CN1856925A - 具有轴承预载的泵电机 - Google Patents
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Abstract
一种电机，包括：壳体装置，安装在上述壳体内的第一、第二轴承，安装在轴承内的转子装置，以便于该转子相对壳体具有预定量的轴向和径向间隙。在上述转子装置或壳体中的一个和上述轴承中的一个之间设置偏压件。该偏压件使上述转子装置移动到一个能够消除上述轴向和径向间隙的预载位置。第一内外圈、第二内外圈中的每一个均被固定到上述转子装置中的一个或壳体上，从而使上述转子装置能够被限定在上述预载位置上。可以选择上述电机的零件，以在上述电机的整个操作温度范围内能够保持该预载。
Description
技术领域
本发明通常涉及一种电机，尤其是涉及一种和往复载荷例如隔膜泵一起使用的电机。电机经常使用轴承来减小摩擦，特别是滚珠轴承等滚动轴承。可在商业上获得的轴承在它们的独立元件之间例如在滚珠和内圈或外圈之间都会存在一些间隙，因而产生一些径向自由度和轴向间隙。在电机和循环载荷、尤其是和由隔膜泵所施加的径向载荷(即垂直于电机轴的轴线)相连的应用中，轴承间隙和上述载荷相互作用会导致电机因疲劳、电机元件磨蚀以及快速磨损而使寿命大大减小。
背景技术
曾尝试过将预载施加到电机的轴承装置上，用来去掉间隙。然而在操作中，上述电机却容易使内部温度变化，而该内部温度来源于电机自身产生的热量或者从电机操作环境中吸收的热量。因而产生轴承预载的电机零件的热膨胀率不同。这种变化的热膨胀会引起轴承上的预载消失，从而如上所述导致磨损加速。而且这种变化的热膨胀还会引起在轴承上的轴向和/或径向载荷过大，从而导致磨损加速。
发明内容
因此，本发明的一个目的就是提供一种电机，能够从轴承处消除径向和轴向间隙。
本发明的另一个目的就是提供一种电机，在所有操作条件下都具有恒定的预载。
本发明的另一个目的就是提供一种电机的组装方法，能够从轴承处消除径向和轴向间隙。
在以下公开的优选实施例中，通过提供一种电动机械，来实现本发明的这些和其他目的，其中：具有第一和第二端部的壳体装置；安装在上述壳体内的第一轴承，该第一轴承包括多个设置在第一内外圈之间的滚动元件；安装在上述壳体内且和第一轴承间隔开的第二轴承，该第二轴承包括多个设置在第二内外圈之间的滚动元件。
具有分别安装在上述第一和第二轴承内的第一和第二端部的转子装置，从而使该转子相对壳体具有预定量的轴向和径向间隙。在转子装置或壳体中的一个和轴承中的一个之间设置偏压件。该偏压件使上述转子装置移动到一个能够消除轴向和径向间隙的预载位置。第一内外圈、第二内外圈中的每一个均被固定到上述转子装置中的一个或壳体上，从而使上述转子装置能够被限定在上述预载位置上。
根据本发明的另一个实施例，上述第一、第二外圈均被固定到上述壳体上，第一和第二内圈均被固定到上述轴上。
根据本发明的另一个实施例，上述偏压件由一个设置在转子装置和第一或第二内圈之间的弹簧构成。
根据本发明的另一个实施例，上述偏压件为一个设置在上述壳体和第一或第二外圈之间的弹簧。
根据本发明的另一个实施例，上述壳体装置包括：一个具有轴向延伸部的大致圆柱形壳体和与壳体后端相连的端罩，上述延伸部具有和壳体前端相连的前端板。
根据本发明的另一个实施例，可以选择上述壳体装置、轴承和转子的热膨胀系数，以使得在大约-40℃到大约105℃的温度范围内，上述转子装置被限定在预载位置上。
根据本发明的另一个实施例，上述轴承可由高碳铬铁构成，上述壳体装置和转子装置可由400系列不锈钢构成。
根据本发明的另一个实施例，一种电机的组装方法包括：提供具有第一和第二端部的壳体；将第一轴承设置在上述壳体内，该第一轴承具有多个设置在第一内外圈之间的滚动元件；将第二轴承设置在上述壳体内，该第二轴承具有多个设置在第二内外圈之间的滚动元件；设置具有纵向延伸轴的转子装置。
