Магнитные опоры станков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Факультет «Механико-технологический»

Кафедра «Технология машиностроения»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: Магнитные опоры станков

по курсу: Расчёт, моделирование и конструирование оборудования с компьютерным управлением

Студент: Е.В. Обухова

Проверил: С.Д. Сметанин

АННОТАЦИЯ

Обухова Е.В. Курсовой проект по специальности «Расчёт, моделирование и конструирование оборудования с компьютерным управлением». - Челябинск: ЮУрГУ, МТ-131, 2015, 62 с., 13 ил., 1 табл., библиогр. список - 9 наим.

В данном курсовом проекте рассматриваются Электромагнитные опоры станков.

Сначала описываются этапы создания и применения элекромагнитных подшипников, после чего приводится принцип их действия, виды конструкции АМП. В работе так же приведены несколько патентов по выбранной теме.

В результате выявлены плюсы и минусы запатентованных изобретений и выполнен курсовой проект.

ОГЛАВЛЕНИЕ

• 1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
• 2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
• 3. КОНСТРУКЦИИ ПОДШИПНИКОВ
• 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
• 5. ПРИЕМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
• 6. РАСЧЕТ ТЯГОВОГО УСИЛИЯ
• 7. ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК
• 7.1 МАГНИТНАЯ ОПОРА ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА
• 7.2 МАГНИТНАЯ ОПОРА ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА
• 7.3 БЕСКОНТАКТНЫЙ МАГНИТНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК
• 7.4 МАГНИТНАЯ ОПОРА КОМПРЕССОРА
• БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
• ВВЕДЕНИЕ

Основным элементом многих машин является ротор, вращающийся в подшипниковых опорах. При этом тенденции к уменьшению массовых и габаритных показателей выдвигает проблему повышения долговечности подшипниковых узлов как первоочередную. Кроме того, в целом ряде областей современной техники требуются подшипники, способные надежно работать в экстремальных условиях. Создание таких подшипников также является актуальной технической проблемой.

Решение указанных проблем может осуществляться как совершенствованием традиционных подшипников качения и скольжения, так и созданием нетрадиционных подшипников, в которых используются иные физические принципы действия.

Традиционные подшипники качения и скольжения к настоящему времени достигли высокого технического уровня. Однако природа протекающих в них процессов ограничивает применение применение этих подшипников для достижения указанных целей. Так, существенными недостатками подшипников качения являются наличие механического контакта между подвижными и неподвижными частями и необходимость в смазке дорожек качения. В подшипниках скольжения механический контакт отсутствует, но необходимы система подачи смазочного материала для создания смазочного слоя и герметизация этого слоя. Очевидно, что совершенствование узлов герметизации может лишь уменьшить, но не полностью устранить взаимное проникновение смазочного материала и внешней среды.

От указанных недостатков свободны подшипники, в которых для создания опорных реакций используются магнитные и электрические поля. Среди них наибольший практический интерес представляют активные магнитные подшипники (АМП).

Отсутствие в АМП механического контакта и необходимости смазки делает их весьма перспективными во многих областях техники. Это, прежде всего: турбины и насосы в вакуумной и криогенной технике; машины для сверхчистых технологий и для работы в агрессивных средах; машины и приборы для ядерных и космических установок; гироскопы; инерционные накопители энергии; а также изделия для общего машиностроения и приборостроения -- шлифовальные и фрезерные высокоскоростные шпиндели, текстильные машины, центрифуги, турбины, балансировочные станки, вибростенды, роботы, точные измерительные приборы и т. д.

Однако, несмотря на имеющиеся успехи, АМП внедряются на практике значительно медленнее, чем это ожидалось из прогнозов, сделанных в начале 1970-х годов. Прежде всего, это объясняется замедленным восприятием промышленностью новшеств, в том числе и АМП. Как и любое новшество, чтобы быть востребованным, АМП нуждаются в популяризации

электромагнитный опора подшипник компрессор

1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Первые примеры практического использования активных магнитных подвесов относятся к 40-м годам XX столетия. Они описаны в работах Д. Бимса по созданию ультрацентрифуг и роторных вакуумметров, Д. Хризенгера по подвеске моделей в аэродинамических трубах и О. Г. Кацнельсона и А. С. Эдельштейна по созданию весоизмерительных приборов. Подробное описание конструктивных и схемных решений, использованных в перечисленных работах.

Классическим примером первых подвесов может служить вакуумметр Д. Бимса, сыгравший большую роль в развитии исследований по магнитным подвесам. Ротор6, представляющий собой ферромагнитный шарик, подвешен внутри стеклянного вакуумного баллона 5 с помощью электромагнита 4. Ток в электромагните управляется по сигналу индуктивпого датчика 2 системой автоматического регулирования САР. Так как магнитная индукция на оси сердечника электромагнита максимальна, то невра- щающийся шарик устойчив и в горизонтальных направлениях. Вращающийся же шарик перейти собственную частоту горизонтальных колебаний без демпфирования не может. Роль демпфера горизонтальных колебаний шарика выполняет намагниченная стальная игла 7 с поплавком 8, помещенные в стакан 1 с маслом. При колебаниях игла следует за шариком и демпфирует их. Разгон ротора осуществляется обмотками 3, создающими вращающееся магнитное поле. Частота вращения шарика измеряется оптическим способом. Давление в баллоне измеряется по скорости снижения частоты вращения ротора на выбеге. Симметричность и однородность шарика и аксиальная симметричность магнитного поля электромагнита обеспечивают практическое отсутствие вихревых токов и тормозящего момента.

Описанный подвес находит широкое применение при создании различного рода центрифуг. Интересно отметить, что с помощью такого подвеса Д. Бимс в 1954 году получил максимальную частоту вращения шарика диаметром 0,4 мм, равную 48 млн об/мин (окружная скорость 1000 м/с). В 1961 году была достигнута фантастическая частота вращения 100 млн об/мин.

