Магнитная опора работает следующим образом

Кольцевой магнит 1 создает осесимметричное магнитное поле. Магнитный поток между полюсами магнита 1 замыкается через полюсный наконечник 2 и ферромагнитную втулку 6. Сила притяжения магнита 1, действующая через ферромагнитную втулку 6, разгружает нижнюю опору от части силы веса ротора 7 и одновременно обеспечивает верхней опоре радиальную жесткость, т. е. способность противодействовать угловым отклонениям ротора 7 относительно вертикальной оси.

В покое и при вращении ротора 7 осесимметричное магнитное поле удерживает ферромагнитную втулку 6 и связанный с ней ротор 7 в вертикальном положении, не препятствуя вращению ротора 7 относительно вертикальной оси. В случае отклонения ротора от вертикальной оси симметричность магнитного поля нарушается, что создает радиальную силу, препятствующую отклонению ротора 7 и возвращающую его в исходное положение при прекращении действия возмущающей силы.

Благодаря выбранным геометрическим соотношениям полюсного наконечника 2 относительно параметров магнита 1 и ферромагнитной втулки 6 в пределах предлагаемого диапазона их предпочтительных значений, а также соотношениям магнитных свойств материалов наконечника и втулки обеспечивается оптимальное распределение магнитного потока в рабочем зазоре между наконечником 2 и втулкой 6.

Экспериментальные исследования, данные которых приведены на фиг.4 и 5, показали, что по сравнению с магнитной опорой, приведенной в прототипе, магнитная опора с наконечником, имеющим заявляемые геометрические соотношения, имеет поперечную жесткость магнитной опоры на 30−50% больше, при этом одновременно увеличивается на 20−25% подъемная сила, т. е. все параметры магнитной опоры улучшаются.

Ферромагнитная втулка ротора в известных конструкциях обычно выполняется из стали 40Х, имеющей высокие прочностные свойства: предел текучести уф=85 кг/мм² и коэрцитивную силу Нв=1640 А/м, а полюсный наконечник выполняется из более магнитомягкого материала сталь 10 с коэрцитивной силой Нн=368 А/м.

При радиальном перемещении втулки в материале наконечника происходит перемагничивание за счет ответного перемещения «стенки» — границы между доменами. При этом, чем материал наконечника «мягче» в магнитном отношении, тем с меньшим сопротивлением перемещается «стенка» и меньше поперечная жесткость опоры. Если наконечник выполнить в соответствии с настоящим изобретением из стали с большим содержанием углерода, например стали 40Х, т. е. из такого же материала, как и материал втулки, или другого материала с большей коэрцитивной силой, то при радиальном смещении роторной втулки «стенка», перемещаясь в материале наконечника, встречает большее сопротивление, например, в узлах решетки, где выделяется углерод, искажающий решетку, в пустотах, немагнитных включениях и «фиктивных» магнитных зарядах вокруг этих включений. Количество таких дефектов возрастает с повышением содержания углерода и коэрцитивной силы материала наконечника. Таким образом, возрастает поперечная жесткость магнитной опоры.

Аналогичный эффект создания сопротивления перемагничиванию при радиальном смещении втулки может быть достигнут выполнением наконечника шихтованным, причем направление трудного намагничивания отдельных слоев для получения наибольшей жесткости следует располагать в радиальном направлении.

Как следует из приведенных результатов исследований, все магнитные опоры с наконечником прямоугольного сечения из разных материалов имеют лучшие параметры по сравнению с известной опорой при примерно в 5 раз меньшей материалоемкости наконечника.

Использование изобретения позволяет повысить поперечную жесткость магнитной опоры на 30−50%, что особенно актуально для обеспечения устойчивости быстровращающихся роторов при одновременном увеличении силы притяжения на 25−30% и снижении давления на нижнюю опору. Это повышает надежность и долговечность работы быстровращающихся роторов с магнитной опорой.

Формула изобретения

• 1. Магнитная опора вертикального ротора, содержащая установленный в корпусе кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником в виде кольца с поперечным сечением в форме прямоугольника, примыкающего к нижнему торцу магнита, и размещенную на роторе ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, отличающаяся тем, что наружный диаметр наконечника составляет 0,8−1,1 величины среднего диаметра магнита, толщина полюсного наконечника равна 0,9−2,1 величины толщины верхнего торца ферромагнитной втулки, а высота полюсного наконечника составляет 1−3 величины толщины полюсного наконечника.
• 2. Магнитная опора по п. 1, отличающаяся тем, что полюсный наконечник выполнен из материала, коэрцитивная сила которого не меньше коэрцитивной силы материала втулки.
• 3. Магнитная опора по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что полюсный наконечник выполнен шихтованным.
• 4. Магнитная опора по п. 3, отличающаяся тем, наконечник выполнен из материала с направлением трудного намагничивания в радиальном направлении.