RU2812255C1

RU2812255C1 - Magnetic bearing

Info

Publication number: RU2812255C1
Application number: RU2022121131A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Амосков; Дарья Николаевна Арсланова; Александр Вячеславович Белов; Вячеслав Николаевич Васильев; Владимир Петрович Кухтин; Марина Викторовна Капаркова; Евгений Анатольевич Ламзин; Михаил Сергеевич Ларионов; Андрей Николаевич Неженцев; Игорь Юрьевич Родин; Сергей Евгеньевич Сычевский; Алексей Анатольевич Фирсов; Николай Александрович Шатиль
Original assignee: Акционерное Общество "Нииэфа Им. Д.В. Ефремова"
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2024-01-26

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to magnetic bearings. The magnetic bearing includes a magnetic circuit, four pairs of magnetic poles, two pairs of permanent magnets, two pairs of current coils. The magnetic circuit is made with the possibility of covering the shaft. The magnetic poles are directed from the magnetic circuit to the location of the shaft. Permanent magnets are placed in two pairs of magnetic poles, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by magnetic poles without permanent magnets. Two pairs of current coils are located near two pairs of magnetic poles, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by magnetic poles without current coils. One pair of current coils, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by current coils of another pair, is made with the possibility of passing unidirectional currents.

EFFECT: increase in the rigidity of the bearing is achieved.

15 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к подшипникам, в частности, к магнитным подшипникам.The invention relates to bearings, in particular to magnetic bearings.

Уровень техникиState of the art

Из патента RU124339 известен магнитный подшипник, содержащий кольцеобразный постоянный магнит, установленный на валу, и кольцеобразный постоянный магнит, установленный в корпусе подшипника. Магниты сориентированы так, что отталкиваются друг от друга, обеспечивая тем самым подвешивание вала относительно корпуса подшипника.From patent RU124339 there is known a magnetic bearing containing a ring-shaped permanent magnet mounted on a shaft and a ring-shaped permanent magnet installed in the bearing housing. The magnets are oriented so that they repel each other, thereby providing suspension of the shaft relative to the bearing housing.

Недостатком такой конструкции магнитного подшипника является то, что он является пассивным, что может приводить к продолжительным колебаниям вала относительно корпуса подшипника при импульсном механическом воздействии на вал, приводящем к его отклонению от заданного расположения.The disadvantage of this design of a magnetic bearing is that it is passive, which can lead to prolonged vibrations of the shaft relative to the bearing housing under a pulsed mechanical effect on the shaft, leading to its deviation from a given location.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

Задачей изобретения является обеспечение быстрому гашению колебаний вала при импульсных механических воздействиях на вал, приводящих к его отклонению от заданного расположения.The objective of the invention is to provide rapid damping of shaft vibrations during pulsed mechanical impacts on the shaft, leading to its deviation from a given location.

Задача настоящего изобретения решается с помощью магнитного подшипника, включающего в себя магнитопровод, выполненный с возможностью охвата вала; по меньшей мере, четыре пары магнитных полюсов, направленных от магнитопровода к месту нахождения вала; по меньшей мере, две пары постоянных магнитов, размещенных в/около двух парах магнитных полюсов, отделенных друг от друга по контуру магнитопровода магнитными полюсами без постоянных магнитов; по меньшей мере, две пары токовых катушек, размещенных около двух пар магнитных полюсов, отделенных друг от друга по контуру магнитопровода магнитными полюсами без токовых катушек. По меньшей мере, одна пара токовых катушек, отделенных друг от друга по контуру магнитопровода токовыми катушками другой пары, выполнены с возможностью пропускания однонаправленных токов.The object of the present invention is achieved by using a magnetic bearing, including a magnetic circuit configured to surround a shaft; at least four pairs of magnetic poles directed from the magnetic core to the location of the shaft; at least two pairs of permanent magnets located in/near two pairs of magnetic poles, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by magnetic poles without permanent magnets; at least two pairs of current coils located near two pairs of magnetic poles, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by magnetic poles without current coils. At least one pair of current coils, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by the current coils of the other pair, are configured to pass unidirectional currents.

Магнитопровод может быть кольцеобразным или цилиндрическим и/или собранным из нескольких элементов. В предпочтительном варианте магнитопровод может быть снабжен восемью полюсами. Полюса по меньшей мере одной пары полюсов предпочтительно могут быть расположены друг относительно друга под углом от 150° до 210° или от 165° до 195° или от 175° до 185° или 180° относительно места нахождения оси вала. Полюса по меньшей мере двух пар полюсов предпочтительно могут быть расположены друг относительно друга под углом от 60° до 120° или от 75° до 105° или от 85° до 95° или 90° относительно места нахождения оси вала.The magnetic core can be ring-shaped or cylindrical and/or assembled from several elements. In a preferred embodiment, the magnetic circuit may be provided with eight poles. The poles of at least one pair of poles may preferably be located relative to each other at an angle of 150° to 210° or 165° to 195° or 175° to 185° or 180° relative to the location of the shaft axis. The poles of at least two pairs of poles can preferably be located relative to each other at an angle of 60° to 120° or 75° to 105° or 85° to 95° or 90° relative to the location of the shaft axis.

В преимущественном варианте по меньшей мере, одна пара токовых катушек может быть размещена около пары магнитных полюсов, в/около которых размещены постоянные магниты. В другом варианте по меньшей мере, одна пара токовых катушек может быть размещена около пары магнитных полюсов, являющихся соседними для магнитных полюсов, в/около которых размещены постоянные магниты. Постоянные магниты могут представлять собой V-образные магниты.In an advantageous embodiment, at least one pair of current coils can be placed near a pair of magnetic poles, in/around which permanent magnets are located. In another embodiment, at least one pair of current coils can be located near a pair of magnetic poles that are adjacent to the magnetic poles in/about which permanent magnets are located. The permanent magnets may be V-shaped magnets.

В предпочтительном варианте, по меньшей мере одна пара токовых катушек, отделенных друг от друга по контуру магнитопровода токовыми катушками другой пары, могут иметь параллельное электрическое соединение. Такое параллельное электрическое соединение может быть выполнено с использованием цепей, корректирующих ток, протекающий через одну или обе токовые катушки.In a preferred embodiment, at least one pair of current coils, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by the current coils of the other pair, may have a parallel electrical connection. This parallel electrical connection can be made using circuits that correct the current flowing through one or both current coils.

В другом варианте, по меньшей мере одна пара токовых катушек, отделенных друг от друга по контуру магнитопровода токовыми катушками другой пары, могут быть снабжены выводами, установленными с возможностью получения однонаправленных токов. В таком случае по меньшей мере одна токовая катушка может быть соединена с выводами с помощью цепей, корректирующих ток, протекающий через токовую катушку.In another embodiment, at least one pair of current coils, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by the current coils of another pair, can be equipped with terminals installed with the possibility of obtaining unidirectional currents. In such a case, at least one current coil may be connected to the terminals using circuits that correct the current flowing through the current coil.

Магнитный подшипник в предпочтительном варианте дополнительно содержит, по меньшей мере, один датчик отклонения вала от заданного положения. По меньшей мере, один такой датчик может быть установлен с возможностью определения отклонения вала в сторону токовой катушки, входящей в пару токовых катушек, отделенных друг от друга по контуру магнитопровода токовыми катушками другой пары и выполненных с возможностью пропускания однонаправленных токов. Магнитный подшипник в некоторых варианта может дополнительно содержать цепь корректировки положения вала, выполненную с возможностью получения сигнала, по меньшей мере, от одного датчика отклонения вала от заданного положения и формирования токов, подаваемых, по меньшей мере, на одну пару токовых катушек, отделенных друг от друга по контуру магнитопровода токовыми катушками другой пары и выполненных с возможностью пропускания однонаправленных токов.The magnetic bearing in the preferred embodiment additionally contains at least one sensor for deviation of the shaft from a given position. At least one such sensor can be installed with the ability to determine the deviation of the shaft towards the current coil included in a pair of current coils, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by the current coils of the other pair and configured to pass unidirectional currents. The magnetic bearing in some embodiments may further comprise a shaft position adjustment circuit configured to receive a signal from at least one shaft deviation sensor from a given position and generate currents supplied to at least one pair of current coils separated from each other. each other along the contour of the magnetic circuit with current coils of another pair and designed to pass unidirectional currents.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение жесткости подшипника при минимуме энергозатрат. Технический результат достигается за счет того, что в состав подшипника введены токовые катушки, позволяющие активно компенсировать и уменьшать отклонения вала от заданного положения при любых механических воздействиях на вал, а расположение постоянных магнитов и токовых катушек обеспечивает практически нулевое энергопотребление при отсутствии механических воздействий на вал.The technical result of the present invention is to increase bearing rigidity with minimal energy consumption. The technical result is achieved due to the fact that current coils are introduced into the bearing, which make it possible to actively compensate and reduce deviations of the shaft from a given position under any mechanical influences on the shaft, and the arrangement of permanent magnets and current coils ensures practically zero energy consumption in the absence of mechanical influences on the shaft.

