Магнитный подвес – Системы магнитного подвеса для крупных роторных машин. Общие принципы построения — Транспортировка и хранение

Проверка схемы магнитного подвеса на постоянных магнитах

Ниже рассмотрена конструкция магнитного подвеса Николаева, который утверждал, что можно обеспечить левитацию постоянного магнита без упора. Показан опыт с проверкой работы данной схемы.

Сами неодимовые магниты продаются в этом китайском магазине.

Магнитная левитация без затрат энергии – фантастика или реальность? Можно ли сделать простейший магнитный подшипник? И что же на самом деле показал Николаев в начале 90-х? Давайте рассмотрим эти вопросы. Каждый, кто когда-либо держал в руках пару магнитов, наверняка задавался вопросом: “Почему не получается заставить один магнит парить над другим без посторонней поддержки? Обладая таким уникальным свойством, как постоянное магнитное поле, они отталкиваются одноименными полюсами совершенно без затрат энергии. Это великолепная основа для технического творчества! Но не все так просто.

Еще в 19 веке британский ученый Earnshaw доказал, что используя только постоянные магниты, невозможно устойчиво удерживать левитирующий объект в гравитационном поле. Частичная левитация или, иначе говоря, псевдолевитация, возможна лишь при механической поддержке.

Как сделать магнитный подвес?

Простейший магнитный подвес можно сделать за пару минут. Понадобятся 4 магнита в основании,чтобы сделать опорную базу, и пара магнитов, закрепленных на самом левитирующим объекте, в качестве которого можно взять, например, фломастер. Тем самым мы получили парящую конструкцию с неустойчивым равновесием по обе стороны оси фломастера. Стабилизировать положение поможет обычный механический упор.

простейший магнитный подвес с упоромПростейший магнитный подвес с упором

Эту конструкцию можно настроить таким образом, чтобы основной вес левитирующего объекта ложился на опорные магниты, а боковая сила упора была настолько мала, что механическое трение там практически стремится к нулю.

Теперь было бы логично попытаться заменить механический упор на магнитный, чтобы добиться абсолютной магнитной левитации. Но, к сожалению, сделать это не получается. Возможно, дело в примитивности конструкции.

Альтернативная конструкция.

Рассмотрим более надежную систему такого подвеса. В качестве статора используются кольцевые магниты, сквозь которые проходит ось вращения подшипника. Оказывается, в определенной точке кольцевые магниты обладают свойством стабилизировать другие магниты вдоль своей оси намагниченности. А в остальном имеем то же самое. Нет устойчивого равновесия вдоль оси вращения. Это и приходится устранять регулируемым упором.

Рассмотрим конструкцию более жесткую.

Возможно здесь удастся стабилизировать ось  при помощи упорного магнита. Но и здесь  так и не удалось добиться стабилизации. Возможно, упорные магниты нужно размещать с обеих сторон от оси вращения подшипника. В интернете давно обсуждается видео с магнитным подшипником Николаева. Качество изображения не позволяет детально рассмотреть эту конструкцию и складывается впечатление что ему удалось добиться устойчивой левитации исключительно при помощи постоянных магнитов. При этом схема устройства идентична показанной выше. Добавлены лишь второй магнитный упор.

Проверка конструкции Геннадия Николаева.

Сначала посмотрите полное видео, на котором показан магнитный подвес Николаева.  Этот ролик заставил сотни энтузиастов в России и за рубежом попытаться сделать конструкцию, которая смогла бы создать левитацию без упора. Но, к сожалению, в настоящее время не создана действующая конструкция такого подвеса. Это заставляет усомниться в модели Николаева.

Для проверки была сделана точно такая-же конструкция. Кроме всех дополнений были поставлены такие же, как у Николаева, ферритовые магниты. Они слабее неодимовых и не выталкивают с такой огромной силой. Но проверка в серии экспериментов принесла только разочарование. К сожалению, и эта схема оказалась нестабильной.

Заключение.

Проблема в том что кольцевые магниты, какими бы сильными они не были, не в состоянии удержать ось подшипников в равновесии при том усилии со стороны боковых упорных магнитов, которое нужно для ее боковой стабилизации. Ось просто соскальзывают в сторону при малейшем движении. Другими словами, сила, с которой кольцевые магниты стабилизируют ось внутри себя,  всегда будет меньше силы, необходимой для стабилизации оси в боковом направлении.

