RU2265757C1

RU2265757C1 - Vertical rotor magnetic supporting nit

Info

Publication number: RU2265757C1
Application number: RU2004112718/12A
Authority: RU
Inventors: В.П. Лисейкин (RU); В.П. Лисейкин; И.Ю. Тарасенко (RU); И.Ю. Тарасенко; Б.И. Кантин (RU); Б.И. Кантин; В.А. Ивакин (RU); В.А. Ивакин
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Производственное объединение "Электрохимический завод"
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-12-10

Abstract

FIELD: upper magnetic supports of high-revolution rotors with vertical rotation axis for holding rotors in vertical position, for example rotors of energy accumulator, centrifuges, gyroscopes and similar devices.

SUBSTANCE: supporting unit includes ferromagnetic ring mounted on upper end of magnet of magnetic support of rotor and having thickness equal to 1.2 - 1.5 of mean diameter of magnet. Non-magnetic gasket may be placed between magnet and ferromagnetic ring. Thickness of gasket is equal to thickness half of ferromagnetic ring.

EFFECT: lowered pressure acting upon lower support, reduced mass and size of magnetic support especially in axial direction, increased working length of rotor.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к верхним магнитным опорам высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения, посредством которых роторы удерживаются в вертикальном положении, например, роторов накопителей энергии, центрифуг, гироскопов и подобных устройств.The invention relates to upper magnetic supports of high-speed rotors with a vertical axis of rotation, by which the rotors are held in a vertical position, for example, rotors of energy storage devices, centrifuges, gyroscopes and similar devices.

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 относительно малые массу и габариты вращающихся элементов.In the upper bearings of high-speed rotors with a vertical axis of rotation, magnetic bearings are used to reduce the pressure on the lower bearing, increasing the reliability and durability of the bearings. To perform the functions of axial unloading of the lower support and stabilization of the vertical position of the axis of rotation of the rotor, the upper magnetic support must have sufficient axial force of attraction and radial stiffness and have a relatively small mass and dimensions of the rotating elements.

Известна магнитная опора ротора, вращающегося вокруг вертикальной оси, содержащая неподвижный кольцевой постоянный магнит с двумя полюсными наконечниками, расположенными на рабочем торце, 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 отдаленными 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 (Патент Великобритании №13379987, F 16 С 32/04, опубл. 08.01.75).A magnetic support of a rotor rotating around a vertical axis is known, comprising a fixed annular permanent magnet with two pole tips located on the working end, spaced apart in radius and directed downward, and an anchor mounted on the rotor in the form of a sleeve with two ring protrusions responsive to the pole tips having the same dimensions with the pole pieces and axial clearance remote from them. The support is also provided with at least one disk mounted on the rotor between the ring electrical windings to compensate for part of the weight of the rotor and its axial deviations (UK Patent No. 13379987, F 16 C 32/04, publ. 08.01.75).

Эта магнитная опора разгружает нижнюю опору ротора и стабилизирует его вертикальное положение. Однако она отличается сложной конструкцией, имеет увеличенную массу и радиальные габариты вращающегося с ротором якоря, что неприемлемо для высокооборотных роторов.This magnetic support unloads the lower support of the rotor and stabilizes its vertical position. However, it has a complex design, has an increased mass and radial dimensions of the armature rotating with the rotor, which is unacceptable for high-speed rotors.

Известна также магнитная опора ротора, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно ротору на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над втулкой соосно ей, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита (Патент ФРГ №1071593, В 04 В 9/12, опубл.09.06.90).A rotor magnetic support is also known, comprising a ferromagnetic sleeve fixed coaxially to the rotor on its upper cover, an annular axially magnetized magnet mounted in a housing above the sleeve coaxially with it, and a pole piece made in the form of a ring with a radial shelf at the end face adjacent to the lower end of the magnet (German patent No. 1071593, 04 V 9/12, publ. 09.06.90).

