Магнитная опора вертикального ротора
Владельцы патента RU 2328348:
Федеральное государственное унитарное предприятие Производственное объединение "Электрохимический завод" (RU)
Изобретение относится к машиностроению и преимущественно к магнитным опорам вертикальных роторов быстровращающихся приборов, накопителей энергии, центрифуг. Магнитная опора вертикального ротора включает установленный в корпусе кольцевой магнит, размещенную на роторе ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, и датчик замера частоты вращения ротора. При этом датчик установлен в аксиальном зазоре между нижним торцом магнита и верхним торцом втулки. Технический результат заключается в том, что в опоре не создается несимметричных относительно оси вращения ротора возмущений, а датчик вынесен из внутренней полости корпуса ротора без усложнения конструкции опоры. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к машиностроению и преимущественно к магнитным опорам вертикальных роторов быстровращающихся приборов, гироскопов, накопителей энергии, генераторов, турбомолекулярных насосов, центрифуг. Изобретение относится, главным образом, к многофункциональным магнитным опорам, в которых верхняя магнитная опора ротора не только разгружает нижнюю опору от осевой нагрузки, но и одновременно обеспечивает радиальную жесткость и центровку ротора относительно корпуса, а также создает магнитное поле, в котором устанавливают датчики для определения параметров вращающегося ротора.
Известно техническое решение (Патент РФ: RU 2180435, G01М 1/22, В04В 9/14, 05.11.1999), в котором расположенный в магнитном поле опоры пластинчатый индуктор взаимодействует с неподвижно установленным около него датчиком в виде индуктивной катушки и индуцирует в ней переменный ток в виде сигнала, обработка которого позволяет выделить информацию о скорости вращения и радиальных или осевых перемещениях ротора.
Размещение пластинчатого индуктора на быстровращающемся роторе создает проблемы совместности его деформаций с другими деталями ротора и обеспечения прочности индуктора.
Известна магнитная опора вертикального ротора, принятая за прототип, которая содержит 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 у верхнего торца втулки и радиальным отгибом, выполняющим функцию индуктора, у нижнего торца втулки (Патент РФ RU 2054334, В04В 9/12, 11.11.1992).
Это изобретение повышает жесткость магнитной опоры и снижает давление на нижнюю опору. Одновременно расположенная вблизи радиального отгиба нижнего торца втулки индуктивная катушка воспринимает изменения магнитного потока в магнитной опоре при вращении и колебаниях ротора и используется для определения его параметров.
Недостаток известного решения состоит в том, что одностороннее расположение датчика вызывает возникновение несимметричной нагрузки на ротор, которая может быть существенной в магнитных опорах роторов чувствительных приборов. Кроме того, датчик, воспринимающий изменения магнитного поля при вращении ротора, расположен во внутренней полости с вращающимся ротором, которая может находиться под действием агрессивных пылевых и газовых сред и повышенных температур, что препятствует свободному доступу к датчику без вскрытия внутренней полости корпуса.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании многофункциональной верхней магнитной опоры ротора с датчиком оборотов, не создающим несимметричных относительно оси вращения ротора возмущений и вынесенным из внутренней полости корпуса ротора без усложнения конструкции опоры.
Для этого в магнитной опоре вертикального ротора, включающей установленный в корпусе кольцевой магнит, размещенную на роторе ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, и датчик замера частоты вращения ротора, датчик установлен в аксиальном зазоре между нижним торцом магнита и верхним торцом втулки.
Дополнительно датчик установлен снаружи корпуса.
Кроме того, на нижнем торце магнита установлен полюсный наконечник из ферромагнитного материала.
Дополнительно верхний торец втулки выполнен в виде зубчатого венца.
Дополнительно огибающая зубчатого венца имеет форму синусоиды.
Дополнительно глубина впадин зубчатого венца составляет 0,01-0,03 от среднего диаметра верхнего торца втулки.
Дополнительно высота одного зуба венца составляет 0,4-0,9 от высоты остальных зубцов.
Дополнительно чувствительный элемент датчика выполнен в виде катушки индуктивности.
Дополнительно датчик выполнен из ряда последовательно соединенных катушек индуктивности, сдвинутых в круговом направлении одна от другой на угол, кратный углу чередования зубцов венца.
Дополнительно число витков, по крайней мере, одной из катушек на 5-50% отличается от числа витков других катушек.