С 1960-х годов активные магнитные подвесы стали применяться в активных магнитных подшипниках вращающихся валов. Первый радиальный АМН был предложен и испытан в 1960 году Р. Сикссмитом [69]. Работа Р. Сикссмита показала реальную возможность использования магнитных подвесов в опорных узлах валов и послужила новым импульсом к проведению интенсивных разработок АМП и их практическому применению в самых различных областях техники.

В России (бывшем СССР) первые существенные практические успехи были достигнуты во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромеханики (ВНИИЭМ, Москва) при создании уникальных электромеханических комплексов для космической техники, используемых для управления ориентацией орбитальных станций «Салют» и «Мир». Первые успехи по применению подвесов в области приборостроения и средств автоматики были получены в Московском авиационном институте, Московском энергетическом институте и Научно-исследовательском институте прикладной математики и кибернетики. Первый высокоскоростной шлифовальный электрошпиндель с АМП был создан и испытан в Псковском политехниеском институте. Работы по созданию шпинделей с АМП проводились в Экспериментальном научно-исследовательском институте металлорежущих станков.

Среди зарубежных разработчиков АМП следует особо выделить французскую фирму Societe de Mecanique Magnetique (S2M) -- первую в мире коммерческую фирму, специализирующуюся на выпуске АМП для машин самого различного назначения. Фирму S2M основал в 1976 году X. Хаберманн. ему же принадлежит большое число приоритетных конструктивных решений. Подробный обзор разработок фирмы S2M до 1980 года выполнен Г. А. Лучиным.

Анализ публикаций показывает, что развитие АМП идет в следующих направлениях:

o расширение сфер применения АМП;

o методы управления АМП для гироскопических и гибких роторов (оптимальное, адаптивное, нелинейное, цифровое и другие виды управления);

o прецизионные АМП;

o гибридные АМН (с использованием постоянных магнитов); динамика роторов в АМП; идентификация параметров систем с АМП; бездатчиковые АМП;

o бесподшипниковые электродвигатели (совмещение АМП с электрической машиной); микроАМП;

o сверхпроводящие подвесы; усилители мощности; потери в АМП; страховочные подшипники.

2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Активный магнитный подшипник -- это управляемое электромагнитное устройство, которое удерживает вращающуюся часть машины (ротор) в заданном положении относительно неподвижной части (статора). Магнитные силы притяжения, действующие на ротор со стороны электромагнитов, управляются с помощью электронной системы управления. Поэтому конструктивно АМП состоит из двух основных частей: электромеханической части, или собственно подшипника; электронной системы управления.

Подшипник включает в себя ротор, подвешенный в магнитном поле, закрепленные на статоре электромагниты и датчики положения ротора. Механический контакт между ротором и неподвижным статором отсутствует. Смещения ротора из заданного положения равновесия измеряются датчиками положения. Сигнал с датчиков обрабатывается электронной системой управления таким образом, что магнитные силы возвращают ротор в исходное положение. При отключенном подвесе, а также в случае аварийного сбоя в системе управления ротор опирается на страховочные (или аварийные) подшипники. Эти подшипники (чаще всего это шарикоподшипники) устанавливаются с зазором, поэтому в нормальном режиме они не вращаются.

Электронная система управления включает в себя регулятор и усилители мощности. Используя информацию, поступающую с датчиков положения, эта система управляет положением ротора путем изменения токов в электромагнитах. Соответствующий выбор закона управления токов позволяет обеспечить устойчивое положение ротора и его центровку в зазоре, а также получить желаемые значения жесткости и демпфирования подвеса. Конструктивно электронная система управления оформляется в виде электронного блока, соединенного кабелями с подшипниками и источником электропитания.

Ротор как твердое тело имеет шесть степеней свободы. Его перемещения относительно статора могут происходить в четырех радиальных направлениях X_1; Y₁; Х₂; У₂ одном осевом направлении Z и во вращательном движении на угол ц_z вокруг продольной оси. Вращение ротора ц_z является его рабочим движением. Поэтому полный (неконтактный) магнитный подвес ротора должен ограничивать его перемещения и воспринимать нагрузки в пяти направлениях X_1; Y₁; Х₂; У₂; Z.

В зависимости от направления воспринимаемой нагрузки АМП могут быть радиальными, осевыми (или упорными) и радиально - упорными (или коническими).

Рисунок 2.1 -Варианты полного магнитного подвеса ротора: а - в двух радиальных и одном осевом АМП; б - в двух конических АМП; в - обращенная конструкция с двумя коническими АМП

Полный магнитный подвес ротора может быть создан при помощи одного осевого и, как минимум, двух радиальных АМП (рисунок 1, а) либо при помощи двух конических АМП. На рисунке, в показан обращенный вариант подвеса, в котором неподвижный статор расположен внутри вращающегося ротора.

3. КОНСТРУКЦИИ ПОДШИПНИКОВ

Мировой практикой разработано и испытано большое число конструктивных вариантов АМП. Однако нет оснований полагать, что существует конструкция, которая была бы пригодна для всех без исключения приложений. При создании конкретных устройств всегда имеется возможность для отыскания новых конструктивных решений. Вместе с тем разработаны конструкции (назовем их классическими), которые с успехом используются в большинстве. Рассмотрим эти конструкции.

Радиальный подшипник. В зависимости от направления магнитного потока в теле ротора относительно его продольной оси возможны два конструктивных варианта радиального АМП: с поперечным направлением потока с продольным направлением потока.

Подшипники с поперечным направлением потока более просты в изготовлении и имеют меньшие продольные размеры. Для уменьшения потерь на вихревые токи статор и магнитоактивная часть ротора (цапфа) выполняются шихтованными. Данный тип подшипников является классическим и получил наиболее широкое применение.

В подшипниках с продольным направлением потока нет необходимости, чтобы ротор был шихтованным. Такие подшипники применяются главным образом тогда, когда ротор должен быть цельнометаллическим (например, в условиях глубокого вакуума).

