СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРА ВНЕШНЕРОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ И РОТОР ВНЕШНЕРОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF MAKING ROTOR OF EXTERNAL ROTARY ENGINE AND ROTOR OF EXTERNAL ROTARY ENGINE

Изобретение относится к способу изготовления ротора внешнероторного двигателя, в соответствии с которым на цилиндрическом кольце размещают постоянные магниты, имеющие форму сегментов кольца, и цилиндрическое кольцо соединяют с нижним элементом, имеющим центральное отверстие для вала двигателя.
Кроме того, изобретение относится к ротору внешнероторного двигателя, содержащему нижний элемент с центральным отверстием для вала двигателя и цилиндрическое кольцо, расположенное концентрически с указанным центральным отверстием и закрепленное на нижнем элементе, причем на внутренней периферической поверхности цилиндрического кольца расположены постоянные магниты, имеющие форму сегментов кольца.
Внешнероторные двигатели применяются, например, в герметически закрытых холодильных компрессорах, устанавливаемых, например, в бытовых холодильниках и системах кондиционирования воздуха. Для того, чтобы как можно меньше ограничивать полезное охлаждаемое пространство, такие компрессоры должны иметь малую высоту. Исходя из этих соображений в качестве двигателей в таких системах предпочтительно использовать внешнероторные двигатели с внешним расположением роторов. Такие двигатели имеют меньшую высоту, чем двигатели с внутренним ротором, при такой же производительности.
Способ изготовления ротора внешнероторного двигателя описан, например, в документе DE 102008017276 А1, в котором предложено использовать кольцевой нижний элемент с центральным отверстием и кольцевой стенкой, проходящей в радиальном направлении. На внутренней стороне кольцевой стенки закрепляют цилиндрическое кольцо. Затем на внутренней поверхности цилиндрического кольца размещают постоянные магниты, имеющие форму сегментов кольца, при этом между соседними постоянными магнитами располагают крепежные элементы. Таким образом, с помощью крепежных элементов и нижнего элемента предотвращают осевое перемещение постоянных магнитов. Радиальному перемещению постоянных магнитов препятствуют крепежные элементы и цилиндрическое кольцо, опирающееся на кольцевую стенку нижнего элемента.
Вышеописанный способ позволяет изготавливать надежные роторы для внешнероторных двигателей. Тем не менее, в целях повышения эффективности таких двигателей, необходимо иметь возможность очень точно регулировать воздушный зазор между внешним ротором, или внутренней поверхностью постоянных магнитов, и внутренним статором. В известных способах производства обеспечение такой Возможности связано с большими трудозатратами.
Таким образом, задача изобретения заключается в том, чтобы предложить более простой способ изготовление ротора, предусматривающий возможность обеспечения малого воздушного зазора между статором и ротором.
В соответствии с предложенным изобретением, указанная задача решена посредством способа, охарактеризованного в разделе, относящемся к области техники изобретения, в котором постоянные магниты размещают вдоль периферической поверхности цилиндрического шаблона, затем на радиальных наружных поверхностях постоянных магнитов устанавливают цилиндрическое кольцо, после чего нижний элемент соединяют с указанным цилиндрическим кольцом таким образом, чтобы отверстие было расположено концентрично с периферической поверхностью шаблона.
В отличие от известного способа сборки ротора в направлении от внешней стороны к внутренней, при котором положение постоянных магнитов определяется осевой внешней несущей поверхностью, в соответствии с предложенным способом, внутренние участки постоянных магнитов располагают на внешней периферической поверхности цилиндрического шаблона, который, в то же время, задает положение отверстия, имеющегося в нижнем элементе и предназначенного для вала двигателя. Положение внутренних участков постоянных магнитов, таким образом, выровнено непосредственно относительно вала двигателя, или центрального отверстия, а не в направлении с внешней стороны путем позиционирования периферической поверхности и цилиндрического кольца. Благодаря этому, допустимые отклонения размеров нижнего элемента или цилиндрического кольца, возможные в процессе их изготовления, не оказывают влияния на позиционирование постоянных магнитов и их положение. Точность изготовления ротора определяется только точностью изготовления шаблона и, следовательно, возможные искажения формы и допустимые отклонения отдельных постоянных магнитов и цилиндрического кольца не оказывают влияния на величину внутреннего диаметра готового ротора.