Предложенная конструкция также упрощает управление токовыми катушками подшипника, необходимое для активной компенсации отклонений вала от заданного положения, что упрощает конструкцию и снижает требования к цепям (элементам, устройствам) управления токовыми катушками подшипника. Такое упрощение достигается за счет того, что токовые катушки располагаются парами, компенсирующие тока на которые подаются однонаправленно (синфазно).The proposed design also simplifies the control of bearing current coils, which is necessary for active compensation of shaft deviations from a given position, which simplifies the design and reduces the requirements for circuits (elements, devices) for controlling bearing current coils. This simplification is achieved due to the fact that the current coils are arranged in pairs, the compensating currents to which are supplied unidirectionally (in phase).

Также обеспечивается высокая линейность зависимости силы воздействия токовыми катушками на вал как от величины смещения вала, так и амплитуды тока в катушках. Выбором соответствующего алгоритма управления током катушек можно обеспечить подвешивание вала при практически нулевом энергопотреблении.It also ensures a high linearity of the dependence of the force of action of the current coils on the shaft on both the magnitude of the shaft displacement and the amplitude of the current in the coils. By choosing the appropriate algorithm for controlling the coil current, it is possible to ensure shaft suspension with virtually zero power consumption.

Краткое описание чертежаBrief description of the drawing

На чертеже представлен магнитный подшипник в соответствии с изобретением в поперечном сечении.The drawing shows a magnetic bearing in accordance with the invention in cross section.

На ней обозначены:It is marked:

1 - корпус-магнитопровод;1 - housing-magnetic core;

2 - постоянный магнит;2 - permanent magnet;

3 -токовая катушка;3 - current coil;

4 - вращающийся вал.4 - rotating shaft.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Далее изобретение описано по отношению к фигуре, на которой представлен предпочтительный вариант осуществления изобретения. Описываемый предпочтительный вариант, показанный на фигуре, не является ограничивающим объем охраны изобретения и предназначен лишь для пояснения его сущности. Описание дано в отношении устройства, показанного на фигуре, а также других возможных вариантов его осуществления, которые не исчерпываются представленными на фигуре и в описании. Объем охраны изобретения определяется последующей формулой изобретения. При необходимости в формуле изобретения могут быть приведены признаки из описания с целью более точного определения объема охраны.The invention will now be described with reference to the drawing, which shows a preferred embodiment of the invention. The described preferred embodiment shown in the figure does not limit the scope of protection of the invention and is intended only to clarify its essence. The description is given in relation to the device shown in the figure, as well as other possible embodiments thereof, which are not limited to those presented in the figure and in the description. The scope of protection of an invention is determined by the following claims. If necessary, the claims may contain features from the description in order to more accurately determine the scope of protection.

Описание изобретения дано для магнитного подшипника в ориентации, показанной на фигуре, в соответствии с которой вал проходит перпендикулярно изображению (от наблюдателя), магнитопровод имеет кольцеобразную форму, расположенную в плоскости фигуры, а пары полюсов с постоянными магнитами и токовыми катушками расположены горизонтально и вертикально. Однако такое расположение не ограничивает объем охраны изобретения и дано лишь в целях упрощения пояснения. В общем случае, определяемом формулой изобретения, ориентация магнитного подшипника не является однозначно заданной и может меняться. В соответствии с изменением ориентации магнитного подшипника изменяется и расположение его частей и вала в пространстве.The description of the invention is given for a magnetic bearing in the orientation shown in the figure, according to which the shaft runs perpendicular to the image (from the observer), the magnetic circuit has a ring-shaped shape located in the plane of the figure, and pairs of poles with permanent magnets and current coils are located horizontally and vertically. However, this arrangement does not limit the scope of protection of the invention and is given only for the purpose of simplifying explanation. In the general case, as defined by the claims, the orientation of the magnetic bearing is not uniquely specified and can change. In accordance with the change in the orientation of the magnetic bearing, the location of its parts and the shaft in space also changes.

На чертеже показан магнитный подшипник в соответствии с изобретением, который также может называться магнитный подшипник с низким энергопотреблением на основе гибридных магнитов или активный магнитный подшипник. Предполагаемая область применения такого подшипника - подвесы валов двигателей, компрессоров, турбин и т.п., когда условия эксплуатации не позволяют применять обычные подшипники (повышенные нагрузки и скорости вращения, работа в условиях искусственного вакуума или низких температур, когда невозможно применение смазки и др.).The drawing shows a magnetic bearing according to the invention, which may also be called a low-energy hybrid magnetic bearing or an active magnetic bearing. The intended area of application of such a bearing is suspension of shafts of engines, compressors, turbines, etc., when operating conditions do not allow the use of conventional bearings (increased loads and rotation speeds, operation in conditions of artificial vacuum or low temperatures, when the use of lubricants is impossible, etc. ).

Такой магнитный подшипник состоит из магнитопровода 1, внутри которого может размещаться вал 4 с возможностью вращения вала относительно магнитопровода. Таким образом, магнитопровод 1 охватывает вал 4, то есть располагается вокруг него по всему или большей части контура (периметра).Such a magnetic bearing consists of a magnetic core 1, inside of which a shaft 4 can be placed with the possibility of rotating the shaft relative to the magnetic core. Thus, the magnetic circuit 1 covers the shaft 4, that is, it is located around it along the entire or most of the circuit (perimeter).

Магнитопровод, охватывающий вал, может иметь кольцеобразную или цилиндрическую форму или любую другу форму как снаружи, так и внутри при условии обеспечения возможности вращения вала между полюсами магнитопровода. Магнитопровод выполнен с использованием магнитопроводящего материала, например, ферромагнетика.The magnetic core enclosing the shaft may have a ring-shaped or cylindrical shape or any other shape, both outside and inside, provided that the shaft can rotate between the poles of the magnetic core. The magnetic core is made using a magnetically conductive material, for example, a ferromagnet.

Магнитопровод может быть цельным, в таком случае он может быть литым или вырезанным/отфрезерованным из одного куска металла. В другом варианте магнитопровод может быть собранным из нескольких элементов. Соединение элементов может осуществляться любыми известными из уровня техники способами, включая механические (например, резьбовое соединение), термическими (например, сварка или пайка), химическим (например, приклеивание) и любыми другими.The magnetic core can be solid, in which case it can be cast or cut/milled from one piece of metal. In another embodiment, the magnetic circuit can be assembled from several elements. The connection of elements can be carried out by any methods known from the prior art, including mechanical (for example, a threaded connection), thermal (for example, welding or soldering), chemical (for example, gluing) and any others.

Вал является продолговатым элементом, преимущественно имеющим цилиндрическую или кольцеобразную форму. Например, это может быть стержень, трубка, кольцо и т.п. Вал выполнен с использованием магнитопроводящего материала, например, ферромагнетика. В магнитном подшипнике в соответствии с настоящим изобретением используется поперечный магнитный поток, который замыкается через вал и проходит в нем по кругу вокруг оси вращения от одного полюса подшипника до другого.The shaft is an oblong element, preferably cylindrical or ring-shaped. For example, it could be a rod, tube, ring, etc. The shaft is made using a magnetically conductive material, for example, a ferromagnet. The magnetic bearing in accordance with the present invention uses a transverse magnetic flux, which is closed through the shaft and passes in a circle around the axis of rotation from one pole of the bearing to the other.

В соответствии с фигурой, внутренний размер магнитопровода 1, например, его внутренний диаметр, больше внешнего размера, например внешнего диаметра, вала 4. Для того, чтобы магнитное поле, используемое для подвешивания вала, формировалось в непосредственной близости от вала, магнитопровод имеет магнитные полюса, которые начинаются от внутренней стенки магнитопровода 1 и заканчиваются около вала 4 на некотором расстоянии от него для того, чтобы вал мог свободно вращаться, не задевая магнитные полюса.According to the figure, the internal dimension of the magnetic core 1, such as its internal diameter, is larger than the external dimension, such as the external diameter, of the shaft 4. In order for the magnetic field used to suspend the shaft to be formed in close proximity to the shaft, the magnetic circuit has magnetic poles , which start from the inner wall of the magnetic circuit 1 and end near the shaft 4 at some distance from it so that the shaft can rotate freely without touching the magnetic poles.

У магнитопровода 1 на фигуре предусмотрено четыре пары магнитных полюсов (всего восемь), направленных от магнитопровода 1 к месту нахождения вала 4. В некоторых других вариантах может быть и больше пар полюсов. Под полюсом понимается элемент подшипника, выполненный с использованием магнитопроводящего материала, например, ферромагнетика, и входящий в состав магнитопровода или присоединяемый к магнитопроводу. Полюс предназначен для того, чтобы принимать или выпускать магнитное поле в/из магнитпровода, обычно в концентрированной форме - то есть, линии магнитного поля при подходе к магнитному полюсу сближаются и их плотность увеличивается, а сила магнитного поля у магнитного полюса и в нем обычно существенно выше, чем в магнитопроповоде или вне магнитопровода и магнитного полюса. Магнитное поле обычно входит или выходит из магнитного полюса под прямым углом.The magnetic circuit 1 in the figure has four pairs of magnetic poles (eight in total) directed from the magnetic circuit 1 to the location of the shaft 4. In some other options there may be more pairs of poles. A pole is understood as a bearing element made using a magnetically conductive material, for example, a ferromagnet, and is part of a magnetic circuit or is connected to a magnetic circuit. The pole is designed to receive or release a magnetic field into or out of the magnetic core, usually in a concentrated form - that is, the magnetic field lines approaching the magnetic pole come closer and their density increases, and the strength of the magnetic field at and in the magnetic pole is usually significantly higher than in the magnetic core or outside the magnetic core and magnetic pole. The magnetic field usually enters or exits the magnetic pole at right angles.

