Радиально-упорный магнитный подшипник
RADIAL THRUST MAGNETIC BEARING

Область техники
Изобретение относится к машиностроению, а именно к подшипникам на магнитной подвеске, и может быть широко использовано в узлах и механизмах во всех отраслях народного хозяйства.
Уровень техники
Известен подшипник на магнитной подвеске, включающий кольцевые коаксиальные постоянные магниты, наружный из которых выполнен неподвижным, а внутренний установлен на оси, и обращены они друг к другу неэкранированными поверхностями, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным кольцевым постоянным магнитом, установленным на оси и обращенным неэкранированным полюсом к одноименному неэкранированному торцевому полюсу неподвижного кольцевого магнита, при этом выполнены магниты с осевым намагничиванием и отношение массы каждого из постоянных магнитов, установленных на оси, к массе неподвижного постоянного магнита составляет 1:4, а размещены магниты с воздушным зазором между рабочими поверхностями 0,1-0,5 мм. (RU 2314443, МПК F16C 32/04, 10.01.2008).
К недостаткам этого решения можно отнести неоднозначность и сложность подбора соотношения между массами подвижных и неподвижных магнитов, малейшее отклонение которых приводит к радиальной либо осевой неустойчивости.
Также известен магнитный подшипниковый узел, содержащий корпус, внутри которого смонтированы магнитные упорный и радиальный подшипники, при этом радиальный подшипник содержит кольцевые коаксиальные постоянные магниты, обращенные друг к другу неэкранированными поверхностями, один из которых скреплен с корпусом подшипника, а другой скреплен с ротором, причем упорный подшипник содержит пяту, перпендикулярную продольной оси ротора и жестко скрепленную с ним, на которой закреплен кольцевой постоянный магнит, обращенный с зазором к неэкранированному от него кольцевому постоянному магниту, закрепленному в корпусе подшипника, отличающийся тем, что ось вращения ротора ориентирована вертикально, при этом подпятник упорного подшипника размещен под пятой, причем пята содержит цилиндрическую выточку, на дне которой жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, причем кольцевой постоянный магнит, закрепленный в корпусе подшипника, выполнен аналогично и обращен в зазор с кольцевым магнитом пяты, так что составляющие его кольца обращены к кольцам, составляющим кольцевой магнит пяты, одноименными полюсами, кроме того, верхней части ротора, выступающей над пятой, придана форма стакана, а центральная часть крышки корпуса подшипника снабжена цилиндрическим выступом, выполненным с возможностью размещения в полости верхней части ротора, при этом на внутренней поверхности полости верхней части ротора жестко закреплены друг над другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, при этом нечетные кольца, начиная с крайнего, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с радиальным намагничиванием, причем на поверхности цилиндрического выступа крышки корпуса подшипника, обращенной к поверхности полости верхней части ротора, жестко закреплены друг над другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, по размерам и направлению намагниченности аналогичные закрепленным на внутренней поверхности полости верхней части ротора, но смещенные относительно них по вертикали, кроме того, внешняя поверхность верхней части ротора, обращенная в зазор с полостью крышки корпуса подшипника, и цилиндрическая кромка пяты, обращенная к внутренней поверхности корпуса подшипника, снабжены бандажом, выполненным намоткой высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол (RU 2539705 C1, F16C 32/04, 08.08.2013).
Основным недостатком данного решения является избыточная сложность, требующая большое количество магнитных материалов с различной намагниченностью и, соответственно, удорожанию и утяжелению конструкции.
Также известен радиальный подшипник на магнитной подвеске, включающий кольцевые коаксиальные постоянные магниты, снабженные экранами и взаимодействующие в радиальном направлении одним одноименным действующим полюсом (RU 2264565, МПК F16C 32/04, 21.11.2003), послуживший прототипом к настоящему изобретению.
К недостаткам данного подшипника можно отнести исключения с помощью экранов 50% рабочей поверхности магнитов, что снижает динамические и нагрузочные параметры подшипника и соответственно удорожанию и утяжелению конструкции, а также сложность материального воплощения подобной конструкции, т.к. внутренний диаметр неподвижной части подшипника меньше наружного диаметра подвижного магнита.
Из уровня техники также известен магнитный подшипник (RU 185370, F16C 32/04, F16C 39/06, 03.12.2018). Магнитный подшипник содержит 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. При этом поверхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров.
Из уровня техники известен магнитный подшипник (RU 93015399, F16C 32/04, 20.01.1996). Подшипник состоит из неподвижной части, включающей кольцевой постоянный магнит, разделенный на два сегмента и имеющий внутреннюю кольцевую выемку, и элементы крепления, и подвижной части, включающей кольцевой постоянный магнит, полностью или частично входящий в кольцевую выемку магнита неподвижной части. Магниты подвижной и неподвижной части подшипника намагничены радиально и разноименно. Для улучшения центровки магнит неподвижной части намагничивается неравномерно, причем намагниченность плавно возрастает к низу магнита, компенсируя магнитной силой вес подвижной части подшипника.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является создание магнитного радиально-упорного подшипника на высокоэнергетических магнитных материалах, имеющего минимальную стоимость и максимальную технологическую простоту.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности и долговечности радиально-упорного подшипника за счет отсутствия узлов трения качения и скольжения, и за счет отсутствия необходимости обслуживания и смазки в течение всего срока эксплуатации.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что радиально-упорный подшипник, состоящий из диамагнитного корпуса, двух неподвижных магнитных колец,  расположенных внутри корпуса  и выполненных со встречно-диагональной намагниченностью и формой сечения, представляющей собой квадрат, один из внутренних углов которого срезан и кольца ориентированы срезанными углами друг к другу, образуя внутреннюю кольцевую полость, и вращающегося магнита, расположенного во внутренней полости неподвижных магнитных колец,  при этом вращающийся магнит выполнен с аксиальной намагниченностью и формой, повторяющей форму внутренней кольцевой полости и размером, позволяющим установить, вращающийся магнит во внутреннюю кольцевую полость неподвижных магнитных колец с зазором 0,2-0,5мм,  при этом вращающий магнит выполнен с центральным отверстием, в которое впрессован немагнитный вал.
