RU204695U1

RU204695U1 - Non-contact magnetic bearing

Info

Publication number: RU204695U1
Application number: RU2021107834U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Скрипкин; Альберт Викторович Королев; Андрей Альбертович Королев; Ольга Алексеевна Черкасова
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2021-06-07

Abstract

Полезная модель относится к машиностроению и касается бесконтактного магнитного подшипника. Задачей полезной модели является повышение надежности и долговечности бесконтактного магнитного подшипника. Технический результат от использования полезной модели заключается в уменьшении вероятности разрушения слоя магнитного материала рабочих колец подшипника. Бесконтактный магнитный подшипник содержит 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, а поверхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров, согласно заявляемому техническому решению, 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.The utility model relates to mechanical engineering and concerns a non-contact magnetic bearing. The task of the utility model is to improve the reliability and durability of the contactless magnetic bearing. The technical result from the use of the utility model is to reduce the likelihood of destruction of the layer of magnetic material of the running rings of the bearing. A non-contact magnetic bearing contains an 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, and the surfaces of the magnetic material have an anti-friction coating based on elastomers, according to the claimed technical solution, the inner surface of the outer ring and the outer surface of the inner ring are elliptical in cross-section, and the semi-major axes of the ellipses are mutually perpendicular, and the semi-major axis of the ellipse of the inner surface of the outer ring and the semi-minor axis of the ellipse of the outer surface of the inner ring parallel to the axis of rotation.

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 design of the bearing relates to mechanical engineering, concerns a magnetic bearing, which can be used in electric motors, devices, cars and other equipment instead of a rolling bearing in cases where it is required to ensure high rotation speed, reduced friction torque, no wear, high durability.

Известен магнитный кольцевой подшипник (RU 70605 U1, кл. H02K 7/09. опубл. 27.01.2008 г.), содержащий корпус, вал вращения, статор и ротор, расположенные с рабочим воздушным зазором относительно друг друга, причем статор вставлен жестко в корпус, а его 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, причем 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, причем на торцевых поверхностях магнита ротора и внутренних торцевых поверхностях корпуса и в торцевых отверстиях корпуса размещены дополнительные подшипники скольжения.Known magnetic annular bearing (RU 70605 U1, class H02K 7/09. Publ. 27.01.2008), containing a housing, a rotation shaft, a stator and a rotor, located with a working air gap relative to each other, and the stator is rigidly inserted into the housing , and its rotor is rigidly connected to the rotation shaft passing through the end holes in the housing, equipped with auxiliary bearings, the stator and the bearing rotor are made in the form of annular permanent magnets with axial magnetization, and the rotor magnet is placed concentrically inside the stator magnet, with their opposite magnetic poles towards to each other, with a uniform air gap, in which an auxiliary radial plain bearing is located, and additional sliding bearings are placed on the end surfaces of the rotor magnet and the inner end surfaces of the housing and in the end holes of the housing.

Недостатком известного подшипника является то, что он имеет в своей конструкции подшипники трения, что обязательно скажется на продолжительности срока эксплуатации подшипника. Кроме этого, при изготовлении и применении таких магнитных подшипников на повышенные скорости вращения требуется высокая точность изготовления магнитных колец, что технологически затруднительно.The disadvantage of the known bearing is that it has friction bearings in its design, which will certainly affect the life of the bearing. In addition, in the manufacture and application of such magnetic bearings at increased rotational speeds, a high precision of manufacturing of magnetic rings is required, which is technologically difficult.

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.Known bearing on magnetic suspension (RU 2314443 C1, class F16C 32/04. F16C 39/06, publ. 10.01.2008), which includes annular coaxial permanent magnets, the outer of which is fixed, and the inner is mounted on the axis, and they face each other with unshielded surfaces. The bearing is equipped with an additional annular permanent magnet mounted on the axis and facing the unshielded pole to the unshielded end pole of the same name of the stationary annular magnet. The magnets are made with axial magnetization and the ratio of the mass of each of the permanent magnets mounted on the axis to the mass of the stationary permanent magnet is 1: 4 and is placed with an air gap between the working surfaces of 0.1-0.5 mm.

