RU2176039C2

RU2176039C2 - Radial-axial bearing assembly

Info

Publication number: RU2176039C2
Application number: RU99103880/09A
Authority: RU
Inventors: Б.П. Фридман; В.С. Жернаков; О.Б. Фридман
Original assignee: Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2001-11-20

Abstract

FIELD: instrument making, namely magnetic systems for fixing moving units of measuring devices. SUBSTANCE: radial- axial bearing unit includes cone rotor and cylindrical stator with cone recess. Rotor and stator are magnetized simultaneously in combined position in axial magnetic field of solenoid. Configuration of magnetic fields irradiated by means of rotor and stator of bearing assembly provides density of summed magnetic flux increased at mutual approaching of members in working gap of magnetic system. EFFECT: enhanced static and dynamic characteristics of magnetic fixation units. 1 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и машиностроению и может быть использовано в узлах магнитной фиксации подвижных частей измерительных приборов и электромеханических преобразовательных систем. The invention relates to instrumentation and mechanical engineering and can be used in nodes of magnetic fixation of the moving parts of measuring instruments and electromechanical converting systems.

Известен магнитный подшипник для электродвигателя по а.с. СССР N 847443, МКИ H 02 K 5/16, содержащий установленные на роторе и статоре двигателя радиальные подшипники, устройство осевой стабилизации ротора, выполненное в виде неподвижного кольцевого магнита с осевым намагничиванием, взаимодействующего с кольцевым магнитом, установленным на роторе, и механический упор для вала ротора, причем радиальный подшипник, установленный на роторе, смещен по оси ротора в сторону неподвижного кольцевого магнита относительно радиального подшипника, установленного на статоре. Known magnetic bearing for an electric motor by AS USSR N 847443, MKI H 02 K 5/16, comprising radial bearings mounted on the rotor and the motor stator, an axial rotor stabilization device made in the form of a fixed ring magnet with axial magnetization, interacting with the ring magnet mounted on the rotor, and a mechanical stop for the rotor shaft, and the radial bearing mounted on the rotor is displaced along the axis of the rotor towards the stationary ring magnet relative to the radial bearing mounted on the stator.

Недостатками указанной подшипниковой системы являются ее многоэлементность и громоздкость, а также трудоемкость выполнения и структурная сложность, сочетающаяся с наличием у известного объекта существенных энергетических потерь, обусловленных присутствием в системе механического упора. Это исключает целесообразность использования известного объекта в приборостроении. The disadvantages of this bearing system are its multi-element and cumbersomeness, as well as the complexity of the implementation and structural complexity, combined with the presence of a known object significant energy losses due to the presence of a mechanical stop in the system. This eliminates the advisability of using a well-known object in instrumentation.

Наиболее близким к изобретению из арсенала существующих средств рассматриваемого назначения и класса является радиально-аксиальный магнитный подшипник Стеттлера, описанный в справочнике "Постоянные магниты"./ Под ред. Ю.М.Пятина, изд. второе. - М.: Энергия, 1980, с. 158, рис. 2-23,б. Closest to the invention from the arsenal of existing means of the considered purpose and class is the Stettler radial-axial magnetic bearing described in the Permanent Magnets reference book ./ Ed. Yu.M. Pyatina, ed. the second one. - M .: Energy, 1980, p. 158, fig. 2-23, b.

Указанный подшипник, совмещающий возможность радиальной центровки ротора с воздействием на него осевого усилия (в виде подъемной силы в осевом направлении), содержит радиально намагниченные во взаимно встречных направлениях ротор конической формы и цилиндрический статор с конусообразной выемкой. The specified bearing, combining the possibility of radial alignment of the rotor with the influence of axial force (in the form of axial lifting force), contains a cone-shaped rotor radially magnetized in mutually opposite directions and a cylindrical stator with a cone-shaped recess.

Недостатки этого подшипника состоят в том, что по мере сближения центров его ротора и статора осевое отталкивающее усилие, действующее на ротор, не только не возрастает, но и снижается, - что резко ограничивает динамический диапазон упругих радиально-осевых перемещений и аксиальной устойчивости известного магнитного подшипника. The disadvantages of this bearing are that as the centers of its rotor and stator approach each other, the axial repulsive force acting on the rotor not only does not increase, but also decreases, which sharply limits the dynamic range of elastic radial-axial movements and axial stability of the known magnetic bearing .

К недостаткам известного подшипника-прототипа Стеттлера следует отнести также технологическую сложность радиального намагничивания его составных элементов, в особенности конусного ротора при его сплошном исполнении. The disadvantages of the well-known Stettler prototype bearing should also include the technological complexity of the radial magnetization of its constituent elements, in particular a conical rotor with its continuous execution.

