ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к магнитным муфтам, использующим магнитные 5 поля для передачи крутящего момента между ведущей и ведомой полумуфтами без физического контакта между ними, и может использоваться в герметичных насосах, компрессорах и системах передачи движения в различных, в частности, горячих средах, включая расплавленные металлы.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

ю В магнитных муфтах передача крутящего момента от ведущей полумуфты к ведомой, как правило, осуществляется в результате взаимодействия постоянных магнитов, закрепленных на полумуфтах, между которыми устанавливается выполненный из немагнитного материала герметизирующий экран (стакан).

Известная из US Patent 6532246 цилиндрическая магнитная муфта,

15 используемая для привода диаметрального вентилятора эксимерного лазера, содержит размещенную в лазерной камере ведомую полумуфту с набором постоянных магнитов, моторную камеру, в которой установлена ведущая полумуфта с набором постоянных магнитов, и герметизирующий экран, отделяющий моторную и лазерную камеру. Магниты ведомой полумуфты

20 размещены в герметичном тонкостенном коррозионно стойком корпусе из нержавеющей стали, а герметизирующий стакан выполнен из керамики. Наряду с высокой (> 1 кВт) мощностью, передаваемой вентилятору лазера, данная конструкция магнитной муфты обеспечивает высокое время жизни газовой смеси лазера, содержащей чрезвычайно активные химические компоненты такие, как F ₂

25 или HCI.

Компактные магнитные муфты подобной конструкции используются и в электромеханических роботах, применяемых для перемещения деталей в чистых вакуумных камерах при производстве полупроводников, US5376862. Для осуществления двух угловых перемещений устройство содержит две находящиеся зо в непосредственной близости идентичные магнитные муфты, имеющие соосные валы и общий герметизирующий экран. Для обеспечения точности перемещений при компактности устройства вращающееся магнитное поле одной магнитной муфты не должно влиять на другую, что достигается за счет применения в каждой полумуфте магнитопроводов.

35 Магнитные муфты также широко используются в насосах, обеспечивающих отсутствие контакта прокачиваемой среды с атмосферой. В связи с этим они применяются для перекачки химически агрессивных, токсичных, взрывоопасных, радиоактивных и экологически вредных сред. С другой стороны, они используются при работе с особо чистыми и стерильными продуктами. Преимуществами насосов с магнитной муфтой также являются высокая производительность, долговечность, ровный без пульсаций поток при малом размере магнитной муфты.

Известна магнитная муфта центробежного насоса, содержащая моторную и насосную камеры, соединенную с ведущим металлическим валом ведущую полумуфту с набором постоянных магнитов, герметизирующий экран, отделяющий насосную камеру от моторной камеры, и скрепленную с ведомым валом ведомую полумуфту, US5484265. Ведомая полумуфта также содержит набор постоянных магнитов, которые отделены герметичным экраном от размещенных напротив них постоянных магнитов ведущей полумуфты. При этом ведущая полумуфта и часть ведущего вала размещены в моторной камере, сообщающейся с окружающей атмосферой.

Применяемые в магнитных муфтах постоянные магниты AINiCo работают при температурах вплоть до 450 °С, но они легко размагничиваются. Спеченые магниты NdFeB и SmCo могут работать соответственно при температурах до 150 °С и 300 °С. Превышение допустимых рабочих температур приводит к выходу магнитной муфты из строя.

В связи с этим указанная выше магнитная муфта центробежного насоса, известная из US5484265, оснащена системой контроля, измеряющей температуру герметичного экрана и автоматически отключающей электропитание двигателя при превышении допустимой температуры.

Однако, недостаточная жаропрочность постоянных магнитов, а также отсутствие высокоэффективного теплового барьера между ведомым валом и приводом вращения не позволяли до сих пор применять магнитные муфты для перемещения горячих сред и жидких металлов с температурой плавления выше 200 °С. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Задача изобретения состоит в создании жаропрочной магнитной муфты, предназначенной для передачи движения в горячих средах, в частности, в расплавленных металлах, температура которых может превышать 350 °С.

При этом одна из задач изобретения связана с созданием магнитной муфты для насоса систем формирования высокоскоростных струй жидкого металла, служащих в качестве жидкометаллических электродов и/или источника плазмообразующего вещества в мощных источниках рентгеновского излучения (РИ), мягкого рентгеновского (МРИ) или экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) излучения. В таких системах жидкий металл, в частности олово, циркулирующий 5 через вакуумный объем, в котором осуществляется генерация излучения, не должен подвергаться воздействию не только атмосферы во избежание окисления, но даже инертных газов, которые, выделяясь из металла при выходе высоконапорной струи в вакуумный объем, нарушают ее течение.

