микрокриогенный охладитель

Формула изобретения

1. Микрокриогенный охладитель, содержащий на статоре или роторе якорные обмотки линейных двигателей поршня и вытеснителя, магнитные системы этих двигателей, носители поля их возбуждения, например, выполненные в виде кольцевых постоянных магнитов или электромагнитов, по крайней мере один поршень, установленный на роторе и размещенный в цилиндре статора с образованием камеры сжатия, по крайней мере один расширитель с вытеснителем, магнитные опоры, поддерживающие ротор с поршнем и вытеснитель, выполненные в виде пар кольцевых, коаксиальных, радиально и встречно намагниченных постоянных магнитов разной осевой длины, подвижные из которых установлены на роторе с поршнем и вытеснителе, и устройства, противодействующие движению ротора в конце рабочего хода поршня и вытеснителя, которыми являются указанные магнитные опоры ротора с поршнем и вытеснителя, отличающийся тем, что магниты большей осевой длины опор выполнены по длине неравномерно намагниченными и имеют в своих крайних частях более высокую по сравнению со средней частью остаточную намагниченность и магнитное поле с участками его нарастания от значения в средней части магнита до максимального значения в его крайних частях, создающее совместно с полем коротких магнитов при их положении под крайними частями магнитов большей длины осевые положительные жесткости, противодействующие движению ротора в конце рабочего хода поршня и вытеснителя и определяющие частоту свободных осевых возвратно-поступательных колебаний ротора с поршнем и вытеснителя в их магнитных опорах, которой равна частота переменных токов якорных обмоток двигателей поршня и вытеснителя, причем рабочие ходы ротора с поршнем и вытеснителя не выходят за пределы длин участков с нарастающим полем на крайних частях магнитов.

2. Охладитель по п. 1, отличающийся тем, что магниты опор размещены вне магнитных систем линейных двигателей, при этом неподвижные магниты опор расположены на цилиндрах статора.

3. Охладитель по п. 1 или пп. 1 и 2, отличающийся тем, что магниты большей осевой длины выполнены по длине составными, состоящими по крайней мере из трех частей, средней и крайних, причем крайние части магнитов выполнены из более высококоэрцитивного материала по сравнению с материалом, из которого выполнены его средние части.

4. Охладитель по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что средние части магнитов большей осевой длины выполнены по длине равными длине коротких магнитов.

5. Охладитель по п. 1, или пп. 1 и 2, или пп.1,3, или 1,4, отличающийся тем, что магниты опор выполнены вдоль их окружности цельными и имеют в каждом поперечном их оси сечении равномерно распределенную остаточную намагниченность и магнитное поле.

6. Охладитель по п. 1, или пп. 1 и 2, или пп. 1 и 3, или пп. 1 и 4, отличающийся тем, что магниты опор выполнены вдоль их окружности составными, состоящими из одинакового числа угловых сегментов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к микрокриогенным охладителям, например, применяемым для охлаждения чувствительных элементов в различных системах, в частности, оптических системах космического назначения.

Известны микрокриогенные охладители с линейными двигателями поршня компрессора и вытеснителя расширителя (см. Гэссер М. и др. "Разработка рефрижератора Стирлинга с ресурсом 3-5 лет для космического применения, перевод ВЦП N 2237, Бил, V, 1985), содержащие на статоре якорную обмотку и магнитную систему. Поле возбуждения в двигателе поршня компрессора создается двумя кольцевыми постоянными магнитными, установленными на роторе с поршнем, который размещен в цилиндре статора с образованием камеры сжатия. Ротор с поршнем поддерживается в рабочем положении магнитными опорами активного типа. Каждая из опор состоит из четырех электромагнитов с датчиками радиального положения поршня, питаемых от блока электронной аппаратуры. В охладителе противодействующая движению ротора в конце рабочего хода поршня сила создается за счет эффекта "газовой пружины" (сжатия газа в объеме камеры). То есть поршень движется с участием "газовой пружины" в соответствии с ее жесткостью, определяющей частоту его осевых свободных колебаний. Для экономичной работы двигателя добиваются, чтобы частота этих осевых колебаний поршня была равна частоте питающей обмотки переменного тока, т.е. равна частоте осевых движений ротора линейного двигателя. Благодаря резонированию ротора с поршнем обеспечивается наиболее экономичный режим работы двигателя с минимальной потребляемой мощностью и наибольшей электромеханической эффективностью. Однако получение оптимальных для работы двигателя частот колебаний "газовой пружины" в камере сжатия компрессора затруднено и не всегда достижимо, что служит возможности обеспечения резонансного режима работы линейного двигателя.

