RU2538835C1

RU2538835C1 - Радиальный магнитный подшипник для магнитной опоры ротора

Info

Publication number: RU2538835C1
Application number: RU2013132013/11A
Authority: RU
Inventors: Робин ДЕЙТС; Маттиас Ланг
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2015-01-10
Also published as: CA2822707C; EP2630380A1; EP2630380B1; US20130293051A1; DE102010064067A1; WO2012084590A1; CA2822707A1; RU2013132013A; US9634539B2

Abstract

Изобретение относится к радиальному магнитному подшипнику для магнитной опоры ротора (5). Радиальный магнитный подшипник (1”) выполнен в виде разноименнополюсного подшипника и имеет статор (2), при этом статор (2) имеет магнитно-проводящий расположенный с прохождением вокруг ротора (5) статорный элемент (4), при этом элемент (4) на своей обращенной к ротору (5) стороне (12) имеет проходящие в осевом направлении (Х) статорного элемента (4) выемки (10), в которых расположены электрические провода (8а, 9а) катушек (8, 9). Катушки (8, 9) предназначены для создания магнитных полей, которые удерживают с зависанием ротор (5) в расположенном между ротором (5) и статором (2) воздушном зазоре (7). Провода (8а, 9а) расположены в выемках (10) так, что в выемках (10) между проводами (8а, 9а) и воздушным зазором (7) остается свободное пространство. В свободном пространстве расположен магнитно-проводящий наполнительный элемент. Технический результат: за счет конструктивных мер в переходах от одного магнитного полюса к другому магнитному полюсу достигается более мягкое прохождение проходящей в радиальном направлении составляющей плотности магнитного потока, что приводит к уменьшению индуцированных в роторе вихревых токов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к радиальному магнитному подшипнику для магнитной опоры ротора. Радиальные магнитные подшипники служат для магнитной опоры роторов в радиальном направлении.

На фиг.1 показан схематично в разрезе обычный радиальный магнитный подшипник 1. Радиальный магнитный подшипник 1 имеет неподвижно расположенный статор 2. Статор 2 имеет корпус 3 и статорный элемент 4, который может состоять, например, из сплошного материала или из множества расположенных в осевом направлении Х статора друг за другом металлических листов. Статорный элемент 4 является магнитно-проводящим и состоит, например, из ферромагнитного материала. Статорный элемент 4 расположен с прохождением вокруг ротора 5. Ротор 5 состоит из магнитно-проводящего материала, такого как, например, ферромагнитный материал. Ротор 5 соединен без возможности проворачивания с валом 6. Вал 6 может быть, например, валом электродвигателя или электрогенератора. При этом вал 6 вращается во время работы электродвигателя или электрогенератора вокруг оси Z вращения.

Радиальный магнитный подшипник 1 имеет на своей обращенной к ротору 5 стороне 12 статорного элемента 4 проходящие в осевом направлении Х статорного элемента 4 выемки, при этом для ясности на фиг.1 лишь одна выемка снабжена позицией 10. При этом выемки открыты на своей обращенной к ротору стороне и тем самым реализованы в виде канавок. При этом выемки имеют в рамках показанного на фиг.1 примера выполнения трапециевидное поперечное сечение, что, однако, необязательно. В выемках проходят электрические провода катушек, при этом позициями 8а и 9а для ясности обозначены лишь два провода. Провода расположены в выемках. За счет выемок в статорном элементе 4 образованы зубцы, при этом для ясности лишь один зубец обозначен позицией 18. При этом катушки расположены вокруг зубцов, причем ток проходит через провода катушек так, что возникают магнитные северные полюсы N и магнитные южные полюсы S. При этом величина зубцов может быть различной, что, однако, необязательно, и зубцы могут быть все одинакового размера. Кроме того, количество зубцов может быть также различным от одного радиального подшипника к другому радиальному подшипнику.

На фиг.2 показан статорный элемент 4 с проходящими вокруг зубцов катушками в упрощенной изометрической проекции. При этом для упрощения количество выемок и тем самым количество зубцов уменьшено, а величина всех зубцов показана идентичной. Одинаковые с фиг.1 элементы обозначены на фиг.2 теми же позициями. Для ясности лишь обе катушки 8 и 9, а также электрические провода 8а и 9а катушек 8 и 9 обозначены позициями. Провода катушек проходят в выемках и вокруг зубцов и образуют тем самым катушки. При этом провода обычно представлены в виде проводов обмоток.