В частном случае реализации заявленного технического решения внутренний угол каждого магнитного кольца срезан под углом 45°, а форма вращающегося магнита выполнена с углом вершины составляющим 90°.
В частном случае реализации заявленного технического решения магнитные кольца выполнены из NdFeB.
В частном случае реализации заявленного технического решения корпус выполнен из меди или латуни и выполнен разборным.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг.1 –  корпус радиально-упорного магнитного подшипника с установленными неподвижными кольцами;
Фиг.2 – неподвижные магнитные кольца в разрезе;
Фиг.3 – подвижный магнит в разрезе;
Фиг.4 – радиально-упорный магнитный подшипник в разрезе;
Фиг.5 – варианты магнитного подшипника на стандартных магнитах: а) упорного; б) упорно-радиального.
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 – корпус; 2 – немагнитный вал; 3 – неподвижные кольца
; 4 – подвижный магнит, напрессованный на вал с аксиальной намагниченностью; 5 – внутренняя кольцевая полость.
NdFeB с диагональной намагниченностью
Раскрытие изобретения
Радиально-упорный подшипник использует принцип суперпозиции магнитных полей и содержит разборный диамагнитный корпус из меди или латуни (1) (см. Фиг.1), внутри которого размещены два выполненных из высокоэнергетичного магнитного материала NdFeB, имеющего очень высокие показатели остаточной магнитной индукции и устойчивости к размагничиванию (по этим показателям они в разы превосходят обычные чёрные и ферритовые магниты, что делает их гораздо более привлекательными при использовании в изделиях и оборудовании, где требуются сильное магнитное поле) кольца (3) со встречно-диагональной намагниченностью.
Магнитные кольца (3) выполнены в сечении, по форме, представляющей собой квадрат для обеспечения необходимого направления градиента магнитного поля, при этом один внутренний угол каждого магнитного кольца срезан под углом 45° (Фиг. 2), при этом магнитные кольца ориентированы срезанными углами друг к другу, образуя внутреннюю кольцевую полость (5).
Внутри образовавшейся внутренней кольцевой полости (5) расположен вращающийся магнит (4) с аксиальной намагниченностью и формой, повторяющей форму внутренней кольцевой полости (5) и размером, позволяющим вписать вращающийся магнит (5) во внутреннюю кольцевую полость (5) с зазором 0,2-0,5мм.
Величина зазора 0,2-0,5 мм выбирается из необходимых нагрузочных характеристик подшипника. Так, чем меньше величина магнитного зазора, тем выше напряженность магнитного поля в нем и тем большую силу нужно приложить для смещения подвижного магнита, т.е. тем большую нагрузку способен нести подшипник. На настоящем уровне технологии производства спеченных NdFeB магнитов достаточно сложно получить стабильную форму магнита с точностью менее 0,1 мм, что накладывает ограничения на повторяемую величину магнитного зазора.
Вращающий магнит (4) выполнен с центральным отверстием, в которое впрессован немагнитный вал (2) (Фиг. 3). Форма всех магнитов рассчитана таким образом, что суперпозиция магнитных полей обеспечивает максимальную радиальную и осевую стабильность системы. При этом угол вершины вращающегося магнита (4) составляет 90°.
В нормальном состоянии вектор равнодействующего магнитного потока неподвижных магнитных колец (3) направлен к геометрическому центру конструкции под углом 45° и вращающийся магнит (4) находится в зоне равновесия всех магнитных полей.
При использовании углов, упомянутых значений, образующих внутренний объем неподвижного магнита, достигается оптимальная жесткость конструкции по всем осям.
При использовании углов отличных от указанных, образующих внутренний объем неподвижного магнита, направление векторов магнитного потока по закону суперпозиции также изменится, вместо одной появятся несколько точек пересечения магнитных векторов и магнитная система будет неустойчивой, что приведет к нарушению работоспособности подшипника.
При смещении вращающегося магнита подшипника по оси абсцисс или ординат, расстояние до одноименного полюса неподвижного магнита уменьшается, напряженность магнитного поля в зазоре возрастает и отодвигает подвижный магнит в равновесную зону. Аналогичные процессы происходят при комбинированном смещении по двум координатам.
Радиально-упорный подшипник использующий принцип суперпозиции магнитных полей, отличающийся тем, что в нем могут использоваться стандартные магнитные диски и кольца с аксиальной намагниченностью, что в ряде случаев удешевляет и упрощает конструкцию (Фиг.4).