ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к шпиндельному узлу, а более конкретно, к шпиндельному устройству, в котором используются воздушные подшипники в качестве средства для обеспечения опоры для шпинделя, указанный шпиндельный узел может быть использован на станках для высокоскоростной обработки, таких как станок для сверления печатных плат.
Уровень техники
По мере развития и совершенствования технологии возрастает спрос на высокоточные электронные устройства. Данный рост спроса делает более важным процесс сверления важных компонентов в устройстве. На практике печатную плату рассматривают как один из основных элементов в большинстве электронных устройств. Процесс сверления печатных плат имеет очень важное значение и должен быть высокоточным при хорошей производительности. Шпиндельный узел со сверлом, вращающимся с высокой скоростью, представляет собой основу высокоскоростных процессов сверления. В настоящее время известно, что использование воздушных подшипников в качестве средства для обеспечения опоры для шпинделя, который вращается внутри шпиндельного узла, может эффективно обеспечить высокоскоростные и высокоточные процессы сверления.
На фиг.1 показано поперечное сечение известного шпиндельного узла для сверления, в котором используются воздушные подшипники А, В и С для обеспечения опоры для шпинделя
1 с возможностью его вращения в камере 11, образованной во внутреннем пространстве корпуса 10. Шпиндельное устройство включает в себя цилиндрический двигатель для приведения шпинделя 1 во вращение. При подаче мощности к обмотке 12, приводного двигателя (статору) в корпусе 10 шпиндель 1, имеющий наружное кольцо 9 (ротор), выполненное из металла или проводящего материала, такого как медь, приводится во вращение на оси 0. Сверло 3, прикрепленное к концу 2 шпинделя 1, впоследствии может быть приведено во вращение вместе с вращением шпинделя 1. Когда воздух или газ под давлением подают к впускам 14 и 16 для воздуха шпиндельного устройства, воздух под давлением затем выпускается из выпусков 13 и 15 для воздуха в воздушных подшипниках А, В и С, так что шпиндель 1 опирается на воздушные подушки во время вращения его в камере 11. Указанные воздушные подшипники А и В (радиальный подшипник) могут поддерживать шпиндель 1 в радиальном направлении, в то время как указанный воздушный подшипник С (аксиальный подшипник) поддерживает шпиндель 1 в его осевом направлении посредством выпуска воздуха под давлением из выпусков 15 для воздуха к фланцу 4 шпинделя 1. Шпиндель 1 поддерживается или подвешен с возможностью вращения в радиальном и осевом направлениях. Шпиндельное устройство может быть установлено на или присоединено к сверлильному станку (не показан), на котором оно может быть дополнительно приведено в действие посредством линейного двигателя для перемещения вверх и вниз в осевом направлении шпинделя и для выполнения сверления обрабатываемой детали (не показана), такой как печатная плата, расположенной внизу. Когда шпиндельное устройство вращается с
высокими скоростями, например, тысячи или десятки тысяч оборотов в минуту, точность компонентов, конструктивная целостность и устойчивость представляют собой важные факторы, которые следует принимать во внимание при его проектировании и создании.
Сверлильные станки или шпиндельные устройства имеют свои преимущества и недостатки. Специалисту в данной области техники известно, что теплота, выделяющаяся во время процесса сверления, может существенно повлиять на долговечность шпинделя и его эксплуатационные характеристики. Теплота главным образом вызывается (1) обмоткой 12 приводного двигателя во время его работы и (2) трением между сверлом 3 шпинделя и обрабатываемой деталью во время процесса сверления. Несмотря на то, что большая часть компонентов в шпиндельном устройстве выполнена из металла или металлического сплава, теплота и высокая температура могут сильно повлиять на механические свойства данных компонентов и могут, в свою очередь, вызвать уменьшение их долговечности. По мере износа деталей существует возможность уменьшения точности процесса сверления и просверленных отверстий, и сверло может подвергнуться растрескиванию или даже сломаться во время процесса сверления. Влияние теплоты и высокой температуры на механические свойства и жесткость шпиндельного устройства, в особенности компонентов двигателя 12, воздушных подшипников А, В и С и сверла 3, следует тщательно контролировать для избежания ненадлежащей работы. Следовательно, существует необходимость в создании эффективной системы охлаждения для шпиндельного устройства при одновременном сохранении точности компонентов и конструктивной целостности устройства.
В патенте США 5798587 раскрыта «Конструкция с охлаждающим контуром для высокоскоростного шпинделя», которая обеспечивает получение охлаждающего контура с тремя группами зон охлаждения, из которых первая группа представляет собой зону охлаждения переднего подшипника, вторая группа представляет собой зону охлаждения двигателя, и третья группа представляет собой зону охлаждения заднего подшипника. Охлаждающая текучая среда, подаваемая из выпуска холодильной установки, проходит через задний конец шпинделя в зону охлаждения переднего подшипника, затем проходит в зону охлаждения двигателя и после этого поступает в зону охлаждения заднего подшипника. Охлаждающая текучая среда проходит обратно во впуск холодильной установки, в результате чего образуется охлаждающий контур с регулированием температуры. Указанный охлаждающий контур обеспечивает охлаждение обмотки приводного двигателя и подшипников. Тем не менее, вследствие конструктивных ограничений контура необходимо выполнить подобный охлаждающий контур так, чтобы он окружал внутренние компоненты шпиндельного устройства, с тем, чтобы обеспечить необходимое охлаждение. Это неблагоприятно в случае шпиндельных узлов, в которых используются воздушные подшипники и требуется высокая точность в пространствах между компонентами. В частности, необходимо выполнить охлаждающий контур спиральной формы, который в основном выполнен из металла или проводящего материала, с точными размерами, чтобы он соответствовал компонентам шпиндельного устройства, что привело бы к большим затратам на изготовление и, возможно, даже к уменьшению общей конструктивной целостности устройства, поскольку добавляется
дополнительная масса, и сложность повышается. Кроме того, указанный охлаждающий контур не обеспечивает практическое решение для шпиндельных устройств, в которых используются воздушные подшипники. В частности, несмотря на то, что наружные периферии воздушных подшипников имеют впуски для воздуха для обеспечения возможности поступления воздуха, указанный охлаждающий контур может перекрыть впускные каналы воздушных подшипников, поскольку контур окружает наружную поверхность подшипников. Введение охлаждающего контура в шпиндельное устройство с воздушными подшипниками может существенно повлиять на эксплуатационные характеристики подшипников и, следовательно, вызвать уменьшение их жесткости. Кроме того, циркуляция охлаждающей текучей среды может быть заблокирована, если, например, в части контура возникнет трещина, и утечка охлаждающей текучей среды может вызвать нарушение нормальной работы шпинделя. Существует необходимость в создании более эффективной системы охлаждения для шпиндельного узла при одновременном сохранении конструктивной целостности устройства.
