RU2242288C1 - Magnetic support of a vertical rotor - Google Patents
Magnetic support of a vertical rotorInfo
- Publication number
- RU2242288C1 RU2242288C1 RU2003109592/12A RU2003109592A RU2242288C1 RU 2242288 C1 RU2242288 C1 RU 2242288C1 RU 2003109592/12 A RU2003109592/12 A RU 2003109592/12A RU 2003109592 A RU2003109592 A RU 2003109592A RU 2242288 C1 RU2242288 C1 RU 2242288C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- support
- magnet
- pole terminal
- magnetic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к магнитным опорам вертикальных роторов быстровращающихся приборов, гироскопов, накопителей энергии, генераторов, турбомолекулярных насосов центрифуг и подобных устройств. Изобретение относится, главным образом, к многофункциональным магнитным опорам, в которых верхняя магнитная опора ротора не только разгружает нижнюю опору от осевой нагрузки, но и одновременно обеспечивает радиальную жесткость и центровку ротора относительно корпуса.The invention relates to mechanical engineering, mainly to the magnetic supports of vertical rotors of rapidly rotating devices, gyroscopes, energy stores, generators, turbomolecular centrifuge pumps and similar devices. The invention relates mainly to multifunctional magnetic bearings, in which the upper magnetic support of the rotor not only unloads the lower support from axial load, but also provides radial rigidity and centering of the rotor relative to the housing.
Известна магнитная опора вертикального ротора, в которой на роторе расположена ферромагнитная втулка, а расположенный над ней аксиально намагниченный статорный магнит с полюсным наконечником установлен на крышке корпуса с кольцевым зазором для возможности его перемещения в горизонтальной плоскости и центровки ротора (патент РФ №2115482).The magnetic support of a vertical rotor is known, in which a ferromagnetic sleeve is located on the rotor, and an axially magnetized stator magnet with a pole tip located above it is mounted on the housing cover with an annular gap for the possibility of its movement in the horizontal plane and alignment of the rotor (RF patent No. 2115482).
Такая магнитная опора позволяет обеспечить хорошую центровку ротора относительно крышки корпуса, но требует дополнительной технологической операции для каждого изделия, что осложняет серийный выпуск продукции.Such a magnetic support allows for good alignment of the rotor relative to the housing cover, but requires additional technological operations for each product, which complicates serial production.
Известна магнитная опора вертикального ротора, в которой для повышения поперечной жесткости в дополнение к основному магниту применен дополнительный магнит, сила притяжения которого направлена против направления притяжения основного магнита (патент РФ №2115481).Known magnetic support of the vertical rotor, in which to increase the lateral rigidity in addition to the main magnet, an additional magnet is used, the attractive force of which is directed against the direction of attraction of the main magnet (RF patent No. 2115481).
Такая магнитная опора повышает поперечную жесткость, но увеличивает нагрузку на нижнюю опору ротора. Кроме того, эта опора сложна при сборке для серийного применения, требует точной установки осевого зазора, увязки двух рабочих зазоров одновременно и учета разброса сил притяжения двух магнитов и имеет большие осевые габариты, что уменьшает полезную длину ротора.Such a magnetic support increases lateral rigidity, but increases the load on the lower support of the rotor. In addition, this support is difficult to assemble for serial use, requires accurate installation of the axial clearance, matching of two working clearances at the same time and taking into account the dispersion of the attractive forces of two magnets and has large axial dimensions, which reduces the useful length of the rotor.
Ближайшим техническим решением к предложенному является магнитная опора, содержащая кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита, и ответную ферромагнитную втулку с кольцевым радиальным выступом, высота которого равна 0,1-0,3 высоты втулки, а наружный диаметр радиальной полки полюсного наконечника равен 0,92-0,95 от среднего диаметра кольцевого магнита (патент РФ №2054334).The closest technical solution to the proposed one is a magnetic support containing an annular axially magnetized magnet with a pole tip in the form of a ring with a radial shelf at the end adjacent to the lower end of the magnet, and a response ferromagnetic sleeve with an annular radial protrusion, the height of which is 0.1-0, 3 of the height of the sleeve, and the outer diameter of the radial shelf of the pole piece is 0.92-0.95 of the average diameter of the ring magnet (RF patent No. 2054334).
