Электромагнитная опора Советский патент 1993 года по МПК F16C32/04 

Изобретение может быть использовано в машиностроении и относится к области прикладной электромеханики, в частности, к устройствам, предназначенным для поддержания вращающихся деталей во взвешенном состоянии, например, для бесконтактной подвески роторов, валов, шпинделей и т.п., вращающихся с любой угловой скоростью.

Целью изобретения является улучшение удельных энергомассовых показателей ЭМО путем снижения энергопотребления обмотками управления и обмотками под- магничивания посредством уменьшения общего сопротивления магнитной цепи каждой пары полюсов и увеличения магнитного сопротивления на участке магнитопровода между парами полюсов.

Конструкция ЭМО-включает магнитопроводящий ротор статор с симметрично размещенными .относительно координатных осей полюсами 2, на которых установлены катушки с обмотками подмагничивания 5 и управления 6, причем полюса статора каждой пары полюсов расО ТУ

положены под углом « -- (см.фиг.2, на

которой изображен частный случай: параллельное расположение полюсов в каждой паре полюсов относительно координатных осей Ох и Оу, т.е.а 0). Кроме того, ярмо статора 1 выполнено прямолинейным (на длине Li), и при этом участок магнитопровода между парами полюсов 3 в радиальном направлении имеет меньшую толщину (А), но достаточную для обеспечения необходимой жесткости конструкции.

00

с

8

со

Участок перехода ярма статора в полюс выполнен со скруглением радиуса R; а участок магнитопровода между парами полюсов на длине и выполнен прямолинейным (фиг.З).

Вокруг магнитопроводз 3, расположенного между парами полюсов, уложен корот- козамкнутый виток (фиг.З).

На фйг.1 показана конструкция опоры ЭМ с равномерно расположенными по окружности полюсами статора (прототип); на фиг.2 - конструкция опоры ЭМ, выполненная по пункту 1, изображен частный случай при а 0 (изобретение); на фиг.З - конструкция опоры ЭМ, выполненная по пункту 2 и 3 (изобретение).

Как показано на фиг.2 и 3, опора ЭМ содержит магнитопроводящий статор, состоящий из ярма 1, полюсов 2. магнитопро- водящего участка между парами полюсов 3, ротора 4 и короткозамкнутого витка 7. Каждый полюс имеет катушку с обмоткой подмагничивания 5 и катушку с обмоткой управления 6. Полюса в каждой паре полюсов, располагаясь симметрично относительно координатных осей, направлены под

2 3t углом друг к другу, меньшим, чем -- . С

целью уменьшения потерь в опоре ЭМ на вихревые токи и увеличения быстродействия, статор выполнен из набора шихтованных пластин, а магнитопроводящий ротор -. из наборе шихтованных колец. Пои этом чередования полярностей полюсов обеспечивается соответствующим подключением обмоток полюсных катушек, причем полюса, примыкающие к участку магнитопровода между парами полюсов, имеют одинаковую полярность.

Опора ЭМ работает следующим образом.

Обмотки подмэгничивания обеспечивают необходимую растяжку ротора (магнитную) и тем самым определяют точку на кривой намагничивания стали, которая обеспечивает заданный интервал регулирования электрического тока в обмотках управления положением ротора. При отклонении магнитопроводящего ротора 4 от положения равновесия возникают сигналы, подающиеся на обмотку управления cor ответствующей координаты, ток в обмотке управления увеличивается, и электромагнитная сила возврата увеличивается и возвращает ротор в положение равновесия.

Сравнительный анализ работы прототипа (фиг.1) и опоры ЭМ изобретения (фиг.2,3), показывает, что при работе в положении равновесия общая длина магнитопровода статора, состоящая из ярма и двух

полюсов в заявляемой конструкции меньше, в связи с чем уменьшается и общее магнитное сопротивление всей магнитной цепи пары полюсов, и увеличивается магнитный поток в цепи, в связи с чем появляется возможность:

- оставить магнитную растяжку ротора, формируемую обмотками подмагничивания 6, на прежнем уровне, уменьшив в этих

обмотках электрический ток, что приведет к экономии электроэнергии, расходуемой в этих обмотках, либо уменьшив число витков в обмотках подмагничивания 6.

Сравнительный анализ конструкции

прототипа (фиг.1) и опоры ЭМ изобретения (фиг.2,3) показывает, что, с одной стороны, общая длина магнитной цепи для магнитного потока уменьшается, что должно давать предполагаемый положительный эффект,

но, с другой стороны, уменьшается расстояние между полюсами, имеющими разную . полярность, что должно приводить к увеличению магнитного потока между этими поверхностями полюсов и увеличению

коэффициента рассеяния всей магнитной цепи а:. Ф

аW

где Ф - магнитный поток в ярме статора, Ф3 - магнитный поток в зазоре (между полюсом и ротором).

При этом величина ожидаемого положительного эффекта должна зависеть не только от выбранной марки стали, но и от выбранного диапазона рабочего участка на кривой намагничивания стали, и от конкрет- ного типоразмера конструкции.

При этом в ряде задач требования к повышению прочности магнитного материала могут оказаться гораздо важнее, чем

требования к его магнитным свойствам. Поэтому мы приводим сравнительный анализ результатов расчета для двух вариантов расчета:

- для конструкции, выполненной из электротехнической стали марки 1521,

- и для конструкции., выполненной из стали более высокой прочности, но с более худшими магнитными свойствами, ЗОХГСА. Оба варианта сравнения были проведены для конструкции с размерами: мм - диаметр ротора, 5н 0,4 мм - номинальный рабочий зазор между полюсами статора и ротором, h 40 мм - высота полюсов статора,

b 39,43 мм - ширина полюсов и радиальная толщина ярма статора,

t 40 мм -осевая длина полюсов, р 8 - число полюсов статора.

