ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2253051

МАГНИТНАЯ ПОДВЕСКА МАХОВИКА

МАГНИТНАЯ ПОДВЕСКА МАХОВИКА

Имя изобретателя: ГУЛИА Н.В. 
Имя патентообладателя: СЕЕБА-ЭНЕРГИСИСТЕМЕ ГМБХ (DE); Гулиа Нурбей Владимирович
Адрес для переписки: 125009, Москва, а/я 184, ППФ "ЮС", пат.пов. В.И.Ионову
Дата начала действия патента: 2001.01.05 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве опор быстровращающихся маховиков инерционных накопителей энергии. Магнитная подвеска маховика содержит подвижные магниты, связанные с осью маховика, и неподвижные, связанные с корпусом, чередующиеся друг с другом с зазорами, причем магниты выполнены кольцеобразными с аксиальной намагниченностью с полюсами, обращенными в противоположные стороны. Подвижные магниты выполнены с нижними торцами одноименной полярности, а с верхними - разноименной полярности с прилегающими торцами неподвижных магнитов. Ось маховика закреплена в фиксирующих опорах. По крайней мере один неподвижный магнит снабжен арматурой в виде обоймы из магнитопроводящего материала и образует крайние верхний и нижний полюса противоположной полярности, обращенные друг к другу, а между ними находятся, как минимум, один неподвижный и два подвижных магнита, при этом их полюса обращены в противоположные друг другу стороны. Технический результат заключается в создании магнитной подвески маховика, обеспечивающей минимальные потери при вращении, экологическую безопасность, а также минимальную массу магнитного материала при заданных размерах магнитов.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве опор быстровращающихся маховиков инерционных накопителей энергии.

Известны конструкции магнитных подвесок маховика, включающих как постоянные магниты или магнитные системы в виде магнитов, снабженных арматурой, так и электромагниты (см. Джента Дж., Накопление кинетической энергии, Москва, Мир, 1998, с.206-210, рис.4.7, 4.9). Данная конструкция принята за аналог. Недостатками аналога являются сложность и затраты электроэнергии для питания электромагнита.

Известна конструкция магнитной подвески маховика, содержащая только постоянные магниты, включающая подвижные, связанные с осью маховика, и неподвижные, связанные с корпусом, и чередующиеся друг с другом с зазором, причем магниты выполнены кольцеобразными с аксиальной намагниченностью, подвижные магниты выполнены с нижними торцами одноименной полярности, а с верхними - разноименной полярности с прилегающими торцами неподвижных магнитов, а ось маховика закреплена в фиксирующих опорах (см. Гулиа Н.В., “Маховичные двигатели”, М, Машиностроение, 1976, стр.57, рис.38). Данная конструкция принята за прототип. Как в аналоге, так и в прототипе постоянные магниты могут быть выполнены с арматурой, например ярмом (обоймой) и полюсным наконечником, что упрощает устройство и делает их более технологичными. Этот прием используется в подавляющем большинстве устройств с магнитами и является общеизвестным (см. справочник “Постоянные магниты”, под ред. Ю.М.Пятина, изд. Энергия, М., 1980, с.127).

Недостатком прототипа является то, что магнитные силовые линии крайних - верхнего и нижнего подвижных (вращающихся) магнитов незамкнуты через магнитовод и могут оказать вредное влияние, а также вызвать потери мощности при взаимодействии с окружающими электропроводящими, а тем более ферромагнитными телами, в первую очередь подшипниками фиксирующих опор. К тому же, масса дорогих постоянных магнитов здесь завышена.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание магнитной подвески маховика экологически безвредной, обеспечивающей снижение потерь мощности при вращении маховика, а также массы дорогостоящего материала. Технический результат заключается в обеспечении замкнутости магнитного поля между крайними, верхними и нижними полюсами магнитов, а также в снижении массы магнитного материала при заданных “расчетных” размерах магнитов.

Для достижения технического результата при решении поставленной задачи в известной магнитной подвеске маховика крайние верхний и нижний рабочие полюса магнитов выполнены неподвижными, а между ними находятся, как минимум, два подвижных магнита, между которыми помещен один неподвижный; при этом число подвижных магнитов в общем случае четное, а число неподвижных магнитов с полюсами, обращенными в противоположные стороны, нечетное, а, как минимум, один неподвижный магнит подвески снабжен обоймой из магнитопроводящего материала и образует крайние верхний и нижний полюса, обращенные друг к другу, при этом неподвижные магниты с полюсами, обращенными в противоположные стороны, снабжены втулками из немагнитного материала на внешних цилиндрических поверхностях, а подвижные магниты - на внутренних цилиндрических поверхностях, причем втулки скреплены с магнитами любым известным способом, причем сами магниты или эти втулки, как и сопрягаемые с ними участки оси маховика и обоймы подвески, снабжены резьбой, и зазоры между взаимодействующими полюсами магнитов выполнены регулируемыми.

МАГНИТНАЯ ПОДВЕСКА МАХОВИКА

Изобретение представлено на чертеже, где изображена схема магнитные силовые линии подвески маховика. Из-за симметрии представлена только правая половина устройства.

