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 P_nom, то зазор устанавливается равным l_nom. 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 (l_max...l_min) и ей соответствует зона разброса силы магнитов (Р_mах...P_min). Ввиду крутизны характеристики Р(l), сила (Р_mах...P_min) может достигать больших значений, соизмеримых с силой тяжести детали P_nom, 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 l_hor 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 P_nom=15,5кН (1,55 тонны), а величина зазора, при котором грузоподъемность постоянна – l_hor=0,6мм. В реальной конструкции зазор между фиксирующими подшипниками выбран 0,4мм для тепловой компенсации, и он значительно перекрывается значением l_hor. 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 T_f в зависимости от частоты вращения nоб/мин. Потери в фиксирующих подшипниках Т_l 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 T_f 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.