ГЛАВА ШЕСТАЯ
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ И СВЕРХВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАШИН
6-1. ПОДШИПНИКИ СВЕРХВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАШИН
а) Магнитные опоры ротора
Рис. 6-1. Схемы опор ротора.
а, б, в — горизонтальный цилиндрический ротор на газовых опорах; г — дисковый безвальный ротор на газовых опорах; д — торцевая безвальная электромашина на газовом подпятнике с радиальной магнитной стабилизацией; е — магнитный подвес цилиндрического ротора в рабочем поле.
Подшипники сверхвысокоскоростных машин работают при весьма высоких частотах вращения. Чем выше частота вращения, тем труднее обеспечить надежную долговременную работу опор и сравнительно малые потери мощности на трение. Идеальные опоры должны удовлетворять следующим требованиям: точной фиксации тела ротора в любом направлении: работоспособности в любой среде; весьма большому сроку службы; сравнительно малым потерям на трение. В настоящее время такие идеальные опоры еще не созданы; ведутся работы в направлении создания магнитных опор с магнитной подвеской ротора; применяются опоры па газовой подушке — аэродинамические и аэростатические.
Эти поиски вызваны тем, что с увеличением скоростей вращения шарикоподшипники и подшипники скольжения с жидкостной смазкой имеют сравнительно малый срок службы.
При создании электрических машин с частотой вращения около нескольких сотен тысяч оборотов в минуту наиболее перспективным является применение магнитных подшипников. По сравнению с газовыми опорами магнитные подшипники хорошо работают в вакууме и загрязненных средах, не требуют столь высокой точности обработки рабочих поверхностей, имеют намного меньшие потери от трения о воздух, не требуют других источников энергии, кроме электрической, являющейся основной в электрических машинах. Вместе с тем следует отметить, что магнитные подшипники имеют сравнительно невысокую грузоподъемность. Магнитные подшипники можно применять в любом классе электрических машин, но наиболее перспективно их применение в быстроходных электрических машинах, по своим размерам и массам роторов относящихся скорее к классу микромашин.
Стабилизацию, ротора по отдельным направлениям возможных перемещений можно осуществить с помощью постоянных магнитов и нерегулируемых электромагнитных подшипников. Для обеспечения полного магнитного подвеса ротора они используются обычно в комбинации с другими типами магнитных подвесов или с системами авторегулирования. Грузоподъемность подшипников на постоянных магнитах невелика и ограничена магнитными свойствами материалов, применяемых для изготовления этих магнитов.
На рис. 6-1, 6-2 приведены некоторые схемы опор ротора. Рассматриваемые опоры могут быть на постоянных магнитах или с электромагнитным возбуждением — с катушками, обтекаемыми электрическим током.
При применении постоянных магнитов магнитные кольца помещаются на валу ротора и в крышках статора. Магнитные кольца могут быть намагничены радиально (рис. 6-3,в) или аксиально — вдоль оси ротора (рис. 6-3,б). Величина подъемной силы, действующей на ротор (на кольца ротора) при радиально намагниченных кольцах определяется в первом приближении [Л. 92] следующим уравнением:
где Jo — намагниченность внутренних колец; v — их объем; В — индукция магнитного поля в зазоре между внешними и внутренними кольцами; I — осевая длина колец; Dcp — средний диаметр по воздушному зазору между кольцами; h — толщина кольца; δ — зазор; kF — коэффициент, зависящий от величины просадки подвижных колец (помещенных на роторе).
Подъемная сила магнитных опор при аксиальном намагничивании в несколько раз меньше, чем при радиальном намагничивании колец. Однако существующие установки для намагничивания, как правило, предназначены для аксиального намагничивания колец. В ближайшее время необходимо создать заводские установки для радиального намагничивания колец, которые требуются для целого ряда устройств, в том числе и для намагничивания колец, предназначенных для магнитных опор ротора.
Теоретически наибольшей подъемной силой обладают опоры на постоянном токе — электромагнитные с осевой стабилизацией. Из всевозможных систем осевой стабилизации наиболее просты и надежны резонансные системы, выполненные без точных чувствительных датчиков перемещения, требующихся к ним усилителей, схем обратных связей и т. п.
Рис. 6-2. Конструктивные схемы электромашин на магнитных опорах. а — магнитный подвес цилиндрического горизонтального ротора; б — магнитный подвес цилиндрического вертикального ротора: в —торцевая электромашина с дисковым безвальным ротором с турбинным колесом.
Успех применения магнитных опор для сверхвысокоскоростного ротора связан с запасом прочности той части магнитных опор, которая размещена на роторе. Диапазон скоростей для существующих материалов постоянных магнитов в реальных конструкциях ограничен.
С теоретических позиций другие опоры, например с газовой полушкой, не имеют ограничения ротора по частоте вращения, если в их идеальной конструкции устранены причины, вызывающие завихрения в несущем слое газа, порождающие вибрации вращающегося ротора.
При сравнении опор следует иметь в виду, что магнитные опоры способны работать в вакууме, в то время как для опор с газовой подушкой необходимо наличие газовой среды и компрессоров.
Рис. 6-3. Схемы магнитных опор ротора.
а — с аксиально намагниченными кольцами; б —те же кольца, но с механической фиксацией на валу ротора; в — с радиально-намагниченными кольцами и осевой фиксацией вала упорам» (кернами); г — оксиально-радиальная магнитная стабилизация ротора.
