магнитная опора ротора газовой центрифуги

Формула изобретения

МАГНИТНАЯ ОПОРА РОТОРА ГАЗОВОЙ ЦЕНТРИФУГИ, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно с ротором на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе центрифуги над втулкой соосно с ней, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита, отличающаяся тем, что ферромагнитная втулка у верхнего торца снабжена кольцевым радиальным выступом, толщина которого равна 0,5 - 1,5 толщины стенки втулки, а его высота равна 0,1 - 0,3 высоты втулки, ширина нижнего торца полюсного наконечника равна 1,8 - 2,2 ширины верхнего торца ферромагнитной втулки и превышает ширину ее торца со стороны внутренней и наружной поверхностей на одинаковую величину, а наружный диаметр радиальной полки полюсного наконечника равен 0,92 - 0,95 среднего диаметра кольцевого магнита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к верхним опорам высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения, посредством которых роторы удерживаются в вертикальном положении, например, роторов газовых ультрацентрифуг.

В верхних опорах высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения для уменьшения давления на нижнюю опору применяют магнитные подшипники, повышающие надежность и долговечность работы опор. Для выполнения функций осевой разгрузки нижней опоры и стабилизации вертикального положения оси вращения ротора верхняя магнитная опора должна обладать достаточными осевой силой притяжения и радиальной жесткостью и иметь при этом относительно малые массу и габариты вращающихся элементов.

Известна магнитная опора ротора центрифуги, вращающегося вокруг вертикальной оси, содержащая неподвижный кольцевой постоянный магнит с двумя полюсными наконечниками, разнесенными по радиусу и направленными вниз, и установленный на роторе якорь в виде втулки с двумя ответными по отношению к полюсным наконечникам кольцевыми выступами, имеющими одинаковые с полюсными наконечниками размеры и отделенными от них осевым зазором. Опора снабжена также по меньшей мере одним диском, установленным на роторе между кольцевыми электрообмотками, для компенсации части силы веса ротора и его осевых отклонений [1]

Эта магнитная опора разгружает нижнюю опору ротора и стабилизирует его вертикальное положение. Однако она отличается сложной конструкцией и имеет увеличенные массу и радиальные габариты вращающегося с ротором якоря, что неприемлемо для высокооборотных роторов.

Известна также магнитная опора вертикального ротора центрифуги, содержащая расположенные по кольцу на верхнем и нижнем торцах ротора осевые выступы и ответные осевые выступы на корпусе центрифуги. В промежутках между стенкой корпуса и выступами на нем установлены постоянные магниты, с помощью которых корпус, вращающийся ротор и выступы на корпусе и на роторе образуют магнитную цепь. Корпус центрифуги, ротор и выступы выполнены из ферромагнитного материала [2]

В данный магнитной опоре ротора надо выдерживать малые рабочие зазоры между выступами на корпусе и на роторе как в верхней, так и в нижней частях центрифуги, что снижает надежность ее работы.

Ближайшим техническим решением к предложенному является магнитная опора ротора газовой центрифуги, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно ротору на его верхней крышке, кольцевой аксиальной намагниченный магнит, установленный в корпусе центрифуги над втулкой соосно ей, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита [3]

Данная магнитная опора обеспечивает вращение ротора без механического контакта с элементами верхней части корпуса центрифуги, разгружает нижнюю опору действием осевой силы притяжения магнита и стабилизирует положение оси вращения ротора за счет радиальной жесткости, обусловленной действием осесимметричного магнитного поля. Однако конструкция элементов данной магнитной опоры не позволяет эффективно использовать энергию магнитного поля для повышения несущей способности и жесткости опоры. В этой опоре увеличение осевой силы притяжения ротора и повышение радиальной жесткости может быть достигнуто или за счет увеличения массы и габаритов элементов опоры (в том числе вращающихся элементов), или/и путем использования новых магнитных материалов, что существенно увеличивает стоимость.

Задача, решается предлагаемым изобретением, состоит в том, чтобы уменьшить давление на нижнюю опору и повысить радиальную жесткость верхней магнитной опоры высокооборотного ротора газовой центрифуги без ухудшения массогабаритных показателей и усложнения конструкции опоры путем выбора рациональной формы, соотношений размеров и взаимного расположения ее элементов.