В патенте США 6373158 раскрыт «Главный вал двигателя, снабженный средствами быстрого охлаждения», отличающийся множеством микроребер, выполненных внутри шпиндельного устройства для предотвращения перегрева главного вала или шпинделя при движении, поскольку микроребра служат для ускорения конвективной теплопередачи. Микроребра расположены рядом с обмоткой (статором) приводного двигателя и подшипниками в корпусе так, что данные ребра создают большую площадь поверхности для лучшего рассеяния тепла. Тем не менее, подобная
конструкция или использование микроребер не могут обеспечить эффективное и экономичное рассеяние тепла. Во-первых, микроребра расположены внутри шпиндельного устройства, имеющего незначительную циркуляцию или конвекцию воздуха, следовательно, теплопроводность или рассеяние тепла, обеспечиваемое микроребрами, ограничено. Кроме того, микроребра предназначены главным образом для колесных подшипников, и их использование в шпинделях с воздушными подшипниками может помешать креплению воздушных подшипников к корпусу и отводу воздуха от периферийных поверхностей, что приводит к снижению жесткости, эксплуатационных характеристик и точности подшипников. В завершение, образование и конфигурация микроребер на внутренней поверхности корпуса устройства могут потребовать более высоких затрат при изготовлении и эксплуатации, что нежелательно.
Для высокоскоростного шпиндельного устройства, в котором используются воздушные подшипники, также желательно увеличить приток воздуха в воздушные подшипники. Другими словами, существует необходимость в увеличении количества воздуха, поступающего в воздушные подшипники, для повышения устойчивости шпинделя, вращающегося с высокой скоростью внутри устройства.
Специалисту в данной области техники известно, что, несмотря на то, что воздушные подшипники, в которых воздух или газ используется в качестве поддерживающей среды, обычно имеют «более чистую» рабочую среду, чем другие типы подшипников, такие как колесные подшипники, в которых используется масло в качестве смазки, воздушные подшипники могут все же быть повреждены вследствие продолжительного подвергания их воздействию примесей
и частиц изнашивания в воздухе или газе. Следовательно, существует необходимость в создании шпиндельного узла, имеющего конструкцию, которую легко собирать, повторно собирать, ремонтировать, и для которой легко обеспечить техническое обслуживание.
Сущность полезной модели
Согласно одному варианту настоящей полезной модели предложен шпиндельный узел с системой охлаждения, выполненной с возможностью охлаждения высокоскоростного шпинделя с воздушными подшипниками.
Согласно другому варианту настоящей полезной модели предложена система охлаждения, объединенная в одно целое со шпиндельным узлом с воздушными подшипниками так, что система охлаждения выполнена с возможностью охлаждения обмотки (статора) приводного двигателя, конца шпинделя со сверлом и/или воздушных подшипников рядом с концом шпинделя. В системе охлаждения можно использовать любое известное охлаждающее средство, включая воду или масло. Поскольку подобная система охлаждения введена, шпиндельный узел согласно настоящей полезной модели выполнен с усовершенствованной конструкцией, имеющей воздушные подшипники, выполненные с возможностью увеличения воздушных потоков для поддержания шпинделя. Кроме того, шпиндельное устройство может быть выполнено с возможностью прохождения охлаждающего средства через его компоненты. Кроме того, шпиндельный узел может быть присоединен к сверлильному станку, например, к высокоскоростному станку для сверления печатных плат.
Согласно одному варианту настоящей полезной модели
шпиндельный узел снабжен системой охлаждения, выполненной с возможностью охлаждения компонентов шпиндельного узла, в частности, обмотки привода и воздушных подшипников. В частности, зона, окружающая обмотку привода, может быть охлаждена посредством контактного охлаждения. Воздушные подшипники, в частности, подшипник, находящийся рядом с концом шпинделя, поддержан с возможностью вращения внутри шпиндельного узла, могут охлаждаться, поскольку обеспечивается возможность прохождения охлаждающего средства по каналам для охлаждающего средства в подшипники, имеющие камеры для охлаждающего средства, выполненные с возможностью окружения конца шпинделя.
Согласно одному варианту осуществления настоящей полезной модели шпиндельный узел содержит корпус, охлаждающий цилиндр, закрепленный внутри корпуса, обмотку привода (статор), закрывающую, по меньшей мере, часть внутренней поверхности корпуса, множество воздушных подшипников, установленных внутри корпуса, и шпиндель (ротор), установленный с возможностью вращения внутри обмотки приводного двигателя в корпусе, при этом корпус включает в себя, по меньшей мере, один впуск для воздуха, по меньшей мере, один впуск для охлаждающего средства и, по меньшей мере, один выпуск для охлаждающего средства; охлаждающий цилиндр дополнительно содержит каналы для воздуха, имеющие, по меньшей мере, одно отверстие для воздуха, соединенное по текучей среде с впуском для воздуха корпуса для обеспечения прохождения воздуха к множеству воздушных подшипников, охлаждающий цилиндр включает в себя канал для охлаждения обмотки, который обеспечивает направление охлаждающего средства, проходящего от
впуска для охлаждающего средства к наружной поверхности обмотки приводного двигателя; охлаждающий цилиндр также включает в себя канал для охлаждения подшипников, обеспечивающий прохождение охлаждающего средства от впуска для охлаждающего средства корпуса к, по меньшей мере, одному из множества воздушных подшипников. Согласно одному варианту осуществления настоящей полезной модели каждый из множества воздушных подшипников содержит множество впускных и эжекционных отверстий, соединенных по текучей среде с отверстиями для воздуха охлаждающего цилиндра и с отверстием для воздуха корпуса; по меньшей мере, один из указанных воздушных подшипников выполнен с пазом на наружной поверхности для увеличения величины притока воздуха. Согласно одному варианту осуществления охлаждающий цилиндр и воздушные подшипники выполнены с возможностью прохождения воздушных потоков от отверстия для воздуха корпуса к впускным отверстиям воздушного подшипника при одновременном предотвращении поступления охлаждающего средства, проходящего через охлаждающий цилиндр, во впускные отверстия воздушных подшипников или блокирования охлаждающим средством впускных отверстий воздушных подшипников. Согласно другому варианту осуществления наружное кольцо обмотки привода выполнено с возможностью прикрепления к охлаждающему цилиндру и выполнено с возможностью функционирования в качестве зоны взаимодействия для направления охлаждающего средства, проходящего через него. Согласно одному варианту выполнения корпус может дополнительно включать в себя основание для крепления, предназначенное для крепления к сверлильному станку. Согласно другому варианту осуществления
впуск для воздуха, впуск и выпуск для охлаждающего средства, выполненные в корпусе, расположены на основании корпуса. Согласно одному варианту осуществления, по меньшей мере, часть шпинделя выполнена из проводящего материала, обеспечивающего облегчение приведения в действие шпинделя, инициируемого обмоткой привода.