Так что же все-таки показал Николаев? Если более внимательно посмотреть это видео, то возникает подозрение, что при плохом качестве видео просто не видно игольчатый упор. Случайно ли Николаев не старается демонстрировать самое интересное? Не отвергается сама возможность абсолютной левитация на постоянных магнитах, закон сохранения энергии здесь не нарушается. Возможно, еще не создали такую форму магнита, которая создаст необходимую потенциальную яму, надежно удерживающую связку других магнитов в устойчивом равновесии.

Далее схема магнитного подвеса
Схема магнитного подвеса на постоянных магнитахЧертеж магнитного подвеса на постоянных магнитах

МП общий вид МП леваяМП правая МП торец

 Использованы материалы с сайтов youtube.com и форума matri-x.ru

Магнитный подшипник

Магнитный подшипник, как и остальные механизмы подшипниковой группы, служит опорой для вращающегося вала. Но в отличие от распространенных подшипников качения и подшипников скольжения соединение с валом является механически бесконтактным, то есть используется принцип левитации.

Магнитный подвес

Классификация и принцип работы

Используя принцип левитации, вращающийся вал буквально парит в мощном магнитном поле. Контролировать движение вала и координировать работу магнитной установки позволяет сложная система датчиков, которая постоянно отслеживает состояние системы и подает необходимые управляющие сигналы, меняя силу притяжения с той или иной стороны.

Принцип работы

Магнитные подшипники делятся на две большие группы – активные и пассивные. Более подробно об устройстве каждого типа подшипника ниже.
  1. Активные магнитные подшипники.
Также их называют активными магнитными подвесами. Как упоминалось выше, состоят они из двух частей – непосредственно сам подшипник, а также электронная система управления магнитным полем.

Устройство активного магнитного подвеса

1, 3 – силовые катушки; 2 — вал Различают радиальный и упорные механизмы (по типу воспринимаемой нагрузки), но принцип работы у них один и тот же. Используется специальный ротор (обычный вал не подойдет), модифицированный ферромагнитными блоками. Этот ротор «висит» в магнитном поле, создаваемом электромагнитными катушками, которые находятся на статоре, то есть вокруг вала на 360 градусов, образуя кольцо.
Между ротором и статором образуется воздушный зазор, что позволяет деталям вращаться с минимальным трением.

Система в разрезе

Изображенным механизмом управляет специальная электронная система, которая с помощью датчиков постоянно отслеживает положение ротора относительно катушек и при малейшем его смещении подает управляющий ток на соответствующую катушку. Это позволяет поддерживать ротор в одном и том же положении.

Устройство электронной системы управления.

Расчет таких системы можно более детально изучить в приложенной документации.
  1. Пассивные магнитные подшипники.
Активные магнитные подвесы достаточно широко используются в промышленности, в то время как пассивные системы еще находятся в стадии разработки и испытаний. Как вытекает из названия, ключевым отличием является отсутствие активных элементов, то есть используются постоянные магниты. Но система из нескольких постоянных магнитов очень неустойчива, поэтому практическое применение подобных систем пока под вопросом.
На схеме ниже условно представлен принцип работы пассивных механических подвесов.

Пассивный МП

Ротор оснащен постоянным магнитом так же, как и статор, расположенный кольцом вокруг ротора. Одноименные полюса расположены рядом в радиальном направлении, что создает эффект левитации вала. Подобную систему можно даже собрать своими руками.

 Преимущества

Разумеется, основным преимуществом является отсутствие механического взаимодействия между вращающимся ротором и статором (кольцом).
Из этого следует, что подобные подшипники очень долговечны, то есть обладают повышенной износоустойчивостью. Также конструкция механизма позволяет использовать его в агрессивных средах – повышенная/пониженная температура, агрессивная воздушная среда. Поэтому МП находят все большее применение в космической промышленности.

Недостатки

К сожалению, система обладает и большим количеством недостатков. К ним относятся:
  • Сложность управления активными подвесами. Необходима сложная, дорогостоящая электронная система управления подвесом. Ее использование может быть оправдано только в «дорогих» отраслях – космической и военной.
  • Необходимость использования страховочных подшипников. Резкое отключение электричества или выход из строя магнитной катушки может привести к катастрофическим последствиям для всей механической системы. Поэтому для страховки совместно с магнитными используют и механические подшипники. В случае отказа основных, они смогут взять на себя нагрузки и избежать серьезной поломки.
  • Нагрев обмотки катушек. Вследствие прохождения тока, создающего магнитное поле, обмотка катушек нагревается, что зачастую является неблагоприятным фактором. Поэтому необходимо использовать специальные охлаждающие установки, что еще больше увеличивает стоимость использования подвеса.

