Электромагнитная опора

)5 СУДАРСТВЕННОДОМСТВО СССОСПАТЕНТ СССР НТНОЕ ПАТЕН овано ласти ности, я под- взведля валов, юбой ОПИСАНИЕ ИЗО(57) Использование: в прикладной электромеханике, в частности в устройствах, предназначенных для поддержаниявращающихся деталей во взвешенном состоянии. Сущность изобретения: электромагнитная опора (ЭМО) содержитмагнитопроводящий ротор и статор с симИзобретение может быть использ в машиностроении и относится к об прикладной электромеханики, в част к устройствам, предназначенным дл держания вращающихся деталей во шенном состоянии; например бесконтактной подвески роторов, шпинделей и т,п., вращающихся с л угловой скоростью,Целью изобретения является улучшение удельных энергомассовых показателей ЭМО путем снижения энергопотребления обмотками управления и обмотками подмагничивания посредством уменьшения общего сопротивления магнитной цепи каждой пары полюсов и увеличения магнитного сопротивления на участке магнитопровода между парами полюсов. метрично расположенными относительно координатных осей полюсами, на которых установлены катушки с обмотками подмагничивания и управления, Полюса каждой пары полюсов располагаются относительно друг друга под углом а 2 л /р (где р - число полюсов ЭМО), как частный случай(приа О) полюса каждой пары могут располагаться параллельно относительно координатных осей и друг к другу. Участок перехода прямолинейного ярма в полюс выполнен со скруглением, а участок магнитопроводв между парами полюсов, вокруг которого расположен короткозамкнутый виток, имеет меньшую радиальную толщину, чем ярмо, и может также выполняться прямолинейным.4 ил. 2 табл. Конструкция ЭМО включает магнитопроводящий ротор 4 и статор с симметрично размещенными. относительно координатных осей полюсами 2, на которых установлены катушки с . обмотками подмагничивания 5 и управления 6, причем полюса статора каждой пары полюсов расположены под углом а (см.фиг,2, на2 лРкоторой изображен частный случай: параллельное расположение полюсов в каждой паре полюсов относительно координатных осей Ох и Оу, т.е.а = О). Кроме того, ярмо статора 1 выполнено прямолинейным (на длине Ь), и при этом участок магнитопровода между парами полюсов 3 в радиальном направлении имеет меньшую толщину ( Ь), но достаточную для обеспечения необходимой жесткости конструкции.Участок перехода ярма статора в полюс выполнен со скруглением радиуса В; а участок магнитопровода между парами полюсов на длине Ы и з выполнен прямолинейным (фиг.З),Вокруг магнитопровода 3, расположенного между парами полюсов, уложен короткозамкнутый виток (фиг. 3).На фиг,1 показана конструкция опоры ЭМ с равномерно расположенными по окружности полюсами статора (прототип); на фиг,2 - конструкция опоры ЭМ, выполненная по пункту 1, изображен частный случай при а = 0 (изобретение); на фиг,З - конструкция опоры ЭМ, выполненная по пункту 2 и 3 (изобретение),Как показано на фиг.2 и 3, опора ЭМ содержит магнитопроводящий статор, состоящий из ярма 1, полюсов 2, магнитопроводящего участка между парами полюсов 3, рОтора 4 и короткоэамкнутого витка 7, Каждый полюс имеет катушку с обмоткой подмагничивания 5 и катушку с обматкай управления 6. Полюса в каждой паре паласов, располагаясь симметрично относительно оординатных осей, направлены пад углом друг к другу, меньшим, чем - , С2 л.р целью уменьшения потерь в опоре ЭМ на вихревые токи и увеличения быстродействия, статор выполнен иэ набора шихтованных пластин, а магнитопроводящий ротор - из набора шихтованных колец. Пои этом чередования полярностей полюсов обеспечивается соответствующим подключением обмоток полюсных катушек, причем полюса, примыкающие к участку магнитопровода между парами полюсов, имеют одинаковую полярность.