ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С АКСИАЛЬНЫМ ПРУЖИННЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
ELECTRIC MACHINE WITH AXIAL SPRING-CONTROLLED ELEMENT

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к электрической машине с аксиальным пружинным элементом, а также к аксиальному пружинному элементу согласно ограничительным частям соответствующих независимых пунктов формулы изобретения.
В JP 2000308305 А (ASMO CO LTD), 02.12.2000, описан электродвигатель, ротор которого смонтирован в установленном в корпусе шарикоподшипнике. Между шарикоподшипником и ротором на его валу расположено подкладное кольцо, через которое ротор опирается в осевом направлении на шарикоподшипник. При этом такое подкладное кольцо имеет кольцевую часть со сформованными на ней радиально выступающими пружинными элементами, которые упруго опираются на сердечник ротора. При таком исполнении подкладное кольцо требуется устанавливать на отдельной технологической стадии, что из-за необходимости перемещения подкладного кольца по валу ротора может создать проблемы вследствие перекоса подкладного кольца.
Преимущества изобретения
Преимущество предлагаемой в изобретении электрической машины и предлагаемого в изобретении аксиального пружинного элемента, отличительные признаки которых представлены в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения, состоит в том, что выполнение аксиального пружинного элемента с наружным кольцом, которое упруго соединено с внутренним кольцом пружинного элемента, обеспечивает возможность надежного крепления пружинного элемента к роторной детали. Благодаря этому пружинный элемент можно вместе с роторной деталью за одну сборочную операцию устанавливать на вал ротора. Поскольку пружинный элемент уже при его установке остается надежно соединенным с роторной деталью, между внутренним кольцом и валом ротора можно соответственно оставлять большой зазор, благодаря которому исключается возможность перекоса зажимного кольца при его установке на вал ротора. В отличие от пружинного элемента с радиально выступающими концами наличие наружного кольца у предлагаемого в изобретении аксиального пружинного элемента исключает взаимное сцепление пружинных элементов при их транспортировке.
Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Так, в частности, предусмотренное одним из таких вариантов упругое соединение между собой внутреннего и наружных колец пружинного элемента позволяет, с одной стороны, неподвижно закреплять пружинный элемент его наружным кольцом на роторной детали, а с другой стороны, обеспечить наличие аксиально пружинящей кольцевой упорной поверхности для упора в подшипник.
Закрепление пружинного элемента на роторной детали позволяет выполнять внутреннее кольцо пружинного элемента очень узким в радиальном направлении, благодаря чему оно опирается с обращенной к подшипнику стороны только на его соединенное с валом якоря внутреннее кольцо. Тем самым исключается трение между внутренним и наружным кольцами подшипника через его уплотнительную шайбу, и в результате повышается коэффициент полезного действия электрической машины.
Пружинящие перемычки, соединяющие между собой внутреннее и наружное кольца пружинного элемента, наиболее предпочтительно выполнять спиралевидной формы, при которой при воздействии осевой нагрузки на пружинный элемент его наружный диаметр не увеличивается. Осевое же пружинение пружинного элемента обеспечивается за счет поворота его наружного кольца относительно его же внутреннего кольца, благодаря чему для размещения пружинного элемента требуется меньшее монтажное пространство.
Выполнение внутреннего кольца пружинного элемента с внутренним диаметром, превышающим наружный диаметр вала ротора на величину, при которой между внутренним кольцом пружинного элемента и валом ротора обеспечивается посадка с зазором, позволяет существенно упростить установку пружинного элемента на вал ротора путем осевого перемещения пружинного элемента, а также выборку осевого люфта пружинного элемента, поскольку в этом случае исключается перекашивание пружинного элемента на валу ротора. Наличие подобного радиального зазора между валом якоря и внутренним кольцом пружинного элемента вполне можно допустить, поскольку функцию радиальной направляющей для пружинного элемента выполняет не вал ротора, а роторная деталь.
Выполнение наружного кольца пружинного элемента с круговой, прежде всего замкнутой по периметру, наружной стенкой позволяет запрессовывать ее в соответствующую выемку в роторной детали для неподвижной фиксации на ней пружинного элемента. Подобная круговая радиальная наружная стенка предотвращает также сцепление пружинных элементов друг с другом при их транспортировке.
Наличие у пружинного элемента наружного кольца, прежде всего с круговой наружной стенкой, предоставляет также иные технологически оптимальные возможности крепления пружинного элемента к роторной детали, Так, в частности, наружное кольцо может, например, входить в поднутрение или фиксироваться стопорным элементом, предусмотренным на роторной детали. Равным образом наружное кольцо пружинного элемента можно соединять с роторной деталью байонетным соединением или же можно крепить к роторной детали путем пластической деформации ее материала. В результате для крепления пружинного элемента не требуется отдельная сборочная операция.
Наружное кольцо пружинного элемента наиболее предпочтительно крепить непосредственно к торцу устанавливаемого простым путем на вал ротора и образующего сердечник якоря пакета из листов электротехнической стали. В этом случае вал ротора монтируют в подшипнике качения, устанавливаемом в полюсном колпаке электродвигателя.
