Высокоскоростное магнитожидкостное уплотнение Советский патент 1984 года по МПК H02K5/124 

Изобретение относится к уплотнительным устройствам для вращающихся валов и может быть использовано в устройствах с окружными скоростями валов свыше 50 м/с, например в высокоскоростных электрических машинах, в полости которых поддерживется пониженное или повышенное в сравнении с наружным давлением.

Известны высокоскоростные магнитожидкостные уплотнения, содержащие неподвижную кольцевую магнитную систему в виде источника магнитного потока и полюсов, охватывающих немагнитный вал, в зазоре между которыми помещена магнитопроводящая жидкость (или феррожидкость), контактирующая с поверхностью вала 1 .

Недостаток данного устройства низкий перепад давления в изолируемой от наружной среды полости даже при условии последовательного соединения нескольких уплотнений из-за отсутствия магнитопроводящего участка на валу в области с феррожидкостью, обусловливающего плокбе сцепление феррожидкости с валом.

Наиболее близким к предлагаемому является высокоскоростное магнитную систему, представляющую собой источник магнитного потока с кольцеобразными полюсами и полюс-. ными выступами в виде зубцов, вал с магнитопроводящим кольцевым участком и феррожидкость, помещенную в зазЬр между полюсными выступами и магнитопроводящей частью вала,Если вал выполнен из магнитопроводяадего материала, то потребность в магнитопроводящем кольце отпадает. Число зубцов, выполненных нз одном полюсе определяется значением перепада давления и эффективностью охлаждения узла. Помещенная в кольцевой зазор между магнитопроводящей частью вала и зубцами феррожидкость обе йпечивает изоляцию полости машины от наружной среды и возможность перепада давления между ними. При вращении вала часть феррожидкости, примыкающая к поверхности вала и сцепленная с ним, также вовлекается во вращение. По мере удален ия от поверхности вала и приближения к поверхности зубцов скорость движения частиц замедляется. Находящуюся в зазоре феррожидкость можно условно разделить на ряд коаксиально расположенных относительно друг друга слоев, вращающихся один относительно другого. Окружная скорость прилегающего к поверхности вала слоя равна 0,6-0,8 от значения окруж ной скорости вала, а скорость слоя, прилегающего к зубцам/ близка к нулю 2 .

При прочих равных условиях максимальное значение окружной скорости вала определяется двумя факторами: центробежными силами, действующими на феррожидкость, значе5 ние которых прямо пропорционально квадрату окружной скорости и обратно пропорционально радиусу вращения, а также значением тепловых потерь в феррожидкости, обусловлен10 ным трением вала и зубцов с феррожидкостью и трением сЛоев феррожидкости друг о друга, которое зависит от окружной скорости вала. Для малых диаметров валов преоб5 ладает влияние первого фактора на . максимально возможное значение окружной скорости, при сравнительно больших диаметрах валов - второго, поскольку центробежные силы уменьQ шаются с ростом радиуса вращения, а тепловые потери при постоянстве окружной скорости остаются неизменными , На значение максимальной окружной скорости влияют характе ис5 тики уплотнения, такие как вязкость феррожидкости, рабочий зазор, магнитная индукция в зазоре, конфигурация зубцов, расстояние между зубцами, шероховатость поверхности, плоQ щадь поверхности охлаждения и другие . Путем подбора сочетания параметров уплотнения достигают максимальной окружной скорости вала равной 50 м/с. Дальнейший рост окружной скорости сдерживается большими значениями тепловых потерь в феррожидкости , что является недостатком известного устройства.

Цель изобретения - снижение тепловых потерь, выделяемых в ферро0 жидкости.

Указанная цель достигается тем, что магнитожидкостное уплотнение, содержащее неподвижную магнитную систему, состоящую из источника маг5 нитного потока и полюсов с зубцами, вал с магнитопроводящей частью и феррожидкость, снабжено по меньше мере одним кольцевым элементом, помещенным в зазоре между валом и

0 полюсами и включающим расположенные в зонах полюсов магнитопроводящие участки, причем кольцевой элемент установлен в подшипниковой опоре и связан с валом через устройство

е редуцирования частоты вращения.

Магнитопроводящие участки кольцевого элемента могут иметь отверстия, соединяющие между собой рабочие зазоры.

Между магнитопроводящими участками кольцевого элемента могут быть псвлещены постоянные магниты.