Недостатком известного подшипника является то, что он выполнен в корпусе устройства, для которого предназначен, 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.The disadvantage of the known bearing is that it is made in the housing of the device for which it is intended, is its component, which makes it difficult to use a magnetic suspension bearing in other devices and assemblies, the need for additional load, the complexity of its repair or replacement ... The structural design of the external stationary magnet and the additional ring magnet does not provide a stable equalization of repulsive forces, which leads to a decrease in reliability, service life and operational efficiency under unstable axial loads.

Известен подшипник вала на постоянных магнитах (US 5321329 А1, кл. F16C 39/06; F16C 33/02; H02K 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; H02K 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 the same 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 ваш 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 yours under the 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 of the rings relative to each other, on the working surface of the tori, coatings of magnetic material are made, oriented to one another by the poles of the same name, 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 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 the 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. Так как, согласно формуле изобретения, рабочие части рабочих колец выполнены в виде тора, то поперечное сечение этих рабочих частей представляет собой окружность, что не учитывает направление действия главной нагрузки на подшипник, а это снижает нагрузочную способность подшипника. Подшипник не защищен от пыли и грязи, что также снижает надежность подшипника. Подшипник не защищен от чрезмерной внешней нагрузки, при которой рабочие части подшипника могут соприкасаться, что вызовет разрушение подшипника. 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 rotations of the support rings. Since, according to the claims, the working parts of the working rings are made in the form of a torus, the cross-section of these working parts is a circle, which does not take into account the direction of action of the main load on the bearing, and this reduces the bearing capacity. The bearing is not protected from dust and dirt, which also reduces the reliability of the bearing. The bearing is not protected from excessive external loading, which could cause contact between the working parts of the bearing and cause the bearing to fail. The bearing is not technologically advanced, since the outer working ring consists of parts of different shapes, which complicates the production of the bearing.

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. 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.Known is the authors' magnetic bearing (utility model RU No. 170274), 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. friend with the poles of the same name. 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 недостаточная надежность и долговечность подшипника при экстремальных условиях эксплуатации, например, при ударных нагрузках, вызывающих случайный контакт магнитных слоев и их разрушения, разрушение магнитных слоев под действием вибраций и наличия твердых частиц загрязнений в зазоре между ними.The disadvantage of this bearing design is the lack of reliability and durability of the bearing under extreme operating conditions, for example, under shock loads that cause accidental contact of magnetic layers and their destruction, destruction of magnetic layers under the influence of vibrations and the presence of solid particles of contamination in the gap between them.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является магнитный подшипник авторов (полезная модель RU №185370 - 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, причемповерхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed utility model is the authors' magnetic bearing (utility model RU No. 185370 - prototype), 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, and the surfaces of the magnetic material have an anti-friction coating based on elastomers.

Недостатком такой конструкции подшипника является недостаточная надежность и долговечность подшипника при эксплуатации, вызванная переменными и нестабильными значениями величин магнитной индукции магнитных колец при взаимном вращении и, следовательно, переменными значениями сил магнитного взаимодействия - отталкивания - вызывающих случайный контакт магнитных слоев и их разрушение, приводящее к образованию твердых частиц загрязнений в зазоре между ними и последующему выходу подшипника из строя.The disadvantage of this bearing design is the insufficient reliability and durability of the bearing during operation, caused by variable and unstable values of the magnetic induction of the magnetic rings during mutual rotation and, therefore, by variable values of the forces of magnetic interaction - repulsion - causing accidental contact of magnetic layers and their destruction, leading to the formation solid dirt particles in the gap between them and the subsequent failure of the bearing.

В задачу полезной модели положено повышении надежности и долговечности бесконтактного магнитного подшипника.The task of the utility model is to increase the reliability and durability of the contactless magnetic bearing.

Технический результат от использования полезной модели заключается в уменьшении вероятности разрушения слоя магнитного материала рабочих колец подшипника.The technical result from the use of the utility model is to reduce the probability of destruction of the layer of magnetic material of the running rings of the bearing.

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, 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.This problem is solved by the fact that in a contactless magnetic bearing 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 towards each other poles of the same name, the surfaces of the magnetic material have an anti-friction coating based on elastomers, and the inner surface of the outer ring and the outer surface of the inner ring are elliptical in cross-section, and the semi-major axes of the ellipses are mutually perpendicular, and the semi-major axis of the ellipse of the inner surface of the outer ring and the semi-minor axis of the outer ellipse the surfaces of the inner ring are parallel to the axis of rotation.

