ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H02K7/09 H02K5/06 F16C32/04 

Изобретение относится к электрическим машинам и приборам с вращающимися узлами и может быть использовано как в микродвигателестроении, так и в гироскопах с легким ротором.

Известен асинхронный торцовый электродвигатель [1] который содержит два статора и две части ротора, между которыми установлен радиальный магнитный подшипник, создающий подвес вала в радиальном направлении, но одновременно вызывающий неустойчивость вала в аксиальном направлении. Аксиальная стабилизация ротора в этом электродвигателе достигается благодаря использованию электродинамических усилий, возникающих между ротором и статором при изменении воздушного зазора между ними.

Недостатками указанного электродвигателя являются повышенная сложность конструкции и недостаточная надежность функционирования.

Известен также электродвигатель с магнитными подшипниками [2] который включает в себя радиальные магнитные подшипники, установленные на роторе и статоре, а также узел осевой стабилизации ротора, состоящий из неподвижного кольцевого магнита с аксиальным намагничиванием и взаимодействующего с ним кольцевого магнита, установленного на роторе электродвигателя.

Недостатки этого электродвигателя заключаются в осевых динамических вибрациях ротора в процессе работы двигателя вследствие недостаточно надежной осевой стабилизации ротора.

Наиболее близким к предлагаемому является электродвигатель с магнитными подшипниками [3] содержащий радиальные магнитные подшипника, установленные на роторе и статоре, узел осевой стабилизации ротора, выполненный в виде неподвижного кольцевого магнита с осевым намагничиванием, взаимодействующего с кольцевым магнитом, установленным на роторе, при этом в электродвигатель введен механический упор для вала ротора, а радиальный подшипник, установленный на роторе, смещен по оси ротора в сторону неподвижного кольцевого магнита относительно радиального подшипника, установленного на статоре.

Недостатками электродвигателя, выбранного в качестве прототипа, являются его многоэлементность, структурная и технологическая сложность, ограниченный эксплуатационный ресурс.

Изобретение направлено на конструктивное и технологическое упрощение электродвигателя, снижение трудоемкости изготовления, повышение надежности функционирования и увеличения эксплуатационного ресурса.

Цель достигается тем, что в электродвигателе, содержащем ротор с валом и статор, закрепленный во внешнем корпусе, имеющем пару подшипниковых торцевых щитов с механическим упором для вала ротора на одном из щитов и проходной направляющей подшипниковой втулкой для вала ротора на другом из щитов, а также магнитные подшипники, выполненные в виде пары закрепленных на валу ротора магнитотвердых роторов и пары соосно расположенных по отношению к ним магнитотвердых статоров, выполненных в форме цилиндров, закрепленных в подшипниковых торцевых щитах корпуса, роторы магнитных подшипников выполнены конусообразными, соответствующими роторам конусными выемками, причем ротор и статор каждого из магнитных подшипников выполнены с намагничиванием по своим высотам в едином последовательно согласном направлении вдоль оси двигателя.

Кроме того, механическое сочленение между одним из торцевых подшипниковых щитов корпуса и статором одного из магнитных подшипников выполнено в виде направленного вдоль оси двигателя резьбового соединения, образованного внешней резьбой на проходной направляющей подшипниковой втулке для вала в торцевом щите корпуса и посаженной на резьбу указанной втулки фигурной гайкой. Гайка прикреплена к тыльной части статора соответствующего магнитного подшипника. При этом на внешнюю резьбу проходной направляющей подшипниковой втулки для вала последовательно с фигурной гайкой статора упомянутого магнитного подшипника посажена контргайка для фиксации статора магнитного подшипника в требуемых положениях.

Структурно-конструктивная схема электродвигателя в его продольно-осевом разрезе представлена на чертеже.

Электродвигатель содержит ротор 1 с валом 2, статор 3, закрепленный в корпусе 4, который снабжен подшипниковыми торцевыми щитами 5 и 6, содержащими соответственно гнездо 7 для механического упора вала 2 и проходную направляющую подшипниковую втулку 8 для рабочего окончания вала двигателя. Магнитные подшипники электродвигателя выполнены в виде пары симметрично расположенных и закрепленных на валу 2 двигателя магнитотвердых конусообразных роторов 9, 10 и пары соосно расположенных по отношению к ним магнитотвердых статоров 11, 12, выполненных в форме цилиндров с конусной выемкой.

Статор 11 одного из магнитных подшипников (9, 11), расположенного у гнезда 7 для механического упора вала 2, неподвижно прикреплен к внутренним концентрическим выступам подшипникового торцевого щита 5, а статор 12 второго магнитного подшипника (10, 12) посредством присоединенной к его тыльной части фигурной гайки 13 сочленяется с внутренним цилиндрическим выступом проходной направляющей втулки 8 торцевого щита 6 с помощью резьбы, обеспечивающей возможность плавного двухстороннего перемещения магнитотвердого статора 12 вдоль рабочей оси электродвигателя осуществляется при помощи опорной контргайки 14, посаженной на внешнюю резьбу внутреннего выступа проходной направляющей втулки 8 правого торцевого щита 6 двигателя.

