Подшипник системы энергонезависимого активного магнитного подвеса ротора
Владельцы патента RU 2246644:
Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа" (RU)
Изобретение относится к подшипниковым устройствам машин с вращающимся ротором. Устройство содержит размещенный в корпусе статор радиальной опоры и установленный на валу соответствующий ему ротор с зубцами на цилиндрической поверхности, обращенной к рабочей поверхности статора радиальной опоры, на поверхностях боковых полюсов которого расположены зубцы, обращенные к ротору и смещенные друг относительно друга на половину шага зубца. На среднем полюсе статора радиальной опоры расположена обмотка возбуждения, а на его боковых полюсах - генераторные обмотки, соединенные последовательно-встречно и подключенные свободными выводами ко входам выпрямителя напряжения. Устройство снабжено расположенными в корпусе статором и ротором осевой опоры, страховочным шарикоподшипником, внешней обоймой контактирующим с корпусом упругими элементами, выполненными с возможностью перемещения вала в осевом и радиальном направлениях, комбинированным датчиком регистрации радиального и осевого положений роторов опор. Статор датчика связан с корпусом модулем управления, соединенным посредством информационного канала с системой автоматического управления. Ротор осевой опоры, ротор комбинированного датчика регистрации радиального и осевого положений роторов опор, внутренняя обойма страховочного шарикоподшипника дополнительно установлены на валу. Средний полюс статора радиальной опоры выполнен беззубцовым с дополнительным размещением на нем обмотки управления, при этом магнитная цепь статора радиальной опоры выполнена в виде систем полюсов, образующих зоны притяжения с осями, расположенными под углом 120° в радиальных направлениях сечения опоры. Технический результат заключается в разгрузке страховочных подшипников в рабочих режимах машины и повышении надежности и увеличении ресурсов подшипника. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к устройствам электромагнитной разгрузки подшипника и к подшипниковым устройствам машин с вращающимся ротором, в частности к системам активного подвеса ротора.
Известны подшипники систем активного магнитного подвеса (САМП) ротора ([1] Магнитные и магнитогидродинамические опоры. Обзор под ред. А.И.Бертинова, Энергия, М., 1968 г., с.52-54; [2] Применение активных магнитных подшипников в турбокомпрессорах и турбодетандерах газовой промышленности. Компрессорная техника и пневматика, №7, сентябрь, 2001 г., с.17), радиальные и осевые опоры которых выполнены в виде статора с группой электромагнитов и ферромагнитного ротора, через который замыкается магнитное поле электромагнитов.
Статор радиальных опор содержит две группы электромагнитов, образующих зоны притяжения по двум взаимно перпендикулярным радиальным осям, причем по каждой оси имеются две зоны притяжения, создающие усилия в противоположных направлениях. Стабилизация ротора по каждой из радиальных осей осуществляется соответствующим регулированием токов электромагнитов противоположных зон притяжения.
Ротор радиальных опор выполняется в виде пакета электротехнической стали с цилиндрической рабочей поверхностью, обращенной к электромагнитам статора.
Осевая опора САМП имеет ротор в виде ферромагнитного диска, с противоположных сторон которого расположены два кольцевых электромагнита, образующих статор.
В состав подшипников известных САМП входят также датчики положения ротора, формирующие сигнал отклонения ротора от центрального положения по соответствующей оси, страховочные шарикоподшипники и электронный блок управления, преобразующий сигналы с датчиков положения ротора в соответствующие токи электромагнитов радиальных и осевой опор.
К недостаткам известных САМП следует отнести:
- неравномерность токовой нагрузки электромагнитов радиальных опор, связанная с необходимостью компенсации постоянных сил тяжести от массы ротора;
- необходимость внешних источников электроснабжения в рабочих режимах машины, обеспечивающих бесперебойное электропитание САМП для безаварийного функционирования системы магнитного подвеса;
- наличие протяженных силовых и управляющих кабелей связи между подшипниками и блоком управления САМП.