Это известное решение повышает жесткость магнитной опоры на 8-10% и одновременно незначительно снижает давление на нижнюю опору, однако этого улучшения параметров магнитной опоры недостаточно как по подъемной силе, так и по жесткости опоры.This known solution increases the stiffness of the magnetic support by 8-10% and at the same time slightly reduces the pressure on the lower support, however, this improvement in the parameters of the magnetic support is not enough both in terms of lifting force and stiffness of the support.
Техническая задача, которая решается в предлагаемом изобретении, состоит в том, чтобы, в первую очередь, повысить поперечную жесткость верхней магнитной опоры высокооборотного ротора и уменьшить давление на нижнюю опору без ухудшения массогабаритных показателей и усложнения конструкции опоры путем выбора рациональной формы полюсного наконечника, соотношения размеров и взаимного расположения элементов магнитной опоры, а также выбором соотношения магнитных свойств материалов полюсного наконечника и ферромагнитной втулки.The technical problem, which is solved in the present invention, is, first of all, to increase the transverse rigidity of the upper magnetic bearings of the high-speed rotor and reduce the pressure on the lower bearings without compromising weight and dimensions and complicating the design of the bearings by choosing a rational shape of the pole piece, aspect ratio and the relative position of the elements of the magnetic support, as well as the choice of the ratio of the magnetic properties of the materials of the pole piece and the ferromagnetic sleeve.
Для решения этой задачи в предлагаемой магнитной опоре вертикального ротора, содержащей установленный в корпусе кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником в виде кольца с поперечным сечением в форме прямоугольника, примыкающего к нижнему торцу магнита, и размещенную на роторе ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, наружный диаметр наконечника составляет 0,8-1,1 величины среднего диаметра магнита, толщина полюсного наконечника равна 0,9-2,1 величины толщины верхнего торца ферромагнитной втулки, а высота полюсного наконечника составляет 1-3 величины толщины полюсного наконечника.To solve this problem, in the proposed magnetic support of a vertical rotor containing an axially magnetized annular magnet mounted in a housing with a pole tip in the form of a ring with a cross section in the form of a rectangle adjacent to the lower end of the magnet, and a ferromagnetic sleeve located on the rotor located opposite the lower end of the magnet , the outer diameter of the tip is 0.8-1.1 of the average diameter of the magnet, the thickness of the pole tip is 0.9-2.1 of the thickness of the upper end of the ferromagnetic bushings, and the height of the pole piece is 1-3 times the thickness of the pole piece.
Дополнительно полюсный наконечник может быть выполнен из материала, коэрцитивная сила которого не меньше коэрцитивной силы материала втулки.Additionally, the pole piece may be made of a material whose coercive force is not less than the coercive force of the sleeve material.
Кроме того, полюсный наконечник может быть выполнен шихтованным с направлением трудного намагничивания слоев в радиальном направлении.In addition, the pole piece can be laminated with the direction of difficult magnetization of the layers in the radial direction.
На фиг.1 изображен разрез магнитной опоры.Figure 1 shows a section of a magnetic support.
На фиг.2 показан вариант выполнения шихтованного наконечника из набора колец.Figure 2 shows an embodiment of a lined tip from a set of rings.
На фиг.3 показан вариант выполнения шихтованного наконечника из непрерывной ленты.Figure 3 shows an embodiment of the lined tip of a continuous tape.
На фиг.4 показаны экспериментальные зависимости силы притяжения в магнитной опоре.Figure 4 shows the experimental dependence of the attractive force in the magnetic support.
На фиг.5 показаны экспериментальные зависимости радиальной жесткости в магнитной опоре.Figure 5 shows the experimental dependence of the radial stiffness in the magnetic support.
Магнитная опора вертикального ротора включает кольцевой аксиально намагниченный магнит 1 с полюсным наконечником 2 в виде кольца с поперечным сечением 3 в форме прямоугольника, установленный в крышке 4 корпуса 5. Ферромагнитная втулка 6 закреплена соосно на роторе 7 в его верхней части под магнитом 1.The magnetic support of the vertical rotor includes an annular axially
Ротор 7 опирается в нижней части на опору 8, а в верхней магнитной опоре не имеет механического контакта с неподвижными деталями крышки 4 или корпуса 5.The rotor 7 rests in the lower part on the support 8, and in the upper magnetic support does not have mechanical contact with the stationary parts of the cover 4 or the housing 5.
