ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАСПЫЛИТЕЛЬНОГО ПИСТОЛЕТА
ALTERNATING-CURRENT GENERATOR FOR ELECTROSTATIC SPRAY GUN

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в целом к устройствам для нанесения покрытий, предназначенным для распыления жидкостей, таких как краска, герметиков, покровных материалов, эмалей, адгезивов, порошков и подобных материалов. Более конкретно, изобретение относится к электростатическим распылительным пистолетам.
В электростатических распылительных системах в области между распылительным пистолетом и мишенью или покрываемым изделием образуется электростатическое поле. Распыляемые частицы движутся через это поле, и при прохождении через поле соответствующие частицы получают электрические заряды. Таким образом, заряженные частицы притягиваются к покрываемому изделию. В ходе такого процесса на само покрываемое изделие можно направить большее процентное содержание распыляемых частиц, тем самым значительно повышая эффективность распыления по сравнению с традиционными способами. Электростатические распылительные пистолеты особенно удобны при нанесении непроводящих жидкостей и порошков, хотя также их можно использовать при распылении проводящих жидкостей.
В стандартной электростатической распылительной системе коронирующий электрод расположен рядом с распылительным соплом распылительного пистолета, окрашиваемое изделие удерживается на нулевом потенциале, и между коронирующим электродом и изделием создается электростатическое поле. Расстояние между электродом и землей может составлять порядка приблизительно 0,5 м или менее; поэтому напряжение, подаваемое на электрод распылительного пистолета, обязательно должно быть достаточно высоким для создания электростатического поля достаточной интенсивности с целью образования большого количества взаимодействий ионов и частиц для того, чтобы создать достаточную силу притяжения между частицами краски и мишенью. Как правило, для достижения соответствующего уровня эффективности операции распыления на электрод распылительного пистолета подают электростатическое напряжение порядка 20000-100000 В (20-100 кВ). Обычно из электрода распылительного пистолета выходит ток ионизации порядка 50 мкА.
Электростатические распылительные пистолеты могут быть ручными распылительными пистолетами или автоматическими распылительными пистолетами, управляемыми посредством дистанционных управляющих соединений. Мелкодисперсное распыление распыляемой жидкости может быть достигнуто за счет разных основных сил мелкодисперсного распыления, например, воздухом под давлением, гидравлическими усилиями или центробежными силами. Мощность электростатического напряжения можно получить различными способами. Во многих системах внешний источник питания соединен с электростатическим распылительным пистолетом. Однако в других конструкциях мощность может быть получена с помощью генератора переменного тока, расположенного в электростатическом распылительном пистолете. Например, в патентах США №4554622, 4462061, 4290091, 4377838, 4491276 и 7226004 описаны электростатические распылительные пистолеты с пневматической турбиной, которая приводит в действие генератор переменного тока, который, в свою очередь, подает питание на умножитель напряжения для создания зарядного напряжения.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному варианту осуществления генератор переменного тока, например, применяемый в электростатическом распылительном пистолете, содержит корпус генератора переменного тока, статор, ротор, вал, первый подшипник и кожух. Статор вставлен в корпус генератора переменного тока и характеризуется внутренним диаметром и наружным диаметром. Ротор расположен во внутреннем диаметре статора. Вал выходит из ротора и установлен с возможностью вращения в первом подшипнике. Кожух расположен вокруг наружного диаметра статора, удерживая статор относительно корпуса генератора переменного тока, и в нем установлен первый подшипник.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 показан схематический вид электростатической распылительной системы, на котором показан электростатический распылительный пистолет, соединенный с источником жидкости и обеспечивающий выпуск на мишень.
На фиг. 2 показан вид в перспективе электростатического распылительного пистолета согласно фиг. 1, на котором показан ствол пистолета, соединенный с телом рукоятки и распылительным наконечником в сборе.
На фиг. 3 показан поэлементный вид электростатического распылительного пистолета согласно фиг. 2, на котором показан генератор переменного тока и источник питания, устанавливаемый внутри ствола пистолета.
На фиг. 4A показан поэлементный вид генератора переменного тока согласно фиг. 3, на котором показано рабочее колесо и ротор, устанавливаемые в статоре в сборе.
