Магнитный подшипник и способ установки ферромагнитной структуры вокруг сердечника магнитного подшипника

Изобретение относится к магнитным подшипникам для вращающихся машин, в соответствии с чем подшипник представляет собой интегрированную радиально-осевую конструкцию, при этом осевой магнитный поток управления проходит через центральное отверстие магнитомягкого сердечника. Магнитный подшипник содержит узел радиального привода и узел осевого привода. Узел радиального привода содержит пакет (2) пластин статора, который обеспечивает магнитопровод (3) статора. Магнитопровод (3) статора связан с замкнутой ферромагнитной структурой (9), которая окружает магнитопровод (3) статора. Технический результат: обеспечение альтернативного способа для уменьшения потерь из-за вихревых токов. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 16 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к магнитным подшипникам для вращающихся машин, в соответствии с чем подшипник представляет собой интегрированную радиально-осевую конструкцию, при этом осевой магнитный поток управления проходит через центральное отверстие магнитомягкого сердечника.

Магнитные подшипники обеспечивают бесконтактное подвешивание. Их низкие потери на трение означают, что они являются привлекательными для высокоскоростных вариантов применения. Однако конструкция высокоскоростных вращающихся машин часто является сложной вследствие ротодинамических ограничений. В этом отношении каждое уменьшение осевой длины вносит свой вклад в ротодинамический коэффициент. Это свойство в максимальной степени применяется в комбинированных подшипниках ('combo bearings'), т.е. подшипниках, в которых конструкция объединяет осевой и радиальный каналы в компактную схему расположения, в которой совместно используются различные функциональные части.

Уровень техники

Различные примеры комбинированных подшипников можно найти в патентах и патентной литературе. Часто траектория осевого магнитного потока управления проходит через центральное отверстие в пакете пластин ферромагнитного материала. Примеры таких решений можно найти в следующих патентах или патентных заявках: US 5514924, US 6268674, US 6727617, WO 2008/074045, CN 1737388. Другие примеры могут быть найдены в литературе, такой как публикации Imoberdorf е.а., Pichot е.a., Buckner е.а. В подшипниках такого типа как комбинированные подшипники, как описывается в документе US 6359357 B1, автор Blumenstock, осевой магнитный поток управления не проходит через центральное отверстие в пакете пластин из ферромагнитного материала.

На рабочие характеристики осевого канала комбинированного подшипника может быть оказано вредное воздействие, если траектория осевого магнитного потока управления проходит через центральное отверстие пакета пластин, или в более общем смысле - если комбинированный подшипник содержит секцию, в которой электропроводящий путь окружает магнитный поток управления. В том случае, когда магнитные потоки управления изменяются, то в окружающем материале генерируются напряжения. Эти генерируемые напряжения вызывают циркуляцию токов и, следовательно, джоулевы потери, если окружающий путь является замкнутым и электропроводящим. Фактически такой пакет пластин может рассматриваться как короткозамкнутая вторичная обмотка трансформатора, в которой осевая катушка управления является первичной обмоткой. Результат зависит от частоты: в принципе потери увеличиваются вместе с увеличением частоты. При определенном осевом токе управления и частоте джоулевы потери уменьшают силу, которая может быть реализована. В результате этого на рабочие характеристики осевого канала может быть оказано воздействие.

Аналогичное явление может произойти в пакете пластин, на который действует осевой привод. В этом случае магнитный поток управления сам входит в пакет пластин, но физическая интерпретация остается аналогичной. В патенте США №6268674 (Takahashi) предлагается создание последовательности равномерно распределенных радиальных вырезов в таком пакете пластин. Конечно пластины не разрезаются по всей их толщине, для того чтобы поддерживать достаточную прочность. В результате этого индуцированные токи остаются локализованными, если магнитный поток управления только входит в область разреза. Эта технология имеет отношение только к обеспечению решения для уменьшения потерь в пакете пластин. Общий магнитный поток управления всегда окружается другим пакетом статора.