Данная магнитная опора обеспечивает вращение ротора без механических контактов с элементами верхней части корпуса, разгружает нижнюю опору действием осевой силы притяжения магнита и стабилизирует положение оси вращения ротора за счет радиальной жесткости, обусловленной действием симметричного магнитного поля. Однако конструкция элементов данной магнитной опоры не позволяет эффективно использовать энергию магнита для повышения несущей способности и жесткой опоры. В этой опоре увеличение осевой силы притяжения ротора и повышение радиальной жесткости может быть достигнуто за счет увеличения массы и габаритов магнита, что существенно увеличивает стоимость, особенно при использовании редкоземельных материалов для магнита.This magnetic support provides the rotation of the rotor without mechanical contact with the elements of the upper part of the housing, unloads the lower support by the axial force of attraction of the magnet and stabilizes the position of the axis of rotation of the rotor due to radial rigidity due to the action of a symmetric magnetic field. However, the design of the elements of this magnetic support does not allow the efficient use of magnet energy to increase the bearing capacity and the rigid support. In this support, an increase in the axial force of attraction of the rotor and an increase in radial stiffness can be achieved by increasing the mass and dimensions of the magnet, which significantly increases the cost, especially when using rare earth materials for the magnet.

Ближайшим техническим решением к предложенному является магнитная опора ротора газовой центрифуги, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно с ротором на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над втулкой соосно с ней, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита, при этом ферромагнитная втулка в верхней части снабжена кольцевым радиальным выступом, толщина которого оптимизирована с шириной нижнего торца полюсного наконечника, а наружный диаметр наконечника оптимизирован со средним диаметром магнита (Патент России №22054334, В 04 В 9/12, опубл. 20.02.96).The closest technical solution to the proposed one is the magnetic support of the rotor of a gas centrifuge, containing a ferromagnetic sleeve fixed coaxially with the rotor on its upper cover, an annular axially magnetized magnet mounted in the housing above the sleeve coaxially with it, and a pole piece made in the form of a ring with a radial shelf at the end adjacent to the lower end of the magnet, while the ferromagnetic sleeve in the upper part is equipped with an annular radial protrusion, the thickness of which is optimized with the width of the lower end along lug tip, and the outer diameter of the tip is optimized with the average diameter of the magnet (Russian Patent No. 22054334, 04 V 9/12, publ. 02.20.96).

Данная магнитная опора позволяет одновременно повысить жесткость магнитной опоры газовой центрифуги на 10% и уменьшить давление на нижнюю опору на 5%, однако этого недостаточно.This magnetic support allows you to simultaneously increase the stiffness of the magnetic support of the gas centrifuge by 10% and reduce the pressure on the lower support by 5%, but this is not enough.

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы уменьшить давление на нижнюю опору и уменьшить массу и габариты магнитной опоры, особенно в осевом направлении, так как это позволяет увеличить рабочую длину ротора.The objective of the invention is to reduce the pressure on the lower support and to reduce the mass and dimensions of the magnetic support, especially in the axial direction, as this allows to increase the working length of the rotor.

Поставленная задача достигается тем, что в магнитной опоре вертикального ротора, содержащей кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником на нижнем торце, установленный на корпусе над ферромагнитной втулкой, закрепленной соосно с ротором на его верхней крышке, на верхнем торце магнита установлено ферромагнитное кольцо, толщина которого равна 0,1...0,4 от толщины магнита, причем внутренний диаметр ферромагнитного кольца совпадает с внутренним диаметром магнита, а наружный диаметр составляет 1,2...1,5 от среднего диаметра магнита, при этом между магнитом и ферромагнитным кольцом может быть установлена немагнитная прокладка, толщина которой равна половине толщины ферромагнитного кольца.The problem is achieved in that in the magnetic support of the vertical rotor, containing an annular axially magnetized magnet with a pole tip at the lower end, mounted on the housing above the ferromagnetic sleeve, mounted coaxially with the rotor on its upper cover, a ferromagnetic ring is installed on the upper end of the magnet, the thickness of which equal to 0.1 ... 0.4 of the thickness of the magnet, and the inner diameter of the ferromagnetic ring coincides with the inner diameter of the magnet, and the outer diameter is 1.2 ... 1.5 of the average diameter m rot, while between the magnet and the ferromagnetic ring may be mounted nonmagnetic spacer whose thickness is equal to half the thickness of the ferromagnetic ring.

Изобретение поясняется чертежом на котором показан продольный разрез магнитной опоры.The invention is illustrated by the drawing which shows a longitudinal section of a magnetic support.

