Новая магнитная опора большой грузоподъемности
Нурбей Гулиа
Магнитные опоры известны достаточно давно и предназначены для разгрузки фиксирующих подшипников при подвешивании тяжелых, а часто и быстро вращающихся деталей тАУ маховиков, роторов, турбин и т.д.
Согласно теореме Ирншоу, осуществить полностью бесконтактный подвес в магнитном поле постоянных магнитов невозможно, если только там не присутствуют диамагнетики. Но последний случай ограничивает массу подвешиваемых деталей обычно граммами, и для подвешивания массивных деталей с помощью экономичных постоянных магнитов требуются фиксирующие подшипники, сохраняющие положение детали в отцентрованном состоянии.
В технике применяются магнитные опоры, работающие на принципе притяжения; их действие неустойчиво даже по вертикальной оси, и деталь либо падает вниз, либо устремляется вверх, прижимаясь к верхнему магниту. В этом случае нужны фиксирующие подшипники, обычно малых размеров и грузоподъемности, не только радиальные, предохраняющие от радиальных смещений, но и упорные, предохраняющие от осевых перемещений.
Существуют и магнитные опоры, работающие на принципе отталкивания. Таким необходимы, в принципе, только радиальные фиксирующие подшипники, так как в осевом направлении деталь ВлвывешиваетсяВ» сама на соответствующей высоте. Однако, ввиду того, что обычно деталь не оставляют в таком незакрепленном состоянии, здесь также необходима фиксация в осевом направлении. На графике рис.1 кривая 1 характеризует силу Р существующей магнитной опоры притяжения или отталкивания, действующую вдоль вертикальной оси в зависимости от зазора между магнитами l.
Рис. 1. Зависимость силы притяжения или отталкивания P магнитной опоры в зависимости от зазора между магнитами l
Если, например, сила тяжести детали равна Pnom, то зазор устанавливается равным lnom. Но так как точно установить зазор нельзя из-за осевого люфта радиальных подшипников, тепловых перемещений, неточностей монтажа и т д., то существует некоторая зона разброса зазора (lmax..lmin) и ей соответствует зона разброса силы магнитов (Рmах..Pmin). Ввиду крутизны характеристики Р(l), сила (Рmах..Pmin) может достигать больших значений, соизмеримых с силой тяжести детали Pnom, и она действует на фиксирующие подшипники малой грузоподъемности. Делать фиксирующие подшипники большой грузоподъемности нерационально из-за больших потерь в них, а делать их радиально-упорными или упорными нельзя. При малых осевых силах, их нагружающих, а тем более совсем без нагрузки, тела качения (шарики) будут проворачиваться гироскопическими силами и быстро выйдут из строя. Об этом хорошо известно специалистам по подшипникам качения. Все это ограничивает применение обычных магнитный опор.
Новая система магнитного подвеса, патентуемая в настоящее время, состоит из ВлбатарейВ» кольцеобразных магнитов небольшого диаметра, с чередующимися зонами притяжения и отталкивания, причем верхний и нижний крайние магниты магнитно-замкнуты через магнитопровод. Получается магнитная система, в которой магнитное поле практически не выходит наружу, а целиком используется для повышения грузоподъемности. Поэтому в такой магнитной опоре достигается рекордная величина отношения грузоподъемности к массе магнитов. Для описываемой конструкции с магнитами из сплава Влнеодим-железо-борВ» среднего качества, эта величина достигает 300 и более, что очень много для системы большой грузоподъемности тАУ свыше 15кН. К тому же диаметр магнитов здесь небольшой, что увеличивает скоростные возможности магнитной опоры и уменьшает токи Фуко. Но главное, в такой магнитной опоре вертикальная сила на некотором зазоре lhor практически постоянна (кривая горизонтальная), что было подтверждено испытаниями.
На рис.1 кривая 2 изображает зависимость Р(l) для новой конструкции магнитного подшипника. Конкретно для изготовленной конструкции Pnom=15,5кН (1,55 тонны), а величина зазора, при котором грузоподъемность постоянна тАУ lhor=0,6мм. В реальной конструкции зазор между фиксирующими подшипниками выбран 0,4мм для тепловой компенсации, и он значительно перекрывается значением lhor. Это позволяет практически не нагружать фиксирующие подшипники осевыми силами, повышая их долговечность и снижая сопротивление вращению (рис.2).
Рис. 2. Зависимость грузоподъемности магнитного подшипника P от величины зазора δ
Магнитный подшипник новой системы изготовлен российской фирмой ВлМагниты и магнитные технологииВ» в Москве по заказу немецкой энергетической фирмы SEEBa. Автор изобретения тАУ профессор, доктор наук Н.В.Гулиа (Москва).
Рис. 3. Общий вид магнитной опоры.
1. Все размеры для справки. 2. Грузоподъёмность опоры (осевое усилие) тАУ 1500кг В±5%
На чертеже (рис.3) приведен общий вид конструкции с габаритными и присоединительными размерами. На фото рис.4 представлен общий вид описанной магнитной опоры на стенде. В нижней части устройства видно жидкостное уплотнение диаметром 60 и длиной 160мм для возможности создания вакуума в корпусе, где будет вращаться подвешиваемая деталь. Это делается для минимизации потерь на вращение деталей с высокой угловой скоростью, например, маховиков накопителей энергии.
Конструкция испытывалась на частоту вращения до 4500об/мин; на рис.5 представлен график изменения момента потерь на токи Фуко Tf в зависимости от частоты вращения nоб/мин. Потери в фиксирующих подшипниках Тl в данной системе очень малы и на практике могут не учитываться. Нетрудно подсчитать, что потери мощности на токи Фуко при максимальной для маховика накопителя энергии частоте вращения 3600об/мин составляет 132ватта, а в фиксирующих подшипниках тАУ 38ватт, что очень немного.
Рис. 5. Зависимость потерь на токи Фуко Tf от частоты вращения n
Конечно же, остаются и вентиляционные или аэродинамические потери, и они зависят от конфигурации вращающейся детали, ее частота вращения и уровня вакуума; эти потери могут быть достаточно точно вычислены.
Следует заметить, что фирма-изготовитель магнитной опоры не специализируется на магнитах с высокой равномерностью магнитного поля. Установка таких магнитов, обладающих несколько большей стоимостью, позволила бы существенно сократить и без того небольшие потери на токи Фуко.
Магнитные опоры очень перспективны для техники будущего. Мы считаем, что первоочередная область их применения в маховичных накопителях энергии высокой энергоемкости и частоты вращения.
Вместе с этим смотрят:
Aerospace industry in the Russian province
Airbus Industries
AVR микроконтроллер AT90S2333 фирмы Atmel
Bachelor
Cкремблирование и дескремблирование линейного сигнала