Конструктивная схема классического радиального АМП представлена на рисунке 3.2. Подшипник содержит силовую часть, измерительную часть и страховочный (аварийный) подшипник. Силовая часть служит для восприятия нагрузок в радиальных направлениях и состоит из статора и укрепленной на валу 1 цапфы 6. Цапфа расположена внутри статора с радиальным зазором б. Статор состоит из многополюсного кольцевого шихтованного пакета железа4 и обмоток полюсов 5. Цапфа представляет собой пакет железа в форме полого цилиндра. Пакеты статора и цапфы набираются обычно из листовой электротехнической стали толщиной 0,1-0,5 мм.

Рисунок 3.1 конструктивная схема радиального АМП

Чтобы вызвать силу в любом радиальном направлении, статор должен иметь не менее трех пар полюсов. Обычно используется восьми полюсная конструкция (четыре пары полюсов), в которой обмотки каждых двух соседних полюсов соединяются между собой и вместе с этими полюсами образуют электромагнит. В результате статор содержит четыре электромагнита: два из них удерживают цапфу по оси Ох. два других -- по оси Оу. Очевидно, что восьмиполюсная конструкция более удобна при решении задачи управления, чем шестиполюсная. В случае больших подшипников целесообразно использовать большее число полюсов -- 16, 24, 32 -- это позволит уменьшить габаритные размеры подшипника. Для уменьшения потерь на гистерезис соседние полюса соседних электромагнитов имеют одинаковую полярность.

Измерительная часть подшипника содержит датчики перемещений ротора в радиальных направлениях О_х и О_у. По принципу действия датчики могут быть индуктивными, индукционными (вихревыми), емкостными и оптическими. Чаще других используются индуктивные датчики. Такой датчик состоит из статора 3 и укрепленного на валу мерительного кольца 2, конструкции которых аналогичны конструкциям силового статора и цапфы соответственно. Разница состоит лишь в значительно меньшей толщине пакетов железа и большем числе полюсов и обмоток.

Страховочный подшипник 7 может быть либо шарикоподшипником, либо подшипником скольжения. Он служит для двух целей: опирания ротора при отключенном АМН и обеспечения выбега ротора кратковременно или до полной остановки в случае аварийного отказа АМН. Зазор в страховочном подшипнике обычно равен половине рабочего зазора в АМП. Шарикоподшипник может закрепляться как на валу, так и в корпусе машины. Подшипник скольжения содержит вкладыш, выполненный из графита, бронзы, фторопласта, тефлона.

Радиально-упорный АМН имеет коническую расточку статора и коническую цапфу; в остальном его конструкция аналогична рассмотренной конструкции радиального АМП.

Осевой подшипник. Осевой АМП двустороннего действия содержит укрепленный на валу 1 сплошной (нешихтованный) ферромагнитный диск 2, расположенный между двумя кольцевыми электромагнитами 3 и 6 с обмотками 4 и 5. Для измерения осевых перемещений ротора служит датчик 7. При действии на ротор значительной постоянной осевой нагрузки (например, силы тяжести) можно использовать осевой АМП одностороннего действия, имеющий один электромагнит.

4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Основными техническими характеристиками АМП являются: предельная частота вращения ротора: рабочий зазор; несущая способность; габаритные размеры и масса; жесткость; точность позиционирования оси ротора; потери на трение; энергопотребление; эксплуатационная надежность.

Предельная частота прощения ротора зависит только от прочности на разрыв материала цапфы или диска. Известно, что для электротехнических сталей допустимая окружная скорость составляет 200 м/с. Еще большие скорости вращения можно получить за счет использования аморфного железа, допускающего окружную скорость 350 м/с.

Рабочий зазор в АМП на один-два порядка больше, чем в газовых подшипниках. В специальных случаях зазор может достигать нескольких десятков миллиметров. Относительно большие зазоры облегчают технологию изготовления и снижают чувствительность подшипника к эксплуатационному загрязнению.

Несущая способность АМП зависит от габаритных размеров и используемого материала и достигает 60 Н на 1 см³ площади полюса для электротехнических сталей и 100 Н на 1 см² -- для кобальтовых сталей. Примерно такой же несущей способностью обладают газостатические подшипники; несущая способность подшипников качения значительно выше. В оценочных расчетах можно руководствоваться следующими значениями удельной несущей способности: для радиального АМП -- 20 Н на 1 см² площади диаметрального сечения цапфы; для осевого АМП -- 40 Н на 1см* площади полюсов.

Габаритные размеры и масса АМП существенно больше, чем подшипников качения при одинаковой несущей способности. Размеры радиального АМП можно оценить через площадь диаметрального сечения цапфы, равной отношению требуемой несущей способности к удельной несущей способности (20 Н/см²). Отсюда, зная диаметр цапфы, можно найти ее длину. Наружный диаметр АМП приблизительно вдвое больше диаметра цапфы. Масса АМП примерно равна произведению объема статора АМП на удельную плотность стали.

Жесткость АМП, определяемая как отношение амплитуды реакции подшипника к амплитуде колебаний цапфы, зависит от параметров системы управления и от частоты возмущения. Минимальное значение жесткости имеет место на частоте возмущения, щ₀ равной собственной частоте подвеса щ₀, и составляет c_min = М щ₀². где М -- масса ротора. Значение щ₀ зависит от параметров системы управления и обычно находится в пределах 50-600 Гц. Статическая жесткость АМП за счет введения в регулятор интегрирующего звена может быть чрезвычайно высокой, в десятки раз превышающей значение c_miw.

Точность позиционирования оси ротора в АМП относительно статора определяется главным образом качеством сигнала датчика положения и жесткостью подвеса. При использовании индуктивных датчиков может быть достигнута точность до 0,5 мкм.

Важной особенностью АМП является возможность создания контролируемых микроперемещений ротора в зазоре путем подачи в систему управления соответствующего задающего сигнала (смотри рисунок 2.1). Это свойство может быть использовано, например, для микроперемещений режущего инструмента, создания микроосцилляций ротора и т. п.

