МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к конструкции 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.
Известен магнитный кольцевой подшипник (патент RU на полезную модель №70605), содержащий корпус, вал вращения, статор и ротор, расположенные с рабочим воздушным зазором относительно друг друга. Статор вставлен жестко в корпус, а ротор жестко соединен с валом вращения, проходящим через торцевые отверстия в корпусе, снабженные вспомогательными подшипниками. Статор и ротор подшипника выполнены в виде кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью. Магнит ротора размещен концентрично внутри магнита статора, с их разноименными магнитными полюсами навстречу друг другу, с равномерным воздушным зазором, в котором размещен вспомогательный радиальный подшипник скольжения. На торцевых поверхностях магнита ротора и внутренних торцевых поверхностях корпуса и в торцевых отверстиях корпуса размещены дополнительные подшипники скольжения.
Недостатком описанного выше подшипника является то, что он имеет в своей конструкции подшипники скольжения, что снижает продолжительность срока эксплуатации подшипника. Кроме этого при изготовлении и применении таких магнитных высокоскоростных подшипников требуется высокая точность изготовления магнитных колец, что технологически затруднительно.
Известен также подшипник на магнитной подвеске (патент RU на изобретение №2314443), 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 он выполнен в корпусе устройства, является 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. 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. Кроме этого наличие в корпусе устройства других движущихся металлических элементов может привести к попаданию пыли и металлических частиц в подшипник на магнитной подвеске и к его разбалансировке в дальнейшем.
Известен также подшипник вала на постоянных магнитах (патент US на изобретение №5321329), который содержит вал, на концах которого установлены подшипники 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.
Недостатками 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 равновесия осевых сил, из-за необходимости изготовления специального корпуса под подшипник; во-вторых, из-за постоянной нагрузки на вал возможна его разбалансировка.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является магнитный подшипник, содержащий наружное и внутреннее опорные кольца и связанные с ними рабочие кольца, изготовленные из магнитного материала, рабочие поверхности рабочих колец выполнены в виде тел вращения, размещенных одно в полости другого с возможностью свободного вращения рабочих колец относительно друг друга, на рабочей поверхности колец выполнены покрытия из магнитного материала, ориентированные одно к другому одноименными полюсами, а наружное рабочее кольцо выполнено сборным (патент RU на полезную модель №112729). Рабочие части рабочих колец подшипника выполнены в виде торов. Наружное опорное кольцо соединено с внутренним тором посредством втулок, выполненных из немагнитного материала. При этом торы выполнены из немагнитного материала в сечении своими вырезами в стенках, обращенных в противоположные стороны. Наружный тор имеет съемную боковую стенку. Немагнитные втулки, соединяющие наружное опорное кольцо с внутренним тором, выполнены с поперечным сечением, обладающим наибольшим моментом сопротивления внешнему изгибающему моменту.
Существенными недостатками этого подшипника являются следующие. Немагнитные втулки, соединяющие наружное опорное кольцо с внутренним тором, под действием внешней реверсивной внешней нагрузки на подшипник прогибаются и изнашиваются, что снижает надежность подшипника. Так как рабочие части рабочих колец выполнены в виде тора, то силы магнитного взаимодействия колец в радиальном и в осевом направлениях примерно одинаковые, в то время как радиальная и осевая силы, действующие на подшипник, как правило, имеют разную величину. Это снижает нагрузочную способность подшипника. Подшипник не защищен от пыли и грязи, что также снижает надежность подшипника. Кроме того, устройство не защищено от чрезмерной внешней нагрузки, при которой рабочие части подшипника могут соприкасаться, что может вызвать его разрушение.
Задачей предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно увеличение нагрузочной способности подшипника при повышении надежности его работы.
Указанные задача и техническая результат достигаются за счет того, что в магнитном подшипнике, содержащем наружное и внутреннее опорные кольца и жестко связанные с ними рабочие кольца, изготовленные из немагнитного материала, рабочие части рабочих колец выполнены в виде тел вращения, размещенных одно в полости другого с возможностью свободного вращения рабочих колец относительно друг друга, на поверхности рабочих частей рабочих колец выполнены покрытия из магнитного материала, ориентированные одно к другому одноименными полюсами, а наружное рабочее кольцо выполнено сборным, внутреннее рабочее кольцо выполнено монолитным, а наружное кольцо выполнено из двух одинаковых половинок, поперечные сечения рабочих частей рабочих колец выполнены в виде эквидистантных эллипсов, большая ось которых расположена перпендикулярно действию максимальной внешней нагрузки на подшипник, свободные части рабочих колец образуют лабиринтное соединение, зазоры в котором установлены меньше зазоров между рабочими частями наружного и внутреннего рабочих колец.
Техническим результатом является предотвращение возможности соприкасания рабочих поверхностей подшипника при чрезмерной нагрузке на подшипник, создание препятствия для попадания в рабочую часть подшипника пыли и грязи, обеспечение жесткого соединения рабочих частей с опорными кольцами, обеспечение максимальной силы магнитного взаимодействия колец в направлении действия на подшипник максимальной внешней нагрузки.
