ЭЛЕКТРОШПИНДЕЛЬ
ELECTRIC SPINDLE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано, например, в шпиндельных узлах металлорежущих станков с высокой частотой вращения.
Известен электрошпиндель шлифовального станка, содержащий приводной вал, смонтированный в корпусе на двух радиально-упорных подшипниках, образованных коническими поверхностями вала и охватывающими их коническими поверхностями втулок, которые разделены между собой газовым зазором, причем одна из втулок установлена в корпусе жестко, а вторая - с возможностью осевого перемещения посредством устройства перемещения, воздействующего на торцевую поверхность этой втулки, а также систему подачи смазки. Вторая втулка установлена в корпусе через регулировочное кольцо, а на конических поверхностях вала выполнены глухие продольные сегментные канавки переменной глубины, которые увеличиваются к торцам подшипников. Устройство смещения выполнено в виде группы пружин с различной жесткостью (патент RU 2224919, МПК 6 F16C 32/06, 2004).
Недостатком описанного устройства является отсутствие герметичности торцов регулировочного кольца, сопрягающихся с корпусом и подвижной втулкой. В процессе работы от температурных деформаций приводного вала начинает работать механизм смещения, компенсируя температурные деформации. Подвижная втулка под воздействием температурных деформаций приводного вала через несущий зазор смещается в осевом положении, поджимая пружины, сохраняя оптимальные несущие зазоры. Это смещение разгерметизирует торцы регулировочного кольца. В эти зазоры проникает пыль и в этих зазорах откладываются налеты растворов смазочно-охлаждающих жидкостей и абразива, сопровождающих процесс шлифования. Естественно, после загрязнения этих зазоров и исчезновения температурных деформаций подвижная втулка не займет исходное положение. Тем самым произойдет нежелательная коррекция регулировочного кольца с автоматическим влиянием на величину оптимального несущего зазора электрошпинделя. Надо отметить, что этот негативный процесс с длительностью работы устройства нарастает, что приводит к снижению ее работоспособности. При этом подшипники с газовой смазкой имеют ограничения по несущей способности.
Наиболее близким к данному изобретению устройством является электрошпиндель, содержащий корпус, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный полузакрытыми пазами, в которых размещены катушки обмотки, причем в цилиндрической полости статора с возможностью вращения размещен ротор, подшипниковый узел которого выполнен с возможностью газодинамического поддержания, при этом электрошпиндель снабжен зажимом для фиксации рабочего инструмента (см. патент РФ №2408802, МПК F16C 32/06, 2008).
Недостатком данного устройства является невозможность использования газового слоя в зазоре между статором и ротором для организации газового подшипника, что препятствует повышению его несущей способности и жесткости газового слоя подшипника, и, следовательно, невозможность его использования в мощных электрошпинделях.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение ресурса электрошпинделя за счет использования специально организованного газового подшипника, длительно обеспечивающего высокую надежность работы электрошпинделя, и уменьшения его массогабаритных показателей, а также расширение диапазона применения газовых подшипников на мощные электрошпиндели, имеющие значительные массы ротора.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении ресурса электрошпинделей, в том числе работающих при повышенных и высоких частотах вращения. Одновременно обеспечивается минимальный прогиб ротора, охлаждение ротора и обмотки статора.
