Колесо на магнитной подушке
Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано в качестве колеса на магнитной подушке, вместо подшипника качения колеса, применительно к работе подвижного устройства на колесном ходу в вакууме, где использование смазки подшипников нецелесообразно или невозможно. Колесо содержит круглый обод с укрепленным на его внешней поверхности эластичным протектором и неподвижную ось, относительно которой вращается круглый обод с эластичным протектором. В колесо введен дополнительный круглый обод, расположенный соосно внутри круглого обода с эластичным протектором и жестко механически связанный с неподвижной осью элементами крепления - траверсами или спицами. Оба круглых обода выполнены из магнитотвердого и намагниченного ферромагнетика. Магнитные полюсы этих круглых ободов, обращенные друг к другу, являются одноименными, а внутренняя вогнутая поверхность круглого обода с эластичным протектором и внешняя выпуклая поверхность дополнительного круглого обода выполнены вращением относительно неподвижной оси с соответствующими радиусами указанных ободов кривых линий - параболы, дуги окружности или их сочетаний. Ширина круглого обода с эластичным протектором выбрана больше ширины дополнительного круглого обода. Технический результат - обеспечение устойчивого магнитного подвеса колеса по всем трем координатам в пространстве с одновременным его подпружиниванием. 3 ил.
Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано в качестве колеса на магнитной подушке, вместо подшипника качения колеса, применительно к работе подвижного устройства на колесном ходу в вакууме, где использование смазки подшипников нецелесообразно или невозможно.
Известно использование электростатической и магнитной подушки во вращающихся системах, например в гироскопах [1-6]. Так, в случае электростатического подвеса ротора гироскопа в форме шара поверхность шара выполняется из диэлектрика, и поддерживающее электрическое поле индуцирует на нем электрические заряды противоположного знака, в результате чего всегда возникает притягивающая сила. Для подвешивания тел это свойство непосредственно использовать нельзя, так как, согласно теореме Ирншоу, статическое равновесие тел, притягивающихся друг к другу по закону обратных квадратов, всегда неустойчиво. Для создания устойчивого подвеса используют регулируемое поле. То же самое имеет место и для магнитных подвесов, когда ротор выполняется из ферромагнетика. Если же ротор изготавливать из диамагнитного материала, то подвес может быть устойчивым и без дополнительного регулирования магнитного поля (пассивный подвес). Эта схема подвеса нашла применение в так называемом криогенном гироскопе, в котором в условиях сверхнизких температур материал шара - ниобий - переходит в сверхпроводящее состояние, при этом он становится идеальным диамагнетиком. Внутрь такого материала магнитное поле не проникает. Само поле создается токами, циркулирующими в сверхпроводнике без потерь.
Согласно теореме Ирншоу отталкивающиеся магнитные системы обратно пропорционально квадрату расстояния между ними также являются неустойчивыми, как и притягивающиеся. Однако в случае регулирования магнитных отталкивающихся полей такие системы становятся устойчивыми. Например, известен так называемый «гроб господний» - некое тело, свободно висящее в воздушном пространстве, внутри которого установлен магнит, а на поверхности земли установлена группа магнитов, например, по окружности, центр которой совпадает с вертикалью, на которой находится магнит «гроба господня», причем магнитные полюсы этих взаимно отталкивающихся магнитов, обращенные друг к другу, являются одноименными. Устойчивое равновесие обеспечивается благодаря тому, что на заданной высоте подвеса «гроба господня» отталкивающее магнитное поле минимально и достаточно для удержания «гроба господня» на заданной высоте, а во всех направлениях от этой вертикали магнитное отталкивающее поле растет, то есть создает возвращающую силу, направленную к данной вертикали. Это известное устройство можно использовать в качестве прототипа заявляемому техническому решению, использующему свойство отталкивания между обращенными друг к другу одноименными магнитными полюсами двух магнитов.