В этой связи задача, поставленная при создании представленного технического решения, состояла в устранении указанных недостатков и ограничений прототипа за счет расширения динамического диапазона упругих осевых перемещения ротора подшипника и обеспечения прогрессивно возрастающей осевой и радиальной жесткости подшипника при сближении его ротора и статора - вплоть до их соприкосновения - с приданием подшипнику левитационных свойств в сочетании с технологическим упрощением процесса изготовления подшипника (процесса намагничивания его частей). In this regard, the task posed when creating the presented technical solution was to eliminate the aforementioned drawbacks and limitations of the prototype by expanding the dynamic range of the elastic axial displacement of the bearing rotor and providing progressively increasing axial and radial stiffness of the bearing when its rotor and stator approach each other - up to their contact - with giving the bearing levitation properties in combination with technological simplification of the manufacturing process of the bearing (magnetization process of parts).

Решение указанной задачи достигается тем, что у радиально-аксиального подшипника, составленного соосно расположенными магнитотвердыми коническим ротором и цилиндрическим с конусной выемкой статором, ротор и статор намагничены единовременно при их совмещенном положении и совместном помещении в осевое магнитное поле соленоида. The solution of this problem is achieved by the fact that the radial-axial bearing, composed of coaxially arranged magnetically solid conical rotor and cylindrical stator with conical recess, has a rotor and stator magnetized at the same time when they are combined and placed in the axial magnetic field of the solenoid.

На прилагаемом чертеже представлена конструкция и схематическая конфигурация магнитных полей заявляемого подшипника. The accompanying drawing shows the design and schematic configuration of the magnetic fields of the inventive bearing.

Как видно из чертежа, конусный ротор 1 подшипника его цилиндрический с конусной выемкой статор 2 намагничены однонаправленно - в общем для элементов 1 и 2 направлении, вдоль продольной оси 0-0' подшипника. As can be seen from the drawing, the conical rotor 1 of the bearing is cylindrical with a conical recess, the stator 2 is magnetized unidirectionally - in general for elements 1 and 2, along the longitudinal axis 0-0 'of the bearing.

При этом линиями 3 и 4 магнитной индукции, исходящими соответственно из ротора 1 и статора 2, в рабочем диамагнитном (воздушном) зазоре 5 подшипника создается повышенная объемная плотность магнитного потока, обусловленная сложением в пределах воздушного зазора магнитных силовых линий, принадлежащих обоим магнитным контурам - 3 и 4. In this case, magnetic induction lines 3 and 4, emanating from the rotor 1 and stator 2, respectively, create an increased bulk magnetic flux density in the working diamagnetic (air) bearing clearance 5 due to the addition of magnetic field lines belonging to both magnetic circuits within the air gap - 3 and 4.

Сгущение указанных линий магнитной индукции в рабочем диамагнитном зазоре 5 по мере сближения центров ротора 1 и статора 2 создает возрастающее выталкивающее усилие P, воздействующее на ротор 1 в осевом направлении 0-0'. The thickening of these lines of magnetic induction in the working diamagnetic gap 5 as the centers of the rotor 1 and the stator 2 come closer creates an increasing buoyant force P acting on the rotor 1 in the axial direction 0-0 '.

Благодаря наклонно-конусному расположению уплотненных магнитных силовых линий, образуемых совпадающими по направлению в рабочем зазоре 5 и суммирующимися в этом зазоре линиями магнитной индукции 3 и 4, излучаемыми соответственно ротором 1 и статором 2 подшипника, возрастающая осевая жесткость заявляемой системы, сопутствующая сближению ротора и статора, сочетается также с соответственно возрастающей радиальной устойчивостью подшипника. Due to the oblique-cone arrangement of the sealed magnetic field lines formed by the directions of the magnetic induction 3 and 4, which coincide in the direction in the working gap 5 and are summed in this gap, emitted by the rotor 1 and stator 2 of the bearing, respectively, the increasing axial rigidity of the inventive system, which brings about the convergence of the rotor and stator , is also combined with a correspondingly increasing radial stability of the bearing.

Таким образом, в противоположность убывающей со сближением ротора и статора осевой жесткости известного радиально-аксиального магнитного подшипника-прототипа заявляемый подшипник не только не снижает своей осевой жесткости по мере сближения ротора и статора, но наоборот - повышает ее, сочетая это с возрастающей радиальной устойчивостью магнитной системы, - чем полностью устраняются охарактеризованные выше ограничения и недостатки известного прототипа. Thus, in contrast to the axial stiffness of the known radial-axial magnetic bearing prototype that decreases with the convergence of the rotor and stator, the inventive bearing not only does not reduce its axial stiffness as the rotor and stator converge, but on the contrary increases it, combining this with increasing radial magnetic stability system, which completely eliminates the limitations described above and the disadvantages of the known prototype.

