RU196910U1

RU196910U1 - MAGNET BEARING

Info

Publication number: RU196910U1
Application number: RU2019143510U
Authority: RU
Inventors: Альберт Викторович Королев; Александр Александрович Скрипкин; Андрей Альбертович Королев
Original assignee: ООО "Инновационная продукция машиностроения" (ИнПродМаш); Альберт Викторович Королев; Александр Александрович Скрипкин; Андрей Альбертович Королев
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-03-19

Abstract

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.Задачей полезной модели является повышение несущей способности подшипника в радиальном направлении.Технический результат от использования полезной модели заключается в увеличении нагрузочной способности в радиальном направлении.Указанная задача решается тем, что в магнитном подшипнике, содержащем наружное и разделенное на две половинки внутреннее кольца, изготовленные из магнитотвердого материала, ориентированные друг к другу одноименными полюсами и защищенные от внешнего воздействия немагнитными оболочками, профили поперечного сечения рабочей части колец выполнены в виде подобных равнобедренных трапеций с углом при основании в пределах от 30 до 90 градусов, а наружное магнитное кольцо подшипника выполнено монолитным.The proposed bearing design relates to mechanical engineering, relates to a magnetic bearing, which can be used in electric motors, in devices, in cars and in other equipment instead of a rolling bearing in cases where it is necessary to provide high speed, low friction, no wear, high durability. The objective of the utility model is to increase the bearing capacity of the bearing in the radial direction. The technical result of using the utility model is to increase the load radial direction. This problem is solved by the fact that in a magnetic bearing containing an outer and divided into two halves, an inner ring made of hard magnetic material, oriented to each other by the same poles and protected from external influences by non-magnetic shells, cross sections of the working part the rings are made in the form of similar isosceles trapezoids with an angle at the base ranging from 30 to 90 degrees, and the outer magnetic ring of the bearing is made monolith nym.

Description

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.The proposed bearing design relates to mechanical engineering, relates to a magnetic bearing, which can be used in electric motors, in devices, in cars and in other equipment instead of a rolling bearing in cases where it is necessary to ensure high speed, low friction, no wear, high durability.

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.A shaft bearing on permanent magnets is known (US 5321329 A1, class F16C 39/06; F16C 33/02; H2K 7/09, publ. 06/14/1994), which contains a shaft at the ends of which there are mounted shaft bearings on permanent magnets , each of which contains a shaft sleeve and a flange sleeve, which are two annular permanent magnets with cone-shaped surfaces mounted on the shaft with equal poles to each other with a gap formed by repulsive forces. An insulating sleeve with magnetically tight shields at the ends is installed between the shaft and the shaft sleeve.

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 вал под подшипник; во-вторых, из-за постоянной нагрузки на вал возможно его разбалансировка.The disadvantage of this device is, firstly, the complexity of the design, the complexity of use in other devices and assemblies, the difficulty of repair and replacement due to the need for pair use of shaft bearings with permanent magnets to ensure equalization of repulsive forces in the axial direction, because of the need for individual manufacturing bearing housing and shaft; secondly, due to the constant load on the shaft, it is possible to unbalance it.

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. Рабочие части рабочих колец выполнены в виде торов, на поверхность которых закреплены пластины из полимерного магнитного материала. Наружный тор имеет съемную боковую стенку, указанные торы выполнены в сечении своими вырезами в стенках, обращенных в противоположные стороны, наружное опорное кольцо соединено с внутренним тором немагнитными втулками, выполненными с поперечным сечением, обладающим наибольшим моментом сопротивления внешнему изгибающему моменту.Known magnetic bearing (utility model RU No. 112729), containing the outer and inner support rings and rigidly connected working rings made of non-magnetic material, the working surfaces of the working rings are made in the form of bodies of revolution, placed one in the cavity of the other with the possibility of free rotation of the workers rings relative to each other, on the working surface of the tori are made of a coating of magnetic material oriented to one another by the same poles, and the outer working ring is made prefabricated. The working parts of the working rings are made in the form of tori, on the surface of which plates of polymer magnetic material are fixed. The outer torus has a removable side wall, these tori are made in cross section by their cuts in the walls facing in opposite directions, the outer support ring is connected to the inner torus by non-magnetic bushings made with a cross section having the greatest moment of resistance to external bending moment.