Под парой плюсов понимаются такие два полюса, которые расположены преимущественно друг напротив друга и вал располагается между ними. Для этого полюса, входящие в пару полюсов, могут быть расположены друг относительно друга под углом от 150° до 210°, то есть под углом 180°±30° относительно места нахождения оси вала. На фигуре ось вала находится в месте пересечения штрихпунктирных линий. Расположение полюсов может определятся по точкам, одинаковым для полюсов - например, расположенным в их плоскостях симметрии, или центральным точкам или угловым точкам. В предпочтительном варианте противоположные полюса, входящие в пару полюсов, могут быть расположены друг относительно друга под углом от 165° до 195°, то есть под углом 180°±15° относительно места нахождения оси вала, или точнее, под углом от 175° до 185°, то есть под углом 180°±5° относительно места нахождения оси вала, или точно под углом 180° относительно места нахождения оси вала.By a pair of pluses we mean two poles that are located predominantly opposite each other and the shaft is located between them. For this purpose, the poles included in a pair of poles can be located relative to each other at an angle from 150° to 210°, that is, at an angle of 180°±30° relative to the location of the shaft axis. In the figure, the shaft axis is located at the intersection of the dash-dot lines. The location of the poles can be determined by points that are the same for the poles - for example, located in their planes of symmetry, or by central points or corner points. In a preferred embodiment, the opposite poles included in a pair of poles can be located relative to each other at an angle of from 165° to 195°, that is, at an angle of 180° ± 15° relative to the location of the shaft axis, or more precisely, at an angle from 175° to 185°, that is, at an angle of 180°±5° relative to the location of the shaft axis, or exactly at an angle of 180° relative to the location of the shaft axis.

В некоторых вариантах осуществления изобретения магнитные полюса, входящие в пары полюсов, могут располагаться под углами за пределами указанных (т.е. больше или меньше, чем указаны выше). При этом достижение технического результата настоящего изобретения по-прежнему возможно, однако для устойчивого удержания вала и надежной компенсации его отклонений могут потребоваться дополнительные расчеты и подбор компоновки магнитопровода, магнитных полюсов, постоянных магнитов и токовых катушек, а формирование компенсирующих токов для токовых катушек может потребовать дополнительных обрабатывающих цепей или усложненных алгоритмов/программ.In some embodiments of the invention, the magnetic poles included in the pole pairs may be located at angles outside of those specified (ie, greater or less than those specified above). At the same time, achieving the technical result of the present invention is still possible, however, for stable retention of the shaft and reliable compensation for its deviations, additional calculations and selection of the layout of the magnetic core, magnetic poles, permanent magnets and current coils may be required, and the formation of compensating currents for current coils may require additional processing circuits or sophisticated algorithms/programs.

Пары магнитных полюсов, расположенные друг напротив друга, имеют разную структуру и функции в зависимости от взаимного расположения. В частности, соседние пары магнитных полюсов отличаются друг от друга как по структуре, так и по функции, а пары магнитных полюсов, расположенные через один соседний полюс, имеют одинаковую структуру и могут иметь как одинаковые, так и отличающиеся функции. Рассмотрим на примерах.Pairs of magnetic poles located opposite each other have different structures and functions depending on their relative positions. In particular, adjacent pairs of magnetic poles differ from each other in both structure and function, and pairs of magnetic poles located across one adjacent pole have the same structure and can have both the same and different functions. Let's look at examples.

В частности, на фигуре магнитопровод 1 имеет две пары (т.е. всего четыре) составных полюсов, которые включают в себя постоянные магниты 2 и которые охвачены токовыми катушками 3, и две пары (т.е. всего четыре) простых полюсов. Простые полюса расположены между составными полюсами при обходе магнитопровода по его контуру (другими словами, вдоль внутренней линии сечения магнитопровода с переходами от одного полюса к другому) или, что аналогично, вокруг вала - на фигуре это будет по часовой стрелке или против часовой стрелки.In particular, in the figure, the magnetic circuit 1 has two pairs (i.e., four in total) of compound poles, which include permanent magnets 2 and which are covered by current coils 3, and two pairs (i.e., four in total) of simple poles. Simple poles are located between the composite poles when going around the magnetic circuit along its contour (in other words, along the internal cross-sectional line of the magnetic circuit with transitions from one pole to another) or, similarly, around the shaft - in the figure this will be clockwise or counterclockwise.

Составные полюса с постоянными магнитами и токовыми катушками выполняют одинаковую функцию подвешивания вращающегося вала и отличающиеся функции компенсации отклонений вала: горизонтально расположенная пара полюсов компенсирует с помощью токовых катушек отклонение вала налево или направо, а вертикально расположенная пара полюсов компенсирует с помощью своих токовых катушек отклонение вала вверх или вниз.Composite poles with permanent magnets and current coils perform the same function of suspending the rotating shaft and have different functions of compensating for shaft deviations: a horizontally located pair of poles compensates for shaft deviation to the left or right with the help of current coils, and a vertically located pair of poles compensates for upward shaft deviation with the help of their current coils or down.

Простые полюса подшипника, показанного на фигуре, не обладающие ни постоянным магнитами, ни токовыми катушками, являются замыкающими полюсами - через них магнитный поток, исходящий из составных полюсов и проходящий в валу вдоль его контура (в плоскости, перпендикулярной к его оси), заходит обратно в магнитопровод, в результате чего магнитный контур замыкается.The simple poles of the bearing shown in the figure, having neither permanent magnets nor current coils, are closing poles - through them the magnetic flux emanating from the compound poles and passing in the shaft along its contour (in a plane perpendicular to its axis) returns into the magnetic circuit, as a result of which the magnetic circuit is closed.

В магнитном подшипнике также возможно другое расположение постоянных магнитов и токовых катушек: постоянные магниты могут располагаться на/в одних парах полюсов, а токовые катушки на других парах полюсов. Тогда пары полюсов с постоянными магнитами будут чередоваться с парами полюсов с токовыми катушками при обходе магнитопровода вокруг вала или по контуру магнитопровода. В таком варианте каждый полюс будет иметь либо постоянные магниты, и тогда его функцией будет подвешивание вала, либо токовую катушку, и тогда его функцией будет компенсация отклонений вала.In a magnetic bearing, a different arrangement of permanent magnets and current coils is also possible: permanent magnets can be located on/in some pairs of poles, and current coils on other pairs of poles. Then pairs of poles with permanent magnets will alternate with pairs of poles with current coils as the magnetic circuit moves around the shaft or along the contour of the magnetic circuit. In this embodiment, each pole will have either permanent magnets, in which case its function will be to suspend the shaft, or a current coil, in which case its function will be to compensate for shaft deviations.

Полюса по меньшей мере двух пар полюсов, то есть соседние полюса при обходе магнитопровода по его контуру или по контуру вала, предпочтительно расположены друг относительно друга под углом от 60° до 120°, то есть под углом 90°±30° относительно места нахождения оси вала. В предпочтительном варианте соседние полюса расположены друг относительно друга под углом от 75° до 105°, то есть под углом 90°±15° относительно места нахождения оси вала, или точнее, под углом от 85° до 95°, то есть под углом 90°±5° относительно места нахождения оси вала, или точно под углом 90° относительно места нахождения оси вала.The poles of at least two pairs of poles, that is, adjacent poles when going around the magnetic circuit along its contour or along the contour of the shaft, are preferably located relative to each other at an angle of 60° to 120°, that is, at an angle of 90°±30° relative to the location of the axis shaft In a preferred embodiment, adjacent poles are located relative to each other at an angle of from 75° to 105°, that is, at an angle of 90°±15° relative to the location of the shaft axis, or more precisely, at an angle from 85° to 95°, that is, at an angle of 90 °±5° relative to the location of the shaft axis, or exactly at an angle of 90° relative to the location of the shaft axis.

В некоторых вариантах осуществления изобретения соседние магнитные полюса (при обходе магнитопровода по его контуру или по контуру вала), могут располагаться под углами за пределами указанных (т.е. больше или меньше, чем указаны выше). При этом достижение технического результата настоящего изобретения по-прежнему возможно, однако для устойчивого удержания вала и надежной компенсации его отклонений могут потребоваться дополнительные расчеты и подбор компоновки магнитопровода, магнитных полюсов, постоянных магнитов и токовых катушек, а формирование компенсирующих токов для токовых катушек может потребовать дополнительных обрабатывающих цепей или усложненных алгоритмов/программ.In some embodiments of the invention, adjacent magnetic poles (when going around the magnetic circuit along its contour or along the contour of the shaft) may be located at angles beyond those specified (i.e., more or less than those indicated above). At the same time, achieving the technical result of the present invention is still possible, however, for stable retention of the shaft and reliable compensation for its deviations, additional calculations and selection of the layout of the magnetic core, magnetic poles, permanent magnets and current coils may be required, and the formation of compensating currents for current coils may require additional processing circuits or sophisticated algorithms/programs.