Существенное повышение качества рабочих характеристик заявляемого магнитного подшипника совмещается при этом также с технологическим упрощением и повышением эффективности самого процесса намагничивания подвижного и неподвижного элементов магнитной системы подшипника. A significant improvement in the quality of the operating characteristics of the inventive magnetic bearing is also combined with technological simplification and an increase in the efficiency of the magnetization process of the movable and stationary elements of the magnetic bearing system.

Так, в отличие от базового объекта-прототипа, где радиально-круговое намагничивание статора и встречное радиально-круговое намагничивание сплошного конусного ротора представляют собой значительные технологические трудности и не обеспечивают даже при наличии достаточно сложной специальной оснастки равномерного и строго радиального намагничивания составных элементов известного объекта-прототипа, - в отличие от этого согласное по направлению соосное намагничивание компонующих элементов заявляемого подшипника может быть произведено как раздельно, так и одновременно при совмещении положения ротора и статора, помещаемых в простейшее осевое магнитное поле линейного соленоида, - что определяет и максимальное технологическое удобство, и простоту процесса намагничивания элементов заявляемого подшипника. So, in contrast to the basic prototype object, where the radial circular magnetization of the stator and the counter radial circular magnetization of a continuous conical rotor are significant technological difficulties and do not provide even with sufficiently complicated special equipment uniform and strictly radial magnetization of the constituent elements of a known object prototype, - in contrast to this, the directionally coaxial magnetization of the components of the inventive bearing can be made both separately and simultaneously when combining the position of the rotor and stator that are placed in an axial magnetic field simplest linear solenoid - that determines the maximum technological convenience and ease of magnetization process of the claimed elements of the bearing.

Касаясь признаков, отличающих предлагаемый подшипник от его известного прототипа и состоящих в однонаправленном намагничивании как ротора 1, так и статора 2 вдоль общей для них продольной оси подшипника (в едином направлении), следует указать, что сходный признак, характеризующий направления намагничивания ротора и статора, имеет место и в одном из известных технических решений - в радиально-аксиальном подшипнике Брайермана (см. справочник "Постоянные магниты". / Под ред. Ю.П.Пятина, изд. второе.- М.: Энергия, 1980, с. 158, рис. 2-23,а), где оба взаимодействующих концентрично расположенных магнитных элемента - цилиндрические сплошной ротор и полый статор также намагничены однонаправленно вдоль общей продольной оси подшипника, но где указанный сходный признак не создает тех новых свойств, которые он придает заявляемому объекту в присущем ему новом сочетании существенных признаков. Concerning the features distinguishing the proposed bearing from its known prototype and consisting in unidirectional magnetization of both the rotor 1 and the stator 2 along the common longitudinal axis of the bearing (in a single direction), it should be noted that a similar feature characterizing the magnetization directions of the rotor and stator, takes place in one of the well-known technical solutions - in the radial-axial bearing of Bryerman (see the reference book "Permanent magnets". / Under the editorship of Yu.P. Pyatin, second ed. - M.: Energy, 1980, p. 158 , Fig. 2-23, a), where both interactions stvuyuschih concentrically arranged magnetic element - a continuous cylindrical hollow rotor and stator are also magnetized unidirectionally along a common longitudinal axis of the bearing, but wherein the similar feature creates the new properties that it imparts to the claimed subject inherent in a new combination of essential features.

Новые свойства, проявляемые однонаправленным осевым намагничиванием конусного ротора и цилиндрического с конусной выемкой статора в заявляемом объекта, заключаются, как было показано выше, в обеспечении этим объектом как непрерывно возрастающей со сближением ротора и статора (вплоть до их соприкосновения) осевой жесткости магнитной системы, так и в обеспечении сопутствующего указанному сближению ротора и статора возрастанию радиальной устойчивости заявляемого подшипника, что обуславливает расширенный динамический диапазон упругих перемещений ротора в предлагаемом объекте, в то время как наличие указанного признака, отличающего заявляемый объект от прототипа, у упомянутого известного технического решения - радиально-аксиального подшипника Брайермана- не только не приводит к положительному эффекту, свойственному предлагаемому подшипнику и состоящему в повышении осевой и радиальной жесткости подшипника по мере сближения ротора и статора, но приводит у известного аналога к прямо противоположным свойствам - к убыванию жесткости магнитной системы (вплоть до нуля) по мере осевого сближения центров ротора и статора. The new properties manifested by the unidirectional axial magnetization of the conical rotor and the cylindrical with a conical recess of the stator in the claimed object are, as shown above, to provide this object as the axial stiffness of the magnetic system continuously increasing with the convergence of the rotor and stator (up to their contact), and in providing concomitant to the indicated convergence of the rotor and stator, an increase in the radial stability of the inventive bearing, which leads to an extended dynamic range of elastic rotor movements in the proposed object, while the presence of the specified feature that distinguishes the claimed object from the prototype, the aforementioned known technical solution - the radial-axial bearing Bryerman-not only does not lead to the positive effect inherent in the proposed bearing and consists in increasing the axial and radial the stiffness of the bearing as the rotor and the stator approach each other, but in a well-known analogue it leads to directly opposite properties - to a decrease in the stiffness of the magnetic system (up to zero) As convergence axial centers of the rotor and stator.

