Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ОСЕВОГО ПОДШИПНИКА С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЗАПОЛНЕНИЯ АКТИВНОЙ СТАЛЬЮ

Настоящее изобретение касается устройства осевого подшипника, включающего в себя систему листов электротехнической стали, у которой отдельные листы стали выдаются радиально наружу, и электрическую катушку, которая вставлена в систему листов электротехнической стали, для создания магнитного поля в системе листов электротехнической стали.

Активные, магнитные осевые подшипники используются для регулирования бесконтактно заданных расстояний между двумя объектами. Принципиальная конструкция осевого подшипника такого рода показана на фиг.1. В этом примере вал 1 опирается в осевом направлении. Стальной диск 2 концентрически закреплен на валу 1. Наряду со стальным диском 2 система осевого подшипника имеет здесь два кольцевых электромагнита 3, 4 (здесь также называемых устройствами осевого подшипника), которые расположены на двух сторонах стального диска 2 коаксиально с ним и с валом 1. В то время как электромагниты 3 и 4 являются статичными и, например, закреплены на корпусе электрической машины, вал, включая стальной диск 2, вращается внутри двух электромагнитов 3, 4.

Электромагниты 3, 4 оказывают усилия на магнитно-мягкие материалы, такие как стальной диск 2. При надлежащей настройке электромагнитов 3, 4 стальной диск 2 может бесконтактно удерживаться в заданном осевом положении между электромагнитами 3 и 4.

Электромагниты 3, 4, как правило, строятся с кольцевыми катушками, которые расположены в пазу в стальном статоре. Чаще всего стальной статор выполнен массивным. В массивных стальных статорах изменения поля приводят к вихревым токам, которые, в свою очередь, создают встречно вращающиеся поля. При этом ухудшается возможность регулирования магнитных подшипников.

Вихревые токи известным образом снижаются посредством шихтовки стального пакета статора. Шихтовка статоров осевых подшипников известна из публикации DE 69103756 T2. Там описаны компоненты статора и ротора магнитного упорного подшипника с соответственно ламинированной конструкцией. Листы ламелей изогнуты так, что их вершины лежат в одной общей цилиндрической плоскости. Кроме того, касающиеся друг друга боковые края стальных листов ламелей тоже находятся в общих плоскостях, которые расположены перпендикулярно оси вращения.

Из EP 0795881 A1 известно электромагнитное устройство для насоса для впрыска топлива. Статор электромагнитного устройства включает в себя множество листов электротехнической стали, которые спиралеобразно расположены вокруг центральной оси статора.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы улучшить коэффициент полезного действия устройства магнитного осевого подшипника.

В соответствии с изобретением эта задача решается с помощью устройства магнитного осевого подшипника, включающего в себя

- кольцевую систему листов электротехнической стали, у которой отдельные листы стали выдаются радиально наружу, а соседние листы стали в окружном направлении образуют зазор, и

- электрическую катушку, которая вставлена в систему листов электротехнической стали, для создания магнитного поля в системе листов электротехнической стали, при этом

- система листов электротехнической стали имеет по меньшей мере два концентрических кольца листов электротехнической стали и

- по существу все соседние листы стали каждого кольца листов электротехнической стали по внутреннему периметру соответствующего кольца листов электротехнической стали касаются друг друга.

Кольцевая система листов электротехнической стали известной конструкции имеет листы стали, которые распространяются непрерывно от внутреннего периметра к наружному периметру системы листов электротехнической стали. Так как листы электротехнической стали везде имеют одинаковую ширину и по внутреннему периметру граничат друг с другом, на наружном периметре получаются соответственно большие зазоры между соседними листами. Из-за этого коэффициент заполнения активной сталью кольцевой системы листов электротехнической стали такого рода не очень высок. Поэтому предпочтительным образом в соответствии с настоящим изобретением система листов электротехнической стали разделена по меньшей мере на два концентрических кольца листов электротехнической стали. Листы электротехнической стали распространяются у каждого кольца листов электротехнической стали всегда от внутреннего периметра к наружному периметру. Так как теперь листы электротехнической стали даже у наружного из по меньшей мере двух колец листов электротехнической стали граничат друг с другом по его внутреннему периметру, может достигаться более высокий коэффициент заполнения активной сталью, так как у традиционной системы листов электротехнической стали отдельные листы электротехнической стали по радиальной высоте значительно удалены от внутреннего периметра наружного кольца листов электротехнической стали предлагаемой изобретением системы.

