Осевой гибридный активный магнитный подшипник Российский патент 2023 года по МПК F16C33/00 

Изобретение относится к магнитным подшипникам и может быть использовано в качестве упорных подшипников роторов энергетических и газоперекачивающих установок, турбодетандеров и других турбоагрегатов.

Известен осевой магнитный подшипник со смещением на постоянных магнитах (CN 101893038 А, МПК F16C 32/04, опубл. 24.11.2010 г.), содержащий роторную и статорную части, роторная часть которого содержит вал, а статорная часть включает магнитопровод, катушку с обмоткой и два постоянных магнита, выполненных в форме колец.

Недостатками известного технического решения являются повышенное энергопотребление, низкие несущая способность и быстродействие подшипника.

Известен также гибридный магнитный подшипник (RU 26976364 С2, МПК F16C 32/04, F16C 39/06; опубл. 15.08.2019 г., бюл. №23), содержащий роторную и статорную части, роторная часть которого содержит вал и закрепленный на валу ферромагнитный диск, а статорная часть включает катушку с обмоткой и магнитопровод.

К недостаткам известного технического решения можно отнести недостаточную несущую способность, пониженное быстродействие и низкую энергоэффективность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является упорный магнитный подшипник с сопряженными магнитными потоками электромагнита и постоянных магнитов (US 9945418 В1, МПК F16C 32/04, опубл. 17.04.2018 г.), принятый за прототип, содержащий роторную и статорную части, роторная часть которого содержит вал и закрепленный на валу ферромагнитный диск, а статорная часть включает катушку с обмоткой, два постоянных магнита, выполненных в форме колец и расположенных на внутренних радиальных поверхностях магнитопровода на максимальном радиальном расстоянии от катушки с обмоткой, при этом магнитное поле катушки с обмоткой усиливает магнитное поле одного из постоянных магнитов и ослабляет магнитное поле второго постоянного магнита.

Первым недостатком известного технического решения, принятого за прототип, является низкая энергоэффективность, связанная с потерями потребляемой мощности на нагрев магнитопровода вследствие существенного влияния индуцируемых вихревых токов. Также следствием существенного влияния вихревых токов является снижение быстродействия подшипника.

Второй недостаток прототипа заключается в сниженной несущей способности, вызванной тем, что установка постоянных магнитов на максимальном расстоянии от катушки с обмоткой приводит к взаимодействию их магнитных полей и магнитного поля катушки с обмоткой на наименьшей площади, а переход на постоянные магниты большего диаметра приводит к значительному удорожанию конструкции.

Задачей заявленного изобретения является создание подшипника, имеющего максимальные быстродействие и несущую способность, а также максимальную энергоэффективность при сохранении габаритных размеров кольцевых постоянных магнитов и подшипника в целом.

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение значения магнитной индукции суммарного магнитного поля в области рабочего осевого зазора подшипника за счет увеличения площади взаимодействия магнитного поля управляющей обмотки и магнитных полей постоянных магнитов, а также повышение КПД и жесткости подшипника за счет снижения потерь на вихревые токи путем увеличения электрического сопротивления магнитопровода.

Указанный технический результат достигается тем, что в осевом гибридном активном магнитном подшипнике, включающем вал, закрепленный на валу ферромагнитный диск, магнитопровод, катушку с обмоткой, два постоянных магнита с осевой намагниченностью, выполненных в форме колец и установленных в кольцевых карманах на внутренних радиальных поверхностях магнитопровода на максимальном радиальном расстоянии от катушки с обмоткой, согласно изобретению, в карманы также установлены диамагнитные фиксаторы постоянных магнитов, изолирующие постоянные магниты от осевого контакта с магнитопроводом и от осевых магнитных зазоров с диском, а магнитопровод и фиксаторы постоянных магнитов выполнены из по меньшей мере двух радиальных сегментов, разделенных диэлектрическими изоляционными прокладками и зафиксированных в сборе диэлектрическими фиксаторами магнитопровода, выполненными в форме колец.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан половинный продольный разрез осевого гибридного активного магнитного подшипника.

На фиг.2 показан поперечный разрез осевого гибридного активного магнитного подшипника по линии А-А на фиг.1.

На фиг.3 показана схема линий магнитной индукции и векторов магнитной индукции взаимодействующих магнитных полей в заявленном осевом гибридном активном магнитном подшипнике.