Известно также устройство электромагнитной разгрузки подшипника, содержащее размещенный в корпусе статор радиальной опоры и установленный на валу соответствующий ему ротор с зубцами на цилиндрической поверхности, обращенной к рабочей поверхности статора радиальной опоры, на поверхностях боковых полюсов которого расположены зубцы, обращенные к ротору и смещенные друг относительно друга на половину шага зубца, на среднем полюсе статора радиальной опоры расположена обмотка возбуждения, а на его боковых полюсах - генераторные обмотки, соединенные последовательно-встречно и подключенные свободными выводами ко входам выпрямителя напряжения (см. описание свидетельства РФ на полезную модель №23183, кл. F 16 С 39/06, 2002 г.).
Известное устройство используется для уменьшения статической односторонней нагрузки основных подшипников, например шарикоподшипников, и содержит статор в виде магнитопровода со средним полюсом и обмоткой возбуждения и двумя боковыми полюсами с генераторными обмотками и ротор в виде ферромагнитного зубчатого кольца. В состав устройства входят также двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий емкостной фильтр. При вращении ротора устройство создает электромагнитную силу, воспринимающую основную часть силы тяжести от массы ротора, которая разгружает основной подшипник. Учитывая, что по принципу действия УЭМР представляет собой электрическую машину с самовозбуждением, то для его работы не требуются внешние источники электроснабжения. Описанное выше устройство является наиболее близким относительно предлагаемого технического решения.
Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения полной разгрузки (статической и динамической) основного подшипника.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание подшипника системы активного магнитного подвеса, полностью компенсирующего статические и динамические усилия от ротора при его вращении, не требующего внешнего электропитания, что позволяет получить технический результат, который заключается в повышении эксплуатационных характеристик роторной машины.
Данный технический результат достигается за счет того, что подшипник системы активного магнитного подвеса, содержащий размещенный в корпусе статор радиальной опоры и установленный на валу соответствующий ему ротор с зубцами на цилиндрической поверхности, обращенной к рабочей поверхности статора радиальной опоры, на поверхностях боковых полюсов которого расположены зубцы, обращенные к ротору и смещенные друг относительно друга на половину шага зубца, на среднем полюсе статора радиальной опоры расположена обмотка возбуждения, а на его боковых полюсах - генераторные обмотки, соединенные последовательно-встречно и подключенные свободными выводами ко входам выпрямителя напряжения, согласно изобретению снабжен страховочным шарикоподшипником, внешней обоймой контактирующим с корпусом через упругие элементы, датчиком положения ротора, статор которого связан с корпусом, модулем управления, соединенным посредством информационного канала с системой автоматического управления машины, ротор датчика положения ротора и внутренняя обойма страховочного шарикоподшипника дополнительно установлены на валу, средний полюс статора радиальной опоры выполнен беззубцовым с дополнительным размещением на нем обмотки управления, при этом магнитная цепь статора радиальной опоры выполнена в виде систем полюсов, образующих зоны притяжения с осями, расположенными под углом 120° в радиальных направлениях сечения опоры, основная система полюсов, имеющая зону притяжения в вертикальном направлении, образована средним и боковыми полюсами, а полюса, образующие другие системы с зонами притяжения в других направлениях, выполнены беззубцовыми с размещением на них обмоток управления, при этом первые выводы обмотки возбуждения, обмоток управления радиальной опоры соединены между собой, вторые выводы обмоток управления радиальной опоры подключены, соответственно, к первому управляющему выходу модуля управления, третьи управляющие выходы которого связаны с первым и вторым выводами обмотки возбуждения, а выходы датчика положения ротора опор связаны с информационными входами модуля управления.
Устройство может быть снабжено расположенными в корпусе статором и ротором осевой опоры, ротор осевой опоры установлен на валу, датчик положения ротора представляет собой датчик радиального и осевого положения роторов соответственно радиальной и осевой опор, на статоре осевой опоры размещены обмотки управления, первые выводы которых соединены с первыми выводами обмоток возбуждения и обмоток управления радиальной опоры, а вторые выводы подключены ко второму управляющему выходу модуля управления.