Аналогично устроен линейный двигатель и активные магнитные опоры вытеснителя расширителя этого охладителя, но на вытеснителе расширителя отсутствуют резонирующие пружины.

В качестве противодействующих движению ротора в конце рабочего хода поршня устройств в некоторых охладителях (см. Джони А.К. "Анализ и оптимизация линейного двигателя для компрессора криогенного рефрижератора" перевод ВЦП N 1070, 1984) используются отдельно устанавливаемые вне камеры сжатия между поршнем и статором механические пружины, поддерживающие поршень относительно камеры в среднем положении и обеспечивающих его резонирование.

В других охладителях (см. Шерман А. и др. "Достижения в области разработки холодильной машины Стирлинга со сроком службы от 3 до 5 лет" перевод ВЦП N Л-50500, 1985) к добавочному поршню прикреплены демпфирующие магниты из самарий кобальта отталкивающего действия, которые выполняют роль бесконтактной пружины, обеспечивающей резонирование поршня, тем самым уменьшая расходуемую на движение поршня мощность. В этом охладителе основной поршень также резонирует, но только за счет эффекта "газовой пружины", создаваемого в рабочем объеме камеры сжатия.

Недостатками охладителей/аналогов с магнитными опорами активного типа и указанными устройствами, противодействующими движению ротора в конце рабочего хода поршня, являются сложность, большая трудоемкость, стоимость изготовления магнитных опор, необходимость использования высокой технологии с применением высоконадежных радиоэлектронных элементов для создания многоканальной аппаратуры из питания и регулирования, требующей значительного увеличения массы и габаритов охладителей, что крайне нежелательно при их использовании в космической технике. В них не всегда удается получить требуемую для обеспечения резонансного режима работы двигателя оптимальную жесткость "газовой пружины", а при использовании механических пружин не обеспечиваются большие ресурсы работы и надежность охладителей.

Большинства из указанных недостатков лишен перспективный микрокриогенный охладитель с линейным двигателем поршня компрессора, в котором ротор с поршнем поддерживается в рабочем положении с помощью магнитных опор, выполненных в виде пар кольцевых, коаксиальных, радиально и встречно намагниченных постоянных магнитов.

Известен такой охладитель с линейным двигателем поршня компрессора (см. например, SU, авторское свидетельство N 1613823, кл. F 25 B 9/00, 1990), который содержит якорную обмотку на статоре или роторе, магнитную систему, носитель поля ее возбуждения, выполненный в виде кольцевого постоянного магнита, расположенного на роторе или кольцевого постоянного магнита, расположенного на статоре. Охладитель имеет на роторе два поршня, размещенных в цилиндрах статора с образованием камер, сжатия. Он содержит также два расширителя, соединенные с камерами сжатия и имеющие холодные концы. Магнитные опоры, поддерживающие ротор с поршнями, выполнены в виде двух пар кольцевых, коаксиальных, радиально и встречно намагниченных постоянных магнитов из высококоэрцитивного материала. Подвижные короткие магниты этих опор расположены на роторе и имеют длину на ход поршня меньшую длины неподвижных магнитов. Причем, один из неподвижных магнитов установлен на магнитопроводящем щите или щите магнитной системы линейного двигателя.

Расстояние вдоль оси ротора между серединами подвижных и неподвижных магнитов равны друг другу.

В данном охладителе нет отдельно устанавливаемых между ротором и статором компрессора механических пружин, из-за которых невозможно получить высокие ресурс и надежность его работы. В нем для обеспечения экономичного резонансного режима работы двигателя могут использоваться известные "газовые пружины". Однако в таком охладителе не всегда удается согласовать необходимые по условиям работы газовой машины параметры камеры и сжимаемого в них газа с требуемой (по условиям обеспечения резонансного режима работы двигателя в оптимальном диапазоне частот 15-50 Гц) жесткостью "газовой пружины", проявляемой при сжатии того же газа в тех же объемах камер компрессора.

