Электромагнитная опора

 

Использование: в прикладной электромеханике , в частности в устройствах, предназначенных для поддержания вращающихся деталей во взвешенном состоянии . Сущность изобретения: электромагнитная опора (ЭМО) содержит магнитопроводящий ротор и статор с симметрично расположенными относительно координатных осей полюсами, на которых установлены катушки с обмотками подмагничивания и управления. Полюса каждой пары полюсов располагаются относительно друг друга под углом а 2л /р (где р - число полюсов ЭМО), как частный случай (присН)) полюса каждой пары могут располагаться параллельно относительно координатных осей и друг к другу. Участок перехода прямолинейного ярма в полюс выполнен со скруглением, а участок магнитопровода между парами полюсов, вокруг которого расположен короткозамкнутый виток, имеет меньшую радиальную толщину, чем ярмо, и может также выполняться прямолинейным. 4 ил. 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 F 16 С 32/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) I д., ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

:.i" j

К ПАТЕНТУ (21) 4947510/27 (22) 18,06,91 (46) 15.05.93. Бюл. N . 18 (75) В,Д.Воронцов и В.М.Смирнов (73) ВМ.Смирнов (56) Патент США N- 4500142, НКИ 308-10, 1977.

Патент США N 4511190. НКИ 308-10.

1978.

Авторское свидетельство СССР

N. 1177567, кл. F 16 С 32/04, 1985. (54) ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОПОРА (57) Использование: в прикладной электромеханике, в частности в устройствах, предназначенных для поддержания вращающихся деталей во взвешенном состоянии. Сущность изобретения: электромагнитная опора (ЭМО) содержит магнитопроводящий ротор и статор с симИзобретение может быть использовано в машиностроении и относится к области прикладной электромеханики, в частности, к устройствам, предназначенным для поддержания вращающихся деталей во взвешенном состоянии; например, для бесконтактной подвески роторов, валов, шпинделей и т.п., вращающихся с любой угловой скоростью.

Целью изобретения является улучшение удельных энергомассовых показателей

ЭМО путем снижения энергопотребления обмотками управления и обмотками подмагничивания посредством уменьшения общего сопротивления магнитной цепи каждой пары полюсов и увеличения магнитного сопротивления на участке магнитопровода между парами полюсов.

„„5U„, 1816304 А3 метрично расположенными относительно координатных осей полюсами, на которых установлены катушки с обмотками подмагничивания и управления, Полюса каждой пары полюсов располагаются относительно друг друга под углом а< 2л /р (где р — число полюсов ЭМО), как частный случай(приа0) полюса каждой пары могут располагаться параллельно относительно координатных осей и друг к другу. Участок перехода прямолинейного ярма в полюс выполнен со скруглением, а участок магнитопроводв между парами полюсов, вокруг которого расположен короткозамкнутый виток, имеет меньшую радиальную толщину, чем ярмо, и может также выполняться прямолинейным.

4 ил. 2 табл.

Конструкция ЭМО включает магнитопроводящий ротор 4и статор с симметрично размещен ными . относительно координат- ных осей полюсами 2, на которых установлены катушки с . обмотками 0ь подмагничивания 5 и управления 6, причем (pP полюса статора каждой пары полюсов рас- О положены под углом а< (см.фиг.2, на Ф"

2л

P которой изображен частный случай: параллельное расположение полюсов в каждой паре полюсов относительно координатных осей Ох и Оу, т.е.а = О). Кроме того, ярмо статора 1 выполнено прямолинейным (на длине Ь>), и при этом участок магнитопровода между парами полюсов 3 в радиальном направлении имеет меньшую толщину (Л), но достаточную для обеспечения необходимой жесткости конструкции.

1816304

Участок перехода ярма статора в полюс выполнен со скруглением радиуса R; а участок магнитопровода между парами полюсов на длине 2 и La выполнен прямолинейным (фиг.3).

Вокруг магнитопровода 3, расположенного между парами полюсов, уложен короткозамкнутый виток (фиг.З).

