническим результатом является повышение надежности, энергоэффективности системы на магнитных подшипников, снижение дестабилизирующих ротор магнитных сил и повышение несущей способности пассивного подшипника.

Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в системе на магнитных подшипниках, содержащей вал, ротор, статор, корпус, левый подшипниковый щит, правый подшипниковой щит, левый пассивный магнитный подшипник, правый пассивный магнитный подшипник, пассивный демпфер, состоящий из медного кольца и постоянных магнитов, согласно изобретению, левый пассивный магнитный подшипник выполнен в виде комбинированного радиально-аксиального магнитного подшипника, состоящего из первого левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, первого левого радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, второго левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N - и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, первого левого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, второго левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, при этом второй левый внутренний аксиально намагниченный постоянный магнит - направление намагниченности S-N - является одновременно подвижной частью левого аксиального магнитного подшипника, неподвижная часть левого аксиального магнитного подшипника выполнена в виде магнитного кольца с аксиальным направлением намагниченности S-N с внешним диаметром, равным внешнему диаметру левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, установленного в левом медном экране, который закреплен в корпусе, причем неподвижная часть выполнена с воздушным зазором относительно вала, кроме того, для левого осевого упора системы в левом подшипниковом щите установлен механический подшипник с малым коэффициентом трения, правый пассивный магнитный подшипник выполнен в виде комбинированного радиально-аксиального магнитного подшипника, состоящего из первого правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, первого правого радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, второго правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S - и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, первого правого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, второго правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, при этом второй правый внутренний аксиально намагниченный постоянный магнит - направление намагниченности N-S - является одновременно подвижной частью правого аксиального магнитного подшипника, а неподвижная часть правого аксиального магнитного подшипника выполнена в виде магнитного кольца с аксиальным направлением намагниченности N-S с внешним диаметром, равным внешнему диаметру правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, установленного в правом медном экране, который закреплен в корпусе, причем неподвижная часть выполнена с воздушным зазором относительно вала, кроме того, для обеспечения правого осевого упора системы в правом подшипниковом щите установлен механический подшипник с малым коэффициентом трения. Функцию пассивного демпфера выполняют левый медный экран и правый медный экран.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез системы на магнитных подшипниках.

Предложенное устройство содержит (чертеж) вал 1 с ротором 2, расположенным в расточке статора 3, запрессованного в корпус 4, а также левый подшипниковый щит 5, правый подшипниковой щит 6, левый пассивный магнитный подшипник 7, состоящий из первого левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита 8 - направление намагниченности N-S, первого левого радиально намагниченного постоянного магнита 9 - направление намагниченности S-N, второго левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита 10 - направление намагниченности S-N - и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита 11 - направление намагниченности N-S, первого левого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита 12 - направление намагниченности S-N, второго левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита 13 - направление намагниченности S-N, параллельно которому установлен закрепленный в корпусе 4 левый медный экран 14, в котором расположено магнитное кольцо с аксиальным направлением намагниченности S-N 15 и упорное кольцо 16. Кроме того, в левом подшипниковом щите 5 установлен левый механический подшипник с малым коэффициентом трения 17. Также устройство содержит правый пассивный магнитный подшипник 18, состоящий из первого правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита 22 - направление намагниченности S-N, первого правого радиально намагниченного постоянного магнита 23 - направление намагниченности S-N, второго правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита 24 - направление намагниченности N-S и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита 19 - направление намагниченности S-N, первого правого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита 20 - направление намагниченности N-S, второго правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита 21 - направление намагниченности N-S, параллельно которому установлен закрепленный в корпусе 4 правый медный экран 25, в котором расположено магнитное кольцо с аксиальным направлением намагниченности N-S 26 и упорное кольцо 27. Кроме того, в правом подшипниковом щите 6 установлен правый механический подшипник с малым коэффициентом трения 28.

Устройство работает следующим образом. Бесконтактное вращение вала 1 с ротором 2 обеспечивается левым пассивным магнитным подшипником 7 и правым пассивным магнитным подшипником 18. При этом направление намагниченности колец этих подшипников позволяет сформировать в них магнитную сборку Халбаха, усиливая тем самым магнитные силы в воздушном зазоре левого пассивного магнитного подшипника 7 и правого пассивного магнитного подшипника 18, что обеспечивает устойчивый радиальный подвес вала 1 с ротором 2. Для обеспечения аксиального устойчивого подвеса вала 1 с ротором 2 используются левый механический подшипник с малым коэффициентом трения 17 и правый механический подшипник с малым коэффициентом трения 28. Для снижения нагрузки на левый и правый механические подшипники с малым коэффициентом трения (17 и 28) используется магнитное кольцо с аксиальным направлением намагниченности S-N 15, которое притягивается ко второму левому внутреннему аксиально намагниченному постоянному магниту 13 - направление намагниченности S-N - и магнитное кольцо с аксиальным направлением намагниченности N-S 26, которое притягивается ко второму правому внутреннему аксиально намагниченному постоянному магниту 21 - направление намагниченности N-S. За счет этого достигается значительное снижение массогабаритных показателей всей системы, так как пассивные подшипники получаются радиально-аксиальными. При этом магнитный поток магнитного кольца с аксиальным направлением намагниченности S-N 15 замыкается через левый медный экран 14 и второй левый внутренний аксиально намагниченный постоянный магнит 13 - направление намагниченности S-N, таким образом, левый медный экран 14 выполняет роль вихретокового пассивного демпфера, гасящего колебания и вибрации системы на магнитных подшипниках. Аналогичную функцию выполняет правый медный экран 25. При этом для снижения дестабилизирующих усилий системы на магнитном подвесе магнитное кольцо с аксиальным направлением намагниченности S-N 15, которое притягивается ко второму левому внутреннему аксиально намагниченному постоянному магниту 13 - направление намагниченности S-N - выполнено с внешним диаметром, равным внешнему диаметру второго левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита 13 - направление намагниченности S-N. Аналогичное решение имеет место и с правой стороны подшипника.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности, благодаря синтезу радиального и осевого магнитных подшипников и обеспечению осевого упора посредством механического подшипника с малым коэффициентом трения.