Согласно другому варианту осуществления настоящей полезной модели шпиндельный узел содержит передний подшипник, задний подшипник и упорный подшипник, при этом задний подшипник выполнен с возможностью поддержания шпинделя в боковом направлении внутри корпуса, передний подшипник также выполнен с возможностью поддержания шпинделя в боковом направлении, а также обеспечения опоры для шпинделя в осевом направлении внутри корпуса во взаимодействии с упорным подшипником. Впускные и эжекционные отверстия подшипника соединены по текучей среде. Согласно одному варианту осуществления диаметр впускного отверстия предпочтительно меньше диаметра соответствующего эжекционного отверстия с тем, чтобы создать или обеспечить сопловой эффект. Согласно одному варианту одна сторона упорного подшипника включает в себя отверстие для охлаждающего средства, соединенное по текучей среде с каналом для охлаждения подшипников охлаждающего цилиндра, так что охлаждающее средство проходит через камеру охлаждения рядом с концом шпинделя, в результате чего обеспечивается кондуктивное охлаждение конца шпинделя, снабженного сверлом. Согласно другому варианту осуществления упорный подшипник дополнительно включает в себя паз для воздуха, соединенный по текучей среде с впускными
отверстиями, так что величина поступления воздуха увеличивается. Согласно одному варианту осуществления шпиндель включает в себя фланец между передним подшипником и упорным подшипником, при этом фланец расположен внутри дистанционного кольца, имеющего толщину, по существу, равную или превышающую толщину фланца для размещения фланца в данном кольце. В одном варианте осуществления дистанционное кольцо дополнительно включает в себя, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для охлаждающего средства, соединенное по текучей среде с каналом для охлаждающего средства подшипника.
Согласно одному варианту настоящего изобретения шпиндельный узел снабжен системой охлаждения, при этом величина притока воздуха в воздушные подшипники может быть увеличена. Согласно одному варианту осуществления шпиндельный узел содержит, по меньшей мере, один радиальный подшипник для поддержания шпинделя в боковом направлении и, по меньшей мере, один осевой подшипник для поддержания шпинделя в осевом направлении внутри корпуса, при этом наружная периферийная поверхность подшипников включает в себя паз для увеличения пространства для удержания воздуха, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение величины притока воздуха; наружная поверхность подшипника выполнена с возможностью прикрепления к охлаждающему цилиндру. Согласно другому варианту осуществления шпиндельный узел содержит передний подшипник, задний подшипник и упорный подшипник, при этом передний подшипник выполнен с возможностью поддержания шпинделя в боковом направлении, а также в осевом направлении во взаимодействии с упорным подшипником; наружные периферийные
поверхности заднего и переднего подшипников дополнительно включают в себя, по меньшей мере, паз для увеличения величины притока воздуха; и упорный подшипник дополнительно включает в себя паз для воздуха, соединенный по текучей среде с впускными отверстиями подшипника для эффективного обеспечения эжекции воздуха в эжекционных отверстиях.
Согласно другому варианту настоящей полезной модели шпиндельный узел снабжен системой охлаждения при одновременном сохранении конструктивной целостности и механических свойств узла. Как указано в описании вышеупомянутых вариантов осуществления, система охлаждения может быть объединена в одно целое со шпиндельным узлом; в частности, охлаждающий цилиндр, воздушные подшипники и обмотка привода выполнены с возможностью объединения системы охлаждения в одно целое со шпиндельным узлом. В результате объединения в одно целое сохраняются общая конструктивная целостность и точность. Кроме того, может поддерживаться жесткость воздушных подшипников при увеличении притоков воздуха.
Согласно настоящей полезной модели предложен шпиндельный узел, имеющий высокоточные компоненты и конструкцию. В шпиндельном узле используются воздушные подшипники, и данный шпиндельный узел может быть использован на сверлильном станке с частотой вращения, достигающей 20,000-160,000 об/мин или более.
Согласно другому варианту настоящей полезной модели предложен шпиндельный узел, обеспечивающий легкую сборку, повторную сборку, техническое обслуживание и ремонт. Никакие наружные или дополнительные трубы, ребра или конструктивные
элементы, вызывающие уменьшение общей целостности или увеличение степени сложности узла, не введены в шпиндельный узел. Посредством выполнения компонентов шпиндельного узла, соединенных или скрепленных друг с другом с возможностью отсоединения, поддержания высокой точности каждого компонента и выполнения каждого компонента четко в соответствии с соответствующими ему функциями можно легко собрать всю конструкцию шпиндельного узла.
Выше описаны предпочтительные варианты осуществления настоящей полезной модели, и их не следует рассматривать как ограничивающие полезную модель. Вышеупомянутые варианты осуществления могут быть реализованы различными способами, при этом их, тем не менее, следует рассматривать как часть объема настоящей полезной модели. Подробности вышеупомянутых вариантов осуществления приведены ниже для дополнительного разъяснения    настоящей полезной модели.
Краткое описание чертежей
Настоящая полезная модель может быть реализована в различных вариантах, и детали предпочтительных вариантов осуществления описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи. Чертежи показывают и изображают только предпочтительные варианты осуществления изобретения, и их не следует рассматривать как ограничивающие объем.
Фиг.1 представляет собой поперечное сечение известного шпиндельного устройства для сверления;
Фиг.2 представляет собой поперечное сечение предпочтительного варианта выполнения шпиндельного узла согласно
настоящей полезной модели;
Фиг.3 представляет собой поперечное сечение предпочтительного варианта осуществления шпинделя шпиндельного узла, выполненное вдоль оси О вращения;
Фиг.4 представляет собой поперечное сечение предпочтительного варианта осуществления корпуса шпиндельного узла, выполненное вдоль оси;
Фиг.5 представляет собой вид сбоку предпочтительного варианта осуществления обмотки привода шпиндельного узла;
Фиг.6 представляет собой поперечное сечение другого предпочтительного варианта осуществления шпиндельного узла;
Фиг.7 представляет собой вид в перспективе другого предпочтительного варианта осуществления шпиндельного узла, выполненный с пространственным разделением элементов;
Фиг.8А представляет собой вид сверху предпочтительного варианта осуществления воздушного подшипника/заднего подшипника шпиндельного узла;
Фиг.8В представляет собой выполненное по линии А-А поперечное сечение воздушного подшипника/заднего подшипника, показанного на фиг.8А;
Фиг.9А представляет собой вид сверху предпочтительного варианта осуществления воздушного подшипника/переднего подшипника шпиндельного узла;
Фиг.9В представляет собой выполненное по линии А-А поперечное сечение воздушного подшипника/переднего подшипника, показанного на фиг.9А;
Фиг.10А представляет собой вид сверху предпочтительного
варианта осуществления воздушного подшипника/упорного подшипника шпиндельного узла;
Фиг.10В представляет собой выполненное по линии А-А поперечное сечение воздушного подшипника/упорного подшипника, показанного на фиг.10А; и
Фиг.11 представляет собой вид сверху другого предпочтительного варианта осуществления воздушного подшипника/упорного подшипника шпиндельного узла.
Описание вариантов осуществления полезной модели
Настоящая полезная модель относится к шпиндельному узлу для сверлильного станка. Шпиндельный узел, в котором воздушные подшипники используются в качестве средства для поддержания шпинделя с возможностью вращения, объединен в одно целое с системой охлаждения. Шпиндельный узел обеспечивает высокоточный шпиндель, выполненный с возможностью вращения с высокими скоростями, и может быть использован на сверлильном станке для высокоскоростной обработки, таком как станок для сверления печатных плат. Ниже описаны подробности предпочтительных вариантов осуществления настоящей полезной модели, и для ясности они могут быть рассмотрены со ссылкой на сопровождающие чертежи. Следует понимать, что описанные предпочтительные варианты осуществления представлены только как приведенные в качестве примера варианты осуществления, следовательно, любую модификацию или реализацию вариантов осуществления на практике по-прежнему следует рассматривать как находящиеся в пределах объема настоящей полезной модели.