Предпочтительно система листов электротехнической стали имеет три концентрических кольца листов электротехнической стали, при этом среднее из колец листов электротехнической стали образует углубление, в которое вставлена электрическая катушка. При этом особенно предпочтительно, когда среднее кольцо листов электротехнической стали имеет такую же радиальную ширину, что и вставленная электрическая катушка. При этом изготовление устройства осевого подшипника является конструктивно простым.

Кроме того, в среднем кольце листов электротехнической стали может быть расположено отверстие в осевом направлении для проведения кабелей для электрической катушки. Это имеет то преимущество, что соединительные провода для электрической катушки могут выводиться наружу кратчайшим путем, при этом магнитный контур нарушается только минимально.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления система листов электротехнической стали размещена в кольцевом кармане. Карман стабилизирует систему листов электротехнической стали в двух радиальных направлениях и в одном осевом направлении.

Система листов электротехнической стали может удерживаться в кармане одним или несколькими удерживающими кольцами. Благодаря этому система листов электротехнической стали также зафиксирована относительно открытой стороны кармана.

Когда такое удерживающее кольцо в поперечном сечении выполнено Т-образным, оно может удерживать в кармане внутреннее, а также наружное кольцо листов электротехнической стали в осевом направлении с геометрическим замыканием. При этом одним единственным удерживающим кольцом фиксируются в осевом направлении два кольца листов электротехнической стали.

Кроме того, среднее кольцо листов электротехнической стали может удерживаться в кармане внутренним и наружным кольцом листов электротехнической стали с геометрическим замыканием. При этом вся система листов электротехнической стали, которая здесь состоит из трех колец листов электротехнической стали, может фиксироваться в кармане одним единственным удерживающим кольцом, которое, как упомянуто выше, например, выполнено Т-образным.

По другому предпочтительному варианту осуществления полости между листами стали системы листов электротехнической стали заполнены смолой. Это стабилизирует отдельные листы стали между собой и вместе с тем всю систему листов электротехнической стали и одновременно обеспечивает необходимую электрическую изоляцию.

Особенно предпочтительно электрическая машина может быть оснащена устройством осевого подшипника такого рода. Магнитный осевой подшипник обеспечивает минимальные потери трения.

Теперь настоящее изобретение поясняется подробнее с помощью прилагаемых чертежей, на которых показано:

фиг.1: осевой подшипник по уровню техники;

фиг.2: вид сверху фрагмента электромагнита фиг.1;

фиг.3: вид сверху системы листов электротехнической стали кольцевого электромагнита;

фиг.4: увеличенный вид фрагмента фиг.3 и

фиг.5: вид поперечного сечения электромагнита фиг.2 без катушки.

Изложенные подробнее ниже примеры осуществления являются предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения.

Например, генератор или другая электрическая машина имеет осевой подшипник, как это принципиально изображено на фиг.1. Электромагниты 3 и 4 осевого подшипника, т.е. системы осевого подшипника, имеют предлагаемую изобретением конструкцию, которая ниже излагается в деталях. Эта конструкция проста и приводит к высокому коэффициенту заполнения активной сталью и прочному сопряжению.

На фиг.2 изображен вид сверху фрагмента одного из электромагнитов 3, 4 (устройство осевого подшипника). Электромагнит 3, 4 имеет кольцевой карман 5, у которого на фиг.2 видны только концентрические стенки 6, 7.

Кольцевой карман 5 наполнен шихтованным внутренним кольцом 8 и шихтованным наружным кольцом 9. Между двумя кольцами находится кольцевая катушка 10. Как будет поясняться в связи с фиг.5, внутреннее кольцо 8 вместе с наружным кольцом 9 и средним кольцом образуют под катушкой 10 кольцевой паз, в который вставлена кольцевая катушка 10.

На фиг.3 показан специальный, предлагаемый изобретением вид шихтовки кольцевого магнита. В верхней половине фиг.3 можно видеть традиционную шихтовку 11. В нижней половине шихтованного кольца, напротив, показана предлагаемая изобретением шихтовка 12.

На фиг.4 показан увеличенный фрагмент кольца фиг.3. Там лучше можно видеть различия между традиционной шихтовкой 11 и предлагаемой изобретением шихтовкой 12. Для шихтовок здесь применяются обычные листы электротехнической стали. Они имеют везде одинаковую толщину.

