ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПОДВЕС ВЕРТИКАЛЬНОГО ВАЛА РОТОРА Российский патент 2017 года по МПК F16C32/04 F16C39/06 

Настоящее изобретение относится к устройствам бесконтактного электромагнитного подвеса вертикального вала ротора, более конкретно - к электромагнитным подшипникам, предназначенным для использования в различных электрических машинах с вертикальным расположением вала ротора, таких как электромеханические накопители энергии, ветрогенераторы и т.п.

Известен сверхпроводящий магнитный подвес, содержащий статор в виде корпуса, содержащий блок высокотемпературных сверхпроводящих элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора (патент на изобретение РФ №2551864, МПК F16C 32/04) [1]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается использованием высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов на роторе. Недостаток такого подвеса связан с необходимостью использования сложной системы охлаждения для обеспечения сверхпроводимости элементов, а также ограничение по максимальной удельной энергии постоянных магнитов, что ограничивает массу подвешиваемого тела.

Известен магнитный подвес для маховика, реализованный с использованием постоянных магнитов на статоре и роторе (патент на полезную модель РФ №109250, МПК F16F 15/30) [2]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет использования постоянных магнитов на статоре и роторе: вал маховика подвешен относительно корпуса на магнитной подвеске, включающей неподвижные магниты, закрепленные на корпусе, и подвижные магниты, закрепленные на валу. При этом подвижные магниты притягиваются к верхнему неподвижному магниту и отталкиваются от нижнего неподвижного магнита. Недостаток такого подвеса связан с сложностью подбора постоянных магнитов для обеспечения устойчивого равновесия, а также ограничение по максимальной удельной энергии постоянных магнитов, что ограничивает массу подвешиваемого тела.

Известен радиально-аксиальный подшипник, реализованный с использованием ротора и статора из магнитотвердых материалов (патент на изобретение РФ №2176039, МПК F16C 32/04) [3]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет намагничивания магнитотвердых материалов ротора и статора. Недостаток такого подшипника связан с ограничением по массе подвешиваемого тела.

Известно устройство с электромагнитным подвесом маховика, реализованное с использованием электромагнитов (патент на изобретение РФ №2082029, МПК F16C 32/04) [4]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет использования двух кольцевых электромагнитов, которые притягивают вращающийся маховик. Недостаток такого подвеса связан со сложностью системы управления, в случае сбоя в работе системы управления маховик опирается на аварийные шарикоподшипники или полностью притягивается к электромагнитам.

Известен осевой магнитный подвес ротора, реализованный с использованием электромагнитов и нешихтованного ферромагнитного диска [5]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет притягивания ферромагнитного диска, закрепленного на роторе, к неподвижным электромагнитам, которые притягивают вращающийся диск. Недостаток такого подвеса связан со сложностью системы управления, в случае сбоя в работе системы управления маховик будет задевать полюса электромагнитов.

Наиболее близким по технической сущности является магнитный подвес, описанный в [6], этот подвес и принят за прототип (рис. 1.2) [6]. Одноосный магнитный подвес реализован на постоянных магнитах: на неподвижном элементе установлен кольцевой магнит, внутри которого на оси закреплен цилиндрический магнит меньшего диаметра. Под действием веса ротора ось с магнитом опускается, а появляющаяся сила притяжения между магнитами уравновешивает силу тяжести и поддерживает подвижную часть во взвешенном состоянии. Такой подвес предназначен для использования в измерительных приборах и способен обеспечить подвес тела незначительной массы.

Цель изобретения - создание бесконтактного электромагнитного подвеса вертикального вала ротора, который способен обеспечить бесконтактный подвес массивного ротора электромеханического накопителя энергии или другой электрической машины с вертикальным валом ротора.

