ЭЛЕКТРОШПИНДЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H02K7/14 H02K7/09 H02K5/128 F16C32/04 

Изобретение относится к области электротехники и, в частности, к электромашиностроению и может быть использовано, например, в шпиндельных узлах металлорежущих станков с высокой частотой вращения.

Известен 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 г.).

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.

Наиболее близким к данному изобретению устройством является электрошпиндель, снабженный зажимом для фиксации рабочего инструмента, содержащий корпус, выполненный с продольными вентиляционными каналами, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, опирающийся на корпус и состоящий из одного или нескольких пакетов, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки статора, причем в цилиндрической полости статора с возможностью вращения размещен ротор, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, подшипниковый узел, при этом проводники обмотки каждого паза статора зафиксированы клином, кроме того, паз снабжен шпоночной вставкой, поперечное сечение которой выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки под клином паза, причем между клином и шпоночной вставкой предусмотрен пазовый вентиляционный канал (см. патент РФ №2479095, МПК H02K 7/14; F16C 32/06, 2008 г.).

Недостатками данного устройства является малоэффективное охлаждение обмотки и сердечника статора, недостаточная несущая способность и жесткость подшипниковых узлов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности и жесткости подшипниковых узлов, повышение эффективности охлаждения обмотки и сердечника статора электрошпинделя, улучшение массогабаритных показателей, повышение надежности работы электрошпинделя.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении несущей способности и жесткости подшипниковых узлов путем установки двух радиальных магнитных подшипников в щитах электрошпинделя и установки упорного магнитного подшипника, длительно обеспечивающих высокую надежность работы электрошпинделя, повышении эффективности охлаждения обмотки и сердечника статора электрошпинделя, улучшении массогабаритных показателей, повышении надежности работы электрошпинделя за счет раздельного использования охлаждающего и смазывающего газовых потоков и применения высокоэффективного охлаждающего агента, например водорода, исключении утечек охлаждающего агента ввиду отсутствия контактных уплотнений ротора, снижении потерь на прокачку охлаждающего теплоносителя, уменьшении расхода воздуха на смазку за счет использования специально организованного газостатического подшипника в зоне немагнитного зазора между сердечником статора и ротором. Предусмотрена дополнительная независимая экономичная система смазки газостатических подшипников электрошпинделя.

Поставленная задача решается тем, что электрошпиндель, снабженный зажимом для фиксации рабочего инструмента, содержащий корпус, выполненный с продольными вентиляционными каналами, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, опирающийся на корпус и состоящий из одного или нескольких пакетов, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки статора, причем в цилиндрической полости статора с возможностью вращения размещен ротор, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, подшипниковый узел, при этом проводники обмотки каждого паза статора зафиксированы клином, кроме того, паз снабжен шпоночной вставкой, поперечное сечение которой выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки под клином паза, причем между клином и шпоночной вставкой предусмотрен пазовый вентиляционный канал, отличается тем, что в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами сердечника статора, кроме того, электрошпиндель снабжен, по крайней мере, двумя радиальными и одним упорным магнитными подшипниками, кроме того, торцы ротора жестко скреплены с торцевыми крышками, например, вакуумно-диффузионной сваркой, кроме того, контактирующие поверхности торцевых щитов и цилиндрических втулок снабжены уплотнениями, кроме того, подшипниковый узел выполнен с возможностью магнитного поддержания ротора, для чего каждая торцевая крышка ротора выполнена из немагнитного материала и снабжена кольцевым выступом, обращенным к соответствующему торцевому щиту, выполненному из немагнитного материала, при этом на внутренней поверхности кольцевого выступа жестко закреплены друг за другом составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием, кроме того, торцевые щиты снабжены кольцеобразными выступами, выполненными с возможностью их размещения в полостях кольцевых выступов торцевых крышек ротора, при этом на их внешней поверхности жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на выступах торцевых крышек ротора, кроме того, электрошпиндель снабжен осевым магнитным подшипником, содержащим пяту и два подпятника, при этом пята выполнена из немагнитного материала в виде диска, надетого на вал ротора и зафиксированного на нем, например, гайкой, размещенной на снабженном соответствующей резьбой конце вала ротора, при этом на противоположных торцевых поверхностях пяты выполнены кольцевые выточки с плоским дном, причем в качестве одного из подпятников использована свободная поверхность торцевого щита, на которой соосно с осью вращения ротора жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, кроме того, на обеих торцевых поверхностях пяты жестко закреплены составные постоянные магниты, содержащие, как минимум, по три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности первого подпятника, при этом второй подпятник выполнен в виде цилиндрического стакана из немагнитного материала с возможностью его закрепления на торцовом щите при сохранении возможности свободного вращения вала ротора, кроме того, на донной части стакана жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности пяты.