Области применения

Возможность работы при любых температурах, в условиях вакуума и отсутствия смазки позволяет использовать подвесы в космической промышленности, в станках нефтеперерабатывающей промышленности. Также они нашли свое применение в газовых центрифугах для обогащения урана. Различные электростанции также используют магнитные подвесы в своих генерирующих установках.

Вариант исполнения подвеса

Ниже несколько интересных видео по теме.  

Не забудь сохранить статью!


Магнитный подшипник на постоянных магнитах.: afhh723 — LiveJournal

насмотревшись видео отдельных товарищей, типа таких


решил и я отметится в этой теме. на мой взгляд видео довольно безграмотное, так что вполне можно по-свистеть из партера.

перебрав в голове кучу схем, посмотрев принцип подвеса в центральной части в видео Белецкого, поняв как работает игрушка «левитрнон», пришел к простой схеме. понятно, что опорных шипа должно быть два на одной оси, сам шип выполнен из стали, а кольца жестко на оси зафиксированны. вместо цельных колец вполне можно уложить не очень большие магниты в форме призмы или цилиндра расположенные по окружности. принцип такойже как в известной игрушке  «ливитрон». только вместо героскопического момента, который не дает волчку опрокинутся мы используем «распор» между жестко закрепленными на оси подставками.

ниже видео с игрушкой «ливитрон»

а здесь схема которую предлагаю я. по сути это и есть игрушка на видео выше, но как я уже говорил,  ей необходимо что-то что не давало бы опорному шипу опрокинутся. в видео выше используется гироскопический момент, я использую две подставки и распор между ними.

в другом своем видио господин белицкий всеже вытачил конические магнитопроводы, даже сделал оттверстие по сиредине упора. но вместо того, чтобы прилипить магнит-кольцо и оставить в серидине упора напряженность поля минимальной, он зачем-то использовал магнит-цилинд (цельный кругляк). и удивляется говорит «вроде  шип в упоре находит стабилизацию, но при дальнейшим продвижении в упор — прилипает к магниту.» глубокомысленное заявление — оказывается если ферромагнетик поднести вплотную к магниту он прилипнит к магниту — мягко говоря нобелевка.


шип скорей всего надо делать острей и пройти черз кольцо — но не суть. попробуем обосновать работу это конструкции, как я её вижу:

магниты отатлкиваются, значит слабое место — нужно стабилизировать эти шипы по оси.  здесь я использовал такую идею: магнит пытается вытолкнуть шип в зону с наименьшей напряженностью поля, т.к. шип имеет противоположную кольцу намагниченость и сам магнит кольцевой, где в достаточно большой области, расположенной вдоль оси, напряженность меньше чем на переферии. т.е. распределение напряженности магнитного поля по-форме напомянает стакан — в стенке напряженность максимальна, а  на оси минимальна.

шип должен стабилизироваться по оси, с одновременным выталкиванием из кольцевого магнита в зону с наименьшей напряженностью поля. т.е. если таких шипа два на одной оси и кольцевые магниты жестко зафиксированны — ось должна «зависнуть».

получается, что находится в зоне с меньшей напряженностью поля наиболее энергетически выгодно.

думаю автор этой картинки в рассуждения особо не вдовался и сделал все «по-понятиям»:

порывшись еще в интернете нашел похожую конструкцию:

здесь тоже формируется зона с меньшей напряженностью, находится она тоже по оси между магнитами, так же используется угол. в общем идеалогия очень похожая, однако если говрить о компактном подшипнике — вариант выше выглядит лучше, однако требует магнитов специальной формы. т.е. разница между схемами в том, что я выдавливаю в зону с меньшей напряженностью опорную часть, а в схеме выше само формирование такой зоны обеспечивает положение на оси.
для наглядности сравнения я перерисовал свою схему:

по сути они зеркальны. вообще идея не нова — все они крутятся вокруг одного и того же, у меня даже есть подозрения, что автор ролика выше просто не искакал предполагаемых решений

здесь практически один в один, если конические упоры сделать не цельным, а составными — магнитопровод + кольцевой магнит, то получится моя схема. я бы даже сказал начальная неоптимизированная идея — рисунок ниже. только рисунок выше работает на «притяжение» ротора, а я изначально планировал «отталкивание»

для особо одаренных хочу заметить, данный подвес не нарушает теоремы (запрет) Ирншоу.  дело в том что речь идет здесь не о чисто магнитном подвесе, без жесткой фиксации центров на оси т.е. одна ось жестко зафиксирована, ничего работать не будет. т.е.  речь идет о выборе точки опоры и не более того.