Международная патентная заявка WO 2011/054065 описывает способ устранения вихревых токов, индуцируемых в пакете статора осевым полем управления. Это реализуется путем разреза каждой пластинки пакета и составления в пакет пластинок таким образом, что на магнитное сопротивление магнитным полям внутри набора оказывается минимальное воздействие. Недостатком этого способа является то, что магнитное сопротивление пакета магнитным полям, которые вызываются радиальными катушками управления, увеличивается. Кроме того, поскольку известно, что покрытие между пластинками не является совершенно изолирующим, и поскольку части этой сборки также могут приводить к контакту между пластинками, циркуляционные токи все еще могут наблюдаться. Следовательно, дополнительные меры для гашения этих вихревых токов могут дополнительно улучшать рабочие характеристики.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение альтернативного способа для уменьшения потерь из-за вихревых токов.

Для этой цели изобретение относится к магнитному подшипнику, который содержит узел радиального привода и узел осевого привода, при этом узел радиального привода содержит пакет пластин статора, обеспечивающий магнитопровод статора. При этом магнитопровод статора связан с замкнутой ферромагнитной структурой, которая окружает магнитопровод статора.

Краткое описание чертежей

С тем чтобы наилучшим образом показать характеристики изобретения, некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения магнитного подшипника, в соответствии с изобретением, описываются в дальнейшем в качестве примера, без какого-либо ограничивающего характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:

фиг. 1-3 - продольное сечение известных комбинированных подшипников;

фиг. 4 и 5 - радиальное сечение известных комбинированных подшипников;

фиг. 6 - схематичный вид в перспективе части магнитного подшипника в соответствии с изобретением, которая отвечает за создание радиальных сил;

фиг. 7 - сечение по линии VII-VII на фиг. 6;

фиг. 10, 13 и 14 - различные варианты выполнения ярма пакета сложного материала в соответствии с фиг. 7;

фиг. 8 и 9 - последовательные шаги сборки ферромагнитной структуры в соответствии с фиг. 7;

фиг. 11 - часть ферромагнитной структуры в соответствии с фиг. 10;

фиг. 12 - изображение с пространственным разделением ферромагнитной структуры в соответствии с фиг. 14;

фиг. 16 - изображение с пространственным разделением ферромагнитной структуры в соответствии с фиг. 14.

Осуществление изобретения

На фиг. 1, 2 и 3 показаны некоторые продольные сечения подшипников комбинированного типа из уровня техники. Два возможных радиальных сечения подшипников комбинированного типа из уровня техники показаны на фиг. 4 и 5. Все показанные альтернативные конструкции состоят из пакета 1 пластин ротора, пакета 2 пластин статора, магнитопровода 3 статора, полюсного магнитопровода 12, двух осевых полюсов 4a и 4b и по меньшей мере трех радиальных полюсов 5.

Осевые силы регулируются осевой катушкой 6 управления, конструкция которой является осесимметричной.

Радиальные силы регулируются радиальными катушками 7 управления, которые намотаны вокруг радиальных полюсов 5.

Если поле подмагничивания не создается постоянными магнитами 8, оно может создаваться путем добавления тока подмагничивания к осевому току управления определенным способом или путем направления тока подмагничивания через отдельную катушку подмагничивания, которая также представляет собой осесимметричную форму и располагается поблизости от осевой катушки 6 управления. Вышеупомянутая катушка подмагничивания, которая имеет такую же конструкцию, как и осевая катушка 6 управления, физически отделена от этой осевой катушки 6 управления, но находится в непосредственной близости от нее.

Когда ток подается в радиальную катушку 7 управления, магнитный поток начинает протекать в плоскости пластин пакета 2 статора.

Магнитный поток, который генерируется током, подаваемым в осевую катушку 6 управления, протекает через полюсный магнитопровод 12, затем входит в осевой полюс 4a, пересекает щель и входит в пакет 1 ротора, пересекает щель и входит в противоположный осевой полюс 4b, и наконец возвращается в полюсный магнитопровод 12.

