Бесконтактный магнитный электростатический подшипник

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в подшипниковых узлах. Изобретение позволяет создать подшипник, имеющий высокий срок службы и обеспечивающий высокую устойчивость к осевым и радиальным нагрузкам при минимизации габаритов и веса. Кроме этого, представленный подшипник работает практически бесшумно и обладает высокой устойчивостью к загрязнениям. Ротор и статор выполнены в виде магнитов с постоянной осевой намагниченностью в форме корпусных тел вращения, расположенных соосно и их одноименные магнитные полюса направлены друг к другу, по внутренней поверхности статора и обращенной к ней внешней поверхности ротора равномерно распределен электростатический заряд одинакового знака. Ротор может свободно вращаться в статоре, так как расположен с рабочим зазором и находится в подвешенном состоянии под действием магнитных и электростатических сил отталкивания. Ось подшипника, выполненная из немагнитного материала, жестко закреплена с ротором и проходит с малым зазором через фторопластовые втулки, закрепленные в статоре. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в подшипниковых узлах.

Одной из важнейших задач, решаемых при конструировании и эксплуатации различных машин и механизмов, имеющих вращающиеся относительно друг друга части конструкции, является повышение долговечности и ресурса подшипниковых узлов. Предпосылками к повышению требований к характеристикам подшипников являются увеличение скоростей вращения и мощностей роторных машин, необходимость их надежной работы в экстремальных условиях (вакуум, высокие и низкие температуры, агрессивные среды, экологически чистые технологии и т.д.), ужесточение требований к массовым и габаритным характеристикам.

Другой важной задачей является снижение шумовых характеристик подшипников. Данная проблема может быть решена путем исключения механического контакта между вращающимися узлами конструкции подшипника и экранированием его источников шума.

Известна конструкция бесконтактного подшипника на основе электростатического (электретного) подвеса внутреннего и внешнего колец - ободов подшипника (см. статью Дудышева В. Д. в журнале «Новая Энергетика» №4, Июль-Август 2003, стр.28 http://001-lab.at.ua/NewEnergv/novaia ehnerRetika-2003 no 04-1.pdf). Статор и ротор подшипника выполнены в виде колец - дисков, между которыми расположены шарики. Внутренняя рабочая поверхность статора и внешняя рабочая поверхность ротора подшипника выполнены в виде желобов, которые выполняют задачу устойчивости подшипника к радиальным и осевым нагрузкам. Рабочие поверхности желобов ротора, статора и шарики подшипника обклеены электретной пленкой с «вмороженными» в нее электрическими зарядами.

Использование специальной желеобразной конструкции рабочих поверхностей электретных подшипников и малый зазор между ними обеспечивает высокую устойчивость подшипников к динамическим нагрузкам, а применение электретных пленок, наклеенных на внутреннюю поверхность желоба внешнего кольца и на внешнюю поверхность внутреннего кольца подшипника, при зазоре 1 мм, позволяет выдерживать усилие до 2-3 тонн.

Вместе с тем, представленная модель бесконтактного подшипника вращения имеет ряд недостатков:

1) наличие в желобах подшипника шариков снижает ресурс электретного покрытия и, соответственно, долговечность его конструкции;

2) данная конструкция не предусматривает защиту внутренних поверхностей от механических загрязнений, а наличие в электретных желобах шариков является причиной дополнительного шума.

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является подшипник с магнитным подвесом ротора (патент RU 61483, МПК Н02К 7/09, опубл. 2006). Статор указанного подшипника выполнен в виде постоянного магнита, по форме полого цилиндра с осевой намагниченностью, и с постоянными магнитами на торцах, а ротор выполнен в виде постоянного магнита цилиндрической формы с той же осевой намагниченностью.

Магнитный подшипник такого типа обеспечивает компенсацию радиальных и осевых нагрузок на валу, благодаря нелинейному повышению сил магнитного отталкивания одноименных полюсов магнитов статора и ротора при смещении вывешенного ротора относительно стационарного положения. Отсутствие контакта между поверхностями ротора и статора приводит к повышению долговечности и снижению трения. Подшипник содержит малое количество элементов, что упрощает конструкцию.