Дополнительно датчик выполнен в виде пластины с закрепленными в ней, например, термореактивной смолой, катушками.
Изобретение поясняется чертежами:
фиг.1 - продольный разрез магнитной опоры вертикального ротора с датчиком во внутренней полости корпуса;
фиг.2 - продольный разрез магнитной опоры вертикального ротора с датчиком снаружи корпуса;
фиг.3 - вариант выполнения опоры с полюсным наконечником и с втулкой с зубчатым венцом;
фиг.4 - вариант выполнения датчика с катушкой индуктивности;
фиг.5 - вариант выполнения опоры с датчиком из нескольких катушек индуктивности;
фиг.6 - вариант выполнения датчика с несколькими катушками индуктивности.
Магнитная опора вертикального ротора содержит кольцевой аксиально намагниченный магнит 1, установленный на немагнитной крышке 2 корпуса 3 (фиг.1), ферромагнитную втулку 4, закрепленную на роторе 5 соосно с ним в его верхней части и расположенную напротив нижнего торца магнита 1 с полюсом S. Ротор 5 опирается на нижнюю опору 6, а в верхней магнитной опоре не имеет механического контакта с неподвижными деталями. Датчик 7 замера частоты вращения установлен во внутренней полости корпуса 3 под крышкой 2 в аксиальном зазоре между нижним торцом магнита 1 и верхним торцом втулки 4. Выводы 8 датчика через уплотняющую втулку 9 в крышке 2 проходят из внутренней полости корпуса 3 для соединения с регистрирующими приборами.
В варианте выполнения магнитной опоры (фиг.2) датчик 7 вынесен из внутренней полости корпуса 3 и установлен на крышке 2 под магнитом 1.
В другом варианте выполнения магнитной опоры (фиг.3) на нижний торец магнита 1 установлен полюсный наконечник 10. Датчик 7 расположен между нижним торцом наконечника 10 и верхним торцом втулки 4. Верхний торец втулки 4 выполнен в виде зубчатого венца. Огибающая 11 зубчатого венца имеет форму синусоиды с шестью впадинами с глубиной Н от верхнего торца втулки 4. Глубина впадин H зубчатого венца составляет 0,01-0,03 от среднего диаметра верхнего торца втулки, так что выполняется соотношение Н=(0,01-0,03)(D+d)/2, где
D - наружный диаметр верхнего торца втулки;
d - внутренний диаметр верхнего торца втулки.
Высота h зуба 12 выполнена меньше, чем высота Н остальных пяти зубьев 13, так что выполняется соотношение h=(0,4-0,9)Н.
Чувствительный элемент датчика 7 (фиг.4) выполнен в виде катушки индуктивности 14, расположенной в пластине, и имеет выводы 8.
Датчик 15 (фиг.5 и фиг.6) выполнен в виде пластины с закрепленными в ней рядом последовательно соединенных проводниками 16 индуктивных катушек 17, 18 и 19, сдвинутых в круговом направлении одна от другой на угол 120°, кратный углу чередования шести зубцов венца. Причем катушка 19 выполнена с отличным на 5-50% от катушек 17 и 18 числом витков. Катушки закреплены в кольцевой пластине.
Магнитная опора работает следующим образом.
В покое и при вращении ротора 5 осесимметричное магнитное поле магнита 1 удерживает ферромагнитную втулку 4 и связанный с ней ротор 5 в вертикальном положении, не препятствуя вращению ротора 5 на опоре 6. В случае отклонения ротора от оси корпуса 3 симметричность магнитного поля нарушается, что создает радиальную силу, препятствующую отклонению ротора 5 и возвращающую ротор 5 в исходное положение при прекращении действия возмущающей силы.
Датчик 7, расположенный внутри корпуса 3 (фиг.1) в магнитном потоке, в зазоре между магнитом 1 и втулкой 4, реагирует на изменения этого магнитного потока, которые возникают при вращении ротора 5 и при отклонении его от оси вращения. Сигнал с датчика 7 через уплотняющую втулку 9 поступает на вывод 8.
Датчик 7, расположенный снаружи корпуса 3 (фиг.2) в магнитном потоке, в зазоре между магнитом 1 и втулкой 4, реагирует на изменения этого магнитного потока, которые возникают при вращении ротора 5 и при отклонении его от оси вращения. Сигнал с датчика 7 непосредственно поступает на вывод 8.