Охладитель по а.с. СССР N 1613823 A1 наиболее близок из аналогов к предложенному и может быть принят за ближайший аналог. Он не имеет отмеченных выше недостатков охладителей-аналогов, определяемых опор активного типа. Однако и прототип, содержащий магнитные опоры пассивного типа в виде пар кольцевых, коаксиальных, радиально и встречно намагниченных постоянных магнитов из высококоэрцитивных материалов разной осевой длины имеет существенные недостатки.

Проведенные заявителем экспериментальные исследования показали, что при обычном равномерном радиальном намагничивании конец магнитов и осевом смещении их друг от друга относительно среднего симметричного положения до некоторого предельного значения в опорах проявляется осевая сила с положительной жесткостью, что обеспечивает самовосстановление симметричного положения колец магнитов в опорах. Это определяется наличием на краях более длинного магнита участков с повышенным остаточным радиальным магнитным полем, т.е. наличие в них краевых повышенных полей. Однако ввиду небольшой величины осевой положительной жесткости этой силы свободные осевые возвратно-поступательные колебания ротора в опорах будут осуществляться с низкими частотами, составляющими от долей до нескольких герц. Тогда как оптимальными рабочими частотами линейных двигателей охладителей обычно являются частоты в диапазоне 15-50 Гц. Таким образом, в охладителе ближайшим аналогом, имеющим опоры описанной конструкции, не обеспечивается резонансный режим работы двигателя поршня в оптимальном частном диапазоне.

Кроме того, в этом охладителе подвижные магниты опор "имеют длину", на ход поршня меньшую длины неподвижных магнитов". Однако такое соотношение длин магнитов и хода поршня не дает возможности обеспечить в конце хода поршня осевую жесткость опор положительной, что является обязательным условием для создания опорами противодействующей движению ротора в конец хода поршня силы. Это было экспериментально установлено при испытаниях модели таких опор, изготовленной в НИИЭМ г. Истра в 1988. При большей на 0,024 м длине неподвижных статорах магнитов по сравнению с длиной подвижных роторных магнитов в опорах с положительной жесткостью допускались осевые перемещения ротора лишь на длине хода до 0,016 м (до 0,008м в каждую сторону от среднего его положения в опорах), тогда как согласно формулы изобретения по а.с. 1613823 А1 при такой разнице длин магнитов ход поршня должен составлять величину, равную разнице длин магнитов, т.е. 0,024 м ( 0,012 м). Однако такой большой ход поршня допускать нельзя, иначе в конце его осевая жесткость опор будет отрицательна. То есть, такими опорами в двигателе охладителя в конце хода поршня свыше 0,016 м вообще не будет создано необходимого противодействия осевому движению ротора и не будет обеспечен поэтому резонансный режим работы двигателя.

Недостатком охладителя ближайшего аналога является также взаимное влияние рабочих магнитных полей линейного двигателя и магнитов опор ввиду расположения неподвижных магнитов опор в магнитной системе двигателя поршня.

Технической задачей изобретения является обеспечение в охладителе резонансного режима работы линейного двигателя поршня и линейного двигателя вытеснителя (при наличии такого в охладителе) с помощью поддерживающих поршень и вытеснитель магнитных опор на кольцевых постоянных магнитах в оптимальном диапазоне частот работы двигателя.

Поставленная задача достигается следующим образом. В известном микрокриогенном охладителе с линейными двигателями поршня и вытеснителя, содержащим на статоре или роторе якорные обмотки и магнитные системы этих двигателей, носители поля их возбуждения, выполненные в виде кольцевых постоянных магнитов, по крайней мере один поршень, установленный на роторе и размещенный в цилиндре статора с образованием камеры сжатия, по крайней мере, один расширитель, магнитные опоры, поддерживающие ротор с поршнем и вытеснитель расширителя, выполненные в виде пар кольцевых, коаксиальных, радиально и встречно намагниченных постоянных магнитов разной осевой длины, а также устройства, противодействующие движению ротора в конце рабочего хода поршня и вытеснителя с жесткостями, определяющими частоту свободных возвратно-поступательных колебаний ротора с поршнем и вытеснителя в магнитных опорах, которой равна частота переменных токов, питающих якорные обмотки двигателей, введены существенные отличия, а именно следующие. Магниты большей осевой длины выполнены по длине неравномерно намагниченными, имеют в своих крайних частях более высокую по сравнению со средней частью остаточную намагниченность и магнитное поле с участками его нарастания от значения в средней части магнита до максимального значения в его крайних частицах, создающее совместно с полем коротких магнитов при их положении под крайними частями магнитов большей длины осевые положительные жесткости, равные осевым положительным жесткостям упомянутых устройств, противодействующих движению ротора в конце рабочего хода поршня и вытеснителя. Причем, что очень важно, рабочие ходы ротора с поршнем и вытеснителя не выходят за пределы длин участков с нарастающим магнитным полем на крайних частях магнитов.

