Электромагнитный подвес вертикального вала ротора

Авторы патента:

F16C32/04 - с использованием магнитных или электрических опор

Владельцы патента RU 2626794:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет путей сообщения" (RU)

Изобретение относится к устройствам бесконтактного электромагнитного подвеса вертикального вала ротора, более конкретно - к электромагнитным подшипникам, предназначенным для использования в различных электрических машинах с вертикальным расположением вала ротора, таких как электромеханические накопители энергии, ветрогенераторы и т.п. Электромагнитный подвес вертикального вала ротора содержит источник питания, датчик положения вала, систему управления, неподвижный ферромагнитный сердечник с обмотками, вал, на котором закреплен элемент, создающий магнитное поле. На роторе закрепляется шихтованный ферромагнитный сердечник цилиндрической формы, в пазы сердечника вокруг вала ротора укладывается обмотка, выводы которой соединены с двумя контактными кольцами, размещенными на валу. Для создания постоянного магнитного поля, пересекающего проводники обмотки ротора, на неподвижной части подвеса устанавливаются два П-образных шихтованных ферромагнитных сердечника с обмоткой возбуждения. Вал имеет возможность перемещаться в осевом направлении, нижняя часть вала упирается в подпятник, для фиксации вала в радиальном направлении используются два направляющих подшипника. Технический результат: увеличение несущей способности подвеса вертикального вала ротора, снижение механических потерь в устройстве. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к устройствам бесконтактного электромагнитного подвеса вертикального вала ротора, более конкретно - к электромагнитным подшипникам, предназначенным для использования в различных электрических машинах с вертикальным расположением вала ротора, таких как электромеханические накопители энергии, ветрогенераторы и т.п.

Известен сверхпроводящий магнитный подвес, содержащий статор в виде корпуса, содержащий блок высокотемпературных сверхпроводящих элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора (патент на изобретение РФ №2551864, МПК F16C 32/04) [1]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается использованием высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов на роторе. Недостаток такого подвеса связан с необходимостью использования сложной системы охлаждения для обеспечения сверхпроводимости элементов, а также ограничение по максимальной удельной энергии постоянных магнитов, что ограничивает массу подвешиваемого тела.

Известен магнитный подвес для маховика, реализованный с использованием постоянных магнитов на статоре и роторе (патент на полезную модель РФ №109250, МПК F16F 15/30) [2]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет использования постоянных магнитов на статоре и роторе: вал маховика подвешен относительно корпуса на магнитной подвеске, включающей неподвижные магниты, закрепленные на корпусе, и подвижные магниты, закрепленные на валу. При этом подвижные магниты притягиваются к верхнему неподвижному магниту и отталкиваются от нижнего неподвижного магнита. Недостаток такого подвеса связан с сложностью подбора постоянных магнитов для обеспечения устойчивого равновесия, а также ограничение по максимальной удельной энергии постоянных магнитов, что ограничивает массу подвешиваемого тела.

Известен радиально-аксиальный подшипник, реализованный с использованием ротора и статора из магнитотвердых материалов (патент на изобретение РФ №2176039, МПК F16C 32/04) [3]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет намагничивания магнитотвердых материалов ротора и статора. Недостаток такого подшипника связан с ограничением по массе подвешиваемого тела.

Известно устройство с электромагнитным подвесом маховика, реализованное с использованием электромагнитов (патент на изобретение РФ №2082029, МПК F16C 32/04) [4]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет использования двух кольцевых электромагнитов, которые притягивают вращающийся маховик. Недостаток такого подвеса связан со сложностью системы управления, в случае сбоя в работе системы управления маховик опирается на аварийные шарикоподшипники или полностью притягивается к электромагнитам.

Известен осевой магнитный подвес ротора, реализованный с использованием электромагнитов и нешихтованного ферромагнитного диска [5]. В данном магнитном подвесе технический результат достигается за счет притягивания ферромагнитного диска, закрепленного на роторе, к неподвижным электромагнитам, которые притягивают вращающийся диск. Недостаток такого подвеса связан со сложностью системы управления, в случае сбоя в работе системы управления маховик будет задевать полюса электромагнитов.

Наиболее близким по технической сущности является магнитный подвес, описанный в [6], этот подвес и принят за прототип (рис. 1.2) [6]. Одноосный магнитный подвес реализован на постоянных магнитах: на неподвижном элементе установлен кольцевой магнит, внутри которого на оси закреплен цилиндрический магнит меньшего диаметра. Под действием веса ротора ось с магнитом опускается, а появляющаяся сила притяжения между магнитами уравновешивает силу тяжести и поддерживает подвижную часть во взвешенном состоянии. Такой подвес предназначен для использования в измерительных приборах и способен обеспечить подвес тела незначительной массы.