上述转子装置可转动地安装在上述壳体内，上述轴可承靠在第一、第二轴承上，从而使该转子处于相对壳体具有预定量轴向和径向间隙的第一位置上。在转子装置或壳体中的一个和轴承中的一个之间设置一个偏压件，以便于该偏压件使上述转子装置移动到一个能够消除轴向和径向间隙的第二位置。第一内外圈、第二内外圈中的每一个均被固定到上述转子装置中的一个或壳体上，从而使上述转子装置能够被限定在上述第二位置上。
根据本发明的另一个实施例，上述第一、第二外圈均被固定到上述壳体上，第一和第二内圈均被固定到上述轴上。
根据本发明的另一个实施例，上述偏压件由一个设置在上述壳体和第一或第二外圈之间的弹簧构成。
根据本发明的另一个实施例，上述第一内外圈和第二内外圈中的每一个均可通过从下组选择的方式进行固定，包括：压配合、粘接、焊接或钎焊。
根据本发明的另一个实施例，电机包括：具有第一和第二端部的大致圆柱形壳体装置，该壳体形成第一和第二间隔开的轴承腔；具有多个设置在第一内外圈之间的滚动元件的第一轴承，第一外圈容纳在第一轴承腔内；具有多个设置在第二内外圈之间的滚动元件的第二轴承，第二外圈容纳在第二轴承腔内；具有一个轴的转子装置，该轴可承靠在第一、第二内圈内，从而使上述转子相对壳体具有预定量的轴向和径向间隙。
在转子装置或壳体中的一个和轴承中的一个之间设置偏压件，该偏压件使上述转子装置移动到一个能够消除轴向和径向间隙的预载位置。第一内外圈均被固定到上述轴上，第二内外圈均被固定到上述壳体上，从而使上述转子装置能够被限定在上述预载位置上。
附图简述
参考下列叙述并结合附图，能够更好地理解作为本发明的主旨，其中：
图1是在固定状态下滚珠轴承的侧视图。
图2是图1中滚珠轴承在预载条件下的侧视图。
图3是图2中轴承部的放大视图。
图4是根据本发明构造的电机的第一实施例侧视图。
图5是图4中电机零件的第一可替换设置的侧视图。
图6是图4中电机零件的第二可替换设置的侧视图。
图7是图4中电机零件的第三可替换设置的侧视图。
图8是根据本发明构造的电机的第二实施例侧视图。
图9是图8中电机零件的第一可替换设置的侧视图。
图10是图8中电机零件的第二可替换设置的侧视图。
图11是图8中电机零件的第三可替换设置的侧视图。
优选实施例详述
参考附图，其中相同的参考标记表示在不同视图中的相同零件。图1示出了典型滚珠轴承1的简图，该轴承包括大致为圆柱形的且同心设置的内外圈2、3。在内外圈之间安装有一排滚珠4。如图所示，滚珠4可以由保持架5间隔开并定位。这些滚珠4可被容纳在分别形成于内外圈上的弓形槽6、7内。这些槽的曲率半径要大于滚珠4的半径，从而在组装时滚珠4能够和这些座圈进行点接触。由于不同零件间的空间，轴承1在“R”方向上具有径向间隙，在“A”方向上具有轴向间隙。这些间隙会在内圈2和外圈3之间产生相对的径向和轴向运动。
图2叙述了在预载状态下的轴承1。在箭头P的方向上，在轴承1上施加一个轴向的预载应力。这就使上述内圈2相对外圈3产生轴向位移。如图3更加清楚地示出，凭借上述滚珠4和内外圈2、3上的上述槽间的干涉来止挡这种轴向运动。此外，由于这些槽为弓形，所以轴承座圈的相对轴向运动就会产生“楔固”效应(wedging effect)，防止内外圈之间的相对径向运动。因此，轴向预载可用以从滚珠轴承中去除轴向和径向的间隙。
