устройство электромагнитной разгрузки радиальных подшипников

Формула изобретения

Устройство электромагнитной разгрузки радиальных подшипников, содержащее статор в виде магнитопровода с обмоткой возбуждения и с цилиндрической рабочей поверхностью, который расположен над ротором в виде ферромагнитного кольца, установленного на валу, отличающееся тем, что указанное кольцо имеет зубцы на поверхности, обращенной к рабочей поверхности статора, который имеет три полюса, на рабочих поверхностях боковых полюсов статора имеются зубцы с шагом, совпадающим с шагом зубцов ротора, причем зубцы на боковых полюсах статора смещены относительно друг друга на половину зубцового шага, на среднем полюсе статора расположена обмотка возбуждения, а на боковых полюсах - генераторные обмотки, соединенные последовательно встречно и подключенные ко входу выпрямителя, выход которого подключен к обмотке возбуждения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам электромагнитной разгрузки опор и магнитного подвеса.

Известны магнитные подшипники, содержащие цилиндрические опорные элементы в виде кольцевых постоянных магнитов, намагниченных радиально и расположенных в ряд с чередованием направления намагниченности (Метлин В.Б. Магнитные и магнитогидродинамические опоры. Обзор. - М.: Энергия, 1968. - С. 27). Их недостатком является высокая стоимость постоянных магнитов при большой вращающейся массе и сложность монтажа.

Известны магнитные подшипники, содержащие цилиндрические наружный и внутренний опорные элементы, выполненные в виде кольцевых постоянных магнитов, намагниченных аксиально, расположенных в ряд по оси подшипника с чередованием направления намагниченности в обоих опорных элементах и прилегающих одноименными полюсами к ферромагнитным кольцам, размещенным между магнитами (патент США 3958842, кл. 308-10, опубл. 1976). Они обладают теми же недостатками.

Известен радиальный электромагнитный подшипник, содержащий магнитопроводящий ротор и кольцевой восьмиполюсный статор, каждый полюс которого имеет обмотку подмагничивания и обмотку управления по соответствующей координате (Кочетков В.М., Краснов М.П. и др. Радиальный электромагнитный подшипник. А. с. 1177567, МКИ⁴ F 16 С 32/04, опубл. 07.09.85, бюл. 33). Его недостатком является необходимость внешнего источника электроэнергии и трудность обеспечения взрывобезопасности.

Известно устройство для разгрузки опор, содержащее магнитную систему с постоянными магнитами и ферромагнитное кольцо, насаженное на вал. Магнитная система расположена сверху ферромагнитного кольца и разгружает опоры от силы тяжести (Кацнельсон О. Г., Эдельштейн А.С. Магнитная подвеска в приборостроении. - М.-Л.: Энергия, 1966. - С. 85).

Его недостатком является высокая стоимость постоянных магнитов, трудность монтажа и загрязнение поверхности магнитной системы ферромагнитными частицами в нерабочем состоянии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для разгрузки подшипников, содержащее магнитопровод с цилиндрической расточкой и с обмоткой возбуждения, который расположен над ферромагнитным кольцом, насаженным на вал (Кацнельсон О.Г., Эдельштейн А.С. Магнитная подвеска в приборостроении. - М.-Л.: Энергия, 1966. - С. 48). Его недостатком является необходимость внешнего источника питания обмотки возбуждения, что затрудняет обеспечение взрывобезопасности и усложняет эксплуатацию.

Технической задачей изобретения является создание устройства разгрузки радиальных опор от силы тяжести с независимостью от внешних источников электроэнергии, с возможностью его эксплуатации во взрывоопасных и агрессивных средах и с простотой монтажа.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для электромагнитной разгрузки радиальных подшипников, содержащем статор в виде секторного магнитопровода с обмоткой возбуждения и с рабочей поверхностью, охватывающей секторную часть цилиндрической поверхности ротора в виде ферромагнитного кольца, установленного на валу, указанное кольцо имеет зубцы на поверхности, обращенной к рабочей поверхности статора, статор имеет три полюса, боковые полюса статора имеют на рабочих поверхностях, являющихся частями рабочей поверхности магнитопровода, зубцы с шагом, совпадающим с шагом зубцов ротора, причем зубцы на боковых полюсах статора смещены относительно друг друга на половину зубцового шага, на среднем полюсе статора расположена обмотка возбуждения, а на боковых полюсах - генераторные обмотки, соединенные последовательно встречно и подключенные ко входу выпрямителя, выход которого подключен к обмотке возбуждения.