Потери но трение в АМП вызваны потерями на вихревые токи и иеремагничнвание в пакетах ротора. Эти потери меньше в 5-20 раз по сравнению с подшипниками качения и в 100- 200 раз по сравнению с гидродинамическими подшипниками. Их покрытие осуществляется двигателем, приводящим ротор во вращение.

Энергопотребление АМП -- это электрическая мощность, потребляемая подвесом от источника электроэнергии и обусловленная потерями в обмотках электромагнитов и усилителях мощности, приблизительно равная ,Вт, где М -- масса ротора, кг. Так, в машине с ротором массой 1000 кг и гидродинамическими подшипниками потребление мощности на трение и снабжение маслом составляет 150 кВт. При использовании АМП эта мощность равна всего 1 кВт.

Энергопотребление АМП зависит также от типа привода вращательного движения ротора. Длительная постоянная нагрузка, как в случае ременной передачи, повышает расход электроэнергии. Наиболее подходящим приводом в этом смысле, является асинхронный электродвигатель.

Существенное (в несколько раз) снижение энергопотребления может быть достигнуто за счет использования гибридных АМП, разработанных фирмой AVC0N. Эти подшипники отличаются от классических тем, что основное магнитное поле в зазоре создается не токами смещения в обмотках, а встроенным в подшипник постоянным магнитом (более подробно они рассматриваются в п. 5.9).

Эксплуатационная надежность АМП определяется, прежде всего, надежностью электронной схемы и системы электроснабжения. Повышение надежности электронной схемы достигается путем резервирования отдельных электронных элементов и цепей, а также обмоток электромагнитов. При внезапном прекращении электроснабжения питание системы управления может осуществляться либо от запасных аккумуляторных батарей, либо от встроенного в машину специального генератора малой мощности. При повреждении кабеля подвода тока к АМП выбег ротора до полной остановки происходит на страховочных подшипниках. Эксплуатационная надежность АМП с резервным исполнением очень высока и составляет 99 % в течение 10 лет работы.

5. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Преимущества АМП вытекают из двух основных присущих им особенностей:

- отсутствия механического контакта между вращающейся и неподвижной частями машины;

- наличия электронной системы управления.

Перечень преимуществ АМП и вытекающих из них положительных технических следствий приведен в табл. 5.1

Таблица 5.1. Положительные свойства АМП

Преимущество	Следствие
Отсутствие механического контакта
Отсутствие изнашивания Отсутствие смазки Высокие скорости вращения Низкое электропотребление Возможность работы в экстремальных условиях Большой зазор	Неограниченный ресурс Снижение расходов на обслуживание и ремонт Отсутствие расходов системы подготовки и подачи смазочного материала (насосов, фильтров, уплотнений, сборников и т.д.) Экологическая чистота Снижение эксплуатационных расходов за счет экономии электроэнергии Малая отдача теплоты в окружающую среду Малый коэффициент трения Работа в вакууме Работа при низких и высоких температурах (от -150 до +450) Работа в условиях радиации Работа в агрессивных средах Сверхчистые технологии Невосприимчивость к загрезнению
Наличие электронной системы управления
Контролируемость положения оси ротора Регулируемость жесткости демпферирования подвеса Возможность использования датчиков сигналов для контроля параметров рабочего процесса	Возможность создания контролируемых миниперемешений ротора в зазоре Вращение ротора вокруг оси инерции (самоцентрирование ротора) и отсутствие вибраций вследствие дисбаланса Возможность создания системы активного гашения колебаний ротора Высокая точность позиционирования Облегченный переходчерез критические скорости Отсутствие шума и вибраций Контроль скорости и вибраций Контроль нагрузки на подшипники Контроль положения ротора Контроль дисбаланса и балансировки ротора

К недостаткам АМН можно отнести:

- необходимость во внешнем источнике электроэнергии; сложность электронного блока управления; относительно низкая несущая способность; относительно высокая стоимость;

- необходимость в персонале высокой квалификации для технического обслуживания.

Взвешивая положительные свойства и недостатки АМГ, можно отметить следующее. АМП никогда не смогут полностью вытеснить традиционные подшипники качения и скольжения. Они находят и будут находить применение там, где возможности традиционных подшипников исчерпаны

6. РАСЧЕТ ТЯГОВОГО УСИЛИЯ

Известно, что магнитная сила притяжения, действующая на элемент площади ферромагнитного тела dA а однородном магнитном поле с индукцией в зазоре В,

(6.1)

где м₀ = 4р * 10 ⁷ Гн/м -- магнитная постоянная.

Отсюда следует, что электромагнит с плоским зазором создает тяговое усилие F = 0,4 * 10⁶В² А, или 40 Н/см² при В = 1 Т.

Тяговое усилие электромагнита, создаваемое, например, полюсами 1 и 2 (см. рис. 3.1), определяется интегральной суммой проекций элементарных сил yа ось Ох

(6.2),

где б-- угловая координата, отсчитываемая от оси Ох.

Учитывая, что б₁=-22,5° - Дб/2, а₂ = 22,5° - Дб/2, нетрудно установить, что выражение в круглых скобках приводится к виду 4cos22,5єsin(Дб/2)=3,695sin(Дб/2). Аналогичным образом вычисляется тяговое усилие для АМП с числом полюсов р=16, 24,.... 32. Обобщающая формула для тягового усилия радиального АМП принимает вид

(6.3)

где a -- коэффициент числа полюсов, a = 0,924 при р = 8, а = 0,906 при р = 16, а = 0,903 при р = 24.

Поскольку полюсный угол Дб = t/(d/2) мал, можно положить sin (Дб/2) = t/d и привести выражение (6.3) к виду

(6.4)

Чтобы найти удельное тяговое усилие на единицу площади диаметрального сечения цапфы f=F/ld, нужно задаться шириной полюса t. Пусть полюс занимает половину полюсного деления, т.е. t=рd/2p. Тогда имеем

(6.5)

В частном случае восьмиполюсного подшипника F=14,4В² Н/см²

7. ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК

Любые патентные работы начинаются с изучения существующего на конкретный момент времени уровня техники, то есть всей совокупности известных технических решений или способов. То есть с поиска. Ведь вдруг все уже запатентовано

В результате поиска можно узнать множество полезных вещей - не только что вообще изобретено или открыто описано. Но и выявить общие тенденции рынка, приоритетные области и массу другой полезной информации. Подробнее.