При традиционной шихтовке 11, как и при предлагаемой изобретением шихтовке 12, отдельные листы стали радиально выдаются наружу. При этом получается всегда звездообразная система листов электротехнической стали. В целях пояснения вся кольцевая система листов электротехнической стали изображена с двумя разными шихтовками 11 и 12. На практике, конечно, система листов электротехнической стали будет иметь только одну из этих двух шихтовок по всему периметру.

При традиционной шихтовке 11 каждый отдельный лист 13 стали в радиальном направлении выдается от внутреннего периметра 14 до наружного периметра 15. Так как отдельные листы 13 стали по внутреннему периметру 14 непосредственно касаются друг друга, вследствие звездообразной конструкции по наружному периметру 15 между соседними листами 13 стали всегда получается относительно большой зазор 16. Коэффициент заполнения активной сталью шихтованного таким образом кольца соответственно низкий.

При предлагаемой изобретением шихтовке 12 предусмотрены по меньшей мере два концентрических кольца листов электротехнической стали, в настоящем примере три кольца листов электротехнической стали, а именно внутреннее кольцо 8 листов электротехнической стали, наружное кольцо 9 листов электротехнической стали и находящееся между ними кольцо 17 листов электротехнической стали. На схематичных фиг.3 и фиг.4 отдельные кольца 8, 9 и 17 листов электротехнической стали имеют всегда одинаковую радиальную толщину. Однако, как уже можно видеть из фиг.2, радиальные толщины отдельных колец могут быть различными. В частности, они могут, как также поясняется в связи с фиг.5, также радиально вдаваться друг в друга.

Нижняя половина фиг.4 поясняет, что отдельные листы 80, 90 и 170 радиально короче, чем листы 13 стали традиционной шихтовки 11. Листы 80 стали внутреннего кольца 8 листов электротехнической стали также не выполнены цельно с листами 90 и 170 стали наружного кольца 9 листов электротехнической стали и среднего кольца 17 листов электротехнической стали. Также листы 90 стали не выполнены цельно с листами 170 стали. Теперь это имеет то преимущество, что отдельные листы 80, 90 и 170 стали у каждого из колец 8, 9 и 17 листов электротехнической стали по соответствующему внутреннему периметру или, соответственно, внутреннему радиусу 14, 18, 19 могут касаться друг друга. При этом коэффициент заполнения активной сталью по внутренним периметрам 14, 18, 19 всегда 100%, и он несколько уменьшается к соответствующему наружному периметру соответствующего кольца 8, 9, 17 листов электротехнической стали. Так как отдельные листы 80, 90, 170 стали, однако, не распространяются от внутреннего периметра 14 внутреннего кольца 8 листов электротехнической стали до наружного периметра 15 наружного кольца 9 листов электротехнической стали, зазор 20 между, например, соседними листами 90 стали в окружном направлении значительно меньше, чем соответствующий зазор 16 при традиционной шихтовке 11. Причина этого в том, что наружное кольцо 9 листов электротехнической стали имеет существенно больше листов 90 стали, чем среднее кольцо 17 листов электротехнической стали. Это кольцо, в свою очередь, имеет значительно больше листов 170 стали, чем внутреннее кольцо 8 листов электротехнической стали. Внутреннее кольцо 8 листов электротехнической стали имеет столько же листов 80 стали, что и система листов электротехнической стали с традиционной шихтовкой 11.

С помощью трех концентрических колец 8, 9 и 17 листов электротехнической стали достигается значительно более высокий коэффициент заполнения активной сталью, чем при традиционной шихтовке 11. Достигнутое осевое усилие пропорционально коэффициенту заполнения активной сталью. Повышение усилия определяется из отношения коэффициентов заполнения активной сталью. Для системы листов электротехнической стали, включающей в себя одно единственное кольцо, получается коэффициент f1 заполнения активной сталью. У системы листов электротехнической стали, включающей в себя три концентрических кольца листов электротехнической стали одинаковой радиальной толщины, получается f3 коэффициент заполнения активной сталью. Тогда соответствующее отношение коэффициентов заполнения активной сталью следующее: f3/f1=1+s/(3r_i), где s соответствует радиальной толщине, а r_i внутреннему радиусу системы листов электротехнической стали. При этом при характерных типоразмерах электромагнитов или, соответственно, устройств осевого подшипника получаются значения повышения усилия от 10% до 20%.

