Магнитная подвеска маховика

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве опор быстровращающихся маховиков инерционных накопителей энергии. Магнитная подвеска маховика содержит подвижные магниты, связанные с осью маховика, и неподвижные, связанные с корпусом, чередующиеся друг с другом с зазорами, причем магниты выполнены кольцеобразными с аксиальной намагниченностью с полюсами, обращенными в противоположные стороны. Подвижные магниты выполнены с нижними торцами одноименной полярности, а с верхними - разноименной полярности с прилегающими торцами неподвижных магнитов. Ось маховика закреплена в фиксирующих опорах. По крайней мере один неподвижный магнит снабжен арматурой в виде обоймы из магнитопроводящего материала и образует крайние верхний и нижний полюса противоположной полярности, обращенные друг к другу, а между ними находятся, как минимум, один неподвижный и два подвижных магнита, при этом их полюса обращены в противоположные друг другу стороны. Технический результат заключается в создании магнитной подвески маховика, обеспечивающей минимальные потери при вращении, экологическую безопасность, а также минимальную массу магнитного материала при заданных размерах магнитов. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве опор быстровращающихся маховиков инерционных накопителей энергии.

Уровень техники

Известны конструкции магнитных подвесок маховика, включающих как постоянные магниты или магнитные системы в виде магнитов, снабженных арматурой, так и электромагниты (см. Джента Дж., Накопление кинетической энергии, Москва, Мир, 1998, с.206-210, рис.4.7, 4.9). Данная конструкция принята за аналог. Недостатками аналога являются сложность и затраты электроэнергии для питания электромагнита.

Известна конструкция магнитной подвески маховика, содержащая только постоянные магниты, включающая подвижные, связанные с осью маховика, и неподвижные, связанные с корпусом, и чередующиеся друг с другом с зазором, причем магниты выполнены кольцеобразными с аксиальной намагниченностью, подвижные магниты выполнены с нижними торцами одноименной полярности, а с верхними - разноименной полярности с прилегающими торцами неподвижных магнитов, а ось маховика закреплена в фиксирующих опорах (см. Гулиа Н.В., “Маховичные двигатели”, М, Машиностроение, 1976, стр.57, рис.38). Данная конструкция принята за прототип. Как в аналоге, так и в прототипе постоянные магниты могут быть выполнены с арматурой, например ярмом (обоймой) и полюсным наконечником, что упрощает устройство и делает их более технологичными. Этот прием используется в подавляющем большинстве устройств с магнитами и является общеизвестным (см. справочник “Постоянные магниты”, под ред. Ю.М.Пятина, изд. Энергия, М., 1980, с.127).

Недостатком прототипа является то, что магнитные силовые линии крайних - верхнего и нижнего подвижных (вращающихся) магнитов незамкнуты через магнитовод и могут оказать вредное влияние, а также вызвать потери мощности при взаимодействии с окружающими электропроводящими, а тем более ферромагнитными телами, в первую очередь подшипниками фиксирующих опор. К тому же, масса дорогих постоянных магнитов здесь завышена.

Сущность изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание магнитной подвески маховика экологически безвредной, обеспечивающей снижение потерь мощности при вращении маховика, а также массы дорогостоящего материала. Технический результат заключается в обеспечении замкнутости магнитного поля между крайними, верхними и нижними полюсами магнитов, а также в снижении массы магнитного материала при заданных “расчетных” размерах магнитов.

Для достижения технического результата при решении поставленной задачи в известной магнитной подвеске маховика крайние верхний и нижний рабочие полюса магнитов выполнены неподвижными, а между ними находятся, как минимум, два подвижных магнита, между которыми помещен один неподвижный; при этом число подвижных магнитов в общем случае четное, а число неподвижных магнитов с полюсами, обращенными в противоположные стороны, нечетное, а, как минимум, один неподвижный магнит подвески снабжен обоймой из магнитопроводящего материала и образует крайние верхний и нижний полюса, обращенные друг к другу, при этом неподвижные магниты с полюсами, обращенными в противоположные стороны, снабжены втулками из немагнитного материала на внешних цилиндрических поверхностях, а подвижные магниты - на внутренних цилиндрических поверхностях, причем втулки скреплены с магнитами любым известным способом, причем сами магниты или эти втулки, как и сопрягаемые с ними участки оси маховика и обоймы подвески, снабжены резьбой, и зазоры между взаимодействующими полюсами магнитов выполнены регулируемыми.

Краткое описание чертежей

Изобретение представлено на чертеже, где изображена схема магнитные силовые линии подвески маховика. Из-за симметрии представлена только правая половина устройства.