Ось 1 маховика, нагруженная силой его тяжести G (показана стрелкой вниз), зафиксирована в подшипниках 2 с помощью гаек 3. На этой же оси 1 закреплены подвижные магниты 4, в данном случае с помощью втулок 5 из немагнитного материала, приклеенных на внутреннюю цилиндрическую поверхность магнитов 4, сидящих на оси 1, например, с помощью резьбы. Промежуточные неподвижные магниты 6 с втулками 7 из немагнитного материала посажены, например, на резьбе в обойме 8 из магнитопроводящего материала, например электротехнической стали. Втулки 5 и 7 дистанцированы и зазоры между ними зафиксированы с помощью дистанционных втулок 9 и 10 соответственно, посаженных также на резьбе. Обойма 8 (ярмо) на торце, в данном случае верхнем, имеет полюсной наконечник 11, а к нижнему торцу ее с его внутренней стороны примыкает нижний неподвижный магнит 12. Таким образом, система “нижний неподвижный магнит 12 - обойма 8 - полюсной наконечник 11” образует неподвижную магнитную систему с полюсами, обращенными друг к другу, например верхний (на полюсном наконечнике) N и нижний (на магните) S. Упомянутая магнитная система по выполняемым функциям аналогична постоянному магниту с одним из полюсов (S) на верхнем торце магнита 12, а второй (N) - на нижнем торце постоянного магнита 11. При этом не исключается, что на полюсном наконечнике 11 с внутренней (нижней) стороны может находиться магнит из магнитожесткого материала; тогда масса его и нижнего магнита 12 может быть уменьшена. Силовые линии в этом составном магните изображены на чертеже тонкими стрелками.

Данная конструкция магнитной подвески работоспособна и эффективна только в случае, если число подвижных магнитов 4 четное и их, как минимум, два; число промежуточных неподвижных магнитов 6 при этом нечетное и, как минимум, он один; неподвижный магнит с арматурой, образующей магнитную систему с полюсами, обращенными друг к другу, также, как минимум, один; между этими полюсами находится, как минимум, перечисленный набор магнитов. Обойма 8 с подшипниками 2 опирается на корпус маховика 13, причем корпуса подшипников 14 и 15 могут быть выполнены из немагнитных материалов.

Полярность всех магнитов изображена на чертеже, на котором силы F, действующие на подвижные магниты 4 со стороны неподвижных, изображены стрелками вверх. Если число подвижных магнитов 2n (четное), то число сил F, действующих на магниты, равно 4n, так как на каждый подвижный магнит 4 действуют две силы F. Сумма сил F уравновешивает силу тяжести маховика G. В данном случае n=1 (число пар подвижных магнитов 4 равно одному) и 4F=G. Стало быть, как максимум, сила взаимодействия F двух рабочих полюсов магнитов - подвижного и неподвижного, вчетверо меньше силы тяжести G маховика. Если n>1, то и сила взаимодействия магнитов может быть меньше, что может уменьшить диаметр магнитов, а это при высокой частоте вращения маховика очень полезно - снижаются потери на гистерезис и токи Фуко, магниты более разрывобезопасны и пр. К тому же магниты малых диаметров более технологичны и их можно выполнять более длинными в осевом направлении. Это следует из теории и расчета магнитных подвесок, изложенных, например, в справочнике “Постоянные магниты”, под ред. Ю.М.Пятина, изд. “Энергия”, Москва, 1980, стр.185-267. Постоянные магниты в подвесках чаще всего заменяются магнитными системами, состоящими из магнитов с арматурой (тот же справочник, с.159, рис.2-24).

Как известно, подвеска, состоящая только из постоянных магнитов, нестабильна (см. цитированный справочник) и здесь необходимы дополнительные опоры, фиксирующие положение оси 1. Эту функцию выполняют подшипники 2 с гайками 4 и корпусами 14 и 15.

Отметим, что разработанная реальная конструкция магнитной подвески на маховик массой 2000 кг содержит от 4 до 10 килограммов (в зависимости от зазора между магнитами) постоянных магнитов из композиции “неодим - железо - бор”.

Изобретение соответствует критерию “промышленная применимость”, поскольку осуществимо с помощью известных материалов, средств производства и технологий.

Использование настоящего изобретения позволяет создать магнитную подвеску маховика, обеспечивающую минимальные потери при вращении, экологическую безопасность, а также минимальную массу магнитного материала при заданных размерах магнитов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Магнитная подвеска маховика, включающая подвижные магниты, связанные с осью маховика, и неподвижные, связанные с корпусом, чередующиеся друг с другом с зазорами, причем магниты выполнены кольцеобразными с аксиальной намагниченностью, с полюсами, обращенными в противоположные стороны, при этом подвижные магниты выполнены с нижними торцами одноименной полярности, а с верхними разноименной полярности, с прилегающими торцами неподвижных магнитов, а ось маховика закреплена в фиксирующих опорах, отличающаяся тем, что по крайней мере один неподвижный магнит снабжен обоймой из магнитопроводящего материала и образует крайние верхний и нижний полюса противоположной полярности, обращенные друг к другу, а между ними находятся, как минимум, один неподвижный и два подвижных магнита, при этом их полюса обращены в противоположные друг другу стороны.

2. Магнитная подвеска по п.1, отличающаяся тем, что число неподвижных магнитов с полюсами, обращенными в противоположные стороны, нечетное.

3. Магнитная подвеска по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью регулировки зазоров между магнитами.

4. Магнитная подвеска по п.1, отличающаяся тем, что магниты снабжены втулками из немагнитного материала, установленными у подвижных магнитов на внутренней цилиндрической поверхности, а неподвижных - на внешней, скреплены с магнитами любым известным способом.

5. Магнитная подвеска по п.4, отличающаяся тем, что втулки подвижных магнитов установлены на оси маховика, а втулки неподвижных магнитов - в обойме посредством резьбы.

Версия для печати
Дата публикации 18.02.2007гг


вверх