Во-первых, на фиг.12 показано поперечное сечение
предпочтительного варианта осуществления шпиндельного узла 10 согласно настоящей полезной модели. Шпиндельный узел 10 содержит корпус 20, включающий в себя впуск 22 для воздуха, впуск 24 для охлаждающего средства и выпуск 26 для охлаждающего средства. Охлаждающий цилиндр 30 с наружной поверхностью 31 присоединен к корпусу 20 и включает в себя канал 39 для воздуха и отверстия 32 для воздуха, соединенные по текучей среде с впуском 22 для воздуха корпуса 20; охлаждающий цилиндр 30 дополнительно включает в себя каналы 34 для охлаждения обмотки и каналы 36 для охлаждения подшипников, соединенные по текучей среде с впуском 24 для охлаждающего средства, а также с выпуском 26 для охлаждающего средства корпуса 20 (как показано на фиг.2, выпуск 26 для охлаждающего средства расположен рядом с впуском 24 для охлаждающего средства с другой стороны). Обмотка 40 привода (статор) присоединена к внутренней стороне охлаждающего цилиндра 30 и включает в себя наружное кольцо 42, выполненное с возможностью образования зоны взаимодействия между каналами 34 для охлаждения обмотки охлаждающего цилиндра 30. Шпиндель 50 (ротор) поддерживается с возможностью вращения воздушными подшипниками 70, 80, 90 и расположен внутри обмотки 40 привода и включает в себя фланцевую часть 52, выступающую в боковом направлении от наружной поверхности 51 шпинделя 50. Воздушные подшипники 70, 80 и 90 могут включать в себя радиальные подшипники 70, 80, расположенные у двух соответствующих концов 43, 45 обмотки 40 привода для поддержания шпинделя 50 в боковом направлении, и осевой подшипник 90, расположенный вокруг фланцевой части 52 шпинделя 50 для поддержания шпинделя 50 в
осевом направлении.
Согласно одному варианту осуществления каждый из радиальных подшипников 70 и 80 может содержать наружную периферийную поверхность, имеющую множество отверстий для впуска воздуха, обозначенных соответственно 73, 83, и внутреннюю периферийную поверхность с множеством эжекционных отверстий, обозначенных соответственно 75, 85. Впускные отверстия 73, 83 подшипников соединены по текучей среде с каналом 39 для воздуха и отверстиями 32 для воздуха охлаждающего цилиндра 30, и впускные отверстия 73, 83 соединены; по текучей среде с соответствующими им эжекционными отверстиями 75, 85 в подшипниках. Согласно одному варианту осуществления эжекционные отверстия, по существу, параллельны боковому или радиальному направлению шпинделя 50, так что воздух, выпущенный из эжекционных отверстий 75, 85, обеспечивает поддержание шпинделя 50 в боковом направлении. Осевой подшипник 90 может содержать множество впускных отверстий 93 и множество эжекционных отверстий 95. Аналогично, впускные отверстия 93 осевого подшипника 90 соединены по текучей среде с каналом 39 для воздуха и отверстием 32 для воздуха охлаждающего цилиндра 30, и впускные отверстия 93 соединены по текучей среде с эжекционными отверстиями 95. Согласно одному варианту осуществления эжекционные отверстия 95 осевого подшипника 90, по существу, перпендикулярны фланцевой части 52 шпинделя 50, так что воздух, выпущенный из эжекционных отверстий 95, может поддерживать шпиндель 50 в его осевом направлении или направлении вращения внутри корпуса 20. Для снижения температуры шпинделя 50 со сверлом 55, прикрепленным к
концу 57 во время его работы, осевой подшипник 90 дополнительно включает в себя канал 96 для охлаждающего средства и камеру 91 для охлаждающего средства, соединенные по текучей среде друг с другом и с каналом 36 для охлаждения подшипников охлаждающего цилиндра 30. Следовательно, охлаждающее средство из впуска 24 для охлаждающего средства корпуса 20 может проходить через охлаждающий цилиндр 30 и поступать в осевой подшипник 90 и, в частности, в камеру 91 охлаждения, так что зоны, соседние с камерой 91 охлаждения, могут быть впоследствии охлаждены во время работы шпиндельного угла 10; другими словами, температуру на конце 57 шпинделя 50 можно снизить, когда охлаждающее средство проходит через камеру 91 охлаждения осевого подшипника 90 и внутри нее посредством контактного и/или кондуктивного охлаждения.
Что касается работы воздушных подшипников шпиндельного узла, то в одном варианте осуществления при поступлении воздуха под давлением во впуск 22 для воздуха корпуса 20 воздух под давлением проходит по каналам 39 для воздуха и выходит в отверстиях 32 для воздуха охлаждающего цилиндра 30. Затем воздух проходит к радиальным подшипникам 70, 80, присоединенным к охлаждающему цилиндру 30 и к осевому подшипнику 90, расположенному вокруг фланцевой части 52 шпинделя 50. Воздух под давлением поступает в радиальные подшипники 70 и 80 из впускных отверстий 73 и 83 на наружных периферийных поверхностях к их соответствующим им эжекционным отверстиям 75 и 85. Аналогично, воздух под давлением поступает в осевой подшипник 90 из впускных отверстий 93 на впускной поверхности 92 и затем выходит или
выпускается из эжекционных отверстий 95. Соответственно, когда воздух выходит из эжекционных отверстий 75 и 85 радиальных подшипников 70 и 80 по направлению к наружной поверхности 51.шпинделя 50, шпиндель 50 опирается на воздушную подушку в его радиальном или боковом направлении. Посредством эжекции воздуха через эжекционные отверстия 95 осевого подшипника 90 по направлению к верхней и нижней поверхностям 58, 59 фланцевой части 52 шпиндель 50 может быть надлежащим образом поддержан в его осевом направлении или в направлении оси О вращения во время его работы. Согласно другому варианту осуществления шпиндельный узел 10 содержит более двух радиальных подшипников и множество осевых подшипников. Согласно другому варианту шпиндельный узел 10 содержит только один единственный радиальный подшипник и один осевой подшипник. Согласно еще одному варианту осуществления шпиндель 50 может включать в себя более одной фланцевой части 52 рядом с осевыми подшипниками 90. Вышеупомянутые эжекционные отверстия 75, 85, 95 могут иметь меньший диаметр по сравнению с диаметром впускных отверстий 73, 83, 93 с тем, чтобы создать или способствовать «сопловому эффекту». Согласно еще одному варианту воздушные подшипники могут дополнительно включать в себя передние подшипники, задние подшипники и упорные подшипники для достижения эффекта радиальных и осевых подшипников; детали подобного варианта осуществления будут рассмотрены ниже.