Кроме того, один конец корпуса электрошпинделя снабжен кольцевым каналом, сообщенным с патрубком для подачи охлажденного охлаждающего газа, а другой его конец снабжен вторым кольцевым каналом, сообщенным с патрубком для отвода нагретого охлаждающего газа, причем названные кольцевые каналы аэродинамически сообщены друг с другом посредством продольных каналов, выполненных в корпусе.

Кроме того, в торцевых щитах выполнены радиальные отверстия, которые сообщены с полостью сердечника статора через сквозные продольные, а также радиальные отверстия шпоночных вставок, независимо от вышеупомянутых охлаждающих каналов.

Кроме того, электрошпиндель оборудован независимыми системами охлаждения и газовой смазки.

Кроме того, торцевые крышки ротора и пята снабжены бандажами.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки, указывающие, что «в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами пакета сердечника статора», позволяют отделить полость охлаждения от полости смазки, обеспечивают герметизацию полости охлаждения обмотки и сердечника статора и обеспечивают эффективное охлаждение сердечника и обмотки статора.

Признаки, указывающие, что «электрошпиндель снабжен, по крайней мере, двумя радиальными и одним упорным магнитными подшипниками», позволяют воспринимать радиальные и осевые статические и динамические нагрузки на ротор, обеспечивают высокую несущую способность и жесткость подшипниковых узлов, а также минимальное трение в них.

Признаки, указывающие, что «торцы ротора жестко скреплены с торцевыми крышками, например, вакуумно-диффузионной сваркой», обеспечивают повышение прочности конструкции ротора.

Признаки, указывающие, что «контактирующие поверхности торцевых щитов и цилиндрических втулок снабжены уплотнениями», обеспечивают герметичность полостей охлаждения и смазки газостатических подшипников.

Признаки, указывающие, что «каждая торцевая крышка ротора выполнена из немагнитного материала и снабжена кольцевым выступом, обращенным к соответствующему торцевому щиту, выполненному из немагнитного материала, при этом на внутренней поверхности кольцевого выступа жестко закреплены друг за другом составные постоянные магниты», формируют цапфы радиальных магнитных подшипников. При этом жесткое скрепление постоянных магнитов с цапфой магнитного подшипника способствует уменьшению деформации магнитов и обеспечивает прочность цапфы магнитного подшипника.

Признаки, указывающие, что каждый из постоянных магнитов «содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием», формируют схему намагничивания (схему Хальбаха) постоянных магнитов цапф, которая обеспечивает увеличение магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора радиального магнитного подшипника для получения значительных сил отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов. Это повышает несущую способность и жесткость радиальных магнитных подшипников, создает значительные силы отталкивания.

Признаки, указывающие, что «торцевые щиты снабжены кольцеобразными выступами, выполненными с возможностью их размещения в полостях кольцевых выступов торцевых крышек, при этом на их внешней поверхности жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на выступах торцевых крышек ротора», формируют вкладыши радиальных магнитных подшипников.

Признаки, указывающие, что «электрошпиндель снабжен осевым магнитным подшипником, содержащим пяту и два подпятника», обеспечивают высокую несущую способность и жесткость упорных подшипниковых узлов, а также минимальное трение в них.

Признаки, указывающие, что «пята выполнена из немагнитного материала в виде диска, надетого на вал ротора и зафиксированного на нем, например, гайкой, размещенной на снабженном соответствующей резьбой конце вала ротора, при этом на противоположных торцевых поверхностях пяты выполнены кольцевые выточки с плоским дном», формируют пяту упорного магнитного подшипника.

Признаки, указывающие, что «в качестве одного из подпятников использована свободная поверхность торцевого щита, на которой соосно с осью вращения ротора жестко закреплен составной постоянный магнит», формируют магнитную систему первого магнитного подпятника.

