CN115066565A - 用于旋转电机的轴承组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于将轴承和轴承套筒固定到旋转电机的端盖的楔形件，该楔形件包括环形基座，该环形基座围绕中心线延伸并且具有内表面，该内表面限定穿过基座的开口以用于接收轴承和轴承套筒。该基座包括通过间隙彼此周向间隔的相对的第一端和第二端，以在将轴承和轴承套筒固定到端盖期间允许第一端和第二端之间的相对运动。

Description

用于旋转电机的轴承组件
相关申请
本申请要求于2019年12月10日提交的美国专利申请16/709,154的优先权，该申请的主题全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明大体上涉及旋转电机，并且具体地涉及用于旋转电机的可移除轴承组件。
背景技术
轴承通过电流而降解是旋转电机领域中的一个问题。电流可以通过电机的转子与定子之间的电位来诱导。轴承，尤其是滚珠轴承，具有内环与外环之间的小接触点，并且易于通过放电而损坏。作为响应，许多绝缘轴承具有直接施加到轴承的外表面的涂层。然而，这种方法难以与现有轴承一起使用。
轴承必须随着它们的磨损而改变，以有助于防止灾难性故障。在大型电机中，从安装它的位置移除机器是不切实际的，因此轴承在现场更换。现有的现场更换方式常常涉及从马达移除端盖，这是费力的过程。
轴承发热是旋转机器中的另一个已知问题。当轴承以更快的速度或更高的机械负载运行时，增加的摩擦导致发热加重。如果不能有效地冷却轴承，则所得高温可能导致疲劳加重或过早故障。
发明内容
在一个示例中，一种用于将轴承和轴承套筒固定到旋转电机的端盖的楔形件包括环形基座，该环形基座围绕中心线延伸并且具有内表面，该内表面限定穿过基座的开口以用于接收轴承和轴承套筒。该基座包括通过间隙彼此周向间隔的相对的第一端和第二端，以在将轴承和轴承套筒固定到端盖期间允许第一端和第二端之间的相对运动。
在另一个示例中，一种用于接收用于定位在旋转电机的端盖中的轴承的轴承套筒包括具有限定用于接收轴承的开口的内表面的环形基座。基座的至少一部分与电绝缘材料形成配合。
在另一个示例中，一种用于具有用于接收转子的一部分的轴承的旋转电机的组件包括具有限定用于接收轴承的开口的环形内表面的端盖。轴承套筒包括环形基座，该环形基座具有限定用于接收轴承的开口的内表面和外表面。楔形件包括具有内表面的环形基座，该内表面限定穿过基座的开口以用于接收轴承，使得轴承套筒的外表面接合楔形件的内表面。该基座包括通过间隙彼此周向间隔的相对的第一端和第二端，以在将轴承和轴承套筒固定到端盖期间允许第一端和第二端之间的相对运动。
本发明的其它目的和优点和更全面
的理解将来自以下详细描述和附图。
附图说明
图1A是具有示例轴承组件的旋转电机的前视图。
图1B是图1A的一部分的分解图。
图2A是旋转电机的端盖的顶视图。
图2B是沿线2B-2B截取的端盖的截面图。
图3是轴承组件的轴承的顶视图。
图4是轴承组件的轴承套筒的顶视图。
图5A是轴承组件的楔形件的顶视图。
图5B是图5A的一部分的放大视图。
图5C是沿线5C-5C截取的图5A的楔形件的截面图。
图6是连接到端盖的冷却系统的示意图。
具体实施方式
本发明大体上涉及旋转电机，并且具体地涉及用于旋转电机的可移除轴承组件。参考图1A-1B，一个示例旋转电机20包括定子22和转子30(以虚线示出)，所述转子具有能够围绕轴线34在定子内和相对于定子旋转的轴32。端盖80在定子22的轴向端上延伸并且用紧固件等固定到定子的轴向端。轴承组件110与端盖80配合以固定和对准轴32。