на всамом деле, если  посмотреть видео Белецкого, то там видно, что примерно такая конфигурация полей уже используется где не поподя, не хватает только финального штриха. конический магнитопровод  распределяет «отталкивание» по двум осям, третью же ось Ирншоу велел зафиксировать иначе, я не стал спорить и жестко её зафиксировал механически. почему Белецкий не попробывал такой вариант я не знаю. фактически ему нужно два «ливитрона» — подставки зафиксировать на оси, а на волчки соединить например медной трубкой.

еще можно заметить, что можно использовать наконечники из любого дастаточно сильного диамегнетика в место магнита полярности противоположной магнитному опорному кольцу. т.е. заменить связку магнит+конический магнитопровод, просто на конус из диамагнетика. фиксация на оси будет более надежной, но диамагнетики не отличаются сильным взаимодействием и нужны большие напряженности поля и большой «объем» этого поля, чтобы применять это хоть как-то. за счет того что поле аксильно равномерное относительно оси вращения, изменения потока магнитной индукции происходить при вращении не будет т.е. подобный подшипник не создаёт противодействия вращению. в этом кстати и слабое место т.е. ось вращения должна точно совпадаь с осью симетрии магнитного поля, и чем больше она не совпадает — тем больше изменение потока со всеми вытикающими.

по логике вещей такой принцип должен быть применим и для подвески плазмы — пропатченная «магнитная бутылка» (пробкотрон), что же поживем — увидем.

почему я так уверен в результате? ну потому что его не может не быть 🙂 единственно что возможно придется сделать магнитопроводы в форме конуса и чашки для более «жесткой» конфигурации поля.
ну и такжк можно найти видео с подобным подвесом:



здесь автор не использует каких-либо магнитопроводов и  использует упор на иглу, как в общем-то и нужно, понимая теорему Ирншоу. но ведь кольца уже жестко закреплены на оси, значит можно распереть ось между ними, чего лего добится используя конические магнитопроводы на магнитах на оси. т.е.  пока не пробили «дно» «магнитного стакана» магнитопровод все труднее впихнуть в кольцо т.к. магнитная проницаемость воздуха меньше чем магнитопровода — уменьшение воздушной прослойки приведет к возрастанию напряженности поля. т.е. одна ось жестко закреплена механически — тогда опор на иглу будет не нужен. т.е. см. самый первый рисунок.

P.S.
вот чего нашел. из сери дурная голова рукам покая не дает — автор тот еще белецкий — накручено там мама не горюй  — конфигурация поля довольно сложная, более того не однородная по оси вращения т.е. при вращении буде изменение пока магнитной индукции в оси со всеми вытикающими… обратите внимание на шарик в кольцевом магните, с другой же стороны в кольцевом магните цилиндр. т.е. человек тупо испохабил принцип подвеса описанный здесь.

ну или пропаичил подвес на фотографии т.е. перцы на фото используют опор на иглу, а он в место иглы повесил шарик — ай шайтан — сработало — кто бы мог подумать (помню мне доказывали что я не правильно понимаю теорему Ирншоу), однако ума повесить два шарика и использовать всего два кольца видимо не хватает. т.е. количество магнитов в устройстве на видео можно легко сократить до 4-х, а возможно до 3-х т.е. конфигурацию с цилиндром в одном кольце и шариком в другом можно считать экспериментально доказаной работающей  см. рисунок изначальной идеи.  там я  использовал два симитричных упора и цилинд + конус, хотя считаю что конус что часть сферы от полюса до диаметра работают одинакого.

стало быть сам упор выглядит так — это магнитопровод (т.е железный, никелевый и т.п.)в него просто

закладывается магнит-кольцо. ответнаая часть такая же, только наоборот 🙂 и работают два упора в распоре- товарищ Ирншоу запретил рабоать по одному упору.

P.S.
а ведь в идеях белицкого что-есть… только надо понимать, что делаешь и может быть и центровать шип в кольце возможно и мальньким магнитом или ферромагнетиком в центре, однако там скорей всего будет все не очень хорошо с изменением потока.