Признаки, указывающие, что составной постоянный магнит содержит «как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием», формируют магнитную систему первого магнитного подпятника.

Признаки, указывающие, что «на обращенной к ним поверхности пяты жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности первого подпятника», формируют магнитную систему первой магнитной пяты.

Признаки, указывающие, что «второй подпятник выполнен в виде цилиндрического стакана из немагнитного материала с возможностью его закрепления на торцевом щите при сохранении возможности свободного вращения вала ротора, кроме того, на донной части стакана жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности пяты», формируют магнитную систему второго магнитного подпятника.

Признаки второго пункта формулы изобретения формируют радиально-осевую систему вентиляции электрошпинделя.

Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают условия для использования газового слоя в зазоре между внутренней поверхностью шпоночных вставок и зубцов статора и внешней поверхностью ротора для организации газостатического подшипника.

Признаки четвертого пункта формулы изобретения формируют радиально-осевую систему вентиляции электрошпинделя и смазки газостатических подшипников различными газами.

Признаки пятого пункта формулы изобретения позволяют обеспечивать высокие окружные скорости ротора электрошпинделя.

На фиг.1 показан продольный разрез электрошпинделя, на фиг.2 - поперечный разрез.

На чертежах показаны корпус 1 с продольными вентиляционными каналами 2, сердечник статора 3 с пазами 4, катушки обмотки статора 5, ротор 6 электрошпинделя, клин пазовый 7, шпоночные вставки 8, пазовые вентиляционные каналы 9, цилиндрические втулки 10, 11 на статоре, торцевые крышки 12, 13 ротора, торцевые щиты 14, 15, уплотнения 16, 17, 18, 19 торцевых щитов, составные постоянные магниты 20, 21 на внутренней поверхности кольцевых выступов торцевых крышек ротора, составные постоянные магниты 22, 23 на внешней поверхности кольцевых выступов торцевых щитов, пята 24 осевого магнитного подшипника, составные постоянные магниты 25 первого подпятника, составные постоянные магниты 26, 27 пяты, второй подпятник 28, составные постоянные магниты 29 второго подпятника, кольцевые каналы 30, 31 с патрубками 32, 33 для подачи холодного и отвода нагретого охлаждающего газа, радиальные отверстия 34, 35 в торцевых щитах 14, 15 для подачи смазывающего газа, сквозные осевые 36 и радиальные 37 отверстия в шпоночных вставках 8, соответственно, для газостатического подшипника, бандаж 38, 39 на торцевых крышках 12, 13 ротора, вал 40 ротора, гайка 41, зажим 42 для фиксации инструмента, бандаж 43 пяты 24, бурт 44, разрезное кольцо 45, уплотнительные кольца 46, 47, нажимные листы 48, 49.