На фиг.1 показана конструкция опоры

ЭМ с равномерно расположенными по окружности полюсами статора (прототип); на фиг,2 — конструкция опоры ЭМ, выполненная по пункту 1, изображен частный случай при а = 0 (изобретение); на фиг,3 — конструкция опоры ЭМ, выполненная по пункту 2 и 3 (изобретение).

Как показано на фиг.2 и 3, опора 3М содержит магнитопроводящий статор, состоящий из ярма 1, полюсов 2, магнитопроводящего участка между парами полюсов 3, рОтора 4 и короткоэамкнутого витка 7. Каждый полюс имеет катушку с обмоткой подмагничивания 5 и катушку с обмоткой управления 6. Полюса в каждой паре полюсов. располагаясь симметрично относительно координатных осей, направлены под углом друг к другу, меньшим, чем . С

2 л. р целью уменьшения потерь в опоре ЭМ на вихревые токи и увеличения быстродействия, статор выполнен иэ набора шихтованных пластин, а магнитопроводящий ротор— из набора шихтованных колец. При этом чередования полярностей полюсов обеспечивается соответствующим подключением обмоток полюсных катушек, причем полюса, примыкающие к участку магнитопровода между парами полюсов, имеют одинаковую полярность.

Опора ЭМ работает следующим образом.

Обмотки подмагничивания обеспечивают необходимую "растяжку ротора" (магнитную} и тем самым определяют точку на кривой намагничивания стали, которая обеспечивает заданный интервал регулирования электрического тока в обмотках управления положением ротора. При отклонении магнитопроводящего ротора 4 от положения равновесия возникают сигналы; подающиеся на обмотку управления со.ответствующей координаты, ток в обмотке .управления увеличивается, и электромагнитная сила возврата увеличивается и возвращает ротор в положение равновесия.

Сравнительный анализ работы прототипа. (фиг.1) и опоры ЭМ изобретения (фиг.2,3), показывает. что при работе в положении равновесия общая длина магнито.провода статора, состоящая из ярма и двух полюсов в заявляемой конструкции меньше, в связи с чем уменьшается и общее магнитное сопротивление всей магнитной цепи пары полюсов, и увеличивается магнитный поток вцепи,,в связи с чем появляется возможность: — оставить "магнитную растяжку" ротора, формируемую обмотками подмагничивания 6, на прежнем уровне, уменьшив в этих

10 обмотках электрический ток, что приведет к экономии электроэнергии, расходуемой в этих обмотках, либо уменьшив число витков в обмотках подмагничивания 6.

Сравнительный анализ конструкции

15 прототипа.(фиг.1) и опоры ЭМ изобретения (фиг.2,3) показывает, что, с одной стороны, общая длина магнитной цепи для магнитного потока уменьшается, что должно давать предполагаемый положительный эффект,. но, с другой стороны, уменьшается расстояние между полюсами, имеющими разную . полярность, что должно приводить к увеличению магнитного потока между этими поверхностями полюсов и увеличению

25 коэффициента рассеяния всей магнитной цепи o:

Ф

o= где Ф вЂ” магнитный поток в ярме статора, 30 Фз — магнитный поток в зазоре (между полюсом и ротором).

При этом величина ожидаемого положительного эффекта должна зависеть не только от выбранной марки стали, но и от

35 выбранного диапазона рабочего участка на кривой намагничивания стали, и от конкрет. ного типоразмера конструкции.

При этом в ряде задач требования к повышению прочности магнитного матери40 ала могут оказаться гораздо важнее, чем требования к его магнитным свойствам. Поэтому мы приводим сравнительный анализ результатов расчета для двух вариантов расчета: —. для конструкции, выполненной.из электротехнической стали марки 1521, . — и для конструкции„ выполненной из стали более высокой прочности. но с более худшими магнитными свойствами, ЗОХГСА, 50 Оба варианта сравнения были проведены для конструкции с размерами.

d=200 мм — диаметр ротора, 4н = 0,4 мм — номинальный рабочий зазор между полюсами статора и ротором, 55 h=40мм- высота полюсов статора, Ь = 39,43 мм — ширина полюсов и радиальная толщина ярма статора, 1 = 40 мм — осевая длина полюсов, р = 8 — число полюсов статора.