Когда во время работы шпиндельного узла 10 источник питания, такой как источник питания переменного тока (не показан), обеспечивает подачу тока к обмотке 40 привода (статору), шпиндель 50, по меньшей мере, с частью наружной
поверхности 51, покрытой проводящим материалом 54 (ротором) или выполненной из проводящего материала 54, может быть приведен в действие посредством обмотка 40, или может быть обеспечено его вращение вокруг оси О посредством обмотки 40. Когда шпиндель 50 вращается, он подвешен или поддержан внутри охлаждающего цилиндра 30 и обмотки 40 привода благодаря воздуху под давлением, эжектированному из воздушных подшипников 70, 80 и 90. Вышеупомянутый проводящий материал включает в себя такой материал как медь, металлические сплавы или любые другие проводящие материалы. На фиг.3 показано поперечное сечение одного варианта выполнения шпинделя 50 согласно настоящему изобретению. В одном варианте осуществления проводящий материал нанесен в виде покрытия на наружную поверхность 51 шпинделя 50 для образования проводящей  зоны 54. В другом варианте осуществления наружная поверхность 51 шпинделя 50 полностью покрыта проводящим материалом. В еще одном варианте осуществления шпиндель 50 целиком выполнен из проводящего материала. В результате шпиндель посредством обмотки 40 привода может быть приведен во вращение вокруг оси О. Согласно другому варианту осуществления проводящая зона 54 выполнена с возможностью образования множества полосок, проходящих вдоль оси О на наружной поверхности 51 шпинделя 50. В одном варианте осуществления каждая из множества полосок, окружающих наружную поверхность 51, наклонена: под углом относительно оси О, предпочтительно, например, под углом 5 градусов, так что облегчается или плавно осуществляется инициирование обусловленного возбуждением вращения проводящей зоны 54 и,
следовательно, шпинделя 50. Впоследствии сверло 55, присоединенное к одному концу 57 шпинделя 50, может быть приведено во вращение относительно оси О для выполнения высокоскоростного сверления на обрабатываемой детали (не показана), расположенной под шпинделем.
Как упомянуто выше, обмотка 40 привода представляет собой один из основных источников тепла, вызывающего повышение температуры шпинделя. Таким образом, обязательно должна быть предусмотрена система охлаждения шпиндельного узла. В одном варианте осуществления шпиндельный узел 10 образует одно целое с системой охлаждения, содержащей охлаждающий цилиндр 30, как показано на фиг.2, 4 и: 5. Во-первых, на фиг.2 показан предпочтительный вариант осуществления шпиндельного узла 10, при этом корпус 20 шпиндельного узла 10 содержит впуск 24 для охлаждающего средства и выпуск 26 для охлаждающего средства. Когда охлаждающее средство подается из холодильной установки (не показана), расположенной снаружи по отношению к шпиндельному узлу 10, охлаждающее средство проходит к наружной поверхности 31 охлаждающего цилиндра 30 | через впуск 24 для охлаждающего средства. Другими словами, охлаждающее средство проходит между наружной поверхностью 31 охлаждающего цилиндра 30 и внутренней поверхностью 21 корпуса 20. В предпочтительном варианте выполнения охлаждающего цилиндра 30 наружная поверхность 31 указанного охлаждающего цилиндра 30 включает в себя два противоположных конца 33 и 37, которые выполнены с возможностью присоединения к внутренней поверхности 21 корпуса 20. Например, как показано на фиг.2 и 4, каждый из двух концов 33 и 37
охлаждающего цилиндра 30 может включать в себя уплотнительное кольцо, расположенное на нем и функционирующее как средство взаимодействия между наружной поверхностью 31 охлаждающего цилиндра 30 и внутренней поверхностью 21 корпуса 20. В другом варианте осуществления уплотнительные кольца или средства взаимодействия закреплены с возможностью отсоединения на внутренней поверхности 21 корпуса, а не на концах 33 и 37 охлаждающего цилиндра 30. В одном варианте осуществления указанные уплотнительные кольца могут также функционировать в качестве уплотнения, ограничивающего поток охлаждающего средства между охлаждающим цилиндром 30 и корпусом 20. Следует отметить, что охлаждающий цилиндр 30 также может быть прикреплен к корпусу 20 посредством плотной размерной посадки или запрессовки так, что наружная поверхность 31 охлаждающего цилиндра 30 взаимодействует с внутренней поверхностью 21 корпуса без уплотнительных колец.
Как показано на фиг.4, охлаждающее средство, проходящее между внутренней поверхностью 21 корпуса 20 и наружной поверхностью 31 охлаждающего цилиндра, может быть направлено посредством каналов 34 для охлаждения обмотки так, чтобы оно поступало в охлаждающий цилиндр 30 и доходило до наружного кольца 42 обмотки 40 привода, так что обмотка 40 привода охлаждается за счет контактного охлаждения во время ее работы. В одном варианте осуществления охлаждающий цилиндр 30 может дополнительно включать в себя каналы 36 для охлаждения подшипников, которые обеспечивают возможность прохода охлаждающего средства по каналу 96 для охлаждающего средства
осевого подшипника 90 и в камеру 91 для охлаждающего средства. Как показано на фиг.4, наружная поверхность 31 охлаждающего цилиндра 30 дополнительно включает в себя паз 38 для охлаждающего средства, предназначенный для того, чтобы способствовать проходу охлаждающего средства и направлять охлаждающее средство, проходящее через него. В другом варианте выполнения охлаждающего цилиндра 30 отверстие или вход каналов 34 для охлаждения обмотки и канала 36 для охлаждения подшипников расположены в пазу 38 для охлаждающего средства. Охлаждающий цилиндр 30 дополнительно включает в себя отверстия 32 для воздуха, соединенные по текучей среде с каналом 39 для воздуха, расположенным между наружной и внутренней поверхностями 31, 35 охлаждающего цилиндра 30. Указанный канал 39 для воздуха охлаждающего цилиндра 30 соединен по текучей среде с впуском 22 для воздуха корпуса 20 и с отверстиями 32 для воздуха, так что обеспечивается возможность прохода воздуха внутри охлаждающего цилиндра 30. Поскольку каналы для прохода воздуха и охлаждающего средства отделены, такая конструкция обеспечивает возможность прохождения воздуха внутри охлаждающего цилиндра 30, при этом одновременно обеспечивается возможность поступления охлаждающего средства во внутреннее пространство охлаждающего цилиндра 30 по каналам 34 для охлаждения обмотки. Как было упомянуто ранее,  уплотнительные кольца могут быть введены в качестве средства уплотнения и/или взаимодействия между охлаждающим цилиндром 30 и корпусом 20. Следовательно, [охлаждающее средство может проходить через охлаждающий цилиндр 30, присоединенный к корпусу 20, посредством впуска 24 для охлаждающего средства и выходить на
выпуске 26 для охлаждающего средства во время работы. В другом варианте осуществления охлаждающего цилиндра 30 наружная поверхность 31 или внешняя сторона охлаждающего цилиндра 30 может быть дополнительно покрыта металлическим или неметаллическим красителем для обеспечения возможности лучшего или более плавного прохода охлаждающего средства по охлаждающему цилиндру 30.