Постоянные магниты, используемые в полюсах для подвеса вала, могут являться одинарными (в виде кубов, призм, цилиндров и т.п.) или составными, как показано на фигуре. Это значит, что те полюса магнитопровода, которые должны иметь постоянные магниты, могут быть снабжены по одному или несколько постоянных магнитов. В частности, как видно из фигуры, магнитный подшипник может содержать две или более пары постоянных V-образных магнитов. Постоянные магниты могут быть изготовлены с использованием любых магнитных материалов, известных из уровня техники, в том числе неодимовые магниты и т.п.Permanent magnets used in poles to suspend the shaft can be single (in the form of cubes, prisms, cylinders, etc.) or composite, as shown in the figure. This means that those poles of the magnetic circuit that must have permanent magnets can be equipped with one or more permanent magnets. In particular, as can be seen from the figure, the magnetic bearing may comprise two or more pairs of permanent V-shaped magnets. Permanent magnets can be made using any magnetic materials known in the art, including neodymium magnets and the like.

Сборный магнитный полюс подшипника, показанного на фигуре, содержит среднюю клиновидную часть и клиновидные выступы, а между выступами и средней частью размещены постоянные магниты 2. Постоянные магниты 2 вместе с клиновидными выступами и средней частью формируют составной магнитный полюс магнитопровода, отходящий от кольцеобразной (или цилиндрической) части 1 магнитопровода к валу 4. Постоянные магниты 2 в каждом полюсе установлены по намагниченности встречно с обеих сторон средней части полюса под углом от 1° до 45° к среднему полюсу (соответственно, от 2° до 90° относительно друг друга) и формируют, тем самым, V-образный магнит. Такое взаимное расположение постоянных магнитов 2 с клиновидными выступами и средней клиновидной части обеспечивает максимальную концентрацию магнитного потока, генерируемого постоянными магнитами 2, в полюсах магнитопровода и, как следствие, в зазоре между полюсами и валом 4. Это позволяет увеличить эффективность (удельную силу) магнита, то есть создать более высокий уровень магнитного поля в воздушном зазоре при меньших размерах и весе по сравнению с прототипом.The assembled magnetic pole of the bearing shown in the figure contains a middle wedge-shaped part and wedge-shaped protrusions, and permanent magnets 2 are placed between the protrusions and the middle part. The permanent magnets 2, together with the wedge-shaped protrusions and the middle part, form a composite magnetic pole of the magnetic circuit extending from the ring-shaped (or cylindrical ) part 1 of the magnetic circuit to the shaft 4. Permanent magnets 2 in each pole are installed counter magnetization on both sides of the middle part of the pole at an angle from 1° to 45° to the middle pole (respectively, from 2° to 90° relative to each other) and form , thus a V-shaped magnet. This mutual arrangement of permanent magnets 2 with wedge-shaped protrusions and the middle wedge-shaped part ensures maximum concentration of the magnetic flux generated by permanent magnets 2 in the poles of the magnetic circuit and, as a consequence, in the gap between the poles and the shaft 4. This allows you to increase the efficiency (specific force) of the magnet, that is, to create a higher level of magnetic field in the air gap with smaller size and weight compared to the prototype.

Постоянные магниты 2 предпочтительно имеют одинаковые размеры, одинаково отклонены от средней части полюса, т.е. создают преимущественно одинаковые магнитные поля. Однако векторы намагниченностей у этих магнитов ориентированы встречно, что отражено в том, что постоянные магниты на фигуре имеют разные оттенки цвета.The permanent magnets 2 preferably have the same dimensions and are equally deflected from the middle part of the pole, i.e. create predominantly identical magnetic fields. However, the magnetization vectors of these magnets are oriented in opposite directions, which is reflected in the fact that the permanent magnets in the figure have different shades of color.

Величина магнитного момента постоянных магнитов (произведение удельной намагниченности на объем магнита) определяет усилие, создаваемое магнитом, при желаемой величине воздушного зазора. В общем случае вектор магнитного момента есть сумма трех компонент , где ось X направлена в направлении оси вала (перпендикулярно к плоскости фигуры), ось Y - по касательной к поверхности вала около составного полюса и ось Z - в направлении от полюса к валу. Компонента в направлении движения в предпочтительном варианте отсутствует. Встречная установка постоянных магнитов 2 означает, что касательные к поверхности вала около составного полюса компоненты их векторов магнитного момента противоположно направлены.Magnetic moment value permanent magnets (the product of the specific magnetization and the volume of the magnet) determines the force created by the magnet at the desired air gap. In general, the magnetic moment vector is the sum of three components , where the X axis is directed in the direction of the shaft axis (perpendicular to the plane of the figure), the Y axis is tangential to the surface of the shaft near the compound pole, and the Z axis is in the direction from the pole to the shaft. Component in the direction of travel preferably absent. The opposite installation of permanent magnets 2 means that the components of their magnetic moment vectors tangent to the surface of the shaft near the composite pole are oppositely directed.

Благодаря тому, что магниты 2 находятся в наклонном (не параллельном и не перпендикулярном) положении друг относительно друга, их концы, расположенные ближе к кольцевой части 1 магнитопровода, сходятся, а концы, расположенные ближе к валу 4, отклонены от средней клиновидной части полюса (т.е. от направления от полюса к валу, показанному на фигуре штрихпунктиром) на углы от 1° до 45°.Due to the fact that the magnets 2 are in an inclined (not parallel or perpendicular) position relative to each other, their ends located closer to the annular part 1 of the magnetic circuit converge, and the ends located closer to the shaft 4 are deviated from the middle wedge-shaped part of the pole ( i.e. from the direction from the pole to the shaft, shown in the figure with a dashed line) at angles from 1° to 45°.

Средняя клиновидная часть полюса, размещенная между магнитами 2, имеет форму, по крайней мере, частично, треугольной призмы. Та часть средней части, которая обращена к валу, преимущественно является вогнутой и повторяет форму вала, напротив которого она находится, с обеспечением достаточного зазора между средней частью полюса и валом. Такое взаимное расположение постоянных магнитов и других элементов составного полюса обеспечивает эффективный сбор магнитного потока от постоянных магнитов в средней клиновидной части полюса и, как следствие, - в воздушном зазоре с валом, что позволяет повысить эффективность (удельную силу) магнитов, то есть создать более сильное магнитное поле в воздушном зазоре при уменьшенных размерах и весе магнитов и магнитного подшипника в целом.The middle wedge-shaped part of the pole, placed between the magnets 2, has the shape, at least in part, of a triangular prism. That part of the middle part which faces the shaft is preferably concave and follows the shape of the shaft against which it is located, providing sufficient clearance between the middle part of the pole and the shaft. This mutual arrangement of permanent magnets and other elements of the composite pole ensures effective collection of magnetic flux from permanent magnets in the middle wedge-shaped part of the pole and, as a result, in the air gap with the shaft, which makes it possible to increase the efficiency (specific force) of the magnets, that is, to create a stronger magnetic field in the air gap with reduced size and weight of magnets and the magnetic bearing as a whole.

Магнитопровод предпочтительно является симметричным относительно средней клиновидной части полюса. Для обеспечения механической целостности конструкции магнитопровода, его клиновидные выступы могут быть соединены перемычкой из того же материала, что и магнитопровод в целом, как это показано на фигуре, формирую тем самым единую кольцеобразную или цилиндрическую конструкцию магнитопровода 1. Для устранения рассеяния магнитного потока, генерируемого постоянными магнитами 2 на перемычке магнитопровода около их сходящихся концов, и обеспечения максимальной концентрации магнитного потока в средней части полюса, между сходящимися концами постоянных магнитов 2 и перемычкой магнитопровода, соединяющей клиновидные выступы, предусмотрена полость, заполненная немагнитным материалом или воздухом.The magnetic core is preferably symmetrical with respect to the middle wedge-shaped part of the pole. To ensure the mechanical integrity of the magnetic core structure, its wedge-shaped protrusions can be connected by a jumper made of the same material as the magnetic core as a whole, as shown in the figure, thereby forming a single ring-shaped or cylindrical structure of the magnetic core 1. To eliminate the dissipation of the magnetic flux generated by constant magnets 2 on the magnetic circuit jumper near their converging ends, and to ensure maximum concentration of the magnetic flux in the middle part of the pole, between the converging ends of the permanent magnets 2 and the magnetic circuit jumper connecting the wedge-shaped protrusions, a cavity is provided filled with non-magnetic material or air.

Постоянные магниты, помимо указанных вариантов, могут иметь и другие способы расположения относительно полюсов магнитопровода. В частности, постоянные магниты могут располагаться в полюсах, как это показано на фигуре, и/или около полюсов магнитопровода. Например, постоянные магниты могут прилегать к магнитному полюсу, находясь около него, или частично вдаваться в него, в результате чего постоянные магниты оказывается как около полюса, так и в нем.Permanent magnets, in addition to the indicated options, may have other ways of being positioned relative to the poles of the magnetic circuit. In particular, permanent magnets can be located at the poles, as shown in the figure, and/or near the poles of the magnetic circuit. For example, permanent magnets can adhere to a magnetic pole, being near it, or partially protrude into it, resulting in permanent magnets being both near the pole and in it.