Так как 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, то при эксплуатации бесконтактного магнитного подшипника величины магнитной индукции магнитных колец при взаимном вращении и, следовательно, силы магнитного взаимодействия - отталкивания - будут постоянными при допустимой осевой и радиальной нагрузке, что исключит случайный контакт магнитных слоев и их разрушение из-за образования твердых частиц загрязнений в зазоре между ними и последующему выходу подшипника из строя, что повышает надежность и долговечность бесконтактного магнитного подшипника, решая тем самым задачу полезной модели.Since the inner surface of the outer ring and the outer surface of the inner ring are elliptical in cross-section, and the semi-major axes of the ellipses are mutually perpendicular, and the semi-major axis of the ellipse of the inner surface of the outer ring and the semi-minor axis of the ellipse of the outer surface of the inner ring are parallel to the axis of rotation, bearing, the magnitude of the magnetic induction of the magnetic rings during mutual rotation and, therefore, the forces of magnetic interaction - repulsion - will be constant under the permissible axial and radial load, which will exclude accidental contact of magnetic layers and their destruction due to the formation of solid particles of contamination in the gap between them and the subsequent bearing failure, which increases the reliability and durability of the contactless magnetic bearing, thereby solving the problem of a utility model.

Сущность полезной модели поясняется рисунками. На фиг. 1 показан общий вид конструкции бесконтактного магнитного подшипника. На фиг. 1 используются следующие обозначения: 1 - внутреннее опорное кольцо; 2 - наружное опорное кольцо; 3 - внутреннее рабочее кольцо; 4 - наружное рабочее кольцо; 5 - слои из магнитного материала; 6 - антифрикционное покрытие; 7 - установочная консоль, 8 - магнитный слой внутреннего рабочего кольца 3. На фиг. 2 приведены результаты математического моделирования величины магнитной индукции. На фиг. 3 приведена схема взаимодействия двух кольцевых (трубчатых) магнитов, имеющих эллиптические осевые сечения с взаимно перпендикулярным расположением больших полуосей. На фиг. 4 представлены результаты моделирования характера распределения магнитного поля во всей области магнитного взаимодействия колец.The essence of the utility model is illustrated by figures. FIG. 1 shows a general view of the design of a contactless magnetic bearing. FIG. 1 the following designations are used: 1 - inner support ring; 2 - outer support ring; 3 - inner working ring; 4 - outer working ring; 5 - layers of magnetic material; 6 - anti-friction coating; 7 - mounting bracket, 8 - magnetic layer of the inner working ring 3. FIG. 2 shows the results of mathematical modeling of the magnitude of the magnetic induction. FIG. 3 shows a diagram of the interaction of two annular (tubular) magnets having elliptical axial sections with a mutually perpendicular arrangement of the major semiaxes. FIG. 4 shows the results of modeling the nature of the distribution of the magnetic field in the entire region of the magnetic interaction of the rings.

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 магнитного слоя 8 внутреннего рабочего кольца 3 и наружного рабочего кольца 4 выполнены в виде эквидистантных эллипсов, причем большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны и ориентированы соответственно малой полуосью внутреннего кольца 3 и большей полуосью наружного кольца 4 в направлении, параллельном оси вращения 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. Магнитный слой 8 внутреннего рабочего кольца 3 выполнен из двух половинок и размещен на внешней части установочной консоли 7, изготовленной из немагнитного материала, которая закреплена на внешней части внутреннего рабочего кольца 3. Внутреннее рабочее кольцо 3 и наружное рабочее кольцо 4 на своих рабочих поверхностях снабжены слоями магнитного материала 5. Слои 5 обращены друг к другу одноименными полюсами. Поверхности магнитного материала 5 имеют антифрикционное покрытие 6 на основе эластомеров.The bearing contains an outer 1 and an inner 2 support rings, as well as rigidly connected with them working outer 4 and inner 3 rings, made of non-magnetic material with the possibility of free rotation relative to each other. The working inner ring 3 is located in the cavity of the outer working ring 4. The profiles of the magnetic layer 8 of the inner working ring 3 and the outer working ring 4 are made in the form of equidistant ellipses, and the major semiaxes of the ellipses are mutually perpendicular and oriented, respectively, by the minor semiaxis of the inner ring 3 and the major semiaxis of the outer ring 4 in a direction parallel to the axis of rotation of the bearing. The outer working ring 4 is made of two identical halves. Both halves of the outer working ring 4 are installed in the supporting outer ring 2 with guaranteed interference. The magnetic layer 8 of the inner working ring 3 is made of two halves and is placed on the outer part of the installation console 7 made of non-magnetic material, which is fixed on the outer part of the inner working ring 3. The inner working ring 3 and the outer working ring 4 are provided with layers on their working surfaces magnetic material 5. Layers 5 are facing each other with the same poles. The surfaces of the magnetic material 5 have an anti-friction coating 6 based on elastomers.