Для исключения взаимного влияния полей магнитных систем линейных двигателей и магнитов опор, последние размещены вне магнитных систем двигателей, при этом неподвижные магниты опор расположены на цилиндрах статора.

Для существенного (в несколько раз) увеличения частоты осевых колебаний ротора с поршнем и вытеснителя в магнитных опорах магниты большей длины опор целесообразно выполнять по длине составными, состоящими, по крайней мере из трех частей: средней и крайних. При этом крайние части магнитов выполняют из более высококоэрцитивного материала по сравнению с материалом, из которого выполняют его средние части.

Средние части магнитов большей осевой длины могут быть выполнены по длине равными длине коротких магнитов.

Магниты опор полезно выполнять вдоль их окружности цельными с равномерно распределенной остаточной намагниченностью и магнитным полем в каждом поперечном их оси сечении. Это позволяет иметь равномерное вращение поршня и вытеснителя при допускании такого в охладителе.

Для обеспечения стабильного осевого движения ротора с поршнем и вытеснителя в опорах без угловых поворотов магниты опор выполнены вдоль из окружности составными, состоящими из одинакового числа угловых сегментов.

На фиг. 1 изображен микрокриогенный охладитель с линейными двигателями поршней и вытеснителей в середине хода Х поршней, выполненный согласно предложению; на фиг. 2 показана отдельно магнитная опора в середине хода Х поршней охладителя по фиг. 1; на фиг. 3 магнитная опора, в которой магнит большей длины выполнен по длине составным, того же охладителя; на фиг. 4 изображена магнитная опора, в которой магниты вдоль из окружности выполнены составными, того же охладителя; на фиг. 5 показан отдельно расширитель того же охладителя.

Микрокриогенный охладитель (фиг. 1) содержит на статоре 1 якорную обмотку 2 линейного двигателя, его магнитную систему 3, возбуждаемую от кольцевого радиально намагниченного постоянного магнита 4, установленного на роторе 5, по краям которого размещены два поршня 6. Якорная обмотка двигателя поршней подключена к источнику переменной частоты f (на фиг. 1 не показан). Поршни 6 размещены в цилиндрах 7 статора 1 с образованием камер сжатия 8, с которыми соединены расширители 9, имеющие холодные концы 10. Ротор 5 с поршнями 6 поддерживается в рабочем положении с помощью двух магнитных опор, выполненный в виде двух пар кольцевых, коаксиальных, встречно и радиально намагниченных постоянных магнитов 11, 12 разной осевой длины. Короткие магниты 12 установлены на роторе 5, магниты 11 большей осевой длины установлены на цилиндрах 7 статора 1 вне магнитной системы 3 двигателя и выполнены по длине неравномерно намагниченными (фиг. 2). Они имеют в средней части С остаточную намагниченность и магнитное поле В_с, а в крайних частях К более высокую намагниченность и поле с максимальным значением В_к, причем на участке X поле нарастает от значения В_с до значения В_к. Это поле совместно с полем В коротких магнитов 12 при их положении над крайними частями К магнитов 11 создает в опорах осевую положительную жесткость С_о, которая обеспечивает в них частоту f_о свободных осевых возвратно-поступательных колебаний ротора 5 с поршнями 6 массой М, определяемую соотношением . Этой частоте равна частоте f переменного тока якорной обмотки 2 линейного двигателя, с которой осуществляются рабочие ходы Х ротора 5 с поршнями 6, что обеспечивает резонансный режим работы линейного двигателя. Причем, максимальный рабочий ход Хм поршней 6 в камерах сжатия 8 обеспечен таким, что короткие магниты 12 опор не выходят за пределы длин участков X с нарастающим полем на крайних частях К магнитов 11. Благодаря этому и создается в опорах положительная жесткость С_о в осевом направлении, причем такого значения, что обеспечивает резонансный режим (f f_о) работы двигателя охладителя при оптимальной частоте f.

