ДИНАМИЧЕСКИ СБАЛАНСИРОВАННЫЙ МАЛОГАБАРИТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК H02K15/16 G01M1/00 

Изобретение касается малогабаритного электродвигателя, содержащего статор и ротор с валом ротора, на выступающем конце которого установлен ведомый элемент. Изобретение касается также способа динамической балансировки такого электродвигателя.

В устройствах, где относительно большие детали должны вращаться малогабаритными электродвигателями, особенно часто могут возникать вибрации, которые в некоторых случаях являются нежелательными. В частности, такие проблемы возникают, когда ведомые детали устанавливаются непосредственно на валу ротора двигателя и являются относительно плоскими, но имеющими большой диаметр, часто превышающий диаметр двигателя. Такими деталями могут быть, например, крыльчатки вентиляторов, диски фильтров или любые другие элементы, которые должны вращаться электродвигателем. Для деталей, которые являются большими по сравнению с габаритными размерами электродвигателя и которые посажены только на малую часть вала ротора, очень большую роль в возникновении нежелательных вибраций играют осевые биения. Другим недостатком, свойственным большинству таких устройств, является то, что скорости вращения малогабаритных электродвигателей являются очень высокими, вследствие чего вибрации еще более возрастают. Для уменьшения размера в некоторых устройствах используются двигатели плоской конструкции, в которых ротор не может быть сбалансирован из-за своей малой длины.

Целью настоящего изобретения является создание малогабаритного электродвигателя, работающего с малыми вибрациями.

Согласно изобретению эта цель достигается тем, что другой конец вала ротора также выполнен выступающим и на нем установлен балансир, размещение и распределение массы или веса которого заранее выбраны так, чтобы обеспечить динамическую балансировку ведомого элемента. Во всех известных устройствах, где ведомые элементы, имеющие относительно большой размер и обычно значительную по сравнению с двигателем массу или вес, приводятся в движение малогабаритными электродвигателями, конец вала выступает только с одной стороны, для установки на нем упомянутого ведомого элемента. То, что на другой стороне электродвигателя, которая до сих пор в устройствах такого типа не имела никаких специальных функций и обычно закрывалась торцевым щитком, теперь располагается выступающий конец вала для установки на нем балансира, является новым техническим решением. Пространственные ограничения часто существенны только с той стороны двигателя, где расположен ведомый элемент, например, крыльчатка вентилятора, пластина фильтра или аналогичный им. С другой стороны двигателя пространственные ограничения часто имеют второстепенное значение, так что балансир также может иметь очень большой размер и достаточную массу или вес. Это позволяет обеспечить точную динамическую балансировку. Помимо снижения шума или вибраций понижается также нагрузка на подшипники, что в свою очередь увеличивает срок их службы. Балансир может быть сконструирован так, чтобы он был пригоден для установки на нем дополнительных грузов или масс, а также для удаления его частей. Помимо прочего, такая мера позволяет еще более увеличить массу или вес ведомых элементов. Кроме того, осевое биение ротора или ведомого элемента, который установлен на роторе и создает динамический дисбаланс (гироскопический момент), может очень хорошо компенсироваться балансировкой во второй плоскости, находящейся на некотором расстоянии от ведомого элемента в осевом направлении. В ранее использовавшихся ведомых элементах должно было обеспечиваться очень малое осевое биение. Это влекло за собой высокие требования к изготовлению упомянутых узлов и к сборке устройства. Результатом этого была высокая себестоимость. Благодаря использованию балансира требования к допуску на осевые биения не должны быть такими высокими, в связи с чем также можно снизить затраты на изготовление и установку ведомого элемента. Выступающий конец вала, в частности, означает здесь конец вала, выступающий за точку его опоры.

Изобретение дает особенно полезный результат в случае, если ведомый элемент является дискообразным телом, диаметр которого больше, чем диаметр ротора или статора. У таких дискообразных тел поверхность, входящая в контакт с валом ротора, является относительно малой, поэтому в результате сборочных операций на валу ротора, например склеивания, напрессовки или аналогичных вариантов установки, могут возникать осевые биения. Операция динамической балансировки посредством балансира соответствующего размера хорошо подходит для таких тонких ведомых элементов большого диаметра.

Вышеуказанные преимущества особенно велики в тех вариантах, где статор и ротор выполнены плоскими. Для таких конструкций, которые называются плоскими (также дисковыми или чашеобразными) двигателями, до сих пор не предлагалось никаких вариантов использования балансиров. Сквозь заднюю сторону таких двигателей, закрытую в известных устройствах, теперь, согласно изобретению, проходит выступающий конец вала для установки на нем балансира.