Устройство редуцирования частоты вращения может быть выполнено в 65 виде электрической машины, ротор которой соединен, с кольцевым элементом, датчика частоты вращения вала и регулятора числа оборотов ротора На фиг.1 приведена конструктивная схема магнитожидкостного уплотнения с редуктором на основе зубчатой передачи, соединяющим вал с кольцевым элементом; на фиг.2 вариант выполнения кольцевого элемента с постоянными магнитами между магнитопроводящими участками на фиг.З - то же, с радиальными отверстиями для зарядки феррожидкости| на фиг.4 - конструктивная схема уплотнения с устройством редуцирования в виде регулируемого электродвигателя, ротор которого соединен с кольцевым элементом;на фиг.5 - блок-схема устройства по фиг.4; на фиг.б - элементы статора и ротора электродвигателя по фиг.4; на фиг.7 - конструктивная схема уплотнения с устройством редуцирования в виде бесконтактног редуктора на постоянных магнитах; на фиг.8 - конструктивная схема уп лотнения с кольцевым элементом,установленным в магнитных опорах. В корпусе 1 магнитожидкостного уплотнения (фиг.1) установлены кол цеобрааный постоянный магнит 2 и магнитопроводы 3 и 4, кольцевой элемент 5, вал б и устройство 7 ре дуцирования частоты вращения.-Магнитопроводы 3 и 4 имеют зубцы 8. Кольцевой элемент 5 состоит из магнитопроводящих участков 9 и 10 с зубцами 11, разделенных немагнит ным участком 12, который закреплен в подшипнике 13 и расположен между зубцами 8 и валом б таким образом, что зубцы 11 оказываются коаксиаль но расположенными по отношению к зубцам 8. Между зубцами 8 и магнитопроводящими участками 9 и 10 кол цевого элемента 5, а также между зубцами 11 и валом помещена ферро жидкость 14. Устройство 7 редуцирования част ты вращения обеспечивает пониженну в сравнении с валом б частоту вращения кольцевого элемента 5. Устройство по фиг.1, выполненное в виде зубчатых шестерен 15 с переда точным отношением 2:1, обеспечивает двукратное снижение частоты вра щения кольцевого элемента 5 в срав нении с частотой вращения вала. Ма нитный поток, создаваемый постоянн магнитом 2, замыкается через магни топроводы 3 и 4, зубцы 8, феррожид кость 14, магнитопроводящие участк 9 и 10 с зубцами 11 и магнитопрово дящий вал 6. Постоянный магнит 16 кольцевого элемента 5 (фиг.2), помещенный меж ду магнитопроводящими участками 9 и 10, обеспечивает повышение индук-, ций в зазоре между зубцами 11 и валом 6. Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом 16,.имеет то же направление, что и магнитный поток основного магнита 2. В магнитной системе и кольцевом элементе 5 {фиг.З) выполнены радиальные отверстия 17 и18 для зарядки магнитожидкостного уплотнения феррожидкостью 14. Наличие радиальных отверстий 18 в кольцевом элементе 5, соединяющем между собой рабочие зазоры, позволяет осуществить заполнение феррожидкостью зазора между зубцами 11 кольцевого элемента 5 и валом б через магнитопроводы 3 и 4 магнитной системы. Устройство 7 редуцирования частоты вращения состоит из регулируемого электродвигателя 19, регулятора 20 скорости и датчика 21 частоты вращения. В качестве электродвигателя 19 используется, например, шаговый двигатель, обладающий хорошей., управляемостью и содержащий статор 22, включающий в себя магнитопровод 23 с обмоткой 24 и ротор 25, представляющий собой обойму 26 с постоянными магнитами . 27 и магнитопроводы 28. Датчик 21 частоты вращения выполнен в виде укреплённого на валу 6 диска 29 с прорезями, источника 30 света и светочувствительного .элемента 31. В качестве источника 30 света и светочувствительного элемента 31 могут, например, применяться све.тодиоды марки АЛ107. Регулятор 20 скорости представляет собой электронный блок, обеспечивающий заданные закон регулирования частоты вращения ротора 25 электродвигателя 19, соединенного с кольцевым элементом 5, в зависимости от частоты вращения вала б. Блок-схема (фиг.5) содержит источник 32 питания и задатчик 33 закона регулирования, который задает кратность частот вращения ваша б и ротора 25 с кольцевым элементом 5. Жестко связанный с. валом б датчик 21 частоты вращенйя выдает на регулятор 20 скорости сигнал, пропорциональный частоте вращения вала б, где он сравнивается- с сигналом задатчика 33 и в зависимости от амплитуды и фазы сравниваемых сигналов обеспечивает изменение амплитуды (или фазы) питающего двигатель 19 напряжения в зависимости от типа выбранного регулируемого двигателя и точности, с которой требуется поддерживать кратность ,частот вращения вала 6 и кольцевого элемента 5. Ротор 25 двигателя 19 |жестко связан с кольцевым- элементом 5. Учитывая то, что диаметр двига теля 19 превосходит диаметр кольц вого элемента 5, а требуемый объем его активных частей, определяемый величиной развиваемого электромагнитного момента, невелик, целе сообразно магнитопровод 23 статора 22 выполнить в виде части кольца, а ротор 25 - в виде кольцевой оёой мы 26 с постоянными магнитами 27, расположенными равномерно по всей ее окружности (фиг.6). Применение устройства 7 редуцирования частоты вращения содержащего регулируемый электродвигатель обеспечивает возможность изменения кратности частот вращения кольцевого элемента 5 и вала 6, однако оно довольно сложно. На фиг.7 приведена конструктивная схема уплотнения с устройством 7 редуцирования частоты вращения, выполненным в виде бесконтактного редуктора на постоянных магнитах, содержащего-ведущее колесо 34, входяшее в зацепление за счет сил магнитного притяжения с промежуточным колесом 35, жестко соединенным с колесом -36, которое является ведущим для колеса 37, установленного на коль цевом элементе 5. Обеспечивающие значительное сни жени потерь в опорах и возможност повьлиения частоты его вращения маг нитные подшипники 38, на которых устанавливают кольцевой элемент 5 могут быть выполнены по различным известным конструктивным схемам. Согласно фиг.8 они содержат три ряда кольцевых постоянных магнитов 39 и диэлектрическую катушкуЭ 40, обеспечивающие стабилизацию опор в осевом и радиальном направлениях. Магнитожидкостное уплотнение работает следующим образом. Одновременно с вращением вала 6 с помощью устройства 7 редуци916

