RU2540215C1

RU2540215C1 - Hybrid magnetic bearing with axial control

Info

Publication number: RU2540215C1
Application number: RU2013145049/11A
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Герасин; Геннадий Алексеевич Чуянов; Флюр Рашитович Исмагилов; Ирек Ханифович Хайруллин; Вячеслав Евгеньевич Вавилов
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-02-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: hybrid magnetic bearing with axial control contains a shaft (1), housing (2), radial magnetic support, stator and rotor of the axial electromagnetic support, safety mechanical bearings (15) and four motion sensors (6, 8, 10, 12). The radial magnetic support is designed as coaxially located with the same poles to each other of fixed ring permanent magnets (3), installed in the housing (2), and mobile ring permanent magnets (4), installed on the shaft (1). The stator is designed as four E-shaped electromagnets (5, 7, 9, 11), installed on a ring (13). The rotor is designed as ferromagnetic disk (14), installed on the shaft (1).

EFFECT: increase of controllability of the shaft position in magnetic bearings and expansion of functionalities by adding of angular distortions control.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано для обеспечения бесконтактного вращения ротора электрических машин.The invention relates to the field of power engineering and can be used to provide non-contact rotation of the rotor of electrical machines.

Известен магнитный подшипник [патент РФ №2089761 C1, F16C 32/04, 10.09.1997], содержащий вал, ротор из двух колец из постоянного магнита, намагниченный в осевом направлении, статор, включающий полюсный элемент и две кольцевые катушки. В осевом зазоре между кольцами ротора установлен кольцевой диск из немагнитного материала с высокой электропроводностью.Known magnetic bearing [RF patent No. 2089761 C1, F16C 32/04, 09/10/1997] containing a shaft, a rotor of two rings of a permanent magnet, magnetized in the axial direction, a stator including a pole element and two ring coils. In the axial clearance between the rotor rings, an annular disk of non-magnetic material with high electrical conductivity is installed.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием управления угловыми перекосами в осевом направлении.The disadvantages of this device are limited functionality due to the lack of control of angular distortions in the axial direction.

Известен упорный магнитный подшипник с подмагничиванием постоянным магнитным полем смещения (патент РФ №2138706 C1, F16C 32/04, F16C 39/06, 27.09.1999), содержащий вращающийся элемент (или вал) с ободом (или опорным участком) кольцевой формы, находящимся между парой зубцов подковообразного управляющего элемента. Постоянным магнитом создается магнитное поле, распространяющееся через нависающую консоль и порождающее силу притяжения между подмагниченными поверхностью консоли и верхней торцевой поверхностью вала. Эта смещающая сила притяжения поддерживает вал в равновесии так, что обод находится между поверхностями пары зубцов и равноудален от них. Внутри подковообразного управляющего элемента вокруг вала намотаны обмотки.Known persistent magnetic bearing magnetized by a constant magnetic displacement field (RF patent No. 2138706 C1, F16C 32/04, F16C 39/06, 09/27/1999) containing a rotating element (or shaft) with a rim (or supporting section) of an annular shape located between a pair of teeth of a horseshoe-shaped control element. A permanent magnet creates a magnetic field that propagates through the overhanging console and generates an attractive force between the magnetized surface of the console and the upper end surface of the shaft. This biasing attractive force maintains the shaft in equilibrium so that the rim is between the surfaces of the pair of teeth and is equidistant from them. Inside the horseshoe-shaped control element, windings are wound around the shaft.

Известна опора [патент РФ №2178243 C2, G05H 1/00, 10.01.2002], содержащая установленный в корпусе цилиндрический аксиально намагниченный магнит, размещенную на роторе соосно ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, и кольцевую камеру с демпфирующей жидкостью. Камера снабжена внутри радиально подвижным кольцевым элементом, подвешенным на гибких нитях и состоящим из внутреннего ферромагнитного кольца и связанного с ним наружного немагнитного кольца.Known support [RF patent No. 2178243 C2, G05H 1/00, 01/10/2002] containing a cylindrical axially magnetized magnet mounted in the housing, a coaxially ferromagnetic sleeve located on the rotor located opposite the lower end of the magnet, and an annular chamber with a damping fluid. The chamber is provided inside with a radially movable annular element suspended on flexible threads and consisting of an internal ferromagnetic ring and an external non-magnetic ring connected to it.