Существенным недостатком этого подшипника является процесс приложения нагрузки на рабочие детали подшипника через немагнитные втулки, что приводит к повышенным прогибам и износам втулок при знакопеременных и реверсивных вращениях опорных колец. Подшипник не технологичен, так как наружное рабочее кольцо состоит из частей разной формы, что усложняет производство подшипника.A significant drawback of this bearing is the process of applying a load to the working parts of the bearing through non-magnetic bushings, which leads to increased deflections and wear of the bushings during alternating and reverse rotation of the support rings. The bearing is not technologically advanced, since the outer working ring consists of parts of different shapes, which complicates the production of the bearing.

Известна конструкция магнитного подшипника (полезная модель RU №170274 от 19.04.2017 г.), содержащего 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. Наружное рабочее кольцо выполнено сборным, внутренне рабочее кольцо выполнено монолитным, а наружное кольцо выполнено из двух одинаковых половинок, поперечное сечение рабочей части торов выполнено в виде эквидистантных эллипсов, большая ось которых расположена перпендикулярно действию внешней максимальной нагрузки на подшипник, свободные части рабочих колец образуют лабиринтное соединение, зазоры в котором установлены меньше зазоров между рабочими поверхностями наружного и внутреннего рабочих колец.A known design of a magnetic bearing (utility model RU No. 170274 of 04/19/2017), containing the outer and inner rings made of non-magnetic material with the possibility of free rotation relative to each other, on the working surface of each of which is a layer of magnetic material so that both of these layers are oriented to each other by the same poles. The outer working ring is prefabricated, the inner working ring is solid and the outer ring is made of two identical halves, the cross section of the working part of the tori is made in the form of equidistant ellipses, the major axis of which is perpendicular to the external maximum load on the bearing, the free parts of the working rings form a labyrinth connection, the gaps in which there are fewer gaps between the working surfaces of the outer and inner working rings.

Недостатком такой конструкции подшипника является низкая нагрузочная способность из-за слишком тонкого слоя магнитного материала, наносимого на рабочие поверхности немагнитных колец подшипника.The disadvantage of this bearing design is the low load capacity due to too thin a layer of magnetic material deposited on the working surfaces of non-magnetic bearing rings.

Известен магнитный подшипник (полезная модель RU №185370 от 03.12.2018), содержащем наружное и внутренние кольца с возможностью свободного вращения относительно друг друга, каждое из которых обладает магнитными свойствами и состоит из двух одинаковых половинок, соединенных между собой немагнитными соединительными кольцами, причем рабочие поверхности магнитных колец ориентированы друг к другу одноименными полюсами. Наружное и внутреннее кольца изготовлены из немагнитного материала, на поверхность которых нанесен слой магнитного материала, по крайней мере поверхность одного из слоев магнитного материала имеет антифрикционное покрытие на основе эластомеров.A known magnetic bearing (utility model RU No. 185370 of 03/03/2018) containing outer and inner rings with the possibility of free rotation relative to each other, each of which has magnetic properties and consists of two identical halves interconnected by non-magnetic connecting rings, and working the surfaces of the magnetic rings are oriented to each other by the same poles. The outer and inner rings are made of non-magnetic material, on the surface of which a layer of magnetic material is applied, at least the surface of one of the layers of magnetic material has an antifriction coating based on elastomers.

Недостатком данного подшипника является низкая нагрузочная способность, так как тонкий слой магнитного материала не обеспечивает высокой напряженности магнитного поля между кольцами. Кроме того, внутренне кольцо, зажатое между половинками наружного кольца, соединено с немагнитной частью тонким перешейком, что также снижает нагрузочную способность подшипника.The disadvantage of this bearing is its low load capacity, since a thin layer of magnetic material does not provide a high magnetic field strength between the rings. In addition, the inner ring sandwiched between the halves of the outer ring is connected to the non-magnetic part by a thin neck, which also reduces the bearing capacity of the bearing.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является магнитный подшипник, содержащий наружное и разделенное на две половинки внутреннее кольца, изготовленные из магнитотвердого материала, ориентированные друг к другу одноименными полюсами и защищенные от внешнего воздействия эластичными немагнитными оболочками, (полезная модель RU №190502 от 03.12.2018 - прототип). Внутреннее и наружное кольца состоят из двух одинаковых половинок, каждая из половинок имеет тороидальную рабочую поверхность и противоположную плоскую торцевую поверхность, причем половинки наружных колец соединены между собой плоскими торцевыми поверхностями, имеющими одноименные полюсы, а половинки внутреннего кольца установлены по обе стороны от наружного кольца состоит из двух одинаковых половинок, соединенных между собой немагнитными соединительным кольцом.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed utility model is a magnetic bearing containing an outer and divided into two halves inner rings made of hard magnetic material, oriented to each other by the same poles and protected from external influences by elastic non-magnetic shells (utility model RU No. 190502 dated December 3, 2018 - prototype). The inner and outer rings consist of two identical halves, each of the halves has a toroidal working surface and an opposite flat end surface, and the halves of the outer rings are interconnected by flat end surfaces having the same poles, and the halves of the inner ring are installed on both sides of the outer ring of two identical halves interconnected by a non-magnetic connecting ring.

