Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано в системах управления и стабилизации летательных аппаратов, а также в любой отрасли машиностроения, в которой требуется уменьшение трения и исключение смазочных материалов, например при работе в вакууме и в условиях низких температур. Бесконтактная опора выполнена в виде двух пар коаксиально расположенных кольцевых постоянных магнитов, установленных на статоре и объединенных попарно по потоку магнитной индукции двумя кольцевыми магнитопроводами, и высокотемпературных сверхпроводников, захваченный магнитный поток которых центрирует ротор, закрепленных на роторе, размещенном в зазоре между постоянными магнитами. Для улучшения однородности магнитного поля в магнитном зазоре поверхности постоянных магнитов, обращенные в сторону магнитного зазора, снабжены кольцевыми пластинами из магнитомягкого материала, например пермаллоя или электротехнической стали. Техническим результатом является повышение жесткостных и нагрузочных характеристик опоры и уменьшение момента сопротивления вращению ротора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано в системах управления и стабилизации летательных аппаратов, а также в любой отрасли машиностроения, в которых требуется уменьшение трения и исключение смазочных материалов, например при работе в вакууме и в условиях низких температур.

Известны бесконтактные опоры, основанные на использовании высокотемпературных сверхпроводников. Например, патент США №5789837, заявленный 14 августа 1996 г. и выданный на имя Shin; Sung-chul (Daejoeon-Si, KR); Filatore; Alexei (Daejeon-Si, KR). В данном патенте представлена опора с центрированием ротора захваченным магнитным потоком, имеющая статор/ротор с короткозамкнутыми сверхпроводящими контурами, выполненными в виде элементов круглой или прямоугольной формы с центральными отверстиями, которые размещены в зазоре между кольцевыми магнитами. Данная форма сверхпроводящих элементов по мнению авторов патента позволяет снизить гистерезис нагрузочных характеристик опоры.

В патенте США №6175175, заявленном 10 сентября 1999 г. и выданном на имя John R. Hull, Downers Grouve, IL (US), представлена опора, в которой кольцевые коаксиально расположенные постоянные магниты левитируют над сплошными сверхпроводниками различных форм за счет сил диамагнитного отталкивания, что не обеспечивает жесткого центрирования ротора.

В статье "Study on characteristics of high temperature superconducting magnetic trust bearing for 25 kWh flywheel", опубликованной в журнале Physica С 357-360 (2001) 866-869 авторами S. Nagaya, N. Kashima, M. Minami at el., представлена конструкция опоры, включающая десять сплошных дисков из высокотемпературных сверхпроводящих материалов и четыре кольцевых коаксиально расположенных постоянных магнитов, закрепленных на роторе, который также свободно левитирует над сверхпроводниками и тоже не осуществляет центрирования ротора.

В известных технических решениях использование короткозамкнутых сверхпроводящих контуров в виде колец круглой или прямоугольной формы не позволяет получить высокие жесткостные и нагрузочные характеристики при смещении ротора относительно статора в осевом и радиальном направлениях, а в конструкциях, использующих сверхпроводящие элементы в виде сплошных дисков, над которыми левитируют магниты, не обеспечивается жесткость центрирования ротора по трем координатам. Также в известных технических решениях не предусмотрены средства для уменьшения момента сопротивления вращению ротора опоры, возникающие из-за неоднородности магнитного поля.

Для решения поставленных задач предложенная бесконтактная опора на высокотемпературных сверхпроводниках с центрированием ротора захваченным магнитным потоком содержит коаксиально расположенные кольцевые постоянные магниты, установленные на статоре, и сверхпроводниковые элементы, выполненные, например, в виде сплошных дисков, закрепленных на роторе, размещенном в магнитном зазоре постоянных магнитов. Для улучшения однородности магнитного поля в магнитном зазоре поверхности магнитных колец, обращенные в сторону магнитного зазора, снабжены кольцевыми пластинами из магнитомягкого материала, например пермаллоя.

На фиг.1 изображена конструкция бесконтактной радиально-упорной опоры на высокотемпературных сверхпроводниках в разрезе. Она включает корпус 1, статор, состоящий из верхнего магнитопровода 2 с закрепленными на нем коаксиально расположенными кольцевыми магнитами 3 с пермаллоевыми пластинами 4 на поверхности, нижнего магнитопровода 5 с закрепленными на нем коаксиально расположенными кольцевыми магнитами 6 с пермаллоевыми пластинами 7 на поверхности и центрирующих колец из немагнитного материала 8, 9, магнитный зазор 10, диск ротора 11 с размещенными на нем высокотемпературными сверхпроводниками в виде дисков 12, вал ротора 13, установочную втулку 14, штифт 15.

На фиг.2 представлена фотография узлов магнитной опоры: корпус 1, кольцевые постоянные магниты 3, 6, диск ротора 11, дисковые элементы из высокотемпературного сверхпроводника 12.