Однако подшипник данной конструкции обладает рядом недостатков, таких как:

1) вал ротора имеет непосредственный контакт с поверхностью статора, что может привести к повреждению магнита статора при динамических нагрузках и биениях, а также снижает допустимую эксплуатационную частоту вращения подшипника;

2) взаимное расположение торцевых и осевых магнитов статора и наличие зазора между ними приводят к существенной неравномерности линий магнитного поля в рабочем зазоре, образованию особых точек поля, где происходит разворот направления магнитного поля. Такие неравномерности ведут к снижению напряженности магнитного поля при заданных габаритах подшипника и снижают устойчивость к нагрузкам на вал ротора.

В основу изобретения положено решение следующих задач:

1) повышение срока службы подшипника;

2) повышение устойчивости к осевым и радиальным нагрузкам при минимизации габаритов и веса;

3) снижение шума;

4) повышение устойчивости подшипника к загрязнениям.

Для достижения этого технического результата магнитный подшипник содержит втулки, вал и выполненные в виде магнитов с постоянной осевой намагниченностью ротор и полый статор, причем ротор расположен концентрично внутри статора с равномерным воздушным зазором по наружной поверхности ротора и их одноименные магнитные полюса направлены друг к другу.

Новым в изобретении является то, что статор и ротор выполнены в форме корпусных тел вращения. На противоположных стенках статора по оси вращения установлены две втулки, в которых расположен вал ротора с зазором. Внутренняя поверхность статора и обращенная к ней внешняя поверхность ротора выполнены электрически заряженными с равномерно распределенным по поверхности электростатическим зарядом одинакового знака.

Новым также является то, что втулки выполнены из фторопласта, и то, что электростатический заряд равномерно распределен по поверхности статора и ротора путем нанесения покрытия в виде электретной пленки.

Поставленные задачи решаются следующим образом. Вывешивание ротора с одновременным использованием сил магнитного отталкивания одноименных полюсов и сил электростатического отталкивания одноименных электрических зарядов позволяет многократно повысить интенсивность возвращающих сил, возникающих при смещении ротора под нагрузкой, без увеличения площади рабочих поверхностей подшипника. В процессе левитации ротора участвуют все внутренние поверхности подшипника, причем одновременно, как в осевом, так и в радиальном направлениях. Ротор и статор могут быть изготовлены из легких композиционных материалов. Это повышает устойчивость подшипника к осевым и радиальным нагрузкам при минимизации габаритов и веса.

Отсутствие механического контакта поверхностей ротора и статора, дублирование сил магнитного и электростатического отталкивания существенно повышают срок службы подшипника и, кроме этого, улучшают шумовые характеристики.

Замкнутая корпусная форма статора и наличие фторопластовых втулок в статоре повышают устойчивость подшипника к загрязнениям и также улучшают шумовые характеристики.

Таким образом, в данном изобретении решены все поставленные задачи:

- Повышена устойчивость к нагрузкам и срок службы подшипника за счет исключения трения и дублирования магнитных и электростатических сил, действующих на ротор.

- Снижен шум и повышена устойчивость к загрязнениям за счет замкнутой корпусной формы статора.

Предлагаемое изобретение поясняется последующим подробным описанием подшипника и его работы со ссылкой на фиг.1, где изображен разрез подшипника сферической формы.

Конструктивно подшипник состоит из следующих основных элементов. На валу 1 подшипника размещен статор 2. Между валом 1 и статором 2 с зазором установлена втулка 3. Втулка 3 выполнена из фрикционного материала, например фторопласта. Ротор 4 жестко закреплен на валу 1 и размещен внутри статора 2 соосно с образованием рабочего зазора 5. Фторопластовая втулка 3, внешней ее стороной, жестко соединена со статором 2 подшипника. Внутренний диаметр фторопластовой втулки 3 имеет больший размер по отношению к диаметру вала, образуя, таким образом, зазор между их поверхностями. Ротор 4 и статор 2 представляют собой постоянные магниты, выполненные в виде корпусных тел вращения и покрытых электретной пленкой одноименных зарядов. Вал 1 подшипника выполнен из немагнитного материала.