Предпочтительно, нижний элемент закрепляют на осевой передней стороне цилиндрического кольца, в частности, путем сварки или склеивания. Возможны также и другие способы крепления. Положение нижнего элемента по отношению к цилиндрическому кольцу, таким образом, не определяется формой, в частности, радиальным ступенчатым участком нижнего элемента. Напротив, позиционирование может быть осуществлено только на основе шаблона, который задает положение нижнего элемента, или отверстия нижнего элемента относительно постоянных магнитов. Цилиндрическое кольцо закрепляют на нижнем элементе только после размещения указанного цилиндрического кольца вокруг постоянных магнитов. Таким образом, положение цилиндрического кольца относительно нижнего элемента определяется положением постоянных магнитов относительно отверстия нижнего элемента.
Предпочтительно, используют шаблон, содержащий первую секцию, имеющую первую периферическую поверхность и вторую секцию, имеющую вторую периферическую поверхность, причем вторая секция имеет меньший диаметр, чем первая секция, и обе секции расположены концентрически по отношению друг к другу. Внешний диаметр первой секции, или первой периферической поверхности, в точности соответствует сумме номинального наружного диаметра статора и желаемого воздушного зазора между статором и ротором. Диаметр второй секции, или наружный диаметр второй периферической поверхности, соответствует диаметру отверстия в нижнем элементе. Положение постоянных магнитов, имеющих форму сегментов кольца, на первой периферической поверхности, таким образом, определяет их положение относительно второй периферической поверхности, или относительно отверстия, выполненного в нижнем элементе. При необходимости, шаблон может содержать и третью секцию, имеющую больший диаметр, чем первая секция и расположенную на той стороне первой секции, которая наиболее удалена от второй секции, причем указанная третья секция служит в качестве осевой опорной поверхности для постоянных магнитов.
В связи с этим, осевое положение постоянных магнитов также определяется шаблоном, что упрощает изготовление ротора.
Предпочтительно, между каждыми двумя соседними постоянными магнитами располагают крепежный элемент. Во-первых, такие крепежные элементы фиксируют указанные постоянные магниты относительно друг друга и, в частности, предотвращают движение постоянных магнитов, в направлении радиально внутрь. Кроме того, они могут быть соединены с цилиндрическим кольцом с помощью фиксаторов. Таким образом, крепежные элементы могут частично или полностью покрывать осевую сторону постоянных магнитов и обращены в сторону от нижнего элемента, что также предотвращает осевое перемещение постоянных магнитов.
Предпочтительно, на цилиндрическом кольце в осевом направлении расположен ступенчатый участок нижнего элемента. Таким образом, зона расположения отверстия нижнего элемента в осевом направлении находится на расстоянии от постоянных магнитов или цилиндрического кольца. Благодаря этому обеспечено больше свободного пространства для установки статора, и в частности, может также быть предусмотрено, что в осевом направлении радиальные внутренние участки постоянных магнитов полностью покрыты статором, что благоприятно сказывается на эффективности двигателя.
Предпочтительно, цилиндрическое кольцо располагают на постоянных магнитах с предварительным натяжением. При размещении цилиндрического кольца, постоянные магниты прижимаются к периферической поверхности шаблона. Таким образом, предварительное натяжение компенсирует возможные допустимые отклонения, так что постоянные магниты удерживаются в цилиндрическом кольце без зазора. Предварительное натяжение может быть достаточным для удержания цилиндрического кольца прижатым к постоянным магнитам. В этом случае отпадает необходимость в использовании дополнительных средств фиксации.
В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения цилиндрическое кольцо выполнено в виде незамкнутого кольца, причем кольцо прижимают к магнитам снаружи в радиальном направлении и закрывают закрывающим элементом. Это упрощает сборку, так как кольцо можно разместить вокруг постоянных магнитов без приложения значительного усилия, и, следовательно, до установки закрывающего элемента магниты не будут подвергаться воздействию предварительного натяжения.
Особенно предпочтительно, чтобы закрывающий элемент находился за постоянным магнитом. Такое размещение закрывающего кольца будет в наименьшей степени создавать препятствие магнитному потоку через цилиндрическое кольцо.