Поставленная задача решается тем, что электрошпиндель, содержащий корпус, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный полузакрытыми пазами, в которых размещены катушки обмотки, причем в цилиндрической полости статора с возможностью вращения размещен ротор, подшипниковый узел которого выполнен с возможностью газодинамического поддержания, при этом электрошпиндель снабжен зажимом для фиксации рабочего инструмента, отличается тем, что проводники обмотки каждого паза статора зафиксированы клином и контактирующей с ним шпоночной вставкой, поперечное сечение которой выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки под клином паза, а сечение выступа соответствует сечению шлица паза, причем профиль поверхности выступа шпоночной вставки соответствует поверхности цилиндрической полости сердечника статора, кроме того, поверхность спинки шпоночной вставки по всей ее длине снабжена продольным желобом, открытым во внутреннюю полость корпуса шпинделя, выполненную с возможностью подвода в нее воздуха, кроме того, в полости корпуса электрошпинделя размещены цилиндрические втулки, диаметр полости которых равен диаметру цилиндрической полости сердечника статора, при этом между торцами сердечника статора и обращенными к ним торцами цилиндрических втулок размещены упорные кольца, полость которых превышает диаметр цилиндрической полости сердечника статора, снабженные буртиком, охватывающим часть внешней поверхности втулок, причем упорные кольца выполнены из немагнитного материала и скреплены с сердечником статора, кроме того, цилиндрические втулки установлены с возможностью радиального смещения относительно продольной оси цилиндрической полости сердечника статора, для чего контакты втулок с корпусом, торцевым щитом и буртиками упорных колец снабжены уплотнительными кольцами, выполненными с возможностью упругого деформирования радиально и вдоль продольной оси сердечника статора, кроме того, ротор выполнен с внутренними полостями, для чего он содержит соосные полый вал и обечайку, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, тремя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, ориентированными радиально к продольной оси ротора, кроме того, торцы ротора жестко скреплены с торцевыми крышками, например, вакуумно-диффузионной сваркой, кроме того, одна из торцевых крышек ротора выполнена утолщенной и снабжена зажимом для фиксации рабочего инструмента. Кроме того, на сопряжениях с валом и обечайкой толщина перемычек плавно увеличивается к контактируемым с ними поверхностям. При этом ротор выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «…проводники обмотки каждого паза статора зафиксированы клином и контактирующей с ним шпоночной вставкой…» обеспечивают удержание проводников обмотки каждого паза в его полости и возможность монтажа обмотки статора.
Признаки, указывающие, что поперечное сечение шпоночной вставки «выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки под клином паза, а сечение выступа соответствует сечению шлица паза…» обеспечивают надежное удержание шпонки в пазу, исключающее возможность ее произвольного радиального смещения в направлении поверхности ротора.
Признак, указывающий, что «поверхность выступа шпоночной вставки соответствует поверхности цилиндрической полости сердечника статора», обеспечивает «цилиндричность» полости статора, в которой размещен ротор, и тем самым обеспечивает условия для использования газового слоя в зазоре между статором и ротором для организации газового подшипника.
Признаки, указывающие, что «поверхность спинки шпоночной вставки по всей ее длине снабжена продольным желобом, открытым во внутреннюю полость корпуса шпинделя, выполненную с возможностью подвода в нее воздуха», обеспечивают возможность охлаждения обмотки.
Признаки, указывающие, что «в полости корпуса шпинделя установлены цилиндрические втулки, внутренний диаметр полости которых равен диаметру цилиндрической полости сердечника статора», обеспечивают возможность использования поверхности внутренней полости цилиндрических втулок для увеличения площади опорной поверхности газового подшипника с целью увеличения его несущей способности.
Признаки, указывающие, что «между торцами сердечника статора и обращенными к ним торцами цилиндрических втулок размещены упорные кольца, полость которых превышает диаметр цилиндрической полости сердечника статора», обеспечивают «формирование» кольцевой канавки, для сбора воздуха из рабочего зазора подшипника.
Признаки, указывающие, что упорные кольца снабжены «буртиком, охватывающим часть внешней поверхности втулки, причем упорные кольца выполнены из немагнитного материала и скреплены с сердечником статора», обеспечивают возможность надежного продольного и радиального «подрессоривания» концов цилиндрических втулок при использовании упругих уплотнительных колец для обеспечении герметичности этого стыка, при этом исключается разрушение уплотнительных колец.
Признаки, указывающие, что «цилиндрические втулки установлены с возможностью радиального смещения относительно продольной оси цилиндрической полости сердечника статора, для чего контакты втулок с корпусом, торцевым щитом и буртиками упорных колец снабжены уплотнительными кольцами, выполненными с возможностью упругого деформирования радиально и вдоль продольной оси сердечника статора», обеспечивают повышение устойчивости ротора за счет демпфирования резиновыми уплотнительными кольцами.
Признаки, указывающие, что «ротор выполнен с внутренними полостями, для чего он содержит соосные полый вал и обечайку, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, тремя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, ориентированными радиально к продольной оси ротора», способствуют уменьшению массы и массовых моментов инерции ротора и тем самым расширяют диапазон устойчивости ротора в форме «полускоростного вихря» и повышают запас статической несущей способности газодинамического подшипника при незначительном снижении прочности ротора по сравнению со сплошным цельнокованым, кроме того, такая конструкция препятствует значительной деформации ротора в радиальном направлении от центробежных сил, тем самым предотвращая заклинивание газового подшипника.