Ротор 4 может свободно вращаться в статоре 2, т.к. находится в подвешенном состоянии «левитации» под действием магнитных и электростатических сил отталкивания и, следовательно, прямой нагрузки на фторопластовую втулку 3 нет, а между ней и валом 1 подшипника сохраняется рабочий зазор. Зазор 5 между рабочими поверхностями ротора 4 и статора 2 имеет плавную закругленную форму без резких углов, в противном случае возможна концентрация напряженностей магнитного или электростатического полей. Величина зазора 5 является постоянной, которая поддерживается за счет двух сил: магнитного отталкивания и действующей одновременно с ней силы кулоновского отталкивания одноименных электрических зарядов, которые располагаются на внутренней поверхности статора 2 и внешней поверхности ротора 4 подшипника. Существует множество вариантов нанесения электрических зарядов на рабочие поверхности. Это может быть нанесение напылением, посредством трибоэлектрического эффекта или с помощью нанесения полимерных пленок - моноэлектретов и другие. Моноэлектрет представляет собой полимерную пленку с «вмороженным» электрическим зарядом. Электрический заряд необходимой плотности «вморожен» в нее, то есть сохраняется сколь угодно долго, и силы электрического отталкивания в таком подшипнике при тех же габаритах и массах носителей зарядов больше сил магнитного отталкивания в магнитном подшипнике.

Устройство работает следующим образом.

При возникновении радиальной или осевой нагрузки на вал 1 уменьшается рабочий зазор 5 между поверхностями статора 2 и ротора 4. Вследствие этого нелинейно и практически мгновенно возрастают силы отталкивания одноименных электростатических зарядов и отталкивания однополярных магнитных поверхностей. В результате автоматически компенсируется статическая и динамическая нагрузка. В случае возникновения нагрузок или биений на валу 1, превышающих суммарное компенсирующее действие кулоновских и магнитных сил, нагрузка ложится на фторопластовые втулки 3, предохраняя подшипник от повреждений.

Таким образом, бесконтактный магнитный электростатический подшипник обеспечивает высокую устойчивость к осевым и радиальным нагрузкам, благодаря дублированию возвращающих сил и фторопластовым втулкам, имеет высокий срок службы и работает бесшумно в силу отсутствия механического контакта поверхностей. Кроме этого, корпусное исполнение статора предохраняет подшипник от загрязнений и также способствует снижению шумовых характеристик. Сочетание указанных качеств позволяет говорить о применимости описанного подшипника в высокоточном приборостроении, авиации и других областях, предъявляющих высокие требования к перечисленным характеристикам подшипниковых узлов.

1. Бесконтактный электростатический магнитный подшипник, содержащий втулки, вал и выполненные в виде магнитов с постоянной осевой намагниченностью ротор и полый статор, причем ротор расположен концентрично внутри статора с равномерным воздушным зазором по наружной поверхности ротора и их одноименные магнитные полюса направлены друг к другу, отличающийся тем, что статор и ротор выполнены в форме корпусных тел вращения, на противоположных стенках статора по оси вращения установлены две втулки, в которых расположен вал ротора с зазором, причем внутренняя поверхность статора и обращенная к ней внешняя поверхность ротора выполнены электрически заряженными с равномерно распределенным по поверхности электростатическим зарядом одинакового знака.

2. Бесконтактный электростатический магнитный подшипник по п.1, отличающийся тем, что втулки выполнены из фторопласта.

3. Бесконтактный электростатический магнитный подшипник по п.1 или 2, отличающийся тем, что электростатический заряд равномерно распределен по поверхности статора и ротора путем нанесения покрытия в виде электретной пленки.