Эффективность конструкции оценивалась по формуле:

q - Nn -Ми. 1Г)л0/ 3Nn Ш/0

где N - намагничивающая сила магнитной цепи (ампер-витки),

индексы: п - прототип,

и - изобретение.

В обоих вариантах просчитывалась конструкция при а 0, т.е. при параллельном расположении полюсов в каждой паре полюсов относительно координатных осей.

Результаты первого варианта сравнения {сталь 1521) приведены в табл.1.

Результаты второго варианта сравнения (сталь ЗОХГСА) приведены в табл.2.

Сравнение полученных результатов показывает, что в обоих случаях при различных зазорах на всем протяжении кривой зависимости силы притяжения (F) якоря к полюсам от намагничивающей силы (N) мы получаем положительный эффект, т.е. для обеспечения тех же силовых характеристик в положении равновесия (б бн) требуются меньшие затраты электроэнергии.

Поскольку электрическая мощность пропорциональна квадрату тока, то экономия электроэнергии для конструкции с данным типоразмером в случае длительной эксплуатации в режиме соосного положения ротора (б бн) составит (в среднем) для обмотки подмагничивания:

- для стали 1521:

Ээл. (1+Э)2 - 1 (1+0,0084)2 .69 %

- для стали ЗОХГСА:

Ээ/1(1 + 0.074)2- 1 15.3%.

Полученные цифры являются средними для просчитанного интервала изменения намагничивающей силы для данного конкретного конструктивного типоразмера с ,4 мм и могут различаться в несколько раз как в одну сторону, так и в другую сторону в зависимости от выбора величины магнитной растяжки, величины номинального рабочего зазора и магнитных свойств стали.

Что касается экономии электроэнергии в обмотках управления, то здесь дело обстоит следующим образом.

Для большей наглядности рассмотрим вариант сравнения со сталью ЗОХГСА, т.к. здесь кривые имеют больший разброс (фиг.4). Предположим, что ротор отклонился от положения равновесия на величину 0,2 мм, тогда у одной пары полюсов зазор будет 0,2 мм, а у другой (противоположной) - 0,6 мм. Сравнение будем проводить для варианта, при котором и в прототипе, и в предлагаемом изобретении достигаются

одинаковые силовые характеристики 8 положении равновесия ротора (5 5Н), или, другими словами, обеспечивается одинаковая магнитная растяжка.

Как видно из фиг,4 для возвращения ротора в исходное положение, хотя глубина регулировки несколько и увеличивается (для данной точки она увеличится на

, 685б-710 з 6% при экономии

электроэнергии в обмотках подмагничивания в 15,3%), но требуемый уровень потреб45ления энергии все равно ниже на

2,8% по сравнению с прототипом.

Таким образом, сравнительный анализ работы прототипа (фиг. 1) и опоры ЭМ изобретения (фиг.2,3) показывает, что при работе в положении равновесия в заявляемой конструкции наблюдается меньшее потребление электроэнергии обмотками подмагничивания.

При работе в положении отклонения ротора от положения равновесия, когда в результате формирования управляющих сил магнитные потоки в разных парах полюсов могут быть различными, величина нежелательного магнитного потока по магнитопроводу 3 между парами полюсов в заявляемой конструкции будет меньше, как за счет увеличения магнитного сопротивления этого участка путем уменьшения его поперечного сечения, так и в результате влияния короткозамкнутого витка. Кроме того, при отклонении ротора от положения равновесия наблюдается меньший уровень потребления электроэнергии обмотками управления. Таким образом, использование заявляемого изобретения позволяет существенно повысить экономическую эффективность опоры ЭМ по сравнению с опорой ЭМ прототипа.

Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию существенные

отличия.

Формула изобретения Электромагнитная опора, содержащая магнитопроводящий ротор, размещенный с зазором относительно магнитопроводящето восьмиполюсного статора с симметрично размещенными относительно координатных осей полюсами, на которых расположены обмотки подмагничивания и обмотки управления для каждой пары соседних полюсов, отличающаяся тем, что. с целью снижения энергопотребления обмотками подмагничивания и управления при наличии тока в обмотках подмагничивания и возврате в положение равновесия ротора при смещении его в направлении от центра соосности, полюса каждой пары полюсов расположены относительно друг друга под

углом, меньшим, чем

2-л

где Р - число

пол юсов электромагнитной опоры, а участок магнитопровода, вокруг которого располагается короткозамкнутый виток, имеет меньшую радиальную толщину, чем ярмо статора.

Использование: в прикладной электромеханике, в частности в устройствах, предназначенных для поддержания вращающихся деталей во взвешенном состоянии. Сущность изобретения: электро- магнитная опора (ЭМО) содержит магнитопроводящий ротор и статор с симметрично расположенными относительно координатных осей полюсами, на которых установлены катушки с обмотками подмаг- ничивания и управления. Полюса каждой пары полюсов располагаются относительно друг друга под углом а 2л /р (где р - число полюсов ЭМО), как частный случай (присН)) полюса каждой пары могут располагаться параллельно относительно координатных осей и друг к другу. Участок перехода прямолинейного ярма в полюс выполнен со скруглением, а участок магнитопровода между парами полюсов, вокруг которого расположен короткозамкнутый виток, имеет меньшую радиальную толщину, чем ярмо, и может также выполняться прямолинейным. 4 ил. 2 табл.

Таблица 1

Продолжение табл. 1

Таблица 2

Продолжение табл. 2

Фиг.1

фиг.З

Фиг.1.