Магнитная опора вертикального ротора

 

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, 5 ил.

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.

На фиг.1 изображен разрез магнитной опоры.

На фиг.2 показан вариант выполнения шихтованного наконечника из набора колец.

На фиг.3 показан вариант выполнения шихтованного наконечника из непрерывной ленты.

На фиг.4 показаны экспериментальные зависимости силы притяжения в магнитной опоре.

На фиг.5 показаны экспериментальные зависимости радиальной жесткости в магнитной опоре.

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

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

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.

На фиг.2 полюсный наконечник 2 выполнен шихтованным из набора шести тонких колец 9, вставленных одно в другое и образующих в разрезе прямоугольное сечение 3. Причем направление трудного намагничивания отдельных слоев ориентировано в радиальном направлении, т.е. по толщине каждого отдельного кольца 9.

На фиг.3 полюсный наконечник 2 выполнен шихтованным из спирально намотанной в шесть витков тонкой непрерывной ленты 10, образующей в разрезе прямоугольное сечение 3. Причем направление трудного намагничивания ленты ориентировано в радиальном направлении, т.е. по толщине ленты 10.

На фиг.4 показаны сравнительные экспериментальные зависимости вертикальной силы притяжения, действующей на втулку 6, в зависимости от величины зазора между наконечником 2 и втулкой 6 в магнитной опоре с различными конструкциями наконечников.

На фиг.5 показаны сравнительные экспериментальные зависимости радиальной жесткости при отклонении втулки 6 от оси наконечника 2 в зависимости от величины зазора между наконечником 2 и втулкой 6 в магнитной опоре с различными конструкциями наконечников.

Зависимости на фиг.4 и 5 получены для одного и того же магнита с известным оптимизированным по подъемной силе и жесткости наконечником с сечением Г-образной формы площадью 49 мм² из материала сталь 10 (Г-образное сечение и кривые Г на фиг.4 и 5) и наконечниками, выполненными по настоящему изобретению - с прямоугольным сечением (2 мм × 5 мм) площадью 10 мм² из материалов сталь 10, 40Х, 70С2ХА шихтованный (прямоугольное сечение и соответствующие кривые ст. 10, кривые 40х, кривые Ш на фиг.4 и фиг.5). Все зависимости построены в относительных единицах по отношению к величинам силы и жесткости магнитной опоры с прямоугольным наконечником из стали 10 на относительном зазоре 1 при одинаковых диаметрах наконечника, так что материалоемкость наконечника в предлагаемой опоре примерно в 5 раз меньше, чем в известной опоре.

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 στ=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.

РИСУНКИ