Так как внутреннее рабочее кольцо выполнено монолитным, то это обеспечивает его высокую жесткость и малую чувствительность к изгибающему моменту, что повышает надежность подшипника. Эллиптическая форма профиля рабочей части рабочих колец, ориентированная большей осью в направлении, перпендикулярном максимальной нагрузке на подшипник, обеспечивает в этом направлении большую площадь и большую силу магнитного взаимодействия между рабочими поверхностями, что повышает нагрузочную способность подшипника. Подшипник предлагаемой конструкции более технологичен, так как наружное рабочее кольцо выполнено из одинаковых половинок, что позволяет использовать одну и ту же технологическую оснастку для их изготовления и снизить затраты на производство подшипника. Наличие лабиринтного соединения защищает подшипник от пыли и грязи, особенно при высокой частоте его вращения, что повышает надежность подшипника. Так как зазоры в лабиринтном соединении меньше зазоров между рабочими поверхностями рабочих колец, то возможная чрезмерная внешняя нагрузка на подшипник компенсируется взаимодействием деталей лабиринтного соединения, что предотвращает рабочие части подшипника от разрушения и также повышает надежность подшипника.
Заявляемая конструкция поясняется с помощью чертежа, на котором показан общий вид магнитного подшипника.
Позициями 1-6 обозначены:
1 - внутреннее опорное кольцо,
2 - наружное опорное кольцо,
3 - внутреннее рабочее кольцо,
4 - наружное рабочее кольцо,
5 - рабочие части наружного и внутреннего рабочих колец,
6 - запорные шайбы.
Принципиальная конструкция подшипника содержит внутреннее 1 и наружное 2 опорные кольца, жестко связанные с ними рабочие внутреннее 3 и наружное 4 кольца. Рабочая часть 5 внутреннего рабочего кольца 3, имеющая диаметр dm, размещена в полости рабочей части 5 наружного рабочего кольца 4. Профили рабочих частей 5 рабочих колец 3 и 4 выполнены в виде эквидистантных эллипсов, ориентированных большей осью в направлении, параллельном оси подшипника. На рабочих частях 5 внутреннего 3 и наружного 4 рабочих колец нанесены покрытия из магнитного материала, обращенные друг к другу одноименными полюсами.
Между рабочими частями 5 рабочих колец 3 и 4 установлен 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 зазоров λ между рабочими частями 5 рабочих колец 3 и 4. Наружное рабочее кольцо 4 выполнено из двух одинаковых половинок. Обе половинки наружного рабочего кольца 4 установлены в наружном опорном кольце 2 с гарантированным натягом и дополнительно закреплены запорными шайбами 6. В наружном рабочем кольце 4 со стороны внутреннего рабочего кольца 3 имеется паз для обеспечения возможности вращения колец относительно друг друга.
Работа подшипника осуществляется следующим образом. На опорные кольца подшипника 1 и 2 подают нагрузку, а одному из колец придают вращение. При этом вращение опорных колец 1 и 2 относительно друг друга обеспечивается с помощью бесконтактного магнитного взаимодействия двух намагниченных рабочих частей 5 рабочих колец 3 и 4. Бесконтактность их вращения обеспечивают покрытия рабочих частей 5 рабочих колец 3 и 4, выполненные из магнитного материала и обращенные одно к другому одноименными полюсами, что и позволяет внутреннему рабочему кольцу 3 подвешиваться в полости наружного рабочего кольца 4 с зазором λ.
Так как зазоры δ в лабиринтном соединении меньше зазоров λ между рабочими частями 5, то это повышает надежность подшипника, так как при возникновении чрезмерной внешней нагрузки она компенсируется механическим взаимодействием деталей лабиринтного уплотнения колец 3 и 4, предотвращая соприкосновение и разрушение рабочих частей 5. Выполнение внутреннего рабочего кольца 3 и наружного рабочего кольца монолитными обеспечивает по сравнению с прототипом более высокую жесткость и более высокий момент сопротивления внешнему изгибающему моменту, что повышает надежность подшипника. Так как обе половинки наружного рабочего кольца 4 выполнены одинаковыми, то это повышает технологичность подшипника, так как для изготовления каждой из этих половинок требуется одна и та же технологическая оснастка. Важной особенностью предлагаемой конструкции подшипника является то, что рабочие части 5 рабочих колец 3 и 4 имеют в поперечном сечении форму эллипса с большей осью, расположенной вдоль оси подшипника. За счет этого более рационально используется рабочее пространство подшипника, уменьшаются его габариты. При этом в радиальном направлении, в котором преимущественно действует внешняя нагрузка на подшипник, обеспечивается большая площадь взаимодействия магнитных сил рабочих частей 5 наружного и внутреннего рабочих колец 3 и 4, что повышает нагрузочную способность подшипника. В осевом направлении площадь магнитного взаимодействия меньше, но в этом направлении, как правило, действует меньшая нагрузка. Если бы наибольшая нагрузка действовала в осевом направлении, то большую ось эллиптического профиля рабочих частей 5 следовало бы расположить в радиальном направлении подшипника.