На фиг.4 изображена расчетная зависимость несущей способности от потребной мощности для осевого гибридного активного магнитного подшипника с карманами в сравнении с подшипником без карманов.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - вал; 2 - диск; 3 - магнитопровод; 4 - катушка; 5 - управляющая обмотка; 6, 7 - постоянные магниты; 8, 9 - фиксаторы постоянных магнитов; 10-первый осевой магнитный зазор; 11 - второй осевой магнитный зазор; 12 - диэлектрические изоляционные прокладки; 13, 14 - фиксаторы магнитопроводов; 15 -радиальный магнитный зазор; 16 - вектор магнитной индукции постоянного магнита 6; 17 - вектор магнитной индукции постоянного магнита 7 при отсутствии тока в обмотке 5; 18 - вектор магнитной индукции управляющей обмотки 5; 19 - линии магнитной индукции постоянного магнита 6; 20 - линии магнитной индукции постоянного магнита 7; 21 - линии магнитной индукции управляющей обмотки 5.

Осевой гибридный активный магнитный подшипник (фиг.1), содержит вал 1, закрепленный на валу ферромагнитный диск 2, магнитопровод 3, катушку 4 с обмоткой 5, два постоянных магнита 6, 7 с осевой намагниченностью, выполненных в форме колец и установленных в кольцевых карманах на внутренних радиальных поверхностях магнитопровода 3 на максимальном радиальном расстоянии от катушки 4 с обмоткой 5. В карманы также установлены диамагнитные фиксаторы постоянных магнитов 8, 9, изолирующие постоянные магниты 6, 7 от осевого контакта с магнитопроводом 3 и от осевых магнитных зазоров 10, 11 с диском 2, а магнитопровод 3 и фиксаторы постоянных магнитов 8, 9 выполнены из по меньшей мере двух радиальных сегментов, разделенных диэлектрическими изоляционными прокладками 12 (фиг.2) и зафиксированных в сборе диэлектрическими фиксаторами магнитопровода 13, 14 (фиг.1), выполненными в форме колец.

Ферромагнитный диск 2 напрессован на диамагнитный вал 1 и предназначен для восприятия осевой силы.

Магнитопровод 3 выполнен из ферромагнитного материала и может иметь осевой разъем в целях обеспечения собираемости подшипника.

Катушка 4 с управляющей обмоткой 5 установлена и зафиксирована в осевом направлении в магнитопроводе 3. Внутренняя осевая поверхность катушки 4 и внешняя осевая поверхность диска 2 образуют радиальный магнитный зазор 15.

На внутренних радиальных поверхностях магнитопровода 3 выполнены кольцевые карманы, в которые на максимальном радиальном расстоянии от катушки с обмоткой устанавливаются постоянные магниты 6 и 7, выполненные в форме колец. Постоянные магниты 6 и 7 фиксируются в магнитопроводе фиксаторами постоянных магнитов 8 и 9. Фиксаторы постоянных магнитов 8 и 9 прилегают к внешним осевым поверхностям кольцевых карманов магнитопровода 3.

Внешними торцевыми участками постоянные магниты 6 и 7 прилегают к радиальным поверхностям карманов магнитопровода 3. Внутренние торцевые участки постоянных магнитов 6 и 7 отделены от диска 2 фиксаторами постоянных магнитов 8 и 9 и осевыми магнитными зазорами 10 и 11.

Таким образом, постоянные магниты 6, 7 изолированы от осевых магнитных зазоров 10, 11 подшипника диамагнитными фиксаторами постоянных магнитов 8, 9.

Постоянные магниты 6 и 7 могут быть выполнены наборными в осевом направлении, а также состоять из радиальных сегментов.

Магнитопровод 3 и фиксаторы постоянных магнитов 8, 9 выполнены разрезными и состоят из по меньшей мере двух радиальных сегментов (фиг.2). Между сегментами магнитопровода 3 и фиксаторов постоянных магнитов 8, 9 устанавливаются диэлектрические изоляционные прокладки 12. Изоляционные прокладки 12 по форме полностью повторяют совокупное продольное сечение магнитопровода 3 и фиксаторов постоянных магнитов 8 и 9, расположены параллельно оси магнитопровода 3. Фиксацию изоляционных прокладок 12, а также сегментов магнитопровода 3 и фиксаторов постоянных магнитов 8, 9 в сборе обеспечивают кольцевые фиксаторы магнитопровода 13 и 14, выполненные из диэлектрического материала.

Подшипник работает по принципу активного магнитного подвеса двустороннего действия. Схема работы заявленного осевого гибридного магнитного подшипника показана на фиг.3.

Управляющая обмотка 5 создает собственное магнитное поле, но так как катушка 4 расположена симметрично относительно диска, это магнитное поле не влияет на создание притягивающей магнитной силы, действующей на диск 2. Силы магнитного притяжения, действующие на диск 2 с двух сторон, взаимно вычитаются друг из друга, образуя нулевую суммарную осевую силу.