下面，回到本发明中，图4示出了根据本发明构造的电机10的第一实施例。所示的实例为无电刷式永磁铁DC电机，但是本发明的操作原理也适用于其他形式的电机。上述电机10的基本元件为壳体12，端罩14，定子16，转子装置18，前轴承20，后轴承22和弹簧24。壳体12大致为圆柱形的开口元件，包括轴向延伸部26和形成有前轴承腔30的前端板28。壳体12的前端板部还可以是通过螺钉、压配合、焊接等多种方式固定的单独元件。壳体12可以由铸造、锻造、机械加工或粉末冶金等任何一种已知方式形成。上述端罩14为适于隔开壳体12后端的元件，且可以通过图4中所示的螺钉32被固定到壳体12的后端上。端罩14形成有后轴承腔34。定子16是一种已知的由线圈或导线缠绕一排平板构成的元件。转子装置18包括：具有中心部38的轴36，轴向延伸的前轴延伸部40，以及轴向延伸的后轴延伸部42。可利用粘接剂将多个永磁铁44固定到上述中心部的外表面上。前轴承20是一种已知的滚动元件，例如滚珠轴承。它的外圈46容纳在上述前轴承腔30内，且它的内圈48容纳有转子装置18的前轴延伸部。后轴承22也可以是已知的滚动式元件，例如滚珠轴承。它的外圈50容纳在后轴承腔34内，它的内圈52容纳有后轴延伸部42的一部分。在所述的实施例中，上述弹簧是一种压缩式螺旋弹簧。但是，上述弹簧24也可以是任何一种能够固定在为其所设置的空间内且能够提供所需预载应力的形式。例如，也可以使用贝氏(Belleville)弹簧。
组装电机10，使预载添加在轴承20、22上，从而如上所述，去除每个轴承中的所有轴向和径向间隙。以上述轴承的内圈在相对方向上进行偏压的方式施加上述预载。如下是一个示意性的组装顺序。将后轴承22装到端罩14上。后轴承22的外圈50可通过压配、粘接、定位焊、钎焊等方式固定在端罩14上，使其不能相对端罩14移动。随后，将前轴承20装到壳体12上。前轴承20的外圈46固定到壳体12上，从而以类似于后轴承22的方式，使其不能相对壳体12移动。
随后，将弹簧24装到转子装置18的前轴延伸部40上，随后将该转子装置18插入到壳体12内。弹簧24的一端承靠在前轴承20的内圈48上，而弹簧24的另一端承靠在转子装置18的中央部38上。端罩14随后固定到壳体12上，从而将后轴延伸部42放入到后轴承22的内圈52之内。压缩弹簧24的动作使每一轴承的内圈都向外移动到所有轴向和径向间隙都得以消除的位置上。这就产生一个预载应力，该应力的大小由弹簧24的特性来决定。
最后，将前轴承20的内圈48固定到前轴延伸部40上，将后轴承22的内圈52固定到后轴延伸部42上，使任一个内圈和转子装置18之间都没有相对运动产生。上述内圈可通过上述的不同方式固定到转子装置18上。因此在组装过程中，电机10的元件可被固定在能够保持弹簧24所产生预载的位置上。这种设置就可以从轴承和轴中消除所有的轴向和径向间隙。
图5示出了电机110，该电机是图4中所述电机10的一个变体。在该实施例中，弹簧24被置于转子装置18的后轴延伸部42之上，位于轴36的中央部38和后轴承22的内圈52之间。该电机110的组装和操作与图4中所述的实例类似。
图6示出了电机10的另一种变体210。这种结构还是类似于图4中所述的实例，主要区别在于上述弹簧24承靠在轴承的外圈上，如下将详细叙述。
电机210的组装开始于将前轴承20装到壳体12上。前轴承20的外圈46可通过压配、粘接、定位焊、钎焊等方式固定在壳体12上，从而使其不能相对壳体12移动。将转子装置18装到壳体12上。再将前轴承20的内圈48固定到前轴延伸部40上，从而使其不能相对前轴延伸部40移动。
随后，将后轴承22装到转子装置18上。并将后轴承22的内圈52固定到后轴延伸部上，使其不能相对后轴延伸部移动。弹簧24被装到端罩14上，插在后轴承腔内。接着，将端罩14装到壳体12上，从而将后轴承22插入到端罩14内。因此，弹簧24就匹配在端罩14和后轴承22的外圈50之间。
上述压缩弹簧24的动作使每一轴承的内圈都向外移动到所有轴向和径向间隙都得以消除的位置上。这就产生一个预载应力，该应力的大小由弹簧24的特性来决定。