Чтобы габаритный осевой размер со стороны балансира был как можно меньшим, в предпочтительном случае балансир может иметь форму диска. У дискообразных балансиров удовлетворительный результат может быть достигнут даже при небольшом изменении положения и распределения массы или веса.

В предпочтительном случае балансир может быть выполнен из материала, имеющего высокую плотность, типа латуни, стали или меди, а заданное распределение массы или веса может быть достигнуто посредством выемок, в частности, выполняемых путем механической обработки. Это означает, например, что на валу ротора может быть наглухо закреплена простая втулка, которая затем в определенных точках снабжается выемками или единственной выемкой в соответствии с требованиями балансировки. Требуемое местоположение выемки может быть быстро определено при помощи соответствующих станков, которые кроме того одновременно могут формировать или вводить выемку.

Однако также можно сконструировать балансир в виде несущего элемента, в котором или на котором могут быть размещены и (или) установлены противовесы. Противовесы могут устанавливаться на несущем элементе с возможностью изменения их количества, а также положения. Противовесы могут быть откалиброваны с очень высокой точностью, так что соответствующие результаты могут быть достигнуты с требуемой точностью.

В качестве противовеса может использоваться, например, по меньшей мере одна паста с подходящей плотностью. Например, если несущий элемент сконструирован в виде полого тела с различными полостями для заполнения, заданные результаты балансировки могут быть достигнуты путем ввода определенных паст с соответственно подобранной плотностью. Состав пасты тогда будет определяться необходимой массой или весом. Паста может включать добавки, такие как металлический порошок.

Однако также возможно, чтобы противовес содержал металлические шарики. Они могут быть расположены также в пасте. Металлические шарики могут быть изготовлены с различным диаметром и иметь плотность в соответствии с материалом и размерами. Кроме того, они могут заранее помещаться на несущий элемент и перемещаться подходящими средствами с целью регулировки, так чтобы массу или вес иногда можно было только перемещать и не было необходимости добавлять или удалять.

В особенно предпочтительной конструкции двигателя имеется корпус, концы вала могут соответственно выступать из него, а ведомый элемент или балансир может быть расположен вне корпуса. Что касается конструкции такого малогабаритного электродвигателя, то следует обратить внимание только на то, чтобы короткий отрезок вала, на котором может быть установлен балансир, выступал из корпуса. Другие дополнительные меры не требуются, так что во всем остальном может быть сохранена компактная конструктивная форма двигателей.

Хотя в качестве ведомых элементов может использоваться большинство различных монтируемых на валу тел, упомянутое тело согласно одной из форм осуществления изобретения образовано крыльчаткой вентилятора. Использование крыльчаток широко распространено и области их применения многочисленны. Теперь становится возможным приводить в движение относительно большие крыльчатки вентиляторов сравнительно малогабаритными двигателями без каких-либо нежелательных эффектов, вызванных вибрациями.

Диск оптического фильтра также может использоваться в качестве ведомого элемента. Такие диски фильтров часто состоят из различных материалов, объединенных в составное устройство, так что из-за такого характера изготовления всегда можно ожидать возникновения дисбаланса или осевого биения. Такой дисбаланс или осевое биение могут быть в достаточной степени скомпенсированы с помощью балансира, так что можно использовать даже высокие скорости вращения.

Кроме того, настоящее изобретение касается способа динамической балансировки малогабаритных электродвигателей по какому-либо из п. 1-11 формулы изобретения. Способ позволяет осуществить простую балансировку валов роторов с относительно большими ведомыми элементами без какой-либо необходимости нежелательного вмешательства в конструкцию малогабаритного электродвигателя. Для этого балансирующий элемент устанавливается на выступающем конце вала ротора, который в осевом направлении расположен на расстоянии от конца вала, несущего ведомый элемент, и динамическую балансировку всего ротора выполняют, удаляя, устанавливая или перемещая по меньшей мере один противовес или уравновешивающую массу на балансирующем элементе. Это означает, что балансировка может быть соответственно выполнена за точками опоры или снаружи от них на выступающих частях концов вала ротора.

Предпочтительно, операция динамической балансировки выполняется при помещении ротора внутрь статора. Таким образом, при этом малогабаритный электродвигатель собран полностью, включая ведомый элемент, так что возможны многочисленные варианты конструирования балансиров (также нескольких балансиров одновременно) и их установки путем надевания на противоположный выступающий конец вала. Операция динамической балансировки таким образом чрезвычайно упрощается. При помощи современных балансировочных станков можно очень быстро определить, где и с каким распределением веса следует размещать балансир на конце вала.