В результате повышается надежность, энергоэффективность системы на магнитных подшипниках, снижаются дестабилизирующие ротор магнитные силы и повышается несущая способность пассивного подшипника.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве подвеса ротора электрических машин. Технический результат заключается в повышении надежности. Левый пассивный магнитный подшипник выполнен в виде комбинированного радиально-аксиального магнитного подшипника, состоящего из первого левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита, первого левого радиально намагниченного постоянного магнита, второго левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита, первого левого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита, второго левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита. Второй левый внутренний аксиально намагниченный постоянный магнит является одновременно подвижной частью левого аксиального магнитного подшипника. Неподвижная часть левого аксиального магнитного подшипника выполнена в виде магнитного кольца с аксиальным направлением намагниченности S-N с внешним диаметром, равным внешнему диаметру левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита, установленного в левом медном экране, который закреплен в корпусе. Неподвижная часть выполнена с воздушным зазором относительно вала. Для левого осевого упора системы в левом подшипниковом щите установлен механический подшипник с малым коэффициентом трения. Правый массивный магнитный подшипник выполнен в виде комбинированного радиально-аксиального магнитного подшипника, состоящего из первого правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита, первого правого радиально намагниченного постоянного магнита, второго правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита, первого правого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита, второго правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита. Второй правый внутренний аксиально намагниченный постоянный магнит является одновременно подвижной частью правого аксиального магнитного подшипника. Неподвижная часть правого аксиального магнитного подшипника выполнена в виде магнитного кольца с аксиальным направлением намагниченности N-S с внешним диаметром, равным внешнему диаметру правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита, установленного в правом медном экране, который закреплен в корпусе. Неподвижная часть выполнена с воздушным зазором относительно вала. Для обеспечения правого осевого упора системы в правом подшипниковом щите установлен механический подшипник с малым коэффициентом трения. 1 ил.

Система на магнитных подшипниках, содержащая вал, ротор, статор, корпус, левый подшипниковый щит, правый подшипниковой щит, левый пассивный магнитный подшипник, правый пассивный магнитный подшипник, пассивный демпфер, состоящий из медного кольца и постоянных магнитов, отличающаяся тем, что левый пассивный магнитный подшипник выполнен в виде комбинированного радиально-аксиального магнитного подшипника, состоящего из первого левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, первого левого радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, второго левого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N - и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, первого левого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, второго левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, при этом второй левый внутренний аксиально намагниченный постоянный магнит - направление намагниченности S-N - является одновременно подвижной частью левого аксиального магнитного подшипника, неподвижная часть левого аксиального магнитного подшипника выполнена в виде магнитного кольца с аксиальным направлением намагниченности S-N с внешним диаметром, равным внешнему диаметру левого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, установленного в левом медном экране, который закреплен в корпусе, причем неподвижная часть выполнена с воздушным зазором относительно вала, кроме того, для левого осевого упора системы в левом подшипниковом щите установлен механический подшипник с малым коэффициентом трения, правый пассивный магнитный подшипник выполнен в виде комбинированного радиально-аксиального магнитного подшипника, состоящего из первого правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, первого правого радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, второго правого внешнего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S - и из сборки внутренних аксиально и радиально намагниченных кольцевых магнитов, состоящей из первого правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности S-N, первого правого внутреннего радиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, второго правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, при этом второй правый внутренний аксиально намагниченный постоянный магнит - направление намагниченности N-S - является одновременно подвижной частью правого аксиального магнитного подшипника, а неподвижная часть правого аксиального магнитного подшипника выполнена в виде магнитного кольца с аксиальным направлением намагниченности N-S с внешним диаметром, равным внешнему диаметру правого внутреннего аксиально намагниченного постоянного магнита - направление намагниченности N-S, установленного в правом медном экране, который закреплен в корпусе, причем неподвижная часть выполнена с воздушным зазором относительно вала, кроме того, для обеспечения правого осевого упора системы в правом подшипниковом щите установлен механический подшипник с малым коэффициентом трения.