РАДИАЛЬНО-АКСИАЛЬНЫЙ ПОДШИПНИК Российский патент 2001 года по МПК F16C32/04 H01F13/00 

Изобретение относится к приборостроению и машиностроению и может быть использовано в узлах магнитной фиксации подвижных частей измерительных приборов и электромеханических преобразовательных систем.

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.

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.

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.

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.

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.

К недостаткам известного подшипника-прототипа Стеттлера следует отнести также технологическую сложность радиального намагничивания его составных элементов, в особенности конусного ротора при его сплошном исполнении.

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).

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.

На прилагаемом чертеже представлена конструкция и схематическая конфигурация магнитных полей заявляемого подшипника.

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.

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.

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'.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Изобретение относится к приборостроению - к магнитным системам фиксации подвижных узлов измерительных устройств. В радиально-аксиальном подшипнике, содержащем конусный ротор и цилиндрический с конусной выемкой статор, указанные ротор и статор намагничены единовременно при их совмещенном положении и совместном помещении в осевое магнитное поле соленоида. Создаваемая при этом конфигурация контуров и магнитных полей, излучаемых ротором и статором подшипника, обуславливает возрастающую со сближением элементов плотность суммарного магнитного потока в рабочем зазоре магнитной системы. Техническим результатом является улучшение статических и динамических характеристик магнитных фиксаторных узлов. 1 ил.

Радиально-аксиальный подшипник, составленный соосно расположенными магнитотвердыми коническим ротором и цилиндрическим с конусной выемкой статором, отличающийся тем, что ротор и статор намагничены единовременно при их совмещенном положении и совместном помещении в осевое магнитное поле соленоида.