最后，将后轴承22的外圈50固定到端罩14上，使外圈50和端罩14之间没有相对运动产生。上述外圈50可通过上述的不同方式固定到端罩14上。因此在组装过程中，电机210的元件可被固定在能够保持弹簧24所产生预载的位置上。这种设置就可以从轴承/轴机构中消除所有的轴向和径向间隙。
图7示出了电机210的一个变体310。在该实施例中，弹簧24被置于转子装置18的前轴延伸部40之上，位于壳体12和后轴承22的外圈50之间。该变体的组装和操作与图6中所述的实例类似。
图8示出了根据本发明构造的电机410的第二实施例。由于转子装置和轴承之间的相对关系，这种电机在某些时候也可称作悬臂式电机。用最初的参考标记表示和图4-7中所述电机中一致的元件。电机410的基本元件为壳体12’，定子16’，转子装置18’，前轴承20’，后轴承22’和预载弹簧24’。壳体12’大致为圆柱形的开口元件，包括外轴向延伸部26’，内轴向延伸部27和前端板28’。内轴向延伸部27形成前轴承腔30’和后轴承腔34’。壳体12’可以由铸造、锻造、机械加工或粉末冶金等任何一种已知方式形成。定子16’是一种已知的由线圈或导线缠绕一排平板构成的元件。转子装置18’包括：轴36’，同轴36’后端相连的磁毂37和多个永磁铁44’，该永磁铁可通过粘接剂和磁毂37的外表面相连。前轴承20’是一种已知的滚动元件，例如滚珠轴承。它的外圈46’容纳在上述前轴承腔30’内，且它的内圈48’容纳有转子装置18’的前轴延伸部40’。后轴承22’也可以是已知的滚动式元件，例如滚珠轴承。它的外圈50’容纳在后轴承腔34’内，它的内圈52’容纳有轴36’的一部分。在所述的实施例中，上述弹簧是一种压缩式螺旋弹簧。但是，上述弹簧24’也可以是任何一种能够固定在为其所设置的空间内且能够提供所需预载应力的形式。例如，也可以使用贝氏(Belleville)弹簧垫圈。
组装电机410，使预载添加在轴承20’、22’上，从而如上所述，去除每个轴承中的所有轴向和径向间隙。以上述轴承在相对方向上进行偏压的方式施加上述预载。如下是一个示意性的组装顺序。首先，将弹簧24’装到转子装置18’上，再将后轴承22’装到壳体12’上。后轴承22’的外圈50’可通过压配、定位焊、钎焊等方式被固定在壳体12’上，从而使外圈50’和壳体12’之间不能产生相对移动。
随后，将前轴承20’装到壳体12’上。前轴承20’的外圈46’固定到壳体12’上，从而在外圈46’和壳体12’之间也不能产生相对移动。
接着，转子装置18’装到壳体12’上，从而将轴36’放入到每一轴承的内圈中。随后，将锁环54装到轴36’的前端上。这就会压紧弹簧24’。压缩弹簧24’的动作使每一轴承的内圈都向内移动到所有轴向和径向间隙都得以消除的位置上。这就产生一个预载应力，该应力的大小由弹簧24’的特性来决定。
最后，以上述的方式将前轴承20’的内圈和后轴承都固定到轴36’上，使内圈和轴36’之间没有相对运动产生。因此这种设置就可以从轴承和轴机构中消除所有的轴向和径向间隙。
图9示出了图8中电机410的一个变体即电机510。在该实施例中，弹簧24’被置于轴36’的前端之上，位于锁环54和前轴承20’的内圈48’之间。该电机510的组装和操作与图8中所述的实例类似。
图10示出了电机410的另一种变体610。这种结构还是类似于图8中所述的实例，主要区别在于上述弹簧24’承靠在轴承的外圈上，如下将详细叙述。
首先，将弹簧24’装到壳体12’上。随后将后轴承22’装到转子装置18’上。后轴承22’的内圈52’可通过压配、定位焊、钎焊等方式固定在上述轴上，从而在内圈52’和轴36’之间不能产生相对运动。