Задача, поставленная в настоящем изобретении, решена также посредством ротора, охарактеризованного в разделе, относящемся к области техники изобретения, за счет того, что цилиндрическое кольцо закреплено на нижнем элементе осевой передней стороной, причем радиальная внешняя периферическая поверхность цилиндрического кольца не закреплена.
Такой ротор может быть изготовлен способом, предложенным настоящим изобретением. Поскольку радиальная внешняя периферическая поверхность цилиндрического кольца является свободной и цилиндрическое кольцо закреплено на нижнем элементе только осевой передней стороной, позиционирование цилиндрического кольца относительно нижнего элемента в радиальном направлении относительно свободно. Таким образом, положение цилиндрического кольца на нижнем элементе не определяет положения постоянных магнитов относительно нижнего элемента. Напротив, цилиндрическое кольцо может быть сначала выровнено относительно постоянных магнитов, независимо от нижнего элемента, и только затем закреплено на нижнем элементе. Таким образом, положение постоянных магнитов или внутренней поверхности постоянных магнитов относительно центрального отверстия, расположенного в нижнем элементе и предназначенного для направления вала двигателя, может быть отрегулировано очень точно и независимо от допустимых отклонений в форме цилиндрического кольца и нижнего элемента.
Предпочтительно, между каждыми двумя соседними постоянными магнитами расположено фиксирующее средство, в частности, упругое фиксирующее средство, удерживающее на месте постоянные магниты за счет посадки по форме. Такое фиксирующее средство определяет осевое положение постоянных магнитов и положение постоянных магнитов по отношению друг к другу. Упругость фиксирующего устройства позволяет рассеивать пики напряжения, делая возможным удержание постоянных магнитов за счет посадки по форме, причем во время сборки происходит упругая деформация фиксирующего средства.
Предпочтительно, внешний радиус кривизны постоянных магнитов, имеющих форму сегментов кольца, больше внутреннего радиуса цилиндрического кольца. В соответствии с этим вариантом изобретения, постоянные магниты опираются на цилиндрическое кольцо только в двух заданных точках. Такая конфигурация опоры облегчает изготовление ротора, поскольку в этом случае отсутствует необходимость в обеспечении точного соответствия между внешним радиусом постоянных магнитов и внутренним радиусом цилиндрического кольца, как это требуется в случае изготовления протяженной опорной поверхности постоянных магнитов. Таким образом, удается минимизировать риск повреждения хрупких постоянных магнитов, которое может быть вызвано погрешностями процесса изготовления ротора.
Далее изобретение описано подробно на основе предпочтительного варианта осуществления и со ссылкой на чертежи, на которых:
- на Фиг.1a-1f показаны этапы изготовления ротора,
- на Фиг.2 показан вид ротора с пространственным разделением элементов;
- на Фиг.3 показан вид сверху ротора.
На Фиг.1а показан шаблон 1, требующийся для изготовления ротора и содержащий первую секцию 2, имеющую первую периферическую поверхность 3 и вторую секцию 4, имеющую вторую периферическую поверхность 5. Первая секция 2 и вторая секция 4 расположены концентрически по отношению друг к другу, причем вторая секция 4, расположена аксиально на передней стороне первой секции 2. На той стороне первой секции 2, которая удалена от второй секции 4, расположена третья секция 6, имеющая больший наружный диаметр, чем первая секция 2. Вторая секция 4 имеет наименьший диаметр.
Диаметр первой секции 2 соответствует сумме номинального наружного диаметра статора и желаемого воздушного зазора между статором и ротором. Диаметр второй секции 4 соответствует диаметру вала двигателя. Величина диаметра третьей секции 6 не имеет большого значения, т.к. третья секция 6 служит только в качестве осевой опорной поверхности для постоянных магнитов.
На Фиг.1b показан этап, на котором постоянные магниты 7, имеющие форму сегментов кольца, располагают на периферической поверхности 3 первой секции 2. Третья секция 6 служит только в качестве осевой опорной поверхности для постоянных магнитов 7.
На Фиг.1с показан следующий этап предлагаемого способа, на котором на внешней радиальной поверхности постоянных магнитов 7 располагают цилиндрическое кольцо 8. В готовом роторе, цилиндрическое кольцо 8 служит кольцевым ярмом для магнитного потока и создает силу натяжения, направленную радиально внутрь и воздействующую на постоянные магниты 7.