Недостатком данного подшипника является расположение внутреннего кольца по обе стороны от наружного кольца, в результате чего подшипник в основном воспринимает осевую нагрузку, а его несущая способность в радиальном направлении весьма ограничена.The disadvantage of this bearing is the location of the inner ring on both sides of the outer ring, as a result of which the bearing mainly accepts axial load, and its bearing capacity in the radial direction is very limited.

Задачей полезной модели является повышение несущей способности подшипника в радиальном направлении.The objective of the utility model is to increase the bearing capacity of the bearing in the radial direction.

Технический результат от использования полезной модели заключается в увеличении нагрузочной способности в радиальном направлении.The technical result of using the utility model is to increase the load capacity in the radial direction.

Указанная задача решается тем, что в магнитном подшипнике, содержащем наружное и разделенное на две половинки внутреннее кольца, изготовленные из магнитотвердого материала, ориентированные друг к другу одноименными полюсами и защищенные от внешнего воздействия немагнитными оболочками, профили поперечного сечения рабочей части колец выполнены в виде подобных равнобедренных трапеций с углом при основании в пределах от 30 до 90 градусов, а наружное магнитное кольцо подшипника выполнено монолитным.This problem is solved by the fact that in a magnetic bearing containing an inner ring that is outer and divided into two halves, made of hard magnetic material, oriented to each other by the same poles and protected from external influences by non-magnetic shells, the cross-sectional profiles of the working part of the rings are made in the form of similar isosceles trapezoid with an angle at the base in the range from 30 to 90 degrees, and the outer magnetic ring of the bearing is made monolithic.

Так как профили поперечного сечения рабочей части колец выполнены в виде подобных равнобедренных трапеций с углом при основании в пределах от 30 до 90 градусов, то результирующая магнитная сила взаимодействия между кольцами будет направлена под углом к оси подшипника, что позволяет подшипнику воспринимать комбинированную внешнюю нагрузку. Чем меньше угол при основании профиля, тем меньшую осевую внешнюю и большую радиальную нагрузки может воспринимать подшипник. А так как наружное магнитное кольцо подшипника выполнено монолитным, то это повышает силу магнитного взаимодействия между наружным и внутренним кольцами и повышает нагрузочную способность подшипника. Тем самым решается задача повышения несущей способности подшипника в радиальном направлении.Since the cross-sectional profiles of the working part of the rings are made in the form of similar isosceles trapezoids with an angle at the base ranging from 30 to 90 degrees, the resulting magnetic force of interaction between the rings will be directed at an angle to the axis of the bearing, which allows the bearing to absorb the combined external load. The smaller the angle at the base of the profile, the smaller the axial external and greater radial loads the bearing can absorb. And since the outer magnetic ring of the bearing is monolithic, this increases the strength of the magnetic interaction between the outer and inner rings and increases the load capacity of the bearing. This solves the problem of increasing the bearing capacity of the bearing in the radial direction.

Сущность полезной модели поясняется рисунком. На фиг. 1 показан общий вид конструкции магнитного подшипника.The essence of the utility model is illustrated in the figure. In FIG. 1 shows a general view of the construction of a magnetic bearing.

На фиг. 1 используются следующие обозначения:In FIG. 1 the following notation is used:

1. Наружное магнитное кольцо подшипника.1. The outer magnetic ring of the bearing.

2. Внутреннее магнитное кольцо подшипника.2. The inner magnetic ring of the bearing.

3. Немагнитная наружная оболочка.3. Non-magnetic outer shell.

4. Немагнитная внутренняя оболочка.4. Non-magnetic inner shell.