如图2A-2B中所示，端盖80包括背离定子22的轴向端面82。中空突起部83远离轴向端面82延伸并且包括环形内表面84。在一个示例中，突起部83基本上是L形的并且包括支腿92。支腿92从内表面84径向地延伸到开口86中并环绕中心线88。凹部或凹坑94径向朝外延伸到支腿92中。凹坑94可具有圆形形状。
内表面84限定以中心线88为中心的开口86。开口86接收转子30的轴承组件110和轴32。内表面84(图2B)相对于中心线88以一角度θ1延伸，并且因此成角度或渐缩。角度θ1可以为大约1-20°，例如5°。如图所示，内表面84在朝向轴向端面82延伸的方向上朝外远离中心线88渐缩。因此，开口86的直径在与轴向端面82相邻处最大并且在支腿92处最小。
轴承组件110(图1B)包括轴承112、轴承套筒150和楔形件180。参考图3，轴承112包括围绕轴线120为中心并且彼此可旋转地连接的内环116和外环118。内环116包括限定穿过其中的开口124的内表面122。外环118包括与内环116的内表面122同心的外表面126。
内环116和外环118配合以限定用于接收旋转构件或轴承134的轨道130。旋转构件134可以是球形、圆柱形、截头圆锥形等。内环116相对于外环118的旋转通过旋转构件134相对于彼此的旋转结合旋转构件围绕轴线120的轨道或圆周运动来促进。
如图4A-4B中所示，轴承套筒150是环形的并且围绕中心线152延伸。轴承套筒150包括基座154，所述基座具有限定以中心线152为中心的开口158的内表面156和外表面160。外表面160相对于中心线152以角度θ2延伸。角度θ2可以为大约1-20°，例如5°。如图所示，外表面160在朝向轴向端面159延伸的方向上朝向中心线152朝内渐缩。因此，开口86的直径在与轴向端面159相邻处最小。
突起部170从外表面160延伸。突起部170围绕中心线152对称地布置并且具有沿基座154轴向延伸的长度。突起部170具有与端盖80中的凹坑94基本上相同的轴向横截面形状。通道172延伸穿过每个突起部170的整个长度。
轴承套筒150由耐用材料形成，诸如金属。内表面156是精密研磨的，以满足轴承112安装要求。轴承套筒150的其余部分可以被电绝缘材料174包围或包裹在与轴承套筒形成配合的电绝缘材料174中。在一个示例中，电绝缘材料174以液体样或类似状态直接施加到轴承套筒150，以使得能够与金属轴承套筒粘结，例如，粘合剂粘结。然后电绝缘材料174可以通过加热、紫外(UV)光、化学物质等来固化(如果需要的话)。应当理解，绝缘材料174可以设置在内表面156上并且被定制以接受轴承112(未示出)。无论如何，提供绝缘材料174以减少或消除转子30与定子/端盖80之间的可能的电流尖峰对轴承112的影响。
在示例方法中，电绝缘材料174可以包覆成型到轴承套筒150。轴承套筒150可以被保持在模具内部，并且绝缘材料174被引入其中，填充轴承套筒150与模具之间的空间并固定到轴承套筒。另选地，电绝缘材料174可以被热喷涂到轴承套筒150上。在这种情况下，电绝缘材料174被提供为小型、陶瓷和/或塑料颗粒，所述颗粒被加热到或高于熔融温度或玻璃化转变温度，并且朝向轴承套筒150加速至足以粘附到所述轴承套筒。也就是说，电绝缘材料174可以具有与轴承套筒150的粘合剂连接。
电绝缘材料174可以具有足够的热传导率和厚度，以允许热量在旋转电机20的操作期间通过电绝缘材料从轴承112径向朝外传递。在一个示例中，热传导率大于至少约1W/mK。示例导电材料174包括塑料、陶瓷和/或聚合物，诸如聚苯硫醚(PPS)，并且可以包括添加剂。设想具有大于约1W/mK热传导率的任何材料。
参考图5A-5B，楔形件180是环形的并且围绕中心线182从第一端184周向延伸到通过间隙183与第一端间隔的第二端186。内表面190和外表面192围绕中心线182彼此大致同心地延伸。内表面190限定以中心线182为中心的开口194。轴向端面193、195定位在表面190、192的相对侧上。通道198在轴向端面193、195之间延伸，并且围绕中心线182周向布置。