Магнитная опора ротора включает аксиально намагниченный кольцевой магнит 1, имеющий толщину S₁, внутренний диаметр D₁, средний диаметр D_cp, и ферромагнитное кольцо 2, толщина которого S₂ равна 0,1...0,4 от толщины магнита S₁, внутренний диаметр кольца 2 совпадает с внутренним диаметром магнита D₁, а его наружный диаметр D₂ составляет 1,2...1,5 от среднего диаметра магнита D_cp. Между магнитом 1 и ферромагнитным кольцом 2 установлена немагнитная прокладка 3, толщина которой S равна половине толщины ферромагнитного кольца 2. На нижнем торце магнита 1 имеется кольцевой полюсный наконечник 4, установленный на крышке 5, закрепленной на корпусе 6, соосном вертикальному ротору 7, причем крышка 5 в зоне установки магнита 1 имеет толщину L. Соосно ротору 7 на его верхней крышке 8 установлена ферромагнитная втулка 9. Ротор 7 опирается на нижнюю опору 10. Между верхним торцом ферромагнитной втулки 9 и нижним торцом крышки 5 имеется технологический зазор К, необходимый для гарантированного отсутствия касания вращающихся и неподвижных частей машины. Сумма зазоров L и К образует зазор Х между верхним торцом втулки 9 и нижним торцом наконечника 4. The rotor magnetic support includes an axially magnetized ring magnet 1 having a thickness S ₁ , an inner diameter D ₁ , an average diameter D _cp , and a ferromagnetic ring 2 whose thickness S ₂ is 0.1 ... 0.4 of the thickness of the magnet S ₁ , the inner diameter of the ring 2 coincides with the inner diameter of the magnet D ₁ , and its outer diameter D ₂ is 1.2 ... 1.5 of the average diameter of the magnet D _cp . Between the magnet 1 and the ferromagnetic ring 2, a non-magnetic gasket 3 is installed, the thickness of which S is equal to half the thickness of the ferromagnetic ring 2. At the lower end of the magnet 1 there is an annular pole piece 4 mounted on the cover 5 mounted on the housing 6, coaxial to the vertical rotor 7, and the cover 5 in the installation zone of magnet 1 has a thickness L. A ferromagnetic sleeve 9 is installed coaxially with the rotor 7 on its upper cover 8. The rotor 7 is supported by the lower support 10. Between the upper end of the ferromagnetic sleeve 9 and the lower end of the cover 5 there are nological clearance K, necessary for guaranteed absence of contact of rotating and stationary parts of the machine. The sum of the gaps L and K forms a gap X between the upper end of the sleeve 9 and the lower end of the tip 4.

Магнитная опора работает следующим образом. Magnetic support works as follows.

Кольцевой магнит 1 с полюсным наконечником 4 создает осесимметричное магнитное поле, сила притяжения которого через ферромагнитную втулку 9 разгружает нижнюю опору 10 от части силы веса ротора 7.An annular magnet 1 with a pole tip 4 creates an axisymmetric magnetic field, the attractive force of which through the ferromagnetic sleeve 9 unloads the lower support 10 from part of the weight of the rotor 7.

Магнитный поток между полюсами магнита 1 замыкается через полюсный наконечник 4, ферромагнитную втулку 9 и ферромагнитное кольцо 2.The magnetic flux between the poles of the magnet 1 is closed through the pole piece 4, the ferromagnetic sleeve 9 and the ferromagnetic ring 2.