Опора ЭМ работает следующим образом,Обмотки подмагничивания обеспечивают необходимую "растяжку ротора" (магнитную) и тем самым определяют точку на кривой намагничивания стали, которая обеспечивает заданный интервал регулирования электрического тока в обмотках управления положением ротора. При отклонении магнитопроводящего ротора 4 ат положения равновесия возникают сигналы; подающиеся на обмотку управления со.- ответствующей координаты, ток в обмотке .управления увеличивается, и электромагнитная сила возврата увеличивается и возвращает ротор в положение равновесия.Сравнительный анализ работы прототипа. (фиг.1) и опоры ЭМ изобретения (фиг.2,3), показывает. что при работе в положении равновесия общая длина магнитопровода статора, состоящая из ярма и двух полюсов в заявляемой конструкции меньше, в связи с чем уменьшается и общее магнитное сопротивление всей магнитной цепи пары полюсов, и увеличивается маг нитный поток в цепи, в связи с чем появляется возможность:- оставить "магнитную растяжку" ротора, формируемую обмотками подмагничивания 6, на прежнем уровне, уменьшив в этих 10 обмотках электрический ток, что приведет кэкономии электроэнергии, расходуемой в этих обмотках, либо уменьшив число витков в обмотках подмагничивания 6.Сравнительный анализ конструкции 15 прототипа.(фиг.1) и опоры ЭМ изобретения(фиг.2,3) показывает, что, с одной стороны, общая длина магнитной цепи для магнитного потока уменьшается, что должно давать предполагаемый положительный эффект,.20 но, с другой стороны, уменьшается расстояние между полюсами, имеющими разную. полярность, что должно приводить к увеличению магнитного потока между этими поверхностями полюсов и увеличению 25 коэффициента рассеяния всей магнитнойцепи офа=где Ф - магнитный поток в ярме статора,30 Фз - магнитный поток в зазоре (междуполюсом и ротором).При этом величина ожидаемого положительного эффекта должна зависеть не только от выбранной марки стали, но и от35 выбранного диапазона рабочего участка накривой намагничивания стали, и от конкретного типоразмера конструкции,При этом в ряде задач требования кповышению прочности магнитного матери 40 ала могут оказаться гораздо важнее, чемтребования к его магнитным свойствам, Поэтому мы приводим сравнительный анализрезультатов расчета для двух вариантоврасчета;- . для онструкции, выполненной.изэлектротехнической стали марки 1521,. - и для конструкциивыполненной изстали более высокой прочности. но с болеехудшими магнитными свойствами, ЗОХГСА,50 Оба варианта сравнения были проведены для конструкции с размерами.б=200 мм - диаметр ротора,4 = 0,4 мм - номинальный рабочийзазор между полюсами статора и ротором,55 Ь=40 мм-высота полюсов статора,Ь = 39,43 мм - ширина полюсов и радиальная толщина ярма статора,1 = 40 мм - осевая длина полюсов,р = 8 - число полюсов статора.45 50 55 Эффективность конструкции оценивалась по формуле:Э 1 п 1 и. 100 оуогде й - намагничивэющая сила магнитнойцепи (ампер-витки),индексы: и - прототип,и - изобретение,В обоих вариантах просчитывалась конструкция приО, т.е. при параллельномрасположении полюсов в каждой паре полюсов относительно координатных осей,Результаты первого варианта сравнения (сталь 1521) приведены в табл,1.Результаты второго варианта сравнения (сталь ЗОХГСА) приведены в табл.2.Сравнение полученных результатов показывает, что в обоих случаях при различных зазорах на всем протяжении кривойзависимости силы притяжения (Г) якоря кполюсам от намагничивающей силы (Й) мыполучаем положительный эффект, т.е. дляобеспечения тех же силовых характеристикв положении равновесия (б = би) требуютсяменьшие затраты электроэнергйи.Поскольку электрическая мощностьпропорциональна квадрату тока, то экономия электроэнергии для конструкции с данным типоразмером в случае длительнойэксплуатации в режиме соосного положения ротора(б = би) составит (в среднем) дляобмотки подмэгничивания;- для стали 1521;Ээл. = (1+Э) - 1 =(1+0,0084) - 1=1,69 %- для стали ЗОХГСА:Ээл.