Подшипниковый узел (его варианты)

 

Изобретение относится к машиностроению , а именно к бесконтактным электромагнитным опорам. Цель изобретения повышение срока службы и снижение затрат на изготовление. Поставленная цель достигается тем, что в упорном ферромагнитном кольце выполнены аксиально-радиальные каналы для подвода охлаждающего вещества. На наружной цилиндрической поверхности упорного кольца могут быть закреплены осевые лопатки, обеспечивающие движение охлаждающего вещества в осевом направлении. Во всех случаях вращающееся упорное кольцо магнитного подшипника функционирует как крыльчатка вентилятора и обеспечивает эффективное охлаждение как самого кольца, так и электромагнитов , взаимодействующих с ним, а также циркуляцию охлаждающего вещества во всем устройстве, например, электроприводе . 9. з. п. ф-лы 8 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (яis F 16 С 32/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ воде. 9. з. и, ф-лы. 8 ил. (21) 4356829/27 (22) 17.11.88 (31) Р 3740295.1 (32) 27.11.87 (33) DE (46) 15.05.92, Бюл. ¹ 18 (71) Асеа Браун Бовери АГ (ДЕ) (72) Дитер Гласс, Вильфрид Айксельбергер и Петер Бюрер (ДЕ) (53) 621.392,2(088,8) (56) Патент С ША ¹ 4180296, кл. F 16 С 39/00.

1979, (54) ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ (ЕГО ВАРИАНТЫ) (57) Изобретение относится к машиногтроению, а именно к бесконтактным электромагнитным опорам, Цель изобретения—

Изобретение относится к машиностроению, а именно к бесконтактным электромагнитным опорам, предназначенным для подвешивания вращающихся тел.

Цель изобретения — повышение срока службы и снижения затрат на изготовление.

На фиг. 1 показана половина магнитного подшипника, поперечное сечение: на фиг. 2 — разрез А — А на фиг. 1; на фиг. 3— вариант выполнения каналов в виде сверленых отверстий; на фиг. 4 — половина магнитного подшипника с лопатками, поперечное сечение; на фиг. 5 — становкз подшипника в корпусе электропривода; на фиг. 6 — частичный разрез Б — Б нз фиг. 5; на фиг. 7 — узел

1 на фиг, 5; на фиг, 8 — разрез  — В на фиг. 7.

Подшипниковый узел содержит электромагниты 1 и 2, р;:мещенные по обе стороны упорного фероомпгнитного кольца 3.

Кольцо 3 снабжено несколькими проходящими в основном в оадиальном направле„„5U„„1734579 АЗ повышение срока службы и снижение затрат на изготовление. Поставленная цель достигается тем, что в упорном ферромагнитном кольце выполнены аксиально-радиальные каналы для подвода охлаждающего. вещества. На наружной цилиндрической поверхности упорного кольца могут быть закреплены осевые лопатки, обеспечивающие движение охлаждающего вещества в осевом направлении. Во всех случаях вращающееся упорное кольцо магнитного подшипника функционирует как крыльчатка вентилятора и обеспечивает эффективное охлаждение как самого кольца, так и электромагнитов. взаимодействующих с ним, а также циркуляцию охлаждающего вещества во всем устройстве, например, электропринии каналами 4. Эти каналы равномерно распределены и проходят от участка закре-пительной втулки 5 до внешнего цилиндрического края 6 упорного кольца 3 и заканчиваются вь.ходным отверстием:7. Таким образом, поток газообразного охлаждающего средства может направляться от участка закрепительной втулки 5 к внешнему краю 6 упорного кольца 3. Каналы 4 проходят внутри упорного кольца 3 и делят его на основное кольцо 8 и дополнительное защитное кольцо 9, причем на защитном кольце 9 предусмстрена левая упорная поверхность 10, а на основном кольце 8— правая упорная поверхность 11. Кольцо 3 установлено на валу 12.

На фиг. 2 показан ход каналов 4 внутри упорного кольца 3 Каналы 4 в периферийном направлении ограничены радиальными лопатками 13, которые в направлении 14 вращения упорного кольца 3 изогнуты на1734579 зад. В направлении оси вала 12 каналы 4 ограничены основным 8 и защитным 9 кольцами. Каналы 4 сужаются в осевом направлении от участка закрепительной втулки 5 к внешнему краю 6. Выходное отверстие 7 каналов 4 находится в центре между обеими упорными поверхностями 10 и 11.