На фиг. 4B показан вид в поперечном сечении генератора переменного тока согласно фиг. 3, на котором показаны подшипники, соединяющие ротор со статором в сборе.
На фиг. 5A показан вид в перспективе торца генератора переменного тока согласно фиг. 3, где фиксирующий зажим не показан для отображения подшипника, углубленного в статор.
На фиг. 5B показан вид в перспективе торца генератора переменного тока согласно фиг. 5A со вставленным фиксирующим зажимом для предотвращения смещения подшипника.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения электростатический распылительный пистолет содержит генератор переменного тока в сборе, содержащий опорный кожух, расположенный между внешним корпусом и электромагнитным генератором переменного тока. Электростатический распылительный пистолет вырабатывает бортовое питание с помощью пневматической турбины, которая приводит в действие ротор внутри статора электромагнитного генератора переменного тока. Статор окружен опорным кожухом и зафиксирован на месте внутри внешнего корпуса. В кожухе также закреплены подшипники, в которых установлен вал ротора. На фиг. 1-3 настоящего раскрытия описан электростатический распылительный пистолет, в котором может быть использован опорный кожух. На фиг. 4A-5B описаны различные аспекты, варианты осуществления и благоприятные эффекты опорного кожуха.
На фиг. 1 показан схематический вид электростатической распылительной системы 10, на котором показан электростатический распылительный пистолет 12, соединенный с источником 14 жидкости и обеспечивающий выпуск на мишень 16. Насос 18 соединен с источником 14 жидкости и нагнетает жидкость под давлением в распылительный пистолет 12 по шлангу 20. Распылительный пистолет 12 также подключен к источнику воздуха под давлением (не показан) посредством шланга 22. Мишень 16 заземлена, например, посредством подвешивания на стойке 24. Электростатическая распылительная система 10 описана со ссылкой на распылительную систему для жидкости, но в настоящем изобретении можно использовать другие материалы покрытия, такие как порошки и т. п. Хотя фиг. 1-3 описаны с использованием пневматической системы, настоящее изобретение также можно использовать вместе с аэрозольной системой.
Оператор 26 располагает распылительный пистолет 12 в непосредственной близости от мишени 16, приблизительно 0,5 м или менее. После приведения в действие спускового крючка на распылительном пистолете 12 воздух под давлением подается в турбину внутри распылительного пистолета 12, которая приводит в действие генератор переменного тока для выработки электрической энергии. Электрическая энергия подается на электрод возле распылительного наконечника распылительного пистолета 12. Таким образом, между электродом и мишенью 16 образуется электрическое поле EF. Электростатическая распылительная система 10 заземлена в разных точках. Например, заземляющий провод 28 и/или проводящий пневматический шланг 22 может обеспечивать заземление распылительного пистолета 12. Для обеспечения заземления в электростатической распылительной системе 10 можно использовать другие заземляющие провода и проводящие материалы. Одновременно приведение в действие спускового крючка обеспечивает подачу жидкости под давлением из насоса 18 через распылительный наконечник, за счет чего мелкодисперсные частицы жидкости заряжаются в электрическом поле EF. Следовательно, заряженные частицы притягиваются к мишени 16, которая заземлена. Мишень 16 подвешена на стойке 24, и электрически заряженные частицы жидкости окружают мишень 16, тем самым существенно снижая избыточное распыление.
На фиг. 2 показан вид в перспективе электростатического распылительного пистолета 12 согласно фиг. 1, на котором показан ствол 30 пистолета, соединенный с телом 32 рукоятки и распылительным наконечником в сборе 34. Рукоятка 36 тела 32 рукоятки соединена с впускным патрубком 38 для воздуха, выпускным патрубком 40 для воздуха и впускным патрубком 42 для жидкости. Корпус 44 тела 32 рукоятки соединен со стволом 30 пистолета. Воздушный регулировочный клапан 46 соединен с двухпозиционным клапаном (см. иглу 66 для впуска воздуха на фиг. 3) внутри корпуса 44 и осуществляет регулирование потока сжатого воздуха из впускного патрубка 38 для воздуха к компонентам распылительного пистолета 12. Регуляторы 47A и 47B подачи воздуха осуществляют регулирование потока воздуха от указанного двухпозиционного клапана к распылительному наконечнику в сборе 34. Спусковой крючок 48 соединен с гидравлическим клапаном (см. иглу 74 для впуска жидкости на фиг. 3) внутри ствола 30 пистолета и предназначен для регулирования потока жидкости под давлением от впускного патрубка 42 для жидкости через распылительный наконечник в сборе 34 по гидравлической трубке 50. Воздушный регулировочный клапан 46 осуществляет регулирование потока воздуха к генератору переменного тока. Затем воздух выходит из распылительного пистолета 12 через выпускной патрубок 40.