7.1 МАГНИТНАЯ ОПОРА ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА

Патент на изобретение №: 2242288

Автор: Лисейкин В.П. (RU), Лихачев А.В. (RU), Калитеевский А.К. (RU), Кантин Б.И. (RU), Тарасенко И.Ю. (RU), Разиньков А.А. (RU), Глухов Н.П. (RU), Добулевич В.М. (RU), Ивакин В.А. (RU)

Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие Производственное объединение "Электрохимический завод" (RU)

Дата публикации: Понедельник, Декабрь 20, 2004

Начало действия патента: Пятница, Апрель 4, 2003

Изобретение относится к магнитным опорам вертикальных роторов быстровращающихся приборов, гироскопов, накопителей энергии, генераторов, турбомолекулярных насосов, в которых верхняя магнитная опора ротора не только разгружает нижнюю опору от осевой нагрузки, но и одновременно обеспечивает радиальную жесткость и центровку ротора относительно корпуса. Магнитная опора вертикального ротора содержит кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником в виде кольца с поперечным сечением в форме прямоугольника, примыкающего к нижнему торцу магнита, и размещенную на роторе напротив нижнего торца магнита ферромагнитную втулку. При этом наружный диаметр наконечника составляет 0,8-1,1 величины среднего диаметра магнита, толщина полюсного наконечника равна 0,9-2,1 величины толщины верхнего торца ферромагнитной втулки, а высота полюсного наконечника составляет 1-3 величины толщины полюсного наконечника. Целесообразно, чтобы полюсный наконечник был выполнен из материала, коэрцитивная сила которого не меньше коэрцитивной силы материала ферромагнитной втулки. Кроме того, полюсный наконечник может быть выполнен шихтованным с направлением трудного намагничивания слоев в радиальном направлении. Использование изобретения позволяет повысить поперечную жесткость верхней опоры ротора и уменьшить давление на нижнюю опору без ухудшения массогабаритных показателей и усложнения конструкции опоры, 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунок 7.1 Магнитная опора вертикального ротора

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к магнитным опорам вертикальных роторов быстровращающихся приборов, гироскопов, накопителей энергии, генераторов, турбомолекулярных насосов центрифуг и подобных устройств. Изобретение относится, главным образом, к многофункциональным магнитным опорам, в которых верхняя магнитная опора ротора не только разгружает нижнюю опору от осевой нагрузки, но и одновременно обеспечивает радиальную жесткость и центровку ротора относительно корпуса.

Известна магнитная опора вертикального ротора, в которой на роторе расположена ферромагнитная втулка, а расположенный над ней аксиально намагниченный статорный магнит с полюсным наконечником установлен на крышке корпуса с кольцевым зазором для возможности его перемещения в горизонтальной плоскости и центровки ротора (патент РФ №2115482).

Такая магнитная опора позволяет обеспечить хорошую центровку ротора относительно крышки корпуса, но требует дополнительной технологической операции для каждого изделия, что осложняет серийный выпуск продукции.

Известна магнитная опора вертикального ротора, в которой для повышения поперечной жесткости в дополнение к основному магниту применен дополнительный магнит, сила притяжения которого направлена против направления притяжения основного магнита (патент РФ №2115481).

Такая магнитная опора повышает поперечную жесткость, но увеличивает нагрузку на нижнюю опору ротора. Кроме того, эта опора сложна при сборке для серийного применения, требует точной установки осевого зазора, увязки двух рабочих зазоров одновременно и учета разброса сил притяжения двух магнитов и имеет большие осевые габариты, что уменьшает полезную длину ротора.

Ближайшим техническим решением к предложенному является магнитная опора, содержащая кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита, и ответную ферромагнитную втулку с кольцевым радиальным выступом, высота которого равна 0,1-0,3 высоты втулки, а наружный диаметр радиальной полки полюсного наконечника равен 0,92-0,95 от среднего диаметра кольцевого магнита (патент РФ №2054334).

Это известное решение повышает жесткость магнитной опоры на 8-10% и одновременно незначительно снижает давление на нижнюю опору, однако этого улучшения параметров магнитной опоры недостаточно как по подъемной силе, так и по жесткости опоры.

Техническая задача, которая решается в предлагаемом изобретении, состоит в том, чтобы, в первую очередь, повысить поперечную жесткость верхней магнитной опоры высокооборотного ротора и уменьшить давление на нижнюю опору без ухудшения массогабаритных показателей и усложнения конструкции опоры путем выбора рациональной формы полюсного наконечника, соотношения размеров и взаимного расположения элементов магнитной опоры, а также выбором соотношения магнитных свойств материалов полюсного наконечника и ферромагнитной втулки.

Для решения этой задачи в предлагаемой магнитной опоре вертикального ротора, содержащей установленный в корпусе кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником в виде кольца с поперечным сечением в форме прямоугольника, примыкающего к нижнему торцу магнита, и размещенную на роторе ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, наружный диаметр наконечника составляет 0,8-1,1 величины среднего диаметра магнита, толщина полюсного наконечника равна 0,9-2,1 величины толщины верхнего торца ферромагнитной втулки, а высота полюсного наконечника составляет 1-3 величины толщины полюсного наконечника.

Дополнительно полюсный наконечник может быть выполнен из материала, коэрцитивная сила которого не меньше коэрцитивной силы материала втулки.

Кроме того, полюсный наконечник может быть выполнен шихтованным с направлением трудного намагничивания слоев в радиальном направлении.

Магнитная опора вертикального ротора включает кольцевой аксиально намагниченный магнит 1 с полюсным наконечником 2 в виде кольца с поперечным сечением 3 в форме прямоугольника, установленный в крышке 4 корпуса 5. Ферромагнитная втулка 6 закреплена соосно на роторе 7 в его верхней части под магнитом 1.