Наружный диаметр d полюсного наконечника 2 составляет 0,8-1,1 от величины среднего диаметраThe outer diameter d of the
Dcp=0,5(dн+dв),Dcp = 0.5 (dn + dv),
где Dн - наружный диаметр кольцевого магнита 1;where Dн is the outer diameter of the
Dв - внутренний диаметр кольцевого магнита 1;Dв - the inner diameter of the
т.е. выполняется соотношение d=(0,8-1,1) Dcp.those. the relation d = (0.8-1.1) Dcp is satisfied.
Толщина δ полюсного наконечника равна 0,9-2,1 величины толщины Δ верхнего торца ферромагнитной втулки, т.е. выполняется соотношение δ=(0,9-2,1)Δ.The thickness δ of the pole piece is 0.9-2.1 times the thickness Δ of the upper end of the ferromagnetic sleeve, i.e. the relation δ = (0.9-2.1) Δ is satisfied.
Высота h полюсного наконечника составляет 1-3 от величины его толщины δ, т.е. выполняется соотношение h=(1-3)δ.The height h of the pole piece is 1-3 of its thickness δ, i.e. the relation h = (1-3) δ holds.
Втулка 6 выполняется из материала с коэрцитивной силой Нв, а наконечник 2 выполняется из материала с коэрцитивной силой Нн, не меньшей Нв, так что выполняется соотношение Нн≥Нв.The sleeve 6 is made of a material with a coercive force Нв, and the
На фиг.2 полюсный наконечник 2 выполнен шихтованным из набора шести тонких колец 9, вставленных одно в другое и образующих в разрезе прямоугольное сечение 3. Причем направление трудного намагничивания отдельных слоев ориентировано в радиальном направлении, т.е. по толщине каждого отдельного кольца 9.In Fig. 2, the
На фиг.3 полюсный наконечник 2 выполнен шихтованным из спирально намотанной в шесть витков тонкой непрерывной ленты 10, образующей в разрезе прямоугольное сечение 3. Причем направление трудного намагничивания ленты ориентировано в радиальном направлении, т.е. по толщине ленты 10.In Fig. 3, the
На фиг.4 показаны сравнительные экспериментальные зависимости вертикальной силы притяжения, действующей на втулку 6, в зависимости от величины зазора между наконечником 2 и втулкой 6 в магнитной опоре с различными конструкциями наконечников.Figure 4 shows the comparative experimental dependence of the vertical force of attraction acting on the sleeve 6, depending on the size of the gap between the
На фиг.5 показаны сравнительные экспериментальные зависимости радиальной жесткости при отклонении втулки 6 от оси наконечника 2 в зависимости от величины зазора между наконечником 2 и втулкой 6 в магнитной опоре с различными конструкциями наконечников.Figure 5 shows the comparative experimental dependence of the radial stiffness when the sleeve 6 deviates from the axis of the
Зависимости на фиг.4 и 5 получены для одного и того же магнита с известным оптимизированным по подъемной силе и жесткости наконечником с сечением Г-образной формы площадью 49 мм2 из материала сталь 10 (Г-образное сечение и кривые Г на фиг.4 и 5) и наконечниками, выполненными по настоящему изобретению - с прямоугольным сечением (2 мм × 5 мм) площадью 10 мм2 из материалов сталь 10, 40Х, 70С2ХА шихтованный (прямоугольное сечение и соответствующие кривые ст. 10, кривые 40х, кривые Ш на фиг.4 и фиг.5). Все зависимости построены в относительных единицах по отношению к величинам силы и жесткости магнитной опоры с прямоугольным наконечником из стали 10 на относительном зазоре 1 при одинаковых диаметрах наконечника, так что материалоемкость наконечника в предлагаемой опоре примерно в 5 раз меньше, чем в известной опоре.The dependences in FIGS. 4 and 5 are obtained for the same magnet with a known tip with a L-shaped cross section of 49 mm 2, made of steel 10 (L-shaped section and curves G in FIG. 4 and 5) and lugs made according to the present invention — with a rectangular cross-section (2 mm × 5 mm) with an area of 10 mm 2 made of
Магнитная опора работает следующим образом.Magnetic support works as follows.