Приведение спускового крючка 48 в действие одновременно обеспечивает подачу сжатого воздуха и жидкости под давлением в распылительный наконечник в сборе 34. Некоторая часть сжатого воздуха используется для воздействия на поток жидкости от распылительного наконечника в сборе 34, и поэтому она выходит из распылительного пистолета 12 через отверстия 52A и 52B или другие аналогичные отверстия. В аэрозольных системах некоторую часть сжатого воздуха также используют для непосредственного мелкодисперсного распыления жидкости на выходе из распылительного сопла. Как в аэрозольной, так и в пневматической системах некоторую часть сжатого воздуха также используют для вращения генератора переменного тока, который подает питание на электрод 54, а затем она выходит из распылительного пистолета 12 через выпускной патрубок 40. Генератор переменного тока и связанный источник питания для электрода 54 показаны на фиг. 3.
На фиг. 3 показан поэлементный вид электростатического распылительного пистолета 12 согласно фиг. 2, на котором показан генератор 56 переменного тока и источник 58 питания, выполненный с возможностью размещения внутри тела 32 рукоятки и ствола 30 пистолета. Генератор 56 переменного тока соединен с источником 58 питания посредством ленточного кабеля 60. Генератор 56 переменного тока подключают к источнику 58 питания, а после сборки генератор 56 переменного тока вставляют в корпус 44, и источник 58 питания вставляют в ствол 30 пистолета. Электрический ток, созданный генератором 56 переменного тока, передается на источник 58 питания. В пневматических системах электрический контур, содержащий пружину 62 и проводящее кольцо 64, передает электрический заряд от источника 58 питания на электрод 54 внутри распылительного наконечника в сборе 34. В аэрозольных системах могут содержаться другие электрические контуры, соединяющие генератор переменного тока с электродом.
Игла 66 для впуска воздуха и уплотнение 68 содержат двухпозиционный клапан для регулирования прохождения сжатого воздуха через распылительный пистолет 12. Воздушный регулировочный клапан 46 содержит иглу 66 для впуска воздуха, которая проходит через корпус 44 к спусковому крючку 48, который может быть приведен в действие для перемещения уплотнения 68 и регулирования потока сжатого воздуха от впускного патрубка 38 для воздуха по каналам внутри тела 32 рукоятки. Пружина 70 перемещает уплотнение 68 и спусковой крючок 48 в закрытое положение, в то время как ручка 72 может быть отрегулирована для управления клапаном 46. Когда уплотнение 68 открыто, воздух из впускного патрубка 38 протекает через каналы внутри тела 32 рукоятки к генератору 56 переменного тока или распылительному наконечнику в сборе 34.
Игла 74 для впуска жидкости содержит часть гидравлического клапана для регулирования прохождения жидкости под давлением через распылительный пистолет 12. Приведение спускового крючка 48 в действие также приводит к непосредственному перемещению иглы 74 для впуска жидкости, которая соединена со спусковым крючком 48 через колпачок 76. Пружина 78 расположена между колпачком 76 и спусковым крючком 48 для смещения иглы 74 в закрытое положение. Игла 74 проходит через ствол 30 пистолета в распылительный наконечник в сборе 34.