Кроме того, модуль управления может содержать формирователь вектора радиального перемещения ротора, соединенный выходом через блок динамической обработки сигнала радиального отклонения со входом формирователя управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры, который выходами подключен ко входам соответствующих усилителей мощности канала стабилизации радиального положения ротора, выходы которых являются первыми управляющими выходами модуля управления, блок контроля процесса управления, выполненный с возможностью передачи управляющей информации в систему автоматического управления машины, выпрямитель напряжения выходами соединен через емкостной фильтр со входами регулятора напряжения и источника вторичного электропитания, выполненного с возможностью подключения к выводам электропитания всех блоков модуля управления, причем один из выходов емкостного фильтра и выход регулятора напряжения являются третьими управляющими выходами модуля управления, при этом входы формирователя вектора радиального перемещения ротора являются первыми информационными входами модуля управления, а формирователь управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры выполнен с возможностью реализации векторной стабилизации ротора по осям в радиальных направлениях.
Кроме того, модуль управления может дополнительно содержать блок динамической обработки сигнала осевой опоры, подключенный выходами к входам соответствующих усилителей мощности канала стабилизации осевого положения ротора, выходы которых являются вторыми управляющими выходами модуля управления, а вторым информационным входом модуля управления может являться вход блока динамической обработки сигнала осевой опоры.
Кроме того, модуль управления может быть дополнительно снабжен блоком контроля частоты вращения ротора, вход которого является третьим информационным входом модуля управления. Выпрямитель напряжения и регулятор напряжения могут быть выполнены с возможностью образования вместе с генераторными обмотками электрогенератора с самовозбуждением. Кроме того, магнитная система статора радиальной опоры может быть выполнена в виде, по меньшей мере, четырех систем полюсов, образующих одну основную зону притяжения в вертикальном направлении и, по меньшей мере, три дополнительные зоны притяжения, причем формирователь управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры выполнен с возможностью реализации векторной стабилизации ротора в соответствии с количеством зон притяжения. Кроме того, осевая опора может быть выполнена с использованием, по меньшей мере, одного электромагнита. Кроме того, информационный канал между модулем управления и системой автоматического управления машины может быть выполнен бесконтактным, например оптическим.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция подшипника системы активного магнитного подвеса, а на фиг.2 - его функциональная схема.
Подшипник в соответствии с фиг.1 содержит статор 1 и ротор 2 радиальной опоры, статор 3 и ротор 4 осевой опоры, страховочный шарикоподшипник 5, комбинированный датчик 6 радиального и осевого положений роторов опор и электронный модуль 7 управления.
Статоры радиальной 1 и осевой 3 опор установлены в корпус 8, статор датчика 6 связан с крышкой 9 корпуса, с внешней стороны которой расположены электронный модуль 7 управления. Роторы радиальной 2 и осевой 4 опор, ротор датчика 6 и внутренняя обойма страховочного шарикоподшипника 5 установлены на вращающемся валу машины. Страховочный шарикоподшипник 5 внешней обоймой связан с неподвижным корпусом упругими элементами 10, допускающими небольшие перемещения вала машины в осевом и радиальных направлениях.
Магнитная цепь ротора 2 радиальной опоры имеет зубцы на цилиндрической поверхности, обращенной к статору. Магнитная цепь статора 1 радиальной опоры выполнена с тремя системами полюсов, образующих зоны притяжения с осями, расположенными под 120 угловых градусов (УА, УВ, УС) в радиальных направлениях сечения опоры. Основная система полюсов, образующая зону притяжения в вертикальном направлении (УА), имеет средний беззубцовый полюс 11 и два боковых полюса 12, 13 с зубцами, обращенными к ротору и смещенными друг относительно друга на половину зубцового деления. На среднем полюсе основной системы размещены обмотка возбуждения (ОВ) и обмотка управления (ОУА), а на боковых полюсах размещены генераторные обмотки (ОГ1 и ОГ2). Системы полюсов, образующие зоны притяжения в двух других направлениях, выполнены беззубцовыми и на них размещены только обмотки управления (ОУВ и ОУС).
