Машина электрическая и способ изготовления ротора к ней

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании и изготовлении электрических машин. Сущность изобретения состоит в том, что в электрической машине, содержащей корпус с расположенными в нем якорем, парой подшипниковых узлов, а также ротором, выполненным в виде полого вала с выходным концом и полостью, в которой расположен постоянный магнит, с валом в области начала его полости сочленен колпачок с хвостовиком. При этом второй из подшипниковых узлов установлен на хвостовике колпачка и размещен в корпусе. Способ изготовления ротора данной электрической машины включает изготовление полого вала с выходным концом, установку постоянного магнита в полость вала, изготовление колпачка с хвостовиком. Наружные диаметры вала, его выходного конца и хвостовика колпачка выполняют с припуском по диаметру, а после сочленения вала и колпачка придают им вращение относительно оси, проходящей через центры торцов хвостовика колпачка и выходного вала, и осуществляют снятие припусков до момента обеспечения номинальных размеров обрабатываемых поверхностей и их соосностей. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении технологичности, снижении момента инерции вращающихся частей и расширении диапазона рабочих скоростей заявленной электрической машины. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и электротехники и может быть использовано, например, в качестве высокоскоростного привода для режущего инструмента в стоматологии, при проведении граверных работ или других местах, где требуется регулируемая скорость вращения ротора (от 1.000 об/мин до 60.000 об/мин).

Известны электрические машины (электродвигатели), содержащие корпус, ротор в виде монолитного вала с магнитной системой на наружной поверхности и статор, подключенный к источнику питания.

Способ изготовления ротора для вышеприведенных машин заключается в выполнении монолитного вала с последующим закреплением на наружной поверхности вала магнитной системы, см. а. с. СССР N 656160, МКИ H 02 K 29/00, 1970 г. и а. с. СССР N 468336, МКИ H 02 K 21/12, 1975 г.

Существенным недостатком приведенных конструкций является их повышенные радиальные габариты, обусловленные монолитностью вала ротора, на наружную поверхность которого устанавливается магнитная система.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является электрическая машина (двигатель вентильный), содержащая корпус, расположенные в корпусе якорь, ротор, выполненный в виде вала с выходным концом и полостью под постоянный магнит, и пару подшипниковых узлов, один из которых установлен на выходном конце вала и размещен в корпусе.

Способ изготовления ротора машины электрической включает изготовление полого вала с выходным концом и установку постоянного магнита в полости вала, см. патент РФ N (27.09.96) RU 2067349 C1, а. з. N 5050666/07 (032248) от 03.07.92 г. , МПК H 02 K 21/12, получено положительное решение о выдаче патента от 28.10.93 г.

Недостатками данного технического решения являются 1) повышенный момент инерции ротора, обусловленный а) большим диаметром и массой вращающегося наружного кольца подшипника, установленного в полости вала; б) увеличенным диаметром и массой ротора в области размещения подшипника в полости вала; 2) пониженная технологичность за счет сложного конструктивного выполнения вала ротора, имеющего сложный многоступенчатый профиль с внутренней резьбой на одной из ступеней его полости; 3) пониженная максимально допустимая скорость вращения ротора, т.к. он изготавливается за две установки (выполнение полости вала с последующим переворачиванием заготовки для проточки его выходного конца), то обязательно будет иметь место элемент несоосности посадочных поверхностей под подшипниковые узлы, что ведет к перекосу подшипников и, как следствие, к быстрому перегреву на высоких оборотах; 4) пониженный КПД электрической машины, обусловленный необходимостью увеличения зазора между наружной поверхностью вала (с магнитной системой) и обмотками якоря за счет несоосности опор под подшипниковые узлы (см. п.3).

С помощью предлагаемого технического решения достигается новый технический результат, заключающийся в уменьшении момента инерции ротора, повышении технологичности изготовления и максимально допустимой скорости вращения, а также в увеличении КПД электродвигателя.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что машина электрическая, содержащая корпус, расположенные в корпусе якорь, ротор, выполненный в виде вала с выходным концом и полостью под постоянный магнит, а также пару подшипниковых узлов, один из которых установлен на выходном конце вала и размещен в корпусе, снабжена колпачком с хвостовиком, при этом колпачок сочленен с валом в области начала его полости, а второй подшипниковый узел установлен на хвостовике колпачка и размещен в корпусе.

В способе изготовления машины электрической, включающем изготовление полого вала с выходным концом и установку постоянного магнита в полости вала, дополнительно изготавливают колпачок с хвостовиком, при этом наружные диаметры вала, его выходного конца и хвостовика колпачка выполняют с припусками по диаметру, а после сочленения вала и колпачка придают им вращение относительно оси, проходящей через центры торцов хвостовика колпачка и выходящего конца вала, и осуществляют при этом снятие вышеуказанных припусков до момента обеспечения номинальных размеров обрабатываемых поверхностей и их соосностей.

На фиг.1 представлена предлагаемая электрическая машина, на фиг.2 - колпачок с выступом в увеличенном масштабе, на фиг.3 и фиг.4 - операции по снятию припусков с наружных диаметров вала, его выходного конца и хвостовика колпачка.

Электрическая машина содержит корпус 1, в котором соосно размещены якорь 2 с обмотками 3, ротор 4 в виде вала 5 из немагнитного материала с выходным концом 6 и полостью 7, в которой установлен радиально намагниченный постоянный магнит 8 цилиндрической формы.