/I 1

(jyue.l рования частоты вращения обеспечивается вращение кольцевого элемента 5 с частотой, в два раза меньшей частоты вращения вала 6. В результате этого при равенстве окружных скоростей валов в предлагаемом уплотнении по сравнению с прототипом в два раза снижается разность окружных скоростей поверхностей, между кoтopы 4;л помещена феррожидкость 14. Так, поверхность вала 6 вращается относительно поверхности зубцов 11 кольцевого элемента 5 с окружной скоростьюв два раза меньшей, чем относительно зубцов В магнитопроводов 3 и 4. Аналогично примерно в два раза ниже окружная скорость наружной поверхности кольцевого элемента 5 в сравнении с зубцами 8, Такое снижение соотнесения окружных скоростей контактируемых с феррожидкостью 14 поверхностей приводит при условии равенства рабочих зазоров и индукции в них к сниженик потерь на трение в феррожидкости 14 каждого из зазоров.Так как потери на трение пропорциональны квадрату окружной скорости одной из контактируемых поверхностей.относительно другой, вследствие снижения в два раза окружной скорости потери в каждом из зазоров уменьшаются примерно в четыре раза. Поскольку число зазоров возрастает в два раза, суммарные потери в феррожидкости предлагаемого уплотнения примерно в два раза ниже аналогичных потерь в прототипе при условии равенства окружных скоростей их валов 6. Двукратное снижение потерь в феррожидкости позволяет в 2 раз повысить окружную скорость вала 6 в предложенном уплотнении по сравнению с прототипом при условии равенства потерь в их феррожидкости 14,

гг 23 гб f J г

3/ № гв zj 28 9

Щ

Гда

фиеЛ

1. ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ,содержащее неподвижную магнитную сие- . тему, состоящую из источника маг;нитного потока и полюсов с зубцами, вал с магнитопроводящей частью и феррожидкость, о т л и ч а ю щ е. е с я тем,что, с целью снижения тепловых потерь вферрожидкости, оно снабжено по меньшей мере одним кольцевым элементом, помещенным в зазоре S между валом и полюсами и включающим расположенные в зонах полюсов магнитопроводящие участки, причем кольцевой элемент устанйвлен в подшипниковой опоре и связан с валом через устройство редуцирования частоты вращения. 2.Уплотнение по п. 1, о т л и чающееся тем, что, с целью упрощения, магнитопроводящие участки кольцевого элемента имеют отверстия, соединяющие между собой рабочие зазоры. 3.Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что между магнитопровоДящими участками кольцевого элемента помещены постоянные магниты. : О) 4.Уплотнение по п.1, о т л ичающееся тем, что устройство .редуцирования частоты вращения выполнено в виде электрической маши- р ны, ротор которой соединен с кольцевым элементом, датчика частоты вращения вала и регулятора числа оборотов ротора.

а

to

f2

39

39