Удобно удалять по меньшей мере одну уравновешивающую массу или противовес путем удаления (например, посредством стирания) материала на балансире. В таком случае можно напрессовать или приклеить металлическую втулку, например, из стали, на выступающий конец вала и, после определения дисбаланса, выполнить в определенном месте выемку посредством сверления, фрезерования или другой механической или эрозионной обработки.

Ниже формы осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематический вид сбоку, показывающий двигатель плоского типа с балансиром и ведомым дискообразным телом.

Фиг. 2 представляет собой схематический вид сбоку, показывающий обычный малогабаритный двигатель с балансиром и ведомым дискообразным телом.

Малогабаритный электродвигатель, показанный на фиг. 1, содержит ротор 1, который сконструирован как внешний ротор, статор 2, корпус 3 подшипника, расположенный на статоре 2, и вал 4 ротора. В этом примере двигатель имеет плоскую конструкцию, так как его ведущая электрическая часть с диском 5 ротора и статором 2 имеет относительно малую осевую длину. Диск 5 ротора содержит кольцеобразный постоянный магнит, который не показан в деталях. Статор 2 имеет расположенные на нем катушки, которые установлены на внутренней части кольцеобразного магнита и возбуждаются однонаправленным током, управляемым посредством электронной системы двигателя.

Диск 5 ротора прочно посажен на вал 4 ротора, который проходит сквозь корпус 3 подшипника и в предпочтительном случае поддерживается в нем в двух расположенных на расстоянии друг от друга подшипниках качения. Вал 4 ротора имеет первый выступающий конец 6, который служит для установки дискообразного дополнительного элемента 7. Этот дополнительный элемент 7 может представлять собой самые различные компоненты, например крыльчатки, диски фильтров и другие. Изобретение, однако, не обязательно ограничено одной из упомянутых конструкций, так как операция динамической балансировки может быть выполнена независимо от типа индивидуального дополнительного элемента 7. Предпочтительно, дополнительный элемент 7 напрессовывается на часть первого конца 6 вала.

Второй конец 8 вала 4 ротора, который имеет установленный на нем дискообразный балансир 9, выступает из корпуса 3 подшипника с противоположной стороны.

Дополнительный элемент 7 представляет собой относительно большой компонент значительной массы или веса по сравнению с малогабаритным электродвигателем, так что операция балансировки является обязательной. До сих пор использовалась только статическая балансировка таких элементов, как правило, на самих этих элементах. Как можно видеть на фиг. 1, дополнительный элемент 7 также может иметь осевое биение, которое изображено, преувеличенным образом, углом β. Хотя установленный таким образом дополнительный элемент 7 может быть легко сбалансирован статически, относительно высокие скорости вращения вызывают также нагрузки в виде гироскопического момента, с большой вероятностью приводящего к вибрациям. Чтобы скомпенсировать такие нагрузки, на конце 8 вала устанавливают балансир 9.

Работа и функции изобретения будут объяснены ниже более подробно со ссылкой на вышеописанную форму его осуществления.

Что касается динамической балансировки, то важно, что балансир 9 и дополнительный элемент 7 устанавливаются на одном валу 5 ротора на расстоянии друг от друга вдоль оси так, что две массы или два веса располагаются в разных плоскостях. Дополнительный элемент 7 располагается в плоскости 1, а балансир 9 - в плоскости 2. Балансир 9 имеет меньший диаметр, чем ротор 1 и дополнительный элемент 7, и изготовлен из материала, имеющего относительно высокую плотность. В данном примере в качестве балансира 9 используется стальной диск, который напрессован на конец 8 вала. После того, как выполнена операция статической балансировки, будет осуществляться операция динамической балансировки. Операция динамической балансировки предпочтительно заключается в том, что в балансире 9 в точках, которые точно определены соответствующими средствами, выполняются выемки, что приводит к неравномерному распределению, либо размещению массы или веса на балансире 9. Упомянутое неравномерное размещение веса является таким, что оно динамически компенсирует осевое биение дополнительного элемента 7. Удаление материала на балансире 9 или выполнение выемок может быть осуществлено посредством фрезерования или аналогичной механической обработки, либо стиранием. Компенсация веса или массы во время балансировки может быть выполнена на передней стороне, а также по окружности балансира 9.

Как можно видеть, две массы, образованные элементами 7 и 9, которые должны быть скомпенсированы относительно друг друга, расположены на крайних наружных сторонах вала 4 ротора, а фактическая ведущая часть двигателя находится между двумя упомянутыми элементами. Балансир 9 может иметь относительно большой размер благодаря использованию выступающего конца 8, что обеспечивает хорошую балансировку. Если балансир 9 имеет достаточно большой вес, можно обойтись без предварительной статической балансировки.

Ниже со ссылкой на фиг. 2 будет более подробно описана вторая форма осуществления изобретения.