Для решения указанных задач предлагается жаропрочная магнитная ю муфта, включающая

заполняемую горячей средой, в частности, расплавленным металлом горячую камеру, в которой размещена установленная на ведомом валу ведомая полумуфта,

моторную камеру, в которой размещена часть ведущего металлического 15 вала и соединенная с ведущим валом ведущая полумуфта с набором постоянных магнитов,

герметизирующий экран, отделяющий моторную и горячую камеры, при этом,

ведомая полумуфта представляет собой магнитопровод, выполненный из 20 металла, относящегося к группе ферромагнетиков с высокой температурой Кюри Т _с , например, из железа (Т _с = 769 °С),

моторная камера выполнена вакуумируемой, причем вакуумный зазор между ведущей полумуфтой и герметизирующим экраном служит тепловым барьером, интегрированным в магнитную муфту.

25 Предпочтительно, что обращенная к ведущей полумуфте поверхность магнитопровода, представляющего собой ведомую полумуфту, выполнена с проточками, формирующими зубцы магнитопровода, количество которых равно количеству постоянных магнитов, причем поверхность каждого выступа расположена напротив поверхности одного из постоянных магнитов ведущей зо полумуфты, расположенных по окружности ведущей полумуфты с чередованием полюсов.

В варианте реализации ведомая полумуфта может быть выполнена из железо- кобальтового сплава (Т _с >1000 °С), либо кобальта (Т _с = 1131 °С), относящихся наряду с железом к группе ферромагнетиков с высокой 35 температурой Кюри Тс. Предпочтительно, что корпус моторной камеры включает в себя тепловой барьер, выполненный в виде тонкой стенки из материала с низкой теплопроводностью, в частности, из нержавеющей стали.

В частности, ведущий вал снабжен жидкостным охлаждением.

Предпочтительно, что ведущая полумуфта оснащена магнитопроводом, выполненным из магнитного материала, в частности, из стали.

Предпочтительно, что ведущая полумуфта является наружной полумуфтой цилиндрической магнитной муфты.

Предпочтительно, что магнитная муфта содержит предпусковой нагреватель, размещенный в моторной камере.

Предпочтительно, что нагреватель размещен на поверхности герметизирующего экрана.

> В варианте реализации магнитной муфты магнитопровод ведомой полумуфты размещен в тонкостенном коррозионно стойком корпусе.

В другом варианте реализации магнитной муфты магнитопровод ведомой полумуфты имеет коррозионно стойкое покрытие.

Предпочтительно, что ведомый вал выполнен керамическим.

В варианте реализации магнитной муфты герметизирующий экран может быть выполнен керамическим.

Предпочтительно, что ведомый вал рабочего колеса снабжен, по меньшей мере, одним подшипником.

Предпочтительно, что ведомый вал рабочего колеса снабжен, по меньшей мере, одним керамическим подшипником скольжения.

Предпочтительно, что горячая камера оснащена теплоизолирующим кожухом.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существуют следующие причинно- следственные связи.

Размещение ведущей полумуфты в вакуумируемой герметичной моторной камере обеспечивает надежный вакуумный тепловой барьер, интегрированный в магнитную муфту, части которой (внутренняя полумуфта и герметизирующий экран) имеют высокую температуру. При этом соединение ведущей полумуфты с металлическим ведущим валом и его жидкостное охлаждение обеспечивают охлаждение постоянных магнитов и низкую температуру ведущего вала, необходимую для соединения с ним электродвигателя. Охлаждение ведущего вала наряду с тепловым барьером, интегрированным в корпус моторной камеры, также обеспечивает компактность жаропрочной муфты. При этом выполнение теплового барьера моторной камеры в виде ее тонкой стенки из материала с низкой теплопроводностью, в частности, из нержавеющей стали, обеспечивает

5 конструктивную простоту устройства.

Выполнение ведомой полумуфты в виде магнитопровода, в частности, цельнометаллического, изготовленного из металла, относящегося к группе ферромагнетиков с высокой температурой Кюри Т _с , обеспечивает ее жаропрочность и надежную долговременную работу в горячей среде, например, в ю расплавленном металле, а также сильную магнитную связь с постоянными магнитами ведущей полумуфты. Наряду с этим, использование в полумуфте вместо постоянных магнитов намагничиваемого материала, в частности, железа/АРМ КО-железа (Т _с = 769 °С) упрощает конструкцию и технологию изготовления ведомой полумуфты.