Кольцевой магнит 1 создает осесимметричное магнитное поле. Магнитный поток между полюсами магнита 1 замыкается через полюсный наконечник 2 и ферромагнитную втулку 6. Сила притяжения магнита 1, действующая через ферромагнитную втулку 6, разгружает нижнюю опору от части силы веса ротора 7 и одновременно обеспечивает верхней опоре радиальную жесткость, т.е. способность противодействовать угловым отклонениям ротора 7 относительно вертикальной оси.The
В покое и при вращении ротора 7 осесимметричное магнитное поле удерживает ферромагнитную втулку 6 и связанный с ней ротор 7 в вертикальном положении, не препятствуя вращению ротора 7 относительно вертикальной оси. В случае отклонения ротора от вертикальной оси симметричность магнитного поля нарушается, что создает радиальную силу, препятствующую отклонению ротора 7 и возвращающую его в исходное положение при прекращении действия возмущающей силы.At rest and during rotation of the rotor 7, an axisymmetric magnetic field holds the ferromagnetic sleeve 6 and the associated rotor 7 in a vertical position, without interfering with the rotation of the rotor 7 relative to the vertical axis. In the case of deviation of the rotor from the vertical axis, the symmetry of the magnetic field is violated, which creates a radial force that prevents the deviation of the rotor 7 and returns it to its original position upon termination of the disturbing force.
Благодаря выбранным геометрическим соотношениям полюсного наконечника 2 относительно параметров магнита 1 и ферромагнитной втулки 6 в пределах предлагаемого диапазона их предпочтительных значений, а также соотношениям магнитных свойств материалов наконечника и втулки обеспечивается оптимальное распределение магнитного потока в рабочем зазоре между наконечником 2 и втулкой 6.Due to the selected geometrical relations of the
Экспериментальные исследования, данные которых приведены на фиг.4 и 5, показали, что по сравнению с магнитной опорой, приведенной в прототипе, магнитная опора с наконечником, имеющим заявляемые геометрические соотношения, имеет поперечную жесткость магнитной опоры на 30-50% больше, при этом одновременно увеличивается на 20-25% подъемная сила, т.е. все параметры магнитной опоры улучшаются.Experimental studies, the data of which are shown in figures 4 and 5, showed that compared with the magnetic support shown in the prototype, the magnetic support with a tip having the claimed geometric relationships has a transverse rigidity of the magnetic support of 30-50% more, while at the same time, the lifting force increases by 20-25%, i.e. all parameters of the magnetic support are improved.
Ферромагнитная втулка ротора в известных конструкциях обычно выполняется из стали 40Х, имеющей высокие прочностные свойства: предел текучести στ=85 кг/мм2 и коэрцитивную силу Нв=1640 А/м, а полюсный наконечник выполняется из более магнитомягкого материала сталь 10 с коэрцитивной силой Нн=368 А/м.The ferromagnetic rotor sleeve in known constructions is usually made of 40X steel having high strength properties: yield strength στ = 85 kg / mm 2 and coercive force Нв = 1640 A / m, and the pole piece is made of a more magnetically
При радиальном перемещении втулки в материале наконечника происходит перемагничивание за счет ответного перемещения “стенки” - границы между доменами. При этом, чем материал наконечника “мягче” в магнитном отношении, тем с меньшим сопротивлением перемещается “стенка” и меньше поперечная жесткость опоры. Если наконечник выполнить в соответствии с настоящим изобретением из стали с большим содержанием углерода, например стали 40Х, т.е. из такого же материала, как и материал втулки, или другого материала с большей коэрцитивной силой, то при радиальном смещении роторной втулки “стенка”, перемещаясь в материале наконечника, встречает большее сопротивление, например, в узлах решетки, где выделяется углерод, искажающий решетку, в пустотах, немагнитных включениях и “фиктивных” магнитных зарядах вокруг этих включений. Количество таких дефектов возрастает с повышением содержания углерода и коэрцитивной силы материала наконечника. Таким образом, возрастает поперечная жесткость магнитной опоры.When the sleeve is radially moved in the tip material, magnetization reversal occurs due to the reciprocal movement of the “wall” - the boundary between the domains. Moreover, the material of the tip is “softer” in the magnetic ratio, the “wall” moves with less resistance and the transverse stiffness of the support is less. If the tip is made in accordance with the present invention from steel with a high carbon content, for example, steel 40X, i.e. of the same material as the material of the sleeve, or another material with a greater coercive force, when the rotor sleeve is radially displaced, the “wall”, moving in the material of the tip, encounters greater resistance, for example, in the nodes of the lattice, where carbon that distorts the lattice is released, in voids, non-magnetic inclusions and “fictitious” magnetic charges around these inclusions. The number of such defects increases with increasing carbon content and the coercive force of the tip material. Thus, the transverse stiffness of the magnetic support increases.