Как показано на фиг.1, катушки создают магнитные поля, которые удерживают ротор 5 с зависанием в расположенном между ротором 5 и статором 2 воздушном зазоре 7. Таким образом, катушки предназначены для создания магнитных полей. Для управления магнитными полями радиальный магнитный подшипник 1 имеет управляющее устройство 14, которое соответствующим образом управляет катушками для создания магнитных полей, т.е. подает в них ток, что обозначено стрелкой 15 на фиг.1. При этом радиальный магнитный подшипник 1 имеет датчики для распознавания положения ротора, которые для ясности не изображены на фиг.1 и которые передают положение ротора в воздушном зазоре 7 для управления с помощью управляющего устройства 14 катушками, что изображено на фиг.1 с помощью стрелки 16. Управляющее устройство 14 содержит регулировочные элементы для регулирования проходящих через катушки электрических токов. Радиальный магнитный подшипник 1 служит для магнитной опоры ротора 5 и тем самым соединенного с ротором 5 вала 6 в радиальном направлении R. Радиальный магнитный подшипник 1 предназначен для радиальной магнитной опоры ротора 5.

При этом провода катушек в обычных радиальных магнитных подшипниках расположены в выемках так, что в выемках между проводами катушек и зазором 7 остается проходящее в продольном направлении Х статора 2 свободное пространство. На фиг.1 для ясности обозначено лишь одно свободное пространство 11.

Ротор 5 состоит, как правило, из электрически проводящего ферромагнитного материала, который подвергается воздействию сил создаваемых статором магнитных полей. Когда вал 6 и тем самым соединенный с валом 6 ротор 5 вращается в воздушном зазоре 7, ротор 5 подвергается непрерывному воздействию магнитного переменного поля с помощью чередующихся магнитных полюсов N и S статора 2. За счет этого в роторе 5 индуцируются вихревые токи, которые являются нежелательными, поскольку они ограничивают динамику радиального магнитного подшипника и приводят к термической нагрузке ротора. Поскольку радиальные магнитные подшипники часто используются в применениях, в которых ротор вращается с высокой скоростью, уменьшение вихревых токов в радиальных магнитных подшипниках имеет особое значение.

При этом в электромашиностроении известны две меры для уменьшения протекающих в роторе вихревых токов. Первая возможность состоит в уменьшении количества магнитных полюсов статора. Однако это приводит, как правило, к увеличению конструктивного объема, так что в этом случае необходим компромисс между возможно небольшим количеством магнитных полюсов и небольшим конструктивным объемом. Другая возможность состоит в выполнении ротора из тонких металлических листов, которые изолированы друг от друга.

Из US 7545066 В2 и US 2010/0187926 А1 известны магнитные подшипники для магнитной опоры ротора.

Из JP 2004 132513 А известен радиальный магнитный подшипник, который выполнен в виде разноименнополюсного подшипника.

Из US 2201699 A известна динамоэлектрическая машина, которая имеет обмотки, которые расположены в открытых канавках. В частности, для уменьшения потерь на вихревые токи в статорах электродвигателей предусмотрены магнитные наполнительные элементы, с помощью которых можно закрывать открытые канавки.

Задачей изобретения является уменьшение возникающих в роторе радиального магнитного подшипника вихревых токов.

Эта задача решена с помощью радиального магнитного подшипника для магнитной опоры ротора, при этом радиальный магнитный подшипник имеет статор, при этом статор имеет магнитно-проводящий расположенный с прохождением вокруг ротора статорный элемент, при этом статорный элемент на своей обращенной к ротору стороне имеет проходящие в осевом направлении статорного элемента выемки, в которых расположены электрические провода катушек, при этом катушки предназначены для создания магнитных полей, которые удерживают с зависанием ротор в расположенном между ротором и статором воздушном зазоре, при этом провода расположены в выемках так, что в выемках между проводами и воздушным зазором остается свободное пространство, при этом в свободном пространстве расположен магнитно-проводящий наполнительный элемент.

Кроме того, эта задача решена с помощью радиального магнитного подшипника для магнитной опоры ротора, при этом радиальный магнитный подшипник имеет статор, при этом статор имеет магнитно-проводящий расположенный с прохождением вокруг ротора статорный элемент, при этом статорный элемент на своей обращенной к ротору стороне имеет проходящие в осевом направлении статорного элемента выемки, в которых расположены электрические провода катушек, при этом катушки предназначены для создания магнитных полей, которые удерживают с зависанием ротор в расположенном между ротором и статором воздушном зазоре, при этом провода расположены в выемках так, что в выемках провода проходят заподлицо с обращенной к ротору стороной статорного элемента, при этом на обращенной к ротору стороне статорного элемента расположено магнитно-проводящее проходящее вокруг ротора кольцо, при этом воздушный зазор расположен между кольцом и ротором.