Цель изобретения - создание бесконтактного электромагнитного подвеса вертикального вала ротора, который способен обеспечить бесконтактный подвес массивного ротора электромеханического накопителя энергии или другой электрической машины с вертикальным валом ротора.

Технический результат, достигаемый изобретением, - увеличение несущей способности подвеса вертикального вала ротора, снижение механических потерь в устройстве.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен вид спереди электромагнитного подвеса с вертикальным валом ротора, на фиг. 2 - вид сверху электромагнитного подвеса с вертикальным валом ротора.

Электромагнитный подвес с вертикальным валом ротора содержит источник электроэнергии 1, систему управления 2, регулятор тока 3, датчик положения ротора 4, на роторе закрепляется шихтованный ферромагнитный сердечник цилиндрической формы 13, в пазы сердечника вокруг вала ротора укладывается обмотка ротора 10. Выводы обмотки ротора 10 соединены с двумя контактными кольцами 8, по которым скользят щетки 7. Для создания постоянного магнитного поля, пересекающего проводники обмотки ротора 10, на неподвижной части подвеса устанавливаются два П-образных шихтованных ферромагнитных сердечника 11 с обмоткой возбуждения 12. Вал 6 имеет возможность перемещаться в осевом направлении, нижняя часть вала упирается в подпятник 15, для фиксации вала в радиальном направлении используются два направляющих подшипника 5. Подвешиваемое тело 14 закрепляется на валу в нижней части электромагнитного подвеса. Питание обмотки возбуждения 12, системы управления 2 и регулятора тока 3 осуществляется постоянным током от источника электроэнергии 1. Система управления 2 получает данные от датчика осевого положения ротора 4 и управляет регулятором тока 3, который поддерживает необходимое значение постоянного тока в обмотке ротора 10.

Работа электромагнитного подвеса с вертикальным валом ротора.

В выключенном состоянии вал ротора упирается в подпятник. При работе электромагнитного подвеса осевое положение ротора определяется зазором между верхней торцевой частью вала 6 и датчиком осевого положения ротора 4. При включении электромагнитного подвеса постоянное напряжение подключается к обмотке возбуждения 12, которая создает магнитный поток, который замыкается через ферромагнитный сердечник цилиндрической формы 13 на роторе и пересекает обмотку ротора 10. Далее система управления 2 обеспечивает позиционирование вала 6 в осевом направлении, для чего задает необходимое значение тока регулятором тока 3 в обмотке ротора 10, это позволяет поднять ротор с подвешиваемым телом 14. В результате в заданном положении ротора сила Ампера уравновешивает силу тяжести, что обеспечивает устойчивое положение вала 6 с подващиваемым телом 14 в осевом направлении.

Технический результат в изобретении достигается тем, что на роторе закрепляется шихтованный ферромагнитный сердечник цилиндрической формы, в пазы сердечника вокруг вала ротора укладывается обмотка, выводы которой соединены с двумя контактными кольцами, размещенными на валу. Для создания постоянного магнитного поля, пересекающего проводники обмотки ротора, на неподвижной части подвеса устанавливаются два П-образных шихтованных ферромагнитных сердечника с обмоткой возбуждения. Вал имеет возможность перемещаться в осевом направлении, нижняя часть вала упирается в подпятник, для фиксации вала в радиальном направлении используются два направляющих подшипника.

Таким образом, может быть реализована необходимая подъемная сила Ампера для преодоления силы тяжести, большая, чем при использовании высококоэрцитивных постоянных магнитов или электромагнитов и токопроводящих дисков. Упрощение процесса позиционирования вала в осевом направлении обеспечивается за счет конструкции электромагнитного подвеса: увеличение силы тока в обмотке ротора приводит к увеличению подъемной силы Ампера и подъему сердечника цилиндрической формы на роторе с обмоткой вверх, при этом верхняя часть обмотки ротора поднимется выше полюса неподвижного сердечника, магнитная индукция для этой части обмотки уменьшится, что приведет к уменьшению подъемной силы Ампера и стабилизации ротора в новом положении в осевом направлении.

Для обеспечения минимального расхода электроэнергии для поддержания подвешиваемого тела необходимо, чтобы обмотка ротора в рабочем режиме полностью находилась в магнитном поле полюсов неподвижного сердечника, также для уменьшения потерь мощности при левитации ротора в качестве электропроводящего материала обмоток необходимо использовать электротехническую медь.

Достоинство предлагаемого устройства состоит в том, что оно позволяет обеспечить бесконтактный подвес тела с массой несколько тонн с незначительным потреблением электроэнергии, величина которой зависит от геометрических размеров устройства, плотности тока в обмотках и частоты вращения вертикального ротора.