На фиг.1 представлена конструкция устройства разгрузки. На фиг.2 показана электрическая схема соединений. На фиг.3 приведены графики магнитных потоков в установившемся режиме.

Устройство электромагнитной разгрузки опор по фиг.1 содержит статор - неподвижный секторный магнитопровод 1 со средним полюсом 2 и двумя боковыми полюсами 3, 4. На среднем полюсе 2 имеется обмотка возбуждения 5, а на боковых полюсах 3, 4 - генераторные обмотки 6, 7. На вал 8 насажено ферромагнитное кольцо 9, образующее ротор. Рабочая поверхность магнитопровода 1 охватывает секторную часть цилиндрической поверхности ферромагнитного кольца 9.

Полюсы 2-4 имеют наконечники с цилиндрической расточкой, причем наконечник среднего полюса 2 гладкий, а наконечники боковых полюсов 3, 4 имеют зубцы (по 3 на каждом), обращенные к зазору. На ферромагнитном кольце 9 на поверхности, соответствующей рабочей поверхности наконечников полюсов 2-4, имеются зубцы с тем же шагом, что и на боковых полюсах 3, 4, причем зубцы полюса 3 сдвинуты относительно зубцов полюса 4 на половину зубцового деления. Длина полюсной дуги наконечника среднего полюса 2 составляет целое число зубцовых делений (на фиг.1 - 4 зубцовых деления). Промежутки между наконечниками полюсов составляют по половине зубцового шага.

Схема на фиг.2 содержит две генераторные обмотки 6, 7, включенные последовательно и встречно, двухполупериодный выпрямитель 10 на четырех диодах, сглаживающий конденсатор 11 и обмотку возбуждения 5.

Устройство работает следующим образом. Магнитопровод 1 имеет небольшой остаточный магнитный поток, который проходит в среднем полюсе 2 вверх, а в боковых полюсах 3,4 - вниз. При вращении зубчатого кольца 9 происходит пульсация магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ в боковых полюсах 3, 4, причем их переменные составляющие находятся в противофазе благодаря сдвигу их зубцов (фиг. 3). В генераторных обмотках 6, 7 наводятся переменные ЭДС, которые тоже находятся в противофазе. Благодаря встречному включению обмоток 6, 7 эти ЭДС суммируются. Удвоенная ЭДС поступает на выпрямитель 10. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором 11 и питает обмотку возбуждения 5. Магнитный поток Ф₀ среднего полюса 2 увеличивается, увеличивается амплитуда пульсации магнитных потоков Ф₁ и Ф₂, увеличивается ЭДС в обмотках 6, 7, и т. д.

По мере увеличения магнитного потока Ф₀ наступает насыщение магнитопровода 1, амплитуда пульсации магнитных потоков Ф₁, Ф₂ стабилизируется и электромагнитные процессы переходят в установившийся режим. На ферромагнитное кольцо 9 действуют пондермоторные силы, давление которых определяется известной формулой



где B - магнитная индукция в рабочем зазоре, Тл;

₀ - магнитная постоянная, ₀=1,25610^-6 Гн/м.

Вертикальная составляющая суммарного усилия, действующего на ротор, определяется выражением

F=S_гр, Н

где S_г, м² - площадь проекции поверхности наконечников стержней 2-4, обращенных к зазору, на горизонтальную плоскость.

Усилие F воспринимает основную часть силы тяжести, действующей на ротор, и снижает нагрузку на подшипники, увеличивая их надежность и ресурс.

Магнитопровод 1 с обмотками 5-7 легко монтируется на станине и снимается с нее. Обмотки 5-7, выпрямитель 10 и конденсатор 11 могут быть объединены в общую конструкцию и загерметизированы.

Устройство электромагнитной разгрузки представляет собой секторную электрическую машину (индукторный генератор) с самовозбуждением. При остановке ротора или при размыкании цепи обмотки возбуждения магнитное поле устройства снижается до нескольких процентов от номинального значения, что упрощает монтаж и транспортировку устройства. Для его работы не требуется внешнего источника электроэнергии, оно потребляет механическую энергию с вала ротора. При герметичном исполнении конструкции устройство может работать во взрывоопасных и агрессивных средах.

Таким образом, благодаря трехполюсной конструкции статора с обмотками, выполнению зубцов на поверхностях ротора и боковых полюсах статора, подключению обмотки возбуждения через выпрямитель к генераторным обмоткам получено устройство электромагнитной разгрузки радиальных опор с возможностью простого монтажа и работы во взрывоопасных и агрессивных средах, которое увеличивает надежность и ресурс подшипников.