В покое и при вращении ротора 7 осесимметричное магнитное поле удерживает ферромагнитную втулку 9 и связанный с ней ротор в вертикальном стационарном положении, не препятствуя вращению ротора 7. В случае отклонений ротора от стационарного положения симметричность магнитного поля нарушается, что создает радиальную силу, препятствующую отклонению ротора 7 и возвращающую ротор в исходное положение при прекращении действия возмущающей силы. Благодаря наличию ферромагнитного кольца 2 на верхнем торце магнита 1 и предполагаемых диапазонов его предпочтительных геометрических соотношений с кольцевым магнитом 1 в данной магнитной системе обеспечивается повышенная концентрация магнитного поля в зазоре К между ферромагнитной втулкой 9 и полюсным наконечником 4, что по сравнению с известными магнитными опорами, повышает эффективность разгрузки нижней опоры 10 за счет более полного полезного использования энергии магнитного потока. При этом может быть сэкономлено до 30% массы магнита, что особенно актуально при использовании дорогих редкоземельных металлов для изготовления магнитов, где влияние установки ферромагнитного кольца 2 особенно значительно.At rest and during rotation of the rotor 7, an axisymmetric magnetic field holds the ferromagnetic sleeve 9 and the associated rotor in a vertical stationary position, without interfering with the rotation of the rotor 7. In case of deviations of the rotor from the stationary position, the symmetry of the magnetic field is violated, which creates a radial force that prevents the rotor from deviating 7 and returns the rotor to its original position upon termination of the disturbing force. Due to the presence of a ferromagnetic ring 2 at the upper end of magnet 1 and the expected ranges of its preferred geometric ratios with the ring magnet 1 in this magnetic system, an increased concentration of the magnetic field in the gap K between the ferromagnetic sleeve 9 and the pole piece 4 is provided, which, compared with the known magnetic supports, increases the efficiency of unloading the lower support 10 due to a more complete useful use of magnetic flux energy. In this case, up to 30% of the magnet mass can be saved, which is especially important when using expensive rare-earth metals for the manufacture of magnets, where the influence of the installation of the ferromagnetic ring 2 is especially significant.

Одновременно из-за увеличения магнитного потока можно увеличить толщину L, обеспечивающую «самоотрыв» ротора 7 от верхней крышки 5 корпуса 6; это повышает механическую прочность крышки 5 при разрушении роторов, так как малая величина L может привести к деформации и снижению вакуумной плотности материала крышки 5, при этом из-за увеличения суммарного рабочего зазора Х несколько уменьшается поперечная жесткость магнитной опоры. Для компенсации этого уменьшения может быть устанавлена немагнитная прокладка 3 между магнитом 1 и ферромагнитным кольцом 2, что увеличивает на 10% поперечную жесткость магнитной опоры без изменения величины давления на нижнюю опору.At the same time, due to the increase in magnetic flux, it is possible to increase the thickness L, which ensures "self-separation" of the rotor 7 from the top cover 5 of the housing 6; this increases the mechanical strength of the cover 5 during the destruction of the rotors, since a small value of L can lead to deformation and a decrease in the vacuum density of the material of the cover 5, while due to an increase in the total working gap X, the transverse stiffness of the magnetic support decreases slightly. To compensate for this decrease, a non-magnetic gasket 3 can be installed between the magnet 1 and the ferromagnetic ring 2, which increases the lateral stiffness of the magnetic support by 10% without changing the pressure on the lower support.

Приведенные соотношения ферромагнитного кольца 2 позволяют оптимально выбрать параметры магнитной опоры - давление на нижнюю опору и поперечную жесткость.The above ratios of the ferromagnetic ring 2 make it possible to optimally select the parameters of the magnetic support — pressure on the lower support and lateral stiffness.

Экспериментальные исследования, выполненные заявителем, показали, что при применении ферромагнитного кольца 2, установленного на верхнем торце магнита 1 в одной из магнитных опор, уменьшается давление на нижнюю опору на 20%, при этом толщина L дна крышки 5 увеличилась с 2,8 мм до 4,6 мм.Experimental studies performed by the applicant showed that when using a ferromagnetic ring 2 mounted on the upper end of magnet 1 in one of the magnetic supports, the pressure on the lower support decreases by 20%, while the thickness L of the bottom of the cover 5 increased from 2.8 mm to 4.6 mm.

Claims

1. The magnetic support of the vertical rotor, containing an annular axially magnetized magnet with a pole tip at the bottom end, mounted on the housing above the ferromagnetic sleeve mounted coaxially with the rotor on its upper cover, characterized in that a ferromagnetic ring is installed on the top end of the magnet, the thickness of which is equal to 0.1 ... 0.4 of the thickness of the magnet, and the inner diameter of the ferromagnetic ring coincides with the inner diameter of the magnet, and its outer diameter is 1.2 ... 1.5 of the average diameter of the magnet.

2. The magnetic support according to claim 1, characterized in that a non-magnetic gasket is installed between the magnet and the ferromagnetic ring, the thickness of which is equal to half the thickness of the ferromagnetic ring.