Признаки, указывающие, что «торцы ротора жестко скреплены с торцевыми крышками, например, вакуумно-диффузионной сваркой», обеспечивают повышение прочности конструкции ротора.
Признаки, указывающие, что «одна из торцевых крышек ротора выполнена утолщенной и снабжена зажимом для фиксации рабочего инструмента», обеспечивают возможность выполнения заявленным устройством функций шпинделя.
Признаки второго пункта формулы изобретения способствуют повышению прочности ротора.
Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают эффективное вращение ротора.
На фиг.1 показан продольный разрез электрошпинделя, на фиг.2 - поперечный разрез.
На чертежах показаны корпус 1, сердечник статора 2, пазы 3, обмотки 4, клинья 5, шпоночные вставки 6, выступ 7, желоб 8, цилиндрические втулки 9, 10, упорные кольца 11, 12, буртики 13, торцевой щит 14, уплотнительные кольца 15, 16, 17, 18, вал 19, обечайка 20, перемычки 21, торцевые крышки 22, 23, зажим 24, зазор 25, лепестковые газодинамические подшипники (ЛТП) 26, 27, упорный диск 28, вентилятор 29, фильтр 30, отверстия 31, полость 32, нажимные листы 33, 34, бурт 35 корпуса 1, разрезное кольцо 36.
Электрошпиндель содержит герметичный корпус 1, в полости которого размещен сердечник статора 2 из электротехнической стали (см. фиг.1, фиг.2). По внешнему диаметру статора 2 опирается на корпус шпинделя 1, а по внутреннему диаметру имеет антифрикционное покрытие зубцов, например, антифрикционным материалом ВАП-3. Сердечник статора 2 снабжен полузакрытыми пазами 3, в которых размещены катушки обмотки 4.
Проводники обмотки 4 каждого паза 3 статора 2 зафиксированы пазовым клином 5 и контактирующей с ним шпоночной вставкой 6, поперечное сечение которой выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки 6 в продольной полости паза 3, а сечение выступа 7 соответствует сечению шлица паза 3, причем поверхность выступа шпоночной вставки 6 соответствует поверхности цилиндрической полости сердечника статора 2. Поверхность спинки шпоночной вставки 6 по всей ее длине снабжена продольным желобом 8, открытым во внутреннюю полость корпуса 1 электрошпинделя, выполненную с возможностью подвода в нее воздуха. В полости корпуса 1 электрошпинделя установлены цилиндрические втулки 9,10, внутренний диаметр полости которых равен диаметру цилиндрической полости сердечника статора 2. Между торцами сердечника статора 2 и обращенными к ним торцами цилиндрических втулок 9, 10 размещены упорные кольца 11, 12, полость которых превышает диаметр цилиндрической полости сердечника статора 2, снабженные буртиками 13, охватывающими часть внешней поверхности втулок 9, 10, причем упорные кольца 11 и 12 выполнены из немагнитного материала и скреплены с сердечником статора 2. Кроме того, цилиндрические втулки 9 и 10 установлены с возможностью радиального смещения относительно продольной оси цилиндрической полости сердечника статора 2, для чего контакты втулок 9 и 10 с корпусом 1, торцевым щитом 14 и буртиками 13 упорных колец 11, 12 снабжены уплотнительными кольцами 15, 16, 17, 18, выполненными с возможностью упругого деформирования радиально и вдоль продольной оси сердечника статора 2. В цилиндрической полости статора 2 с возможностью вращения размещен ротор, подшипниковый узел которого выполнен с возможностью газодинамического поддержания. Ротор выполнен с внутренними полостями, для чего он содержит соосные вал 19 и обечайку 20, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, тремя равноудаленными друг от друга перемычками 21, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, ориентированными радиально к продольной оси ротора. Торцы ротора жестко скреплены с торцевыми крышками 22, 23, например, вакуумно-диффузионной сваркой, кроме того, одна из торцевых крышек 22 ротора выполнена утолщенной и снабжена зажимом 24 для фиксации рабочего инструмента, например цанговым.
Кроме того, на сопряжениях с полым валом 19 и обечайкой 20 толщина перемычек 21 плавно увеличивается к контактируемым с ними поверхностям. При этом ротор выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из сплава 48КНФ.
