Бесконтактный подшипник на пассивном магнитном подвесе с повышенной нагрузочной способностью

Полезная модель 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.
Известен магнитный кольцевой подшипник (RU 70605 U1, кл. H02K 7/09. опубл. 27.01.2008 г.), содержащий корпус, жестко соединенный с корпусом статор, вал вращения и жестко соединенный с валом ротор, статор и ротор выполнены в виде кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью, с разноименными магнитными полюсами навстречу друг другу, и с равномерным воздушным зазором, в котором размещен вспомогательный радиальный подшипник скольжения, причем на торцевых поверхностях магнита ротора и внутренних торцевых поверхностях корпуса и в торцевых отверстиях корпуса размещены дополнительные подшипники скольжения.
Недостатком известного подшипника является то, что он имеет в своей конструкции подшипники трения, что обязательно скажется на продолжительности срока эксплуатации подшипника.
Известен подшипник на магнитной подвеске (RU 2314443 С1, кл. F16C 32/04. F16C 39/06, опубл. 10.01.2008 г.), который включает кольцевые коаксиальные постоянные магниты, наружный из которых выполнен неподвижным, а внутренний установлен на оси, и обращены они друг к другу неэкранированными поверхностями. Подшипник снабжен дополнительным кольцевым постоянным магнитом, установленным на оси и обращенным неэкранированным полюсом к одноименному неэкранированному торцевому полюсу неподвижного кольцевого магнита. Магниты выполнены с осевым намагничиванием и отношение массы каждого из постоянных магнитов, установленных на оси, к массе неподвижного постоянного магнита составляет 1:4 и размещены с воздушным зазором между рабочими поверхностями 0,1…0,5 мм.
Недостатком известного подшипника является то, что конструктивное выполнение наружного неподвижного магнита и дополнительного кольцевого магнита не обеспечивает стабильного уравнивания сил отталкивания, что ведет к снижению надежности, срока эксплуатации и эффективности работы при нестабильных осевых нагрузках.
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 ваш под подшипник; во-вторых, из-за постоянной нагрузки на вал возможна 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.
Существенным недостатком этого подшипника является то, что рабочие части рабочих колец выполнены в виде тора и поэтому не учитывается направление действия главной нагрузки на подшипник, а это снижает нагрузочную способность подшипника.
Известен магнитный подшипник авторов (полезная модель RU №170274), 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 недостаточная надежность и долговечность подшипника при экстремальных условиях эксплуатации, например, при ударных нагрузках, вызывающих случайный контакт магнитных слоев и их разрушения.
Известен магнитный подшипник авторов (полезная модель RU №185370), принятый за 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.
Недостатком такой конструкции подшипника является малая нагрузочная способность, обусловленная низкой величиной сил магнитного взаимодействия (отталкивания) между магнитными слоями рабочих поверхностей, изготовленных из обычных магнитных материалов, например, неодиомовых, и, как следствие, пониженная надежность и долговечность подшипника из-за опасности случайного механического контакта магнитных слоев.
Задачей полезной модели является повышение нагрузочной способности, а также надежности и долговечности бесконтактного подшипника на пассивном магнитном подвесе.
Технический результат от использования полезной модели заключается в использовании магнитных слоев рабочих поверхностей подшипника с повышенными магнитными свойствами.
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 и поверхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров, содержащиеся в слое магнитного материала металлические компоненты изготовлены из аморфного металла.
Так как слой магнитного материала, имеющий противоположное направление намагниченности и размещенный на внутренней поверхности наружного кольца и наружной поверхности внутреннего кольца изготовлен из магнитного материала, металлические компоненты которого изготовлены из аморфного металла, имеющего лучшие основные магнитные характеристики, то это позволяет решить задачу увеличения нагрузочной способности и связанные с ней долговечность и надежность магнитного подшипника.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг. 1 показан общий вид конструкции бесконтактного подшипника на пассивном магнитном подвесе. На фиг. 1 используются следующие обозначения: 1 - внутреннее опорное кольцо; 2 - наружное опорное кольцо; 3 - внутреннее рабочее кольцо; 4 - наружное рабочее кольцо; 5 - слой из магнитного материала; 6 - антифрикционное покрытие; 7 - запорные шайбы.