Основное 8 и защитное 9 кольца, а также соединяющие оба кольца 8 и 9 радиальные лопатки 13 целесообразно выполнять цельными, т.е, литьем. У небольших подшипников, более целесообразным является выполнять основное 8 и защитное 9 кольца, а также радиальные лопатки 13 как отдельные детали и соединять их в упорное кольцо посредством пайки. сварки или клепки.

На фиг. 3 каналы 15 имеют соответственно части 16 и 17. Часть 16 состоит из ряда проходящих радиально отверстий. расположенных вертикально относительно оси вала 12 и равномерно распределенных по периметру. Отверстия первой части 16 начинаются от цилиндрического внешнего края 6 упорного кольца 3 и заканчиваются на участке закрепительной втулки 5. На участке закрепительной втулки 5 предусмотрены отверстия, проходящие от левой по чертежу стороны упорного кольца 3 в направлении оси вала 12. Эти отверстия образуют соответственно вторую часть канала

15, поэтому каждое из этих осевых отверстий проходит до радиального отверстия, образующего первую часть 16 канала 15.

На фиг. 4 показан упорный магнитный подшипник, осуществляющими подачу охлаждающего вещества в осевом направлении осевыми лопатками 18. Осевые лопатки

18 установлены на цилиндрическом внешнем крае 19 упорного кольца 3, которое при этом не имеет каналов. На внешнем крае 19 предусмотрена приходящая по окружности кольцевая канавка 20. в которой закреплены основания 21 осевых лопаток с помощью винтов или заклепок 22, По периметру упорного кольца равномерно распределен ряд осевых лопаток 18, которые образуют лопаточный венец, На фиг, 5 показан электропривод с проходящим вертикально валом 23 двигателя, Привод 24 снабжен упорным магнитным подшипником, но магнитный подшипник имеет два электромагнита, которые воздействуют на одну упорную поверхность.

Электродвигатель 24 имеет закрытый корпус, закрепленный с помощью фланца

25 на стенке 26 кон трукционного узла, в частности воздуходувки или компрессора. посредством винтов 27. Вал 23 двигателя направлен при этом через отверстие 28 в

55 конструкционный узел и на нем установлены лопатки воздуходувки или компрессора.

На участке фланца 25 на корпусе двигателя предусмотрен первый подшипниковый щит 29, который выполнен в виде диска и проходит приблизительно перпендикулярно относительно вертикальной оси 30 вала двигателя. В центре первого подшипникового щита 29 закреплены два шарикоподшипника 31, которые стабилизируют вал 23 двигателя в радиальном направлении. При этом между шарикоподшипниками 31 и подLUMflHMKoBblM щитом имеется посадка скольжения, поэтому вал двигателя может беспрепятственно перемещаться в осевом направлении (направление вертикальной оси 30). Для уплотнения внутреннего пространства 32 электродвигателя на участке шарикоподшипников 31 установлены уплотнения, На противоположном первому подшипниковому щиту нижнем по чертежу конце электродвигателя 24 установлен второй подшипниковый щит 33 в виде диска, также проходящий приблизительно перпендикулярно относительно вертикальной оси 30, На центр этого второго подшипникового щита 33 в радиальном направлении опирается нижний конец вала двигателя с помощью закрепленного на нем шарикоподшипника 34. Посредством соответствующего выполнения посадки подшипника вал двигателя может слегка перемещаться в осевом направлении. Участок шарикоподшипника 34 закрыт относительно окружающего пространства с помощью наружной крышки 35 подшипника.

Второй подшипниковый щит 33 установлен на приблизительно кольцевом цилиндрическом корпусе 36 подшипника, который является составной частью корпуса электродвигателя, Для этого корпус подшипника закреплен с помощью кольцевого фланца 37 посредством винтов на кольцевой цилиндрической части 38 корпуса электродвигателя, в которой с помощью двух кольцевых дисков 39 закреплен пакет 40 сердечника статора электродвигателя вместе с электрообмоткой, Диски 39 зафиксированы перпендикулярно относительно вертикальной оси 30 в части 38 корпуса и между ними расположен пакет сердечника статора. Между пакетом 40 сердечника статора и частью 38 корпуса образована кольцевая полость 41, соединенная посредством ряда отверстий 42, расположенных в дисках 39, с внутренним пространством 32 электродвигателя. Внутри пакета 40 сердечника статора установлен ротор 43 электродвигателя на валу 23.

