RU199168U1

RU199168U1 - Magnetic bearing

Info

Publication number: RU199168U1
Application number: RU2020110978U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Скрипкин; Альберт Викторович Королев; Андрей Альбертович Королев
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2020-08-19

Abstract

Предлагаемая конструкция подшипника относится к машиностроению, касается магнитного подшипника, который может быть использован в крупногабаритных подшипниковых опорах, например в подшипниковой опоре подшипника главного вала ПЛ подводных лодок, когда требуется обеспечить высокую долговечность, отсутствие смазки, низкий шум и вибрацию подшипниковой опоры, высокую скорость вращения, пониженный момент трения, отсутствие износа. Магнитный подшипник содержит наружное и внутреннее кольца, изготовленные из магнитотвердого материала, ориентированные друг к другу одноименными полюсами и защищенные от внешнего воздействия немагнитными оболочками. Наружное и внутреннее кольца состоят из намагниченных малогабаритных одинаковых для каждого кольца частей, имеющих одинаковый центральный угол, центрируемых и удерживаемых немагнитными оболочками. Технический результат от использования полезной модели заключается в возможности использования при изготовлении подшипника из магнитотвердого материала больших габаритных размеров малогабаритной технологической оснастки и оборудования, малогабаритного энергоэффективного индуктора для намагничивания колец подшипника.The proposed bearing design relates to mechanical engineering, concerns a magnetic bearing, which can be used in large-sized bearing arrangements, for example, in the bearing support of the main shaft of submarine submarines, when it is required to ensure high durability, lack of lubrication, low noise and vibration of the bearing support, high rotation speed , reduced frictional moment, no wear. The magnetic bearing contains an outer and an inner ring made of hard magnetic material, oriented to each other with the same poles and protected from external influences by non-magnetic shells. The outer and inner rings consist of magnetized small-sized parts identical for each ring, having the same central angle, centered and held by non-magnetic shells. The technical result from the use of the utility model consists in the possibility of using in the manufacture of a bearing from a magnetically hard material of large overall dimensions of small-sized technological equipment and equipment, a small-sized energy-efficient inductor for magnetizing the bearing rings.

Description

Предлагаемая конструкция подшипника относится к машиностроению, касается магнитного подшипника, который может быть использован в крупногабаритных подшипниковых опорах, например в подшипниковой опоре подшипника главного вала ПЛ подводных лодок, когда требуется обеспечить высокую долговечность, отсутствие смазки, низкий шум и вибрацию подшипниковой опоры, высокую скорость вращения, пониженный момент трения, отсутствие износа.The proposed bearing design relates to mechanical engineering, concerns a magnetic bearing, which can be used in large bearing arrangements, for example, in the bearing support of the submarine submarine main shaft bearing, when it is required to ensure high durability, lack of lubrication, low noise and vibration of the bearing support, high rotation speed , reduced frictional moment, no wear.

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.Known shaft bearing on permanent magnets (US 5321329 A1, class F16C 39/06; F16C 33/02; Н02К 7/09, publ. 14.06.1994), which contains a shaft at the ends of which 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 tapered surfaces mounted on the shaft with equal poles to each other with a gap formed by repulsive forces. An insulating sleeve with magnetically impermeable 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 disadvantages of this device are, firstly, the complexity of the design, the complexity of use in other devices and assemblies, the complexity of repair and replacement due to the need for paired use of shaft bearings on permanent magnets to ensure equalization of repulsive forces in the axial direction, due to the need for individual production housings and shaft for bearing; secondly, due to the constant load on the shaft, its unbalance is possible.

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 is a magnetic bearing (utility model RU No. 112729), containing outer and inner support rings and working rings rigidly connected to them, 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 working rings relative to each other, on the working surface of the tori are made of magnetic material, oriented to one another with 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, the said tori are made in cross-section with their cutouts 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 an 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 disadvantage 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.The known design of a magnetic bearing (utility model RU No. 170274 dated 04.19.2017), containing 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 there is a layer of magnetic material so that both of these layers are oriented to each other with the same poles. The outer working ring is assembled, the inner working ring is made monolithic, 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 located perpendicular to the action of the external maximum load on the bearing, the free parts of the working rings form a labyrinth a connection in which the gaps are set less than the 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 the too thin layer of magnetic material applied to the working surfaces of the 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.There is a known magnetic bearing (utility model RU No. 185370 dated 03.12.2018), 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 the working the surfaces of the magnetic rings are oriented to each other by the poles of the same name. The outer and inner rings are made of a 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 the magnetic material has an anti-friction 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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является магнитный подшипник, содержащий наружное и 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 an inner ring made of magnetically hard material, oriented to each other with the same poles and protected from external influence by elastic non-magnetic shells (utility model RU # 190502 dated 03.12 .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, connected by a non-magnetic connecting ring.

Недостатком данного подшипника является сложность изготовления подшипника больших габаритных размеров, так как для этого требуется слишком громоздкая и дорогостоящая оснастка, крупногабаритное дорогостоящее оборудования, а для намагничивания колец требуется громоздкий энергозатратный мощный индуктор. При очень больших габаритах подшипника его изготовление вообще становится невозможным.The disadvantage of this bearing is the complexity of manufacturing a bearing of large overall dimensions, since this requires too bulky and expensive equipment, large-size expensive equipment, and a bulky, power-consuming powerful inductor is required to magnetize the rings. With very large dimensions of the bearing, its manufacture becomes generally impossible.