Недостатком известного устройства («гроба господня») статического удержания одного тела относительно другого в заданной области пространства является неспособность удерживаемого тела с помощью магнитной подушки к вращению относительно поверхности расположения другого тела, при котором возможно движение удерживаемого тела в произвольном направлении на этой поверхности.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является обеспечение устойчивого магнитного подвеса колеса по всем трем координатам в пространстве с одновременным его подпружиниванием.
Указанная цель достигается в колесе на магнитной подушке, содержащем круглый обод с укрепленным на его внешней поверхности эластичным протектором и неподвижную ось, относительно которой вращается круглый обод с эластичным протектором, отличающемся тем, что в него введен дополнительный круглый обод, расположенный соосно внутри круглого обода с эластичным протектором и жестко механически связанный с неподвижной осью элементами крепления - траверсами или спицами, причем оба круглых обода выполнены из магнитотвердого и намагниченного ферромагнетика, магнитные полюсы этих круглых ободов, обращенные друг к другу, являются одноименными, а внутренняя вогнутая поверхность круглого обода с эластичным протектором и внешняя выпуклая поверхность дополнительного круглого обода выполнены вращением относительно неподвижной оси с соответствующими радиусами указанных ободов кривых линий - параболы, дуги окружности или их сочетаний, при этом ширина круглого обода с эластичным протектором выбрана больше ширины дополнительного круглого обода.
Достижение указанной цели изобретения объясняется устойчивостью дополнительного круглого обода по всем трем декартовым координатам относительно круглого обода с элластичным протектором за счет выбранных форм поверхностей одноименных магнитных полюсов вложенных центрально симметрично друг в друга намагниченных ободов.
Заявляемое устройство понятно из представляемых рисунков.
На фиг.1 дан разрез сборки колеса на магнитной подушке, содержащего следующие элементы:
1 - дополнительный круглый обод - намагниченный первый ферромагнитный тороид,
2 - неподвижная ось,
3 - элементы крепления дополнительного круглого обода 1 с неподвижной осью 2,
4 - круглый обод (внешний по отношению к ободу 1) - намагниченный второй ферромагнитный тороид,
5 - эластичный протектор (необязательный элемент устройства).
На фиг.2 дан вид сбоку и сверху на невращающиеся элементы устройства - дополнительный круглый обод с траверсами и осью.
На фиг.3 представлена схема намагничивания дополнительного круглого обода 1 - первого ферромагнитного тороида, выполненного из магнитотвердого ферромагнетика (например, феррита SmCo3, которая содержит следующие элементы:
6 - круглый сердечник из магнитомягкого ферроматериала (например, железа) с резьбовым соединением на одном его конце и цилиндрическим полюсом - на другом, соосно которому с малым зазором устанавливается намагничиваемый ферромагнитный тороид 1 из магнитотвердого ферроматериала,
7 - полый цилиндрический магнитопровод из магнитомягкого материала с днищем, в которое заворачивается круглый сердечник 6 при сборке, с образованным в нем полюсом, повторяющим форму внешней поверхности намагничиваемого ферромагнитного тороида 1 с малым зазором относительно последней,
8 - стопорное кольцо для удержания ферромагнитного тороида в магнитном зазоре в требуемом положении, закрепленное в канавке цилиндрического полюса круглого сердечника 6,
9 - катушка намагничивающего соленоида, связанная с круглым сердечником 6, которая связана с источником подмагничивающего тока, создающего в зазоре электромагнита насыщающее постоянное магнитное поле для установленного в зазор ферромагнитного тороида.
При пропускании в катушке соленоида 9 постоянного тока подмагничивания создается намагничивающее магнитное поле между полюсами электромагнита с магнитными полюсами, указанными на фиг.3, под действием магнитного потока, указанного фигурной стрелкой на круглом сердечнике 6. При этом на внутренней цилиндрической поверхности ферромагнитного тороида 1 образуется один магнитный полюс, а на внешней профильной - другой.