Распылительный наконечник в сборе 34 содержит корпус 80 с гнездом, прокладку 81, наконечник 82, воздушную головку 84 и фиксирующее кольцо 86. В пневматических системах игла 74 для впуска жидкости входит в зацепление с корпусом 80 с гнездом для регулирования потока жидкости под давлением от гидравлической трубки 50 в распылительный наконечник в сборе 34. Прокладка 81 уплотняет пространство между корпусом 80 с гнездом и наконечником 82. Наконечник 82 содержит распылительное сопло 87, через которое из корпуса 80 с гнездом выходит жидкость под давлением. Электрод 54 проходит от воздушной головки 84. В пневматических системах жидкость под высоким давлением подается через распылительное сопло 87, от которого смещается электрод 54. Мелкодисперсное распыление обеспечивается за счет пропускания жидкости под высоким давлением через небольшое сопло. В аэрозольных системах электрод проходит от распылительного сопла, так что электрод и распылительное сопло являются концентричными. Жидкость под низким давлением проходит через большое распылительное сопло и мелкодисперсно распыляется, сталкиваясь с потоком воздуха, выходящим из воздушной головки 34. В любой из систем воздушная головка 84 содержит отверстия, например, отверстия 52A и 52B (фиг. 2), в которые поступает воздух под давлением для мелкодисперсного распыления и формирования потока жидкости из наконечника 82 на основании настроек регуляторов 47A и 47B. В других вариантах осуществления пистолет 12 может работать без отверстий 52A и 52B или может работать только с одним из отверстий 52A и 52B.
Работа генератора 56 переменного тока под действием воздуха под давлением обеспечивает подачу электрической энергии на источник 58 питания, который, в свою очередь, подает напряжение на электрод 54. Электрод 54 создает электрическое поле EF (фиг. 1), которое образует заряд для мелкодисперсного распыления жидкости, выходящей из наконечника 82. Эффект короны, созданный электрическим полем EF, обеспечивает перенос заряженных частиц жидкости к мишени, которая должна быть покрыта жидкостью. Фиксирующее кольцо 86 удерживает воздушную головку 84 и наконечник 82, собранные со стволом 30 пистолета, тогда как корпус 80 с гнездом навинчен на ствол 30 пистолета.
На фиг. 4A показан поэлементный вид генератора 56 переменного тока согласно фиг. 3, на котором показан электромагнитный генератор переменного тока и рабочее колесо. В частности, генератор 56 переменного тока содержит корпус 88, рабочее колесо 90, подшипник 92A, подшипник 92B, ротор 94, вал 96, статор в сборе 98, ленточный кабель 60, торцевую крышку 102, фиксирующий зажим 104 и уплотнение 106. На фиг. 4B показан вид в поперечном сечении генератора 56 переменного тока согласно фиг. 3, на котором показан статор в сборе 98. Статор в сборе 98 содержит сердечник 108 статора, обмотки 110, оболочку 112 и кожух 114. Фиг. 4A и 4B будут описаны совместно.
Торцевая крышка 102 соединена с корпусом 88 с образованием контейнера, в котором расположены компоненты генератора 56 переменного тока. Вал 96 проходит через внутреннее рассверленное отверстие внутри ротора 94, так что противоположные дальние концы выходят из ротора 94. Подшипники 92A и 92B установлены на вал 96 и соединены с кожухом 114. В частности, ступицы 116A и 116B расположены на концах вала 96 с противоположных сторон ротора 94, при этом зубцы 118A и 118B проходят к кожуху 114. Как видно на фиг. 4B, зубцы 118A и 118B входят в зацепление с пазами 120A и 120B в кожухе 114. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения подшипники 92A и 92B представляют собой пропитанные маслом подшипники из спеченной бронзы. Согласно другим вариантам осуществления подшипники 92A и 92B покрыты стойким к растворителям покрытием, таким как фторполимер. Такие покрытия подшипников описаны в патенте США № 7226004, переуступленный компании "Graco Minnesota Inc". Рабочее колесо 90 установлено на вал 96 посредством ближнего подшипника 92A. В частности, ступица 121 установлена на вал 96, а лопасти 122 проходят в целом в радиальном направлении наружу из ступицы 121 к корпусу 88.