Ротор 7 опирается в нижней части на опору 8, а в верхней магнитной опоре не имеет механического контакта с неподвижными деталями крышки 4 или корпуса 5.

Наружный диаметр d полюсного наконечника 2 составляет 0,8-1,1 от величины среднего диаметра

Dcp=0,5(dн+dв),

где Dн - наружный диаметр кольцевого магнита 1;

Dв - внутренний диаметр кольцевого магнита 1;

т.е. выполняется соотношение d=(0,8-1,1) Dcp.

Толщина д полюсного наконечника равна 0,9-2,1 величины толщины Д верхнего торца ферромагнитной втулки, т.е. выполняется соотношение д=(0,9-2,1)Д.

Высота h полюсного наконечника составляет 1-3 от величины его толщины д, т.е. выполняется соотношение h=(1-3)д.

Втулка 6 выполняется из материала с коэрцитивной силой Нв, а наконечник 2 выполняется из материала с коэрцитивной силой Нн, не меньшей Нв, так что выполняется соотношение Нн?Нв.

Магнитная опора работает следующим образом.

Кольцевой магнит 1 создает осесимметричное магнитное поле. Магнитный поток между полюсами магнита 1 замыкается через полюсный наконечник 2 и ферромагнитную втулку 6. Сила притяжения магнита 1, действующая через ферромагнитную втулку 6, разгружает нижнюю опору от части силы веса ротора 7 и одновременно обеспечивает верхней опоре радиальную жесткость, т.е. способность противодействовать угловым отклонениям ротора 7 относительно вертикальной оси.

В покое и при вращении ротора 7 осесимметричное магнитное поле удерживает ферромагнитную втулку 6 и связанный с ней ротор 7 в вертикальном положении, не препятствуя вращению ротора 7 относительно вертикальной оси. В случае отклонения ротора от вертикальной оси симметричность магнитного поля нарушается, что создает радиальную силу, препятствующую отклонению ротора 7 и возвращающую его в исходное положение при прекращении действия возмущающей силы.

Благодаря выбранным геометрическим соотношениям полюсного наконечника 2 относительно параметров магнита 1 и ферромагнитной втулки 6 в пределах предлагаемого диапазона их предпочтительных значений, а также соотношениям магнитных свойств материалов наконечника и втулки обеспечивается оптимальное распределение магнитного потока в рабочем зазоре между наконечником 2 и втулкой 6.

Экспериментальные исследования, данные которых приведены на фиг.4 и 5, показали, что по сравнению с магнитной опорой, приведенной в прототипе, магнитная опора с наконечником, имеющим заявляемые геометрические соотношения, имеет поперечную жесткость магнитной опоры на 30-50% больше, при этом одновременно увеличивается на 20-25% подъемная сила, т.е. все параметры магнитной опоры улучшаются.

Ферромагнитная втулка ротора в известных конструкциях обычно выполняется из стали 40Х, имеющей высокие прочностные свойства: предел текучести уф=85 кг/мм² и коэрцитивную силу Нв=1640 А/м, а полюсный наконечник выполняется из более магнитомягкого материала сталь 10 с коэрцитивной силой Нн=368 А/м.

При радиальном перемещении втулки в материале наконечника происходит перемагничивание за счет ответного перемещения “стенки” - границы между доменами. При этом, чем материал наконечника “мягче” в магнитном отношении, тем с меньшим сопротивлением перемещается “стенка” и меньше поперечная жесткость опоры. Если наконечник выполнить в соответствии с настоящим изобретением из стали с большим содержанием углерода, например стали 40Х, т.е. из такого же материала, как и материал втулки, или другого материала с большей коэрцитивной силой, то при радиальном смещении роторной втулки “стенка”, перемещаясь в материале наконечника, встречает большее сопротивление, например, в узлах решетки, где выделяется углерод, искажающий решетку, в пустотах, немагнитных включениях и “фиктивных” магнитных зарядах вокруг этих включений. Количество таких дефектов возрастает с повышением содержания углерода и коэрцитивной силы материала наконечника. Таким образом, возрастает поперечная жесткость магнитной опоры.

Аналогичный эффект создания сопротивления перемагничиванию при радиальном смещении втулки может быть достигнут выполнением наконечника шихтованным, причем направление трудного намагничивания отдельных слоев для получения наибольшей жесткости следует располагать в радиальном направлении.

Как следует из приведенных результатов исследований, все магнитные опоры с наконечником прямоугольного сечения из разных материалов имеют лучшие параметры по сравнению с известной опорой при примерно в 5 раз меньшей материалоемкости наконечника.

Использование изобретения позволяет повысить поперечную жесткость магнитной опоры на 30-50%, что особенно актуально для обеспечения устойчивости быстровращающихся роторов при одновременном увеличении силы притяжения на 25-30% и снижении давления на нижнюю опору. Это повышает надежность и долговечность работы быстровращающихся роторов с магнитной опорой.

Формула изобретения

1. Магнитная опора вертикального ротора, содержащая установленный в корпусе кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником в виде кольца с поперечным сечением в форме прямоугольника, примыкающего к нижнему торцу магнита, и размещенную на роторе ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, отличающаяся тем, что наружный диаметр наконечника составляет 0,8-1,1 величины среднего диаметра магнита, толщина полюсного наконечника равна 0,9-2,1 величины толщины верхнего торца ферромагнитной втулки, а высота полюсного наконечника составляет 1-3 величины толщины полюсного наконечника.

2. Магнитная опора по п.1, отличающаяся тем, что полюсный наконечник выполнен из материала, коэрцитивная сила которого не меньше коэрцитивной силы материала втулки.

3. Магнитная опора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что полюсный наконечник выполнен шихтованным.

4. Магнитная опора по п.3, отличающаяся тем, наконечник выполнен из материала с направлением трудного намагничивания в радиальном направлении.