第一端184终止于周向端面185。第二端186终止于面对或相对表面185的周向端面187处。柔性构件210(图5B)包括一对支腿212、214，所述一对支腿固定到相应的第一端184和第二端186或者与第一端184和第二端186一体地形成。更具体地，支腿212从第一端184的表面185延伸。支腿214从第二端186的表面187延伸。
连接部分216将支腿212、214互连。连接部分216可以是圆形的或弯曲的。在一个示例中，连接部分216具有朝向中心线182径向朝内延伸的环形弯曲的、圆形的或ω形状。考虑到这一点，间隙183允许响应于施加到第一端184和/或第二端186的载荷L而在端部184、186之间至少以R1、R2的方式进行相对运动，例如，周向、径向和/或轴向运动。柔性构件210被配置成限制端部184、186之间的相对运动，以有助于将端部维持在同一平面中。
参考图5C，内表面190相对于中心线182以角度θ2延伸，并且因此具有与轴承套筒150的外表面160相同的成角度配置。外表面192相对于中心线152以角度θ1延伸，并且因此具有与端盖80的内表面84相同的成角度配置。如图所示，内表面190在朝向轴向端面193延伸的方向上朝向中心线182朝内渐缩。外表面192在朝向轴向端面195延伸的方向上朝向中心线182朝内渐缩。因此，楔形件180在圆周方向上具有梯形横截面。
凹部196形成于内表面190中并且延伸楔形件180的整个轴向长度。凹部196围绕中心线182以圆周图案布置，并且大小、形状和位置被设定成在轴承套筒150上接收突起部170。
重新参考图1A-1B，为了组装轴承组件110，轴承112连接到轴32，以便与轴一起旋转并且大体上居中在端盖80中的开口86内。轴承套筒150在轴承112上插入开口86中，使得轴承套筒150上的突起部170延伸到端盖80中的凹坑94中，并且轴向端面159朝外背离端盖80。当发生这种情况时，轴承112的外表面126移动成与轴承套筒150的内表面156接合。
然后，楔形件180-与朝外背离端盖80的轴向端面193一起被驱动到轴承套筒150与端盖之间的开口86中。更具体地，楔形件180中的凹部196与轴承套筒150上的突起部170对准，使得将楔形件180插入开口86中将突起部170定位在了凹部196内。这同时使楔形件180的外表面192移动成与端盖80的内表面84接合。轴承套筒150的外部上的电绝缘材料174接合楔形件180的内表面190(还见于图6)。螺纹紧固件等(未示出)可以延伸穿过轴承套筒150中的通道172和楔形件180中的通道198，以将轴承组件110部件刚性地固定到端盖80以及端盖80内。
轴承组件110和端盖80上的渐缩表面有助于保持部件之间的对准。为此，轴承套筒150和楔形件180上的配合表面160、190分别以相同的角度θ2延伸。端盖80和楔形件180上的配合表面84、192分别以相同的角度θ1延伸。因此，在端盖80与轴承套筒150之间驱动楔形件180在径向朝内方向上向轴承套筒150的外表面160施加压缩力。同时，端盖80的内表面84在径向朝内方向上将反应表面施加到楔形件180的外表面192。此外，轴承套筒150的精确内表面156确保轴承套筒150与轴承112的外表面126之间的紧密配合。
这些力配合以将轴承112刚性地保持在适当位置，并且从而将转子30的轴32精确地保持在适当位置。具体地，在轴32的旋转电机20的操作期间相对于轴线34倾斜或偏移的任何尝试由轴承组件110在每一径向方向上向轴提供的径向朝内的力抵消。