Электрошпиндель содержит корпус 1, выполненный с продольными вентиляционными каналами 2. В корпусе шпинделя размещен шихтованный сердечник статора 3, опирающийся на корпус 1 и состоящий из одного или нескольких пакетов, снабженный пазами 4, в которых размещены катушки обмотки статора 5. В цилиндрической полости статора 3 с возможностью вращения размещен ротор 6, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из сплава 48КНФ. Проводники обмотки каждого паза 4 статора зафиксированы клином 7. Паз 4 снабжен также шпоночной вставкой 8 со сквозным осевым отверстием 36 и радиальными питающими отверстиями 37, поперечное сечение которой выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки 8 под клином 7 паза 4. Между клином 7 и шпоночной вставкой 8 предусмотрен пазовый вентиляционный канал 9. Соосно с полостью сердечника статора 3 установлены цилиндрические втулки 10, 11, выполненные из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами сердечника статора 3. Торцы ротора 6 жестко скреплены с торцевыми крышками 12, 13, например, вакуумно-диффузионной сваркой, выполненными из немагнитного материала, например из немагнитной нержавеющей стали. Контактирующие поверхности торцевых щитов 14, 15 и цилиндрических втулок 10, 11 снабжены уплотнениями 16, 17, 18, 19. Электрошпиндель снабжен, по крайней мере, двумя радиальными и одним упорным магнитными подшипниками. Для этого каждая торцевая крышка 12, 13 ротора 6 выполнена из немагнитного материала и снабжена кольцевым выступом, обращенным к соответствующему торцевому щиту 14, 15, также выполненному из немагнитного материала. На внутренней поверхности кольцевого выступа жестко закреплены друг за другом составные постоянные магниты 20, 21, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием. Торцевые щиты 14, 15 также снабжены кольцеобразными выступами, выполненными с возможностью их размещения в полостях кольцевых выступов торцевых крышек 12, 13 ротора 6, при этом на их внешней поверхности жестко закреплены друг за другом составные постоянные магниты 22, 23, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов 20, 21, закрепленных на выступах торцевых крышек 12, 13 ротора 6. Электрошпиндель снабжен также осевым магнитным подшипником, содержащим пяту 24 и два подпятника. Пята 24 выполнена из немагнитного материала, например из немагнитной нержавеющей стали, в виде диска, надетого на вал 40 ротора и зафиксированного на нем, например, гайкой 41. На противоположных торцевых поверхностях пяты 24 выполнены кольцевые выточки с плоским дном, на которых соосно с ротором жестко закреплены составные постоянные магниты 26, 27, содержащие, как минимум, по три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально, а четные выполнены с осевым намагничиванием. В качестве одного из подпятников использована свободная поверхность торцевого щита 15, на которой соосно с осью вращения ротора 6 жестко закреплен составной постоянный магнит 25, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов 26, закрепленных на обращенной к ним поверхности пяты 24. Второй подпятник 28 выполнен в виде цилиндрического стакана из немагнитного материала с возможностью его закрепления на торцевом щите 15 при сохранении возможности свободного вращения вала ротора 6. На донной части стакана (второго подпятника 28) жестко закреплен составной постоянный магнит 29, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов 27, закрепленных на обращенной к ним поверхности пяты 24.

На цилиндрической поверхности торцевых крышек 12, 13 ротора 6 выполнены бандажи 38, 39, а пяты 24 - бандаж 43 из высокопрочного материала, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами.

Электрошпиндель снабжен зажимом 42 для фиксации инструмента. Сердечник статора 3 фиксируется в корпусе 1 с помощью бурта 44 и разрезного кольца 45. Торцевые щиты 14, 15 устанавливаются на корпус 1 с использованием уплотнительных колец 46, 47.

Кроме того, электрошпиндель оборудован независимыми системами охлаждения и газовой смазки. Один конец корпуса 1 электрошпинделя снабжен кольцевым каналом 30, сообщенным с патрубком 32 для подачи охлажденного охлаждающего газа, а другой его конец снабжен вторым кольцевым каналом 31, сообщенным с патрубком 33 для отвода нагретого охлаждающего газа, причем названные кольцевые каналы 30, 31 аэродинамически сообщены друг с другом посредством продольных каналов 2, выполненных в корпусе 1.

В торцевых щитах 14, 15 выполнены радиальные отверстия 34, 35 вход которых сообщен с источником смазывающего газа (на чертежах не показан), а выход сообщен с кольцевой канавкой, размещенной между парными уплотнительными кольцами 16, 17, 18, 19, которая, в свою очередь, сообщена со сквозными продольными отверстиями цилиндрических втулок 10, 11, которые, в свою очередь, соединены с продольными отверстиями 36 и радиальными питающими отверстиями 37 в шпоночных вставках 8.

Газостатический подшипник составляют поверхности зубцов сердечника статора 3 и шпоночных вставок 8, обращенные к ротору 6, внутренняя поверхность которых соответствует кривизне поверхности цилиндра, ротор 6, цилиндрические втулки 10, 11 и зазор между ними.

Каждый радиальный магнитный подшипник включает в себя два коаксиальных пакета постоянных магнитов 20 и 22, 21 и 23, каждый из которых содержит, как минимум, по три кольцевых постоянных магнита, обращенных друг к другу с зазором неэкранированными поверхностями, один из которых вклеен в кольцевой выступ торцевых крышек 12, 13 ротора 6, а другой - в кольцевые выступы щитов 14, 15.

Короткозамкнутый ферромагнитный ротор 6 асинхронного двигателя изготавливают в следующем порядке. Цилиндрическую заготовку ротора 6 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 4 грушевидной формы. Вставляют и фиксируют вал 40.

К полученной заготовке с торцов приваривают торцевые крышки 12 и 13, а к валу 40 приваривают зажим 42 для фиксации рабочего инструмента. Наружную поверхность ротора 6 шлифуют для получения необходимой геометрии и шероховатости поверхности. На внутренние поверхности кольцевых выступов крышек 12, 13 ротора 6 устанавливают на клей постоянные магниты 20 и 21.