Рабочее колесо 90, ротор 94 и статор в сборе 98 установлены в корпус 88. Кожух 114 статора в сборе 98 установлен в корпус 88 посредством плотной или прессовой посадки для надежной фиксации статора в сборе 98 внутри корпуса 88. Кожух 114 упирается в заплечик 124 (фиг. 4B) для правильного позиционирования рабочего колеса 90 относительно отверстий 128. Благодаря такой установке рабочее колесо 90 располагается в пространстве между статором в сборе 98 и торцевой крышкой 102. Вал 96 свободно вращается в подшипниках 92A и 92B, так что рабочее колесо 90 может вращаться в корпусе 88. Фиксирующий зажим 104 вставлен в корпус 88 и выступы 125 (фиг. 4A) входят в вырезы 126 (фиг. 4A) в корпусе 88. Фиксирующий зажим 104 предотвращает выход подшипника 92B из пазов 120B. Фиксирующий зажим 104 также способствует удержанию статора в сборе 98 внутри корпуса 88 за счет прижатия статора в сборе 98 к заплечику 124.
Сжатый воздух направляется в корпус 88 через отверстия 128 для приведения рабочего колеса 90 во вращение. Сжатый воздух ударяет о лопасти 122, вызывая вращение рабочего колеса 90, что приводит к вращению вала 96 и ротора 94 в пределах обмоток 110 статора в сборе 98. Ротор 94 и обмотки 110 образуют электромагнитный генератор переменного тока, который вырабатывает электрический ток, подаваемый на ленточный кабель 60. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения ротор 94 содержит неодимовый магнит, а обмотки 110 содержат медные провода. Неодимовые магниты характеризуются более высокой плотностью энергии по сравнению с традиционными магнитами, например, магнитами на основе сплава Al-Ni. Большая плотность энергии позволяет уменьшить размер и массу ротора 94. Согласно одному варианту осуществления за счет использования неодимовых магнитов размер генератора 56 переменного тока уменьшен на 40% по сравнению с генераторами переменного тока электростатических распылительных пистолетов, известных из уровня техники. Уменьшенный размер ротора 94 позволяет уменьшить момент инерции и увеличить ускорение ротора 94 под действием сжатого воздуха, что обеспечивает более высокую скорость срабатывания для оператора 26 (фиг. 1) и позволяет использовать меньший объем сжатого воздуха для работы генератора 56 переменного тока.
Кожух 114 обеспечивает механическую опорную конструкцию, которая соединяет статор в сборе 98 с корпусом 88 и в которую устанавливаются подшипники 92A и 92B, в которые с возможностью вращения устанавливают вал 96. Таким образом, кожух 114 представляет собой невращающуюся опору или площадку под подшипники 92A и 92B. Как видно на фиг. 4B, подшипники 92A и 92B связаны друг с другом через кожух 114. Согласно раскрытому варианту осуществления кожух 114 окружает по периферии наружный диаметр статора в сборе 98, в частности наружный диаметр обмоток 110 (включая оболочку 112), и проходит в осевом направлении от подшипника 92A к подшипнику 92B. Оболочка 112 согласно одному варианту осуществления содержит эпоксидное покрытие обмотки 110. В конструкциях из уровня техники подшипники прикрепляют к наружному корпусу генератора переменного тока и, следовательно, могут вращаться по окружности в разных направлениях и могут быть сдвинуты относительно оси A, что может приводить к неравномерному и ненужному износу подшипников и вала. Кожух 114 образует общую опорную точку, в которой могут быть закреплены оба подшипника 92A и 92B. Таким образом, для расположения кожуха 114 поверх статора в сборе 98 и одновременного выполнения пазов 120A и 120B можно выполнять один производственный процесс, тем самым упрощая более точное выравнивание ступиц 116A и 116B по оси A.
На фиг. 5A показан вид в перспективе торца генератора 56 переменного тока согласно фиг. 3, где фиксирующий зажим 104 (фиг. 5B) удален для отображения подшипника 92B, углубленного в кожухе 114 статора в сборе 98. Согласно одному варианту осуществления кожух 114 сформирован поверх статора в сборе 98 для обозначения контура обмоток 110 и оболочки 112 и получения цельной однородной детали. Дополнительно в ходе того же производственного процесса в кожухе 114 выполняют пазы 120A (фиг. 3B) и 120B с целью упрощения выравнивания подшипников 92A (фиг. 3B) и 92B.