При этом нетрудно увидеть, что в отличие от известного аналога - магнитного подшипника Брайермана, где при совмещении центров ротора и статора усилие в подшипнике, то есть его жесткость, падает до нуля, - в заявляемом подшипнике такой признак, отличающий этот подшипник от прототипа, как однонаправленное согласное осевое намагничивание ротора и статора, приводит - в противоположность упомянутому аналогу (подшипнику Брайермана) - к непрерывному возрастанию осевой и радиальной жесткости системы при сближении ротора и статора, то есть к созданию левитационных свойств, не доступных ни указанном аналогу, ни прототипу. It is not difficult to see that, in contrast to the well-known analogue, the Bryerman magnetic bearing, where when the centers of the rotor and stator are combined, the force in the bearing, that is, its stiffness, drops to zero, there is such a feature in the claimed bearing that distinguishes this bearing from the prototype as unidirectional consonant axial magnetization of the rotor and stator, leads, in contrast to the mentioned analogue (Bryerman bearing), to a continuous increase in the axial and radial stiffness of the system when the rotor and stator approach each other, i.e. July levitation properties that are not available neither the specified analogue nor prototype.

То обстоятельство, что признаки, отличающие заявляемый объект от прототипа и состоящие в однонаправленном намагничивании ротора и статора предлагаемого подшипника в общем осевом направлении, сообщают заявляемому объекту качественно новые свойства и существенные преимущества по сравнению с известным техническим решением - аналогом, где сходные признаки вызывают прямо противоположный эффект, выражающийся в убывающей жесткости известного подшипника при сближении его соосно намагничивающих ротора и статора, - указанное обстоятельство свидетельствует о том, что признаки, отличающие заявляемый объект от прототипа, являются существенными, ибо в предлагаемой совокупности признаков, характеризующей заявляемый объект, они создают качественно новый, сверхсуммарный эффект, а потому полностью соответствуют всем критериям существенности отличительных признаков технического решения. The fact that the features distinguishing the claimed object from the prototype and consisting in the unidirectional magnetization of the rotor and stator of the proposed bearing in the general axial direction give the claimed object qualitatively new properties and significant advantages compared to the well-known technical solution - the analogue, where similar features cause the exact opposite the effect expressed in the decreasing stiffness of the known bearing when it converges coaxially magnetizing the rotor and stator - this circumstance indicates that the features that distinguish the claimed object from the prototype are significant, because in the proposed set of features characterizing the claimed object, they create a qualitatively new, super-total effect, and therefore fully comply with all criteria of materiality of the distinctive features of the technical solution.

Применение предлагаемого радиально-аксиального магнитного подшипника в измерительной аппаратуре и приборах, создаваемых в УГАТУ для профильного электромагнитного контроля геометрических параметров изделий, а также для преобразования и исследования вибропроцессов и различных видов ускорений, практически подтвердило качественные преимущества заявленного магнитного подшипника по отношению к известным магнитно-фиксирующим средствам соответствующего назначения. The use of the proposed radial-axial magnetic bearing in measuring equipment and devices created at USATU for profile electromagnetic control of the geometric parameters of products, as well as for the conversion and study of vibration processes and various types of accelerations, has practically confirmed the qualitative advantages of the claimed magnetic bearing with respect to the known magnetic fixing means of appropriate use.

С учетом положительных результатов сопоставительных испытаний приборов, содержащих заявляемый объект, а также содержащих его прототип, предлагаемый магнитный подшипник принят к промышленному применению на предприятиях авиационной промышленности, авиационного приборостроения и транспортного машиностроения. Given the positive results of comparative tests of devices containing the inventive object, as well as containing its prototype, the proposed magnetic bearing is accepted for industrial use at the enterprises of the aviation industry, aircraft instrumentation and transport engineering.

Claims

A radial axial bearing made up of coaxially arranged magnetically solid conical rotors and cylindrical stator cylindrical recesses, characterized in that the rotor and stator are magnetized at the same time when they are combined and placed in the axial magnetic field of the solenoid.