1734579

20

40

50

В корпусе 36 подшипника с зазором относительно второго подшипникового щита 33 установлено проходящее приблизительно перпендикулярно относительно вертикальной оси 30 первое круговое опорное кольцо 44, окружающее вал 23 двигателя с достаточным зазором. С осевым зазором относительно первого опорного кольца 44 в корпусе 36 подшипника предусмотрено еще второе опорное кольцо 45, выполненное и установленное аналогично первому опорному кольцу 44. На обращенных друг к другу поверхностях опорных колец 44 и 45. расположенных перпендикулярно на вертикальной оси 30, закреплено по электромагниту 1 и 2 упорного магнитного подшипника. Каждый из электромагнитов имеет электрическую катушку, В кольцевом промежуточном пространстве между электромагнитами 1 и 2 размещено упорное кольцо 3 магнитного подшипника.

Упорное кольцо 3 закреплено на валу 23 электродвигателя и выполнено так же. как на фиг. 1.

На фиг, 6 цилиндрический внешний край 6 упорного кольца 3. а следовательно. и участок, на котором находятся выходные отверстия 7 радиальных каналов 4, проходит с небольшим зазооом относительно кольцевой внутренней стенки 46 корпуса 36 подшипника, Радиальные лопатки 47 изогнуты назад относительно направления 14 вращения, В кольцевой цилиндрической стенке 48 корпуса 36 подшипника напротив выходных отверстий 49 каналов 50 предусмотрена кольцевая проточка 51, осевая ширина которой, предпочтительно остающаяся постоянной, равна осевой ширине выходных отверстий 49, При этом положение кольцевой проточки 51 выбирается так, что выходные отверстия 49 и кольцевая проточкая 51 во время работы расположены соосно и выходящее из каналов 52 охлаждающее средство легко попадает в кольцевую проточку 51.

На радиальном наружном участке кольцевой проточки 51 равномерно распределен ряд изогнутых вперед неподвижных направляющих лопаток 53, перекрывающих кольцевое отверстие в радиальном направлении и обеспечивающих целостность корпуса 36. На радиальном внутреннем участке

54 кольцевой проточки направляющие лопатки не предусмотрены. Радиальная длина участков 50 и 54 приблизительно одинакова.

Чтобы обеспечить достаточную длину кольцевой проточки 51 в радиальном направлении, корпус 36 подшипника снабжен снаружи кольцевыми фланцем 55, в который продолжена кольцевая проточка 51.

Вокруг части 38 корпуса снаружи установлена обмотка из охлаждающих труб 56, п ри этом охлаждающие трубы снабжен ы н аружными радиальными ребрами 57. На фиг.

5 показаны только несколько витков охлаждающих труб, Концы охлаждающей трубы подключены к соединительным линиям 58.

Между концом обмотки из охлаждающих труб и фланцем 25 в кольцевой цилиндрической части 38 корпуса по периметру равномерно распределен ряд радиальных отверстий 59, предпочтительно сверленых, направленных снаружи во внутреннее пространство 32 электродвигателя 24. Обмотка из охлаждающих труб окружена кольцевой цилиндрической рубашкой 60, плотно прилегающей к ребрам 57. Ближний к корпусу

36 подшипника конец рубашки 60 является открытым и образует кольцевое входное отверстие 61 для охлаждающего средства.

Противоположный конец рубашки 60 плотно соединен с частью 38 корпуса таким образом, что отверстия 59 находятся внутри рубашки и выходят в образуемую между рубашкой 60 и частью 38 корпуса кольцевую полость 62.

Злектродвигатель 24 не находится в контакте с окружающим воздухом, он установлен в герметичной полости или окружен с зазором герметичным корпусом 63, Соединительные линии 58 проходят через корпус

63 наружу.

На фиг. 7 представлен узел I как отдельная деталь и как вариант выполнения. Упорное кольцо 3 выполнено так же, как на фиг.

4. Упорное кольцо имеет венец из осевых лопаток 18, заканчивающийся с небольшим зазором перед цилиндрической внутренней стенкой корпуса 38, продолженного в этом случае с тем же диаметром до второго подшипникового щита 33, который закреплен на части 38 корпуса, Во втором подшипниковом щите 33 предусмотрен еще один ряд равномернб распределенных по периметру отверстий 64, через которые газообразное охлаждающее средство может выходить из внутреннего пространства 32 электродвигателя. Зазор между осевыми лопатками 18 и цилиндрической внутренней стенкой корпуса 38 составляет 1 — 3 мм.

Верхнее опорное кольцо 45, а также нижнее опорное кольцо 44, на которых расположены электромагниты упорного магнитного подшипника, на участке осевых лопаток снабжены рядом равномерно распределенных по периметру проходных отверстий 65 или 66.

