БЕСКОНТАКТНЫЙ ПОДШИПНИК НА ПАССИВНОМ МАГНИТНОМ ПОДВЕСЕ

Предлагаемая конструкция подшипника относится к машиностроению, касается бесконтактного магнитного подшипника, который может быть использован в электродвигателях, в приборах, в разнообразных подвижных объектах и в другой технике взамен подшипника качения в случаях, когда требуется обеспечить высокую скорость вращения, пониженный момент трения, отсутствие износа, высокую долговечность.
Известны многочисленные конструкции подшипников на магнитном подвесе (RU 70605 U1, кл. H02K 7/09, опубл. 27.01.2008 г.; RU 2314443 С1, кл. F16C 32/04, F16C 39/06, опубл. 10.01.2008 г.; US 5321329 А1, кл. F16C 39/06; F16C 33/02; H02K 7/09, опубл. 14.06.1994 г.; RU №170274; RU №185370 и др.), содержащие свободно вращающиеся относительно друг друга кольца с постоянными магнитами на рабочих поверхностях, имеющими на этих поверхностях одноименные полюса.
Общим недостатком этих подшипников является переменные и нестабильные значения величин магнитной индукции магнитных колец при взаимном вращении и, следовательно, переменные значениями сил магнитного взаимодействия - отталкивания - вызывающих случайный контакт магнитных слоев и их разрушение, приводящее к образованию твердых частиц загрязнений в зазоре между ними и последующему выходу подшипника из строя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является магнитный подшипник авторов (заявка №2021107834 от 23.03.2021 г.; решение о выдаче патента от 16.04.2021 г. - прототип), содержащий 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 ориентированы друг к другу одноименными полюсами, причем поверхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров, а внутренняя поверхность наружного кольца и наружная поверхность внутреннего кольца имеют в поперечном сечении форму эллипсов, причем большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, а большая полуось эллипса внутренней поверхности наружного кольца и малая полуось эллипса наружной поверхности внутреннего кольца параллельны оси вращения.
Недостатком такой конструкции подшипника является возможность возникновения при некоторых соотношениях размеров полуосей эллипсов рабочих поверхностей колец возникновения переменных и нестабильных значений величин магнитной индукции и пондемоторных сил в воздушном зазоре между рабочими поверхностями колец, что может вызвать случайный контакт магнитных слоев и их разрушение, приводящее к образованию твердых частиц загрязнений в зазоре между ними и последующему выходу подшипника из строя.
В задачу полезной модели положено повышении надежности и долговечности бесконтактного подшипника на пассивном магнитном подвесе.
Технический результат от использования полезной модели заключается в обеспечении постоянных и стабильных значений величин магнитной индукции и пондемоторных сил в воздушном зазоре между рабочими поверхностями колец.
Указанная задача решается тем, что в бесконтактном магнитном подшипнике, содержащем 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, поверхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров, а внутренняя поверхность наружного кольца и наружная поверхность внутреннего кольца имеют в поперечном сечении форму эллипсов, причем большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, большая полуось эллипса внутренней поверхности наружного кольца и малая полуось эллипса наружной поверхности внутреннего кольца параллельны оси вращения, а величины соотношений большой полуоси к малой полуоси у эллипса внутренней поверхности наружного кольца и большой полуоси к малой полуоси у эллипса наружной поверхности внутреннего кольца являются одинаковыми и находятся в диапазоне 1,2…3,0.
Так как внутренняя поверхность наружного кольца и наружная поверхность внутреннего кольца имеют в поперечном сечении форму эллипсов, причем большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, большая полуось эллипса внутренней поверхности наружного кольца и малая полуось эллипса наружной поверхности внутреннего кольца параллельны оси вращения, а величины соотношений большой полуоси к малой полуоси у эллипса внутренней поверхности наружного кольца и большой полуоси к малой полуоси у эллипса наружной поверхности внутреннего кольца являются одинаковыми и находятся в диапазоне 1,2…3,0; то при эксплуатации бесконтактного подшипника на пассивном магнитном подвесе величины магнитной индукции магнитных колец при взаимном вращении и, следовательно, силы магнитного взаимодействия - отталкивания - будут постоянными при допустимой осевой и радиальной нагрузке, что исключит случайный контакт магнитных слоев и их разрушение из-за образования твердых частиц загрязнений в зазоре между ними и последующему выходу подшипника из строя, что повышает надежность и долговечность бесконтактного подшипника на пассивном магнитном подвесе, решая тем самым задачу полезной модели.