Конструкция подшипника содержит монолитное наружное магнитное кольцо 1 и две одинаковые половинки внутреннего магнитного кольца 2. Наружное магнитное кольцо подшипника 1 заключено в немагнитную наружную оболочку 3, имеющую наружный диаметр D и высоту Н. Левая и правая половинки внутреннего магнитного кольца 2 установлены плотно друг к другу своими плоскими внутренними торцами, имеющими одинаковый полюс, и соединены немагнитной внутренней оболочкой 4, имеющей внутренний диаметр d и высоту Н. Рабочие поверхности наружного 1 и внутреннего кольца 2 выполнены в форме подобных равнобедренных трапеций, имеют одинаковый магнитный полюс и установлены с зазором λ.The bearing design contains a monolithic outer magnetic ring 1 and two identical halves of the inner magnetic ring 2. The outer magnetic ring of the bearing 1 is enclosed in a non-magnetic outer shell 3 having an outer diameter D and a height N. The left and right halves of the inner magnetic ring 2 are mounted tightly to each other their flat inner ends having the same pole and are connected by a non-magnetic inner shell 4 having an inner diameter d and a height N. The working surfaces of the outer 1 and inner tsa 2 are shaped like an isosceles trapezium, have the same magnetic pole and were spaced λ.

Работа подшипника осуществляется следующим образом. На немагнитную наружную 3 и внутреннюю 4 оболочки подают комбинированную - осевую и радиальную, внешнюю нагрузку, а одному из колец придают вращение. Так как форма рабочих поверхностей наружного магнитного кольца 1 и внутреннего магнитного кольца 2 имеют формы подобных трапеций, то основания этих трапеций создают магнитную силу взаимодействия, направленную в радиальном направлении подшипника и уравновешивающую внешнюю радиальную нагрузку. Боковые грани трапеций создают магнитную силу взаимодействия, направленную под углом к оси подшипника. Поэтому эта магнитная сила уравновешивает частично осевую и частично радиальную внешние нагрузки. Соотношение радиальной и осевой магнитных сил, возникающих между рабочими поверхностями магнитных колец 1 и 2 подшипника, зависит от геометрических параметров их трапецеидального профиля: высоты трапеции а, основания b и угла при основании β. Чем больше угол при основании β, тем больше осевая сила магнитного взаимодействия между кольцами 1 и 2 и меньше сила радиального взаимодействия. Наоборот, чем меньше угол при основании β, тем больше радиальная сила магнитного взаимодействия между кольцами 1 и 2 и меньше сила осевого взаимодействия. Пределы изменения угла при основании трапецеидального профиля рабочих поверхностей магнитных колец 1 и 2 определяются конструктивными ограничениями. При угле β>90 градусов наружное и внутренне кольца будут более сложны в изготовлении и в намагничивании. При угле β<30 градусов получается слишком малая сила осевого взаимодействия магнитных колец, что может привести к неустойчивости работы подшипника. Поэтому угол при основании трапеции профиля магнитных колец должен находиться в пределах 30≤β≤90 градусов.The operation of the bearing is as follows. A combined axial and radial external load is applied to the non-magnetic outer 3 and inner 4 shells, and rotation is imparted to one of the rings. Since the shape of the working surfaces of the outer magnetic ring 1 and the inner magnetic ring 2 have the shape of such trapezoids, the bases of these trapezoids create a magnetic interaction force directed in the radial direction of the bearing and balancing the external radial load. The lateral sides of the trapezoid create a magnetic force of interaction directed at an angle to the axis of the bearing. Therefore, this magnetic force balances the partially axial and partially radial external loads. The ratio of the radial and axial magnetic forces arising between the working surfaces of the magnetic rings 1 and 2 of the bearing depends on the geometric parameters of their trapezoidal profile: the height of the trapezoid a, the base b and the angle at the base β. The larger the angle at the base β, the greater the axial force of the magnetic interaction between rings 1 and 2 and the smaller the force of the radial interaction. On the contrary, the smaller the angle at the base β, the greater the radial force of the magnetic interaction between rings 1 and 2 and the less the force of the axial interaction. The limits of the angle change at the base of the trapezoidal profile of the working surfaces of the magnetic rings 1 and 2 are determined by design restrictions. At an angle β> 90 degrees, the outer and inner rings will be more difficult to manufacture and magnetize. At an angle β <30 degrees, the axial interaction of the magnetic rings is too small, which can lead to instability of the bearing. Therefore, the angle at the base of the trapezoidal profile of the magnetic rings should be within 30≤β≤90 degrees.

Тем самым решается задача повышение несущей способности подшипника в радиальном направлении.This solves the problem of increasing the bearing capacity of the bearing in the radial direction.

Claims

A magnetic bearing containing an outer ring and an inner ring divided into two halves, made of hard magnetic material, oriented to one another by the same poles and protected from external influences by non-magnetic shells, characterized in that the cross-sectional profiles of the working part of the rings are made in the form of similar isosceles trapezoid with an angle at the base in the range from 30 to 90 degrees, and the outer ring of the bearing is made monolithic.