将前轴承20’装到壳体12’上。再以上述的方式将前轴承的外圈46’固定到壳体12’上，从而在外圈46’和壳体12’之间不能产生相对运动。
随后，将转子装置18’装到壳体12’上。这就将轴36’放入到前轴承20’的内圈48’内。接着，将锁环54装到轴36’上。这就会压紧弹簧24’。压缩弹簧24’的动作使每一轴承的内圈都向内移动到所有轴向和径向间隙都得以消除的位置上。这就产生一个预载应力，该应力的大小由弹簧24’的特性来决定。
最后，以上述的方式将前轴承20’的内圈固定到轴36’上，将后轴承22’的外圈50’固定到壳体12’上，从而这些零件之间没有相对运动产生。因此这种设置就可以从轴承和轴机构中消除所有的轴向和径向间隙。
图11示出了图10中电机610的一个变体即电机710。在该实施例中，弹簧24’被置于轴36’的前端之上，位于前轴承腔30’的端部和前轴承20’的外圈46’之间。该电机710的组装和操作与图10中所述的实例类似。
尽管叙述了几种基本结构和组装方法，但是应该注意的是，特定的结构和组装顺序对于本发明并不重要。而重要的是，施加预载以将转子和轴承中的轴向和径向间隙去除，且每一轴承的内外圈都要设置得在座圈和相配合元件之间没有相对运动产生。而且在整个电机的操作温度范围内，必须保持预载，从而在所希望的载荷下能够充分保证轴向和径向方向的零间隙状态。可基于热膨胀系数，选择壳体、转子装置和轴承的材料，来达到上述目标。因此，不同零件间的热膨胀系数差就可以降为最小。而且如果线性热膨胀系数过高的话，即使所有的零件为同一材料，过大的热膨胀也会导致上述轴承预载损失，所以每一零件的线性热膨胀系数绝对值也要降为最小。超出所需线性热膨胀系数的已知材料实例包括铜、锌和铝。
如下是合适材料的组合实例。轴承可以由高碳铬钢(JISG4805/SUJ2)等不锈钢合金制成。这和商业上可获得的滚珠轴承所使用的材料相一致，且为其他电机元件所匹配的热膨胀系数提供了基准(baseline)。因此，上述壳体、轴和端罩可以由400系列合金等不锈钢合金制成。或者，这些零件的一部分也可由低碳钢制成。这种材料组合在通用电机的整个操作温度范围内，都将会保证有足够的预载。上述温度范围可以是从大约-40℃(-40)到大约105℃(220)。
上面叙述了一种和往复载荷例如隔膜泵一起使用的电机装置。尽管已经叙述了本发明中的特定实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围内，所作的各种修改都是允许的。因此本发明中优选实施例的上述叙述和实施本发明的最佳模式都仅仅是用于示意性的，而并不是起限制目的的。
Claims (19)
1、一种电动机械，包括：
具有第一和第二端部的壳体装置；
安装在上述壳体内的第一轴承，该第一轴承包括多个设置在第一内外圈之间的滚动元件；
安装在上述壳体内且和第一轴承间隔开的第二轴承，该第二轴承包括多个设置在第二内外圈之间的滚动元件；
具有分别安装在上述第一和第二轴承内的第一和第二端部的转子装置，从而使该转子相对壳体具有预定量的轴向和径向间隙；
在上述转子装置或壳体中的一个和上述轴承中的一个之间设置的偏压件，该偏压件使上述转子装置移动到一个能够消除上述轴向和径向间隙的预载位置，其特征在于，第一内外圈、第二内外圈中的每一个均被固定到上述转子装置中的一个或壳体上，从而使上述转子装置能够被限定在上述预载位置上。
2、如权利要求1所述的电动机械，其特征在于，上述第一和第二外圈均被固定到上述壳体上，第一和第二内圈均被固定到上述轴上。
3、如权利要求1所述的电动机械，其特征在于，上述偏压件包括一个设置在转子装置和第一或第二内圈之间的弹簧。
4、如权利要求1所述的电动机械，其特征在于，上述偏压件包括一个设置在上述壳体和第一或第二外圈之间的弹簧。