При этом важно обеспечивать концентрацию магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, в тех полюсах, около которых и/или в которых они расположены, поскольку полюса с постоянными магнитами и без постоянных магнитов чередуются при обходе магнитопровода по контуру его поперечного сечения или при огибании вала, расположенного в подшипнике, вокруг его цилиндрической или кольцеобразной поверхности (т.е. по внешнему периметру поперечного сечения вала).At the same time, it is important to ensure the concentration of the magnetic field created by permanent magnets in those poles near which and/or in which they are located, since poles with permanent magnets and without permanent magnets alternate when going around the magnetic circuit along the contour of its cross section or when going around a shaft located in the bearing, around its cylindrical or annular surface (i.e. along the outer perimeter of the cross-section of the shaft).

Часть полюсов магнитопровода имеет токовые катушки. Токовые катушки также могут называться электромагнитными катушками, магнитными катушками или другими принятыми в уровне техники терминами. Они представляют собой обмотки, выполненные с использованием изолированного провода в виде множества витков, по которым пропускают электрический ток с целью формирования около катушек и внутри них магнитного поля, которое может менять силу и направление в зависимости от силы и направления электрического тока, протекающего через токовую катушку.Some of the poles of the magnetic circuit have current coils. Current coils may also be called electromagnetic coils, magnetic coils, or other technical terms. They are windings made using insulated wire in the form of many turns, through which an electric current is passed to form a magnetic field near and inside the coils, which can change strength and direction depending on the strength and direction of the electric current flowing through the current coil .

На фигуре в сечении показаны токовые катушки. В частях катушек, расположенных с одной стороны полюса, ток протекает по направлению в плоскость фигуры, а в других частях катушек, после огибания полюса выходящих с других сторон полюсов, ток протекает по направлению из плоскости фигуры.The cross-sectional figure shows current coils. In parts of the coils located on one side of the pole, the current flows in the direction into the plane of the figure, and in other parts of the coils, after rounding the pole and coming out from the other sides of the pole, the current flows in the direction from the plane of the figure.

В показанном на фигуре варианте токовые катушки расположены на магнитных полюсах магнитопровода, то есть охватывают магнитные полюса. Таким образом, токовые катушки расположены около полюсов. При этом расположение катушек около полюсов не обязательно предполагает их охват, поскольку катушки могут прилегать к полюсам при условии создания магнитного поля, которое концентрируется в магнитном полюсе, что может быть достигнуто известными из уровня техники способами.In the embodiment shown in the figure, the current coils are located on the magnetic poles of the magnetic circuit, that is, they cover the magnetic poles. Thus, the current coils are located near the poles. However, the location of the coils near the poles does not necessarily imply their coverage, since the coils can be adjacent to the poles, subject to the creation of a magnetic field that is concentrated at the magnetic pole, which can be achieved by methods known in the prior art.

При этом важно обеспечивать концентрацию магнитного поля, создаваемого токовыми катушками, в тех полюсах, около которых они расположены, поскольку полюса с токовыми катушками и без них чередуются при обходе магнитопровода по контуру его поперечного сечения или при огибании вала, расположенного в подшипнике, вокруг его цилиндрической или кольцеобразной поверхности (т.е. по внешнему периметру поперечного сечения вала).At the same time, it is important to ensure the concentration of the magnetic field created by the current coils in those poles near which they are located, since poles with and without current coils alternate when going around the magnetic circuit along the contour of its cross section or when going around a shaft located in a bearing around its cylindrical or an annular surface (i.e. along the outer perimeter of the shaft cross-section).

Как уже отмечалось, магнитные полюса, снабженные постоянными магнитами, должны отделяться друг от друга при обходе по контуру магнитопровода магнитными полюсами без постоянных магнитов. Кроме того, магнитные полюса, снабженные токовыми катушками, должны отделяться друг от друга при обходе по контуру магнитопровода магнитными полюсами без токовых катушек. Необходимо отметить, что такая конфигурация магнитных полюсов может обеспечиваться независимо для постоянных магнитов и токовых катушек.As already noted, magnetic poles equipped with permanent magnets must be separated from each other when magnetic poles without permanent magnets are walked along the contour of the magnetic circuit. In addition, magnetic poles equipped with current coils must be separated from each other when magnetic poles without current coils walk along the contour of the magnetic circuit. It should be noted that this configuration of magnetic poles can be provided independently for permanent magnets and current coils.

В частности, если как для токовых катушек, так и постоянных магнитов происходит чередование магнитных полюсов с ними и без (т.е. нет находящихся рядом магнитных полюсов, одновременно имеющих постоянные магниты или наоборот, одновременно не имеющих постоянных магнитов, а также нет находящихся рядом магнитных полюсов, одновременно снабженных токовыми катушками или наоборот, одновременно не имеющих катушек), то возможно два варианта размещения постоянных магнитов и токовых катушек относительно друг друга.In particular, if for both current coils and permanent magnets there is an alternation of magnetic poles with and without them (i.e. there are no nearby magnetic poles that simultaneously have permanent magnets or vice versa, at the same time without permanent magnets, and there are also no nearby magnetic poles, simultaneously equipped with current coils or, conversely, simultaneously without coils), then there are two possible options for placing permanent magnets and current coils relative to each other.

Во-первых, постоянные магниты и токовые катушки могут располагаться на одних и тех же полюсах, тогда полюса между ними являются свободными от постоянных магнитов и токовых катушек. Во-вторых, постоянные магниты и токовые катушки могут располагаться поочередно на соседних полюсах, и тогда у магнитопровода будут чередоваться полюса с постоянными магнитами и полюса с токовыми катушками.Firstly, permanent magnets and current coils can be located on the same poles, then the poles between them are free of permanent magnets and current coils. Secondly, permanent magnets and current coils can be located alternately on adjacent poles, and then the magnetic circuit will alternate between poles with permanent magnets and poles with current coils.

На фигуре показан вариант, когда постоянные магниты и токовые катушки расположены на одних и тех же полюсах. Поскольку на фигуре полюса, в которых размещены постоянные V-образные магниты, и на которых размещены токовые катушки, являются одними и теми же полюсами, то между этими полюсами по контуру магнитопровода расположены полюса, у которых нет ни постоянных магнитов, ни токовых катушек.The figure shows an option when permanent magnets and current coils are located at the same poles. Since in the figure the poles in which permanent V-shaped magnets are located and on which the current coils are located are the same poles, then between these poles along the contour of the magnetic circuit there are poles that have neither permanent magnets nor current coils.

Магнитопровод в рассматриваемой конфигурации объединяет магнитные потоки, создаваемых постоянными магнитами и токовыми катушками, и концентрирует их в зазорах между полюсами магнитопровода и валом. При этом объединение магнитных потоков имеет векторный характер - потоки могут складываться или вычитаться в зависимости от знака тока в катушке.The magnetic core in the configuration under consideration combines the magnetic fluxes created by permanent magnets and current coils and concentrates them in the gaps between the poles of the magnetic core and the shaft. In this case, the combination of magnetic fluxes has a vector character - the fluxes can be added or subtracted depending on the sign of the current in the coil.

Объединение постоянных магнитов с токовой катушкой может называться гибридным магнитом. В некоторых случаях это может упростить изготовление конструкции магнитопровода, когда отдельно изготавливается магнитные полюса с такими гибридными электромагнитами, которые затем прикрепляются к магнитопроводу. Изготовление такого подшипника упрощается потому, что прикрепление постоянных магнитов и токовых катушек к полюсам происходит вне магнитопровода на открытом и свободном для манипуляций пространстве, а в ограниченном пространстве внутри магнитопровода магнитного подшипника производится только операция прикрепления собранного полюса к магнитопроводу, которая может осуществляться с помощью известных из уровня техники и частично описанных ранее способов крепления.Combining permanent magnets with a current coil can be called a hybrid magnet. In some cases, this can simplify the manufacture of the magnetic core structure by separately manufacturing magnetic poles with such hybrid electromagnets, which are then attached to the magnetic core. The manufacture of such a bearing is simplified because the attachment of permanent magnets and current coils to the poles occurs outside the magnetic core in an open and free space for manipulation, and in the limited space inside the magnetic core of a magnetic bearing, only the operation of attaching the assembled pole to the magnetic core is performed, which can be carried out using known techniques. state of the art and partially described previously methods of fastening.

Замыкающие полюса подшипника, показанного на фигуре, не обладают ни постоянным магнитами, ни токовыми катушками и замыкают магнитный контур. Магнитный поток, исходящий из гибридных полюсов и проходящий в валу вдоль его контура в плоскости, поперечной его оси, заходит обратно в магнитопровод и далее замыкается в гибридный полюс обратно. Изготовление таких замыкающих полюсов, свободных от любых магнитов, также довольно просто - это может быть фрезеровка или литье в цельном виде с остальными частями магнитопровода или прикрепление простых по форме полюсов известными из уровня техники способами.The closing poles of the bearing shown in the figure have neither permanent magnets nor current coils and complete a magnetic circuit. The magnetic flux emanating from the hybrid poles and passing in the shaft along its contour in a plane transverse to its axis enters back into the magnetic circuit and then closes back into the hybrid pole. The manufacture of such closing poles, free of any magnets, is also quite simple - this can be milling or casting in one piece with the rest of the magnetic circuit, or attaching simple-shaped poles using methods known from the prior art.