На фиг.5 показан предпочтительный вариант выполнения обмотки 40 привода. Как было упомянуто ранее, обмотка 40 привода может представлять собой один из основных источников тепла во время работы шпиндельного узла 10. Когда охлаждающее средство из холодильной установки (не показана) проходит в каналы 34 для охлаждения обмотки охлаждающего цилиндра 30 через впуск 24 для охлаждающего средства корпуса 20, охлаждающее средство контактирует с наружным кольцом 42 обмотки 40 привода и проходит через него перед выходом из охлаждающего цилиндра 30 и корпуса 20 через выпуск 26 для охлаждающего средства, при этом создается охлаждающий контур, объединенный в одно целое со шпиндельным узлом 10. Как показано на фигуре, наружное кольцо 42 образует зону взаимодействия между каналами 34 для охлаждения обмотки охлаждающего цилиндра 30. В одном варианте осуществления наружное кольцо 42 может дополнительно включать в себя паз 48 для охлаждающего средства, предназначенный для того, чтобы способствовать проходу охлаждающего средства и направлять охлаждающее средство, проходящее через него. Кроме того, для обеспечения возможности прохода охлаждающего средства к осевому подшипнику 90, расположенному на одном конце 57 шпинделя 50,
один вариант выполнения охлаждающего цилиндра 30 может включать в себя канал 36 для охлаждения подшипников. В другом варианте каналы 34 для охлаждения обмотки охлаждающего цилиндра 30 расположены над зоной указанного паза 48 на наружном кольце 42 обмотки 40 привода так, что охлаждающее средство может достигать непосредственно паза 48 и приходить в него. В результате обмотка 40 привода эффективно охлаждается посредством непосредственного или контактного охлаждения при проходе охлаждающего средства через нее.
В таблицах 1 и 2 показан эффект и отличие «контактного» охлаждения посредством пропускания охлаждающего средства непосредственно по наружной поверхности обмотки 40 привода. В частности данные, показанные в таблице 1, относятся к варианту осуществления, в котором обеспечивается возможность прохода охлаждающего средства только по наружной поверхности 31 охлаждающего цилиндра 30 без поступления его в канал 34 для охлаждения обмотки и без вхождения охлаждающего средства в непосредственный контакт с обмоткой 40 привода, в то время как таблица 2 относится к варианту осуществления шпиндельного узла 10, в котором обеспечивается возможность прохода охлаждающего средства по каналу 34 для охлаждения обмотки охлаждающего цилиндра 30 и вхождения охлаждающего средства в непосредственный контакт с наружным кольцом 42 для «контактного» охлаждения. При этом значения температуры обмотки 40 привода измеряют и записывают, как показано ниже.
Таблица 1
Температура обмотки привода (обмотка не входит в непосредственный контакт с охлаждающим средством)
Температу охлаждающего средства (°С)
Измеренное сопротивление обмотки (Ом)
Преобразованная температура обмотки (°C)
Температура обмотки привода (обмотка не входит в непосредственный контакт с охлаждающим средством)
18,2
2, 01
66
18,5
1, 98
67
18,7
1,96
67
18, 8
1,95
67
19,1
1,93
67
19,5
1,91
68
19, 8
1, 89
68
20,2
1,87
68
19
1,88
68
18
1, 92
67
16, 9
1, 98
67
Таблица 2
Температура обмотки привода (обмотка входит в непосредственный контакт с охлаждающим средством)
Температура охлаждающего средства (С°)
Измеренное сопротивление обмотки (Ом)
Преобразованная температура обмотки (С°)
Температура обмотки привода (обмотка входит в непосредственный контакт с охлаждающим средством)
16,6
3,62
50
16,8
3,57
50
17
3,52
51
17,2
3,49
51
17,4
3,45
51
17,7
3,43
51
17,9
3,4
52
18,1
3,38
52
18,3
3,36
52
18,5
3,32
52
18,7
3,3
52
18,8
3,28
53
19,1
3,26
53
19,4
3,22
53
19,6
3,2
53
19,7
3,19
53
19,5
3,19
53
19,3
3,2
53
19,1
3,21
53
18,9
3,23
53
18,7
3,25
53
18,5
3,26
53
18,3
3,29
52
18
3,32
52
17,7
3,34
52
17,6
3,37
52
17,4
3,38
52
17,2
3,41
51
Результаты в таблицах 1 и 2 показывают эффективность наличия охлаждающего средства, проходящего непосредственно через обмотку 40 привода с тем, чтобы способствовать рассеянию тепла, выделенного обмоткой 40 привода, в результате «контактного» охлаждения. Например, как выделено в таблице 1, когда температура охлаждающего средства из холодильной установки составляет 19,1°С, температура обмотки составляет 67°С. Когда обмотка охлаждается посредством контактного охлаждения, как показано в таблице 2, температура обмотки падает до 53°С (выделено жирным), когда охлаждающее средство находится при той же температуре 19,1°С. Результаты показывают разницу более чем 10°С. Используемый способ измерений и преобразований температуры относится к принципу «измерения термического сопротивления». Сопротивление обмотки 40 привода измеряют, и оно зависит от известных свойств материала и определяется зависимостью сопротивления материала обмотки от температуры. Соответствующая температура для величины сопротивления может быть вычислена или получена преобразованием. Измерения, при которых используются терморезистивные датчики, также находятся в пределах объема настоящего изобретения. Кроме того, вышеупомянутое охлаждающее средство может представлять собой охлаждающую среду любого типа, включая охлаждающее масло или воду, и температура охлаждающего средства является одним из ключевых свойств. Следует отметить, что вышеописанное измерение и вышеприведенные данные предназначены для иллюстрации эффекта контактного охлаждения обмотки. Любой тип охлаждающего средства может быть использован, и объем настоящего изобретения не должен быть ограничен какими-либо значениями, показанными в таблицах.
На фиг.6-11 показан другой предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг.6 показано поперечное сечение одного варианта выполнения шпиндельного узла 110. Со ссылкой на вышеупомянутый вариант выполнения шпиндельного узла 10 видно, что основное различие между вариантами осуществления главным образом заключается в альтернативных конструкциях, соответственно, корпусов 20, 120 и воздушных подшипников 70, 80, 90 и 170, 180, 190. Согласно одному варианту настоящего изобретения конструкция шпиндельного узла может быть выполнена 1 так, что она позволяет облегчить сборку и техническое обслуживание и при этом имеет систему охлаждения, объединенную с ней в одно целое. В одном варианте осуществления корпус 20, 120 шпиндельного узла 10, 110 может быть выполнен для улучшения конструкции в целом. В другом варианте осуществления величина притоков воздуха в воздушные подшипники 70, 80, 90 и 170, 180, 190 может быть увеличена для обеспечения большей поддержки или эффекта воздушной подушки для шпинделя 50, 150. Кроме того, в еще одном варианте осуществления, по меньшей мере, один из воздушных подшипников, в частности, воздушный подшипник 90, 190, может быть выполнен с обеспечением прохождения охлаждающего средства через него, так что воздушный подшипник и соседняя зона, включая концевую часть 57, 157 шпинделя 50, 150, имеющего сверло 55, 155, впоследствии охлаждаются. Подробности приведены ниже.