5、如权利要求1所述的电动机械，其特征在于，上述壳体装置包括：
一个具有轴向延伸部的大致圆柱形壳体，上述延伸部具有和壳体前端相连的前端板；
和与壳体后端相连的端罩。
6、如权利要求1所述的电动机械，其特征在于，可以选择上述壳体装置、轴承和转子的热膨胀系数，以使得在大约-40℃到大约105℃的温度范围内，上述转子装置被限定在上述预载位置上。
7、如权利要求6所述的电动机械，其特征在于，上述轴承可由高碳铬钢构成，上述壳体装置和转子装置可由400系列不锈钢构成。
8、一种电动机构的组装方法，包括：
提供具有第一和第二端部的壳体；
将第一轴承设置在上述壳体内，该第一轴承具有多个设置在第一内外圈之间的滚动元件；
将第二轴承设置在上述壳体内，该第二轴承具有多个设置在第二内外圈之间的滚动元件；
设置具有纵向延伸轴的转子装置；
可转动地将上述转子装置安装在上述壳体内，上述轴可承靠在第一、第二轴承上，从而使该转子处于相对壳体具有预定量轴向和径向间隙的第一位置上；
在转子装置或壳体中的一个和轴承中的一个之间设置一个偏压件，以便于该偏压件使上述转子装置移动到一个能够消除轴向和径向间隙的第二位置；
将第一内外圈、第二内外圈中的每一个均固定到上述转子装置中的一个或壳体上，从而使上述转子装置能够被限定在上述第二位置上。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，上述第一和第二外圈均被固定到上述壳体上，第一和第二内圈均被固定到上述轴上。
10、如权利要求8所述的方法，其特征在于，上述偏压件包括一个设置在上述轴和上述第一或第二内圈之间的弹簧。
11、如权利要求8所述的方法，其特征在于，上述偏压件包括一个设置在上述壳体和第一或第二外圈之间的弹簧。
12、如权利要求8所述的方法，其特征在于，上述第一内外圈和第二内外圈中的每一个均可通过从下组选择的方式进行固定，包括：压配合、粘接、焊接或钎焊。
13、一种电机，包括：
具有第一和第二端部的大致圆柱形壳体装置，该壳体形成第一和第二间隔开的轴承腔；
具有多个设置在第一内外圈之间的滚动元件的第一轴承，第一外圈容纳在第一轴承腔内；
具有多个设置在第二内外圈之间的滚动元件的第二轴承，第二外圈容纳在第二轴承腔内；
具有一个轴的转子装置，该轴可承靠在第一、第二内圈内，从而使上述转子相对壳体具有预定量的轴向和径向间隙；
在转子装置或壳体中的一个和轴承中的一个之间设置的偏压件，该偏压件使上述转子装置移动到一个能够消除上述轴向和径向间隙的预载位置上，其特征在于，第一内外圈均被固定到上述轴上，第二内外圈均被固定到上述壳体上，从而使上述转子装置能够被限定在上述预载位置上。
14、如权利要求13所述的电机，其特征在于，上述第一和第二外圈均被固定到上述壳体上，第一和第二内圈均被固定到上述轴上。
15、如权利要求13所述的电机，其特征在于，上述偏压件包括一个设置在上述轴和第一或第二内圈之间的弹簧。
16、如权利要求13所述的电机，其特征在于，上述偏压件包括一个设置在上述壳体和第一或第二外圈之间的弹簧。
17、如权利要求13所述的电机，其特征在于，上述壳体装置包括：
一个具有轴向延伸部的大致圆柱形壳体，上述延伸部具有和壳体前端相连的前端板；
和与壳体后端相连的端罩。
18、如权利要求13所述的电机，其特征在于，可以选择上述壳体装置、轴承和转子的热膨胀系数，以使得在大约-40℃到大约105℃的温度范围内，上述转子装置被限定在上述预载位置上。
19、如权利要求18所述的电机，其特征在于，上述轴承可由高碳铬钢构成，上述壳体装置和转子装置可由400系列不锈钢构成。
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