Конфигурация гибридного магнита, показанного на фигуре и состоящего из клиновидных выступов, средней клиновидной части полюса, постоянных магнитов 2 и токовой катушки 3, обеспечивает более эффективное направление магнитного потока в зазоре, и, как следствие, увеличение силы удержания вала при общем снижении веса по сравнению с прототипами.The configuration of the hybrid magnet shown in the figure and consisting of wedge-shaped protrusions, the middle wedge-shaped part of the pole, permanent magnets 2 and current coil 3, provides a more efficient direction of magnetic flux in the gap, and, as a result, an increase in the holding force of the shaft with an overall reduction in weight compared to with prototypes.

Благодаря лучшему потокосцеплению средней клиновидной части полюса с валом сила взаимодействия подшипника с валом будет выше, чем в прототипе, при том же объеме постоянных магнитов и той же суммарной площади взаимодействующих поверхностей.Due to the better flux linkage of the middle wedge-shaped part of the pole with the shaft, the force of interaction between the bearing and the shaft will be higher than in the prototype, with the same volume of permanent magnets and the same total area of interacting surfaces.

Постоянные магниты в противоположных полюсах обеспечивают подвешивание вала в магнитном подшипнике. Токовые катушки на полюсах обеспечивают возможность корректирования расположения вала внутри магнитного подшипника. Для этого на токовые катушки могут подаваться соответствующие токи, вызывающие возникновение в соответствующих полюсах магнитного поля, притягивающего или отталкивающего от этих полюсов вал. Для упрощения конструкции магнитного подшипника и/или элементов, управляющих токами, подаваемыми на токовые катушки, пары токовых катушек (т.е. противолежащих токовых катушек) обеспечивают пропускание через них однонаправленных токов.Permanent magnets at opposite poles ensure the shaft is suspended in a magnetic bearing. Current coils on the poles provide the ability to adjust the position of the shaft inside the magnetic bearing. To do this, appropriate currents can be supplied to the current coils, causing the appearance of a magnetic field in the corresponding poles, attracting or repelling the shaft from these poles. To simplify the design of the magnetic bearing and/or elements that control the currents supplied to the current coils, pairs of current coils (ie, opposing current coils) allow unidirectional currents to pass through them.

Однонаправленные токи - это такие токи, которые имеют одинаковое пространственное направление, то есть параллельны (примерно или точно) и направлены в одну сторону. Когда катушки намотаны на полюса и охватывают их, однонаправленные токи в таких катушках будут огибать полюса одинаково, по часовой или против часовой стрелки, если смотреть на плоскости витков катушек так, что обе катушки, входящие в пару, были бы видны с одной точки, без разворота наблюдателя.Unidirectional currents are those currents that have the same spatial direction, that is, parallel (approximately or exactly) and directed in one direction. When the coils are wound around the poles and surround them, the unidirectional currents in such coils will bend around the poles equally, clockwise or counterclockwise, if you look at the planes of the turns of the coils so that both coils included in the pair would be visible from the same point, without observer's turn.

При протекании через катушки, принадлежащие одной паре, однонаправленных токов в них формируется однонаправленное магнитное поле. Например, для вертикальной пары токовых катушек (оранжевых) в соответствии с показанным направлением тока и правилом буравчика магнитное поле будет направлено вниз как у верхней, так и у нижней катушки. Однако, ввиду того что токовые катушки одной пары расположены напротив друг друга с разных сторон вала, вал находится между ними и испытывает разное действие от однонаправленных магнитных полей этих катушек.When unidirectional currents flow through coils belonging to the same pair, a unidirectional magnetic field is formed in them. For example, for a vertical pair of current coils (orange), according to the current direction shown and the gimlet rule, the magnetic field will point downward at both the top and bottom coils. However, due to the fact that the current coils of one pair are located opposite each other on different sides of the shaft, the shaft is located between them and experiences different effects from the unidirectional magnetic fields of these coils.

В частности, магнитное поле от верхней катушки, направленное вниз, будет притягивать вал, потому что вал находится снизу от этой катушки, а магнитное поле от нижней катушки, направленное также вниз, будет отталкивать вал, потому что вал находится сверху от этой катушки. Благодаря этому положение вала корректируется вверх.Specifically, a downward magnetic field from the top coil will attract the shaft because the shaft is below that coil, and a downward magnetic field from the bottom coil will repel the shaft because the shaft is above that coil. Thanks to this, the position of the shaft is adjusted upward.

Таким образом, при однонаправленных токах, протекающих в токовых катушках одной пары, расположенной с двух сторон от вала, их магнитные поля оказывают на вал одинаковое с точки зрения вала воздействие и корректируют положение вала в сторону одной или второй катушки этой пары в зависимости от направления протекания тока. Для изменения направления корректировки положения вала достаточно поменять направление тока.Thus, with unidirectional currents flowing in the current coils of one pair, located on both sides of the shaft, their magnetic fields have the same effect on the shaft from the point of view of the shaft and adjust the position of the shaft towards one or the second coil of this pair, depending on the direction of flow current. To change the direction of adjustment of the shaft position, it is enough to change the direction of the current.

На фигуре видно, что магнитный подшипник содержит две пары токовых катушек - вертикальную и горизонтальную пары. Эти пары катушек предназначены для формирования корректирующих воздействий на вал с целью обеспечения нахождения вала в заданном положении в центре магнитного подшипника в том случае, если вал будет отклоняться от этого положения вследствие вращения или воздействий извне. Вертикальная пара катушек может регулировать положение вала по вертикали (относительно фигуры), а горизонтальная пара катушек может регулировать положение вала по горизонтали в соответствии с вышеописанным методом благодаря однонаправленным токам в катушках, относящихся к одной паре.The figure shows that the magnetic bearing contains two pairs of current coils - vertical and horizontal pairs. These pairs of coils are designed to generate corrective effects on the shaft in order to ensure that the shaft is in a given position in the center of the magnetic bearing in the event that the shaft deviates from this position due to rotation or external influences. A vertical pair of coils can adjust the position of the shaft vertically (relative to the figure), and a horizontal pair of coils can adjust the position of the shaft horizontally in accordance with the above method due to unidirectional currents in the coils belonging to the same pair.

Когда токовые катушки относятся к одной паре, они расположены с разных сторон вала, а вал, соответственно, между ними. Поскольку для обеспечения компенсации отклонений вала в любых направлениях в плоскости, перпендикулярной оси вала, в магнитном подшипнике в соответствии с настоящим изобретением должно быть две или более пар катушек, они располагаются так, что при обходе по контуру магнитопровода или вокруг вала катушки не только отделены друг от друга полюсами без токовых катушек, но и катушки одной пары отделены друг от друга катушками другой пары - то есть, при обходе по контуру магнитопровода или вокруг вала катушки разных пар чередуются. В частности, на фигуре видно, что катушки желтого цвета, входящие в горизонтальную пару, отделены друг от друга при обходе подшипника по кругу катушками оранжевого цвета, входящими в вертикальную пару.When the current coils belong to the same pair, they are located on different sides of the shaft, and the shaft, accordingly, is between them. Since in order to compensate for shaft deflections in any direction in a plane perpendicular to the shaft axis, the magnetic bearing in accordance with the present invention must have two or more pairs of coils, they are arranged so that when walking along the contour of the magnetic circuit or around the shaft, the coils are not only separated from each other from each other by poles without current coils, but the coils of one pair are separated from each other by the coils of another pair - that is, when walking along the contour of the magnetic circuit or around the shaft, the coils of different pairs alternate. In particular, the figure shows that the yellow coils included in the horizontal pair are separated from each other when the orange coils included in the vertical pair go around the bearing in a circle.

Однонаправленность токов в парах токовых катушек можно получить несколькими способами. В предпочтительном варианте, токовые катушки, входящие в одну пару и отделенные друг от друга по контуру магнитопровода токовыми катушками другой пары, могут быть электрически соединены параллельным образом. Это значит, что выводы токовых катушек одной пары, по которым втекает электрической ток, соединяются между собой, также как между собой соединены и выводы этих же токовых катушек, по которым электрической ток вытекает.The unidirectionality of currents in pairs of current coils can be achieved in several ways. In a preferred embodiment, current coils included in one pair and separated from each other along the contour of the magnetic circuit by current coils of another pair can be electrically connected in a parallel manner. This means that the terminals of the current coils of one pair, through which electric current flows, are connected to each other, just as the terminals of the same current coils, through which electric current flows, are also connected to each other.

Такое параллельное электрическое соединение может быть выполнено непосредственно, например, пайкой или скруткой, или катушки, входящие в одну пару, могут быть намотаны одним непрерывным изолированным проводом с соответствующим переходом между полюсами так, чтобы обеспечить однонаправленность протекающих в них токов и формируемых ими магнитных полей.Such a parallel electrical connection can be made directly, for example, by soldering or twisting, or the coils included in one pair can be wound with one continuous insulated wire with an appropriate transition between the poles so as to ensure the unidirectionality of the currents flowing in them and the magnetic fields they generate.