На фиг.5 изображен фрагмент поперечного сечения предлагаемого изобретением устройства осевого подшипника. В частности, в поперечном сечении хорошо виден U-образный карман 5 с его наружной стенкой 6 и его внутренней стенкой 7. К внутренней стенке 7 прилегает шихтованное внутреннее кольцо 8. К наружной стенке 6 прилегает наружное шихтованное кольцо 9. Между этими двумя кольцами 8 и 9 листов электротехнической стали находится среднее кольцо 17 листов электротехнической стали. Шихтовка отдельных колец 8, 9, 17 на фиг.5 не видна.

Оба кольца 8, 9 листов электротехнической стали распространяются в осевом направлении 21 от дна 22 кольцевого кармана 5 до верхних кромок стенок 6, 7. Среднее кольцо 17 листов электротехнической стали, напротив, распространяется в осевом направлении 21 значительно менее далеко. Благодаря этому в осевом направлении над средним кольцом 17 листов электротехнической стали и между наружным кольцом 9 листов электротехнической стали и внутренним кольцом 8 листов электротехнической стали образуется паз 23 для кольцевой катушки 10. Однако на чертеже фиг.5 этот паз не показан.

В осевом направлении под средним кольцом 17 листов электротехнической стали здесь находится удерживающее кольцо 24. Это кольцо имеет Т-образное поперечное сечение и крепится винтами 25 к дну 22 кольцевого кармана 5. Радиально отстоящие плечи Т-образного в поперечном сечении удерживающего кольца 24 захватывают полки 26 и 27 внутреннего кольца 8 листов электротехнической стали и наружного кольца 9 листов электротехнической стали. При этом оба кольца 8, 9 листов электротехнической стали фиксируются в кармане 5.

Оба кольца 8, 9 листов электротехнической стали имеют, кроме того, проходящие в окружном направлении пазы 28, 29, в которые вдаются выступы среднего кольца 17 листов электротехнической стали. При этом среднее кольцо 17 листов электротехнической стали с геометрическим замыканием (в осевом направлении 21) удерживается между внутренним кольцом 8 листов электротехнической стали и наружным кольцом 9 листов электротехнической стали. Таким образом, с помощью одного единственного удерживающего кольца 24 эти три кольца 8, 9 и 17 могут удерживаться в кармане 5. Но в принципе, могут быть также предусмотрены несколько удерживающих колец для крепления колец листов электротехнической стали.

Хотя приведенные выше примеры осуществлены с тремя концентрическими кольцами листов электротехнической стали, система листов электротехнической стали может также состоять только из двух концентрических колец листов электротехнической стали или же из четырех колец листов электротехнической стали. При двух кольцах листов электротехнической стали тогда, например, одна половина изображенного на фиг.5 среднего кольца листов электротехнической стали была бы соединена цельно с наружным кольцом листов электротехнической стали, а другая половина цельно с внутренним кольцом листов электротехнической стали.

Для кольцевой катушки 10 нужны подводы кабелей. Для этого в осевом направлении могут быть предусмотрены соответствующие отверстия или, соответственно, выводы кабелей в системе листов электротехнической стали, а также кармане 5. В примере фиг.5 карман 5 в своем дне 22 имеет для этого отверстие 30. Так как система листов электротехнической стали здесь имеет три кольца листов электротехнической стали, среднее кольцо 17 листов электротехнической стали может быть просто прервано в месте, соответствующем в осевом направлении отверстию 30. Также здесь должно было бы быть прервано удерживающее кольцо 24, что также можно видеть на фиг.5. Внутреннее и наружное кольцо 8, 9 листов электротехнической стали, напротив, остаются замкнутыми. У цельной шихтовки здесь проявляются другие недостатки по сравнению с составной, потому что шихтовка должна прерываться у вывода кабеля, так что соответствующие листы больше не могут выдаваться наружу. В ином случае возникают значительные дополнительные затраты на обработку для создания отверстия для соединительных проводов.

Для повышения механической прочности полости между листами колец листов электротехнической стали могут заливаться смолой.

Предпочтительным образом предлагаемое изобретением выполняющее функцию статора устройство осевого подшипника обладает по сравнению с известными устройствами повышенным коэффициентом заполнения активной сталью, что приводит к соответственно более высокому усилию на единицу поверхности. Концентрическая система, включающая в себя несколько колец, приводит, кроме того, к прочной конструкции, которая может изготавливаться с оптимальными затратами.