Согласно одному варианту осуществления шпиндельный узел 110 включает в себя систему охлаждения обмотки, содержащую охлаждающий цилиндр 130, обмотку 140 привода, впуск 124 для охлаждающего средства, отверстие 126 для выпуска охлаждающего средства, а также другие аналогичные элементы, упомянутые ранее. Кроме того, как показано на фиг.2 и 6, в одном варианте выполнения, шпиндель 50, 150 шпиндельного узла 10, 110 имеет форму полой трубы, в которой может быть расположен пневматический или гидравлический поршневой шток 60, 160. Пневматический или гидравлический поршневой шток 60, 160 представляет собой механизм, предусмотренный для работы сверла 55, 155, закрепленного на конце шпинделя 50, 150 так, что сверло 55, 155 может быть извлечено из шпинделя для замены. Следует понимать, что в другом варианте осуществления шпиндель 50, 150 может быть выполнен сплошным без конфигурации в виде полой трубы и/или поршневого штока 60, 160.
Что касается корпуса 120 шпиндельного узла 110, то в одном варианте осуществления корпус 120 содержит внешний кожух 123 и основание 125 для крепления, подобные показанным на фиг.7. В предпочтительном варианте осуществления внешний кожух 123 может закрывать, по существу, весь охлаждающий цилиндр 130 и воздушные подшипники 170, 180, расположенные на его двух противоположных концах 127, 129. Внешний кожух 123 может дополнительно окружать обмотку 140 привода, присоединенную к внутренней стороне охлаждающего цилиндра 130, может также закрывать, по меньшей мере, часть шпинделя 150, расположенную в ней. В одном варианте осуществления воздушные подшипники 170, 180 и 190 могут быть прикреплены к внешнему кожуху 123 с возможностью отсоединения, например, посредством винтов, болтов или адгезии, для повышения устойчивости и жесткости подшипников. В одном варианте выполнения корпуса 120 указанное основание 125 для крепления прикреплено к одному концу 129 кожуха 123 с возможностью отсоединения, например, посредством винтов, болтов или адгезии. В другом варианте осуществления впуск 122 для воздуха, впуск 124 для охлаждающего средства и выпуск 126 для охлаждающего средства расположены на основании 125 для крепления. Как показано на фигурах, шпиндельный узел 110 выполнен с четко определенной конструкцией и компонентами, ясно расположенными в соответствии с их функциями, так что конструкция в целом выполнена так, что ее легко собирать или повторно собирать, и все компоненты могут быть легко отсоединены для замены или технического обслуживания. В результате в случае отказов (поломок) компонентов риск замены шпиндельного узла в целом может быть в значительной степени уменьшен до минимума. Следует понимать, что в другом варианте осуществления корпус 120 может быть выполнен за одно целое с охлаждающим цилиндром 30, 130; в еще одном варианте осуществления внешний кожух) 123, основание 125 для крепления, охлаждающий цилиндр 130 и обмотка 140 привода могут быть выполнены в виде одного целого.
Нижеприведенное описание относится к воздушным подшипникам 170, 180, 190 (а также 70, 80, 90), и также представлен механизм увеличения притоков воздуха в подшипники в шпиндельном узле 110 (а также 10). Во-первых, на фиг.8А и 8В показан предпочтительный вариант осуществления воздушного подшипника 170, и он может представлять собой радиальный подшипник, как было упомянуто ранее. Соответственно, впускные отверстия 173 на наружной периферийной поверхности 172 воздушного подшипника 170 обеспечивают возможность поступления воздуха в подшипник и выхода воздуха в соответствующих эжекционных отверстиях 175, расположенных на внутренней периферийной поверхности подшипника, так что эжектированный воздух может обеспечить опору для шпинделя 150 в радиальном направлении внутри подшипника. В одном варианте осуществления воздушного подшипника 170 воздушный подшипник может представлять собой задний подшипник в шпиндельном узле 110. Как показано на фиг.7, в одном варианте осуществления задний подшипник 170 может быть расположен рядом с одним концом 159 шпинделя 150 и/или рядом с концом 129 внешнего кожуха 123. В предпочтительном варианте осуществления наружная периферийная поверхность 172 воздушного подшипника 170 дополнительно включает в себя впускные пазы 177. В другом варианте осуществления, по меньшей мере, некоторое количество впускных отверстий 173 расположено во впускных пазах 177. Наружная периферийная поверхность 172 воздушного подшипника 170 может дополнительно включать в себя уплотнительные кольца, предназначенные для взаимодействия с охлаждающим цилиндром 130. Поскольку компоненты шпиндельного узла 110 имеют высокую точность, наружная периферийная поверхность 172 расположена в непосредственной близости от охлаждающего цилиндра 130. Впускные пазы 177 могут эффективно обеспечить увеличение пространства для удержания воздуха, так что величина притока воздуха в подшипник впоследствии возрастает. В другом варианте осуществления воздушные подшипники 170 могут дополнительно включать в себя фланец 179 на одном их конце для дополнительного усиления взаимодействия с охлаждающем цилиндром 130 посредством любых известных крепежных средств. Следует отметить, что в представленном выше описании приведены варианты осуществления, относящиеся к воздушному подшипнику 170, которые также могут быть применены для любого радиального подшипника, включая воздушный подшипник 80, упомянутый выше.
Далее, на фиг.9А и 9В показан вариант осуществления воздушного подшипника 180 согласно настоящей полезной модели. В одном варианте осуществления воздушный подшипник 180 представляет собой передний подшипник, выполненный с возможностью обеспечения опоры для шпинделя 150 в радиальном направлении и    функционировать в качестве части аксиальной опоры посредством подачи воздуха в осевом направлении к указанному шпинделю. В некоторых вариантах выполнения шпиндельного узла 110 воздушный подшипник 180 включает в себя множество впускных отверстий 183 на наружной поверхности 182 и множество эжекционных отверстий 185 на внутренней поверхности 184 для обеспечения опоры для шпинделя 150 в осевом направлении. В одном варианте осуществления передний подшипник 180 дополнительно включает в себя опорную плоскость 189, по существу, параллельную фланцу 152 шпинделя 150, и опорная плоскость 189 может дополнительно иметь множество эжекционных отверстий 185, по существу, перпендикулярных фланцу 152, так что может быть осуществлена эжекция воздуха в осевом направлении к шпинделю 150. Аналогично, наружная периферийная поверхность воздушного подшипника 180 может дополнительно иметь впускные пазы 187, и, в некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, некоторое количество впускных отверстий 183 расположено во впускных пазах 187 для увеличения величины притока воздуха. В других вариантах осуществления наружная периферийная поверхность 182 воздушного подшипника 180 может также иметь уплотнительные кольца, предназначенные для взаимодействия с охлаждающим цилиндром 130. В некоторых вариантах осуществления воздушный подшипник 180 предпочтительно расположен рядом с концом 157 шпинделя 150. Как показано на фиг.9А и 9В, для обеспечения возможности прохода охлаждающего средства из канала 136 для охлаждения подшипников охлаждающего цилиндра 130 во внутреннее пространство воздушного подшипника 180 или переднего подшипника указанный воздушный подшипник 180 может дополнительно включать в себя сквозное отверстие 186 для охлаждающего средства. В одном варианте осуществления сквозное отверстие 186 для охлаждающего средства, проходящее, по меньшей мере, через часть воздушного подшипника 180, соединено по текучей среде с каналом 136 для охлаждения подшипников охлаждающего цилиндра 130.