Использование магнитных подвесов при проектировании ВЭУ с вертикальной и горизонтальной осью вращения

Библиографическое описание:

Бубенчиков А. А., Айдосов Д. С., Коломеец Н. А. Использование магнитных подвесов при проектировании ВЭУ с вертикальной и горизонтальной осью вращения // Молодой ученый. — 2016. — №22.3. — С. 7-11. — URL https://moluch.ru/archive/126/35128/ (дата обращения: 29.01.2020).



Работа выполнена при поддержке гранта №МК-5098.2016.8

В статье исследуется тема использования магнитных подвесов при проектировании ветроэнергетических установок с вертикальной и горизонтальной осью вращения (ВЭУ). Анализируются применения обычных и магнитных подшипников в подвесах ВЭУ. Описываются преимущества магнитных подвесов в проектировании и их характеристика. Выделяются и изображаются характерные особенности структурных составляющих постоянных магнитов. Обобщается практический опыт использования магнитных подвесов в ветроэнергетических установках.

Ключевые слова: постоянный магнит, подвес, ветроэнергетическая установка.

Мир рано или поздно столкнется с тем, что запасы не возобновляемых сырьевых ресурсов — нефти, газа и угля — будут исчерпаны. Чем активнее мы их используем, тем меньше их остается, и тем дороже они нам обходятся. По расчетам специалистов, при нынешних объемах добычи угля, нефти и газа запасов сырья на Земле хватит меньше, чем на сто лет. К тому же опустошение земных недр и сжигание топлива уродуют планету и год от года ухудшают ее экологию [1].

Применение технологии магнитного подвеса в роторных системах в наше время получает все большее применение. Это обусловлено рядом значительных преимуществ магнитных подшипников (ЭМП) по сравнению с механическими, основным из которых является отсутствие трения [2].

Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) обладают сроком службы не менее 20 лет. Они работают в довольно тяжелых климатических условиях при температурах от – 60 до + 40 °С, что судит требование высокой надежности этих установок при минимальных затратах на обслуживание. Надежность ВЭУ непосредственно связана с проблемой повышения долговечности подшипниковых узлов. Очевидно, что проблема может быть разрешена как за счет улучшения традиционных подшипников качения и скольжения, так и созданием нетрадиционных подшипников, в которых используются иные физические принципы действия. Значительным недостатком подшипников качения является наличие механического контакта между подвижными и неподвижными частями и надобностью в смазке дорожек качения. В подшипниках скольжения механический контакт отсутствует, но они требуют системы подачи смазочного материала для создания смазочного слоя и герметизация данного слоя [3].

От указанных изъянов свободны магнитные подшипники, в которых для создания опорных реакций применяется магнитное поле. В подвесах на постоянных магнитах (ППМ) магнитное поле создается постоянными магнитами. Наиболее подходящими материалами для изготовления постоянных магнитов в настоящее время проявляется композиция NdFeB. Подвесы на постоянных магнитах отличаются простотой и экономичностью, т. е. не требуют дополнительных источников энергии для обеспечения левитации. Подвес ротора такого типа работает даже в условиях неподвижной ветроэнергетической установки. Однако им свойственны следующие недостатки: низкая механическая прочность постоянных магнитов; не рассеивают механическую энергию при колебаниях подвешенного тела, поэтому нуждаются в особых демпферах; не позволяют реализовать полную устойчивость неконтактной подвески.

Рентгеновские анализы показывают, что сплавы, имеющие оптимальные характеристики состоят из сферической формы кристаллитов равновесия на основе Nd-Fe-B [3, 13].

В результате отмеченных изъянов опоры на постоянных магнитах разумно применять для разгрузки механических опор или в сочетании с активными магнитными опорами. Подвес на постоянных магнитах (ППМ) заключается из нескольких магнитных модулей в зависимости от величины усилия, которое нужно скомпенсировать (рис. 1). Предпочтение такой конструкции обусловливается ограничениями на габаритные размеры магнитных модулей. В анализируемом устройстве это внешний диаметр оси ротора 4 (Dо.р. = 159 мм) и внутренний диаметр корпуса ступицы 7 (Dк.с. = 305 мм). Кроме этого, имеются ограничения на величины изготавливаемых магнитов (внешний диаметр кольца постоянного магнита не должен превышать 220 мм). С другой стороны, достаточно значительное расстояние между шарикоподшипниками (L = 2000 мм) санкционирует использовать в ППМ до шести магнитных модулей. Каждый магнитный модуль 1 заключается из двух платформ 2 и 3. Верхняя платформа 2 фиксируется на оси ротора 4. Нижняя платформа 3 — на внутренней поверхности корпуса ступицы. Корпус ступицы вращается и передает момент вращения генератору ВЭУ. В свою очередь магнитные платформы состоят из обечаек 9 и 10, на которых устанавливаются: постоянные магниты 11; стальная прокладка 14; крышка из алюминиевого сплава 15.

