Высокоскоростное магнитожидкостное уплотнение

 

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 машир ны, ротор которой соединен с кольцевым элементом, датчика частоты вращения вала и регулятора числа оборотов ротора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ()9) (П) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 ф.

Фие. 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ.(21) 3514703/24-07 (22) 07.12.82 (46) 28.02.84. Вюл. Р 8 (72) Н.П. Адволоткин (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения (53) 621.313.04 (088.8) (56) 1. Луцет М,О., Орлов Л.П., Старовойтов В.A Фертман В.Е.

Высокоскоростные криовакуумные магнитожидкостные уплотнения.

Новосибирск, Институт теплофизики

СО AH СССР, 1980, с. 8.

2. Там же, с. 5. ,(54) (57) 1. BbICOKOCKOPOCTHOE

МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ,содержащее неподвижную магнитную систему, 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 в феррожидкости, оно снабжено по меньшей мере одним кольцевым элементом, помещенным в зазоре между валом и полюсами и включающим расположенные в зонах полюсов магнитопроводящие участки, причем кольцевой элемент установлен в подшипниковой опоре и связан с валом через устройство редуцирования частоты вращения.

2. Уплотнение по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения, магнитопроводящие участки кольцевого элемента имеют отверстия, соединяющие между собой рабочие зазоры.

3. Уплотнение по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что между магнитопроводящими участками кольцевого элемента помещены постоянные магниты.

4. Уплотнение по п.1, о т л и, ч а ю щ е е с я тем, что устройство редуцирования частоты вращения выполнено в виде электрической маши/ ны, ротор которой соединен с кольцевым элементом, датчика частоты вращения вала и регулятора числа оборотов ротора.

1077017

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 поддерживается 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 Щ .

Недостаток данного устройства низкий перепад давления в изолируемой от наружной среды полости даже при условии последовательного соединения нескольких уплотнений из-эа отсутствия магнитопроводящего участка на валу в области с феррожидкостью, обусловливающего плохОе 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 участRoM и феррожидкость, помещенную в зазор между полюсными выступами и магнитопроводящей частью вала. Если вал выполнен из магнитопроводящего материала, то потребность в магнитопроводящем кольце отпадает. Число: зубцов, выполненных на одном полюсе, определяется значением перепада давления и эффективностью охлаждения узла ° Помещенная в кольцевой зазор между магнитопроводящей частью вала и зубцами феррожидкость обе печивает изоляцию полости машины от наружной среды и воэможность перепада давления между ними. При вращении вала часть феррожидкости, примыкающая к поверхности вала и сцепленыая с ним, также вовлекается во вращение. По мере удаления от поверхности нала и приближения K 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 окружной скорости вала, а скорость слоя, прилегающего к зубцам, близка к нулю (2) .

10

При прочих рав ных условиях максимальное значение окружной скорости вала определяется двумя факторами: центробежными силами, действующими на феррожидкость, значение которых прямо пропорционально квадрату окружной скорости и обратно пропорционально радиусу вращения, а также значением тепловых потерь в феррожидкости, обусловленным трением вала и зубцов с феррожидкостью и трением сЛоев феррожидкости друг о друга, которое зависит от окружной скорости вала.

Для малых диаметров валов преобладает влияние первого фактора на, максимально возможное значение окружной скорости, при сравнительно больших диаметрах валов — второго, поскольку центробежные силы умень20 шаются с ростом радиуса вращения, а тепловые потери при постоянстве окружной скорости остаются неизменными. На значение максимальной окружной скорости влияют характерису5 тики уплотнения, такие как вязкость феррожидкости, рабочий зазор, магнитная индукция в зазоре, конфигура. ция зубцов, расстояние между зубцами, шероховатость поверхности, плоЗ0 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 ферро40 жидкости.

Указанная цель достигается тем, что магнитожидкостное уплотнение, содержащее неподвижную магнитную систему, состоящую из источника маг45 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

5П полюсами и включающим расположенные в зонах полюсов магнитопроводящие участки, причем кольцевой элемент установлен в подшипниковой опоре и связан с валом через устройство редуцирования частоты вращения.

Магнитопроводящие участки кольцевого элемента могут иметь отверстия, соединяющие между собой рабочие зазоры, Между магнитопроводящими участками кольцевого элемента могут быть помещены постоянные магниты.

Устройство редуцирования частоты вращения может быть выполнено в

65 виде электрической машины, ротор ко-.

1077017 торой 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.3 — 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.6 — элементы статора и ротора электродвигателя по фиг.4; на фиг.7 — конструктивная схема уплотнения с устройством редуцирования в виде бесконтактного 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 кольцеобразный постоянный магнит 2 и . магнитопроводы 3 и 4, кольцевой элемент 5, вал 6 и устройство 7 редуцирования частоты вращения.- Магнитопроводы 3 и 4 имеют зубцы 8.