Аналогичным образом намагничивают второй ферромагнитный тороид круглого обода 4. Однако при этом форма поверхности круглого сердечника 6 выполняется согласованной с внутренней поверхностью круглого обода 4, а полюс магнитопровода 7 имеет цилиндрическую форму. При этом между магнитными полюсами электромагнита и вторым ферромагнитным тороидом имеются малые зазоры. Намагничивающий ток в катушке 9 меняют по направлению на противоположное.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
Если бы магнитные полюса круглого обода 4 и дополнительного круглого обода 1 были бы цилиндрическими, то дополнительный круглый обод 1, неподвижно закрепленный траверсами крепления 3 к неподвижной оси 2, и круглый обод 4 с эластичным протектором 5 самоцентрировались бы относительно неподвижной оси 2 в плоскости XY, совпадающей с плоскостью, ортогональной неподвижной оси 2. Всякое отклонение круглого обода 4 от неподвижной оси 2 вызывает возвращающую силу, направленную к неподвижной оси. Если к круглому ободу 4 приложить извне силу, вектор которой лежит в плоскости XY и направлен к неподвижной оси 2, то симметрия расположения этого круглого обода 4 относительно неподвижной оси 2 нарушается, что вызывает равную и противоположно направленную силу магнитного отталкивания. Наибольшая величина внешней силы, которая может быть приложена извне к круглому ободу 4, ограничивается наибольшей возможной силой магнитного отталкивания при минимально допустимом зазоре между ободами 1 и 4 с учетом форм указанных выше их поверхностей. Эта сила определяет наибольшую нагрузку на заявляемое колесо на магнитной подушке. Эта сила определяется намагниченностью используемых в устройстве ферромагнитных тороидов. Одним из лучших магнитотвердых ферроматериалов является феррит SmCo3, обладающий наибольшим произведением магнитной индукции на напряженность магнитного поля (ВН)МАХ, достигающим величины 320 Тл·кА/м (40 млн. Гс·Э).
Однако при одноименных цилиндрических магнитных полюсах ободов 1 и 4, обращенных друг к другу, магнитная система не обладает устойчивостью вдоль оси Z, то есть относительно расположения неподвижной оси 2. Иначе говоря, при этом круглый обод 4 с элластичным протектором 5 стремится выйти в том или ином направлении относительно неподвижной оси 2 из магнитной связи с дополнительным круглым ободом 1.
Для обеспечения устойчивости магнитной системы относительно оси Z в заявляемом устройстве внутренняя вогнутая поверхность второго ферромагнитного тороида круглого обода 4 и внешняя выпуклая поверхность первого ферромагнитного тороида дополнительного круглого обода 1 представляются телами вращения (вокруг неподвижной оси 2) некоторого отрезка параболы, окружности или их сочетаний, симметричных относительно диаметра ободов 1 и 4. При этом любое смещение круглого обода 4 вдоль оси Z расстояние между краевыми частями ободов 1 и 4 сокращается, что вызывает возвращающую силу, проекция которой на ось Z направлена против направления указанного смещения от положения равновесия, что приводит к возвращению дополнительного круглого обода 4 с эластичным протектором 5 в положение устойчивого равновесия. Если вдоль оси Z на круглый обод 4 действует внешняя сила (например, во время поворота движущегося колеса, как при повороте автомобиля на дороге), возникает смещение круглого обода вдоль неподвижной оси 2. Максимально возможная сила, прикладываемая к круглому ободу 4, также определяется намагниченностью ферроматериалов первого и второго ферромагнитных тороидов в составе ободов 1 и 4, а также оптимальным выбором профилей поверхностей их связанных одноименных магнитных полюсов и соотношения ширины этих полюсов. Возможны различные варианты профилей. Например, возвращающие силы вдоль оси Z возникают и в том случае, если эти поверхности одинаковые и являются телами вращения отрезков двух разных по диаметру окружностей или двух разных парабол. Может быть использовано сочетание разных профилей - тел вращения отрезков окружностей или парабол. Во всех этих случаях общим для них является увеличение проекций сил отталкивания в направлении к положению равновесия по оси Z при любых предельно допустимых смещениях круглого обода 4 относительно дополнительного круглого обода 1 вдоль неподвижной оси 2.