Рис.1. Схема подвеса на постоянных магнитах

Для обеспечения совершенной герметичности обечайку заполняют эпоксидным компаундом. Каждый постоянный магнит покрыт защитным слоем (белый цинк) и располагает формой сегмента, что разрешает уложить магниты в обечайке в виде кольца. Каждое кольцо включает 24 магнита марки Н342/1,32/876/955 толщиной 10 мм и массой 55,4 грамма. Так как в местах стыковки магнитов однородность магнитного поля нарушается, то может появиться пульсация магнитного потока внутри модуля, что неминуемо вызовет вихревые токи и добавочные потери при работе магнитного подвеса. Для уменьшения негативных результатов этого эффекта применяется стальная магнитная прокладка 14, которая располагается поверх кольца, составленного из постоянных магнитов. Кроме этого, крышка платформы 15 реализована из алюминиевого сплава с высокой электропроводностью и выполняет роль демпфера при изменении магнитного потока магнитного модуля. Устройство магнитного модуля надежно защищает постоянные магниты от разнообразных внешних влияний, в том числе и от влияния влаги. Не исключена вероятность образования конденсата во внутренней полости корпуса ступицы. В связи с этим все стальные части модуля окрашены, завершающая окраска реализовывается после сборки элементов магнитного модуля. Для обеспечения верного крепления магнитных модулей к обечайке 9 привариваются внутреннее кольцо 12 и косынки 8, а к обечайке 10 привариваются внешнее кольцо 13 и косынки 8. Верхняя платформа 2 крепится к внутреннему стеклотекстолитовому цилиндру 5 винтами 17 (М10х18). Подобным образом нижняя платформа крепится к внешнему стеклотекстолитовому цилиндру 5 винтами 17 (М10х18). В свою очередь внутренний стеклотекстолитовый цилиндр 5 укрепляется к оси ротора 4 болтами 21 (М12х25). Добавочную прочность соединения снабжают болты 23 (М10х35). Внешний стеклотекстолитовый цилиндр 6 крепится к корпусу ступицы 7 болтами 18 (М12х25). Добавочную прочность соединения обеспечивают болты 25 (М10х28) [4, 5].

Рост интереса к СМП во многом определено улучшением магнитных свойств и снижением цен на нынешние магнитные материалы, которые употребляются в качестве источников постоянных магнитных полей. Эти материалы базируются на переходных (Fe, Co) и редкоземельных (Sm, Pr, Nd) элементах. В особенности востребованными являются NdFeB магниты. Согласно данным, приведенным Орловым П. И. [5], за последнее время характеристики постоянных магнитов NdFeB существенно улучшились. На рис. 2 приведены диаграммы повышения магнитных свойств некоторых материалов и их использование в разные периоды двадцатого столетия [6].

Как видно из рисунка, к концу прошлого столетия возникли новые материалы, располагать высоким значением запасенной удельной энергии. Это магниты Nd-Fe-B и Sm-Co. Магниты Nd-Fe-B обладают преимуществом по сравнению с магнитами Sm-Co. Они не только мощнее, но и более доступны и менее дороги.

Рис.2. Магнитные свойства материалов

Устойчивым подвесом с постоянными магнитами является электродинамический подвес. Принцип его работы заключается на возникновении в проводящих материалах вихревых токов. Вихревые токи могут быть индуцированы переменным магнитным полем или движением системы проводников в постоянном магнитном поле. Из этого следует, в электродинамическом подвесе подъемная сила появляется только при перемещении магнитного поля вблизи проводящей поверхности и отсутствует в состоянии покоя. В ряде случаев его техническое исполнение является недочётом подвесов такого типа, который компенсируется введением опор качения для низких скоростей. Генератор предназначен для простоты и легкости производства и состоит из двух роторных дисков друг с постоянными магнитами, размещенными вокруг его периферии [7, 14].

