МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК

Предлагаемая конструкция подшипника относится к машиностроению, касается магнитного подшипника, который может быть использован в электродвигателях, в приборах, в автомобилях и в другой технике взамен подшипника качения в случаях, когда требуется обеспечить высокую скорость вращения, пониженный момент трения, отсутствие износа, высокую долговечность.
Известен подшипник вала на постоянных магнитах (US 5321329 А1, кл. F16C 39/06; F16C 33/02; Н02К 7/09, опубл. 14.06.1994 г.), который содержит вал, на концах которого установлены подшипники вала на постоянных магнитах, каждый из которых содержит втулку вала и втулку фланца, представляющих собой два кольцевых постоянных магнита с конусообразными поверхностями, установленных на валу одинаковыми полюсами друг к другу с зазором, образованным силами отталкивания. Между валом и втулкой вала установлена изолирующая втулка с магнитонепроницаемыми щитами на концах.
Недостатком этого устройства являются, во-первых, сложность конструкции, сложность использования в других устройствах и узлах, сложность ремонта и замены из-за необходимости парного использования подшипников вала на постоянных магнитах для обеспечения уравнивания сил отталкивания в осевом направлении, из-за необходимости индивидуального изготовления корпуса и вал под подшипник; во-вторых, из-за постоянной нагрузки на вал возможно его разбалансировка.
Известен магнитный подшипник (полезная модель RU №112729), содержащий наружное и внутренние опорные кольца и жестко связанные с ними рабочие кольца, изготовленные из немагнитного материала, рабочие поверхности рабочих колец выполнены в виде тел вращения, размещенных один в полости другого с возможностью свободного вращения рабочих колец относительно друг друга, на рабочей поверхности торов выполнены покрытия из магнитного материала, ориентированные одно к другому одноименными полюсами, а наружное рабочее кольцо выполнено сборным. Рабочие части рабочих колец выполнены в виде торов, на поверхность которых закреплены пластины из полимерного магнитного материала. Наружный тор имеет съемную боковую стенку, указанные торы выполнены в сечении своими вырезами в стенках, обращенных в противоположные стороны, наружное опорное кольцо соединено с внутренним тором немагнитными втулками, выполненными с поперечным сечением, обладающим наибольшим моментом сопротивления внешнему изгибающему моменту.
Существенным недостатком этого подшипника является процесс приложения нагрузки на рабочие детали подшипника через немагнитные втулки, что приводит к повышенным прогибам и износам втулок при знакопеременных и реверсивных вращениях опорных колец. Подшипник не технологичен, так как наружное рабочее кольцо состоит из частей разной формы, что усложняет производство подшипника.
Известна конструкция магнитного подшипника (полезная модель RU №170274 от 19.04.2017 г.), содержащего наружное и внутренние кольца, изготовленные из немагнитного материала с возможностью свободного вращения относительно друг друга, на рабочей поверхности каждого из которых находится слой магнитного материала так, что оба из этих слоев ориентированные друг к другу одноименными полюсами. Наружное рабочее кольцо выполнено сборным, внутренне рабочее кольцо выполнено монолитным, а наружное кольцо выполнено из двух одинаковых половинок, поперечное сечение рабочей части торов выполнено в виде эквидистантных эллипсов, большая ось которых расположена перпендикулярно действию внешней максимальной нагрузки на подшипник, свободные части рабочих колец образуют лабиринтное соединение, зазоры в котором установлены меньше зазоров между рабочими поверхностями наружного и внутреннего рабочих колец.
Недостатком такой конструкции подшипника является низкая нагрузочная способность из-за слишком тонкого слоя магнитного материала, наносимого на рабочие поверхности немагнитных колец подшипника.
Известен магнитный подшипник (полезная модель RU №185370 от 03.12.2018), содержащем наружное и внутренние кольца с возможностью свободного вращения относительно друг друга, каждое из которых обладает магнитными свойствами и состоит из двух одинаковых половинок, соединенных между собой немагнитными соединительными кольцами, причем рабочие поверхности магнитных колец ориентированы друг к другу одноименными полюсами. Наружное и внутреннее кольца изготовлены из немагнитного материала, на поверхность которых нанесен слой магнитного материала, по крайней мере поверхность одного из слоев магнитного материала имеет антифрикционное покрытие на основе эластомеров.
Недостатком данного подшипника является низкая нагрузочная способность, так как тонкий слой магнитного материала не обеспечивает высокой напряженности магнитного поля между кольцами. Кроме того, внутренне кольцо, зажатое между половинками наружного кольца, соединено с немагнитной частью тонким перешейком, что также снижает нагрузочную способность подшипника.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является магнитный подшипник, содержащий наружное и разделенное на две половинки внутреннее кольца, изготовленные из магнитотвердого материала, ориентированные друг к другу одноименными полюсами и защищенные от внешнего воздействия эластичными немагнитными оболочками, (полезная модель RU №190502 от 03.12.2018 - прототип). Внутреннее и наружное кольца состоят из двух одинаковых половинок, каждая из половинок имеет тороидальную рабочую поверхность и противоположную плоскую торцевую поверхность, причем половинки наружных колец соединены между собой плоскими торцевыми поверхностями, имеющими одноименные полюсы, а половинки внутреннего кольца установлены по обе стороны от наружного кольца состоит из двух одинаковых половинок, соединенных между собой немагнитными соединительным кольцом.
