RU2270940C9 - Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках - Google Patents
Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках Download PDFInfo
- Publication number
- RU2270940C9 RU2270940C9 RU2003119570/11A RU2003119570A RU2270940C9 RU 2270940 C9 RU2270940 C9 RU 2270940C9 RU 2003119570/11 A RU2003119570/11 A RU 2003119570/11A RU 2003119570 A RU2003119570 A RU 2003119570A RU 2270940 C9 RU2270940 C9 RU 2270940C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- rotor
- superconductors
- permanent magnets
- temperature
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/0408—Passive magnetic bearings
- F16C32/0436—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
- F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано в системах управления и стабилизации летательных аппаратов, а также в любой отрасли машиностроения, в которой требуется уменьшение трения и исключение смазочных материалов, например при работе в вакууме и в условиях низких температур. Бесконтактная опора выполнена в виде двух пар коаксиально расположенных кольцевых постоянных магнитов, установленных на статоре и объединенных попарно по потоку магнитной индукции двумя кольцевыми магнитопроводами, и высокотемпературных сверхпроводников, захваченный магнитный поток которых центрирует ротор, закрепленных на роторе, размещенном в зазоре между постоянными магнитами. Для улучшения однородности магнитного поля в магнитном зазоре поверхности постоянных магнитов, обращенные в сторону магнитного зазора, снабжены кольцевыми пластинами из магнитомягкого материала, например пермаллоя или электротехнической стали. Техническим результатом является повышение жесткостных и нагрузочных характеристик опоры и уменьшение момента сопротивления вращению ротора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано в системах управления и стабилизации летательных аппаратов, а также в любой отрасли машиностроения, в которых требуется уменьшение трения и исключение смазочных материалов, например при работе в вакууме и в условиях низких температур.
Известны бесконтактные опоры, основанные на использовании высокотемпературных сверхпроводников. Например, патент США №5789837, заявленный 14 августа 1996 г. и выданный на имя Shin; Sung-chul (Daejoeon-Si, KR); Filatore; Alexei (Daejeon-Si, KR). В данном патенте представлена опора с центрированием ротора захваченным магнитным потоком, имеющая статор/ротор с короткозамкнутыми сверхпроводящими контурами, выполненными в виде элементов круглой или прямоугольной формы с центральными отверстиями, которые размещены в зазоре между кольцевыми магнитами. Данная форма сверхпроводящих элементов по мнению авторов патента позволяет снизить гистерезис нагрузочных характеристик опоры.
В патенте США №6175175, заявленном 10 сентября 1999 г. и выданном на имя John R. Hull, Downers Grouve, IL (US), представлена опора, в которой кольцевые коаксиально расположенные постоянные магниты левитируют над сплошными сверхпроводниками различных форм за счет сил диамагнитного отталкивания, что не обеспечивает жесткого центрирования ротора.
В статье "Study on characteristics of high temperature superconducting magnetic trust bearing for 25 kWh flywheel", опубликованной в журнале Physica С 357-360 (2001) 866-869 авторами S. Nagaya, N. Kashima, M. Minami at el., представлена конструкция опоры, включающая десять сплошных дисков из высокотемпературных сверхпроводящих материалов и четыре кольцевых коаксиально расположенных постоянных магнитов, закрепленных на роторе, который также свободно левитирует над сверхпроводниками и тоже не осуществляет центрирования ротора.
В известных технических решениях использование короткозамкнутых сверхпроводящих контуров в виде колец круглой или прямоугольной формы не позволяет получить высокие жесткостные и нагрузочные характеристики при смещении ротора относительно статора в осевом и радиальном направлениях, а в конструкциях, использующих сверхпроводящие элементы в виде сплошных дисков, над которыми левитируют магниты, не обеспечивается жесткость центрирования ротора по трем координатам. Также в известных технических решениях не предусмотрены средства для уменьшения момента сопротивления вращению ротора опоры, возникающие из-за неоднородности магнитного поля.
Для решения поставленных задач предложенная бесконтактная опора на высокотемпературных сверхпроводниках с центрированием ротора захваченным магнитным потоком содержит коаксиально расположенные кольцевые постоянные магниты, установленные на статоре, и сверхпроводниковые элементы, выполненные, например, в виде сплошных дисков, закрепленных на роторе, размещенном в магнитном зазоре постоянных магнитов. Для улучшения однородности магнитного поля в магнитном зазоре поверхности магнитных колец, обращенные в сторону магнитного зазора, снабжены кольцевыми пластинами из магнитомягкого материала, например пермаллоя.
На фиг.1 изображена конструкция бесконтактной радиально-упорной опоры на высокотемпературных сверхпроводниках в разрезе. Она включает корпус 1, статор, состоящий из верхнего магнитопровода 2 с закрепленными на нем коаксиально расположенными кольцевыми магнитами 3 с пермаллоевыми пластинами 4 на поверхности, нижнего магнитопровода 5 с закрепленными на нем коаксиально расположенными кольцевыми магнитами 6 с пермаллоевыми пластинами 7 на поверхности и центрирующих колец из немагнитного материала 8, 9, магнитный зазор 10, диск ротора 11 с размещенными на нем высокотемпературными сверхпроводниками в виде дисков 12, вал ротора 13, установочную втулку 14, штифт 15.