=(1 + 0,074) - 1 =15,30 .Полученные цифры являются среднимидля просчитанного интервала изменениянамагничивающей силы для данного конкретного конструктивного типоразмера сди=0,4 мм и могут различаться в несколькораз как в одну сторону. так и в другую сторону в зависимости от выбора величинымагнитной растяжки, величины номинального рабочего зазора и магнитных свойствстали.Что касается экономии электроэнергиив обмотках управления, то здесь дело обстоит следующим образом.Для большей наглядности рассмотримвариант сравнения со сталью ЗОХГСА, т,к.здесь кривые имеют больший разброс(фиг.4). Предположим, что ротор отклонилсяот положения равновесия на величину 0,2мм, тогда у одной пары полюсов зазор будет0,2 мм, а у другой (противоположной) - 0,6мм. Сравнение будем проводить для варианта, при котором и в прототипе, и в предлагаемом изобретении достигаются 10 20 25 30 35 40 одинаковые силовые характеристики в положении равновесия ротора (д = дн), или, другими словами, обеспечивается одинаковая магнитная растяжка.Как видно из фиг,4 для возвращения ротора в исходное положение, хотя глубина регулировки несколько и увеличивается (для данной точки она увеличится на йп - йи 685 - 7103,6 при экономииЙпэлектроэнергии в обмотках подмагничивания в 15,3), но требуемый уровень потреб 45 ления энеРгии все Равно ниже на =2,80 по сравнению с прототипом.Таким образом, сравнительный анализ работы прототипа (фиг,1) и опоры ЭМ изобретения (фиг.2,3) показывает, что при работе в положении равновесия в заявляемой конструкции наблюдается меньшее потребление электроэнергии обмотками подмагничивания,При работе в положении отклонения ротора от положения равновесия, когда в результате формирования управляющих сил магнитные потоки в разных парах полюсов могут быть различными, величина нежелательного магнитного потока по магнитопроводу 3 между парами полюсов в заявляемой конструкции будет меньше, как за счет увеличения магнитного сопротивления этого участка путем уменьшения его поперечного сечения, так и в результате влияния короткозамкнутого витка, Кроме того, при отклонении ротора от полОжения равновесия наблюдается меньший уровень потребления электроэнергии обмотками управления.Таким образом, использование заявляемого изобретения позволяет существенно повысить экономическую эффективность опоры ЭМ по сравнению с опорой ЭМ прототипа,Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".Формула изобретения Электромагнитная опора, содержащая магнитопроводящий ротор, размещенный с зазором относительно магнитопроводящего восьмиполюсного статора с симметрично размещенными относительно координатных осей полюсами. на которых расположены обмотки подмагничивания и обмотки управления для каждой пары соседних по1816304 2 луглом, меньшим, чем, где Р - число полюсов электромагнитной опоры, а участок магнитопровода, вокруг которого располагается короткозамкнутый виток, имеет меньшую радиальную толщину, чем ярмо статора. люсов, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью снижения энергопотребления обмотками подмагничивания и управления при наличии тока в обмотках подмагничивания и возврате в положение равновесия ротора при 5 смещении его в направлении от центра соосности, полюса каждой пары полюсов расположены относительно друг друга под Таблица 1 дн мм Ии,А Е,Н йд,А 0,1 0,2 103,6 138,0 170,9 203,9 238,4 272,1 309;2 345,6 387,1 438,2 600,3 0,4 Ж (О ь 11 ) 0,6 281,3 374,9 467,0 559,3 е 6530 746,2 842,5 938,7 1040,0 1157,0 1446,01816304 ЮЯ ЯЮ Ойдо 4 Ф-ью Составитель В,ВоронцоТехред М,Моргентал орректор И,Мус едакто изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 каэ 1650 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК) 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5