Изобретение относится к магнитным подшипникам, основанным на отталкивающем эффекте магнитов, направленных одноимёнными полюсами друг к другу, эксплуатируемых в жидкой среде, например в гидроэлектрической турбине с открытым центром, и служит для бесконтактного удерживания ротора с возможностью его вращения в статоре.

Известны гидротурбины с открытым центром, в которых магнитный подшипник лишь частично удерживает ротор в статоре, а остальную нагрузку принимают на себя механические подшипники. Ближайший к изобретению проект представлен в документе № WO 2009 130020, в котором гидроэлектрическая турбина содержит статор, ротор с нулевой плавучестью, размещённый с возможностью вращения внутри статора, по меньшей мере, один подшипник магнитного отталкивания, частично поддерживающий ротор внутри статора, в котором магнитный подшипник содержит магниты ротора, установленные на роторе в виде кольцевого массива, и магниты статора, установленные на статоре в направлении, противоположном магнитам ротора, и они должны генерировать осевую реактивную силу по окружности ротора, при этом магниты статора радиально смещены относительно магнитов ротора в местах на статоре, которые при использовании находятся вверху и внизу турбины для создания радиальной реактивной силы. Так же в его конструкции присутствуют элементы электрогенератора и механические подшипники, которые берут на себя основные нагрузки по удержанию ротора в статоре.

Недостатком такой конструкции является лишь частичное удержание ротора в статоре магнитными подшипниками, а основная работа приходится на механические подшипники; а так же затратное и трудоёмкое производство и транспортировка магнитных колец большого диаметра.

Целью настоящего изобретения является создание комплексного магнитного подшипника, который будет способен полностью бесконтактно удерживать ротор с возможностью вращения в статоре без использования механических подшипников, а так же более простая в производстве конструкция магнитных подшипников.

Поставленная задача решается следующим образом: в каждом отдельном магнитном подшипнике, кольцевой массив магнитов ротора будет представлен в виде пояса, объединяющего в себе несколько рядов постоянных магнитов и электромагнитных элементов имеющих по несколько независимых обмоток, предназначенных, в радиальных подшипниках, для выработки электрического тока, а в осевых подшипниках, при использовании этого тока, для создания дополнительного отталкивающего магнитного поля (относительно магнитов статора) на одном из осевых подшипников, и притягивающего магнитного поля, на другом осевом подшипнике; а кольцевой массив магнитов статора будет набран из комбинированных элементов, диаметр или ширина которых превышает или равна ширине пояса магнитных элементов ротора, каждый данный элемент статора состоит из постоянного магнита и электромагнитной обмотки предназначенной для усиления или ослабления магнитного поля данного магнита, а так же для дополнительной выработки электроэнергии при вращении турбины. Ротор будет оснащён системой осевого позиционирования, которая, для удержания ротора в заданных пределах, в зависимости от направления и силы осевого давления потока жидкости, действующего на лопастное колесо, будет в определённой полярности запитывать разное количество обмоток на электромагнитных элементах ротора каждого отдельного осевого подшипника, используя ток, вырабатываемый радиальными подшипниками. Так же в роторе будет предусмотрена электронная система, которая при автономной работе каждого отдельного подшипника, позволит электромагнитным элементам ротора, при взаимодействии с магнитами статора во время вращения турбины, работать только в одном из режимов: либо «отталкивания» от магнитов статора, либо «притягивания».

Таким образом, комплексный магнитный подшипник, состоящий из двух радиальных подшипников на внешней окружности по краям ротора, и двух осевых подшипников на его торцах, благодаря отталкивающей силе одноименных полюсов магнитов, полностью бесконтактно удерживает ротор в статоре, а значительная разница в размерах магнитов ротора и магнитов статора позволяет снизить «ступенчатость» магнитного поля кольцевого массива магнитов ротора, что ведёт к снижению сопротивления вращению ротора.

Электромагнитные обмотки магнитов статора на одном из осевых подшипников, можно использовать для усиления магнитного поля этих магнитов, а на втором - для снижения их магнитного поля для противодействия потоку жидкости, давящему на ротор (лопастное колесо) во время работы турбины; электромагнитные обмотки магнитов статора радиальных подшипников можно использовать для корректировки радиального позиционирования ротора внутри статора, или усиления общего магнитного поля всех постоянных магнитов отдельно взятого подшипника; и все эти обмотки также можно использовать для дополнительной выработки электроэнергии, полученной благодаря возникновению в них ЭДС при взаимодействии с магнитами ротора при вращении турбины.