Задачей полезной модели является обеспечение возможности изготовления магнитного подшипника из магнитотвердого материала больших габаритных размеров с минимальными затратами.The task of the utility model is to provide the possibility of manufacturing a magnetic bearing from a magnetically hard material of large dimensions with minimal costs.

Технический результат от использования полезной модели заключается в возможности использования при изготовлении подшипника из магнитотвердого материала больших габаритных размеров малогабаритной технологической оснастки и оборудования, малогабаритного энергоэффективного индуктора для намагничивания колец подшипника.The technical result from the use of the utility model consists in the possibility of using in the manufacture of a bearing from a magnetically hard material of large overall dimensions of small-sized technological equipment and equipment, a small-sized energy-efficient inductor for magnetizing the bearing rings.

Указанная задача решается тем, что в магнитном подшипнике, содержащем наружное и внутреннее кольца, изготовленные из магнитотвердого материала, ориентированные друг к другу одноименными полюсами и защищенные от внешнего воздействия немагнитными оболочками, наружное и внутреннее кольца состоят из намагниченных малогабаритных одинаковых для каждого кольца частей, имеющих одинаковую форму, размеры и одинаковый центральный угол, центрируемых и удерживаемых немагнитными оболочками.This problem is solved by the fact that in a magnetic bearing containing an outer and an inner ring made of a magnetically hard material, oriented to each other by the same poles and protected from external influences by non-magnetic shells, the outer and inner rings consist of magnetized small-sized parts identical for each ring, having the same shape, dimensions and the same central angle, centered and held by non-magnetic shells.

Так как магнитные кольца подшипника состоят из намагниченных до сборки малогабаритных одинаковых для каждого кольца частей, имеющих одинаковый центральный угол, и собранных вместе с помощью немагнитных оболочек, то при изготовлении малогабаритных элементов магнитных колец возможно использовать малогабаритную технологическую оснастку и оборудование, малогабаритный энергоэффективный индуктор. Тем самым обеспечивается возможность изготовления магнитного подшипника больших габаритных размеров и обеспечить минимально возможные затраты при его изготовлении.Since the magnetic rings of the bearing consist of small-sized parts, identical for each ring, magnetized before assembly, having the same central angle, and assembled together using non-magnetic shells, it is possible to use small-sized technological equipment and equipment, a small-sized energy-efficient inductor in the manufacture of small-sized elements of magnetic rings. Thus, it is possible to manufacture a magnetic bearing of large overall dimensions and ensure the lowest possible costs in its manufacture.

Сущность полезной модели поясняется рисунками, где на фиг. 1 показано поперечное сечение магнитного подшипника, на фиг. 2 показан вид сбоку.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a cross-section of a magnetic bearing, FIG. 2 shows a side view.

На фигурах 1 и 2 используются следующие обозначения:In figures 1 and 2 the following symbols are used:

1. малогабаритный элемент наружного магнитного кольца,1.small element of the outer magnetic ring,

2. малогабаритный элемент внутреннего магнитного кольца,2.small element of the inner magnetic ring,

3. наружная немагнитная оболочка,3.the outer non-magnetic shell,

4. внутренняя немагнитная оболочка.4. inner non-magnetic shell.

Конструкция подшипника содержит наружное кольцо, состоящее из малогабаритных элементов 1 наружного магнитного кольца, изготовленных из магнитотвердого материала (далее - магнитное кольцо), центрируемых и удерживаемых немагнитной оболочкой 3, и из малогабаритных элементов 2 внутреннего магнитного кольца, изготовленных из магнитотвердого материала (далее - магнитное кольцо), центрируемых и удерживаемых немагнитной оболочкой 4. Немагнитные оболочки колец обеспечивают также заданные габаритные размеры подшипника d, D и Н. Малогабаритные элементы 1 наружного магнитного кольца имеют одинаковые форму и размеры: длину b, внутренний радиус r_n, наружный радиус R_n и центральный угол β (фиг. 2). Аналогично этому и малогабаритные элементы 2 внутреннего магнитного кольца подшипника имеют одинаковые форму и размеры: длину b, внутренний радиус r_v, наружный радиус R_v и центральный угол α. Малогабаритные сегменты 1 наружного кольца и малогабаритные сегменты 2 внутреннего магнитного кольца плотно прижаты друг к другу, центрируются и удерживаются соответственно наружной 3 и внутренней 4 немагнитными оболочками. В соединении указанные элементы образуют наружное магнитное кольцо и внутреннее магнитное кольцо, имеющих одинаковый магнитный полюс на рабочих поверхностях, что обеспечивает центрирование внутреннего кольца относительно наружного и величину рабочего зазора между рабочими поверхностями колец δ. Для предотвращения излишнего трения между немагнитными оболочками 3 и 4 в радиальном направлении обеспечивается гарантированный зазор λ≥δ.The bearing design contains an outer ring, consisting of small-sized elements 1 of the outer magnetic ring, made of a hard magnetic material (hereinafter referred to as the magnetic ring), centered and held by the non-magnetic shell 3, and from small-sized elements 2 of the inner magnetic ring made of hard magnetic material (hereinafter referred to as the magnetic ring), centered and held by a non-magnetic shell 4. The non-magnetic shells of the rings also provide the given overall dimensions of the bearing d, D and H. Small-sized elements 1 of the outer magnetic ring have the same shape and dimensions: length b, inner radius r _n , outer radius R _n and central angle β (Fig. 2). Similarly, the small-sized elements 2 of the inner magnetic ring of the bearing have the same shape and dimensions: length b, inner radius r _v , outer radius R _v and central angle α. Small segments 1 of the outer ring and small segments 2 of the inner magnetic ring are tightly pressed against each other, centered and held, respectively, by the outer 3 and the inner 4 non-magnetic shells. In connection, these elements form an outer magnetic ring and an inner magnetic ring having the same magnetic pole on the working surfaces, which ensures the centering of the inner ring relative to the outer and the size of the working gap between the working surfaces of the rings δ. To prevent excessive friction between non-magnetic shells 3 and 4 in the radial direction, a guaranteed clearance λ≥δ is provided.