Сущность полезной модели поясняется рисунками. На фиг. 1 показан общий вид конструкции бесконтактного магнитного подшипника на пассивном магнитном подвесе. На фиг. 2 приведены результаты математического моделирования величины магнитной индукции В(Н) в воздушном зазоре подшипника предложенной конструкции.
На фиг. 1 используются следующие обозначения: 1 - внутреннее опорное кольцо; 2 - наружное опорное кольцо; 3 - внутреннее рабочее кольцо; 4 - наружное рабочее кольцо; 5 - слои из магнитного материала; 6 - антифрикционное покрытие; 7 - немагнитные установочные консоли, (например, 6…12, расположенных равномерно и симметрично по оси вращения); 8 - магнитный слой внутреннего рабочего кольца 3.
Подшипник содержит наружное 1 и внутреннее 2 опорные кольца, а также жестко связанные с ними рабочие наружное 4 и внутреннее 3 кольца, изготовленные из немагнитного материала с возможностью свободного вращения относительно друг друга. Рабочее внутреннее кольцо 3 размещено в полости наружного рабочего кольца 4. Профили магнитного слоя 8 внутреннего рабочего кольца 3 и наружного рабочего кольца 4 выполнены в виде эквидистантных эллипсов, причем большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны и ориентированы соответственно малой полуосью внутреннего кольца 3 и большей полуосью наружного кольца 4 в направлении, параллельном оси вращения подшипника.
При этом величины соотношений большой полуоси и малой полуоси у эллипсов рабочих поверхностей внутреннего и наружного колец являются одинаковыми и находятся в диапазоне
a
а
1
1
2
2
/b=/b=1,2…3,0,
a
1
1
где  и b - соответственно большая и малая полуоси эллипса рабочей поверхности внутреннего кольца;
a
2
2
и b - соответственно большая и малая полуоси эллипса рабочей поверхности наружного кольца.
Наружное рабочее кольцо 4 выполнено из двух одинаковых половинок. Обе половинки наружного рабочего кольца 4 установлены в опорном наружном кольце 2 с гарантированным натягом. Магнитный слой 8 внутреннего рабочего кольца 3 выполнен из двух половинок и размещен на внешней части установочных консолей 7, изготовленных из немагнитного материала, которые закреплены на внешней части внутреннего рабочего кольца 3. Внутреннее рабочее кольцо 3 и наружное рабочее кольцо 4 на своих рабочих поверхностях снабжены слоями магнитного материала 5. Слои 5 обращены друг к другу одноименными полюсами. Поверхности магнитного материала 5 имеют антифрикционное покрытие 6 на основе эластомеров.
Между поверхностями антифрикционных покрытий 6 выполнен зазор λ. Свободные части рабочих колец 3 и 4 образуют лабиринтное соединение с максимальным зазором δ. Величина зазоров в лабиринтном соединении δ гарантированно меньше величины зазора λ.
Подшипник работает следующим образом. На опорные кольца подшипника 1 и 2 подают нагрузку, одному из этих колец придают вращение. Так как слои из магнитного материала 5 рабочих колец 3 и 4 расположены друг к другу одноименными полюсами, то это обеспечивает бесконтактное магнитного взаимодействия рабочих колец и исключает потери энергии вращения на трение. А так как величины соотношений большой полуоси к малой полуоси у эллипса внутренней поверхности наружного кольца и большой полуоси к малой полуоси у эллипса наружной поверхности внутреннего кольца являются одинаковыми и находятся в диапазоне 1,2…3,0; то при эксплуатации бесконтактного магнитного подшипника величины магнитной индукции магнитных колец при взаимном вращении и, следовательно, силы магнитного взаимодействия (отталкивания) будут постоянными при допустимой осевой и радиальной нагрузке, что исключит случайный контакт магнитных слоев и их разрушение из-за образования твердых частиц загрязнений в зазоре между ними и последующему выходу подшипника из строя.
Указанный результат подтверждается математическим моделированием распределения в рабочей зоне подшипника магнитного поля В (Т, представленного на фиг. 2. Для аналитического расчета использовались программы Elcut 6.4. Гармонический анализ распределений индукции и обработка результатов моделирования производились в среде Origin 7.0.
