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 – 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 «вывешивается» 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 «батарей»
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 «неодим-железо-бор» среднего качества, эта
величина достигает 300 и более, что очень много для системы большой
грузоподъемности – 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 – 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 «Магниты и магнитные
технологии» в Москве по заказу немецкой энергетической фирмы SEEBa. Автор
изобретения – профессор, доктор наук Н.В.Гулиа (Москва).
Рис. 3. Общий
вид магнитной опоры.
1. Все размеры
для справки. 2. Грузоподъёмность опоры (осевое усилие) – 1500кг ±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 – 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.
Список
литературы
Для подготовки
данной работы были использованы материалы с сайта http://www.n-t.org/