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 в полости наружного рабочего кольца 4. Профили внутреннего рабочего кольца и наружного рабочего кольца 4 выполнены в виде эквидистантных эллипсов, ориентированных большей осью в направлении, параллельном оси подшипника. Наружное рабочее кольцо 4 выполнено из двух одинаковых половинок. Обе половинки наружного рабочего кольца 4 установлены в опорном наружном кольце 2 с гарантированным натягом и дополнительно закреплены запорными шайбами 7. Внутреннее рабочее кольцо 3 и наружное рабочее кольцо 4 на своих рабочих поверхностях снабжены слоями магнитного материала 5.
16
76
8
с
max
3
Слои магнитного материала 5 содержат металлические компоненты в виде аморфного магнитотвердого материала NdFeB, обеспечивающего повышенные магнитные параметры: остаточная индукция Br=0,95 Тл, коэрцитивная сила Н=1920 кА/м и максимальная магнитная энергия BH=220 кДж/м. Это более чем в 1,5 раза превосходят аналогичный обычный неодимовый магнитный материал такого же химического состава [см. Lileev A.S., Parilov А.А., Blatov V.G. Properties of hard magnetic Nd-Fe-B films versus different sputtering conditions // JMMM, 2002. Vol. 242-245 Part 2. P. 1300-1303].
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.
Бесконтактный подшипник на пассивном магнитном подвесе 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 магнитное взаимодействие рабочих колец и исключает потери энергии вращения на трение. Поскольку величина зазора δ в лабиринтном уплотнении меньше величины зазора λ между рабочими поверхностями, то это предотвращает соприкосновение рабочих поверхностей при небольших динамических нагрузках на подшипник и вибраций. Наличие на поверхности рабочих колец 3 и 4 антифрикционного покрытия 6 из эластомера предотвращает возможность разрушения слоя из магнитного материала 5 при возможном механическом контакте при чрезмерных нагрузках или под действием вибраций. В качестве антифрикционных покрытий на основе антифрикционных эластомеров могут быть использованы, например, антифрикционные покрытия Molykote - Molykote 3400А; Molykote 3402С Leadfree; Molykote 7400; Molykote D-10-GBL; и др. [см., например, сайт - http://atf.ru].
Пример. Размеры подшипника: внутренний диаметр d=30 мм, наружный диаметр D=62 мм, высота Н=16 мм. Поэтому внутренне опорное кольцо 1 подшипника берем с внутренним диаметром d=30 мм, высотой Н=16 мм и толщиной стенки 2 мм. Наружное опорное кольцо 2 берем с наружным диаметром D=62 мм, высотой Н=16 мм и толщиной стенки 2 мм. Высоту наружного рабочего кольца берем равной 14 мм, оставляя по 1 мм с двух сторон для размещения запорных шайб 6. Наружный диаметр равен внутреннему диаметру наружного опорного кольца, равному 58 мм. Внутренний диаметр наружного рабочего кольца 4 равен внутреннему диаметру подшипника d=30 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 48 мм.
Параметры рабочих поверхностей колец 3 и 4 принимали равными: малую полуось эллипса рабочей поверхности наружного рабочего кольца 4 принимали равной 2,75 мм, малую полуось рабочей поверхности внутреннего рабочего кольца 3 принимали равной 2,25 мм, большую полуось эллипса профиля рабочей поверхности наружного рабочего кольца 4 принимали равной 5,8 мм, большую полуось рабочей части профиля внутреннего рабочего кольца 3 приняли равной 5,3 мм. Величина зазора в лабиринтном уплотнении составляла 0,25 мм. Наружное рабочее кольцо 4 выполнили в виде соединения из двух равных частей, каждую из которых высотой по 7 мм устанавливали с натягом в наружном опорном кольце 2 и дополнительно закрепляли с боковых сторон запорными шайбами 7. 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 0,5 кг - (практически на 60% большую, чем при использовании магнитного слоя 5, изготовленного из обычных магнитных материалов аналогичного химического состава) и придавали ему вращение с частотой 1500 об/мин. Исследовании показали, что помимо существенного увеличения нагрузочной способности, вероятность выхода подшипника из строя по причине разрушения слоя магнитного материала рабочих колец, металлические компоненты которых изготовлены из аморфного металла, уменьшается на 45…48% по сравнению с подшипниками, не имеющих указанных конструктивных отличий.
Тем самым решается задача увеличения нагрузочной способности, а также повышения надежности и долговечности бесконтактного подшипника на пассивном магнитном подвесе.