Недостатком данного подшипника является расположение внутреннего кольца по обе стороны от наружного кольца, в результате чего подшипник в основном воспринимает осевую нагрузку, а его несущая способность в радиальном направлении весьма ограничена.
Задачей полезной модели является повышение несущей способности подшипника в радиальном направлении.
Технический результат от использования полезной модели заключается в увеличении нагрузочной способности в радиальном направлении.
Указанная задача решается тем, что в магнитном подшипнике, содержащем наружное и разделенное на две половинки внутреннее кольца, изготовленные из магнитотвердого материала, ориентированные друг к другу одноименными полюсами и защищенные от внешнего воздействия немагнитными оболочками, профили поперечного сечения рабочей части колец выполнены в виде подобных равнобедренных трапеций с углом при основании в пределах от 30 до 90 градусов, а наружное магнитное кольцо подшипника выполнено монолитным.
Так как профили поперечного сечения рабочей части колец выполнены в виде подобных равнобедренных трапеций с углом при основании в пределах от 30 до 90 градусов, то результирующая магнитная сила взаимодействия между кольцами будет направлена под углом к оси подшипника, что позволяет подшипнику воспринимать комбинированную внешнюю нагрузку. Чем меньше угол при основании профиля, тем меньшую осевую внешнюю и большую радиальную нагрузки может воспринимать подшипник. А так как наружное магнитное кольцо подшипника выполнено монолитным, то это повышает силу магнитного взаимодействия между наружным и внутренним кольцами и повышает нагрузочную способность подшипника. Тем самым решается задача повышения несущей способности подшипника в радиальном направлении.
Сущность полезной модели поясняется рисунком. На фиг. 1 показан общий вид конструкции магнитного подшипника.
На фиг. 1 используются следующие обозначения:
1. Наружное магнитное кольцо подшипника.
2. Внутреннее магнитное кольцо подшипника.
3. Немагнитная наружная оболочка.
4. Немагнитная внутренняя оболочка.
Конструкция подшипника содержит монолитное наружное магнитное кольцо 1 и две одинаковые половинки внутреннего магнитного кольца 2. Наружное магнитное кольцо подшипника 1 заключено в немагнитную наружную оболочку 3, имеющую наружный диаметр D и высоту Н. Левая и правая половинки внутреннего магнитного кольца 2 установлены плотно друг к другу своими плоскими внутренними торцами, имеющими одинаковый полюс, и соединены немагнитной внутренней оболочкой 4, имеющей внутренний диаметр d и высоту Н. Рабочие поверхности наружного 1 и внутреннего кольца 2 выполнены в форме подобных равнобедренных трапеций, имеют одинаковый магнитный полюс и установлены с зазором λ.
Работа подшипника осуществляется следующим образом. На немагнитную наружную 3 и внутреннюю 4 оболочки подают комбинированную - осевую и радиальную, внешнюю нагрузку, а одному из колец придают вращение. Так как форма рабочих поверхностей наружного магнитного кольца 1 и внутреннего магнитного кольца 2 имеют формы подобных трапеций, то основания этих трапеций создают магнитную силу взаимодействия, направленную в радиальном направлении подшипника и уравновешивающую внешнюю радиальную нагрузку. Боковые грани трапеций создают магнитную силу взаимодействия, направленную под углом к оси подшипника. Поэтому эта магнитная сила уравновешивает частично осевую и частично радиальную внешние нагрузки. Соотношение радиальной и осевой магнитных сил, возникающих между рабочими поверхностями магнитных колец 1 и 2 подшипника, зависит от геометрических параметров их трапецеидального профиля: высоты трапеции а, основания b и угла при основании β. Чем больше угол при основании β, тем больше осевая сила магнитного взаимодействия между кольцами 1 и 2 и меньше сила радиального взаимодействия. Наоборот, чем меньше угол при основании β, тем больше радиальная сила магнитного взаимодействия между кольцами 1 и 2 и меньше сила осевого взаимодействия. Пределы изменения угла при основании трапецеидального профиля рабочих поверхностей магнитных колец 1 и 2 определяются конструктивными ограничениями. При угле β>90 градусов наружное и внутренне кольца будут более сложны в изготовлении и в намагничивании. При угле β<30 градусов получается слишком малая сила осевого взаимодействия магнитных колец, что может привести к неустойчивости работы подшипника. Поэтому угол при основании трапеции профиля магнитных колец должен находиться в пределах 30≤β≤90 градусов.
Тем самым решается задача повышение несущей способности подшипника в радиальном направлении.