ПОДШИПНИК НА ПАССИВНОМ МАГНИТНОМ ПОДВЕСЕ

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.
Известны подшипники на магнитной подвеске (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.), которые включают кольцевые коаксиальные постоянные магниты, наружный из которых выполнен неподвижным, а внутренний установлен на оси, и обращены они друг к другу неэкранированными поверхностями.
Недостатком известных конструкций подшипника является то, что они выполнены в корпусе устройства, для которого предназначены, являются его составной частью, из-за чего возникает сложность использования подшипника на магнитной подвеске в других устройствах и узлах, необходимость в дополнительной его нагрузке, сложность его ремонта или замены.
Известен магнитный подшипник авторов (RU №170274 и RU №185370), 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 ориентированные друг к другу одноименными полюсами.
Недостатком такой конструкции подшипника является низкая грузоподъемность из-за нерациональной ориентации осей эллиптических рабочих поверхностей наружного и внутреннего колец, в результате чего подшипник под действием внешней нагрузки теряет устойчивость.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является подшипник на пассивном магнитном подвесе, 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 рабочая часть внутреннего кольца соединена с внутренним опорным кольцом с помощью дискообразной консоли, изготовленной из немагнитного материала (RU №204695 - прототип). 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 то, что магнитные силовые линии, создаваемые рабочими поверхностями наружного и внутреннего колец, прерываются дискообразной консолью, что снижает магнитную индукцию взаимодействия колец и уменьшает нагрузочную способность подшипника.
Задачей полезной модели является повышение грузоподъемности подшипника на пассивном магнитном подвесе.
Техническим результатом от использования полезной модели является обеспечение замыкания магнитных силовых линий и тем самым повышение магнитной индукции взаимодействия рабочих поверхностей колец подшипника.
Указанная задача решается тем, что в подшипнике на пассивном магнитном подвесе, 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 ориентированы друг к другу одноименными полюсами, причем рабочая часть внутреннего кольца соединена с внутренним опорным кольцом с помощью дискообразной консоли, изготовленной из немагнитного материала, в дискообразной консоли в зоне расположения магнитных силовых линий равномерно вдоль окружности выполнены как минимум 2 ряда микроотверстий диаметром 0,01-0,1 мм.
Так как в дискообразной консоли, соединяющей рабочую часть внутреннего кольца с его установочной частью, в зоне расположения магнитных силовых линий равномерно вдоль окружности выполнены не менее 2-х рядов микроотверстий диаметром 0,01-0,1 мм, это обеспечивает замыкание магнитных силовых линий, что повышает магнитную индукцию взаимодействия колец и увеличивает нагрузочную способность подшипника.
Сущность полезной модели поясняется рисунками.
На фиг. 1 показан общий вид конструкции бесконтактного магнитного подшипника. На фиг. 2 показан участок дискообразной немагнитной консоли, на фиг. 3 показан разрез по линии А-А фиг. 2 с участком немагнитной консоли. На фиг. 4 показана развертка магнитной индукции взаимодействия колец прототипа. На фиг. 5 показана развертка магнитной индукции взаимодействия колец предлагаемого варианта конструкции подшипника.
На фиг. 1-3 используются следующие обозначения: 1 - внутреннее опорное кольцо; 2 - наружное опорное кольцо; 3 - внутреннее рабочее кольцо; 4 - наружное рабочее кольцо; 5 - слой из магнитного материала наружного рабочего кольца; 6 - антифрикционное покрытие внутреннего и наружного рабочих колец; 7 - немагнитная дискообразная консоль, 8 - слой из магнитного материала внутреннего рабочего кольца; 9 - отверстия в немагнитной дискообразной консоли.
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 внутренне кольцо 3 размещено симметрично в полости наружного рабочего кольца 4. На поверхности наружного рабочего кольца 3 и внутреннего рабочего кольца 4 нанесены соответственно слои 5 и 8 из магнитного материала и слои антифрикционного покрытия 6 на основе эластомеров. Магнитные слои 5 и 8 ориентированы друг к другу разноименными полюсами.
Профили магнитного слоя 8 внутреннего рабочего кольца 3 и магнитного слоя 5 наружного рабочего кольца 4 выполнены в виде установленных симметрично относительно друг друга эллипсов, причем большая ось эллипса наружного рабочего кольца 4 расположена параллельно оси вращения подшипника, а большая ось эллипса внутреннего рабочего кольца 3 расположена перпендикулярно большей оси эллипса наружного рабочего 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 дискообразной консоли 7, изготовленной из немагнитного материала и закрепленной на внешней части внутреннего опорного кольца 1.