Технический результат, достигаемый изобретением, - увеличение несущей способности подвеса вертикального вала ротора, снижение механических потерь в устройстве.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен вид спереди электромагнитного подвеса с вертикальным валом ротора, на фиг. 2 - вид сверху электромагнитного подвеса с вертикальным валом ротора.

Электромагнитный подвес с вертикальным валом ротора содержит источник электроэнергии 1, систему управления 2, регулятор тока 3, датчик положения ротора 4, на роторе закрепляется шихтованный ферромагнитный сердечник цилиндрической формы 13, в пазы сердечника вокруг вала ротора укладывается обмотка ротора 10. Выводы обмотки ротора 10 соединены с двумя контактными кольцами 8, по которым скользят щетки 7. Для создания постоянного магнитного поля, пересекающего проводники обмотки ротора 10, на неподвижной части подвеса устанавливаются два П-образных шихтованных ферромагнитных сердечника 11 с обмоткой возбуждения 12. Вал 6 имеет возможность перемещаться в осевом направлении, нижняя часть вала упирается в подпятник 15, для фиксации вала в радиальном направлении используются два направляющих подшипника 5. Подвешиваемое тело 14 закрепляется на валу в нижней части электромагнитного подвеса. Питание обмотки возбуждения 12, системы управления 2 и регулятора тока 3 осуществляется постоянным током от источника электроэнергии 1. Система управления 2 получает данные от датчика осевого положения ротора 4 и управляет регулятором тока 3, который поддерживает необходимое значение постоянного тока в обмотке ротора 10.

Работа электромагнитного подвеса с вертикальным валом ротора.

В выключенном состоянии вал ротора упирается в подпятник. При работе электромагнитного подвеса осевое положение ротора определяется зазором между верхней торцевой частью вала 6 и датчиком осевого положения ротора 4. При включении электромагнитного подвеса постоянное напряжение подключается к обмотке возбуждения 12, которая создает магнитный поток, который замыкается через ферромагнитный сердечник цилиндрической формы 13 на роторе и пересекает обмотку ротора 10. Далее система управления 2 обеспечивает позиционирование вала 6 в осевом направлении, для чего задает необходимое значение тока регулятором тока 3 в обмотке ротора 10, это позволяет поднять ротор с подвешиваемым телом 14. В результате в заданном положении ротора сила Ампера уравновешивает силу тяжести, что обеспечивает устойчивое положение вала 6 с подващиваемым телом 14 в осевом направлении.

Технический результат в изобретении достигается тем, что на роторе закрепляется шихтованный ферромагнитный сердечник цилиндрической формы, в пазы сердечника вокруг вала ротора укладывается обмотка, выводы которой соединены с двумя контактными кольцами, размещенными на валу. Для создания постоянного магнитного поля, пересекающего проводники обмотки ротора, на неподвижной части подвеса устанавливаются два П-образных шихтованных ферромагнитных сердечника с обмоткой возбуждения. Вал имеет возможность перемещаться в осевом направлении, нижняя часть вала упирается в подпятник, для фиксации вала в радиальном направлении используются два направляющих подшипника.

Таким образом, может быть реализована необходимая подъемная сила Ампера для преодоления силы тяжести, большая, чем при использовании высококоэрцитивных постоянных магнитов или электромагнитов и токопроводящих дисков. Упрощение процесса позиционирования вала в осевом направлении обеспечивается за счет конструкции электромагнитного подвеса: увеличение силы тока в обмотке ротора приводит к увеличению подъемной силы Ампера и подъему сердечника цилиндрической формы на роторе с обмоткой вверх, при этом верхняя часть обмотки ротора поднимется выше полюса неподвижного сердечника, магнитная индукция для этой части обмотки уменьшится, что приведет к уменьшению подъемной силы Ампера и стабилизации ротора в новом положении в осевом направлении.

Для обеспечения минимального расхода электроэнергии для поддержания подвешиваемого тела необходимо, чтобы обмотка ротора в рабочем режиме полностью находилась в магнитном поле полюсов неподвижного сердечника, также для уменьшения потерь мощности при левитации ротора в качестве электропроводящего материала обмоток необходимо использовать электротехническую медь.