Статор собирают в следующем порядке. Из штампованных листов электротехнической стали собирают пакет сердечника статора 3 и устанавливают нажимные листы 48, 49 по торцам и скрепляют их сваркой по канавкам на наружной цилиндрической поверхности сердечника статора 3. Далее в пазы 4 пакета сердечника статора 3 устанавливают пазовую изоляцию, укладывают обмотку 5 статора и заклинивают ее пазовыми клиньями 7. Обмотку 5 статора 6 подвергают пропитке и сушке. Внутрь пазов 4 статора 3 под клинья 7 плотно устанавливают на клей шпоночные вставки 8. Затем шлифуют внутреннюю цилиндрическую поверхность сердечника статора 3 и шпоночных вставок 8. Далее внутреннюю цилиндрическую поверхность зубцов статора 3 и шпоночных вставок 8 покрывают антифрикционным материалом ВАП-3. К торцам сердечника статора 3 приклеивают цилиндрические втулки 10 и 11, выполненные из изоляционного немагнитного материала, например стеклотекстолита, концентрично к внутренней цилиндрической поверхности статора.

На цилиндрические втулки 10, 11 надевают уплотнительные кольца 16, 17 и 18, 19. Собранный пакет вставляют в корпус 1 электрошпинделя до упора в бурт 44 корпуса 1. Полученный комплект фиксируют в корпусе 1 электрошпинделя с помощью разрезного кольца 45. В корпус 1 электрошпинделя устанавливают щиты 14, 15 с надетыми на них уплотнительными кольцами 46 и 47 и вклеенными постоянными магнитами 22 и 23, и с вклеенными постоянными магнитами 25 на щите 15.

В электрошпиндель через отверстия торцевых щитов 14, 15 вставляют ротор 6, устанавливают пяту 24 с вклеенными магнитами 26, 27 и фиксируют ее гайкой 41, устанавливают и фиксируют на щите 15 второй подпятник 28 упорного магнитного подшипника с приклеенными магнитами 29.

Работает электрошпиндель следующим образом. Очищенный газ, подаваемый внешним вентилятором в корпус 1 электрошпинделя через патрубок 32, проходит по кольцевому каналу 30, осевым каналам 2 в корпусе 1 и в зоне лобовых частей обмотки 5 статора 3, а также в пазовых вентиляционных каналах 9 под пазовыми клиньями 7 сердечника статора 3, собирается в кольцевом канале 31 и через патрубок 33 возвращается в охладитель газа. Охлаждающий воздух отнимает тепло от сердечника статора 3, обмотки 5, обеспечивая на допустимом уровне нагрев обмотки статора 5 и короткозамкнутого ротора 6 и, тем самым, обеспечивая постоянный зазор газового подшипника при эксплуатации.

Воздух для смазки газостатического подшипника поступает через радиальные отверстия 34, 35 в торцевых щитах 14, 15, через осевые отверстия 36 и через радиальные питающие отверстия 37 в шпоночных вставках 8 поступает далее в смазывающий зазор и создает подъемную силу за счет разности зазоров в верхней и нижней частях подшипника, обеспечивающую поддержание ротора 6 в подвешенном положении относительно статора 3. С наружной цилиндрической поверхности ротора 6 воздух уходит в осевом направлении в окружающую среду.

Магнитный подшипниковый узел работает следующим образом. Вследствие действия отталкивающих сил упорного и радиальных магнитных подшипников ротор 6 электрошпинделя располагается относительно статора 3 симметрично корпусу 1 с зазором без механического контакта. Упорный магнитный подшипник имеет как осевую жесткость, так и радиальную, но первая значительно больше. Радиальный магнитный подшипник имеет как радиальную жесткость, так и осевую, но первая значительно больше.