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.A gap λ is made between the surfaces of the antifriction coatings 6. The free parts of the working rings 3 and 4 form a labyrinth connection with a maximum clearance δ. The size of the gaps in the labyrinth joint δ is guaranteed to be less than the size of the gap λ.

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 небольших динамических нагрузках на подшипник и вибраций.The bearing works as follows. A load is applied to the bearing support rings 1 and 2, one of these rings is given rotation. Since the layers of magnetic material 5 of the working rings 3 and 4 are located to each other with the same poles, this ensures contactless magnetic interaction of the working rings and eliminates the loss of rotational energy for friction. Since the size of the gap δ in the labyrinth seal is less than the size of the gap λ, between the working surfaces, this prevents contact of the working surfaces at low dynamic bearing loads and vibrations.

Наличие на поверхности рабочих колец 3 и 4 антифрикционного покрытия 6 из эластомера предотвращает возможность разрушения слоя из магнитного материала 5. Так как антифрикционные покрытия представляют собой дисперсии твердых смазочных материалов, равномерно распределенных в смеси растворителей и связующих веществ, то помимо снижения трения при случайном контакте рабочих поверхностей рабочих колец 3 и 4, они упрочняют поверхностный слой магнитного материала 6, гасят вибрации и тем самым предотвращают разрушение магнитного материала от вибрационной нагрузки. Это повышает надежность и долговечность работы подшипника.The presence on the surface of the working rings 3 and 4 of an antifriction coating 6 made of elastomer prevents the possibility of destruction of the layer of magnetic material 5. Since antifriction coatings are dispersions of solid lubricants evenly distributed in a mixture of solvents and binders, in addition to reducing friction in case of accidental contact of workers surfaces of the working rings 3 and 4, they strengthen the surface layer of the magnetic material 6, dampen vibrations and thereby prevent the destruction of the magnetic material from vibration load. This increases the reliability and durability of the bearing.

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].As antifriction coatings based on antifriction elastomers, for example, antifriction coatings Molykote - Molykote 3400A can be used; Molykote 3402C Leadfree; Molykote 7400; Molykote D-10-GBL; and others [see, for example, the site - http://atf.ru ] .

Поскольку внутренняя поверхность наружного кольца 4 и магнитный слой 8 наружной поверхности внутреннего кольца 3 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, то при эксплуатации бесконтактного магнитного подшипника величины магнитной индукции магнитных колец при взаимном вращении и, следовательно, силы магнитного взаимодействия (отталкивания) будут постоянными при допустимой осевой и радиальной нагрузке, что исключит случайный контакт магнитных слоев и их разрушение из-за образования твердых частиц загрязнений в зазоре между ними и последующему выходу подшипника из строя.Since the inner surface of the outer ring 4 and the magnetic layer 8 of the outer surface of the inner ring 3 have the shape of ellipses in cross-section, and the semi-major axes of the ellipses are mutually perpendicular, and the semi-major axis of the ellipse of the inner surface of the outer ring and the semi-minor axis of the ellipse of the outer surface of the inner ring are parallel to the axis of rotation, then during operation of a non-contact magnetic bearing, the values of the magnetic induction of the magnetic rings during mutual rotation and, therefore, the forces of magnetic interaction (repulsion) will be constant under the permissible axial and radial load, which will exclude accidental contact of magnetic layers and their destruction due to the formation of solid particles of contamination in the gap between them and the subsequent failure of the bearing.

Все это повышает надежность и долговечность бесконтактного магнитного подшипника, решая тем самым задачу полезной модели.All this increases the reliability and durability of the contactless magnetic bearing, thereby solving the problem of a utility model.