В конце ХХ века было сделано открытие, разрешающее сконцентрировать магнитное поле от нескольких постоянных магнитов без затраты дополнительной энергии, что разрешает увеличить магнитную индукцию системы. Впервые вероятность сконцентрировать магнитное поле с одной стороны магнита обосновал J. C. Mallinson [8]. Он обосновал, что, при определенных условиях, имеется возможность снизить магнитный поток на одной стороне магнита и снизить его на другой стороне. Первоначально полагалось, что такая возможность разрешит уменьшить влияние магнитного поля на чувствительные материалы, например, усовершенствовать характеристики записи на магнитную ленту.

В дальнейшем, при изучении возможности использования постоянных магнитов в ускорителях и накопительных кольцах, Клаус Хальбах [9, 10] предложил необычную схему расположения магнитов, согласно которой вектор индукции каждого последующего магнита повернут на обусловленный угол по отношению к предыдущему. В этом случае поле с одной стороны полученного массива становится больше, чем с другой. Следствием исследований Хальбаха предстали массивы постоянных магнитов, известные теперь как магнитная решетка и цилиндр Хальбаха, в центре которого сосредоточивается магнитное поле большее, чем поля отдельных элементов массива. Физически, данные условия обозначают, что сила тяжести свободного кольца уравновешивается магнитным взаимодействием кольцевых токов. В одном случае, мы имеем магнитную подушку (свободное кольцо находится над неподвижным), в другом — подвес (свободное кольцо находится под неподвижным). В настоящее время явление магнитного подвеса при помощи левитации применяется многими компаниями при изготовлении вертикально-осевых ВЭУ. Например, ООО «Энергомир», Санкт-Петербург производят 2 и 5 кВт агрегаты. Ветрогенератор собирается с использованием редкоземельных неодимовых магнитов (NdFeB) и благодаря его многополюсности возможно выдавать номинальное напряжение на малых оборотах без использования мультипликатора. Кроме того, подобная конструкция предложена компанией MaglevWindTurbineTechnologies (MWTT) [12].

Подобным образом использование магнитной левитации в функционировании вертикально-осевых ВЭУ разрешает: исключить трение в опорных подшипниках и увеличить КПД ВЭУ, понизить момент инерции ВЭУ и сделать их самозапускаемыми уже при скоростях ветра 1,5–2 м/с, продлить срок службы генератора, снизить стоимость РКК энергии [11].

Литература:

  1. Кошелев А. А. О состоянии и перспективах альтернативной энергетики в России, или почему у нас пренебрегают «бесплатной» энергией солнышка, ветра и речек? // Экологический журнал «Волна». — 2006. — № 1(44). — С. 23–25.
  2. Schweitzer G., Maslen E. Magnetic Bearings: Theory, Design, and Application to Rotating Machinery// Berlin: Springer, 2009. — 535 с.
  3. Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение// СПб.: Политехника, 2003. — 206 с.
  4. Альтман А. Б., ГербергА.Н., Гладышев П. А. и др. Постоянные магниты: справочник // под ред. Ю. М. Пятина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1980. — 488 с.
  5. Орлов П. И. Основы: справ.- метод. пособие: в 2 кн. //под ред. П. Н. Учаева. — Изд. 3-е, испр. — М.: Машиностроение, 1988. — Кн. 1. –560 с.
  6. Michael C., Weaire D. Magnets, Markets, and Magic Cylinders // The Industrial Physics. — 1998. –№. 4, (3). — С. 34–36.
  7. Транспорт с магнитным подвесом / Под ред. В. И. Бочарова, В. Д. Нагорского. — М.: Машиностроение, 1991. — 320 с.
  8. Mallinson John C. One Sided Fluxes — A Magnetic Curiosity // IEEE Transactions on Magnetics. — 1973. — №. 9, (4). — С. 678–682.
  9. Halbach Klaus. Design of Permanent Multipole Magnets with Oriented Rare Earth Cobalt Materials // Nuclear Instruments and Methods. — 1980. — №. 169, (1). — С. 1–10.
  10. Halbach Klaus. Application of Permanent Magnets in Accelerators and Electron Storage Rings // Journal of Applied Physics. — 1985. — №. 57, (1). — С. 3605–3608.
  11. Пархоменко Т. А. Применение магнитной левитации для разгрузки опорных подшипников вертикально-осевых ВУЭ// НАУ им. Жуковского «ХАИ». — 2011. — № 34. — C.6.
  12. Раздин Е. В. Ветрогенераторы нового поколения // Гидроэнергетика Украины. — 2008. — № 1. — С. 58–60.
  13. McCallum W., Kadin A. M., Clemente G. B., Keem J. E. High performance isotropic permanent magnet based on NdFeBR. //Appl. Phys.–1987. –61 с.
  14. Chan T. F., Wang W., Lai L. L. Performance of an Axial-Flux Permanent Magnet Synchronous Generator From 3-D Finite-Element Analysis // Energy Conversion IEEE Transactions on. — 2010. — №. 25. — С. 669–676.