Через проходные отверстия 65 охлаждающее средство во время работы двигателя поступает из внутреннего пространства

1734579

32 электродвигателя к осевым лопаткам 18 и от них через расположенные в нижнем опорном кольце проходные отверстия 66 и отверстие 64 выводится наружу.

Чтобы свести к минимуму потери потока 5 газообразного охлаждающего средства, проходные отверстия 65 и 66 снабжены направляющими лопатками 67 или 68, проходящими в осевом направлении до участка осевых лопаток 18, Направляющие лопатки 10 объединены в лопаточный венец.

На фиг, 8 показаны неподвижные направляющие лопатки 67 и 68, между которыми установлены вращающиеся осевые лопатки 18. Осевые лопатки 18 и направля- 15 ющие лопатки 67 и 68 соответственно равномерно распределены по периметру, Упорный магнитный подшипник работает следующим образом, Во время работы электрический ток 20 проходит через катушки электромагнитов 1 и 2. Вследствие этого на упорные IloBepxHQсти 10 и 11 воздействуют магнитные силы. которые удерживают упорное кольцо 3 в подвешенном состоянии, поэтому магнит- 25 ный подшипник может воспринимать осевые усилия вала без контакта упорных поверхностей 10 и 11 с электромагнитами 1 и 2 во время вращения упорного кольца 3.

Тепло, выделяемое электромагнитами 1 30 и 2, излучением и конвекцией переносится на упорные поверхности 10 и 11, поэтому нагревается и упорное кольцо подшипника

3. Дополнительно кольцо 3 подшипника нагревается вихревыми токами и аэродинами- 35 ческим трением. При вращении вала газообразное охлаждающее вещество вса-, сывается в каналы 4 и направляется к внешнему краю 6 кольца 3, где оно выходит из отверстий 7. 40

При этом осуществляется охлаждение упорного кольца 3, Осевые лопатки 18 при вращении упорного кольца обеспечивают движение охлаждающего средства осевом направлении 45 (параллельно оси вала 12). Охлаждающее средство подается к обоим электромагнитам 1 и 2 (фиг, 7). Тепло от электромагнитов

1 и 2 отводится посредством лопаток 67 и

68, а оси упорного кольца 3 — посредством 50 лопаток 18, Во время работы электродвигателя 24 шарикоподшипники 31 и 34 осуществляют радиальное центрирование вертикального вала 23 двигателя, в то время как упорное 55 кольцо 3 во взаимодействии с электромагнитами 1 и 2, по которым течет электрический ток, выполняют функцию осевого упора вала двигателя. Осевой упор воспринимает при этом осевые усилия, воздействующие в направлении вертикальной оси 30 на вал 23 двигателя, Эти усилия складываются из собственного веса вращающихся деталей и осевых усилий, вызываемых соединенной с валом 23 двигателя машиной.

Одновременно упорное кольцо 3 с помощью предусмотренных в нем каналов 4 отсасывает газообразное охлаждающее вещество, предпочтительно, воздух, азот или гелий, находящееся во внутреннем пространстве, иэ внутреннего пространства 32 электродвигателя и подает его через. кольцевое отверстие 51 в полость между электродвигателем 24 и корпусом 63. Отсюда охлаждающее вещество протекает через кольцевую полость 62 между рубашкой 60 и частью 38 корпуса к отверстиям 59 и поступает во внутреннее пространство 32 электродвигателя, Во время протекания в кольцевой полости 62 газообразное охлаждающее вещество находится в контакте с охлаждающими трубами 56 и их ребрами 57 и отдает тепло текущей по охлаждающим трубам охлаждающей воде или хладагенту, Подача и отвод охлаждающей воды или хладагента через подсоединительные линии 58 происходит при этом таким образом, что теплообмен происходит в противотоке.

Газообразное охлаждающее вещество во время своего протекания от отверстий 59 к упорному кольцу 3 воспринимает потери тепла электродвигателя, а при прохождении через каналы 52 упорного кольца дополнительно воспринимаются потери тепла магнитного подшипника, Эти потери тепла отдаются затем с помощью охлаждающих труб 56 охлаждающей воде или хладагенту и после этого отводятся из системы.