Известна магнитная опора компрессора [патент РФ №2251033 C2, F16C 32/04, 27.04.2005], содержащая вал, радиальный электромагнит, который располагается в части корпуса, примыкающей к корпусу компрессора, осевой электромагнит, установленный в части корпуса ближе к концу вала.Known magnetic support of the compressor [RF patent No. 2251033 C2, F16C 32/04, 04/27/2005], comprising a shaft, a radial electromagnet, which is located in a part of the housing adjacent to the compressor housing, an axial electromagnet installed in the housing part near the end of the shaft.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является подшипник системы энергонезависимого активного магнитного подвеса ротора [патент РФ №2246644 C1, F16C 32/04, 20.02.2005], содержащий вал, корпус, размещенный в корпусе статор радиальной опоры и установленный на валу соответствующий ему ротор с зубцами на цилиндрической поверхности, статор и ротор осевой электромагнитной опоры. На среднем полюсе статора радиальной опоры расположена обмотка возбуждения, а на его боковых полюсах - генераторные обмотки, соединенные последовательно-встречно и подключенные свободными выводами к входам выпрямителя напряжения, статором и ротором осевой опоры, страховочным шарикоподшипником, внешней обоймой контактирующим с корпусом упругими элементами, выполненными с возможностью перемещения вала в осевом и радиальном направлениях, комбинированным датчиком регистрации радиального и осевого положений роторов опор.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed one is the bearing of the system of non-volatile active magnetic suspension of the rotor [RF patent №2246644 C1, F16C 32/04, 02/20/2005], comprising a shaft, a housing, a stator of a radial support placed in the housing and mounted on the shaft a corresponding rotor with teeth on a cylindrical surface, a stator and a rotor of an axial electromagnetic support. An excitation winding is located at the middle pole of the stator of the radial support, and generator windings are connected at its lateral poles, connected in series and opposite and connected by free leads to the inputs of the voltage rectifier, the stator and the rotor of the axial support, a safety ball bearing, an external cage, elastic elements contacting the housing, made by with the possibility of moving the shaft in axial and radial directions, a combined sensor for recording the radial and axial positions of the rotors of the bearings.

Задача полезной модели - расширение функциональных возможностей путем введения управления угловыми перекосами.The objective of the utility model is to expand the functionality by introducing the control of angular distortions.

Техническим результатом является повышение управляемости положения вала в магнитных подшипниках.The technical result is to increase the controllability of the position of the shaft in the magnetic bearings.

Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается тем, что в гибридном магнитном подшипнике с осевым управлением, содержащем вал, корпус, радиальную магнитную опору, статор и ротор осевой электромагнитной опоры, страховочные механические подшипники, датчики перемещения, согласно изобретению статор осевой электромагнитной опоры выполнен в виде четырех Ш-образных электромагнитов, установленных на кольце, а ротор осевой электромагнитной опоры выполнен в виде ферромагнитного диска, установленного на валу, при этом радиальная магнитная опора выполнена в виде коаксиально расположенных одноименными полюсами друг относительно друга подвижных и неподвижных кольцевых постоянных магнитов.The problem is solved and the technical result is achieved by the fact that in a hybrid magnetic bearing with axial control containing a shaft, housing, radial magnetic support, stator and rotor of the axial electromagnetic support, safety mechanical bearings, displacement sensors, according to the invention, the stator of the axial electromagnetic support is made in in the form of four W-shaped electromagnets mounted on the ring, and the rotor of the axial electromagnetic support is made in the form of a ferromagnetic disk mounted on the shaft, at Ohm, the radial magnetic support is made in the form of movable and fixed ring permanent magnets coaxially arranged by the same poles relative to each other.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид гибридного магнитного подшипника с осевым управлением. На фиг.2 изображено кольцо с установленными на нем Ш-образными электромагнитами. На фиг.3 изображены угловые перемещения в гибридном магнитном подшипнике с осевым управлением.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a General view of a hybrid magnetic bearing with axial control. Figure 2 shows a ring with W-shaped electromagnets mounted on it. Figure 3 shows the angular displacement in a hybrid magnetic bearing with axial control.