Достоинство предлагаемого устройства состоит в том, что оно позволяет обеспечить бесконтактный подвес тела с массой несколько тонн с незначительным потреблением электроэнергии, величина которой зависит от геометрических размеров устройства, плотности тока в обмотках и частоты вращения вертикального ротора.

Источники информации

1. Пат. RU(11) 2551864 (13) C1 МПК F16C 32/04. Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии / В.А. Матвеев, О.Л. Полущенко, Н.А. Нижельский и др. - №2014113299/11; Заявлено 04.04.2014; Опубл. 27.05.2015. Бюл. №15.

2. Пат. RU(11) 109250 (13) U1 МПК F16F 15/30. Маховичный накопитель энергии / Н.В. Гулиа. - №2011118975/11; Заявлено 12.05.2011; Опубл. 10.10.2011. Бюл. №28.

3. Пат. RU(11) 2176039 (13) C2 МПК F16C 32/04. Радиально-аксиальный подшипник / Б.П. Фридман, В.С. Жернаков, О.Б. Фридман. - №99103880/09; Заявлено 23.02.1999; Опубл. 20.11.2001. Бюл. №08.

4. Пат. RU(11) 2082029 (13) C1 МПК F16C 32/04. Устройство с электромагнитным подвесом маховика / Н.А. Заболотский, А.И. Коновалов. - №93018970/28; Заявлено 13.04.1993; Опубл. 20.06.1997. Бюл. №2.

5. Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение [Текст] / Ю.Н. Журавлев // СПб.: Политехника, 2003. - 206 с.

6. Осокин Ю.А. Теория и применение магнитных подвесов [Текст] / Ю.А. Осокин, В.Н. Герди, К.А. Майков, Н.Н. Станкевич // М.: Машиностроение, 1980. - 284 с.

Изобретение относится к устройствам бесконтактного электромагнитного подвеса вертикального вала ротора, более конкретно - к электромагнитным подшипникам, предназначенным для использования в различных электрических машинах с вертикальным расположением вала ротора, таких как электромеханические накопители энергии, ветрогенераторы и т.п. Электромагнитный подвес вертикального вала ротора содержит источник питания, датчик положения вала, систему управления, неподвижный ферромагнитный сердечник с обмотками, вал, на котором закреплен элемент, создающий магнитное поле. На роторе закрепляется шихтованный ферромагнитный сердечник цилиндрической формы, в пазы сердечника вокруг вала ротора укладывается обмотка, выводы которой соединены с двумя контактными кольцами, размещенными на валу. Для создания постоянного магнитного поля, пересекающего проводники обмотки ротора, на неподвижной части подвеса устанавливаются два П-образных шихтованных ферромагнитных сердечника с обмоткой возбуждения. Вал имеет возможность перемещаться в осевом направлении, нижняя часть вала упирается в подпятник, для фиксации вала в радиальном направлении используются два направляющих подшипника. Технический результат: увеличение несущей способности подвеса вертикального вала ротора, снижение механических потерь в устройстве. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электромагнитный подвес вертикального вала ротора, содержащий источник питания, датчик положения вала, систему управления, неподвижный ферромагнитный сердечник с обмотками, вал, на котором закреплен элемент, создающий магнитное поле, отличающийся тем, что с целью увеличения несущей способности подвеса на валу размещена обмотка в пазах ферромагнитного сердечника.

2. Электромагнитный подвес по п. 1, отличающийся тем, что на валу установлен скользящий токосъем для питания обмотки ротора постоянным током.

3. Электромагнитный подвес по п. 1, отличающийся тем, что неподвижный сердечник с обмотками состоит из двух П-образных частей, одинаковые магнитные полюса которых направлены на ферромагнитный сердечник ротора с противоположных сторон.