При этом идентичные компоненты или компоненты, имеющие аналогичную функцию, имеют те же самые обозначения. Ниже рассмотрены только решающие различия.

Малогабаритный электродвигатель, показанный на фиг. 2, имеет ротор 1, который окружен неподвижным корпусом 10 статора и содержит внутренний ротор (не показанный в деталях). Двигатель может быть бесщеточным двигателем постоянного тока или двигателем с якорем колпачкового типа. В данной форме осуществления изобретения вал ротора выступает с обеих сторон корпуса 10 статора, при этом дополнительный элемент 7, например крыльчатка вентилятора, расположен с одной стороны, а дискообразный балансир 9 - с другой стороны. В этом примере операция динамической балансировки, в частности, направленная на компенсацию осевого биения β дополнительного элемента 7, также выполняется введением выемок. Благодаря такой конструкции к изготовлению дополнительных элементов 7 более не предъявляются чрезмерно высокие требования, так как они могут быть изготовлены и смонтированы на конце вала 6 с менее точными допусками. Издержки производства таким образом снижаются в очень значительной степени. Хотя балансир 9 занимает относительно небольшое пространство, благодаря его положительному эффекту вибрации во время работы снижаются в очень большой степени. Следует также отметить, что упомянутые выше положительные особенности, в частности, касающиеся срока службы подшипников и создаваемого шума, иногда являются основным решающим фактором при покупке определенного изделия, в котором установлен такой малогабаритный электродвигатель.

Преимуществом этого технического решения является то, что ведущая электрическая часть малогабаритного электродвигателя не должна быть изменена для получения упомянутых положительных характеристик. Требуется только более длинный вал и торцевой щиток с отверстием. Воздействие на обмотку и магнитную систему в основном исключено.

Предполагается, что балансир 9, показанный на чертежах, представляет и все другие возможные формы его выполнения, такие как несущий элемент с дополнительными частями с переменной массой или весом и т.д.

Изобретение относится к области производства и динамической балансировки малогабаритных электродвигателей. Техническим результатом изобретения является создание малогабаритных электродвигателей, работающих с малыми вибрациями. Данный технический результат достигается путем того, что в двигателе, содержащем статор и ротор с валом, имеющим выступающий конец, на котором установлен ведомый элемент, другой конец вала ротора также выполнен выступающим и на нем установлен балансир, размещение которого и распределение массы или веса заранее выбраны такими, чтобы обеспечить динамическую балансировку ведомого элемента. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Малогабаритный электродвигатель, содержащий статор и ротор с валом, имеющим выступающий конец, на котором установлен ведомый элемент, отличающийся тем, что другой конец вала ротора также выполнен выступающим и на нем установлен балансир, размещение которого и распределение массы или веса заранее выбраны такими, чтобы обеспечить динамическую балансировку ведомого элемента. 2. Малогабаритный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что ведомый элемент является дискообразным телом, диаметр которого больше, чем диаметр ротора или статора. 3. Малогабаритный электродвигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что статор и ротор имеют плоскую конструкцию. 4. Малогабаритный электродвигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что балансир имеет форму диска. 5. Малогабаритный электродвигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что балансир выполнен из материала, имеющего высокую плотность, например из латуни, стали или меди, а заданное распределение его массы или веса достигнуто посредством выемок, сформированных, в частности, путем механической обработки. 6. Малогабаритный электродвигатель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что балансир выполнен в виде несущего элемента, в котором или на котором размещены и/или могут быть установлены противовесы. 7. Малогабаритный электродвигатель по п.6, отличающийся тем, что противовес сформирован по меньшей мере из одной пасты, имеющей соответствующую плотность. 8. Малогабаритный электродвигатель по п.6 или 7, отличающийся тем, что противовес содержит металлические шарики. 9. Малогабаритный электродвигатель по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что он имеет корпус, причем каждый из концов вала выступает из корпуса, а ведомый элемент и балансир расположены вне корпуса. 10. Малогабаритный электродвигатель по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что ведомый элемент является крыльчаткой вентилятора. 11. Малогабаритный электродвигатель по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что ведомый элемент является диском фильтра. 12. Способ динамической балансировки малогабаритных электродвигателей по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что устанавливают балансир на выступающем конце вала ротора, удаленном в осевом направлении от того конца вала ротора, на котором находится ведомый элемент, и весь ротор динамически балансируют путем удаления, установки или перемещения по меньшей мере одной уравновешивающей массы или противовеса на балансире. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что операцию динамической балансировки выполняют в то время, когда ротор помещен внутрь статора. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что по меньшей мере одну уравновешивающую массу или противовес удаляют путем стирания материала на балансире.