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.
В немагнитной дискообразной консоли 7 в зоне расположения магнитных силовых линий равномерно вдоль окружности выполнены как минимум 2 ряда микроотверстий 9 (фиг. 1 и 3) диаметром 0,01-0,1 мм. Угловой шаг расположения микроотверстий 9 и расстояние между рядами определяются экспериментально.
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. Так как величина зазора δ в лабиринтном уплотнении меньше величины зазора λ между рабочими поверхностями, то это предотвращает соприкосновение рабочих поверхностей при больших динамических нагрузках на подшипник и при наличии вибраций.
Наличие на поверхности рабочих колец 3 и 4 антифрикционного покрытия 6 из эластомера предотвращает возможность разрушения слоя из магнитного материала 5 и 8.
Так как в немагнитной дискообразной консоле 7 в зоне расположения магнитных силовых линий наружного 4 и внутреннего 3 рабочих колец выполнены как минимум 2 ряда отверстий 9, это обеспечивает возможность замыкания магнитных силовых линий, что существенно увеличивает магнитную индукцию взаимодействия колец. Тем самым решается поставленная задача увеличения грузоподъемности магнитного подшипника.
Пример. Требуется заменить стандартный радиальный шариковый подшипник с внутренним диаметром d=40 мм, наружным диаметром D=110 мм и высотой Н=27 мм на магнитный подшипник. Внутреннее опорное кольцо 1 магнитного 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. Внутри наружного рабочего кольца 4 размещаем полость вращения, профиль которой представляет собой эллипс. Центр эллипса находится на окружности диаметром 34,5 мм. Большую полуось рабочей части профиля наружного рабочего кольца 4 приняли равной 5 мм, малую полуось этого кольца - 4 мм. Внутри полости наружного кольца размещаем симметрично внутреннее рабочее кольцо, профиль которого представляет собой эллипс с большой полуосью, расположенной перпендикулярно большой полуоси рабочей поверхности наружного рабочего кольца. Большую полуось рабочей части профиля внутреннего рабочего кольца 3 приняли равной 3,5 мм, малую полуось этого кольца - 2,5 мм. На поверхность рабочих колец нанесен слой магнитного порошка, который закреплен антифрикционным покрытием Molykote 3400 толщиной 15…20 мкм. Магнитные слои колец намагничены так, что расположены друг к другу одноименными полюсами.
Величина зазора в лабиринтном уплотнении составляла λ=0,4 мм. Наружное рабочее кольцо 4 выполнили в виде соединения из двух равных частей, каждую из которых устанавливали с натягом в наружном опорном кольце 2. Внутреннее рабочее кольцо 3 выполнено из двух половинок и размещено на наружной поверхности дискообразной консоли 7, имеющей толщину 1 мм. Дискообразная консоль 7 изготовлена из немагнитного материала, например, сплава алюминия и закреплена на внешней части внутреннего рабочего кольца 3. В местах расположения магнитных силовых линий наружного и внутреннего рабочих колец в дискообразной консоли вдоль ее окружности выполнены два ряда отверстий диаметром 0,1 мм. Угловой шаг расположения этих отверстий приняли равным 10°, расстояние между рядами приняли равным 0,5 мм.
На фиг. 4 приведены результаты математического моделирования величины магнитной индукции В(Н) при выбранных эллиптических сечениях рабочего внутреннего и рабочего наружного кольца без наличия в дискообразной консоли отверстий, а на фиг. 5 - результаты математического моделирования величины магнитной индукции в предложенной конструкции магнитного подшипника, имеющего указанные выше отверстия в дискообразной консоли. Для аналитического расчета использовались программы Elcut 6.4. Гармонический анализ распределений индукции и обработка результатов моделирования производились в среде Origin 7.0. При построении аналитических решений для распределения магнитных полей вводились следующие допущения: задача решалась как осесимметричная модель, величина магнитного момента радиально намагниченных магнитов считалось постоянной.
Как видно из фиг. 4 и 5, магнитная индукция взаимодействия рабочих поверхностей внутреннего и наружного колец в предложенной конструкции подшипника более чем в 1,4 раза выше, чем в прототипе, что подтверждает наличие ожидаемого технического результата и эффективность решения поставленной задачи полезной модели.