На фиг. 2 приведены результаты математического моделирования величины магнитной индукции В(Н) при выбранном эллиптическом сечении в поперечном направлении внутренней поверхности наружного кольца и наружной поверхности внутреннего кольца, при котором большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, а также большая полуось эллипса внутренней поверхности наружного кольца и малая полуось эллипса наружной поверхности внутреннего кольца параллельны оси вращения.FIG. 2 shows the results of mathematical modeling of the value of the magnetic induction B (H) for a selected elliptical section in the transverse direction of the inner surface of the outer ring and the outer surface of the inner ring, in which the semi-major axes of the ellipses are mutually perpendicular, as well as the semi-major axis of the ellipse of the inner surface of the outer ring and the semi-minor axis of the ellipse the outer surface of the inner ring is parallel to the axis of rotation.

Математическое моделирование проводилось для определения распределения магнитного поля на поверхности постоянных магнитов наружного и внутреннего колец бесконтактного магнитного подшипника и на некотором расстоянии от них. Для аналитического расчета использовались программы Elcut 6.4. Гармонический анализ распределений индукции и обработка результатов моделирования производились в среде Origin 7.0.Mathematical modeling was carried out to determine the distribution of the magnetic field on the surface of the permanent magnets of the outer and inner rings of a non-contact magnetic bearing and at some distance from them. For analytical calculations, Elcut 6.4 software was used. Harmonic analysis of induction distributions and processing of simulation results were carried out in the Origin 7.0 environment.

Укажем, что механические силы, испытываемые магнетиками в магнитном поле, должны сводиться к силам, испытываемым молекулярными токами. Поэтому плотность пондемоторных сил, то есть сил, действующих на единицу объема магнетика, будет равна сумме сил, действующих на отдельные молекулы, находящиеся в единице объема.We point out that the mechanical forces experienced by magnets in a magnetic field should be reduced to the forces experienced by molecular currents. Therefore, the density of pondemotor forces, that is, forces acting on a unit volume of a magnet, will be equal to the sum of forces acting on individual molecules in a unit volume.

При построении аналитических решений для распределения магнитных полей вводились следующие допущения: задача решалась как осесимметричная модель, величина магнитного момента радиально намагниченных магнитов считалось постоянной.When constructing analytical solutions for the distribution of magnetic fields, the following assumptions were introduced: the problem was solved as an axisymmetric model, the magnitude of the magnetic moment of the radially magnetized magnets was considered constant.

В качестве объекта исследования были рассмотрены два кольцевых (трубчатых) магнита, с эллиптическим осевым сечением с радиальной намагниченностью вдоль оси г и осью симметрией z (фиг. 3).Two annular (tubular) magnets with an elliptical axial section with radial magnetization along the z axis and the z axis of symmetry were considered as the object of research (Fig. 3).

Исследуемый образец изготовлен из нелинейного материала NdFeB, следовательно, необходимо ввести не менее 5 точек из кривой В(Н) материала NdFeB НмБ 380/100 для получения хорошего результата распределения поля в материале. Для этого воспользуемся данными стандарта ГОСТ Р 52956-2008. Поскольку программа Elcut интерполируют между выбранными точками кривой В(Н), применяя кубические сплайны, то введение меньшего количества точек приведет к линейности кривой В(Н), так как на кривой имеются области с резкими изменениями ее формы.The sample under study is made of a nonlinear material NdFeB, therefore, it is necessary to enter at least 5 points from the curve B (H) of the material NdFeB NmB 380/100 to obtain a good result of the field distribution in the material. To do this, we will use the data of the GOST R 52956-2008 standard. Since the Elcut program interpolates between the selected points of the B (H) curve using cubic splines, the introduction of a smaller number of points will lead to the linearity of the B (H) curve, since the curve has areas with sharp changes in its shape.

Наиболее распространенными границами магнитных полей являются границы, к которым магнитный поток параллелен (то есть, условие Дирихле), и границы, к которым поток перпендикулярен (условия Неймана); поэтому при расчетах принималось, что векторный магнитный потенциал постоянен и равен нулю.The most common boundaries of magnetic fields are the boundaries to which the magnetic flux is parallel (that is, the Dirichlet condition), and the boundaries to which the flux is perpendicular (Neumann conditions); therefore, in the calculations it was assumed that the vector magnetic potential is constant and equal to zero.