Магниты 11, 12 в обоих опорах размещены вне магнитной системы 3 двигателя, при этом магниты 11 опор расположены на цилиндрах 7 статора 1 обеих камер сжатия 8. Это исключает нежелательное взаимное влияние магнитных полей магнитной системы 3 двигателя и магнитов 11, 12 опор на их работу.

Магниты 11 опор выполнены по длине составными, состоящими из трех частей: средней части С и двух крайних частей К (фиг. 1 и 3). Средние части С этих магнитов выполнены, например из феррита бария, а крайние части К выполнены из более высококоэрцитивного материала, например, из самарий кобальта, т. е. имеют существенно более высокое по сравнению с полем В_с средней части магнитов остаточное магнитное поле В_к, которое может превышать поле В_с даже в несколько раз. Это позволяет в несколько раз повысить и осевую жесткость С_о магнитных опор, а значит, повысить существенно и значение частоты f_о свободных колебаний ротора 5 с поршнями 6 в опорах в осевом направлении, что обеспечит при питании якорной обмотки 2 переменным током той же частоты f f_о резонансный режим работы двигателя с существенно более высоким значением частоты f.

Средние части С магнитов 11, определяющие совместно с короткими магнитами 12 радиальную поддерживающую силу опор в середине хода Х поршней 6, могут быть выполнены по длине равными длине коротких магнитов 12 (фиг. 1), превышать их длину (фиг. 3) или быть меньше длины коротких магнитов 12. Это определяется требованиями получения необходимых значений осевой жесткости опор, максимального осевого хода Х_м поршней 6 и длины участков X, где проявляется осевая положительная жесткость опор. При прочих равных условиях средняя осевая положительная жесткость С_о опор будет больше, когда части С магнитов 11 будут меньше длины коротких магнитов 12, и меньше, когда части С магнитов 11 будут больше длины коротких магнитов 12 (фиг. 3). Длина магнитов 11 согласована с максимальным ходом Х_м поршней 6 так, что рабочий ход Х их не выходит за пределы значения Х_м, т.е. за пределы длины участков X с нарастающим до значения В_к магнитным полем. Причем, длина части К магнита 11 определяет длину участка X, где проявляется осевая положительная жесткость опор, как устройства, противодействующего движению ротора в конце рабочего хода Х поршней 6. А разность значений полей В_к и В_с магнита 11 совместно с полем В магнита 12 определяют значение осевой положительной жесткости С_о опор.

При выполнении длины средних частей С магнитов 11 равными длине коротких магнитов 12 при смещении последних из среднего относительно магнитов 11 положения в опорах сразу проявляется осевая сила, противодействующая движению ротора 5 с поршнями 6, перемещающегося под действием осевой силы линейного двигателя.

Для получения более однородной радиальной остаточной намагниченности магнитов опор вдоль их окружности указанные магниты целесообразно выполнять цельными (фиг. 1, 2, 3). Это обеспечит при использовании вращательного движения ротора 5 в компрессоре стабильность этого вращения.

В тех случаях, когда необходимо исключить вращательное движение ротора 5 компрессора магниты 11, 12 опор выполняют вдоль их окружности составными, состоящими из одинакового числа угловых сегментов, как показано на фиг. 4.

Так предложенное решение реализуется в охладителе при отсутствии в расширителе линейного двигателя, т.е. при свободном движении вытеснителя расширителя.

Вышеописанное для линейного двигателя поршня компрессора и его опор (фиг. 1, 2, 3, 4) относится и к линейному двигателю вытеснителя 13 расширителя 9 при его наличии в охладителе, как это показано на фиг. 5.

Согласно предложению магниты большей осевой длины опор могут быть размещены на роторе двигателя поршня и на вытеснителе (на фиг. не показано).