Кольцевой элемент 5 состоит из магнитопроводящих участков 9 и 10 с зубцами 11, разделенных немагнитным участком 12, который закреплен в подшипнике 13 и расположен между зубцами 8 и валом 6 таким образом, что зубцы 11 оказываются коаксиально расположенными по отношению к зубцам 8. Между зубцами 8 и магнитопроводящими участками 9 и 10 кольцевого элемента 5, а также между зубцами 11 и валом помещена ферро.жидкость 14.

Устройство 7 редуцирования частоты вращения обеспечивает пониженную в сравнении с валом 6 частоту вращения кольцевого элемента 5. Устройство по фиг.1, выполненное в виде зубчатых шестерен 15 с передаточным отношением 2:1, обеспечивает двукратное снижение частоты вращения кольцевого элемента 5 в сравнении с частотой вращения вала. Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом 2, замыкается через магнитопроводы 3 и 4, зубцы 8, феррожидкость 14, магнитопроводящие участки

9 и. 10 с зубцами 11 и магнитопроводящий вал 6.

Постоянный магнит 16 колыхевого элемента 5 (фиг.2), помещенный меж- ду магнитопроводящими участками 9 и 10, обеспечивает повышение индук-, ции s 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.3) выполнены радиальные отверстия 17 и 18 для зарядки магнитожидкостного уплотнения

10 феррожидкостью 14. Наличие радиальных отверстий 18 в кольцевом элементе 5, соединяющем между собой рабочие зазоры, позволяет осуществить заполнение феррожидкоотью

15 зазора между зубцами 11 кольцевого элемента 5 и валом 6 через магнито.проводы 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 укрепленного 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 светодиоды марки АЛ107. Регулятор 20 скорости

/ представляет собой электронный блок, обеспечивающий заданные закон регу4О .лирования частоты вращения ротора

25 электродвигателя 19, соединенного с кольцевым элементом 5, в зависимости от частоты вращения вала 6.

° Блок -схема (.фи г . 5 ) содержит источник 32 питания и задатчик 3 3 з акона регулирования, который задает кратность частот вращения вала 6 и ротора 2 5 с кольцевым элементом 5 . Жестко связанный с . валом 6 датчик 2 1 частоты вращения выдает на регулятор 2 0 скорости сигнал, пропорциональный частоте вращения вала 6, где о н сравнивается- с сигналом з адатчика 3 3 и .в зависимости

55 от амплитуды и фазы сравниваемых сигналов обеспечивает изменение амплитуды (или фазы) пит ающего двигатель 1 9 напряжения в зависимости от типа выбранного регулируемого

6() двигателя и точности, с которой требуется поддерживать кратность ,частот вращения вала 6 и кольцевого элемента 5 . Ротор 2 5 двигателя 1 9 жестко связан с кольцевым элемен65 том 5 .

1077017

10 учитывая то, что диаметр двигателя 19 превосходит диаметр кольцевого элемента 5, а требуемый объем

его активных частей, определяемый величиной развиваемого электромагнитного момента, невелик, целесообразно магнитопровод 23 статора

22 выполнить в виде части кольца, а ротор 25 — в виде кольцевой обоймы 26 с постоянными магнитами 27, расположенными равномерно по всей ее окружности (фиг.б).

Применение устройства 7 редуцирования частоты вращения содержащего регулируемый электродвигатель, обеспечивает возможность изменения кратности частот вращения кольцевого элемента 5 и вала б, 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, входящее в зацепление за счет сил магнитного притяжения с промежуточным колесом

35, жестко соединенным с колесом .36, которое является ведущим для колеса 37, установленного на кольцевом элементе 5.

Обеспечивающие значительное снижение потерь в опорах и возможность повышения частоты его вращения магнитные 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 катушкуО

40, обеспечивающие стабилизацию опор в осевом и радиальном направлениях.

Магнитожидкостное уплотнение работает следующим образом.

Одновременно с вращением вала б с помощью устройства 7 редуцирования 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 которымд помещена феррожид10 кость 14. Так, поверхность вала б вращается относительно поверхности зубцов 11 кольцевого элемента 5 с окружной скоростью в два раза меньшей, чем относительно зубцов 8

15 магнитопроводов 3 и 4. Аналогично примерно в два раза ниже окружная скорость наружной поверхности кольцевого элемента 5 в сравнении с зубцами 8.

Такое снижение соотношения окружных скоростей контактируемых с .феррожидкостью 14 поверхностей приводит при условии равенства

75 рабочих зазоров и индукции в них к снижению потерь на трение в феррожидкости 14 каждого из зазоров.Так как потери на трение пропорциональны квадрату окружной скорости одной

З0 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

40 их валов 6. Двукратное снижение потерь в феррожидкости позволяет в 2 раз повысить окружную скорость вала б в предложенном уплотнении по сравнению с прототипом при усло45 вии равенства потерь в их феррожидкости 14, 1077017 фиЕ. 5 фИ8.7

Составитель Ф. Подольская

Техред N.Гергель Корректор С. Черни !

Редактор Л. Пчелинская

Заказ 766/51

Тираж 667 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4