На фиг.3 представлена фотография общего вида магнитной опоры.

Бесконтактная радиально-упорная опора работает при температуре жидкого азота. Кольцевые постоянные магниты 3 индуцируют в магнитном зазоре 10 противоположно направленное осесимметричное магнитное поле с максимальной индукцией 0,7 Тл и радиальным градиентом 0,132 Тл/мм. Семь монодоменных сверхпроводящих дисков 12 из иттрий-бариевой керамики диаметром 28 мм и толщиной 4 мм закреплены концентрически на диске ротора 11 и размещены в магнитном зазоре 10 в области максимального градиента. Перед охлаждением вал ротора 13 опоры центрируется в исходном положении установочной втулкой 14, закрепленной на нем с помощью штифта 15. После завершения процесса охлаждения втулка 14 удаляется.

При охлаждении ниже критической температуры 90 К диски 12 переходят в сверхпроводящее состояние и захватывают пронизывающее их магнитное поле. Взаимодействие захваченного сверхпроводниками 12 магнитного потока с магнитным полем постоянных магнитов 3 создает силу, противодействующую смещению в аксиальном и радиальном направлениях. В охлажденном состоянии после удаления втулки 14 последующее центрирование ротора осуществляется силами магнитного взаимодействия, создающими жесткую самостабилизирующуюся систему сверхпроводник-магнит, которая обеспечивает бесконтактное взвешивание и центрирование ротора по трем линейным и двум угловым координатам и не препятствует его вращению вокруг оси опоры. В предлагаемой бесконтактной радиально-упорной опоре применены сверхпроводники в виде сплошных пластин (дисков) вместо колец, используемых для снижения гистерезиса, как предложено в патенте США №5789837. При использовании сплошных пластин взамен колец увеличивается объем и площадь рабочей поверхности сверхпроводника, взаимодействующего с постоянными магнитами, и, соответственно, пропорционально повышаются нагрузочные и жесткостные параметры. В то же время для снижения гистерезисных явлений используются монодоменные сверхпроводники состава YBa₂Cu₃O₇ с высоким пиннингом магнитных вихрей, который обеспечивает захват магнитного поля большой величины ≥1 Тл. Проведенные исследования показали, что величина смещения ротора опоры, вызываемая приложенной нагрузкой, зависит от силы пиннинга магнитных вихрей в структуре сверхпроводника, и чем сила пиннинга выше, тем большую нагрузку, не приводящую к гистерезису смещения, может выдержать опора. Измерения нагрузочных характеристик предложенной опоры с использованием указанных сверхпроводников с высоким пиннингом выявили зону безгистерезисного (упругого) смещения ротора как в радиальном, так и в осевом направлениях в диапазоне нагрузок до 7 Н, что не наблюдалось в известных технических решениях.

Кроме того, в предлагаемом изобретении в отличие от работ (патент США №6175175 и статья "Study on characteristics of high temperature superconducting magnetic trust bearing for 25 kWh flywheel", опубликованной в журнале Physica С 357-360) центрирование ротора осуществляется магнитным потоком, захваченным сверхпроводниками, охлажденными в градиентном магнитном поле зазора, что создает связанную воедино магнитным потоком самостабилизирующуюся систему. Это означает, что смещение ротора относительно статора в любом направлении, приводящее к изменению магнитного потока, пронизывающего сверхпроводник, вызывают возникновение противодействующей электромагнитной силы, действующей как отрицательная обратная связь и стремящейся возвратить систему в исходное состояние.

Для уменьшения магнитной компоненты момента сопротивления вращению, возникающей из-за неоднородности магнитного поля, используются кольцевые пластины из магнитомягкого материала (например, пермаллоя) толщиной ≤0,2 мм, которые устанавливаются на поверхности магнитов, обращенные в сторону зазора. Это позволяет улучшить однородность распределения магнитной индукции над поверхностью магнитов на 40%.

По сравнению с известными изобретениями предлагаемое изобретение обеспечивает устойчивое центрирование ротора по 5 степеням свободы и его свободное вращение вокруг оси при одновременном повышении нагрузочных и жесткостных характеристик и уменьшении потерь при вращении.

1. Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках с центрированием ротора магнитным потоком, захваченным сверхпроводниками, и работающая при температуре жидкого азота, отличающаяся тем, что она выполнена по меньшей мере в виде двух пар коаксиально расположенных кольцевых постоянных магнитов, установленных на статоре, объединенных попарно по потоку магнитной индукции магнитопроводами, создающих рабочий магнитный зазор, и высокотемпературных сверхпроводников, закрепленных на роторе и размещенных в зазоре между постоянными магнитами.

2. Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках по п.1, отличающаяся тем, что сверхпроводники выполнены в виде сплошных пластин, установленных на роторе.

3. Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена кольцевыми пластинами из магнитомягкого материала, например пермаллоя, установленными на поверхностях постоянных магнитов, обращенных в сторону рабочего зазора.