Основные термины (генерируются автоматически): магнитное поле, магнит, магнитный модуль, постоянная, подвес, свободное кольцо, магнитный поток, магнитный подвес, алюминиевый сплав, верхняя платформа.

Магнитная левитация — Википедия

Магнитная левитация — технология, метод подъёма объекта с помощью одного только магнитного поля. Магнитное давление используется для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений.

Теорема Ирншоу доказывает, что, используя только ферромагнетики, невозможно устойчиво удерживать объект в гравитационном поле. Несмотря на это, с помощью сервомеханизмов, диамагнетиков, сверхпроводников и систем с вихревыми токами левитация возможна.

В некоторых случаях подъёмная сила обеспечивается магнитной левитацией, но при этом есть механическая поддержка, дающая устойчивость. В этих случаях явление называется псевдолевитация.

Магнитная левитация используется в маглевах, магнитных подшипниках и показе продукции.

Способы реализации магнитной левитации[править | править код]

  1. С использованием постоянного магнита
  2. С использованием электромагнита
  3. С использованием сверхпроводящего магнита[1]
  1. При помощи электромагнитных систем
  2. При помощи электродинамических систем[1]

Магнитные материалы и системы способны притягивать или отталкивать друг друга с силой, зависящей от магнитного поля и поверхности магнита. Из этого следует, что может быть определено магнитное давление.

Магнитное давление магнитного поля сверхпроводника подсчитывается по формуле:

Pmag=B22μ0{\displaystyle P_{mag}={\frac {B^{2}}{2\mu _{0}}}}

где Pmag{\displaystyle P_{mag}} — сила на единицу площади поверхности в Паскалях, B{\displaystyle B} — магнитная индукция над сверхпроводником в Теслах, и μ0{\displaystyle \mu _{0}} = 4π×10−7 Н·А−2 — магнитная проницаемость вакуума.[2]

Статическая[править | править код]

Статическая устойчивость значит, что любое смещение из состояния равновесия заставляет равнодействующую силу выталкивать объект обратно в состояние равновесия.

Теорема Ирншоу окончательно доказала, что невозможно левитировать объект, используя только статичные макроскопические магнитные поля. Силы, действующие на любой парамагнетик в любой комбинации с гравитационными, электростатическими, и магнитостатическими сделают положение объекта в лучшем случае неустойчивым относительно одной оси и это может дать неустойчивое равновесие относительно всех осей. Тем не менее, существует несколько возможностей сделать левитацию реальной, на примере использования электронной стабилизации или диамагнетиков (так как Магнитная проницаемость меньше[3]) может быть показано, что диамагнитные материалы устойчивы относительно как минимум одной оси и могут быть устойчивы относительно всех осей. Проводники имеют относительную проницаемость к переменным магнитным полям последнего, так что некоторые конфигурации, использующие магниты, работающие на переменном токе, устойчивы сами по себе.

Динамическая[править | править код]

Динамическая устойчивость проявляется в случаях, когда левитирующая система способна подавить любое возможное виброобразное движение.

Магнитные поля являются консервативными силами и поэтому в принципе не могут иметь встроенный способ подавления. Фактически, многие схемы левитации имеют недостаточное подавление.[4] Таким образом, вибрации могут существовать и вывести объект за пределы зоны равновесия.

Подавление движения осуществляется несколькими способами:

  • внешнее механическое подавление, например лобовое сопротивление
  • использование вихревых токов (влияние на проводник полем)
  • инерционный демпфер в левитируемом объекте
  • электромагниты, управляемые посредством электроники

Транспорт с магнитной левитацией[править | править код]

Маглев, или магнитная левитация, — это способ транспортировки, который подвешивает, направляет и приводит в движение транспорт, в основном поезда, используя магнитную левитацию. Данный способ быстрее и тише, чем в случае использования колеса.

Максимальная скорость маглева была зафиксирована в Японии в 2003[5] и составила 581 км/ч, что на 6 км/ч быстрее, чем рекорд TGV.

На начало 2017 года единственным в мире поездом на магнитной подушке, находящимся в коммерческой эксплуатации, является шанхайский маглев[6].

Магнитные подшипники[править | править код]

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о