При работе охладителя якорные обмотки 2 двигателей поршней 6 и вытеснителей 13 питаются от источника переменного тока, например с частотой f 50 Гц, определяющей частоту колебаний ротора 5 с поршнями 6 и вытеснителей 13. В результате взаимодействия магнитного поля, созданного токами обмоток 2, с полем постоянных магнитов 4 ротор 5 с поршнями 6 и вытеснители 13 совершают осевые возвратно-поступательные колебания с частотой f, при этом вытеснители опережают поршни по фазе с помощью известных устройств. Поршни 6 поочередно совершают сжатие хладагента в каждой из двух камер 8. При этом магнитные опоры, поддерживающие ротор 5 с поршнями 6 и вытеснители 13, противодействуют их движению с жесткостями, определяющими частоту f_о их свободных осевых колебаний в собственных опорах. Причем этой частоте равна частота f переменных токов якорных обмоток 2, что обеспечивает экономичный резонансный режим работы двигателей поршней 6 и вытеснителей 13 при оптимальном для их работы значении частоты f.

После циклов сжатия хладагент поступает в расширители 9, где он, расширяясь, производит охлаждение концов 10.

Таким образом, в охладителе магнитов опоры помимо радиального поддерживания ротора 5 с поршнями 6 и вытеснителей 13 одновременно выполняют и функцию устройств, противодействующих их движению с необходимыми по условиям обеспечения резонансного режима работы двигателей осевыми положительными жесткостями. При этом в охладителе исключено взаимное влияние магнитных полей двигателей и опор.

Благодаря тому, что радиальные зазоры между постоянными магнитами 11, 12 опор могут быть выполнены небольшими, например, порядка 10-30 мкм на одну сторону (величины зазоров определяются технологическими возможностями оборудования для их изготовления), то и зазоры между поршнями 6 (вытеснителями 13) и цилиндрами 7 могут быть также небольшими, что обеспечит эффективную работу охладителя, например, по циклу Стирлинга.

В исследованной модели опор предложенной конструкции для подвеса ротора массой 0,61 кг компрессора охладителя каждая из опор содержала два кольцевых постоянных магнита, собранных каждый из четырех угловых сегментов. Наружные диаметры подвижных колец составляли 0,026 м. Радиальные односторонние зазоры в опорах составляли 30 мкм при соосном расположении колец магнитов. Предельная радиальная поддерживающая сила одной опоры достигала 28 Н, а осевая противодействующая сила двух опор 13 Н. Вдоль магнитов большей осевой длины (0,034 м), расположенных на статоре модели, радиальное поле имело явно неравномерное распределение. Оно изменялось от значения 0,10 Т_л в средней части магнита до максимального значения 0,18 Т_л в крайних его частях, что обеспечило при взаимодействии с радиальным полем 0,30 Т_л коротких подвижных магнитов длиной 0,01 м в пределах хода ротора до 0,016 м (0,008 м) среднюю положительную жесткость двух опор 1600 н/м, а в конце этого хода 1000 н/м. При повышении данного хода ротор уже не возвращался опорами в рабочее положение, а выбрасывался осевой силой опор за их пределы.

Таким образом, при имеющейся значительной неравномерности распределения радиального поля вдоль длины неподвижного магнита на его внутренней поверхности, обращенной к подвижному магниту, и массе ротора 0,61 кг частота f₀ его осевых свободных колебаний в опорах составила бы 50 Гц, что практически соответствует частоте f 50 Гц переменного тока в обмотке якоря при резонансном режиме работе двигателя поршня.

Для получения в опорах при тех же размерах большей частоты осевых колебаний ротора необходимо либо уменьшить массу ротора, что технически ограничено, или увеличить осевую жесткость опор за счет большей неравномерности намагничения по длине неподвижных магнитов. Причем, для характеристики предложения невозможно установить количественные признаки, например, выраженные в виде интервалов значений радиальных магнитных полей в средней и крайних частях длинных магнитов и/или их соотношений, чтобы говорить об отсутствии за этими пределами возможности получения указанного в изобретении технического результата, так как кроме них на технический результат существенно влияют и другие признаки, например, осевые длины средней и крайних частей длинных магнитов, осевая длина и радиальное поле коротких магнитов и другие.

Эксперименты показали, что в данном охладителе опоры обеспечат не только радиальное поддержание ротора с поршнем и/или вытеснителя, но и необходимые значения осевых положительных жесткостей для реализации экономического режима работы двигателей поршня и вытеснителя в оптимальном для них частотном диапазоне.