Распределение во всей области исследования магнитного поля В (Т) представлено на фиг. 4. Результаты расчета магнитной индукции В в геометрическом центре эллиптического сечения магнитов и на нескольких расстояниях от него представлены на фиг. 2.The distribution in the entire study area of the magnetic field B (T) is shown in Fig. 4. The results of calculating the magnetic induction B in the geometric center of the elliptical section of the magnets and at several distances from it are presented in FIG. 2.

По мере удаления от поверхности магнитных колец 3 и 4 магнитная индукция падает и изменяется форма кривой. Исходя из формы кривых, можно выявить наиболее однородные участки, что позволит говорить о равномерности распределения поля в заданной области над поверхностью магнитных колец 3 и 4.With distance from the surface of magnetic rings 3 and 4, the magnetic induction decreases and the shape of the curve changes. Based on the shape of the curves, it is possible to identify the most homogeneous areas, which will make it possible to speak about the uniformity of the field distribution in a given area above the surface of magnetic rings 3 and 4.

Моделирование является логическим продолжением работ авторов [полезная модель RU №185370 и др.] по созданию бесконтактного магнитного подшипника, с целью получения оптимальной конфигурации, а также повышения точности и надежности исполнения. Результат моделирования показал равномерность и симметричность величин магнитной индукции и, как следствие из этого - постоянство сил магнитного взаимодействия (отталкивания) в осевом и радиальном направлении для вращающихся колец; что позволяет сделать вывод о правомерности использования предложенного данного типа конструкции для удовлетворения требований по надежности и долговечности бесконтактного магнитного подшипника.Modeling is a logical continuation of the work of the authors [utility model RU No. 185370, etc.] on the creation of a contactless magnetic bearing, in order to obtain an optimal configuration, as well as to improve the accuracy and reliability of performance. The simulation result showed the uniformity and symmetry of the values of the magnetic induction and, as a consequence, the constancy of the forces of magnetic interaction (repulsion) in the axial and radial directions for rotating rings; which allows us to conclude that it is legitimate to use the proposed design type to meet the requirements for the reliability and durability of a non-contact magnetic bearing.

Пример. Требуется заменить стандартный радиальный шариковый подшипник на магнитный подшипник. Размеры подшипника: внутренний диаметр d=40 мм, наружный диаметр D=110 мм, высота Н=27 мм. Поэтому внутренне опорное кольцо 1 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. Высоту наружного рабочего кольца берем равной 25 мм, оставляя по 1 мм с двух сторон для размещения запорных шайб 6. Наружный диаметр равен внутреннему диаметру наружного опорного кольца, равному 104 мм. Внутренний диаметр наружного рабочего кольца 4 равен внутреннему диаметру подшипника d=40 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 34,5 мм.Example. It is required to replace the standard deep groove ball bearing with a magnetic bearing. Bearing dimensions: inner diameter d = 40 mm, outer diameter D = 110 mm, height H = 27 mm. Therefore, we take the inner support ring 1 of the bearing with an inner diameter of d = 40 mm, a height of H = 27 mm and a wall thickness of 3 mm. We take the outer support ring 2 with an outer diameter of D = 110 mm, a height of H = 27 mm and a wall thickness of 3 mm. We take the height of the outer working ring equal to 25 mm, leaving 1 mm on both sides to accommodate the locking washers 6. The outer diameter is equal to the inner diameter of the outer support ring, equal to 104 mm. The inner diameter of the outer working ring 4 is equal to the inner diameter of the bearing d = 40 mm. The inner diameter of the outer working ring 4 is 38 mm. Inside the outer working ring 4, we place a cavity of rotation, the profile of which is an ellipse. The center of the ellipse is located on a circle with a diameter of 34.5 mm.