Как видно из рисунка, приведенного на фиг. 2, по мере удаления от поверхности магнитных колец 3 и 4 магнитная индукция падает и изменяется форма кривой. Исходя из формы кривых, можно выявить наиболее однородные участки, что позволит говорить о равномерности распределения поля в заданной области над поверхностью магнитных колец 3 и 4. Исключительно при обеспечении одинаковой величины соотношений большой полуоси к малой полуоси у эллипса внутренней поверхности наружного кольца и большой полуоси к малой полуоси у эллипса наружной поверхности внутреннего кольца, находящимися в диапазоне 1,2…3,0 обеспечивается равномерность и симметричность величин магнитной индукции и, как следствие из этого, - постоянство сил магнитного взаимодействия (отталкивания) в осевом и радиальном направлении для вращающихся колец; что позволяет сделать вывод о правомерности использования предложенного данного типа конструкции для удовлетворения требований по надежности и долговечности бесконтактного подшипника на пассивном магнитном подвесе.
Пример. Требуется заменить стандартный радиальный шариковый подшипник на магнитный подшипник. Размеры подшипника: внутренний диаметр d=40 мм, наружный диаметр D=110 мм, высота Н=27 мм. Поэтому внутренне опорное кольцо 1 подшипника берем с внутренним диаметром d=40 мм, высотой Н=27 мм и толщиной стенки 3 мм. Наружное опорное кольцо 2 берем с наружным диаметром D=110 мм, высотой Н=27 мм и толщиной стенки 3 мм. Высоту наружного рабочего кольца берем равной 25 мм, оставляя по 1 мм с двух сторон для размещения запорных шайб 6. Наружный диаметр равен внутреннему диаметру наружного опорного кольца, равному 104 мм. Внутренний диаметр наружного рабочего кольца 4 равен внутреннему диаметру подшипника d=40 мм. Внутренний диаметр наружного рабочего кольца 4 равен 38 мм. Внутри наружного рабочего кольца 4 размещаем полость вращения, профиль которой представляет собой эллипс. Центр эллипса находится на окружности диаметром 34,5 мм.
1
2
1
2
a
a
Параметры рабочих поверхностей колец 3 и 4 принимали равными: малую полуось b эллипса рабочей поверхности наружного рабочего кольца 4 принимали равной 6 мм, малую полуось b эллипса рабочей поверхности внутреннего рабочего кольца 3 принимали равной 3,5 мм, большую полуось  эллипса профиля рабочей поверхности наружного рабочего кольца 4 принимали равной 8,5 мм, большую полуось  эллипса рабочей части профиля внутреннего рабочего кольца 3 приняли равной 6 мм; то есть, обеспечивалось выполнение соотношения:
a
а
1
1
2
2
/b=/b=8,5/6=5/3,5=1,42.
Величина зазора в лабиринтном уплотнении составляла λ=1 мм. Наружное рабочее кольцо 4 выполнили в виде соединения из двух равных частей, каждую из которых высотой по 12,5 мм устанавливали с натягом в наружном опорном кольце 2. Внутреннее рабочее кольцо 3 выполнено из двух половинок и размещено на внешних частях установочных консолей 7, имеющих прямоугольное сечение размерами 1×1 мм, изготовленных из немагнитного материала - например, сплава алюминия, которые закреплены на внешней части внутреннего рабочего кольца 3.
На внутреннюю поверхность наружного тора рабочего кольца 4 и на наружную поверхность рабочей поверхности тора внутреннего рабочего кольца 3 нанесли антифрикционные покрытия Molykote 3400 толщиной 15…20 (мкм).
Подшипник наружным кольцом 1 устанавливали на вибрационный стол, который создавал осевые колебания амплитудой 1,2 (мм) с частотой 50 (Гц), на внутреннее кольцо подшипника налагали нагрузку 0,3…0,5 (кг) и придавали ему вращение с частотой 1200…1500 (об/мин). Результаты исследования показали, что надежность подшипника предлагаемой конструкции увеличивается
Исследования показали, что разрушение из-за образования твердых частиц загрязнений в рабочем зазоре колец подшипника и последующий выход подшипника предлагаемой конструкции из строя по сравнению с аналогами уменьшается в среднем на (30…40)%. Тем самым решается задача повышения надежности и долговечности бесконтактного магнитного подшипника.