15 Выполнение обращенной к ведущей полумуфте поверхности магнитопровода, представляющего собой ведомую полумуфту, с проточками, формирующими зубцы магнитопровода, расположенные напротив поверхности каждого из постоянных магнитов ведущей полумуфты, расположенных по окружности ведущей полумуфты с чередованием полюсов, увеличивает связь

20 между полумуфтами при используемом расположении постоянных магнитов с чередованием полюсов.

Оснащение ведущей полумуфты магнитопроводом замыкает на него линии вращающегося магнитного, устраняя потери на вихревые токи в прилегающих неподвижных металлических элементах муфты и, тем самым, повышая ее

25 эффективность.

Выполнение ведомой полумуфты с применением железо- кобальтовых сплавов (Т _с >1000 °С), либо кобальта (Т _с = 1131 °С), относящихся наряду с железом к группе ферромагнетиков с высокой температурой Кюри Т _с позволяет повысить температуру прокачиваемого жидкого металла.

зо Выполнение ведущей полумуфты в виде наружной полумуфты цилиндрической магнитной муфты упрощает ее конструкцию.

Размещение в моторной камере предпускового нагревателя, в частности, при его размещении на поверхности герметизирующего экрана обеспечивает быструю подготовку муфты к пуску.

35 Выполнение ведомого вала и/или герметизирующего экрана из керамики, б

характеризующейся жаропрочностью и малым коэффициентом теплового расширения, облегчает обеспечение работоспособности муфты при высоких температурах.

Оснащение ведомого вала, по меньшей мере, одним керамическим 5 подшипником скольжения, в частности керамическим, повышает надежность работы муфты.

Выполнение магнитопровода ведомой полумуфты с коррозионно стойким покрытием, а также элементов горячой камеры керамическими снижает химическое взаимодействие перекачиваемых агрессивных горячих сред с ю материалами горячей камеры.

Размещение магнитопровода ведомой полумуфты в коррозионно стойком корпусе также позволяет снизить химическое взаимодействие перекачиваемых агрессивных горячих сред с материалами горячей камеры. При этом выполнение корпуса полумуфты тонкостенным необходимо для обеспечения высокого 15 крутящего момента магнитной муфты.

Оснащение горячей камеры теплоизолирующим кожухом снижает тепловые потери при работе насоса, повышая эффективность системы прокачки жидкого металла.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

20 Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами, на которых:

Фиг. 1 показывает продольное сечение муфты в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 2 представляет в увеличенном, по сравнению с Фиг. 2, масштабе 25 поперечное сечение муфты.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.

В соответствии с примером осуществления жаропрочная магнитная муфта зо (Фиг. 1) содержит заполняемую горячей средой, в частности, расплавленным металлом горячую камеру 1, в которой размещена ведомая полумуфта 2, установленная на ведомом валу 3, предпочтительно керамическом, моторную камеру 4, в которой размещена часть ведущего металлического вала 5 и соединенная с ведущим валом 5 ведущая полумуфта б с набором постоянных магнитов 7, герметизирующий экран 8, отделяющий моторную камеру 4 и горячую камеру 1. При этом ведомая полумуфта 2 представляет собой магнитопровод, выполненный из металла, относящегося к группе ферромагнетиков с высокой температурой Кюри Т ₀ например, из железа (Т _с = 769 °С). Моторная камера 4

5 выполнена вакуумируемой. Для этого моторная камера 4 снабжена вакуумным портом 9, через который осуществляется вакуумирование, причем вакуумный зазор 10 между ведущей полумуфтой б и герметизирующим экраном 8 служит тепловым барьером, интегрированным в магнитную муфту. Кроме этого, корпус моторной камеры 4 включает в себя тепловой барьер, например, в виде тонкой ю стенки 11 моторной камеры 4, выполненной из материала с низкой теплопроводностью, в частности, из нержавеющей стали. Металлический ведущий вал 5, соединенный с ведущей полумуфтой 6, снабжен жидкостным охлаждением. Поток охлаждающей жидкости 12 подается к ведущему валу 5, например, с помощью входного и выходного патрубков 13, 14 торцевой части 15 моторной

15 камеры 1, между скользящими манжетами 16.

В моторной камере 1 размещен предпусковой нагреватель 17 насоса, предпочтительно размещенный на части поверхности герметизирующего экрана 8. Также предпочтительно, что на герметизирующем экране закреплена термопара для измерения его температуры. Для упрощения термопара и патрубок моторной

20 камеры для токоподводов предпускового нагревателя 17 и термопары на Фиг. 1 не показаны. Ведомый вал 3, на котором установлена ведомая полумуфта 3, снабжен двумя подшипниками скольжения 18 (Фиг. 1), предпочтительно выполненными керамическими. Горячая камера 1 снабжена теплоизолирующим кожухом 19. Ведущий вал 5 ведущей полумуфты б установлен на подшипниках 20,

25 размещенных в торцевой части 15 моторной камеры 4.