Под действием магнитных сил внутреннее магнитное кольцо 2 будет смещаться в осевом направлении относительно наружного магнитного кольца 1. Для предотвращения этого немагнитная оболочка 4 внутреннего магнитного кольца 2 со стороны, противоположной направлению смещения внутреннего кольца имеет диаметр d_t, превышающий диаметр отверстия наружного магнитного кольца 1 d_t>2R_n.Under the action of magnetic forces, the inner magnetic ring 2 will be displaced in the axial direction relative to the outer magnetic ring 1. To prevent this, the non-magnetic shell 4 of the inner magnetic ring 2 on the side opposite to the direction of displacement of the inner ring has a diameter d _t that exceeds the diameter of the hole in the outer magnetic ring 1 d _t > 2R _n .

Работа подшипника осуществляется следующим образом. Наружное кольцо подшипника по посадочному диаметру D немагнитной оболочки 3 устанавливается в корпус подшипникового узла (не показано), а внутреннее кольцо подшипника устанавливается по посадочному диаметру d на вал подшипникового узла (не показан). На валу внутренне кольцо ориентируют в осевом направлении так, чтобы со всех сторон между наружным 1 и внутренним 2 кольцами подшипника образовался гарантированный зазор. На немагнитную наружную 3 и внутреннюю 4 оболочки подают радиальную внешнюю нагрузку, а внутреннему кольцу вместе с валом придают вращение. Внешняя нагрузка не должна превышать силу магнитного взаимодействия между наружным 1 и внутренним 2 магнитными кольцами. При этом условии подшипник может работать без износа длительное время, обеспечивая минимальный момент сопротивления вращению, отсутствие шума и вибраций.The bearing works as follows. The outer ring of the bearing along the bore diameter D of the non-magnetic shell 3 is installed in the housing of the bearing unit (not shown), and the inner ring of the bearing is installed along the bore diameter d on the shaft of the bearing unit (not shown). On the shaft, the inner ring is oriented in the axial direction so that a guaranteed clearance is formed on all sides between the outer 1 and inner 2 bearing rings. A radial external load is applied to the non-magnetic outer 3 and inner 4 shells, and the inner ring, together with the shaft, is given rotation. The external load must not exceed the magnetic force between the outer 1 and inner 2 magnetic rings. Under this condition, the bearing can work without wear for a long time, providing a minimum torque of resistance to rotation, no noise and vibration.

Основным преимуществом данной конструкции подшипника по сравнению с аналогами является возможность с минимальными затратами изготовить крупногабаритный подшипник. Для изготовления магнитных элементов колец можно использовать малогабаритную пресс-форму или литьевую форму, малогабаритный пресс и малогабаритную печь для спекания магнитного материала и для его термообработки. Значительно проще и с меньшими затратами осуществляется намагничивание элементов колец по сравнению с намагничиваем крупногабаритных монолитных колец. Все это обеспечивает решение поставленной задачи - обеспечение возможности изготовления магнитного подшипника из магнитотвердого материала больших габаритных размеров с минимальными затратами.The main advantage of this bearing design in comparison with analogs is the ability to produce a large-sized bearing at minimal cost. For the manufacture of magnetic elements of the rings, you can use a small-sized mold or injection mold, a small-sized press and a small-sized furnace for sintering the magnetic material and for its heat treatment. It is much easier and less costly to magnetize the elements of the rings compared to magnetizing large monolithic rings. All this provides a solution to the problem posed - ensuring the possibility of manufacturing a magnetic bearing from a magnetically hard material of large dimensions with minimal costs.

Claims

A magnetic bearing containing an outer and an inner ring, made of a magnetically hard material, oriented to each other with the same poles and protected from external influences by non-magnetic shells, characterized in that the outer and inner rings consist of magnetized small-sized parts identical for each ring, having the same central angle , centered and held by non-magnetic shells.