7.2 МАГНИТНАЯ ОПОРА ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА

Патент на изобретение №: 2265757

Автор: Лисейкин В.П. (RU), Тарасенко И.Ю. (RU), Кантин Б.И. (RU), Ивакин В.А. (RU)

Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие Производственное объединение "Электрохимический завод" (RU)

Дата публикации: Суббота, Декабрь 10, 2005

Начало действия патента: Пятница, Апрель 23, 2004

Предложенное устройство относится к верхним магнитным опорам высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения, посредством которых роторы удерживаются в вертикальном положении, например, роторов накопителей энергии, центрифуг, гироскопов и подобных устройств. Опора включает ферромагнитное кольцо, установленное на верхнем торце магнита магнитной опоры ротора, толщина которого равна 0,1...0,4 от толщины магнита. Внутренний диаметр ферромагнитного кольца совпадает с внутренним диаметром магнита. Наружный диаметр составляет 1,2...1,5 от среднего диаметра магнита. Между магнитом и ферромагнитным кольцом может быть установлена немагнитная прокладка, толщина которой равна половине толщины ферромагнитного кольца. Предложенная конструкция устройства позволяет уменьшить давление на нижнюю опору и уменьшить массу и габариты магнитной опоры, особенно в осевом направлении, так как это позволяет увеличить рабочую длину ротора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к верхним Магнитным опорам высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения, посредством которых роторы удерживаются в вертикальном положении, например, роторов накопителей энергии, центрифуг, гироскопов и подобных устройств.

Рисунок 7.2 - Магнитная опора ротора

В верхних опорах высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения для уменьшения давления на нижнюю опору применяют магнитные подшипники, повышающие надежность и долговечность работы опор. Для выполнения функций осевой разгрузки нижней опоры и стабилизации вертикального положения оси вращения ротора, верхняя магнитная опора должна обладать достаточными осевой силой притяжения и радиальной жесткостью и иметь относительно малые массу и габариты вращающихся элементов.

Известна магнитная опора ротора, вращающегося вокруг вертикальной оси, содержащая неподвижный кольцевой постоянный магнит с двумя полюсными наконечниками, расположенными на рабочем торце, разнесенными по радиусу и направленными вниз, и установленный на роторе якорь в виде втулки с двумя ответными по отношению к полюсным наконечникам кольцевыми выступами, имеющими одинаковые с полюсными наконечниками размеры и отдаленными от них осевым зазором. Опора снабжена также по меньшей мере одним диском, установленным на роторе между кольцевыми электрообмотками, для компенсации части силы веса ротора и его осевых отклонений (Патент Великобритании №13379987, F 16 С 32/04, опубл. 08.01.75).

Эта магнитная опора разгружает нижнюю опору ротора и стабилизирует его вертикальное положение. Однако она отличается сложной конструкцией, имеет увеличенную массу и радиальные габариты вращающегося с ротором якоря, что неприемлемо для высокооборотных роторов.

Известна также магнитная опора ротора, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно ротору на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над втулкой соосно ей, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита (Патент ФРГ №1071593, В 04 В 9/12, опубл.09.06.90).

Данная магнитная опора обеспечивает вращение ротора без механических контактов с элементами верхней части корпуса, разгружает нижнюю опору действием осевой силы притяжения магнита и стабилизирует положение оси вращения ротора за счет радиальной жесткости, обусловленной действием симметричного магнитного поля. Однако конструкция элементов данной магнитная опора не позволяет эффективно использовать энергию магнита для повышения несущей способности и жесткой опоры. В этой опоре увеличение осевой силы притяжения ротора и повышение радиальной жесткости может быть достигнуто за счет увеличения массы и габаритов магнита, что существенно увеличивает стоимость, особенно при использовании редкоземельных материалов для магнита.

Ближайшим техническим решением к предложенному является магнитная опора ротора газовой центрифуги, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно с ротором на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над втулкой соосно с ней, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита, при этом ферромагнитная втулка в верхней части снабжена кольцевым радиальным выступом, толщина которого оптимизирована с шириной нижнего торца полюсного наконечника, а наружный диаметр наконечника оптимизирован со средним диаметром магнита (Патент России №22054334, В 04 В 9/12, опубл. 20.02.96).

Данная магнитная опора позволяет одновременно повысить магнитная опора газовой центрифуги на 10% и уменьшить давление на нижнюю опору на 5%, однако этого недостаточно.

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы уменьшить давление на нижнюю опору и уменьшить массу и габариты магнитная опора, особенно в осевом направлении, так как это позволяет увеличить рабочую длину ротора.

Поставленная задача достигается тем, что магнитная опора вертикального ротора, содержащей кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником на нижнем торце, установленный на корпусе над ферромагнитной втулкой, закрепленной соосно с ротором на его верхней крышке, на верхнем торце магнита установлено ферромагнитное кольцо, толщина которого равна 0,1...0,4 от толщины магнита, причем внутренний диаметр ферромагнитного кольца совпадает с внутренним диаметром магнита, а наружный диаметр составляет 1,2...1,5 от среднего диаметра магнита, при этом между магнитом и ферромагнитным кольцом может быть установлена немагнитная прокладка, толщина которой равна половине толщины ферромагнитного кольца.

Изобретение поясняется чертежом на котором показан продольный разрез магнитной опоры.

Магнитная опора ротора включает аксиально намагниченный кольцевой магнит 1, имеющий толщину S₁, внутренний диаметр D₁, средний диаметр D_cp, и ферромагнитное кольцо 2, толщина которого S₂ равна 0,1...0,4 от толщины магнита S₁ , внутренний диаметр кольца 2 совпадает с внутренним диаметром магнита D₁, а его наружный диаметр D₂ составляет 1,2...1,5 от среднего диаметра магнита D_cp. Между магнитом 1 и ферромагнитным кольцом 2 установлена немагнитная прокладка 3, толщина которой S равна половине толщины ферромагнитного кольца 2. На нижнем торце магнита 1 имеется кольцевой полюсный наконечник 4, установленный на крышке 5, закрепленной на корпусе 6, соосном вертикальному ротору 7, причем крышка 5 в зоне установки магнита 1 имеет толщину L. Соосно ротору 7 на его верхней крышке 8 установлена ферромагнитная втулка 9. Ротор 7 опирается на нижнюю опору 10. Между верхним торцом ферромагнитной втулки 9 и нижним торцом крышки 5 имеется технологический зазор К, необходимый для гарантированного отсутствия касания вращающихся и неподвижных частей машины. Сумма зазоров L и К образует зазор Х между верхним торцом втулки 9 и нижним торцом наконечника 4.