На фиг.2 обозначен емкостной фильтр 14, выпрямитель 15 напряжения, регулятор 16 напряжения, источник 17 вторичного электропитания, генераторные обмотки 18, 19 радиальной опоры, обмотки 20 возбуждения радиальной опоры, обмотки 21, 22, 23 управления радиальной опоры, обмотки 24 и 25 управления осевой опоры, оптический элемент 26, осуществляющий связь с системой автоматического управления машины, которая является бесконтактным (оптическим) информационным каналом. На фиг.2 также обозначены усилители 27, 28, 29, 30 и 31 мощности, формирователь 32 вектора радиального перемещения ротора, блок 33 динамической обработки сигнала радиального отклонения, формирователь 34 управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры, блок 35 динамической обработки сигнала осевой опоры, блок 36 контроля частоты вращения ротора, блок 37 контроля процесса управления.
С выхода датчика 6 снимаются сигналы радиальных отклонений ротора от центрального положения (уА, уВ, уС) по трем осям, совпадающим с осями зон притяжения радиальной опоры, сигнал осевого отклонения (X) и сигнал частоты вращения ω.
Генераторные обмотки 18 и 19 радиальной опоры ОГ1 и ОГ2 включены последовательно-встречно на вход переменного тока выпрямителя 15 с емкостным фильтром С 14, к выходу которого через регулятор 16 напряжения подключена обмотка 20 возбуждения OВ радиальной опоры. Обмотки 21, 22 и 23 управления радиальной опоры 2 ОУА, ОУВ, ОУС подключены к выходам усилителей 27, 28 и 29 мощности соответственно канала стабилизации радиального положения ротора.
Обмотки 24 и 25 управления осевой опоры 3 ОУХ1 и ОУХ2 подключены к выходам усилителей 30, 31 мощности канала стабилизации осевого положения ротора.
Формирование управляющих токов на обмотки управления радиальной и осевой опор осуществляется в модуле 7 управления, который, кроме упомянутых выше усилителей мощности 27-31, выпрямителя 15 и регулятора 16 напряжения, содержит:
- формирователь 32 вектора радиального перемещения ротора;
- блок 33 динамической обработки сигнала радиального отклонения;
- формирователь 34 управляющих токов в обмотках радиальной опоры;
- блок 35 динамической обработки сигнала осевой опоры;
- источник 17 вторичного электропитания блоков модуля 7 управления;
- блок 37 контроля процесса управления, который обеспечивает выдачу информации в систему автоматического управления сложного устройства, например роторной машины.
Подшипник системы энергонезависимого активного магнитного подвеса функционирует следующим образом.
При отсутствии вращения ротор машины опирается на страховочный подшипник, прогибая упругие элементы под действием силы тяжести ротора. Величина отклонения ротора от центрального положения в радиальном и осевом направлениях выбирается из условия обеспечения гарантированных минимальных зазоров между статорами и роторами радиальной и осевой опор, а также датчика положения.
При приведении ротора машины во вращение (до минимальной рабочей частоты) происходит самовозбуждение электрогенератора, образованного генераторными обмотками 18 и 19 ОГ1, ОГ2 и обмоткой 20 возбуждения OВ основной системы полюсов радиальной опоры 2 (фиг.2) и выпрямителем 15 с емкостным фильтром С 14 за счет остаточной индукции магнитной цепи ротора 2 и статора 1 радиальной опоры (фиг.1). В результате на выходе выпрямителя 15 (фиг.2) появляется напряжение, достаточное для приведения к нормальному функционированию блоков электронного модуля 7 управления. Кроме того, по окончании процесса самовозбуждения электрогенератора магнитный поток основной системы полюсов радиальной опоры, создаваемый генераторными обмотками 18, 19 и обмоткой 20 возбуждения, приводит к появлению электромагнитной силы, притягивающей ротор к статору радиальной опоры в вертикальном направлении, тем самым компенсируя основную часть силы тяжести от массы ротора машины и разгружая страховочный шарикоподшипник.
При изменении частоты вращения ротора машины регулятор 16 напряжения (фиг.2) осуществляет стабилизацию напряжения на выходе выпрямителя и электромагнитную силу разгрузки.
Полная разгрузка страховочного шарикоподшипника (статическая и динамическая) осуществляется в результате функционирования блоков электронного модуля 7 управления, содержащего блоки канала стабилизации ротора радиальной опоры и блоки канала стабилизации ротора осевой опоры.