Поэтому данный подшипник, сохраняя все преимущества прототипа, превосходит его по показателям надежности, технологичности и нагрузочной способности.
Пример. Изначально были определены конструктивные параметры магнитного подшипника со следующими габаритными размерами: внутренний диаметр d=30 мм, наружный диаметр D=62 мм, высота H=16 мм. Внутреннее опорное кольцо подшипника брали с внутренним диаметром d=30 мм, высотой Н=16 мм и толщиной стенки 2 мм. Наружное опорное кольцо брали с наружным диаметром D=62 мм, высотой Н=16 мм и толщиной стенки 2 мм.
n
n
ν
0
n
ν
Сначала определяли габариты наружного рабочего кольца. Высота наружного рабочего кольца не должна превышать высоту подшипника. Поэтому брали ее равной Н=14 мм, оставляя по 1 мм с двух сторон для размещения запорных шайб. Наружный диаметр наружного рабочего кольца равен внутреннему диаметру наружного опорного кольца: D=62-2⋅2=58 мм. Внутренний диаметр наружного рабочего кольца равен внутреннему диаметру подшипника d=30 мм, плюс 2 толщины внутреннего опорного кольца, плюс по 2 мм с двух сторон для основания внутреннего рабочего кольца. Таким образом, внутренний диаметр наружного рабочего кольца равен D=30+2⋅2+2⋅2=38 мм. Внутри наружного рабочего кольца размещали полость вращения, профиль которой представляет собой эллипс. Центр эллипса совпадает с центром поперечного сечения наружного рабочего кольца, то есть находится на окружности диаметром D=(D+D)/2=(38+58)/2=48 мм.
r
n
n
r
0
n
а
а
а
Так как радиальный подшипник преимущественно нагружен радиальной нагрузкой, то в радиальном направлении должна находиться максимальная площадь взаимодействия рабочих колец, так как от этого зависит сила магнитного взаимодействия между рабочими кольцами. Толщину рабочей части наружного рабочего кольца в радиальном направлении принимали равной t=2 мм. Величину зазоров между рабочими частями устанавливали равной λ=0,5 мм. Таким образом, малая полуось эллипса рабочей поверхности наружного рабочего кольца получилась равной =(D-2t-D)/2=(58-2⋅2-48)/2=3 мм. Малая полуось рабочей части внутреннего рабочего кольца меньше полуоси рабочей части наружного рабочего кольца на величину зазора λ и равна =-λ=2,5 мм.
b
n
n
b
Радиальная нагрузка на радиальный подшипник обычно более чем вдвое превышает осевую нагрузку. Поэтому толщину боковой поверхности наружного рабочего кольца принимали вдвое меньше, чем в радиальном направлении, то есть равной по t=1,2 мм с двух сторон. Тогда большая полуось эллипса профиля рабочей поверхности наружного рабочего кольца равна b=Н/2-t=5,8 мм. Большая полуось рабочей части профиля внутреннего рабочего кольца с учетом зазора с наружным рабочим кольцом, равным 0,5 мм, равна b=5,3 мм.
Если рабочие поверхности наружного и внутреннего рабочих колец выполнить, как предлагается в прототипе, тороидальными, то профилем поперечного сечения рабочей части внутреннего рабочего кольца являлась бы окружность радиусом 2,5 мм. Площадь магнитного взаимодействия рабочей части рабочих колец уменьшилась бы более чем вдвое по сравнению с предлагаемым, что существенно снизило бы нагрузочную способность подшипника в радиальном направлении.
Форму нерабочей части наружного и внутреннего рабочих колец выполняли с учетом образования между ними лабиринтного соединения с зазором δ=λ/2=0,25 мм, что препятствует проникновению во внутреннюю полость подшипника пыли и загрязнений, а главное - предотвращает разрушение рабочих поверхностей подшипника при превышении на него внешней нагрузки. Это повышает надежность подшипника.
Для обеспечения возможности вращения колец относительно друг друга в наружном рабочем кольце со стороны внутреннего рабочего кольца сделали круговой паз шириной 2,5 мм. Через этот паз рабочая часть внутреннего рабочего кольца соединена с его основанием державкой в виде диска толщиной 2 мм. Это существенно повышает жесткость данного соединения и приводит к повышению надежности подшипника.
Наружное рабочее кольцо выполняли в виде соединения из двух равных частей, каждую из которых брали высотой по 7 мм и устанавливали с натягом в наружном опорном кольце. Дополнительно закрепляли наружное рабочее кольцо с боковых сторон запорными шайбами. Это упрощает производство подшипника, повышает его технологичность.