在安装期间，轴承组件110的组件112、150、180彼此和/或端盖80的任何未对准通常使一个配合表面在其它配合表面之前接合。为了使得部件80、112、150、180之间能够重新对准，间隙183有利地允许端部184、186响应于由不对称接合生成的负载L而相对于彼此移动(见图5B)。
具体地，间隙183允许端部184、186之间的相对径向运动R1、相对周向运动R2和/或相对轴向运动(未示出)，以允许轴承112、轴承套筒150和楔形件180彼此正确对准并且与端盖80中的开口86的中心线88对准。柔性构件210耐用且足够弹性，以在任何相对运动期间维持楔形件180中的轴向刚度。为此，柔性构件210限制端部184、186之间的运动，以有助于将楔形件180的端部184、186保持在单个平面中。
在操作期间，当轴在轴承112内旋转时，轴承组件110有助于维持轴32与端盖80之间的正确对准。考虑到这一点，轴承套筒150上的电绝缘材料174有利地有助于阻止电力在旋转电机20的操作期间流过轴承112。
随着时间的推移，轴承112可以变得磨损或具有降低的功效。考虑到本领域中更换当前轴承的前述问题，本文所示和所述的轴承组件110有利地允许在生产期间以及在由客户改变轴承的场期间从定子简便地组装转子30，而不需要移除端盖80。为此，转子30的轴32首先相对于端盖在径向方向上固定以保持对准。这在永磁体机器中是特别期望的，其中如果失去对准，转子轴可以径向移动，即，相对于其旋转轴线倾斜或偏移，以与定子接合。
一旦轴32固定，可以容易地将楔形件180从轴承套筒150与端盖80的内表面84之间移除。这可以通过操纵楔形件180的端部184、186来促进。更具体地，柔性构件210允许端部184、186朝向或远离彼此移动和/或径向朝内或朝外移动，以以减少或消除楔形件和端盖80和/或轴承套筒150之间的结合力的方式调节楔形件180的形状。另选地或除此之外，将楔形件180驱动出开口86并且远离端盖80可以自动使端部184、186相对于彼此移动以促进移除。
在已将楔形件180从端盖80移除之后，可以容易地将轴承套筒150从保持在轴32上的适当位置的固定轴承112移除。然后可以使用例如专门设计的装置或移除构件(未示出)将轴承112拉离轴32，所述专门设计的装置或移除构件被配置成有助于克服轴承112的内环116与轴32之间的强摩擦接合。
然后将替换轴承112附接到轴32和轴承套筒150并且以先前描述的方式重新安装楔形件180。然后移除轴32/端盖80固定，从而允许旋转电机20与替换轴承112一起操作。
重新参考图6，任选的冷却系统220可以连接到端盖80，以有助于在其操作期间从轴承组件110移除热量。冷却系统220可以包括围绕突起部83延伸的一个或多个管道或管230。如图所示，单个管230围绕突起部83的外部在形成于端盖80中并环绕中心线88的通道236内延伸。通道236紧邻突起部83的外部定位，以使从轴承112到管230的热传递最大化。
管230包括入口端232和出口端234，入口端和出口端可以在与突起部83间隔的位置处彼此相邻定位。在任何情况下，入口端232和出口端234两者均流体连接到含有冷却流体的贮存器240，诸如水、二醇或它们的混合物。冷却流体以方式F1进入管230的入口端232，围绕突起部83周向地流动穿过管230(如图所示，如图所示的逆时针)，并且以方式F2穿过出口端234离开管道。
在旋转电机20的操作期间，由旋转轴承112生成热量。由图6中的箭头H指示的热量从轴承112径向朝外流动穿过轴承套筒150，穿过电绝缘材料174，穿过楔形件180，穿过突起部83，并且穿过管230进入在其中流动的冷却液体。因此，电绝缘材料174径向定位在轴承112和冷却管230之间。有利的是提供具有高导热率的电绝缘材料174，并且将管230定位成与突起部83紧密接近，以使轴承112、轴承套筒150、楔形件180和突起部83之外的热流H最大化并进入冷却液体。