Канал стабилизации ротора радиальной опоры работает следующим образом.
Датчик 6 (фиг.2) измеряет радиальные отклонения ротора от центрального положения и выдает сигналы по трем осям уА, уВ, уС на формирователь 32, с выхода которого сигнал с учетом амплитуды и фазы поступает в блок 33 динамической обработки сигнала радиального отклонения. Далее откорректированный сигнал 
поступает в формирователь 34, выходные сигналы которого uA, uB, uC поступают на входы усилителей 27-29 мощности и далее в виде управляющих токов iA, iB, iC на соответствующие обмотки 21-23 управления радиальной опоры ОУА, ОУВ, ОУС. Электромагнитные силы, создаваемые обмотками управления, воздействуют на ротор таким образом, чтобы парировать статические и динамические нескомпенсированные внешние силы, удерживая ротор в центральном положении. При этом осуществляется полная разгрузка страховочного шарикоподшипника в радиальных направлениях.
Канал стабилизации ротора осевой опоры работает аналогично. Датчик измеряет осевое отклонение ротора от центрального положения и выдает сигнал ΔХ на вход блока 35 динамической обработки. С выхода блока 15 снимаются сигналы uX1, uX2, которые поступают на усилители мощности 30, 31, которые формируют управляющие токи iX1, iX2, на обмотки кольцевых электромагнитов осевой опоры. Результирующая электромагнитная сила, создаваемая осевыми электромагнитами осевой опоры, компенсирует статические и динамические внешние осевые силы и удерживает ротор в центральном положении. При этом осуществляется полная разгрузка страховочного шарикоподшипника 5 в осевом направлении.
Для обеспечения работоспособности и контроля работы блоков в устройстве модуля 7 управления (фиг.2) предусмотрены источник 17 вторичного электропитания, блок 37 контроля и блок 36 контроля частоты вращения ротора.
В предлагаемом устройстве радиальная опора конструктивно совмещает элементы электрогенератора, разгрузочного устройства и электромагнитного радиального подшипника, поэтому при реализации соответствующих конструктивных характеристик работоспособность подшипника обеспечивается без подключения к внешним источникам электроснабжения.
Так как основная система полюсов радиальной опоры воспринимает основную часть статической нагрузки от массы ротора за счет магнитного потока, создаваемого генераторными обмотками 18, 19 и обмоткой возбуждения, то для компенсации остаточных статических и динамических нагрузок в радиальных направлениях требуется меньшая мощность, потребляемая электронным модулем 7 управления, при этом усилители мощности в канале стабилизации ротора радиальной опоры нагружены более равномерно, чем в известных аналогичных установках.
Устройство может быть выполнено без статора и ротора осевой опоры и связанных с ними блоков модуля управления.
Учитывая наличие в устройстве внутреннего источника электроэнергии, электронный модуль управления целесообразно размещать непосредственно на корпусе устройства с целью исключения протяженных силовых и управляющих кабелей связи.
При необходимости работы во взрывоопасных зонах конструкция устройства может быть выполнена в герметичном исполнении, в этом случае информационный канал связи с системой автоматики машины целесообразно выполнять оптическим.
Таким образом, предлагаемые конструкция и функциональное построение модуля 7 управления позволяют решить поставленную задачу, обеспечивая полную разгрузку страховочных шарикоподшипников в рабочих режимах машины, повышая тем самым надежность и ресурс роторной машины.
Использование изобретения повышает эксплуатационные характеристики роторной машины.