Источники информации

1. Пат. RU(11) 2551864 (13) C1 МПК F16C 32/04. Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии / В.А. Матвеев, О.Л. Полущенко, Н.А. Нижельский и др. - №2014113299/11; Заявлено 04.04.2014; Опубл. 27.05.2015. Бюл. №15.

2. Пат. RU(11) 109250 (13) U1 МПК F16F 15/30. Маховичный накопитель энергии / Н.В. Гулиа. - №2011118975/11; Заявлено 12.05.2011; Опубл. 10.10.2011. Бюл. №28.

3. Пат. RU(11) 2176039 (13) C2 МПК F16C 32/04. Радиально-аксиальный подшипник / Б.П. Фридман, В.С. Жернаков, О.Б. Фридман. - №99103880/09; Заявлено 23.02.1999; Опубл. 20.11.2001. Бюл. №08.

4. Пат. RU(11) 2082029 (13) C1 МПК F16C 32/04. Устройство с электромагнитным подвесом маховика / Н.А. Заболотский, А.И. Коновалов. - №93018970/28; Заявлено 13.04.1993; Опубл. 20.06.1997. Бюл. №2.

5. Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение [Текст] / Ю.Н. Журавлев // СПб.: Политехника, 2003. - 206 с.

6. Осокин Ю.А. Теория и применение магнитных подвесов [Текст] / Ю.А. Осокин, В.Н. Герди, К.А. Майков, Н.Н. Станкевич // М.: Машиностроение, 1980. - 284 с.

1. Электромагнитный подвес вертикального вала ротора, содержащий источник питания, датчик положения вала, систему управления, неподвижный ферромагнитный сердечник с обмотками, вал, на котором закреплен элемент, создающий магнитное поле, отличающийся тем, что с целью увеличения несущей способности подвеса на валу размещена обмотка в пазах ферромагнитного сердечника.

2. Электромагнитный подвес по п. 1, отличающийся тем, что на валу установлен скользящий токосъем для питания обмотки ротора постоянным током.

3. Электромагнитный подвес по п. 1, отличающийся тем, что неподвижный сердечник с обмотками состоит из двух П-образных частей, одинаковые магнитные полюса которых направлены на ферромагнитный сердечник ротора с противоположных сторон.

Группа изобретений относится к машиностроению и может быть использована в конструкциях, включающих гибкий ротор на электромагнитных подшипниках (ЭМП). Технический результат - повышение надежности и ресурса работы гибкого ротора на ЭМП в результате увеличения степени компенсации остаточного дисбаланса за счет формирования в каждом радиальном ЭМП гибкого ротора двух дополнительных ортогональных управляющих сил, повышающих эффективность корректировки положения оси гибкого ротора в переходных режимах и определяемых с помощью предлагаемых системы и порядка управления работой гибкого ротора.

Магнитный подшипник с компенсацией силы // 2617911

Изобретение относится к устройству магнитного подшипника. Устройство магнитного подшипника содержит первое магнитное устройство, которое выполнено кольцеобразным и имеет центральную ось (1), для удержания вала (2) с возможностью поворота посредством магнитных сил на центральной оси, второе магнитное устройство, которое является независимым от первого магнитного устройства, для компенсации предопределенной силы, которая воздействует на вал (2), причем второе магнитное устройство выполнено кольцеобразным и расположено концентрично к первому магнитному устройству.

Магнитный подшипник и способ установки ферромагнитной структуры вокруг сердечника магнитного подшипника // 2607921

Изобретение относится к магнитным подшипникам для вращающихся машин, в соответствии с чем подшипник представляет собой интегрированную радиально-осевую конструкцию, при этом осевой магнитный поток управления проходит через центральное отверстие магнитомягкого сердечника.

Подшипниковый узел // 2605227

Изобретение относится к энергетическим машинам, выполненным в несмазываемом исполнении, содержащим полости низкого и высокого давления (компрессорные машины, авиационные двигатели, насосы и т.п.).

Радиальный магнитный подшипниковый узел // 2579369

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок замкнутого цикла большой мощности.

Устройство осевого подшипника с повышенным коэффициентом заполнения активной сталью // 2557350

Изобретение относится к устройству магнитного осевого подшипника с повышенным усилием на единицу поверхности и простой конструкцией. Устройство магнитного осевого подшипника включает в себя кольцевую систему листов электротехнической стали, у которой отдельные листы (80, 90, 170) стали выдаются радиально наружу, а соседние листы (80, 90, 170) стали в окружном направлении образуют зазор (20).