Между наружной цилиндрической поверхностью обечайки 20 и внутренней поверхностью зубцов статора 2, шпоночными вставками 6, цилиндрическими втулками 9, 10 имеется небольшой зазор 25. Газовый подшипник составляют поверхности зубцов сердечника статора 2 и шпоночных вставок 6, обращенные к ротору, внутренняя поверхность которых соответствует кривизне поверхности цилиндра, цилиндрические втулки 9, 10, наружная цилиндрическая поверхность обечайки 20 и зазор 25 между ними.
Осевой подшипниковый узел шпинделя составляют: осевые лепестковые газодинамические подшипники (ЛГП) 26, 27, упорный диск 28. На упорном диске 28 изготовлены лопатки вентилятора 29. При вращении ротора лопатки вентилятора 29 создают разрежение, воздух через фильтр 30, отверстия 31 в корпусе 1 электрошпинделя проходит по продольным желобам 8 и выходит наружу. Для охлаждения корпуса электрошпинделя предусмотрена полость 32 охлаждения деионизированной водой.
Статор собирается в следующем порядке. Из штампованных листов электротехнической стали собирают пакет сердечника статора 2 и устанавливают нажимные листы 33, 34 по торцам и скрепляют их сваркой по канавкам на наружной цилиндрической поверхности сердечника статора 2. Далее в пазы 3 пакета сердечника статора 2 устанавливают пазовую изоляцию, укладывают обмотку 4 статора 2 и заклинивают ее пазовыми клиньями 5. Обмотку 4 статора 2 подвергают пропитке и сушке. Внутрь пазов 3 статора 2 под клинья 5 плотно устанавливают на клей шпоночные вставки 6. Затем шлифуют внутреннюю цилиндрическую поверхность сердечника статора 2 и шпоночных вставок 6. Далее внутреннюю цилиндрическую поверхность зубцов статора 2 и цилиндрических втулок 9, 10, шпоночных вставок 6 покрывают антифрикционным материалом, например ВАП-3. К торцам сердечника статора приклеивают упорные кольца 11 и 12, выполненные из изоляционного немагнитного материала, например стеклотекстолита, концентрично к внутренней цилиндрической поверхности статора 2. Под упорное кольцо 11 вплотную к нему вставляют цилиндрическую втулку 9 с надетыми на нее уплотнительными резиновыми кольцами 15, 16. Собранный пакет вставляют в корпус 1 электрошпинделя до упора в бурт 35 корпуса 1 электрошпинделя. Полученный комплект фиксируют в корпусе 1 электрошпинделя с помощью разрезного кольца 36. На втулку 10 надевают уплотнительные резиновые кольца 17, 18 и прижимают ее к упорному кольцу 12. Устанавливают торцевой щит 14.
Короткозамкнутый ферромагнитный ротор асинхронного двигателя изготавливают в следующем порядке. Цилиндрическую заготовку ротора подвергают механической обработке, в процессе которой в цилиндре сверлят центральное отверстие, а также равномерно расположенные отверстия вокруг центрального. Далее эти отверстия фрезеруют с целью получения пазов 3 грушевидной формы. Наконец, к полученной заготовке с торцов приваривают крышку 22, снабженную цанговым зажимом 24, и крышку 23. Наружную поверхность ротора шлифуют для получения необходимой геометрии и шероховатости поверхности.
Работает электрошпиндель следующим образом. При подаче напряжения на обмотку статора 2 ротор начинает вращаться. Воздух, поступающий в зазор 25 с торцев подшипника, создает подъемную силу за счет вращения ротора и разности зазоров в верхней и нижней частях подшипника, обеспечивающую поддержание ротора в подвешенном положении относительно статора 2. Воздух через фильтр 30 за счет разрежения, создаваемого лопатками вентилятора 29, поступает в корпус 1 электрошпинделя через отверстия 31, проходит в зоне лобовой части обмотки статора 2, а также в желобах 8 под пазовыми клиньями 5 сердечника статора 2 и выходит наружу. Охлаждающий воздух отнимает тепло от сердечника статора 2 и обмотки 4, обеспечивая на допустимом уровне нагрев обмотки 4 и сердечника статора 2 и короткозамкнутого ферромагнитного ротора и тем самым обеспечивая постоянный зазор газового подшипника при эксплуатации. Работа асинхронного двигателя не отличается от работы аналогичных устройств.