На Фиг.1d показан вид сверху шаблона 1, при этом постоянные магниты 7 и цилиндрическое кольцо 8 уже выровнены относительно первой секции 2. Между постоянными магнитами 7 расположены крепежные элементы 9. Крепежные элементы 9 имеют ножки 10, 11 V-образной формы, соответствующей форме периферических поверхностей концов постоянных магнитов 7. Кроме того, крепежные элементы 9 имеют радиально направленные язычки 16, выполненные с возможностью соединения с внутренней стенкой цилиндрического кольца 8. Поскольку внутренний диаметр постоянных магнитов 7 по существу соответствует наружному диаметру шаблона 1, при установке цилиндрического кольца 8 предотвращается чрезмерная нагрузка на магниты.
Цилиндрическое кольцо 8 может быть замкнутым или иметь прорезь 12, показанную пунктиром. Эта прорезь 12 может быть закрыта с помощью закрывающего элемента, не показанного на чертеже. Это означает, что цилиндрическое кольцо 8 натягивают на постоянные магниты 7 со стороны их радиальной наружной поверхности. Таким образом, постоянные магниты 7 оказываются прижатыми к периферической поверхности 3 первой секции 2 шаблона 1. Таким образом, удается очень точно позиционировать внутреннюю поверхность постоянных магнитов 7 относительно периферической поверхности 3.
На Фиг.1е показ этап, на котором на вторую секцию 4 шаблона 1 устанавливают нижний элемент 13, имеющий отверстие 14. Таким образом, нижний элемент 13 также позиционируют относительно шаблона, благодаря чему положение отверстия 14 по отношению к постоянным магнитам 7 задано шаблоном 1. После фиксации положения отдельных элементов, нижний элемент 13 прикрепляют к осевой передней стороне 15 цилиндрического кольца 8. В рассматриваемом варианте изобретения, нижний элемент 13 прикреплен к цилиндрическому кольцу 8 сваркой.
На Фиг.1f показан заключительный этап предложенного способа, при этом шаблон 1 удален из готового ротора 17. В нижнем элементе 13 выполняют отверстия 18, предназначенные для отведения в маслосборник смазочного масла, скапливающегося в роторе во время его работы.
На Фиг.2 показан вид ротора 17 с пространственным разделением элементов, иллюстрирующий отдельные компоненты ротора 17. В соответствии с рассматриваемым вариантом нижний элемент 13 содержит ступенчатый участок 19, предназначенный для опоры цилиндрического кольца 8 в осевом направлении. Цилиндрическое кольцо 8 выполнено в виде незамкнутого кольца с прорезью 12 и закрывающим элементом 20, имеющим форму, соответствующую форме прорези 12.
Крепежные элементы 9 имеют осевые выступы 21, 22, 23, предназначенные для осевой фиксации постоянных магнитов 7.
На Фиг.3 показан вид сверху готового ротора 17. На чертеже видно, что внешний радиус постоянных магнитов 7 больше, чем внутренний радиус цилиндрического кольца 8. Таким образом, постоянные магниты опираются на цилиндрическое кольцо 8 только в двух точках 24, 25. Поскольку внутренний диаметр постоянных магнитов 7 по существу соответствует внешнему диаметру шаблона 1, при установке цилиндрического кольца создается радиально-направленная сила, воздействующая на магниты в точках 24, 25 по направлению к центру ротора. Это позволяет избежать нагрузки на центральные участки постоянных магнитов 7, наличие которой могло бы привести к повреждению относительно хрупких постоянных магнитов.
Предложенный способ позволяет осуществлять сборку ротора не в направлении от внешней стороны к внутренней, а в направлении от внутренней стороны к внешней. Это дает возможность с высокой точностью позиционировать внутренние участки постоянных магнитов по отношению к отверстию в нижнем элементе или к положению вала двигателя, таким образом, чтобы обеспечить возможность получения воздушного зазора с очень малыми допусками. Благодаря использованию шаблона, который может быть изготовлен с соблюдением высокой точности его геометрических размеров, производственные затраты на изготовление вышеописанного ротора невелики.