Способ разгрузки подшипников электромеханических преобразователей энергии // 2557333

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано для разгрузки подшипниковых опор электромеханических преобразователей энергии. Способ разгрузки подшипников электромеханических преобразователей энергии заключается в том, что создают две разнонаправленные силы, направленные к аксиальной оси, одна из которых - аксиальная сила обмотки с током, расположенной в пазах статора, которую создают путем выполнения скоса пазов статора под определенным углом, причем величину данной силы определяют произведением синуса данного угла на силу тока в обмотках и индукцию в воздушном зазоре, а другая - аксиальная магнитная сила, которую создают в результате взаимодействия поля статора и поля ротора.

Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии // 2551864

Изобретение относится к области магнитных опор на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для кинетических накопителей энергии. Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии (КНЭ) установлен в корпусе КНЭ, соединенном с системой вакуумной откачки, и включает в себя статор в виде корпуса, содержащего блок высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора.

Способ работы управляемого газомагнитного подшипникового узла и подшипниковый узел // 2545146

Изобретения относятся к области машиностроения, в частности к управляемому газомагнитному подшипниковому узлу и способу его работы. Подшипниковый узел содержит соленоид, магниты, полюса и ярма электромагнитов, вкладыш газового подшипника, отверстия для пористых вставок, рубашку, обмотку электромагнитов, камеру для подачи газовой смазки в пористые вставки, крепления для датчиков измерения зазора, отверстие для подачи газовой смазки в камеру.

Высокоскоростная электрическая машина с вертикальным валом // 2540696

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано для обеспечения бесконтактного вращения ротора электрических машин. Технический результат: повышение надежности, энергоэффективности, силовых характеристик и жесткости гибридного магнитного подшипника, минимизация нагрузок на гибридные магнитные подшипники.

Система на магнитных подшипниках // 2626461

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве подвеса ротора электрических машин. Технический результат заключается в повышении надежности.

Машина с улавливающим подшипником гибридной конструкции // 2618570

Изобретение относится к машине с улавливающим подшипником гибридной конструкции. Машина содержит статор (1) и ротор (2).

Магнитный подшипник с компенсацией силы // 2617911

Способ прохождения критических частот вращения в электромеханическом преобразователе энергии // 2605692

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высокоскоростным электромеханическим преобразователям энергии на гибридных магнитных подшипниках. Определяют скорость вращения ротора электромеханического преобразователя энергии, измеряют напряжения на обмотках статора, сравнивают со значениями, заложенными в программу блока управления электромагнитными подшипниками, и при приближении к значению напряжения, соответствующему диапазону критической частоты вращения ротора, импульсно повышают ток на обмотках электромагнитных подшипников, смещая диапазон критических частот для данного ротора.

Подшипниковый узел // 2605227

Магнитный подшипник // 2595998

Изобретение относится к машиностроению, а именно к бесконтактным опорным узлам с электромагнитными подшипниками, и может быть использовано при создании высокооборотных роторных агрегатов.

Магнитная опора составного типа // 2593450

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к магнитным опорам вертикальных роторов быстровращающихся приборов, например роторов газовых центрифуг, накопителей энергии, генераторов, гироскопов и подобных устройств.

Система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора // 2589718

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в нагнетателях, компрессорах, турбодетандерах газоперекачивающих агрегатов с тяжелыми роторами горизонтального исполнения массой, например, не менее 900 кг.

Изолированный магнитный узел, способ продувки зазора, роторная машина и установка по переработке нефти и газа // 2633609

Варианты выполнения изобретения, в целом, относятся к изолированным магнитным узлам, способам продувки зазора между изолирующей обоймой магнитного узла и частью машины, к роторным машинам и установкам по переработке нефти и газа. Изолированный магнитный узел содержит по меньшей мере один полюсный наконечник (61) и изолирующую обойму (3), при этом по меньшей мере одна часть обоймы (3) расположена смежно с по меньшей мере одним полюсным наконечником (61). В обойме (3) выполнена по меньшей мере одна выемка (5), расположенная рядом с по меньшей мере одной частью обоймы (3), для создания потока текучей среды. По меньшей мере одна выемка (5) имеет форму, способствующую протеканию текучей среды, и, предпочтительно, имеет скошенную впускную часть и/или скошенную выпускную часть. Часть полюсных наконечников (61) имеет первый размер, а другая часть полюсных наконечников (61) имеет второй размер, который больше, чем указанный первый размер. Также заявлен способ продувки зазора между изолирующей обоймой (3) упомянутого магнитного узла и частью машины, включающий этапы: обеспечение наличия в изолирующей обойме (3) одной или более выемок (5), расположенных смежно с зазором; обеспечение наличия перепада давления в одной или более выемках (5); создание потока текучей среды в одной или более выемках (5). Как правило, магнитный узел представляет собой магнитный подшипник. Технический результат: улучшение показателей в плане продувки газа в зазоре, а также охлаждения магнитных узлов. 5 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.