Магнитный подшипник

Предлагаемая конструкция подшипника относится к машиностроению, касается магнитного подшипника, который может быть использован в крупногабаритных подшипниковых опорах, например в подшипниковой опоре подшипника главного вала ПЛ подводных лодок, когда требуется обеспечить высокую долговечность, отсутствие смазки, низкий шум и вибрацию подшипниковой опоры, высокую скорость вращения, пониженный момент трения, отсутствие износа.
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 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 сложность изготовления подшипника больших габаритных размеров, так как для этого требуется слишком громоздкая и дорогостоящая оснастка, крупногабаритное дорогостоящее оборудования, а для намагничивания колец требуется громоздкий энергозатратный мощный индуктор. При очень больших габаритах подшипника его изготовление вообще становится невозможным.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности изготовления магнитного подшипника из магнитотвердого материала больших габаритных размеров с минимальными затратами.
Технический результат от использования полезной модели заключается в возможности использования при изготовлении подшипника из магнитотвердого материала больших габаритных размеров малогабаритной технологической оснастки и оборудования, малогабаритного энергоэффективного индуктора для намагничивания колец подшипника.
Указанная задача решается тем, что в магнитном подшипнике, содержащем наружное и внутреннее кольца, изготовленные из магнитотвердого материала, ориентированные друг к другу одноименными полюсами и защищенные от внешнего воздействия немагнитными оболочками, наружное и внутреннее кольца состоят из намагниченных малогабаритных одинаковых для каждого кольца частей, имеющих одинаковую форму, размеры и одинаковый центральный угол, центрируемых и удерживаемых немагнитными оболочками.
Так как магнитные кольца подшипника состоят из намагниченных до сборки малогабаритных одинаковых для каждого кольца частей, имеющих одинаковый центральный угол, и собранных вместе с помощью немагнитных оболочек, то при изготовлении малогабаритных элементов магнитных колец возможно использовать малогабаритную технологическую оснастку и оборудование, малогабаритный энергоэффективный индуктор. Тем самым обеспечивается возможность изготовления магнитного подшипника больших габаритных размеров и обеспечить минимально возможные затраты при его изготовлении.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где на фиг. 1 показано поперечное сечение магнитного подшипника, на фиг. 2 показан вид сбоку.
На фигурах 1 и 2 используются следующие обозначения:
1. малогабаритный элемент наружного магнитного кольца,
2. малогабаритный элемент внутреннего магнитного кольца,
3. наружная немагнитная оболочка,
4. внутренняя немагнитная оболочка.
n
n
v
v
Конструкция подшипника содержит наружное кольцо, состоящее из малогабаритных элементов 1 наружного магнитного кольца, изготовленных из магнитотвердого материала (далее - магнитное кольцо), центрируемых и удерживаемых немагнитной оболочкой 3, и из малогабаритных элементов 2 внутреннего магнитного кольца, изготовленных из магнитотвердого материала (далее - магнитное кольцо), центрируемых и удерживаемых немагнитной оболочкой 4. Немагнитные оболочки колец обеспечивают также заданные габаритные размеры подшипника d, D и Н. Малогабаритные элементы 1 наружного магнитного кольца имеют одинаковые форму и размеры: длину b, внутренний радиус r, наружный радиус R и центральный угол β (фиг. 2). Аналогично этому и малогабаритные элементы 2 внутреннего магнитного кольца подшипника имеют одинаковые форму и размеры: длину b, внутренний радиус r, наружный радиус R и центральный угол α. Малогабаритные сегменты 1 наружного кольца и малогабаритные сегменты 2 внутреннего магнитного кольца плотно прижаты друг к другу, центрируются и удерживаются соответственно наружной 3 и внутренней 4 немагнитными оболочками. В соединении указанные элементы образуют наружное магнитное кольцо и внутреннее магнитное кольцо, имеющих одинаковый магнитный полюс на рабочих поверхностях, что обеспечивает центрирование внутреннего кольца относительно наружного и величину рабочего зазора между рабочими поверхностями колец δ. Для предотвращения излишнего трения между немагнитными оболочками 3 и 4 в радиальном направлении обеспечивается гарантированный зазор λ≥δ.
t
t
n
Под действием магнитных сил внутреннее магнитное кольцо 2 будет смещаться в осевом направлении относительно наружного магнитного кольца 1. Для предотвращения этого немагнитная оболочка 4 внутреннего магнитного кольца 2 со стороны, противоположной направлению смещения внутреннего кольца имеет диаметр d, превышающий диаметр отверстия наружного магнитного кольца 1 d>2R.
Работа подшипника осуществляется следующим образом. Наружное кольцо подшипника по посадочному диаметру D немагнитной оболочки 3 устанавливается в корпус подшипникового узла (не показано), а внутреннее кольцо подшипника устанавливается по посадочному диаметру d на вал подшипникового узла (не показан). На валу внутренне кольцо ориентируют в осевом направлении так, чтобы со всех сторон между наружным 1 и внутренним 2 кольцами подшипника образовался гарантированный зазор. На немагнитную наружную 3 и внутреннюю 4 оболочки подают радиальную внешнюю нагрузку, а внутреннему кольцу вместе с валом придают вращение. Внешняя нагрузка не должна превышать силу магнитного взаимодействия между наружным 1 и внутренним 2 магнитными кольцами. При этом условии подшипник может работать без износа длительное время, обеспечивая минимальный момент сопротивления вращению, отсутствие шума и вибраций.
Основным преимуществом данной конструкции подшипника по сравнению с аналогами является возможность с минимальными затратами изготовить крупногабаритный подшипник. Для изготовления магнитных элементов колец можно использовать малогабаритную пресс-форму или литьевую форму, малогабаритный пресс и малогабаритную печь для спекания магнитного материала и для его термообработки. Значительно проще и с меньшими затратами осуществляется намагничивание элементов колец по сравнению с намагничиваем крупногабаритных монолитных колец. Все это обеспечивает решение поставленной задачи - обеспечение возможности изготовления магнитного подшипника из магнитотвердого материала больших габаритных размеров с минимальными затратами.