Если электродвигатель 24 непосредственно подвергается воздействию окружающего воздуха, т,е. корпус 63 отсутствует, то целесообразно исключить охлаждающий змеевик 56 и рубашку 60. Из кольцевого отверстия 51 нагретое охлаждающее вещество, которое в этом случае состоит из воздуха, выходит в окружающее пространство, а из окружающего пространства во внутреннее пространство 32 поступает через отверстия 59 воздух и воспринимает потери тепла электродвигателю и магнитного подшипника и отводит их в окружающее пространство, Осевая толщина упорного кольца на участке упорных поверхностей 10 и 11 составляет приблизительно 0,5-1,0 диаметра вала, на котором закреплено упорное кольцо. Осевая ширина радиальных каналов составляет на участке внешнего края упорного кольца приблизительно 0,2-0,7 толщины упорного кольца на этом участке, Число ра1734579

10 диальных и направляющих лопаток составляет приблизительно по 8 — 30 шт, Максимальная толщина рабочих и направляющих лопаток составляет приблизительно 0,2-0,4 толщины упорного кольца на участке упор- 5 ных поверхностей. Радиальная длина осевых лопаток составляет приблизительно

0,1 — 0,3 диаметра упорного кольца. Число осевых лопаток выбирается таким образом, чтобы обеспечивалось достаточная подача 10 охлаждающего вещества, число направляющих лопаток должно соответствовать числу осевых лопаток.

При использовании данного упорного магнитного подшипника достигается его 15 эффективное охлаждение с помощью простых средств и одновременно можно охлаждать другие отдающие тепло конструкционные узлы, группы или агрегаты с помощью потока охлаждающего веще- 20 ства, который наг равляется упорным кольцом. Поэтому другие средства подачи газообразного охлаждающего средства не требуются, 25

Формула изобретения

1. Подшипниковый узел, содержащий по крайней мере, один электромагнит, вал с закрепленной на нем центральной закрепительной втулкой, оснащенной упорным фер- 30 ромагнитным кольцом по крайней мере с одной упорной поверхностью для взаимодействия по крайней мере с одним электромагнитом, отличающийся тем. что. с целью повышения срока службы и сниже- 35 ния затрат на изготовление, в упорном кольце выполнены в основном направлении каналы для подачи газообразного охлаждающего вещества, проходящие от закрепительной втулки к периферии упорного 40 кольца.

2. Узел по и. 1, отличающийся тем. что упорное ферромагнитное кольцо состоит из кругового основного и дополнительного кругового защитного колец. 45 ограничивающих каналы в осевом направлении, и радиальных лопаток, размещенных между упомянутыми кольцами и ограничивающих каналы в радиальном направлении. при этом каждое кольцо выполнено с упор- 50 ной поверхностью для электромагнита.

З.Узел по п.2, отл и ч а ю щи и с я тем, что радиальные лопатки изогнуты от центра

55 кольца к его периферии в направлении, обратном направлению вращения, 4. Узел по и. 1, отличающийся тем, что каналы образованы из двух ортогональных участков, выполненных предпочтительно в виде сверленых отверстий, соответственно в аксиальном и радиальном направлениях.

5. Узел по пп. 1 — 4 с приводом, в частности электродвигателем, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что подшипник установлен во внутренней полости привода, в корпусе привода выполнена охватывающая упорное кольцо кольцевая проточка с установленными в ней направляющими лопатками, расположенными в основном радиально.

6. Узел по п. 5, отличающийся тем, что изгиб направляющих лопаток противоположен изгибу радиальных лопаток.

7. Узел, содержащий по крайней мере один электромагнит, центральную закрепительную втулку для вала, оснащенную упорным ферромагнитным кольцом с по крайней мере одной упорной поверхностью для взаимодействия с по крайней мере одним электромагнитом, отличающийся тем, что, с целью повышения срока службы и снижения затрат на изготовление, на упорном кольце установлены рабочие осевые лопатки для подачи газообразного охлаждающего вещества в осевом направлении.

8. Узел по и, 7, о т л и ч-а ю шийся тем, что осевые лопатки выполнены прямыми и закреплены предпочтительно равномерно по внешней цилиндрической поверхности упорного кольца.

9. Узел по пп. 7 и 8, с приводом, в частности электродвигателем, о т л и ч а юшийся тем, что подшипник установлен во внутренней полости привода, осевые лопатки расположены в радиальном направлении с небольшим зазором относительно внутренней охватывающей их поверхности корпуса привода, подшипник оснащен опорными кольцами для установки на них электромагнитов, при этом кольца выполнены с проходными отверстиями для подачи газообразного охлаждающего вещества и установлены перед и за осевыми лопатками по направлению потока охлаждающего вещества.

10. Узел по и. 9, отличающийся тем, что проходные отверстия снабжены направляющими лопатками.

1734579

1734579

1734579 б — б

Т4

1b

b8 бб

Фб

Составитель Ю. Марков

Редактор Л. Пчолинская Техред M.ÌQðãåíòàë Корректор О. Ципле

Заказ 1679 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101