Необходимо отметить, что использование той или иной формы профилей одноименных магнитных полюсов ферромагнитных тороидов приводит к перераспределению возвращающих сил в плоскости XY и вдоль оси Z, что определяет перераспределение осевой нагрузки на колесо и центростремительной силы при осуществлении поворотов колесом движущегося объекта, снабженного такими колесами. Поэтому конкретный выбор формы профилей зависит от характера использования колеса в составе движущегося объекта, например лунохода. Это обстоятельство предопределило неявное выражение в формуле изобретения конкретного задания профилей поверхностей взаимно отталкивающихся магнитных полюсов первого и второго намагниченных ферромагнитных тороидов, и это обстоятельство не может рассматриваться как неопределенность выполнения заявляемого устройства.
Заявляемое устройство может быть использовано в составе движущегося объекта. Для увеличения грузоподъемности объекта можно использовать несколько расположенных на одной оси колес. Применение таких колес не требует использования подшипников качения, смазка которых исключается при условии функционирования движущихся объектов в вакуумном пространстве, например при работе их на лунной поверхности. Одновременно следует отметить, что применение таких колес не связано с необходимостью использования амортизаторов подвижного устройства, двигающегося по неровной поверхности, поскольку сами такие колеса выполняют роль пружинных подвесок, смягчают тряску при езде по пересеченной местности. Это также создает дополнительно положительный эффект от использования заявляемого технического решения.
Предложение может быть использовано в космической навигации. Кроме того, оно может использоваться в качестве элемента измерительного прибора - акселерометра при действии вектора внешней силы в произвольном направлении путем измерения смещений положения концов свободной оси 2 дополнительного круглого обода 1 при действии внешней силы на круглый обод 4, закрепленный на движущимся произвольно в пространстве объекте. При этом концы свободной оси 2 известной длины могут быть оптически связаны с датчиками перемещений этих концов по всем трем координатам, что расчетным путем (с помощью спецпроцессора) позволяет найти величину и положение вектора внешней силы. Произвольное изменение положения круглого обода 4 в пространстве при действии гравитационного поля в этом случае будет при неподвижном объекте или равномерно и прямолинейно движущемся (то есть находящемся в состоянии относительного покоя) приводить к смещениям концов свободной оси 2, то есть можно будет вслепую определить направление к центру гравитирующего тела (например, Земли), то есть использовать такой прибор как некий компас, не магнитный, а гравитационный, что также полезно как дополнительное средство инерциальной навигации.
Литература
1. Булгаков Б.В. Прикладная теория гироскопов. 3 изд., М., 1976.
2. Николаи Е.Л. Гироскоп в кардановом подвесе. 2 изд., М., 1964.
3. Малеев П.П. Новые типы гироскопов. Л., 1971.
4. Магнус К. Гироскоп. Теория и применение, пер. с нем. М., 1974.
5. Ишлинский А.Ю. Ориентация, Гироскопы и инерциальная навигация. М., 1976.
6. Климов Д.М., Харламов С.А. Динамика гироскопа в кардановом подвесе. М., 1978.
Колесо на магнитной подушке, содержащее круглый обод с укрепленным на его внешней поверхности эластичным протектором и неподвижную ось, относительно которой вращается круглый обод с эластичным протектором, отличающееся тем, что в него введен дополнительный круглый обод, расположенный соосно внутри круглого обода с эластичным протектором и жестко механически связанный с неподвижной осью элементами крепления - траверсами или спицами, причем оба круглых обода выполнены из магнитотвердого и намагниченного ферромагнетика, магнитные полюсы этих круглых ободов, обращенные друг к другу, являются одноименными, а внутренняя вогнутая поверхность круглого обода с эластичным протектором и внешняя выпуклая поверхность дополнительного круглого обода выполнены вращением относительно неподвижной оси с соответствующими радиусами указанных ободов кривых линий - параболы, дуги окружности или их сочетаний, при этом ширина круглого обода с эластичным протектором выбрана больше ширины дополнительного круглого обода.