На наружном диаметре вала 5 со стороны начала его полости 7 выполнена резьба, на которую навинчен колпачок 9 (колпачок 9 с валом 5 может быть сочленен также путем склеивания, прессования или любым другим способом). Колпачок 9 поджимает магнит 8 к дну полости 7 (магнит 8 может быть зафиксирован от проворота также посредством клея, прессования и т.п.) и выполнен с хвостовиком 10, установленным в первом подшипниковом узле в виде подшипника качения 11, размещенного в корпусе 1.

Выходной конец 6 вала 5 установлен во втором подшипниковом узле в виде подшипника 12, поджатого в осевом направлении через упругое кольцо 13 втулкой 14 и зафиксированного от осевого смещения с помощью разрезного кольца 15, установленного в корпусе 1.

Работа электрической машины (например, в качестве вентильного двигателя) осуществляется следующим образом. Управляющий сигнал с блока управления (в графических материалах не показан) поступает на обмотки управления 3 якоря 2, чем ротор 4 приводится во вращение. С датчика положения (в графических материалах не показан) ротора 4 на блок управления поступает электрический сигнал, характеризующий его угол поворота. В свою очередь с блока управления подается команда на соответствующую фазу обмотки 3 якоря 2, чем достигается регулировка скорости вращения ротора 4 электрической машины.

Способ изготовления ротора к электрической машине поясняется с помощью графических материалов, изображенных на фиг. 3 и фиг. 4.

Для получения ротора изготавливают вал 5 с выходным концом 6 и осевой полостью 7, а также колпачок 9 с хвостовиком 10 (см. фиг.1). Наружные диаметры вала 5, его выходного конца 6 и хвостовика 10 колпачка 9 выполняют с припусками по наружному диаметру соответственно - 2δ₁, 2δ₂ и 2δ₃ (см. фиг.3, фиг.4), превышающими по своей величине максимально возможные радиальные биения вышеуказанных поверхностей относительно центров торцевых поверхностей изготавливаемого ротора (центры хвостовика колпачка и выходного конца вала) после сочленения колпачка 9 и вала 5 (радиальные биения возникают в результате погрешностей изготовления базовых и посадочных поверхностей деталей). В полость 7 вала 5 устанавливают постоянный магнит 8 (фиг.1) и фиксируют его от проворота, например, с помощью клея. После установки магнита 8 осуществляют сочленение вала 5 и колпачка 9, например, посредством резьбового соединения. После сочленения вала 5 и колпачка 9 полученную заготовку устанавливают в центрах А и Б (фиг.3) и придают ей вращение (ω) с помощью поводка (не фигурах не показан) и осуществляют снятие припусков - 2δ₁ и 2δ₂ до обеспечения номинальных диаметров d₃ и d₂ вала 5 и его выходного конца 6. Затем заготовку переворачивают на 180^o (фиг. 4) и, осуществляя вышеуказанные действия, осуществляют снятие припуска - 2δ₃ до обеспечения номинального диаметра d₃ хвостовика 10 колпачка 9.

После перечисленных операций рабочим поверхностям ротора будет обеспечена очень высокая степень соосности.

Из вышеприведенного следует, что предложенные технические решения имеют преимущества по сравнению с известными, а именно: 1) снижается момент инерции ротора за счет возможности использования подшипников минимальных диаметров (в известной конструкции минимальный диаметр подшипника со стороны начала полости вала регламентирован внутренним диаметром полости), причем вращающимся элементом является внутреннее кольцо, а не наружное, кроме того, вал имеет минимально возможные диаметр и массу (за счет исключения ступеней больших диаметров и уменьшения его длины); 2) повышается технологичность изготовления за счет упрощения конструкции вала ротора (т.к. внутренний диаметр вала имеет цилиндрическую форму, то его получают за один проход); 3) повышается максимально допустимая скорость вращения ротора за счет обеспечения соосности между посадочными поверхностями ротора под подшипниковые узла,
4) повышается КПД за счет обеспечения соосности между опорами ротора и наружной поверхностью вала (зазор между валом с магнитной системой и обмотками якоря может быть уменьшен на величину возможного радиального биения между опорами ротора и наружной поверхностью вала в известной конструкции).

В настоящее время на предприятии по материалам заявки изготовлен опытный образец, который при испытаниях показал высокие эксплуатационные характеристики в диапазоне скоростей от 1000 об/мин до 65000 об/мин.

Формула изобретения

1. Машина электрическая, содержащая корпус, расположенные в корпусе якорь, ротор, выполненный в виде вала с выходным концом и полостью под постоянный магнит, а также пару подшипниковых узлов, один из которых установлен на выходном конце вала и размещен в корпусе, отличающаяся тем, что она снабжена колпачком и хвостовиком, при этом колпачок сочленен с валом в области начала его полости, а второй подшипниковый узел установлен на хвостовике колпачка и размещен в корпусе.

2. Способ изготовления ротора машины электрической, включающий изготовление полого вала с выходным концом и установку постоянного магнита в полости вала, отличающийся тем, что дополнительно изготавливают колпачок с хвостовиком, при этом наружные диаметры вала, его выходного конца и хвостовика колпачка выполняют с припуском по диаметру, а после сочленения вала и колпачка придают им вращение относительно оси, проходящей через центры торцов хвостовика колпачка и выходного конца вала, и осуществляют при этом снятие вышеуказанных припусков до момента обеспечения номинальных размеров обрабатываемых поверхностей и их соосностей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4