Результат интеллектуальной деятельности: МАГНИТНАЯ ОПОРА ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА

Изобретение относится к машиностроению и, преимущественно, к магнитным опорам вертикальных роторов быстровращающихся приборов, накопителей энергии, центрифуг, в которых верхняя магнитная опора ротора обеспечивает радиальную жесткость и центровку ротора относительно корпуса и, одновременно, разгружает нижнюю опору от осевой нагрузки.

Известна магнитная опора ротора центрифуги, в которой на роторе расположена ферромагнитная насадка, а расположенный над ней аксиально намагниченный статорный магнит с полюсным наконечником установлен на крышке корпуса с кольцевым зазором для возможности его перемещения в горизонтальной плоскости и центровки ротора (патент РФ №2115482).

Такая магнитная опора позволяет обеспечить хорошую центровку ротора относительно крышки корпуса, но требует дополнительной технологической операции для каждого изделия, что осложняет серийный выпуск продукции.

Ближайшим техническим решением к предложенному является магнитная опора, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно на роторе, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над втулкой, и полюсный наконечник в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита. Ферромагнитная втулка выполнена с кольцевым радиальным выступом, толщина которого равна 0,5-1,5 толщины стенки втулки, а его высота равна 0,1-0,3 высоты втулки, а наружный диаметр радиальной полки полюсного наконечника равен 0,92-0,95 среднего диаметра кольцевого магнита (патент РФ №2054334).

Это изобретение повышает жесткость магнитной опоры и снижает давление на нижнюю опору, но не дает рекомендаций по выбору размеров магнита, являющегося основным элементом магнитной опоры - носителем магнитной энергии, оптимизация которого вносит существенную вклад в параметры магнитной системы. Особенно, и в первую очередь, это относится к магнитам из редкоземельных материалов, например, на основе системы неодим-железо-бор.

Технический результат изобретения заключается в уменьшении нагрузки на нижнюю опору ротора при одновременном увеличении радиальной жесткости верхней магнитной опоры ротора, а также улучшении его центровки без ухудшения массогабаритных показателей и усложнения конструкции опоры путем выбора рациональной формы и соотношения размеров магнита и взаимного расположения ее элементов.

Для этого в магнитной опоре вертикального ротора, включающей установленный в корпусе кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником и размещенную на роторе ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, отношение наружного диаметра магнита к среднему диаметру верхнего конца ферромагнитной втулки составляет 1,2-1,5, отношение внутреннего диаметра магнита к среднему диаметру верхнего конца ферромагнитной втулки составляет 0,8-0,9, а отношение высоты магнита к его среднему диаметру составляет 0,1-0,4.

Кроме того, в магнитной опоре вертикального ротора магнит установлен по оси корпуса с минимальным зазором по посадочной поверхности корпуса.

Изобретение поясняется чертежами: фиг.1 - продольный разрез магнитной опоры вертикального ротора, фиг.2 - график зависимостей нагрузки на нижнюю опору ротора и радиальной жесткости верхней магнитной опоры ротора от размеров магнита и ферромагнитной втулки.

В немагнитном корпусе 1 (см. фиг.1) установлен аксиально намагниченный кольцевой магнит 2 с ферромагнитным полюсным наконечником 3. Ферромагнитная втулка 4 закреплена на роторе 5 соосно с ним в его верхней части и расположена напротив нижнего торца магнита 2. Ротор 5 опирается на нижнюю опору 6, а в верхней магнитной опоре не имеет механического контакта с неподвижными деталями.