Так же в ободе лопастного колеса выполнены радиальные каналы для забора жидкости из потока, и, благодаря центробежной силе вращения ротора, нагнетания её в полость между ротором и статором для отведения тепла от нагревающихся элементов гидротурбины, в корпусе же, имеются каналы для вывода этой жидкости из данной полости обратно в поток. Такая конструкция магнитных подшипников позволяет значительно упростить их производство, и заменить некоторые постоянные магниты электромагнитными элементами, а так же даёт возможность транспортировать изделие в разобранном виде.

Суть изобретения раскрывается следующими иллюстрациями:

Фиг. 1 - Гидротурбина в разрезе.

Фиг. 2 - Фрагмент гидротурбины в разрезе.

Фиг. 3 - Развёрнутый фрагмент радиального подшипника. Фиг. 4 - Фрагмент осевого подшипника

Магнитный подшипник на гидротурбине (фиг. 1) в своей конструкции имеет корпус 1 (статор), лопастное колесо 2 (ротор), с лопастями 3. На фигуре 2 показан пояс магнитных элементов 4 каждого радиального подшипника, установленный на роторе; магниты 5 и электромагнитные обмотки 6 - элементы радиальных подшипников, установленные в статоре; пояс магнитных элементов 7 каждого осевого подшипника, установленный на роторе; магниты 8 и электромагнитные обмотки 9 - элементы осевых подшипников, установленные в статоре; каналы 10 выполненные в ободе лопастного колеса для охлаждающей жидкости и каналы 11 выполненные в корпусе и электромагнитные элементы 12 электрогенератора, расположенные в роторе и в статоре. На фигуре 3 показан развёрнутый фрагмент радиального подшипника, представленный в виде пояса, состоящего из постоянных магнитов 4а, и электромагнитных элементов 4в установленных на роторе; а так же постоянные магниты 5 и электромагнитные обмотки 6 - элементы, установленные в статоре. На фигуре 4 показан фрагмент осевого подшипника, представленный в виде пояса, состоящего из постоянных магнитов 7а и электромагнитных элементов 7в, установленных на роторе, а так же постоянные магниты 8 и электромагнитные обмотки 9 - элементы, установленные в статоре.

Магнитный подшипник на гидротурбине работает следующим образом: благодаря свойству магнитов обращённых друг к другу одноимёнными полюсами отталкиваться друг от друга, поясы из постоянных магнитов 4а и 7а, размещённые по окружности и на торцах ротора, и магниты 5 и 8, размещённые напротив них в статоре, с одинаковым усилием отталкивают рабочее колесо турбины 2 от всех внутренних стенок цилиндрического кольцевого отверстия корпуса 1, а значительная разница в размерах магнитов ротора и магнитов статора уменьшает сопротивление вращению ротора и позволяет ему свободно вращаться, не касаясь стенок.

Ротор оснащён системой осевого позиционирования, которая, для удержания ротора 2 в заданных пределах корпуса 1, в зависимости от направления и силы осевого давления потока жидкости действующего на лопастное колесо 2, будет в определённой полярности подключать разное количество обмоток на электромагнитных элементах 7в каждого отдельного осевого подшипника. Для определения местоположения ротора в статоре могут быть использованы, например, индуктивные датчики, либо иные. Электрический ток для работы данной системы будет вырабатываться электромагнитными элементами 4в ротора в радиальных подшипниках при взаимодействии с магнитами статора 5 во время вращения ротора 2.

Так же в роторе будет предусмотрена электронная система автономной работы каждого отдельного осевого подшипника, позволяющая электромагнитным элементам ротора 7в, при взаимодействии с магнитами статора 8 во время вращения турбины и возникновения в них ЭДС, работать только в одном из режимов: либо «отталкивания» от магнитов статора, либо «притягивания». В основе работы данной системы лежит недопущение перемены направления течения электрического тока в электромагнитном элементе в процессе его приближения к магниту статора и, потом, отдалению от него. Это может быть осуществлено благодаря использованию разных обмоток на одном электромагнитном элементе при разных направлениях вращения ротора, с использованием диодов. Таким образом, электромагнитный элемент будет выполнять полезную работу только во время приближения к магниту, или при отдалении от него. Для того чтоб он работал весь цикл приближения-отдаления, можно использовать конденсатор, аккумулятор или ток от других таких же элементов установленных в данном поясе магнитных элементов.

Электромагнитные обмотки магнитов статора 6 и 9 можно использовать для усиления или ослабления магнитного поля магнитов 5 и 8, соответственно, а так же для дополнительной выработки электроэнергии при вращении турбины.

Так же в ободе лопастного колеса 2 выполнены радиальные каналы 10 для забора жидкости из потока, и, благодаря центробежной силе вращения ротора 2, нагнетания её в полость между ротором 2 и статором 1 для отведения тепла от нагревающихся элементов гидротурбины, в корпусе 1, имеются каналы 11 для вывода этой жидкости из данной полости обратно в поток.