1. Подшипник системы активного магнитного подвеса, содержащий размещенный в корпусе статор радиальной опоры и установленный на валу соответствующий ему ротор с зубцами на цилиндрической поверхности, обращенной к рабочей поверхности статора радиальной опоры, на поверхностях боковых полюсов которого расположены зубцы, обращенные к ротору и смещенные друг относительно друга на половину шага зубца, на среднем полюсе статора радиальной опоры расположена обмотка возбуждения, а на его боковых полюсах - генераторные обмотки, соединенные последовательно-встречно и подключенные свободными выводами ко входам выпрямителя напряжения, отличающийся тем, что он снабжен страховочным шарикоподшипником, внешней обоймой контактирующим с корпусом через упругие элементы, датчиком положения ротора, статор которого связан с корпусом, модулем управления, соединенным посредством информационного канала с системой автоматического управления машины, ротор датчика положения ротора и внутренняя обойма страховочного шарикоподшипника дополнительно установлены на валу, средний полюс статора радиальной опоры выполнен беззубцовым с дополнительным размещением на нем обмотки управления, при этом магнитная цепь статора радиальной опоры выполнена в виде систем полюсов, образующих зоны притяжения с осями, расположенными под углами 120° в радиальных направлениях сечения опоры, основная система полюсов, имеющая зону притяжения в вертикальном направлении, образована средним и боковыми полюсами, а полюса, образующие другие системы с зонами притяжения в других направлениях, выполнены беззубцовыми с размещением на них обмоток управления, при этом первые выводы обмотки возбуждения и обмоток управления радиальной опоры соединены между собой, вторые выводы обмоток управления радиальной опоры подключены соответственно к первому трехфазному управляющему выходу модуля управления, третьи управляющие выходы которого связаны с первым и вторым выводами обмотки возбуждения, а выходы датчика положения ротора опор связаны с первым трехфазным информационным входом модуля управления.
2. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что модуль управления содержит формирователь вектора радиального перемещения ротора, соединенный выходом через блок динамической обработки сигнала радиального отклонения со входом формирователя управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры, который выходами подключен ко входам соответствующих усилителей мощности канала стабилизации радиального положения ротора, выходы которых являются первыми управляющими выходами модуля управления, блок контроля процесса управления, выполненный с возможностью передачи управляющей информации в систему автоматического управления машины, выпрямитель напряжения выходами соединен через емкостный фильтр со входами регулятора напряжения и источника вторичного электропитания, выполненного с возможностью подключения к выводам электропитания всех блоков модуля управления, причем один из выходов емкостного фильтра и выход регулятора напряжения являются третьими управляющими выходами модуля управления, при этом входы формирователя вектора радиального перемещения ротора являются первыми информационными входами модуля управления, а формирователь управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры выполнен с возможностью реализации векторной стабилизации ротора по осям в радиальных направлениях.
3. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что он снабжен расположенными в корпусе статором и ротором осевой опоры, ротор осевой опоры установлен на валу, датчик положения ротора представляет собой датчик радиального и осевого положения роторов соответственно радиальной и осевой опор, на статоре осевой опоры размещены обмотки управления, первые выводы которых соединены с первыми выводами обмоток возбуждения и обмоток управления радиальной опоры, а вторые выводы подключены ко второму управляющему выходу модуля управления.
4. Подшипник по п.3, отличающийся тем, что модуль управления дополнительно содержит блок динамической обработки сигнала осевой опоры, подключенный выходами к входам соответствующих усилителей мощности канала стабилизации осевого положения ротора, выходы которых являются вторыми управляющими выходами модуля управления, а вторым информационным входом модуля управления является вход блока динамической обработки сигнала осевой опоры.
5. Подшипник по п.2 или 4, отличающийся тем, что модуль управления дополнительно снабжен блоком контроля частоты вращения ротора, вход которого является третьим информационным входом модуля управления.
6. Подшипник по любому из пп.2-5, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения и регулятор напряжения выполнены с возможностью образования вместе с генераторными обмотками электрогенератора с самовозбуждением.
7. Подшипник по любому из пп.3-6, отличающийся тем, что магнитная система статора радиальной опоры выполнена в виде по меньшей мере четырех систем полюсов, образующих одну основную зону притяжения в вертикальном направлении и по меньшей мере три дополнительные зоны притяжения, причем формирователь управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры выполнен с возможностью реализации векторной стабилизации ротора в соответствии с количеством зон притяжения.
8. Подшипник по любому из пп.3-7, отличающийся тем, что осевая опора выполнена с использованием по меньшей мере одного электромагнита.
9. Подшипник по любому из пп.2-8, отличающийся тем, что информационный канал между модулем управления и системой автоматического управления машины выполнен бесконтактным, например оптическим.