Верхний конец ферромагнитной втулки 4 имеет внутренний диаметр d_В и наружный диаметр d_H, так что средний диаметр верхнего конца ферромагнитной втулки 4 составляет d_CP=(d_В+d_H)/2. Отношение наружного диаметра d_Н магнита 2 к среднему диаметру d_CP ферромагнитной втулки 4 составляет 1,2-1,5, т.е. выполняется соотношение D_Н/d_CP=1,2-1,5, отношение внутреннего диаметра D_В магнита 2 к среднему диаметру d_CP ферромагнитной втулки 4 составляет 0,8-0,9, т.е. выполняется соотношение D_В/d_CP=0,8-0,9, а отношение высоты Н магнита 2 к его среднему диаметру D_CP=(D_В+D_Н)/2 составляет 0,1-0,4, т.е. выполняется соотношение H/D_CP=0,1-0,4. При этом магнит 2 установлен по оси центрифуги с минимальным зазором по посадочной поверхности корпуса, т.е. внутренний диаметр D_В магнита 2 выполнен с наибольшей точностью, которая определяет необходимый уровень центровки верхнего конца ферромагнитной втулки 4 ротора 5 относительно корпуса 1.

Кольцевой магнит 2 создает осесимметричное магнитное поле, сила притяжения которого через ферромагнитную втулку 4 разгружает нижнюю опору 6 от части силы веса ротора и обеспечивает верхней опоре радиальную жесткость, то есть способность противодействовать угловым относительно нижней опоры отклонениям ротора. Магнитный поток между полюсами магнита 2 замыкается через полюсный наконечник 3 и ферромагнитную втулку 4.

Магнитная опора работает следующим образом.

В покое и при вращении ротора 5 осесимметричное магнитное поле магнита 2 удерживает ферромагнитную втулку 4 и связанный с ней ротор 5 в вертикальном стационарном положении, не препятствуя вращению ротора 5 на опоре 6. В случае отклонения ротора от оси корпуса 1 симметричность магнитного поля нарушается, что создает радиальную силу, препятствующую отклонению ротора 5 и возвращающую ротор 5 в исходное положение при прекращении действия возмущающей силы.

Благодаря выбору геометрических параметров магнита 2 в предлагаемых диапазонах предпочтительных значений в отношении ферромагнитной втулки 4 обеспечивается повышенная концентрация магнитного потока в зазоре между втулкой 4 и наконечником 3 и обеспечивается оптимальное соотношение нагрузки на опору 6 и поперечной жесткости магнитной опоры.

Расчетные и экспериментальные исследования показали, что выбор геометрических размеров магнита 2 вне указанных диапазонов размеров магнита ухудшает рабочие параметры магнитной опоры. Из зависимостей на фиг.2 видно, что при D_h/d_CP<1,2 нагрузка на опору резко увеличивается, а поперечная жесткость практически не меняется, при D_H/d_CP>1,5 нагрузка на опору практически не меняется, а поперечная жесткость резко падает, несмотря на то, что происходит увеличение массы и энергии дорогостоящего магнита.

Это связано с тем, что относительное увеличение или уменьшение размеров магнита приводит к необходимости увеличения или уменьшения размера зазора между концом ферромагнитной втулки 4 и наконечником 3, величина которого нелинейно и разнонаправленно влияет на нагрузку в нижней опоре и поперечную жесткость магнитной опоры.

Для магнитной опоры с D_В/d_CP=0,8-0,9 магнитная ось опоры, оказывается, практически совпадает, при существующем разбросе свойств и параметров изготовления, с геометрической осью внутреннего диаметра магнита 2, т.о. центровка ротора обеспечивается расположением внутреннего диаметра магнита 2 и, следовательно, качеством выполнения и посадки этого диаметра в корпусе 1.

Кроме того, за счет минимального посадочного зазора между магнитом 2 и посадочным местом корпуса, обеспечивается геометрическая центровка ротора 5, устанавливающегося по магнитной оси магнита 2, которая в этом случае точно (до величины допуска на изготовление внутреннего диаметра D_В магнита 2 и посадочного места корпуса) совпадает с осью корпуса 1, что повышает надежность и долговечность работы ротора. Этот эффект геометрической центровки особенно проявляется в редкоземельных энергоемких магнитах с оптимизированными по настоящему изобретению соотношениями геометрических размерами втулки и магнита, в которых магнитный поток значительно более сконцентрирован.