В результате вышеизложенного меняющийся во времени магнитный поток пересекает центральное отверстие пакета 2 статора, поскольку осевой ток управления изменяется во времени.

В соответствии с законами Фарадея-Ленца и Ома циркуляционные токи генерируются в пластинах пакета 2 статора. Следовательно, целью настоящего изобретения является обеспечение гасящего устройства для этих индуцированных циркуляционных токов.

Полное сопротивление циркуляционным токам, в первую очередь, определяется тангенциальным сопротивлением пакета пластин.

Может быть небольшой вклад индуктивности, но он довольно ограничен. Настоящее изобретение касается установки дополнительного устройства вокруг пакета пластин, так чтобы вклад индуктивности в полное сопротивление существенно увеличился.

В соответствии с изобретением на практике это выполняется путем связи магнитопровода статора с замкнутой ферромагнитной структурой 9, окружающей магнитопровод 3 статора, как показано на фиг. 6.

На практике «связь» означает, что вышеупомянутая ферромагнитная структура 9 фактически окружает часть магнитопровода 3 статора, в то время как магнитопровод 3 статора также окружает часть вышеуказанной ферромагнитной структуры 9 подобно двум звеньям цепи, которые соединены вместе.

Осевые сечения магнитопровода 3 статора из пакета пластин с несколькими типовыми вариантами окружающих полых ферромагнитных структур 9 показаны на фиг. 7, 10, 13 и 14.

Чтобы максимизировать эффективность этого способа, в идеальном случае предпринимаются дополнительные меры, чтобы ограничить или предотвратить вихревые токи, генерируемые в полой ферромагнитной структуре 9.

Это может быть реализовано, например, путем сборки полой ферромагнитной структуры 9, используя детали 10, такие как ферритовые детали, магнитомягкие композитные детали или детали из составленных в пакет тонких ферромагнитных пластин.

Для того чтобы минимизировать магнитное сопротивление ферромагнитной структуры 9 и ее стоимость, вышеуказанные детали 10, предпочтительно, имеют форму буквы U, как показано на фиг. 8.

Фиг. 9 показывает способ, с помощью которого такие детали в виде латинской буквы U могут быть установлены вокруг магнитопровода 3 статора. Вместо использования деталей 10, имеющих форму буквы U, также могут использоваться прямые детали 11, как показано на фиг. 11.

Фиг. 12 показывает способ, с помощью которого эти прямые детали 11 на фиг. 11 могут быть установлены вокруг магнитопровода 3. Для того чтобы минимизировать магнитное сопротивление, необходимо, чтобы детали были спрессованы вместе.

Однако такая полая ферромагнитная структура 9 также может быть выполнена путем намотки аморфных лент или нанокристаллических лент вокруг магнитопровода 3 статора из пакета пластин, как показано на фиг. 13.

Вместо непосредственной намотки этих материалов также может производиться намотка на отдельную структуру. Полученные в результате полые ферромагнитные структуры могут быть разделены на части, как показано на фиг. 15. Эти части могут быть снова соединены вместе вокруг магнитопровода 3 статора из пакета пластин, как показано на фиг. 16, причем эти части спрессовываются вместе, чтобы минимизировать магнитное сопротивление.

Изобретение никоим образом не ограничивается описанными выше и показанными на чертежах вариантами осуществления изобретения, и магнитный подшипник в соответствии с изобретением может быть реализован во всех видах вариантов, не выходя за пределы объема изобретения.

1. Магнитный подшипник, содержащий узел радиального привода и узел осевого привода, причем узел радиального привода содержит пакет (2) пластин статора, который обеспечивает магнитопровод (3) статора, отличающийся тем, что магнитопровод (3) статора связан с замкнутой ферромагнитной структурой (9), которая окружает указанный магнитопровод (3) статора.