Зубцы 118B проходят от ступицы 116B, которая расположена вокруг вала 96, в пазы 120B в кожухе 114. Согласно показанному варианту осуществления подшипник 92B содержит четыре зубца 118B. Согласно одному варианту осуществления зубцы 118B Х-образно проходят от ступицы 116B, обеспечивая опору для вала 96 с шагом девяносто градусов. Использование нескольких зубцов 118B обеспечивает устойчивость вала 96. В частности, пазы 120B позволяют вставлять зубцы 118B в кожух 114 для фиксации в неподвижном состоянии подшипника 92B. Более того, использование вместе нескольких пазов 120B обеспечивает центрирование ступицы 116B относительно оси A. Аналогично, как показано на фиг. 4B, пазы 120A обеспечивают устойчивость подшипника 92A, ступица 116A которого центрирована относительно оси A. Таким образом, выполнение в кожухе 114 пазов 120A и 120B позволяет увеличить вероятность соосного расположения ступиц 116A и 116B вдоль оси A.
Дополнительно пазы 120B позволяют углубить подшипник 92B в кожух 114 для уменьшения общей ширины генератора 56 переменного тока. Увеличенная устойчивость углубления четырех зубцов одного подшипника в кожух 114 также позволяет уменьшить толщину каждого из зубцов 118A и 118B, при этом не влияя на устойчивость. Таким образом, применение меньшего магнита, например, неодимового, и более тонких зубцов подшипника позволяет уменьшить общую длину по оси A по сравнению с генераторами переменного тока из уровня техники.
На фиг. 5B показан вид в перспективе торца генератора 56 переменного тока согласно фиг. 5A со вставленным фиксирующим зажимом 104 для предотвращения выхода подшипника 92B из корпуса 88. Фиксирующий зажим 104 представляет собой хомут или кольцо, у которого есть большая ось, которая проходит через внутренний диаметр корпуса 88, с выступами 125, которые выступают из зажима 104 за пределы внутреннего диаметра корпуса 88. Диаметр зажима 104 на противоположных сторонах уменьшен таким образом, что он меньше внутреннего диаметра корпуса 88, что позволяет пропускать ленточный кабель 60 из корпуса 88.
Фиксирующий зажим 104 выполнен из тонкого материала, который можно деформировать, например из пластика или металла. Таким образом, зажим 104 можно деформировать для размещения выступов 125 во внутренний диаметр корпуса 88 и вернуть в исходное состояние для вставки выступов 125 в вырезы 126. Когда выступы 125 вставлены в вырезы 126, зажим 104 создает барьер для подшипника 92B, который удерживает зубцы 118B в пазах 120B (фиг. 5A). Дополнительно зажим 104 может иметь особую форму для воздействия на подшипник 92B упругой силой. Например, зажим 104 может иметь форму чаши (фиг. 4B), причем внутренний диаметр кольца проходит дальше в корпус 88, чем наружный диаметр, так что когда выступы 125 находятся в вырезах 126, тело хомута деформируется. Зажим 104 можно легко извлечь из корпуса 88 с помощью инструмента, например отвертки.
Цельный, сформированный сверху опорный кожух придает генератору 56 переменного тока улучшенную возможность поддержки. Во-первых, кожух 114 представляет гибкое тело, которое может быть установлено посредством прессовой посадки в корпус 88, тем самым обеспечивая устойчивое соединение. Во-вторых, кожух 114 представляет общую точку крепления подшипников 92A и 92B, тем самым обеспечивая лучшее выравнивание. Использование легкого магнита в сочетании с улучшенным выравниванием подшипников 92A и 92B относительно друг друга улучшает характеристики и продлевает срок службы генератора 56 переменного тока. В частности, лучшее выравнивание подшипников 92A и 92B и уменьшенная масса ротора 94 позволяет уменьшить колебания генератора 56 переменного тока, тем самым уменьшая износ подшипников 92A и 92B.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что в форму и детали могут быть внесены изменения, не выходящие за пределы сути и объема настоящего изобретения.