1816304

Эффективность конструкции оценивалась по формуле:

Э Nn NM 1000/ о> где N — намагничивающая сила магнитной цепи (ампер-витки), индексы: n — прототип, и — изобретение, В обоих вариантах просчитывалась конструкция при a= О, т.е. при параллельном расположении полюсов в каждой паре полюсов относительно координатных осей, Результаты первого варианта сравнения (сталь 1521) приведены в табл.1.

Результаты второго варианта сравнения (сталь ЗОХГСА) приведены в табл.2.

Сравнение полученных результатов показывает, что в обоих случаях при различных зазорах на всем протяжении кривой зависимости силы притяжения (F) якоря к полюсам от намагничивающей силы (N) мы получаем положительный эффект, т.е. для обеспечения тех же силовых характеристик в положении равновесия (б = би) требуются меньшие затраты электроэнергйи.

Поскольку электрическая мощность пропорциональна квадрату тока, то экономия электроэнергии для конструкции с данным типоразмером в случае длительной эксплуатации в режиме соосного положения ротора (б = би) составит (в среднем) для обмотки подмагничивания; — для стали 1521:

Ээл. = (1+Э) — 1 =(1+0,0084) — 1=1 69 — для стали ЗОХГСА:

Ээл.=(1 + 0,074) — 1 =15,3 .

Полученные цифры являются средними для просчитанного интервала изменения намагничивающей силы для данного конкретного конструктивного типоразмера с ди=0,4 мм и могут различаться в несколько раз как в одну сторону. так и в другую сторону в зависимости от выбора величины магнитной растяжки. величины номинального рабочего зазора и магнитных свойств стали.

Что касается экономии электроэнергии в обмотках управления, то здесь дело обстоит следующим образом.

Для большей наглядности рассмотрим вариант сравнения со сталью ЗОХГСА, т.к. здесь кривые имеют больший разброс (фиг.4). Предположим. что ротор отклонился от положения равновесия на величину 0,2 мм, тогда у одной пары полюсов зазор будет

0,2 мм, а у другой (противоположной) — 0,6 мм. Сравнение будем проводить для варианта; при котором и в прототипе, и в предлагаемом изобретении достигаются

40 одинаковые силовые характеристики в положении равновесия ротора (6= дн), или, другими словами, обеспечивается одинаковая магнитная растяжка.

Как видно из фиг,4 для возвращения ротора в исходное положение, хотя глубина регулировки несколько и увеличивается (для данной точки она увеличится на

Йп — йи 685 — 710

3,6 при экономии

Йп электроэнергии в обмотках подмагничивания в 15,3 ), но требуемый уровень потреб45 пения энергии все Равно ниже íà 1635 =

=2,8 по сравнению с прототипом.

Таким образом, сравнительный анализ работы прототипа (фиг,1) и опоры ЭМ изобретения (фиг.2,3) показывает, что при работе в положении равновесия в заявляемой конструкции наблюдается меньшее потребление электроэнергии обмотками подмагничивания.

При работе в положении отклонения ротора от положения равновесия, когда в результате формирования управляющих сил магнитные потоки в разных парах полюсов могут быть различными, величина нежелательного магнитного потока по магнитопроводу 3 между парами полюсов в заявляемой конструкции будет меньше, как за счет увеличения магнитного сопротивления этого участка путем уменьшения его поперечного сечения, так и в результате влияния короткозамкнутого витка. Кроме того, при отклонении ротора от положения равновесия наблюдается меньший уровень потребления электроэнергии обмотками управления.

Таким образом, использование заявляемого изобретения позволяет существенно повысить экономическую эффективность опоры ЭМ по сравнению с опорой ЭМ прототипа.

Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Формула изобретения

Электромагнитная опора, содержащая магнитопроводящий ротор, размещенный с зазором относительно магнитопроводящего восьмиполюсного статора с симметрично размещенными относительно координатных осей полюсами. на которых расположены обмотки подмагничивания и обмотки управления для каждой пары соседних по1816304

2л углом, меньшим, чем, где P — число полюсов электромагнитной опоры, а участок магнитопровода, вокруг которого располагается короткозамкнутый виток, имеет меньшую радиальную толщину, чем ярмо статора. люсов, отличающаяся тем, что, с целью снижения энергопотребления обмотками подмагничивания и управления при наличии тока в обмотках подмагничивания и возврате в положение равновесия ротора при 5 смещении его в направлении от центра соосности, полюса каждой пары полюсов расположены относительно друг друга под

Таблица 1 дн, мм

Ии. А

F,Н йд,А

0,1

0,2

0,4

Ж г

CO

C)

II

0,6

111

197

308

443

604

789

998

1232

1491

1774

2415

109

194

302

436

593

774

1464

1742

2371

187

292

572

747

1167

1412

2287

101

282

552

721

912

1126

1363

1622

2207

57,1

76,1

93,5

110,9

129,9

148,1

169,7

190.5

216,3

250,2

379,1

103,6

138,0

170,9

203,9

238,4

272,1

309;2

345,6

387,1

438,2

600,3

194,0

258,6

321,6

384,8

449,4

513,4

580,6

647,5

719,5

804,0

1031,0

281,3

374,9

467,0

559,3

4 6530

746,2

842,5

938,7

1040,0

1157,0

1446,0

55,7

74,2

91,4

108,6

127,1

144,9

165;7

185,8

210,2

241,6

361,0

102,2

136,2

168,8

201,5

235,5

268,9

305,2 .340,9

380,9

429,4

581,8

192,6

256,7

319,5

382,4

446,5

510,2

576,6

642,7

713,3

795,0

1012,0

279,9

373,1

464,9

556,9

650,1

743,0

838,4

933,9

1034,0

1148,0

1426,0

2,47

2,46

2,26

2,07

2,16

2,16

2,36

2,47

2.82

3,44

4,77

1,35

1.30

1,23

1,18

1,22

1,18

1,29

1.36

1,60

2,01

3,08

0.72

0,73

0,65

0,62

0,65

0,62

0,69

0,74

0,86

1,12

1,84

0,50

0,48

0.45

0,43

0,44

0,43

0,49

0,51

0,58

0,78

1,38

1816304

Э.

F,Н

Nn .А

0,1

0,2

0,4

0,6

101

180

598,6

722,1

551,6

670,4

7,9

7.2

111

197

308

444

604

789

998

1232

1491

1774

2415

109

194

302 .

436

593

774 .

1464

1742

2371

187

292

572

747

1167

1412

2287

373,2

421,6

470,0

518.5 . 566,9

615.3

663.7

712,1

760,6

813,0

1023

419,9

483,9

547,9

611,9

675,9

739,9

803.9

867,9

931,9

1002

1250

510,8

605,1

699,5

793,8

888,1

982,4

1077

1171

1692

326,3

370,0

413,8

457,5

501.2

545,0

588.7

632,4

676.1

723,7

919

373,0

432,2

491,6

550.9

610,2

669,5

728,8

788,1

847,4

912,5

1145,0

463,9

553.5

643,1

732,7

822,3

911,9

1001

1091

1181

1586

Продолжение табл. 1

Таблица 2

12,6

12,2

12,0

11,8

11,6

11,4

11,3

1 1,2

11,1

11,0

10,2

11,2

10,7

10,3

10,0

9.7

9,5

9,3

9,2

9,1

8,9

8,4

9,2

8,5

8,1

7,7

7,4

7,2

7,1

6,8

6.6

6,6

6.3

1816304

12

Продолжение табл, 2

0,6

0,7

F,Н

282

552

912

1126

1363

1622

2207

177

277

398

542

708

896

1107

1339

1593

2169

Nfl,A

845,7

969,2

1093

1216

1463

1587

2118

641,3

779,1

916,9

1192

1468

1606

1744

1898

2325

Ng A

789,3

908,1

1027

1146

1383

1502

2010

594.3

727,4

860,4

993,5

1127

1393

1526

1659

1807

2217

6,7

6,3

6,0

5,8

5,6

5,5

5.4

5,2

5,1

7,3

6,6

6,7

5.8

5,5

5,3

5,1

5,0

4,9

4.8

4,6

1816304

1816304

Составитель В.Воронцов

Техред М,Моргентал Корректор И.Муска

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1650 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5