В заявленном осевом гибридном активном магнитном подшипнике магнитное смещение (предварительный силовой натяг, необходимый для линеаризации магнитной силы) создается постоянными магнитами 6 и 7 с осевой намагниченностью, то есть при нулевом потреблении энергии. Направление осевой намагниченности постоянных магнитов 6 и 7 - противоположное, а направление электрического тока, развиваемого в катушке 5 усилителем мощности, является реверсивным.

При регистрации смещения ферромагнитного диска 2 под действием внешней силы система управления изменяет силу управляющего тока в обмотке 5 катушки 4.

Магнитное поле, создаваемое управляющей обмоткой 5, усиливает магнитное поле постоянного магнита 6 и ослабляет магнитное поле постоянного магнита 7. Это происходит за счет сложения векторов магнитной индукции 18, 16 управляющей обмотки 5 и постоянного магнита 6, действующих в одном направлении в области осевого магнитного зазора 10, и вычитания векторов магнитной индукции 18, 17 управляющей обмотки 5 и постоянного магнита 7, действующих в области осевого магнитного зазора 11 в противоположном направлении.

В результате формируется суммарная осевая сила магнитного притяжения, действующая на диск 2 в направлении, противоположном направлению действия внешней осевой силы, компенсирующая ее и возвращающая ротор в положение равновесия.

За счет выполнения в магнитопроводе 3 кольцевых карманов, в которые установлены диамагнитные фиксаторы постоянных магнитов 8 и 9, потоки векторов магнитной индукции 16, 17 постоянных магнитов 6, 7 проходят через постоянные магниты 6, 7 и образуют замкнутые контуры вокруг фиксаторов постоянных магнитов 8, 9. Таким образом, происходит перераспределение магнитных полей постоянных магнитов 8, 9 на больший диаметр, а следовательно, магнитные поля постоянных магнитов 8, 9 взаимодействуют с магнитным полем управляющей обмотки 5 по большей площади, что выражается в увеличении магнитной индукции суммарного магнитного поля, а также силы магнитного притяжения, действующей на диск 2, и, следовательно, в росте несущей способности подшипника.

Переменное магнитное поле, вызванное изменением тока в управляющей обмотке и колебаниями ротора относительно центрального положения, приводит появлению вихревых токов. Согласно закону Джоуля-Ленца, вихревые токи вызывают нагрев проводников, и, следовательно, рост потерь энергии в магнитопроводах, то есть ведут к снижению энергоэффективности подшипника.

Кроме того, магнитные поля вихревых индукционных токов, образующихся в кольцевых ферромагнитных частях подшипника, препятствуют изменению управляющего магнитного потока. С ростом частоты переменного тока намагничивающая сила вихревых токов уменьшает глубину проникновения магнитного поля, что приводит к сокращению площади доступного поперечного сечения магнитопровода, что снижает его магнитную проницаемость и ослабляет создаваемое им магнитное поле.

Вихревые токи также приводят к снижению быстродействия подшипника и, следовательно, уменьшают его динамическую жесткость, так как динамическая жесткость активных магнитных подшипников зависит от частоты изменения тока в управляющей обмотке.

Диапазон частот изменения тока в управляющей обмотке ограничен так называемой шириной полосы пропускания - диапазоном частот, в пределах которого неравномерность частотной характеристики не превышает заданной. В контексте рассмотрения динамической жесткости и ширины полосы пропускания усилитель и непосредственно катушка с управляющей обмоткой рассматриваются как единое целое и обозначаются термином «магнитный привод». Для того, чтобы быстро изменить несущую способность активного магнитного подшипника при изменении внешних сил необходимо так же быстро изменить величину тока в управляющей обмотке. При увеличении частоты изменения тока возрастает индуктивность катушки, что, в свою очередь, приводит к уменьшению величины силы тока. Максимальная частота, при которой магнитный привод сможет работать на максимальной силе тока, обеспечивая максимальную возможную несущую способность называется полосой пропускания магнитного привода.

Таким образом, полоса пропускания - это мера того, насколько быстро магнитный привод отреагирует на изменение внешней силы. Другими словами, полоса пропускания определяет величину динамической жесткости активного магнитного подшипника.

Сегментирование диска (ротора) активного магнитного подшипника зачастую невозможно вследствие прочностных ограничений.

Выполнение радиального сегментирования в совокупности с разделением сегментов диэлектрическими изоляционными прокладками позволяет существенно повысить электрическое сопротивление магнитопровода, снизив тем самым величину образуемых в нем вихревых токов за счет уменьшения контуров их путей.