上文已经描述了本发明的示例。当然，为了描述本发明的目的，不可能描述部件或方法的每个可想到的组合，但是本领域中普通技术人员将认识到，本发明的许多另外的组合和排列是可能的。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求书的实质和范围内的所有此类改变、修改和变型。

Claims (20)

1.一种用于将轴承和轴承套筒固定到旋转电机的端盖的楔形件，包括：
环形基座，所述环形基座围绕中心线延伸并且包括内表面，所述内表面限定穿过所述基座的开口以用于接收所述轴承和所述轴承套筒，所述基座包括通过间隙彼此周向地间隔的相对的第一端和第二端，以在将所述轴承和所述轴承套筒固定到所述端盖期间允许所述第一端和所述第二端之间的相对运动。
2.根据权利要求1所述的楔形件，其中所述间隙允许所述基座的所述第一端与所述第二端之间的相对周向运动。
3.根据权利要求1所述的楔形件，还包括柔性构件，所述柔性构件连接到所述第一端和所述第二端并且延伸穿过所述间隙。
4.根据权利要求3所述的楔形件，其中所述柔性构件包括从相应的第一端和第二端延伸的第一支腿和第二支腿以及连接所述第一支腿和所述第二支腿的部分。
5.根据权利要求4所述的楔形件，其中所述连接部分是圆形的。
6.根据权利要求4所述的楔形件，其中所述连接部分朝向所述中心线延伸。
7.根据权利要求1所述的楔形件，其中所述基座包括：
渐缩外表面，所述渐缩外表面用于接合所述端盖；以及
渐缩内表面，所述渐缩内表面用于接合所述轴承套筒。
8.根据权利要求7所述的楔形件，其中所述基座具有梯形的周向截面。
9.根据权利要求1所述的楔形件，其中所述柔性构件包括弹簧。
10.一种用于接收用于定位在旋转电机的端盖中的轴承的轴承套筒，包括：
环形基座，所述环形基座包括限定用于接收所述轴承的开口的内表面，所述基座的至少一部分与电绝缘材料成形状配合。
11.根据权利要求10所述的轴承套筒，其中在所述基座和所述电绝缘材料之间具有粘合剂连接。
12.根据权利要求10所述的轴承套筒，其中所述电绝缘材料在所述基座上包覆成型。
13.根据10所述的轴承套筒，其中所述电绝缘材料具有大于1W/mk的热传导率。
14.根据权利要求10所述的轴承套筒，其中所述电绝缘材料设置在所述基座的外表面上。
15.一种用于旋转电机的组件，所述旋转电机具有用于接收转子的一部分的轴承，所述组件包括：
端盖，所述端盖包括环形内表面，所述环形内表面限定用于接收所述轴承的开口；
轴承套筒，所述轴承套筒包括环形基座，所述环形基座具有限定用于接收所述轴承的开口的内表面和外表面；以及
楔形件，所述楔形件包括具有内表面的环形基座，所述内表面限定穿过所述基座的开口以用于接收所述轴承，使得所述轴承套筒的所述外表面接合所述楔形件的所述内表面，所述基座包括通过间隙彼此周向地间隔的相对的第一端和第二端，以在将所述轴承和所述轴承套筒固定到所述端盖期间允许所述第一端和所述第二端之间的相对运动。
16.根据权利要求15所述的组件，还包括至少一个管道，所述至少一个管道环绕所述轴承套筒和所述楔形件并且接收冷却流体以用于从所述轴承套筒移除热量。
17.根据权利要求16所述的组件，其中所述轴承套筒的所述基座的至少一部分与径向定位在所述轴承与所述至少一个管道之间的电绝缘材料成形状配合。
18.根据权利要求15所述的组件，其中所述楔形件的所述内表面和所述轴承套筒的所述外表面是渐缩的。
19.根据权利要求15所述的组件，其中所述端盖的所述内表面是渐缩的并且接合所述楔形件的所述基座的渐缩外表面。
20.根据权利要求15所述的组件，其中所述间隙允许所述楔形件的所述基座的所述第一端与所述第二端之间的相对周向运动。
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