Предпочтительно, когда наполнительный элемент выполнен с возможностью вдвигания в осевом направлении статора в свободное пространство, поскольку в этом случае можно вводить наполнительный элемент в свободное пространство особенно простым образом.

Ниже приводится более подробное пояснение примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - разрез обычного известного радиального магнитного подшипника;

фиг.2 - снабженный катушками статорный элемент обычного известного радиального магнитного подшипника в изометрической проекции;

фиг.3 - первый вариант выполнения радиального магнитного подшипника согласно изобретению;

фиг.4 - наполнительный элемент;

фиг.5 - второй вариант выполнения радиального магнитного подшипника согласно изобретению.

Одинаковые элементы обозначены на фигурах одинаковыми позициями.

В обычных известных радиальных магнитных подшипниках, как указывалось выше, провода катушек расположены в выемках статорного элемента так, что в выемках между проводами и воздушным зазором остается свободное пространство. На фиг.1 такое проходящее в осевом направлении Х ротора 2 свободное пространство обозначено позицией 11. Таким образом, катушки заканчиваются незаподлицо с обращенной к ротору стороной 12 статорного элемента 4, т.е. незаподлицо с полюсными наконечниками магнитных северных и южных полюсов N и S. В каждой выемке остается свободное пространство 11.

На фиг.3 схематично показан первый вариант выполнения радиального магнитного подшипника 1' согласно изобретению. При этом конструкция и принцип действия радиального магнитного подшипника 1' согласно изобретению те же, что и у обычного известного радиального магнитного подшипника 1 согласно фиг.1 и 2. Одинаковые с показанными на фиг.1 и 2 элементы обозначены на фиг.3 теми же позициями. На фиг.3 показана часть фиг.1 в увеличенном масштабе. Согласно изобретению в каждом свободном пространстве расположен проходящий в осевом направлении Х статора 2 магнитно-проводящий наполнительный элемент 17, при этом для ясности на фиг.3 лишь один наполнительный элемент обозначен позицией 17.

На фиг.4 наполнительный элемент 17 показан в изометрической проекции. Наполнительный элемент состоит из магнитно-проводящего материала, такого как, например, ферромагнитный материал (например, железо), и может состоять, например, из того же материала, что и статорный элемент 4. Наполнительный элемент предпочтительно заканчивается заподлицо с расположенными в выемках проводами катушек. Кроме того, наполнительный элемент предпочтительно заканчивается заподлицо с обращенной к ротору стороной 12 статорного элемента 4, так что ширина 7 воздушного зазора остается постоянной по всей внутренней окружности статорного элемента 4.

Наполнительный элемент предпочтительно предназначен для вдвигания в осевом направлении Х статора в свободное пространство, так что его можно просто вводить также после установки катушек в статорный элемент 4. Таким образом, наполнительный элемент предпочтительно выполнен в виде задвижки. С помощью наполнительного элемента реализуется магнитный пазовый замок выполненных в виде канавок выемок. За счет реализованного с помощью наполнительного элемента магнитного пазового замка возникает измененное прохождение магнитного поля в воздушном зазоре 7. За счет магнитного пазового замка в переходах от одного магнитного полюса к другому магнитному полюсу достигается более мягкое прохождение проходящей в радиальном направлении составляющей плотности магнитного потока, что приводит к уменьшению индуцированных в роторе вихревых токов.

На фиг.5 схематично показан другой вариант выполнения радиального магнитного подшипника 1” согласно изобретению. При этом конструкция и принцип действия радиального магнитного подшипника 1” согласно изобретению те же, что и у обычного известного радиального магнитного подшипника 1 согласно фиг.1 и 2. Одинаковые с показанными на фиг.1 и 2 элементы обозначены на фиг.5 теми же позициями. На фиг.5 показана по существу часть фиг.1 в увеличенном масштабе. В варианте выполнения показанного на фиг.5 радиального магнитного подшипника 1” согласно изобретению выемки, в противоположность обычному показанному на фиг.1 радиальному магнитному подшипнику, заканчиваются заподлицо с обращенной к ротору 5 стороной 12 статорного элемента 4, т.е. заподлицо с полюсными наконечниками магнитных северных и южных полюсов N и S. Магнитный пазовый замок обеспечивается в этом варианте выполнения изобретения с помощью магнитно-проводящего кольца 13. Магнитно-проводящее кольцо 13 расположено на обращенной к ротору 5 стороне 12 статорного элемента 4, при этом воздушный зазор 7 расположен между кольцом 13 и ротором 5. Кольцо 13 является составляющей частью статора 2. При этом кольцо 13 может состоять, например, из ферромагнитного материала, такого как, например, железо, и состоять, например, из того же материала, что и статорный элемент 4. За счет кольца в переходах от одного магнитного полюса к следующему магнитному полюсу достигается более мягкое прохождение проходящей в радиальном направлении составляющей плотности магнитного потока, что приводит к уменьшению индуцированных в роторе вихревых токов.

