Новая магнитная опора большой грузоподъемности
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.
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/