Кроме того, параллельное электрическое соединение может быть выполнено с использованием дополнительных пассивных и/или активных цепей, в том числе и корректирующих ток, протекающий через одну или обе токовые катушки. Цепи могут включать в себя элементы и/или модули, осуществляющие аналоговое и/или цифровое преобразование тока. Элементы могут быть сопротивлениями, емкостями, индуктивностями, полупроводниковыми и другими элементами. Модули могут быть различными схемами или микросхемами, в том числе осуществляющими обработку в цифровом виде по заданным алгоритмам и программам.In addition, a parallel electrical connection can be made using additional passive and/or active circuits, including those that correct the current flowing through one or both current coils. The circuits may include elements and/or modules that perform analog and/or digital current conversion. The elements can be resistances, capacitances, inductances, semiconductors and other elements. Modules can be various circuits or microcircuits, including those that carry out digital processing according to specified algorithms and programs.

В другом варианте однонаправленность токов в парах токовых катушек можно обеспечить выводами катушек, установленными так, чтобы получать одинаковые токи. Это может быть обеспечено, например, разъемами или таким взаимным расположением выводов, с которыми возможен только один способ подключения к ним и подачи однонаправленных токов. Благодаря таким выводам на катушки возможно подавать токи, несколько отличающиеся по форме и/или величине, что позволит более точно регулировать положение вала в подшипнике.In another embodiment, the unidirectionality of currents in pairs of current coils can be ensured by the terminals of the coils installed so as to receive the same currents. This can be ensured, for example, by connectors or such a mutual arrangement of pins with which only one way of connecting to them and supplying unidirectional currents is possible. Thanks to such leads, it is possible to supply currents to the coils that are slightly different in shape and/or magnitude, which will allow more precise adjustment of the position of the shaft in the bearing.

Кроме того, токовые катушки могут быть соединены с выводами с помощью цепей, корректирующих ток, протекающий через токовую катушку. Корректировка токов может быть выполнена с использованием дополнительных пассивных и/или активных цепей, в том числе и корректирующих ток, протекающий через одну или обе токовые катушки. Цепи могут включать в себя элементы и/или модули, осуществляющие аналоговое и/или цифровое преобразование тока. Элементы могут быть сопротивлениями, емкостями, индуктивностями, полупроводниковыми и другими элементами. Модули могут быть различными схемами или микросхемами, в том числе осуществляющими обработку в цифровом виде по заданным алгоритмам и программам.In addition, the current coils can be connected to the terminals using circuits that correct the current flowing through the current coil. Current correction can be performed using additional passive and/or active circuits, including those that correct the current flowing through one or both current coils. The circuits may include elements and/or modules that perform analog and/or digital current conversion. The elements can be resistances, capacitances, inductances, semiconductors and other elements. Modules can be various circuits or microcircuits, including those that carry out digital processing according to specified algorithms and programs.

Магнитный подшипник может содержать один, два или более датчиков отклонения вала от заданного положения. Эти датчики также могут называться датчиками положения вала. Датчики являются преимущественно бесконтактными и могут быть оптическими, индуктивными, емкостными, датчиками Холла и т.п. Два датчика позволяют однозначно определить положение вала и/или его отклонение от заданного положения в подшипнике и по этим данным скорректировать положение вала путем подачи корректирующих токов в токовые катушки подшипника так, как это описано выше.The magnetic bearing may contain one, two or more shaft deviation sensors from a given position. These sensors may also be called shaft position sensors. The sensors are predominantly non-contact and can be optical, inductive, capacitive, Hall sensors, etc. Two sensors make it possible to unambiguously determine the position of the shaft and/or its deviation from the specified position in the bearing and, based on this data, correct the position of the shaft by applying corrective currents to the bearing current coils as described above.

Датчики могут крепиться к подшипнику любыми известными из уровня техники способами, в т.ч. перечисленными выше. Датчики могут устанавливаться внутри подшипника, например, на магнитопроводе между полюсами или на постоянных магнитах или токовых катушках. Датчики также могут быть размещены на подшипнике снаружи, так как вал выходит из подшипника наружу для того, чтобы на нем был размещен тот объект, который должен вращаться. Поскольку подшипник сам по себе крепится к какому-либо основанию, то датчики могут крепиться на основании или других объектах около подшипника или на отдалении от него.The sensors can be attached to the bearing by any methods known from the prior art, incl. listed above. The sensors can be installed inside the bearing, for example, on a magnetic core between the poles or on permanent magnets or current coils. The sensors can also be placed on the outside of the bearing, since the shaft extends outwards from the bearing in order to accommodate the object that is to rotate. Since the bearing itself is attached to a base, the sensors can be attached to the base or other objects near or away from the bearing.

Само по себе местоположение датчиков не имеет принципиального значения и влияет только на точность измерений. В связи с этим наличие в подшипнике датчиков отклонения вала от заданного положения не является обязательным, поскольку они могут быть установлены вне подшипника.The location of the sensors in itself is not of fundamental importance and only affects the accuracy of the measurements. In this regard, the presence of shaft deviation sensors from a given position in the bearing is not necessary, since they can be installed outside the bearing.

Датчики отклонения вала от заданного положения могут измерять отклонение в различных направлениях. В предпочтительном варианте датчики определяют отклонения вала в сторону токовых катушек, входящих в разные пары токовых катушек. Это позволит корректировать отклонения вала наиболее простым способом, поскольку измеренное отклонение в сторону какой-либо катушки можно откорректировать с помощью тока, поданного в эту и парную с ней катушку, и это корректирующее воздействие будет осуществляться на той же линии, на которой измерено отклонение.Shaft position sensors can measure deviation in various directions. In a preferred embodiment, the sensors detect shaft deviations towards current coils included in different pairs of current coils. This will make it possible to correct shaft deviations in the simplest way, since the measured deviation towards any coil can be corrected using the current supplied to this and its paired coil, and this corrective action will be carried out on the same line on which the deviation is measured.

В тех вариантах, когда датчики определяют отклонения вала в направлениях, отличающихся от положений токовых катушек, корректирующие токи, подаваемые в токовые катушки, требуют дополнительной обработки ввиду того, что скорректировать такое отклонение можно только подачей соответствующих токов в две или более пар токовых катушек. Это можно сделать с помощью распределительных цепей, содержащих пассивные и/или активные цепи, в том числе и корректирующие ток, протекающий через одну или обе токовые катушки. Цепи могут включать в себя элементы и/или модули, осуществляющие аналоговое и/или цифровое преобразование тока. Элементы могут быть сопротивлениями, емкостями, индуктивностями, полупроводниковыми и другими элементами. Модули могут быть различными схемами или микросхемами, в том числе осуществляющими обработку в цифровом виде по заданным алгоритмам и программам.In those cases where the sensors detect shaft deviations in directions different from the positions of the current coils, the corrective currents supplied to the current coils require additional processing due to the fact that such a deviation can only be corrected by applying the corresponding currents to two or more pairs of current coils. This can be done using distribution circuits containing passive and/or active circuits, including those that correct the current flowing through one or both current coils. The circuits may include elements and/or modules that perform analog and/or digital current conversion. The elements can be resistances, capacitances, inductances, semiconductors and other elements. Modules can be various circuits or microcircuits, including those that carry out digital processing according to specified algorithms and programs.

Магнитный подшипник в некоторых вариантах может дополнительно содержать цепь корректировки положения вала. Такая цепь получает сигналы от датчиков отклонения вала от заданного положения, которые могут располагаться в/на подшипнике или в другом месте. По полученным сигналам цепь корректировки положения вала формирует токи, которые подаются на одну, две или более пар токовых катушек, отделенных друг от друга по контуру магнитопровода токовыми катушками другой пары и выполненных с возможностью пропускания однонаправленных токов.The magnetic bearing in some embodiments may additionally contain a shaft position adjustment circuit. Such a circuit receives signals from shaft deviation sensors from a given position, which can be located in/on the bearing or elsewhere. Based on the received signals, the shaft position adjustment circuit generates currents that are supplied to one, two or more pairs of current coils, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by the current coils of the other pair and configured to pass unidirectional currents.

В результате получается замкнутая цепь обратной связи, в которой датчики определяют отклонение вала от заданного положения, цепь корректировки формирует корректирующие токи, а токовые катушки, на которые подаются сформированные корректирующие токи, воздействуют магнитным полем на вал и возвращают его в заданное положение. Затем цикл измерения, формирования токов и воздействия на вал непрерывно повторяется.The result is a closed feedback circuit in which sensors determine the deviation of the shaft from the specified position, the correction circuit generates correction currents, and the current coils, to which the generated correction currents are supplied, act with a magnetic field on the shaft and return it to the specified position. Then the cycle of measuring, generating currents and influencing the shaft is continuously repeated.

Поскольку для однозначного определения положения вала необходимо не менее двух датчиков отклонения вала от заданного положения, а для корректировки произвольного отклонения вала необходимы не менее двух пар токовых катушек в соответствии с настоящим изобретением, для формирования не менее двух корректирующих токов на основе показаний не менее двух датчиков необходимы не менее, чем две цепи корректировки положения вала или такая цепь корректировки положения вала, которая может формировать не один ток, а несколько.Since to unambiguously determine the position of the shaft, at least two sensors for shaft deviation from a given position are required, and to correct arbitrary shaft deviation, at least two pairs of current coils are required in accordance with the present invention, to generate at least two corrective currents based on the readings of at least two sensors At least two shaft position adjustment circuits are required, or a shaft position adjustment circuit that can generate not one current, but several.