На фиг.10А и 10В показан предпочтительный вариант выполнения воздушного подшипника 190 согласно настоящей полезной модели. Воздушный подшипник 190 включает в себя аксиальное отверстие 198 для размещения конца 157 шпинделя 150 и для обеспечения возможности прохода сверла через него. В одном варианте осуществления воздушный подшипник 190 может представлять собой упорный подшипник и может взаимодействовать с вышеупомянутым воздушным подшипником 180 для обеспечения опоры для шпинделя 150 в осевом направлении. Как показано на фигурах, упорный подшипник 190 имеет верхнюю поверхность 192 и нижнюю поверхность 194, и указанная верхняя поверхность, по существу, параллельна фланцу 152 шпинделя 150 и расположена рядом с ним. Верхняя поверхность 192 дополнительно имеет множество эжекционных отверстий, по существу, перпендикулярных фланцу 152 шпинделя 150, в то время как нижняя поверхность 194 может быть выполнена с впускными отверстиями. В одном варианте осуществления верхняя поверхность 192 может также иметь впускные отверстия. Для увеличения величины притока воздуха воздушный подшипник 190 может дополнительно включать в себя паз 197 для конвекции воздуха, предназначенный для увеличения пространства для удерживания воздуха внутри подшипника, и, следовательно, может быть обеспечена эжекция большего количества воздуха из эжекционных отверстий 195. Опорный подшипник 190 предпочтительно расположен на конце 157 шпиндельного узла 150 для обеспечения аксиальной опоры в направлении, противоположном направлению, в котором обеспечивает опору вышеупомянутый передний подшипник 180, так что опора для фланца 152 в осевом направлении обеспечивается как упорным, так и передним подшипниками. Кроме того, в одном варианте осуществления дистанционное кольцо 200 может быть расположено между указанным передним подшипником 180 и упорным подшипником 190. Дистанционное кольцо обеспечивает возможность прохода конца шпинделя 150 со сверлом через него, и при этом в предпочтительном варианте осуществления дистанционное кольцо может быть выполнено с такой толщиной в осевом направлении, обеспечивающей возможность приема или размещения, по меньшей мере, фланца 152 в нем.
Для обеспечения охлаждения на конце 157 шпинделя 150 в одном варианте осуществления воздушный подшипник 190 дополнительно включает в себе канал 196 для прохода охлаждающего средства и камеру 191 для охлаждающего средства, как показано на фиг.10А и 10В. Когда охлаждающее средство выходит из канала 136 для охлаждения подшипников, охлаждающее средство поступает в сквозное отверстие 186 для охлаждающего средства, выполненное в воздушном подшипнике 180, и в отверстие 206 для охлаждающего средства дистанционного кольца 200, через которое оно затем проходит во внутреннюю часть воздушного подшипника 190 по каналу 196 для охлаждающего средства. В одном варианте осуществления внутренняя часть воздушного подшипника 190 дополнительно содержит камеру 191 для охлаждающего средства, соединенную по текучей среде с указанным каналом 196 для охлаждающего средства; такая конфигурация обеспечивает возможность прохождения охлаждающего средства через указанную камеру 191 для охлаждающего средства, расположенную вблизи конца шпинделя 150 со сверлом, так что подшипник и окружающая зона, в которой прикреплено сверло, впоследствии охлаждаются. Кроме того, как показано на фигурах, в одном варианте указанной камеры 191 для охлаждающего средства она выполнена так, что она отделена от паза 197 для конвекции воздуха. Другими словами, камера для охлаждающего средства и паз для конвекции воздуха не соединены по текучей среде или полностью изолированы друг от друга так, что обеспечивается возможность прохождения воздуха внутри подшипника, в частности, через паз 197 для конвекции воздуха, в то время как охлаждающее средство может одновременно проходить через камеру 191 охлаждения во время работы шпиндельного узла 110. В одном варианте осуществления камера 191 для охлаждающего средства расположена рядом с вышеупомянутым аксиальным отверстием 98, 198.
На фиг.11 показан другой предпочтительный вариант выполнения воздушного подшипника 190'. В одном варианте осуществления упорный подшипник 190' может дополнительно включать в себя датчик частоты вращения (не показан), выполненный с возможностью определения частоты вращения шпинделя (ротора) 150 и выдачи сигналов системе с обратной связью (не показана) для регулирования мощности, подаваемой к обмотке 140 привода (статору), и частоты вращения шпинделя 150, обеспечиваемой при приведении его в движение. Как показано на фигуре, один вариант осуществления упорного подшипника 190' может включать в себя отверстие 199' для размещения датчика, выполненное с возможностью размещения датчика. Отверстие 199' для размещения датчика предпочтительно расположено на верхней поверхности 192' упорного подшипника 190' и напротив фланца 152 шпинделя 150. В одном варианте осуществления указанное отверстие 199' для размещения с датчиком, установленным в нем, расположено на боковой стороне аксиального отверстия 198' и камеры 191' для охлаждающего средства. Наиболее предпочтительно, если оно находится на боковой стороне паза 197' для конвекции воздуха и на расстоянии от впускных отверстий 193' и канала 196' для охлаждающего средства. В одном варианте осуществления датчик частоты вращения представляет собой магнитоэлектрический датчик, например, датчик Холла или магниторезистивный элемент. Согласно одному варианту осуществления отверстие 199' для размещения датчика упорного подшипника 190' выполнено с возможностью размещения элемента Холла или датчика Холла, так что магнитное поле шпинделя (ротора) и положение ротора могут быть определены, и могут быть осуществлены генерирование и дополнительная обработка сигналов для регулирования частоты вращения шпинделя 150. В одном варианте осуществления отверстие 199' для размещения датчика предпочтительно выполнено с размером или диаметром, которые не оказывают существенного влияния на жесткость подшипника. Кроме того, следует отметить, что вышеупомянутый датчик частоты вращения может также включать в себя другие типы датчиков, включая, например, оптические датчики. Кроме того, согласно одному варианту осуществления датчик также может быть расположен на опорной плоскости 89 осевого подшипника, например, воздушного подшипника 90.
Несмотря на то, что настоящая полезная модель описана посредством ссылки на предпочтительные варианты осуществления и примеры, приведенные выше, следует понимать, что данные примеры нужно рассматривать в иллюстративном, а не в ограничительном смысле. Например, термин «воздух», приведенный выше в описании, относится к любой газообразной текучей среде, включающей в себя воздух, но не ограниченной только воздухом. Предусмотрено, что модификации и комбинации, которые будут очевидными для специалистов в данной области техники, находятся в пределах сущности изобретения и в объеме нижеприведенной формулы изобретения.