Ось 1 маховика, нагруженная силой его тяжести G (показана стрелкой вниз), зафиксирована в подшипниках 2 с помощью гаек 3. На этой же оси 1 закреплены подвижные магниты 4, в данном случае с помощью втулок 5 из немагнитного материала, приклеенных на внутреннюю цилиндрическую поверхность магнитов 4, сидящих на оси 1, например, с помощью резьбы. Промежуточные неподвижные магниты 6 с втулками 7 из немагнитного материала посажены, например, на резьбе в обойме 8 из магнитопроводящего материала, например электротехнической стали. Втулки 5 и 7 дистанцированы и зазоры между ними зафиксированы с помощью дистанционных втулок 9 и 10 соответственно, посаженных также на резьбе. Обойма 8 (ярмо) на торце, в данном случае верхнем, имеет полюсной наконечник 11, а к нижнему торцу ее с его внутренней стороны примыкает нижний неподвижный магнит 12. Таким образом, система “нижний неподвижный магнит 12 - обойма 8 - полюсной наконечник 11” образует неподвижную магнитную систему с полюсами, обращенными друг к другу, например верхний (на полюсном наконечнике) N и нижний (на магните) S. Упомянутая магнитная система по выполняемым функциям аналогична постоянному магниту с одним из полюсов (S) на верхнем торце магнита 12, а второй (N) - на нижнем торце постоянного магнита 11. При этом не исключается, что на полюсном наконечнике 11 с внутренней (нижней) стороны может находиться магнит из магнитожесткого материала; тогда масса его и нижнего магнита 12 может быть уменьшена. Силовые линии в этом составном магните изображены на чертеже тонкими стрелками.

Данная конструкция магнитной подвески работоспособна и эффективна только в случае, если число подвижных магнитов 4 четное и их, как минимум, два; число промежуточных неподвижных магнитов 6 при этом нечетное и, как минимум, он один; неподвижный магнит с арматурой, образующей магнитную систему с полюсами, обращенными друг к другу, также, как минимум, один; между этими полюсами находится, как минимум, перечисленный набор магнитов. Обойма 8 с подшипниками 2 опирается на корпус маховика 13, причем корпуса подшипников 14 и 15 могут быть выполнены из немагнитных материалов.

Пример реализации изобретения

Полярность всех магнитов изображена на чертеже, на котором силы F, действующие на подвижные магниты 4 со стороны неподвижных, изображены стрелками вверх. Если число подвижных магнитов 2n (четное), то число сил F, действующих на магниты, равно 4n, так как на каждый подвижный магнит 4 действуют две силы F. Сумма сил F уравновешивает силу тяжести маховика G. В данном случае n=1 (число пар подвижных магнитов 4 равно одному) и 4F=G. Стало быть, как максимум, сила взаимодействия F двух рабочих полюсов магнитов - подвижного и неподвижного, вчетверо меньше силы тяжести G маховика. Если n>1, то и сила взаимодействия магнитов может быть меньше, что может уменьшить диаметр магнитов, а это при высокой частоте вращения маховика очень полезно - снижаются потери на гистерезис и токи Фуко, магниты более разрывобезопасны и пр. К тому же магниты малых диаметров более технологичны и их можно выполнять более длинными в осевом направлении. Это следует из теории и расчета магнитных подвесок, изложенных, например, в справочнике “Постоянные магниты”, под ред. Ю.М.Пятина, изд. “Энергия”, Москва, 1980, стр.185-267. Постоянные магниты в подвесках чаще всего заменяются магнитными системами, состоящими из магнитов с арматурой (тот же справочник, с.159, рис.2-24).

Как известно, подвеска, состоящая только из постоянных магнитов, нестабильна (см. цитированный справочник) и здесь необходимы дополнительные опоры, фиксирующие положение оси 1. Эту функцию выполняют подшипники 2 с гайками 4 и корпусами 14 и 15.

Отметим, что разработанная реальная конструкция магнитной подвески на маховик массой 2000 кг содержит от 4 до 10 килограммов (в зависимости от зазора между магнитами) постоянных магнитов из композиции “неодим - железо - бор”.

Промышленное применение

Изобретение соответствует критерию “промышленная применимость”, поскольку осуществимо с помощью известных материалов, средств производства и технологий.

Использование настоящего изобретения позволяет создать магнитную подвеску маховика, обеспечивающую минимальные потери при вращении, экологическую безопасность, а также минимальную массу магнитного материала при заданных размерах магнитов.

1. Магнитная подвеска маховика, включающая подвижные магниты, связанные с осью маховика, и неподвижные, связанные с корпусом, чередующиеся друг с другом с зазорами, причем магниты выполнены кольцеобразными с аксиальной намагниченностью, с полюсами, обращенными в противоположные стороны, при этом подвижные магниты выполнены с нижними торцами одноименной полярности, а с верхними разноименной полярности, с прилегающими торцами неподвижных магнитов, а ось маховика закреплена в фиксирующих опорах, отличающаяся тем, что по крайней мере один неподвижный магнит снабжен обоймой из магнитопроводящего материала и образует крайние верхний и нижний полюса противоположной полярности, обращенные друг к другу, а между ними находятся, как минимум, один неподвижный и два подвижных магнита, при этом их полюса обращены в противоположные друг другу стороны.

2. Магнитная подвеска по п.1, отличающаяся тем, что число неподвижных магнитов с полюсами, обращенными в противоположные стороны, нечетное.

3. Магнитная подвеска по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью регулировки зазоров между магнитами.

4. Магнитная подвеска по п.1, отличающаяся тем, что магниты снабжены втулками из немагнитного материала, установленными у подвижных магнитов на внутренней цилиндрической поверхности, а неподвижных - на внешней, скреплены с магнитами любым известным способом.

5. Магнитная подвеска по п.4, отличающаяся тем, что втулки подвижных магнитов установлены на оси маховика, а втулки неподвижных магнитов - в обойме посредством резьбы.