Роторы 9, 10 и статоры 11, 12 обоих магнитных подшипников (9, 11 и 10, 12) выполнены с намагничиванием по своим высотам в едином последовательно согласном направлении, которое лежит вдоль общей рабочей оси электродвигателя.

В процессе работы двигателя подвес его ротора как в радиальном, так и в аксиальном направлении обеспечивается равнодействующей F₁ силы магнитного взаимодействия между ротором 9 и статором 11 первого магнитного подшипника, а также равнодействующей F₂ силы магнитного взаимодействия между ротором 10 и статором 12 второго магнитного подшипника.

Равнодействующие силы F₁ и F₂ на роторы 9 и 10 магнитных подшипников 9, 11 и 10, 12 содержат как встречно направленные аксиальные составляющие F₀₁ и F₀₂, обуславливающие осевую динамическую стабилизацию ротора 1 двигателя, так и радиально направленные составляет F_Р1 и F_Р2, определяющие автоматическую динамическую центровку ротора электродвигателя.

При этом по сравнению с прототипом, где выталкивающее осевое усилие F₀, разгружающее механический упор вала двигателя (подпятник), падает по мере уменьшения эксцентриситета (смещения) между статорными и роторными элементами радиальных подшипников, принципиальным преимуществом предлагаемого электродвигателя является то, что динамическое осевое смещение ротора двигателя в сторону механического упора вала сопровождается прогрессивно возрастающим амортизирующим аксиальным магнитным взаимодействием элементов магнитного подшипника 9, 10, максимально снижающего износ механического осевого упора заявляемого двигателя и тем самым увеличивающего рабочий ресурс последнего.

Устраняя недостатки и ограничения прототипа за счет расширения динамического диапазона упругих осевых перемещений ротора двигателя и обеспечения прогрессивно возрастающей осевой и радиальной жесткости магнитной подвески вала при аксиальных и радиальных девиациях его положения, описываемое устройство создает одновременно расширенные технические возможности оперативной плавной регулировки жесткости магнитной стабилизации рабочего положения ротора двигателя и динамического диапазона его упругих радиально-осевых перемещений и аксиальной устойчивости.

Соответствующее достижение оптимального режима двухкоординатной магнитной подвески ротора описываемого электродвигателя, при которой минимальные энергетические потери на трение и повышенный КПД двигателя сочетаются с его расширенным эксплуатационным ресурсом, обеспечивается соответствующей установкой фигурной гайки 13, несущей магнитотвердый статор 12 правого подшипника (10, 12), вдоль цилиндрического выступа проходной направляющей втулки 8 торцевого щита 6, что осуществляется предварительным подбором на резьбовом выступе втулки 8 положения фиксаторной (опорной) контргайки 14 и последующим подвинчиванием к ней фигурной гайки 13 с магнитотвердым статором.

Предлагаемая конструкция электродвигателя позволяет вместе с повышением его функциональной надежности, структурной простоты и износоустойчивости обеспечить максимальный рабочий ресурс и повышенный КПД двигателя за счет оперативной установки оптимального режима его работы и динамического подвеса ротора.

Использование: в микродвигателестроении, в приборах с вращающимися частями и в гироскопах с легким ротором. Сущность изобретения: электродвигатель содержит ротор 1 с валом 2, статор 3, закрепленный в корпусе 4, который снабжен подшипниковыми торцевыми щитами 5 и 6, содержащими соответственно гнездо 7 для механического упора вала 2 и проходную направляющую подшипниковую втулку 8 для рабочего окончания вала двигателя. Магнитные подшипники электродвигателя выполнены в виде пары симметрично расположенных на валу 2 двигателя магнитотвердых конусообразных роторов 9, 10 и пары соосно расположенных по отношению к ним магнитотвердых статоров 11, 12, выполненных в форме цилиндров с конусной выемкой. 1 з. п. ф-лы. 1 ил.

1. Электродвигатель, содержащий ротор с валом и статор, закрепленный во внешнем корпусе, имеющем пару подшипниковых торцевых щитов с механическим упором для вала ротора на одном из щитов и проходной направляющей подшипниковой втулкой для вала ротора на другом из щитов, а также магнитные подшипники, выполненные в виде пары закрепленных на валу ротора магнитотвердых роторов и пары соосно расположенных по отношению к ним магнитотвердых статоров, выполненных в форме цилиндров, закрепленных в подшипниковых торцевых щитах корпуса, отличающийся тем, что роторы магнитных подшипников выполнены конусообразными симметрично друг другу, а их статоры выполнены с соответствующими роторам конусными выемками, причем ротор и статор каждого из магнитных подшипников выполнены с намагничиванием по своим высотам в едином последовательно-согласном направлении вдоль оси двигателя. 2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что механическое сочленение между одним из торцевых подшипниковых щитов корпуса и статором одного из магнитных подшипников выполнено в виде направленного вдоль оси двигателя резьбового соединения, образованного внешней резьбой на проходной направляющей подшипниковой втулке для вала в торцевом щите корпуса и посаженной на резьбу указанной втулки фигурной гайкой, прикрепленной к тыльной части статора соответствующего магнитного подшипника, при этом на внешнюю резьбу проходной направляющей подшипниковой втулки для вала последовательно с фигурной гайкой статора упомянутого магнитного подшипника посажена контргайка для фиксации статора магнитного подшипника в требуемых положениях.