На фиг.2 представлена фотография узлов магнитной опоры: корпус 1, кольцевые постоянные магниты 3, 6, диск ротора 11, дисковые элементы из высокотемпературного сверхпроводника 12.
На фиг.3 представлена фотография общего вида магнитной опоры.
Бесконтактная радиально-упорная опора работает при температуре жидкого азота. Кольцевые постоянные магниты 3 индуцируют в магнитном зазоре 10 противоположно направленное осесимметричное магнитное поле с максимальной индукцией 0,7 Тл и радиальным градиентом 0,132 Тл/мм. Семь монодоменных сверхпроводящих дисков 12 из иттрий-бариевой керамики диаметром 28 мм и толщиной 4 мм закреплены концентрически на диске ротора 11 и размещены в магнитном зазоре 10 в области максимального градиента. Перед охлаждением вал ротора 13 опоры центрируется в исходном положении установочной втулкой 14, закрепленной на нем с помощью штифта 15. После завершения процесса охлаждения втулка 14 удаляется.
При охлаждении ниже критической температуры 90 К диски 12 переходят в сверхпроводящее состояние и захватывают пронизывающее их магнитное поле. Взаимодействие захваченного сверхпроводниками 12 магнитного потока с магнитным полем постоянных магнитов 3 создает силу, противодействующую смещению в аксиальном и радиальном направлениях. В охлажденном состоянии после удаления втулки 14 последующее центрирование ротора осуществляется силами магнитного взаимодействия, создающими жесткую самостабилизирующуюся систему сверхпроводник-магнит, которая обеспечивает бесконтактное взвешивание и центрирование ротора по трем линейным и двум угловым координатам и не препятствует его вращению вокруг оси опоры. В предлагаемой бесконтактной радиально-упорной опоре применены сверхпроводники в виде сплошных пластин (дисков) вместо колец, используемых для снижения гистерезиса, как предложено в патенте США №5789837. При использовании сплошных пластин взамен колец увеличивается объем и площадь рабочей поверхности сверхпроводника, взаимодействующего с постоянными магнитами, и, соответственно, пропорционально повышаются нагрузочные и жесткостные параметры. В то же время для снижения гистерезисных явлений используются монодоменные сверхпроводники состава YBa2Cu3O7 с высоким пиннингом магнитных вихрей, который обеспечивает захват магнитного поля большой величины ≥1 Тл. Проведенные исследования показали, что величина смещения ротора опоры, вызываемая приложенной нагрузкой, зависит от силы пиннинга магнитных вихрей в структуре сверхпроводника, и чем сила пиннинга выше, тем большую нагрузку, не приводящую к гистерезису смещения, может выдержать опора. Измерения нагрузочных характеристик предложенной опоры с использованием указанных сверхпроводников с высоким пиннингом выявили зону безгистерезисного (упругого) смещения ротора как в радиальном, так и в осевом направлениях в диапазоне нагрузок до 7 Н, что не наблюдалось в известных технических решениях.
Кроме того, в предлагаемом изобретении в отличие от работ (патент США №6175175 и статья "Study on characteristics of high temperature superconducting magnetic trust bearing for 25 kWh flywheel", опубликованной в журнале Physica С 357-360) центрирование ротора осуществляется магнитным потоком, захваченным сверхпроводниками, охлажденными в градиентном магнитном поле зазора, что создает связанную воедино магнитным потоком самостабилизирующуюся систему. Это означает, что смещение ротора относительно статора в любом направлении, приводящее к изменению магнитного потока, пронизывающего сверхпроводник, вызывают возникновение противодействующей электромагнитной силы, действующей как отрицательная обратная связь и стремящейся возвратить систему в исходное состояние.
Для уменьшения магнитной компоненты момента сопротивления вращению, возникающей из-за неоднородности магнитного поля, используются кольцевые пластины из магнитомягкого материала (например, пермаллоя) толщиной ≤0,2 мм, которые устанавливаются на поверхности магнитов, обращенные в сторону зазора. Это позволяет улучшить однородность распределения магнитной индукции над поверхностью магнитов на 40%.
По сравнению с известными изобретениями предлагаемое изобретение обеспечивает устойчивое центрирование ротора по 5 степеням свободы и его свободное вращение вокруг оси при одновременном повышении нагрузочных и жесткостных характеристик и уменьшении потерь при вращении.
Claims (3)
1. Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках с центрированием ротора магнитным потоком, захваченным сверхпроводниками, и работающая при температуре жидкого азота, отличающаяся тем, что она выполнена по меньшей мере в виде двух пар коаксиально расположенных кольцевых постоянных магнитов, установленных на статоре, объединенных попарно по потоку магнитной индукции магнитопроводами, создающих рабочий магнитный зазор, и высокотемпературных сверхпроводников, закрепленных на роторе и размещенных в зазоре между постоянными магнитами.
2. Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках по п.1, отличающаяся тем, что сверхпроводники выполнены в виде сплошных пластин, установленных на роторе.
3. Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена кольцевыми пластинами из магнитомягкого материала, например пермаллоя, установленными на поверхностях постоянных магнитов, обращенных в сторону рабочего зазора.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003119570/11A RU2270940C9 (ru) | 2003-07-02 | 2003-07-02 | Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003119570/11A RU2270940C9 (ru) | 2003-07-02 | 2003-07-02 | Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003119570A RU2003119570A (ru) | 2005-01-27 |
RU2270940C2 RU2270940C2 (ru) | 2006-02-27 |
RU2270940C9 true RU2270940C9 (ru) | 2006-07-10 |
Family
ID=35138246
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003119570/11A RU2270940C9 (ru) | 2003-07-02 | 2003-07-02 | Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2270940C9 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2459190C2 (ru) * | 2007-03-08 | 2012-08-20 | Дженерал Электрик Компани | Способ тестирования роторно-статорного узла (варианты) |
RU2551864C1 (ru) * | 2014-04-04 | 2015-05-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии |
RU174146U1 (ru) * | 2016-12-01 | 2017-10-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Магнитный подшипник на высокотемпературных сверхпроводниках для кинетического накопителя энергии |
RU2659661C1 (ru) * | 2017-08-17 | 2018-07-03 | Акционерное общество "Научно-производственный центр газотурбостроения" "Салют" (АО НПЦ газотурбостроения "Салют") | Магнитная опора на высокотемпературных сверхпроводниках для горизонтальных валов |
-
2003
- 2003-07-02 RU RU2003119570/11A patent/RU2270940C9/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2459190C2 (ru) * | 2007-03-08 | 2012-08-20 | Дженерал Электрик Компани | Способ тестирования роторно-статорного узла (варианты) |
RU2551864C1 (ru) * | 2014-04-04 | 2015-05-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии |
RU174146U1 (ru) * | 2016-12-01 | 2017-10-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Магнитный подшипник на высокотемпературных сверхпроводниках для кинетического накопителя энергии |
RU2659661C1 (ru) * | 2017-08-17 | 2018-07-03 | Акционерное общество "Научно-производственный центр газотурбостроения" "Салют" (АО НПЦ газотурбостроения "Салют") | Магнитная опора на высокотемпературных сверхпроводниках для горизонтальных валов |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2270940C2 (ru) | 2006-02-27 |
RU2003119570A (ru) | 2005-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5256638A (en) | Magnetically leviated superconducting bearing | |
JP2968999B2 (ja) | 高スラスト及び高安定性の磁石−超伝導体システム | |
US4939120A (en) | Superconducting rotating assembly | |
US5330967A (en) | Superconducting bearing device stabilized by trapped flux | |
Werfel et al. | HTS magnetic bearings in prototype application | |
US4886778A (en) | Superconducting rotating assembly | |
US5196748A (en) | Laminated magnetic structure for superconducting bearings | |
WO1995020264A1 (fr) | Dispositif de sustentation magnetique | |
Deng et al. | Levitation performance of rectangular bulk superconductor arrays above applied permanent-magnet guideways | |
Xu et al. | A fully superconducting bearing system for flywheel applications | |
JPH0737812B2 (ja) | 超電導軸受装置 | |
RU2270940C9 (ru) | Бесконтактная радиально-упорная опора на высокотемпературных сверхпроводниках | |
Zheng et al. | Modeling study on high-temperature superconducting bulk’s growth anisotropy effect on magnetization and levitation properties in applied magnetic fields | |
Sotelo et al. | Tests with a hybrid bearing for a flywheel energy storage system | |
Yang et al. | Low frequency rotational loss in a high-temperature superconducting bearing and its application in micro-thrust measurement for space propulsion | |
Kurbatova | Comparative analysis of the specific characteristics of the magnetic bearings with HTS elements transactions on applied superconductivity | |
Werfel et al. | Technical progress in HTS magnetic bulk application development | |
RU2610880C1 (ru) | Комбинированный сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии | |
Nicolsky et al. | Superconducting axial bearing for induction machines with active radial magnetic bearings | |
Minamitani et al. | Design of the magnetic circuit to improve stability of the magnetic bearing using HTS | |
Davey et al. | Design and analysis of passive homopolar null flux bearings | |
Strasik et al. | Performance of a conduction-cooled high-temperature superconducting bearing | |
JP4473470B2 (ja) | 遠心分離物を受容するために設けられているロータを有する遠心分離機 | |
Komori et al. | Evaluations of a hybrid-type superconducting magnetic bearing system | |
Li et al. | Effects of magnetic flux leakage of axial electromagnetic bearing on bearing system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060703 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20071220 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080703 |