Для решения этой задачи в предложенной магнитной опоре вертикального ротора газовой центрифуги, содержащей ферромагнитную втулку, закрепленную соосно ротору на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный над втулкой соосно с ней в корпусе центрифуги, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита, ферромагнитная втулка в верхней части снабжена кольцевым радиальным выступом, толщина которого равна 0,5-1,5 толщины стенки втулки, а его высота равна 0,1-0,3 высоты втулки, ширина нижнего торца полюсного наконечника равна 1,8-2,2 ширины верхнего торца ферромагнитной втулки и превышает ширину ее торца со стороны внутренней и наружной поверхностей на одинаковую величину, а наружный диаметр радиальной полки полюсного наконечника равен 0,92-0,95 среднего диаметра кольцевого магнита.

На фиг.1 изображен частичный продольный разрез магнитной опоры; на фиг.2 узел I на фиг.1.

Магнитная опора включает установленный в немагнитном корпусе 1 соосно вертикальному ротору 2 аксиально намагниченный кольцевой магнит 3 с полюсным наконечником 4 на его нижнем торце. Полюсный наконечник 4 выполнен кольцевым с радиальной полкой 5 со стороны торца, примыкающего к нижнему торцу магнита 3. Соосно ротору 2 на его верхней крышке 6 установлена ферромагнитная втулка 7, на которой у ее верхнего торца 8 выполнен радиальный кольцевой выступ 9. Торец 8 ферромагнитной втулки 7 расположен с зазором К относительно корпуса 1 против нижнего торца 10 полюсного наконечника 4, при этом ширина S₃ торца 10 составляет 1,8-2,2 ширины S₂ верхнего торца 8 втулки 7, и, кроме того, ширина торца 10 превышает ширину торца 8 со стороны внутренней и наружной поверхностей втулки 7 на одинаковую величину, равную (S₃-S₂)/2. Кольцевой выступ 9 в верхней части втулки 7 выполнен с толщиной S₂-S₁, равной 0,5-1,5 толщины S₁ стенки втулки, или что то же самое S₂/S₁=1,5--2,5, а высота Н₁ радиального выступа 9 равна 0,1-0,3 высоты Н₂ втулки 7. Наружный диаметр D₁ радиальной полки 5 полюсного наконечника 4 равен 0,92-0,95 среднего диаметра D₂ кольцевого магнита 3. Ротор 2 опирается на нижнюю опору (на чертеже не показана), а в верхней магнитной опоре не имеет механического контакта с неподвижными деталями. Кольцевой магнит 3 создает осесимметричное магнитное поле, сила притяжения которого через ферромагнитную втулку 7 разгружает нижнюю опору от части силы веса ротора и обеспечивает верхней опоре радиальную жесткость, то есть способность противодействовать угловым относительно нижней опоры отклонениям ротора. Магнитный поток между полюсами магнита 3 замыкается через полюсный наконечник 4 и ферромагнитную втулку 7.

Магнитная опора работает следующим образом.

В покое и при вращении ротора 2 осесимметричное магнитное поле удерживает ферромагнитную втулку 7 и связанный с ней ротор в вертикальном стационарном положении, не препятствуя вращению ротора. В случае отклонения ротора от стационарного положения симметричность магнитного поля нарушается, что создает радиальную силу, препятствующую отклонению ротора и возвращающую ротор в исходное положение при прекращении действия возмущающей силы.

Благодаря наличию радиального выступа 9 на втулке 7, взаимному положению полюсного наконечника 4 и торца ферромагнитной втулки 7 и выбору геометрических параметров элементов магнитной опоры из предлагаемых диапазонов их предпочтительных значений обеспечивается повышенная концентрация магнитного потока в зазоре между втулкой 7 и полюсным наконечником 4, что по сравнению с известными магнитными опорами повышает эффективность разгрузки нижней опоры ротора и стабилизации оси его вращения за счет более полного полезного использования энергии магнитного поля и повышения плотности магнитного потока в рабочем зазоре К. Экспериментальные исследования, выполненные заявителем, показали, что выбор геометрических размеров элементов магнитной опоры вне указанных диапазонов значений ухудшает рабочие параметры магнитной опоры. Например, увеличение высоты Н₁ радиального выступа 9 на верхней части ферромагнитной втулки практически не увеличивает степень разгрузки нижней опоры ротора и ее радиальную жесткость, а лишь увеличивает массу ферромагнитной втулки, соединенной с вращающимся ротором. Кроме того, выявлено также, что при наличии неизбежного технологического разброса значений сил притяжения серийных магнитов, используемых в опоре, разброс значений силы притяжения в предлагаемой опоре заметно сужается, что в серийном производстве упрощает технологические требования.

Использование изобретения позволяет повысить жесткость магнитной опоры ротора газовой центрифуги на 8-10% и снизить давление на нижнюю опору на 4-5%

Уменьшение давления на нижнюю опору ротора и повышение надежности стабилизации положения оси его вращения повышается надежность и долговечность работы газовой центрифуги.