Работа асинхронного двигателя не отличается от работы аналогичных устройств.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано, например, в шпиндельных узлах металлорежущих станков с высокой частотой вращения. Технический результат заключается в повышении несущей способности и жёсткости подшипниковых узлов, повышении эффективности охлаждения обмотки и сердечника статора, а также улучшении массогабаритных показателей и повышении надёжности. Электрошпиндель отличается тем, что в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами сердечника статора. В подшипниковых щитах электрошпинделя установлены, по крайней мере, два радиальных и один упорный магнитные подшипники. Торцы ротора жестко скреплены с торцевыми крышками, контактирующие поверхности торцевых щитов и цилиндрических втулок снабжены уплотнениями. Подшипниковый узел выполнен с возможностью магнитного поддержания ротора, для этого каждая торцевая крышка ротора выполнена из немагнитного материала и снабжена кольцевым выступом, обращенным к соответствующему торцевому щиту, выполненному из немагнитного материала, при этом на внутренней поверхности кольцевого выступа жестко закреплены друг за другом составные постоянные магниты. Торцевые щиты снабжены кольцеобразными выступами, при этом на их внешней поверхности жестко закреплены как минимум три кольцевых постоянных магнита. Кроме того, электрошпиндель снабжен осевым магнитным подшипником. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрошпиндель, снабженный зажимом для фиксации рабочего инструмента, содержащий корпус, выполненный с продольными вентиляционными каналами, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, опирающийся на корпус и состоящий из одного или нескольких пакетов, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки статора, причем в цилиндрической полости статора с возможностью вращения размещен ротор, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, подшипниковый узел, при этом проводники обмотки каждого паза статора зафиксированы клином, кроме того, паз снабжен шпоночной вставкой, поперечное сечение которой выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки под клином паза, причем между клином и шпоночной вставкой предусмотрен пазовый вентиляционный канал, отличающийся тем, что в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами сердечника статора, кроме того, электрошпиндель снабжен, по крайней мере, двумя радиальными и одним упорным магнитными подшипниками, кроме того, торцы ротора жестко скреплены с торцевыми крышками, например, вакуумно-диффузионной сваркой, кроме того, контактирующие поверхности торцевых щитов и цилиндрических втулок снабжены уплотнениями, кроме того, подшипниковый узел выполнен с возможностью магнитного поддержания ротора, для чего каждая торцевая крышка ротора выполнена из немагнитного материала и снабжена кольцевым выступом, обращенным к соответствующему торцевому щиту, выполненному из немагнитного материала, при этом на внутренней поверхности кольцевого выступа жестко закреплены друг за другом составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием, кроме того, торцевые щиты снабжены кольцеобразными выступами, выполненными с возможностью их размещения в полостях кольцевых выступов торцевых крышек ротора, при этом на их внешней поверхности жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на выступах торцевых крышек ротора, кроме того, электрошпиндель снабжен осевым магнитным подшипником, содержащим пяту и два подпятника, при этом пята выполнена из немагнитного материала в виде диска, надетого на вал ротора и зафиксированного на нем, например, гайкой, размещенной на снабженном соответствующей резьбой конце вала ротора, при этом на противоположных торцевых поверхностях пяты выполнены кольцевые выточки с плоским дном, причем в качестве одного из подпятников использована свободная поверхность торцевого щита, на которой соосно с осью вращения ротора жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, кроме того, на обеих торцевых поверхностях пяты жестко закреплены составные постоянные магниты, содержащие, как минимум, по три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности первого подпятника, при этом второй подпятник выполнен в виде цилиндрического стакана из немагнитного материала с возможностью его закрепления на торцовом щите при сохранении возможности свободного вращения вала ротора, кроме того, на донной части стакана жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности пяты.

2. Электрошпиндель по п.1, отличающийся тем, что один конец корпуса электрошпинделя снабжен кольцевым каналом, сообщенным с патрубком для подачи охлажденного охлаждающего газа, а другой его конец снабжен вторым кольцевым каналом, сообщенным с патрубком для отвода нагретого охлаждающего газа, причем названные кольцевые каналы аэродинамически сообщены друг с другом посредством продольных каналов, выполненных в корпусе.

3. Электрошпиндель по п.1, отличающийся тем, что в торцевых щитах выполнены радиальные отверстия, которые сообщены с полостью сердечника статора через сквозные продольные, а также радиальные отверстия шпоночных вставок, независимо от вышеупомянутых охлаждающих каналов.

4. Электрошпиндель по п.1, отличающийся тем, что электрошпиндель оборудован независимыми системами охлаждения и газовой смазки.

5. Электрошпиндель по п.1, отличающийся тем, что торцевые крышки ротора и пята снабжены бандажами.