Параметры рабочих поверхностей колец 3 и 4 принимали равными: малую полуось эллипса рабочей поверхности наружного рабочего кольца 4 принимали равной 4 мм, малую полуось рабочей поверхности внутреннего рабочего кольца 3 принимали равной 2,5 мм, большую полуось эллипса профиля рабочей поверхности наружного рабочего кольца 4 принимали равной 5 мм, большую полуось рабочей части профиля внутреннего рабочего кольца 3 приняли равной 3,5 мм. Величина зазора в лабиринтном уплотнении составляла λ=1,5 мм. Наружное рабочее кольцо 4 выполнили в виде соединения из двух равных частей, каждую из которых высотой по 12,5 мм устанавливали с натягом в наружном опорном кольце 2. Внутреннее рабочее кольцо 3 выполнено из двух половинок и размещено на внешней части установочной консоли 7, изготовленной из немагнитного материала, которая закреплена на внешней части внутреннего рабочего кольца 3.The parameters of the working surfaces of rings 3 and 4 were taken equal: the semi-minor axis of the ellipse of the working surface of the outer working ring 4 was taken equal to 4 mm, the semi-minor axis of the working surface of the inner working ring 3 was taken equal to 2.5 mm, the semi-major axis of the profile ellipse of the working surface of the outer working ring 4 was taken equal to 5 mm, the semi-major axis of the working part of the profile of the inner working ring 3 was taken equal to 3.5 mm. The size of the gap in the labyrinth seal was λ = 1.5 mm. The outer working ring 4 was made in the form of a joint of two equal parts, each of which with a height of 12.5 mm was installed with an interference fit in the outer support ring 2. The inner working ring 3 is made of two halves and is placed on the outer part of the installation console 7 made of non-magnetic material, which is attached to the outer part of the inner working ring 3.

Для повышения надежности и долговечности подшипника при экстремальных условиях эксплуатации, например, при ударных нагрузках, чтобы минимизировать возможные последствия разрушения поверхностей магнитных торов при их случайном контакте, 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).To increase the reliability and durability of the bearing under extreme operating conditions, for example, under shock loads, in order to minimize the possible consequences of the destruction of the surfaces of magnetic tori during their accidental contact, on the inner surface of the outer torus of the working ring 4 and on the outer surface of the working surface of the torus of the inner working ring 3 Molykote 3400 antifriction coatings 15 ... 20 (μm) thick.

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 0,3…0,5 (кг) и придавали ему вращение с частотой 1200…1500 (об/мин).The outer ring bearing 1 was installed on a vibration table, which created axial vibrations with an amplitude of 1.2 (mm) with a frequency of 50 (Hz), a load of 0.3 ... 0.5 (kg) was imposed on the inner ring of the bearing and rotated at a frequency of 1200 ... 1500 (rpm).

Исследовании показали, что вероятность выхода подшипника из строя по причине разрушения слоя магнитного материала рабочих колец при наличии на поверхности слоя магнитного материала антифрикционного покрытия, а также выполнения внутренней поверхности наружного кольца 4 и наружной поверхности внутреннего кольца 3 в поперечном сечении в форме 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, то при эксплуатации бесконтактного магнитного подшипника величины магнитной индукции магнитных колец при взаимном вращении и, следовательно, силы магнитного взаимодействия - отталкивания - будут постоянными при допустимой осевой и радиальной нагрузке, что исключает случайный контакт магнитных слоев и их разрушение из-за образования твердых частиц загрязнений в зазоре между ними и последующему выходу подшипника из строя, уменьшается в среднем на 60…65% по сравнению с подшипниками, не имеющими указанных отличий.The study showed that the probability of bearing failure due to the destruction of the magnetic material layer of the working rings in the presence of an antifriction coating on the surface of the magnetic material layer, as well as the execution of the inner surface of the outer ring 4 and the outer surface of the inner ring 3 in cross-section in the form of ellipses, the semi-axes of the ellipses are mutually perpendicular, and the semi-major axis of the ellipse of the inner surface of the outer ring and the semi-minor axis of the ellipse of the outer surface of the inner ring are parallel to the axis of rotation, then during operation of a contactless magnetic bearing the values of the magnetic induction of the magnetic rings during mutual rotation and, therefore, the forces of magnetic interaction - repulsion - will be constant at permissible axial and radial loads, which excludes accidental contact of magnetic layers and their destruction due to the formation of solid particles of contamination in the gap between them and the subsequent failure of the bearing, decreases on average by 60 ... 65% in comparison with bearings that do not have these differences.

Тем самым решается задача повышения надежности и долговечности бесконтактного магнитного подшипника.This solves the problem of increasing the reliability and durability of the contactless magnetic bearing.

Claims

A non-contact magnetic bearing 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, and the surfaces of the magnetic material have an anti-friction coating based on elastomers, characterized in that the inner surface of the outer ring and the outer surface of the inner ring are elliptical in cross-section, and the semi-major axes of the ellipses are mutually perpendicular, and the semi-major axis of the ellipse of the inner surface of the outer ring and the semi-minor axis of the ellipse of the outer surface of the inner ring parallel to the axis of rotation.