На Фиг. 1 магнитная жаропрочная магнитная муфта изображена для примера в составе центробежного насоса для перекачки горячих сред, в частности расплавленных металлов с температурой плавления выше 200 °С. В этом случае горячая камера 1 представляет собой насосную камеру, снабженную входным зо патрубком 21, выходным патрубком 22 и рабочим колесом 23 насоса, закрепленном на ведомом валу 3.

Ведомая полумуфта 2 предпочтительно представляет собой магнитопровод, поверхность которого, обращенная к ведущей полумуфте б, выполнена с проточками 24, формирующими зубцы 25 магнитопровода, количество которых

35 равно количеству постоянных магнитов 7 (Фиг. 2). Каждый зубец 25 ведомой полумуфты 2 расположен напротив одного из постоянных магнитов 7, расположенных в ведущей полумуфте б по окружности с чередованием полюсов N и S.

Ведущая полумуфта б предпочтительно снабжена магнитопроводом 26, выполненным, например, в виде стального кольца, окружающего постоянные магниты 7.

На Фиг. 1, Фиг. 2 магнитная муфта выполнена цилиндрической, и ведущая полумуфта является наружной. В вариантах исполнения ведущая полумуфта может быть внутренней или магнитная муфта может быть выполнена торцевой.

Герметизирующий экран 8 магнитной муфты выполнен из немагнитного корозионностойкого металла, например из нержавеющей стали, либо из керамики, например, из ZrO, 5| ₃ 1М ₄ или А1 ₂ 0 ₃ .

Цельнометаллический магнитопровод, представляющий собой ведомую полумуфту 2 может иметь коррозионно-стойкое покрытие или коррозионно- стойкий герметичный корпус, для упрощения не показанные на Фиг. 1, Фиг. 2.

Жаропрочную магнитную муфту используют следующим образом.

При использовании магнитной муфты в составе насоса для перекачки расплавленного металла к входному патрубку 21 и выходному патрубку 22 герметично подсоединен контур прокачки жидкого металла; ведущий вал 5 муфты соединен с электродвигателем; к входному и выходному патрубкам 13, 14 торцевой части моторной камеры 4 подсоединена система жидкостного охлаждения ведущего вала 5. К вакуумному порту 9 подсоединен вакуумный насос или подсоединена вакуумная магистраль.

В предстартовом режиме включают предпусковой нагреватель 17 муфты, предпочтительно размещенный в моторной камере 4 на части поверхности герметизирующего экрана 8 магнитной муфты. Одновременно с нагревом через вакуумный порт 9 вакуумируют герметичную моторную камеру 4, а также обеспечивают жидкостное охлаждение металлического ведущего вала 5 и соединенной с ним ведущей полумуфты б, подавая между скользящими муфтами 16 жидкий теплоноситель/охлаждающую жидкость 12 с высокой точкой кипения, например, масло или Galden Fluid. При достижении заданной температуры, обеспечивающей расплавление металла или другой горячей среды, заполняющей горячую камеру 1, нагреватель 17, обеспечивающий быстрый пуск муфты, частично или полностью выключают. Включают электродвигатель. Вал электродвигателя, соединенный через ведущий вал 5 с ведущей полумуфтой б, обеспечивает вращение набора постоянных магнитов 7, равномерно установленных по окружности ведущей полумуфты б с чередованием полюсов N и S. Магнитный поток между постоянными магнитами 7 и расположенными напротив них ответными намагничиваемыми зубцами 25, сформированными

5 проточками 24, вызывает синхронное вращение ведомой полумуфты 2, скрепленного с ней ведомого вала 3 и, например, закрепленного на ведомом валу 3 рабочего колеса/ репеллера 23 центробежного насоса. Сильная магнитная связь между постоянными магнитами ведущей полумуфты б и ведомой полумуфтой 2 обеспечивается ее выполнением из материала, относящегося к группе ю ферромагнетиков, а также чередованием полюсов постоянных магнитов 7 и выполнением ведомой полумуфты зубчатой. Дальнейшее повышение магнитной связи между полумуфтами достигается за счет применения в ведущей полумуфте магнитопровода 26. Вращение рабочего колеса 23 в виде центробежной крыльчатки или репеллера, ведомый вал 3 которого установлен на подшипниках

15 скольжения 18, обеспечивает прокачку жидкого металла или горячей среды от входного патрубка 21 к выходному патрубку 22 горячей камеры 1.