Таким образом, радиальное сегментирование магнитопровода и фиксаторов постоянных магнитов с разделением сегментов диэлектрическими изолирующими прокладками существенно увеличивает ширину полосы пропускания, а следовательно, повышает быстродействие подшипника и его динамическую жесткость, а также дает дополнительный прирост несущей способности подшипника (в среднем на 5 - 10%) за счет снижения вихревых токов и соответственно, снижения потерь энергии на нагрев магнитопровода, вызванных вихревыми токами. Таким образом, решается задачи повышения энергоэффективности и быстродействия подшипника.

Указанный результат подтверждается математическим моделированием в программном пакете FEMM 4.2. На фиг.3 показаны расчетные линии магнитной индукции 19, 20 и 21 взаимодействующих между собой магнитных полей постоянных магнитов 6, 7 и управляющей обмотки 5 в продольном сечении заявленного осевого гибридного активного магнитного подшипника. Полученная картина взаимодействия магнитных полей позволяет подтвердить механизм работы подшипника, приведенный в описании. Следует также отметить, что расчетное моделирование проводилось в двухмерной постановке, то есть без учета радиального сегментирования магнитопровода 3 и фиксаторов постоянных магнитов 8, 9.

Помимо визуализации линий магнитной индукции 20, 21 и 22 (фиг.3) была получена расчетная зависимость несущей способности от потребной мощности для заявленного осевого гибридного активного магнитного подшипника с карманами в сравнении с подшипником-прототипом без карманов (фиг.4).

Наличие на внутренних радиальных поверхностях магнитопровода 3 кольцевых карманов, в которые установлены диамагнитные фиксаторы постоянных магнитов 8, 9, существенно увеличивает несущую способность подшипника.

Например, при равной силе тока 5 А подаваемой на обмотку (потребной мощности 38,1 Вт), расчетная несущая способность подшипника-прототипа составляет 275 Н, а расчетная несущая способность заявленного осевого гибридного активного магнитного подшипника аналогичных габаритов -366 Н.

Расчетным образом также подтверждено, что полученный полезный эффект достигается на подшипниках различных диаметров. Кроме того, с ростом потребной мощности положительный эффект выполнения карманов в магнитопроводе и установки в них, помимо постоянных магнитов, диамагнитных фиксаторов постоянных магнитов, может обеспечить до 30 -35% прироста по несущей способности подшипника.

Таким образом, расчетные исследования показали, что подшипник предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом обладает несущей способностью, большей, в среднем, на 30%, за счет выполнения карманов на внутренних радиальных поверхностях магнитопровода, установки в данные карманы диамагнитных фиксаторов постоянных магнитов, изолирующих постоянные магниты от осевых магнитных зазоров. Тем самым решается задача повышения несущей способности осевого гибридного активного магнитного подшипника.

Изобретение относится к магнитным подшипникам. Осевой гибридный активный магнитный подшипник содержит вал (1), закрепленный на валу ферромагнитный диск (2), магнитопровод (3), катушку (4) с обмоткой (5), два постоянных магнита (6), (7) с осевой намагниченностью, выполненных в форме колец и установленных в кольцевых карманах на внутренних радиальных поверхностях магнитопровода (3) на максимальном радиальном расстоянии от катушки (4) с обмоткой (5). В карманы также установлены диамагнитные фиксаторы постоянных магнитов (8), (9), изолирующие постоянные магниты (6), (7) от осевого контакта с магнитопроводом (3) и от осевых магнитных зазоров (10), (11) с диском (2), а магнитопровод (3) и фиксаторы постоянных магнитов (8), (9) выполнены из по меньшей мере двух радиальных сегментов, разделенных диэлектрическими изоляционными прокладками и зафиксированных в сборе диэлектрическими фиксаторами магнитопровода, выполненными в форме колец. Достигается увеличение значения магнитной индукции суммарного магнитного поля в области рабочего осевого зазора, а также повышение КПД и жесткости подшипника. 4 ил.

Осевой гибридный активный магнитный подшипник, содержащий вал, закрепленный на валу ферромагнитный диск, магнитопровод, катушку с обмоткой, два постоянных магнита с осевой намагниченностью, выполненных в форме колец и установленных в кольцевых карманах на внутренних радиальных поверхностях магнитопровода на максимальном радиальном расстоянии от катушки с обмоткой, отличающийся тем, что в карманы также установлены диамагнитные фиксаторы постоянных магнитов, изолирующие постоянные магниты от осевого контакта с магнитопроводом и от осевых магнитных зазоров с диском, а магнитопровод и фиксаторы постоянных магнитов выполнены из по меньшей мере двух радиальных сегментов, разделенных диэлектрическими изоляционными прокладками и зафиксированных в сборе диэлектрическими фиксаторами магнитопровода, выполненными в форме колец.