Аналогичный эффект создания сопротивления перемагничиванию при радиальном смещении втулки может быть достигнут выполнением наконечника шихтованным, причем направление трудного намагничивания отдельных слоев для получения наибольшей жесткости следует располагать в радиальном направлении.A similar effect of creating magnetization reversal resistance with a radial displacement of the sleeve can be achieved by performing a lined tip, and the direction of difficult magnetization of individual layers to obtain the greatest rigidity should be located in the radial direction.
Как следует из приведенных результатов исследований, все магнитные опоры с наконечником прямоугольного сечения из разных материалов имеют лучшие параметры по сравнению с известной опорой при примерно в 5 раз меньшей материалоемкости наконечника.As follows from the above research results, all magnetic poles with a rectangular tip made of different materials have better parameters compared to the known poles with approximately 5 times less material consumption of the tip.
Использование изобретения позволяет повысить поперечную жесткость магнитной опоры на 30-50%, что особенно актуально для обеспечения устойчивости быстровращающихся роторов при одновременном увеличении силы притяжения на 25-30% и снижении давления на нижнюю опору. Это повышает надежность и долговечность работы быстровращающихся роторов с магнитной опорой.The use of the invention allows to increase the lateral stiffness of the magnetic support by 30-50%, which is especially important to ensure the stability of rapidly rotating rotors while increasing the attractive force by 25-30% and reducing the pressure on the lower support. This increases the reliability and durability of the fast-rotating rotors with magnetic support.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003109592/12A RU2242288C1 (en) | 2003-04-04 | 2003-04-04 | Magnetic support of a vertical rotor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003109592/12A RU2242288C1 (en) | 2003-04-04 | 2003-04-04 | Magnetic support of a vertical rotor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003109592A RU2003109592A (en) | 2004-12-10 |
| RU2242288C1 true RU2242288C1 (en) | 2004-12-20 |
Family
ID=34387831
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003109592/12A RU2242288C1 (en) | 2003-04-04 | 2003-04-04 | Magnetic support of a vertical rotor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2242288C1 (en) |
-
2003
- 2003-04-04 RU RU2003109592/12A patent/RU2242288C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2089761C1 (en) | Magnetic support | |
| CN106402159B (en) | A kind of permanent magnetism off-set magnetic suspension shaft | |
| WO2001086151A3 (en) | Magnetic bearing with damping | |
| US20030057784A1 (en) | Magnetically levitated motor and magnetic bearing apparatus | |
| CN2765373Y (en) | Combined bearing magnetic suspension motor / electric main shaft | |
| Tsuchida et al. | A novel structure of a 3-axis active control type magnetic bearing with a cylindrical rotor | |
| CN108757731A (en) | A kind of radial-axial Three Degree Of Freedom magnetic bearing of permanent magnet axial magnetized | |
| RU2242288C1 (en) | Magnetic support of a vertical rotor | |
| CN1470096B (en) | Device comprising a component, which is ferromagnetic in the cryogenic temperature range and which can be subjected to mechanical stresses | |
| US20040227421A1 (en) | Magnetic suspension bearing | |
| CN109681525B (en) | Magnetic suspension bearing and motor | |
| RU2577437C1 (en) | Support assembly of rotor magnetic suspension | |
| RU2037684C1 (en) | Electromagnetic support | |
| CN207935288U (en) | A kind of magnetic suspension swivel bearing | |
| RU2272676C1 (en) | Magnetic support of the vertical rotor | |
| CN107559303B (en) | Magnetic suspension bearing | |
| CN108895085B (en) | Inverter driving type outer rotor axial-radial six-pole hybrid magnetic bearing | |
| RU2242287C2 (en) | Magnetic support of a vertical rotor | |
| RU2054334C1 (en) | Magnetic support of gas centrifuge rotor | |
| RU2265757C1 (en) | Vertical rotor magnetic supporting nit | |
| RU2714055C1 (en) | Radial thrust magnetic bearing | |
| RU2638392C2 (en) | Magnetic support with additional magnetic system | |
| CN114810828B (en) | Superconducting magnetic suspension rotor supporting magnetic field shaping device | |
| CN114042946B (en) | Dabber of hypervelocity air static electricity main shaft | |
| CN214888381U (en) | Permanent magnet biased axial magnetic suspension bearing without thrust disc |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190405 |