В процессе работы муфты теплоизолирующий кожух 19 позволяет стабилизировать температуру горячей камеры 1 и ограничить уход тепла в окружающую среду, что повышает эффективность системы с жаропрочной

20 магнитной муфтой. Интегрированный в моторную камеру тепловой барьер 11, выполненный, например, в виде тонкой достаточно протяженной наружной стенки, изготовленной из нержавеющей стали, позволяет поддерживать температуру части моторной камеры 4 при существенно более низкой температуре, чем температура горячей камеры 1. Вакуумный зазор 10 между

25 ведущей полумуфтой б и герметизирующим экраном 8 служит высокоэффективным тепловым барьером, интегрированным в магнитную муфту, части которой (внутренняя полумуфта 2 и герметизирующий экран 8) имеют высокую температуру, в частности, температуру расплавленного металла. При этом жидкостное охлаждение металлических ведущего вала 5 и соединенной с зо ним ведущей полумуфты б наряду с тепловым барьером 11, интегрированным в корпус моторной камеры 4, обеспечивает относительно низкую (<200 °С) температуру постоянных магнитов 7 и, соответственно, работоспособность, а также большое время жизни ведущей полумуфты б. Вместе с этим, выполнение ведомой полумуфты 2 из материала, относящегося к группе ферромагнетиков с

35 высокой температурой Кюри Т _с , позволяет реализовать ее размещение и работу с высоким ресурсом в среде расплавленного металла, заполняющего горячую камеру 1. При этом выполнение ведомой полумуфты 2 в виде цельнометаллического магнитопровода, выполненного из железа/АРМ КО-железа, упрощает ее конструкцию и обеспечивает сильную магнитную связь с

5 постоянными магнитами 7 ведущей полумуфты 6. Выполнение ведущей полумуфты в виде наружной полумуфты цилиндрической магнитной муфты упрощает конструкцию устройства.

Жидкостное охлаждение металлического ведущего вала 5 наряду с тепловыми барьерами 11, 10, интегрированными, соответственно, в корпус ю моторной камеры 1 и магнитную муфту, обеспечивают низкую температуру ведущего вала 5 и примыкающей к нему части моторной камеры 4. Последнее обеспечивает надежную высокоресурсную работу электродвигателя и установленных в торцевой части 15 моторной камеры 4 подшипников 20 и скользящих манжет 16 ведущего вала 5.

15 В процессе работы муфты вращающийся магнитный проток проходит через герметизирующий экран 8, который изолирует перекачиваемый расплавленный металл или другую горячую среду от воздействия атмосферы. При этом герметизирующий экран 8 изготавливается из высоко коррозионностойкого материала и его толщина между полумуфтами составляет, как правило, 1- 1,5 мм

20 при выполнении из металла и 3-4 мм при выполнении из керамики. Поскольку вращающееся магнитное поле муфты проходит через неподвижный герметизирующий экран 8, в котором могут индуцироваться вихревые токи, он должен быть изготовлен из немагнитных материалов, например таких, как Хастеллой, другие виды жаропрочной коррозионностойкой нержавеющей стали

25 или из керамики. Выбор керамики в качестве материала герметизирующего экрана 8 позволяет полностью устранить потери на вихревые токи и уменьшить тепловое расширение экрана при его нагреве.

Выполнение находящихся в среде жидкого металла ведомого вала 3 и его подшипников скольжения 18 керамическими, повышает их надежность и зо надежность работы насоса в целом.

Выполнение ведомой полумуфты 2 с применением либо кобальта (Т _с = 1131 °С), либо железо- кобальтовых сплавов (Т _с >1000 °С), относящихся наряду с железом к группе ферромагнетиков с высокой температурой Кюри Т _с позволяет повысить температуру прокачиваемого жидкого металла или другой

35 горячей среды. Магнитопровод ведомой полумуфты 2 может иметь коррозионно стойкое покрытие, например из вольфрама или керамики, для уменьшения химического взаимодействия материала полумуфты с расплавленным металлом.

Магнитная муфта, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, успешно прошла испытания в составе центробежный насоса системы циркуляции жидкого металла, а именно расплавленного олова с температурой около 350 °С. Создаваемые с помощью насоса с жаропрочной магнитной муфтой высокоскоростные, > 10 м/сек, струи жидкого олова использовались в качестве электродов мощного разрядного источника ЭУФ излучения. ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Таким образом, выполнение магнитной муфты в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает ее высокоэффективное применение в горячих средах, в частности, для перекачки расплавленных не тугоплавких металлов при температурах, превышающих 350 °С.