На фиг.6 схематично показан другой вариант выполнения радиального магнитного подшипника 1'” согласно изобретению. При этом конструкция и принцип действия радиального магнитного подшипника 1'” согласно изобретению те же, что и у обычного известного радиального магнитного подшипника 1 согласно фиг.1 и 2. Одинаковые с показанными на фиг.1 и 2 элементы обозначены на фиг.6 теми же позициями. На фиг.6 показана по существу часть фиг.1 в увеличенном масштабе. В варианте выполнения показанного на фиг.6 радиального магнитного подшипника 1'” согласно изобретению выемки, в противоположность обычному показанному на фиг.1 радиальному магнитному подшипнику, не открыты больше в направлении ротора и тем самым не реализованы в виде канавок, а выемки окружены в осевом направлении Х статорного элемента 4 материалом статорного элемента 4. Для ясности на фиг.6 лишь одна такая выемка обозначена позицией 10'. За счет этого в переходах от одного магнитного полюса к другому магнитному полюсу достигается более мягкое прохождение проходящей в радиальном направлении составляющей плотности магнитного потока, что приводит к уменьшению индуцированных в роторе вихревых токов.

Следует отметить, что ротор 5 может быть также интегральной составляющей частью вала 6 и тем самым вал 6 вместе с ротором 5 могут быть выполнены в виде единого элемента. В этом случае ротор представлен в виде вала. При этом наружный диаметр вала 6 в месте, в котором расположен радиальный магнитный подшипник, согласно изобретению лишь немного меньше внутреннего диаметра статора радиального магнитного подшипника, так что между статором и валом имеется лишь один воздушный зазор.

Claims

1. Радиальный магнитный подшипник для магнитной опоры ротора (5), при этом радиальный магнитный подшипник выполнен в виде разноименнополюсного подшипника, при этом радиальный магнитный подшипник (1', 1'', 1''') имеет статор (2), при этом статор (2) имеет магнитно-проводящий расположенный с прохождением вокруг ротора (5) статорный элемент (4), при этом статорный элемент (4) на своей обращенной к ротору (5) стороне (12) имеет проходящие в осевом направлении (Х) статорного элемента (4) выемки (10), в которых расположены электрические провода (8а, 9а) катушек (8, 9), при этом катушки (8, 9) предназначены для создания магнитных полей, которые удерживают с зависанием ротор (5) в расположенном между ротором (5) и статором (2) воздушном зазоре (7), при этом провода (8а, 9а) расположены в выемках (10) так, что в выемках (10) между проводами (8а, 9а) и воздушным зазором (7) остается свободное пространство (11), при этом в свободном пространстве (11) расположен магнитно-проводящий наполнительный элемент (17).

2. Радиальный магнитный подшипник по п. 1, отличающийся тем, что наполнительный элемент (17) выполнен с возможностью вдвигания в осевом направлении (Х) статора (2) в свободное пространство (11).

3. Радиальный магнитный подшипник для магнитной опоры ротора (5), при этом радиальный магнитный подшипник выполнен в виде разноименнополюсного подшипника, при этом радиальный магнитный подшипник (1', 1'', 1''') имеет статор (2), при этом статор (2) имеет магнитно-проводящий расположенный с прохождением вокруг ротора (5) статорный элемент (4), при этом статорный элемент (4) на своей обращенной к ротору (5) стороне (12) имеет проходящие в осевом направлении (Х) статорного элемента (4) выемки (10), в которых расположены электрические провода (8а, 9а) катушек (8, 9), при этом катушки (8, 9) предназначены для создания магнитных полей, которые удерживают с зависанием ротор (5) в расположенном между ротором (5) и статором (2) воздушном зазоре (7), при этом провода (8а, 9а) расположены в выемках (10) так, что в выемках (10) провода (8а, 9а) проходят заподлицо с обращенной к ротору (5) стороной (12) статорного элемента (4), при этом на обращенной к ротору (5) стороне (12) статорного элемента (4) расположено магнитно-проводящее проходящее вокруг ротора кольцо, при этом воздушный зазор (7) расположен между кольцом и ротором (5).