2. Магнитный подшипник по п. 1, отличающийся тем, что узел осевого привода содержит по меньшей мере одну осевую катушку (6) управления, которая окружает пакет (2) пластин статора, и дополнительно содержит полюсный магнитопровод (12) и два осевых полюса (4а и 4b), при этом постоянные магниты (8) размещены между магнитопроводом (3) статора и обоими осевыми полюсами (4а и 4b), причем указанные постоянные магниты (8) намагничены в осевом направлении, и направление намагничивания постоянных магнитов (8) противоположно на обеих осевых сторонах магнитопровода (3) статора.

3. Магнитный подшипник по п. 1, отличающийся тем, что радиально намагниченный постоянный магнит (8) окружает пакет (2) пластин статора, при этом по меньшей мере одна осевая катушка (6) управления узла осевого привода установлена по меньшей мере на одной осевой стороне пакета (2) пластин статора и указанных радиально намагниченных постоянных магнитов (8).

4. Магнитный подшипник по п. 3, отличающийся тем, что указанный радиально намагниченный постоянный магнит (8) состоит из последовательности установленных рядом постоянных магнитов меньшего размера.

5. Магнитный подшипник по п. 1, отличающийся тем, что узел осевого привода содержит по меньшей мере одну осевую катушку (6) управления, полюсный магнитопровод (12) и два осевых полюса (4а и 4b), при этом указанная по меньшей мере одна осевая катушка (6) управления установлена по меньшей мере на одной осевой стороне указанного пакета (2) пластин статора.

6. Магнитный подшипник по п. 5, отличающийся тем, что указанный полюсный магнитопровод (12) имеет контакт с магнитопроводом (3) статора.

7. Магнитный подшипник по п. 5 или 6, отличающийся тем, что содержит катушку подмагничивания, которая имеет такую же конструкцию, как осевая катушка (6) управления, причем катушка подмагничивания физически отделена от осевой катушки (6) управления, но находится в непосредственной близости от указанной осевой катушки (6) управления.

8. Магнитный подшипник по п. 1, отличающийся тем, что указанная замкнутая ферромагнитная структура (9) содержит пакет тонких пластин, которые электрически изолированы между собой.

9. Магнитный подшипник по п. 1, отличающийся тем, что указанная замкнутая ферромагнитная структура (9) содержит намотанную плоскую ленту.

10. Магнитный подшипник по п. 1, отличающийся тем, что указанная замкнутая ферромагнитная структура (9) содержит феррит.

11. Магнитный подшипник по п. 1, отличающийся тем, что замкнутая ферромагнитная структура (9) содержит магнитомягкий композитный порошок.

12. Магнитный подшипник по п. 1, отличающийся тем, что указанная замкнутая ферромагнитная структура (9) содержит аморфный или нанокристаллический материал.

13. Магнитный подшипник по п. 1, отличающийся тем, что указанная замкнутая ферромагнитная структура (9) содержит ряд связанных между собой частей.

14. Способ изготовления магнитного подшипника, содержащий этапы, на которых:

обеспечивают магнитопровод (3) статора;

обеспечивают набор ферромагнитных деталей, которые образуют замкнутый путь, имеющий внутренние размеры, которые равны или больше, чем внешние размеры осевого сечения указанного магнитопровода (3) статора;

размещают ферромагнитные детали вокруг магнитопровода (3) статора таким образом, что образуется замкнутый путь;

плотно сжимают вместе все ферромагнитные детали; и

прикрепляют полученную ферромагнитную структуру (9) к магнитопроводу (3) статора.

15. Способ изготовления магнитного подшипника, содержащий этапы, на которых:

обеспечивают магнитопровод (3) статора;

обеспечивают ферромагнитный материал на бобине, такой как лента из аморфного материала, лента из нанокристаллического материала, магнитная проволока или волокнистые материалы;

электрически изолируют магнитопровод (3) статора;

наматывают ферромагнитный материал с бобины вокруг магнитопровода статора, чтобы сформировать ферромагнитную структуру (9) вокруг магнитопровода (3) статора; и

прикрепляют полученную ферромагнитную структуру (9) к магнитопроводу (3) статора.