Для компенсации различий в величинах теплового расширения материалов, из которых изготовлены различные детали электрической машины, подшипник качения, к которому прилегает аксиальный пружинный элемент, выполнен плавающим. При этом, например, неподвижно установленное на валу ротора внутреннее кольцо шарикоподшипника имеет возможность осевого перемещения в определенных пределах относительно его наружного кольца. Установка одного конца вала ротора в подобном плавающем подшипнике позволяет монтировать вал ротора в другом месте корпуса в изготавливаемом простым путем неподвижном подшипнике без предъявления тем самым слишком жестких требований к монтажу вала якоря на опоры.
Предлагаемый в изобретении аксиальный пружинный элемент может использоваться в электрических машинах с любым выполнением подшипникового узла крепления вала с установленной на нем без возможности вращения деталью в соответствующем посадочном гнезде под подшипник. Поскольку формоустойчивое наружное кольцо пружинного элемента можно относительно просто зафиксировать на деталях вала по меньшей мере от осевого перемещения, упруго соединенное с этим наружным кольцом внутреннее кольцо пружинного элемента образует опорную поверхность для упора во внутреннее кольцо подшипника. Благодаря этому внутреннее кольцо подшипника, прежде всего шарикоподшипника, выполненного в виде плавающего подшипника с зазором в подвижной посадке внутреннего кольца на валу ротора, можно подпружинить в осевом направлении и таким путем минимизировать шум и износ. Преимущество, связанное с выполнением соединяющих между собой наружное и внутренне кольца пружинного элемента пружинящих перемычек спиралевидной формы, состоит в сохранении постоянства наружного диаметра пружинного элемента.
Описание чертежей
Ниже предлагаемое в изобретении устройство более подробно рассмотрено на примере различных вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - фрагмент изображенной в разрезе электрической машины,
на фиг.2 - предлагаемый в изобретении аксиальный пружинный элемент, используемый в электрической машине, показанной на фиг.1, и
на фиг.3 и 4 - другие варианты выполнения электрической машины, показанной на фиг.1.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 показана электрическая машина 10, вал 12 ротора 13 которой смонтирован в подшипнике, установленном в выполненной в виде полюсного колпака 14 корпусной детали 16. В корпусной детали 16 выполнено посадочное гнездо 18 под установленный в нем подшипник 22 качения, представляющий собой шарикоподшипник 20. Подшипник 22 качения имеет наружное кольцо 24, которое своей радиальной наружной поверхностью прилегает к стенке посадочного гнезда 18. Внутренне кольцо 28 опирается на тела 26 качения, которые закрыты уплотнительными шайбами 30, и может вращаться благодаря им относительно наружного кольца 24. Вал 12 ротора установлен во внутреннем кольце 28 подшипника 22 качения, который выполнен в виде плавающего подшипника, допускающего незначительное осевое перемещение вала 12 ротора относительно корпусной детали 16. Для осевой фиксации вала 12 ротора относительно подшипника 22 качения на роторе 13 установлен аксиальный пружинный элемент 32, который с одной стороны опирается на внутреннее кольцо 28 подшипника 22 качения, а с другой стороны опирается на роторную деталь 34, установленную на валу 12 ротора без возможности вращения относительно этого вала. Роторная деталь 34 выполнена, например, в виде образующего сердечник якоря пакета 34 из соответствующих листов электротехнической стали с пазами для укладки электрических обмоток 35 и имеет на своем торце 36 кольцевую выемку 38, в которой аксиальный пружинный элемент 32 зафиксирован по меньшей мере от осевого перемещения. Пружинный элемент 32 имеет внутреннее 40 и наружное 42 кольца, которые соединены между собой спиралевидными, аксиально пружинящими перемычками 44. В рассматриваемом примере наружное кольцо 42 пружинного элемента имеет круговую наружную стенку 46, которая со стенкой кольцевой выемки 38 роторной детали 34 образует радиальную посадку 45 с натягом. В данном случае пружинный элемент 32 представляет собой штампованную деталь, изготовленную из пружинной стали гибкой в штампе, и имеет в зоне круговой стенки 46 в качестве элемента 48 жесткости отбортовку 50 или отогнутую кромку 50. Внутренний диаметр 52 внутреннего кольца 40 пружинного элемента 32 больше диаметра 54 вала 12 ротора. Помимо этого на внутреннем кольце 40 выполнена осевая опорная поверхность 56 для упора в подшипник 22 качения с таким наружным диаметром 58, при котором она прилегает только к внутреннему кольцу 28 подшипника 22 качения. При этом осевая опорная поверхность 56 во избежание потерь на трение между вращающимся ротором 13 и неподвижным относительно него наружным кольцом 24 подшипника 22 качения не касается его уплотнительной шайбы 30 или его наружного кольца 24.