Датчик 7, расположенный снаружи корпуса 3 (фиг.3) в магнитном потоке, в зазоре между магнитом, полюсным наконечником 10 и втулкой 4, реагирует на изменения более плотного магнитного потока, создаваемого полюсным наконечником 10, которые возникают при вращении ротора 5 и при отклонении его от оси вращения. Более мощный сигнал с датчика 7 непосредственно поступает на вывод 8, что повышает чувствительность датчика.
Дальнейшее повышение чувствительности датчика 7 обеспечивается выполнением верхнего торца втулки 4 в виде зубчатого венца с огибающей 11 в виде синусоиды. Причем выполнение глубины впадин зубчатого венца, составляющей 0,01-0,03 от среднего диаметра верхнего торца втулки 4, позволяет обеспечить наилучшее сочетание величины подъемной силы магнитной опоры, ее радиальной жесткости и приемлемой величины получаемого с датчика 7 сигнала.
При вращении ротора 5 пики и впадины огибающей 11 зубчатого венца в форме синусоиды, проходя под датчиком 7, создают более быстрые изменения магнитного потока, в результате чего величина сигнала датчика 7 увеличивается и возрастает его чувствительность. Кроме того, частота сигнала датчика 7 увеличивается кратно количеству зубцов, что облегчает обработку сигнала датчика 7 в регистрирующем приборе. А при выполнении высоты одного зуба 12 венца, составляющей 0,4-0,9 от высоты остальных зубцов 13, сигнал, поступающий с датчика 7, становится привязанным к фазе вращения ротора 5, что при обработке сигнала позволяет определить не только скорость вращения и амплитуду отклонения ротора 5 от оси вращения, но и положение ротора 5 в пространстве в любой момент времени.
При выполнении чувствительного элемента датчика 7 в виде плоской катушки индуктивности 14 с небольшим количеством витков, закрепленной на пластине термореактивной смолой (фиг.4), значительно упрощается конструкция датчика и магнитной опоры. Повышение чувствительности в такой конструкции обеспечивается выполнением датчика 15 (фиг.6) с чувствительными элементами из ряда последовательно соединенных проводниками 16 катушек индуктивности 17, 18, 19, сдвинутых в круговом направлении одна от другой на угол 120°, кратный углу чередования шести зубцов венца, в результате чего сигнал с катушек суммируется на выводах 8. При этом для выделения фазы вращения ротора 5 из сигнала такого датчика 15 число витков катушки 19 на 5-50% отличается от числа витков других катушек 17 и 18, что позволяет определять по величине сигнала на выводах 8 положение зуба 12 с меньшей высотой зуба относительно катушек датчика.
1. Магнитная опора вертикального ротора, включающая установленный в корпусе кольцевой магнит, размещенную на роторе ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, и датчик замера частоты вращения ротора, отличающаяся тем, что датчик установлен в аксиальном зазоре между нижним торцом магнита и верхним торцом втулки.
2. Магнитная опора вертикального ротора по п.1, отличающаяся тем, что датчик установлен снаружи корпуса.
3. Магнитная опора вертикального ротора по п.1, отличающаяся тем, что на нижнем торце магнита установлен полюсный наконечник из ферромагнитного материала.
4. Магнитная опора вертикального ротора по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что верхний торец втулки выполнен в виде зубчатого венца.
5. Магнитная опора вертикального ротора по п.4, отличающаяся тем, что огибающая зубчатого венца имеет форму синусоиды.
6. Магнитная опора вертикального ротора по п.5, отличающаяся тем, что глубина впадин зубчатого венца составляет 0,01-0,03 среднего диаметра верхнего торца втулки.
7. Магнитная опора вертикального ротора по п.5, отличающаяся тем, что высота одного зуба венца составляет 0,4-0,9 высоты остальных зубцов.
8. Магнитная опора вертикального ротора по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что чувствительный элемент датчика выполнен в виде катушки индуктивности.
9. Магнитная опора вертикального ротора по п.8, отличающаяся тем, что датчик выполнен из ряда последовательно соединенных катушек индуктивности, сдвинутых в круговом направлении одна от другой на угол, кратный углу чередования зубцов венца.
10. Магнитная опора вертикального ротора по п.9, отличающаяся тем, что число витков, по крайней мере, одной из катушек на 5-50% отличается от числа витков других катушек.
11. Магнитная опора вертикального ротора по п.8, отличающаяся тем, что датчик выполнен в виде пластины с закрепленными в ней, например, термореактивной смолой катушками.