Магнитная опора работает следующим образом.

Кольцевой магнит 1 с полюсным наконечником 4 создает осесимметричное магнитное поле, сила притяжения которого через ферромагнитную втулку 9 разгружает нижнюю опору 10 от части силы веса ротора 7.

Магнитный поток между полюсами магнита 1 замыкается через полюсный наконечник 4, ферромагнитную втулку 9 и ферромагнитное кольцо 2.

В покое и при вращении ротора 7 осесимметричное магнитное поле удерживает ферромагнитную втулку 9 и связанный с ней ротор в вертикальном стационарном положении, не препятствуя вращению ротора 7. В случае отклонений ротора от стационарного положения симметричность магнитного поля нарушается, что создает радиальную силу, препятствующую отклонению ротора 7 и возвращающую ротор в исходное положение при прекращении действия возмущающей силы. Благодаря наличию ферромагнитного кольца 2 на верхнем торце магнита 1 и предполагаемых диапазонов его предпочтительных геометрических соотношений с кольцевым магнитом 1 в данной магнитной системе обеспечивается повышенная концентрация магнитного поля в зазоре К между ферромагнитной втулкой 9 и полюсным наконечником 4, что по сравнению с известными магнитная опора, повышает эффективность разгрузки нижней опоры 10 за счет более полного полезного использования энергии магнитного потока. При этом может быть сэкономлено до 30% массы магнита, что особенно актуально при использовании дорогих редкоземельных металлов для изготовления магнитов, где влияние установки ферромагнитного кольца 2 особенно значительно.

Одновременно из-за увеличения магнитного потока можно увеличить толщину L, обеспечивающую «самоотрыв» ротора 7 от верхней крышки 5 корпуса 6; это повышает механическую прочность крышки 5 при разрушении роторов, так как малая величина L может привести к деформации и снижению вакуумной плотности материала крышки 5, при этом из-за увеличения суммарного рабочего зазора Х несколько уменьшается поперечная жесткость магнитной опоры. Для компенсации этого уменьшения может быть устанавлена немагнитная прокладка 3 между магнитом 1 и ферромагнитным кольцом 2, что увеличивает на 10% поперечную жесткость магнитной опоры без изменения величины давления на нижнюю опору.

Приведенные соотношения ферромагнитного кольца 2 позволяют оптимально выбрать параметры магнитной опоры - давление на нижнюю опору и поперечную жесткость.

Экспериментальные исследования, выполненные заявителем, показали, что при применении ферромагнитного кольца 2, установленного на верхнем торце магнита 1 в одной из магнитных опор, уменьшается давление на нижнюю опору на 20%, при этом толщина L дна крышки 5 увеличилась с 2,8 мм до 4,6 мм.

Формула изобретения

1. Магнитная опора вертикального ротора, содержащая кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником на нижнем торце, установленный на корпусе над ферромагнитной втулкой, закрепленной соосно с ротором на его верхней крышке, отличающаяся тем, что на верхнем торце магнита установлено ферромагнитное кольцо, толщина которого равна 0,1...0,4 толщины магнита, причем внутренний диаметр ферромагнитного кольца совпадает с внутренним диаметром магнита, а его наружный диаметр составляет 1,2...1,5 среднего диаметра магнита.

2. Магнитная опора по п.1, отличающаяся тем, что между магнитом и ферромагнитным кольцом установлена немагнитная прокладка, толщина которой равна половине толщины ферромагнитного кольца.

7.3 БЕСКОНТАКТНЫЙ МАГНИТНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК

Патент на изобретение №: 2510117

Автор: Чирков Юрий Анатольевич (RU), Машкович Александр Григорьевич (RU), Середа Сергей Владимирович (RU)

Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" (RU)

Дата публикации: Пятница, Декабрь 20, 2013

Начало действия патента: Суббота, Июнь 9, 2012

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в подшипниковых узлах. Изобретение позволяет создать подшипник, имеющий высокий срок службы и обеспечивающий высокую устойчивость к осевым и радиальным нагрузкам при минимизации габаритов и веса. Кроме этого, представленный подшипник работает практически бесшумно и обладает высокой устойчивостью к загрязнениям. Ротор и статор выполнены в виде магнитов с постоянной осевой намагниченностью в форме корпусных тел вращения, расположенных соосно и их одноименные магнитные полюса направлены друг к другу, по внутренней поверхности статора и обращенной к ней внешней поверхности ротора равномерно распределен электростатический заряд одинакового знака. Ротор может свободно вращаться в статоре, так как расположен с рабочим зазором и находится в подвешенном состоянии под действием магнитных и электростатических сил отталкивания. Ось подшипника, выполненная из немагнитного материала, жестко закреплена с ротором и проходит с малым зазором через фторопластовые втулки, закрепленные в статоре. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в подшипниковых узлах.



Рисунок 7.3 - Бесконтактный магнитный электростатический подшипник.

Одной из важнейших задач, решаемых при конструировании и эксплуатации различных машин и механизмов, имеющих вращающиеся относительно друг друга части конструкции, является повышение долговечности и ресурса подшипниковых узлов. Предпосылками к повышению требований к характеристикам подшипников являются увеличение скоростей вращения и мощностей роторных машин, необходимость их надежной работы в экстремальных условиях (вакуум, высокие и низкие температуры, агрессивные среды, экологически чистые технологии и т.д.), ужесточение требований к массовым и габаритным характеристикам.

...