Для сборки электрической машины 10 аксиальный пружинный элемент 32 фиксируют по меньшей мере от осевого перемещения на предварительно смонтированном роторе 13. Для этого, например, наружное кольцо 42 пружинного элемента запрессовывают в выемку 38 роторной детали 34, соединенной с валом 12 ротора, без возможности вращения на этом валу. Тем самым пружинный элемент 32 даже в том случае, когда диаметр 52 его внутреннего кольца 40 превышает наружный диаметр 54 вала 12 ротора, оказывается надежно зафиксирован на роторе 13, который благодаря этому можно вставить в предварительно смонтированный в корпусной детали 16 подшипник 22 качения даже "на ощупь", путем так называемого "монтажа вслепую". Варьируя осевое монтажное усилие 59, можно отрегулировать степень предварительного осевого сжатия пружинного элемента 32. В этом случае при тепловом расширении, возникающем в процессе работы электрической машины, якорь 13 может при сохранении осевой упругости или осевого зажимного усилия смещаться относительно корпусной детали 16 без перекашивания пружинного элемента 32 на валу 12 ротора 13. Равным образом при предварительном осевом сжатии пружинного элемента исключается и потеря мощности из-за трения.
На фиг.2 отдельно показан аксиальный пружинный элемент 32, используемый в электрической машине 10, изображенной на фиг.1, перед его установкой в нее. У такого пружинного элемента его наружное 42 и внутреннее 40 кольца расположены соосно друг другу, а внутренний диаметр 52 больше наружного диаметра 54 вала 12 ротора. Спиралевидные перемычки 44 расположены таким образом, что при воздействии осевого усилия 59 радиальные размеры пружинного элемента 32 (внутренний диаметр 52, наружный диаметр 47 круговой стенки 46) изменяются лишь незначительно. Осевое же пружинение обеспечивается за счет поворота внутреннего кольца 40 пружинного элемента относительно его наружного кольца 42. В рассматриваемом примере штампованный пружинный элемент имеет три спиралевидные распорки или перемычки 44, количество и форму которых, однако, можно варьировать в зависимости от типа электрической машины. Осевая опорная поверхность 56 на внутреннем кольце 40 образована небольшим осевым уступом 50, который одновременно образует элемент 48 жесткости, усиливающий внутреннее кольцо 40. Элементы 48 жесткости, которые могут быть выполнены также в виде, например, отбортовки 50, отогнутой кромки 50 или осевого уступа 50, препятствуют радиальной деформации пружинного элемента 32.
На фиг.3 показан выполненный по другому варианту аксиальный пружинный элемент 32, который соединен с роторной деталью 34 с помощью поднутрения 66. Роторная деталь 34 выполнена при этом в виде пакета из листов электротехнической стали, в некоторых слоях 62 которых для образования выемки 38 выполнена кольцевая выемка 38 большего диаметра, чем диаметр кольцевой выемки в самом верхнем слое 64 листов электротехнической стали на торце 36 роторной детали 34. Благодаря этому образуется поднутрение 66, в которое можно вдвинуть пружинный элемент 32. Таким путем обеспечивается возможность осевой и радиальной фиксации пружинного элемента 32 на роторной детали 34 с его осевым самостопорением. В этом варианте пружинный элемент 32 имеет небольшой радиальный и осевой люфт относительно роторной детали 34, который, однако, не оказывает никакого отрицательного влияния на выполняемую аксиальным пружинным элементом 32 функцию.
В еще одном варианте, показанном на фиг.4, на роторной детали 34 предусмотрены стопорные элементы 70, например, из пластмассы, которые после заведения за них наружного кольца 42 аксиального пружинного элемента 32 защелкиваются на нем. В этом варианте также обеспечивается надежная осевая фиксация пружинного элемента 32 на якоре 13 с возможностью упора внутреннего кольца 40 во внутреннее кольцо 28 подшипника 22 качения без трения о вал 12 ротора.
Необходимо отметить, что представленные на чертежах и рассмотренные в описании вариантов осуществления изобретения отдельные его признаки можно комбинировать между собой в любых допустимых сочетаниях. Так, например, можно любым образом варьировать конкретное конструктивное исполнение корпусной детали 16, подшипника 22 качения или роторной детали 34. Равным образом и конструктивное исполнение аксиального пружинного элемента 32 можно варьировать в зависимости от необходимого усилия его предварительного осевого сжатия и от размеров роторной детали 34, а также подшипника 22 качения. Для осевой фиксации пружинного элемента 32 на роторной детали 34 вместо посадки 45 с натягом, поднутрения 66 или стопорного защелкивающегося соединения 70 можно также использовать байонетное соединение, соединение путем пластической деформации материала или соединительные средства аналогичного действия. Предлагаемая в изобретении электрическая машина 10 с предлагаемым в изобретении пружинным элементом 32 может использоваться прежде всего для приведения в действие функциональных элементов в автомобиле, например может использоваться в качестве серводвигателя для приведения в движение подвижных деталей либо в качестве двигателя вентиляторов или насосов, используемых, например, в антиблокировочной системе тормозной системы автомобиля.