Предложенное устройство содержит (фиг.1) вал 1, корпус 2, радиальную магнитную опору, выполненную в виде коаксиально расположенных одноименными полюсами друг к другу неподвижных кольцевых постоянных магнитов 3, установленных в корпусе 2, и подвижных кольцевых постоянных магнитов 4, установленных на валу 1. Статор осевой электромагнитной опоры, содержащий первый Ш-образный электромагнит 5 с первым датчиком перемещения 6, второй Ш-образный электромагнит 7 со вторым датчиком перемещения 8 (фиг.2), третий Ш-образный электромагнит 9 с третьим датчиком перемещения 10, четвертый Ш-образный электромагнит 11 с четвертым датчиком перемещения 12, установленные на кольце 13, запрессованном в корпус 2, ротор осевой электромагнитной опоры, выполненный в виде ферромагнитного диска 14, установленного на валу 1, страховочные механические подшипники 15, установленные также на валу 1.The proposed device comprises (Fig. 1) a shaft 1, a housing 2, a radial magnetic support made in the form of fixed annular permanent magnets 3 installed in the housing 2 coaxially located by the same poles to each other and movable annular permanent magnets 4 mounted on the shaft 1 A stator of an axial electromagnetic support, comprising a first W-shaped electromagnet 5 with a first displacement sensor 6, a second W-shaped electromagnet 7 with a second displacement sensor 8 (FIG. 2), a third W-shaped electromagnet 9 with a third sensor m displacement 10, the fourth Ш-shaped electromagnet 11 with the fourth displacement sensor 12, mounted on a ring 13, pressed into the housing 2, the rotor of the axial electromagnetic support, made in the form of a ferromagnetic disk 14, mounted on the shaft 1, safety mechanical bearings 15, also installed on shaft 1.

Гибридный магнитный подшипник с осевым управлением работает следующим образом: между неподвижными кольцевыми постоянными магнитами 3 и подвижными кольцевыми постоянными магнитами 4 радиальной магнитной опоры возникают силы отталкивания, которые обеспечивают бесконтактное вращение вала 1. При осевом смещении вала 1 под действием осевой составляющей силы отталкивания кольцевых постоянных магнитов 3, 4 возникают угловые перекосы вала 1 и расположенного на нем ротора осевой электромагнитной опоры, выполненного в виде ферромагнитного диска 14 (фиг.3). При этом первым 6, вторым 8, третьим 10, четвертым 12 датчиком перемещения определяется наибольший угол перекоса, после чего происходит ослабление электромагнитных сил, путем автоматического понижения управляющего тока или напряжения, на одном из Ш-образных электромагнитов 5, 7, 9, 11 соответствующего максимальному углу перекоса. При этом автоматически усиливается управляющий ток или напряжение, на одном из Ш-образных электромагнитов 5, 7, 9, 11, который расположен противоположно Ill-образному электромагниту 5, 7, 9, 11, соответствующему максимальному углу перекоса.The axial-controlled hybrid magnetic bearing works as follows: between the stationary ring permanent magnets 3 and the movable ring permanent magnets 4 of the radial magnetic support, repulsive forces arise that provide non-contact rotation of the shaft 1. When the shaft 1 is axially displaced by the axial component of the repulsive force of the ring permanent magnets 3, 4 there are angular distortions of the shaft 1 and the rotor of the axial electromagnetic support located on it, made in the form of a ferromagnetic disk and 14 (figure 3). In this case, the first 6, second 8, third 10, fourth 12 displacement sensors determine the greatest skew angle, after which the electromagnetic forces are weakened by automatically lowering the control current or voltage, on one of the W-shaped electromagnets 5, 7, 9, 11 of the corresponding maximum skew angle. In this case, the control current or voltage is automatically amplified on one of the W-shaped electromagnets 5, 7, 9, 11, which is located opposite the Ill-shaped electromagnet 5, 7, 9, 11, corresponding to the maximum skew angle.

Таким образом, повышается управляемость положением вала в магнитных подшипниках.Thus, the controllability of the position of the shaft in the magnetic bearings is increased.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности гибридного магнитного подшипника с осевым управлением путем введения управления угловыми перекосами.So, the claimed invention allows to expand the functionality of a hybrid magnetic bearing with axial control by introducing control of angular distortions.

Claims

An axially controlled hybrid magnetic bearing comprising a shaft, a housing, a radial magnetic support, a stator and a rotor of an axial electromagnetic support, safety mechanical bearings, displacement sensors, characterized in that the stator of the axial electromagnetic support is made in the form of four W-shaped electromagnets mounted on a ring and the rotor of the axial electromagnetic support is made in the form of a ferromagnetic disk mounted on the shaft, while the radial magnetic support is made in the form of coaxially arranged with the same name poles relative to each other of movable and fixed annular permanent magnets.