Величина корректирующего усилия может определяться расчетным образом или экспериментально, и может регулироваться или адаптивно меняться в ходе эксплуатации. Цепь корректировки положения вала может быть цифровой и/или аналоговой, содержать усилители, аттенюаторы, линейные и/или нелинейные элементы, пассивные и/или активные цепи, в том числе и корректирующие ток, протекающий через одну или обе токовые катушки. Цепи могут включать в себя элементы и/или модули, осуществляющие аналоговое и/или цифровое преобразование тока. Элементы могут быть сопротивлениями, емкостями, индуктивностями, полупроводниковыми и другими элементами. Модули могут быть различными схемами или микросхемами, в том числе осуществляющими обработку в цифровом виде по заданным алгоритмам и программам.The amount of corrective force can be determined computationally or experimentally, and can be adjusted or adaptively changed during operation. The shaft position correction circuit can be digital and/or analog, contain amplifiers, attenuators, linear and/or nonlinear elements, passive and/or active circuits, including those that correct the current flowing through one or both current coils. The circuits may include elements and/or modules that perform analog and/or digital current conversion. The elements can be resistances, capacitances, inductances, semiconductors and other elements. Modules can be various circuits or microcircuits, including those that carry out digital processing according to specified algorithms and programs.

Цепь корректировки положения вала предпочтительно размещается вне магнитного подшипника, но в некоторых случаях может прикрепляться к подшипнику или даже внутри него. Для настоящего изобретения цепь корректировки положения вала и датчик отклонения вала от заданного положения не являются принципиально значимыми, поскольку они всегда могут быть обеспечены в дополнение к подшипнику. Для магнитного подшипника обязательным является обеспечение подвеса вала и возможность воздействия на его положение, что обеспечивается постоянными магнитами и токовыми катушками. Датчики отклонения вала от заданного положения (или один датчик) и цепь корректировки положения вала в некоторых случаях могут входить в состав подшипника, но не являются обязательными для достижения технического результата настоящего изобретения.The shaft adjustment circuit is preferably located outside the magnetic bearing, but in some cases may be attached to or even inside the bearing. For the present invention, the shaft position adjustment circuit and the shaft position sensor are not fundamentally important since they can always be provided in addition to the bearing. For a magnetic bearing, it is mandatory to provide suspension of the shaft and the ability to influence its position, which is provided by permanent magnets and current coils. Sensors for shaft deviation from a given position (or one sensor) and a shaft position adjustment circuit in some cases may be included in the bearing, but are not necessary to achieve the technical result of the present invention.

Для формирования магнитного поля в токовых катушках необходим один или несколько источников электрического питания, который может быть один для всех цепей - измерительных, обрабатывающих, силовых и т.п. - или их может быть несколько, вплоть до отдельного источника питания для каждой цепи и/или токовой катушки. Источники электрического питания предпочтительно являются внешними для магнитного подшипника и не в объем охраны настоящего изобретения, поскольку электрическое питание может обеспечиваться самыми разными способами в дополнение к настоящему изобретению.To form a magnetic field in current coils, one or more electrical power sources are required, which can be one for all circuits - measuring, processing, power, etc. - or there may be several of them, up to a separate power source for each circuit and/or current coil. Electrical power sources are preferably external to the magnetic bearing and are not within the scope of the present invention since electrical power can be provided in a variety of ways in addition to the present invention.

Благодаря настоящему изобретению удается повысить жесткость подшипника при минимуме энергозатрат. Жесткость подшипника представляет собой способность удерживать вал в заданном положении в подшипнике при наличии отклоняющих воздействий на него и ее повышение достигается за счет того, что в состав подшипника введены токовые катушки, позволяющие активно компенсировать и уменьшать отклонения вала от заданного положения при любых механических воздействиях на вал.Thanks to the present invention, it is possible to increase the rigidity of the bearing with a minimum of energy consumption. Bearing rigidity is the ability to hold a shaft in a given position in the bearing in the presence of deflecting influences on it, and its increase is achieved due to the fact that current coils are introduced into the bearing, which make it possible to actively compensate and reduce deviations of the shaft from a given position under any mechanical influences on the shaft .

Подобное активное подавление отклонений требует значительных энергозатрат, но их в настоящем изобретении удалось снизить до минимума благодаря применению постоянных магнитов и такому их расположению и расположению токовых катушек, которое обеспечивает практически нулевое энергопотребление при отсутствии механических воздействий на вал.Such active suppression of deviations requires significant energy consumption, but in the present invention it was possible to reduce them to a minimum due to the use of permanent magnets and their arrangement and the arrangement of the current coils, which ensures practically zero energy consumption in the absence of mechanical influences on the shaft.

Предложенная конструкция также упрощает управление токовыми катушками подшипника, необходимое для активной компенсации отклонений вала от заданного положения, что упрощает конструкцию и снижает требования к цепям (элементам, устройствам) управления токовыми катушками подшипника. Такое упрощение достигается за счет того, что токовые катушки располагаются парами, компенсирующие токи на которые подаются однонаправленно (синфазно).The proposed design also simplifies the control of bearing current coils, which is necessary for active compensation of shaft deviations from a given position, which simplifies the design and reduces the requirements for circuits (elements, devices) for controlling bearing current coils. This simplification is achieved due to the fact that the current coils are arranged in pairs, the compensating currents to which are supplied unidirectionally (in phase).

Все указанные в описании технические результаты, в том числе дополнительные, достигаются с помощью магнитного подшипника в соответствии с настоящим изобретением одновременно и неразрывно друг от друга. Представленный на сопровождающей фигуре вариант осуществления, а также детально описанные дополнительные варианты осуществления предназначены для упрощения понимания сущности изобретения и не должны толковаться как ограничивающие объем охраны изобретения, определяемый последующей формулой изобретения. Описанные варианты могут объединяться и комбинироваться в любых сочетаниях, обеспечивающих реализацию принципа действия и достижение заявленных технических результатов. В результате комбинации отдельных вариантов могут достигаться дополнительные технические результаты.All technical results specified in the description, including additional ones, are achieved using a magnetic bearing in accordance with the present invention simultaneously and inextricably from each other. The embodiment shown in the accompanying figure, as well as additional embodiments described in detail, are intended to facilitate understanding of the invention and should not be construed as limiting the scope of protection of the invention as defined by the following claims. The described options can be combined and combined in any combination that ensures the implementation of the operating principle and the achievement of the stated technical results. As a result of a combination of individual options, additional technical results can be achieved.

Claims

1. Magnetic bearing including:

a magnetic circuit configured to surround the shaft;

at least four pairs of magnetic poles directed from the magnetic core to the location of the shaft;

at least two pairs of permanent magnets located in/near two pairs of magnetic poles, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by magnetic poles without permanent magnets;

at least two pairs of current coils located near two pairs of magnetic poles, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by magnetic poles without current coils;

wherein at least one pair of current coils, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by the current coils of the other pair, is configured to pass unidirectional currents.

2. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that the magnetic core is ring-shaped or cylindrical and/or assembled from several elements.

3. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that the magnetic circuit is equipped with eight poles.

4. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that the poles of at least one pair of poles are located relative to each other at an angle from 150° to 210° or from 165° to 195° or from 175° to 185° or 180° relative to location of the shaft axis.

5. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that the poles of at least two pairs of poles are located relative to each other at an angle from 60° to 120° or from 75° to 105° or from 85° to 95° or 90° relative to location of the shaft axis.

6. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that at least one pair of current coils is located near a pair of magnetic poles, in/near which permanent magnets are located.

7. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that at least one pair of current coils is located near a pair of magnetic poles that are adjacent to the magnetic poles in/near which permanent magnets are located.

8. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that the permanent magnets are V-shaped.

9. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that at least one pair of current coils, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by the current coils of the other pair, have a parallel electrical connection.

10. Magnetic bearing according to claim 9, characterized in that the parallel electrical connection is made using circuits that correct the current flowing through one or both current coils.

11. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that at least one pair of current coils, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by the current coils of the other pair, is equipped with leads installed with the ability to obtain unidirectional currents.

12. Magnetic bearing according to claim 11, characterized in that at least one current coil is connected to the terminals using circuits that correct the current flowing through the current coil.

13. Magnetic bearing according to claim 1, characterized in that it additionally contains at least one shaft deviation sensor from a given position.

14. Magnetic bearing according to claim 13, characterized in that at least one sensor is installed with the ability to determine the deflection of the shaft towards the current coil included in a pair of current coils, separated from each other along the contour of the magnetic circuit by the current coils of the other pair and made with the ability to pass unidirectional currents.

15. The magnetic bearing according to claim 1, characterized in that it additionally contains a shaft position adjustment circuit, configured to receive a signal from at least one shaft deviation sensor from a given position and generate currents supplied to at least one a pair of current coils separated from each other along the contour of the magnetic circuit by current coils of another pair and configured to pass unidirectional currents.