PL198010B1 - Sposób wytwarzania wirnika wzbudzanego magnesem trwałym do szybkoobrotowych silników elektrycznych - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania wirnika wzbudzane- go magnesem trwa lym, do szybkoobrotowych silników elektrycznych, w którym tuleje no sn a nak lada si e, w stanie wst epnego napr ezenia, na korpus wirnika, znamienny tym, ze tulej e no sn a (1) poddaje si e rozpr ezeniu pod wp ly- wem dzia lania cieczy, która krzepnie i pozosta- je w stanie sta lym w zakresie temperatur robo- czych wirnika (2), ciecz wtryskuje si e pod ci- snieniem pomi edzy tulej e no sn a (1) i korpus wirnika (2), a w czasie krzepni ecia ciecz utrzy- muje si e pod ci snieniem. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wirnika wzbudzanego magnesem trwałym do szybkoobrotowych silników elektrycznych, w którym tuleję nośną nakłada się, w stanie wstępnego naprężenia, na korpus wirnika.

Termin „silnik szybkoobrotowy oznacza każdy silnik posiadający taką maksymalną prędkość obrotową, która wymaga zastosowania tulei nośnej chroniącej wirnik przed uszkodzeniem, w szczególności chroniącej przed zniszczeniem magnesy trwałe, które cechuje niska wytrzymałość na rozciąganie.

W praktyce, magnesy mogą wytrzymać oddziaływanie siły rzędu 50 do 70 kPa, podczas gdy w silnikach szybkoobrotowych, przy maksymalnych prędkościach, mogą występować siły rozciągające rzędu 100 kPa.

W przypadku szybkoobrotowych wirników z magnesami trwałymi, tuleje nośne umożliwiają solidne przymocowanie magnesów trwałych do wirnika i utrzymują magnesy trwałe w stanie niewielkiego naprężenia w całym zakresie prędkości obrotowych i temperatur pracy wirnika.

Aby to osiągnąć, tuleja nośna musi być nałożona na wirnik przy zachowaniu określonego minimalnego wcisku, co zwykle osiąga się wykorzystując zjawisko rozszerzalności termicznej tulei.

Gdy luz pomiędzy tuleją i wirnikiem jest zbyt duży, lub gdy materiał, z którego wykonano tuleję, cechuje zbyt mały lub ujemny współczynnik rozszerzalności temperaturowej, tak jak ma to miejsce w przypadku włókien węglowych, tuleja nie będzie w stanie wytworzyć wystarczającego naprężenia wstępnego w wirniku.

Połączony sposób, termiczny i mechaniczny, został ujawniony w dokumencie USA 5,568,681. Rura otaczająca jest przymocowana do korpusu wirnika przez pasowanie skurczowe. Jedna z dwóch części stanowiących zespół „rura obejmująca - korpus wirnika jest najpierw mocowana w kierunku pionowym względem stołu montażowego, podczas gdy druga z tych części zostaje opuszczona z miejsca powyżej pierwszej części tak, że opadnie do wnętrza zamocowanej pierwszej części pod wpływem oddziaływania grawitacyjnego.

Innym znanym sposobem jest hydrauliczne rozszerzenie tulei z zastosowaniem na przykład oleju, gdy tuleja jest rozszerzona, umieszczenie wirnika wewnątrz tulei, a następnie usunięcie nacisku.

Rozwiązanie takie wymaga wykonania tulei i wirnika z zachowaniem precyzyjnych tolerancji wymiarowych, ponadto wirnik musi być nieznacznie sztywniejszy niż tuleja.

Ważna jest także tolerancja modułu sprężystości tulei.

Ponadto magnesy muszą być zamocowane na wirniku tak, aby nie poruszyły się podczas mocowania tulei. W przeciwnym przypadku będą się poruszać podczas pracy silnika, powodując zmianę rozkładu masy w wirniku, która z kolei może w znacznym stopniu wpłynąć na wyważenie wirnika.

Problemy pojawiają się w przypadku, gdy wirnik nie posiada centralnego wału, lub jest wykonany jako pojedynczy element mechaniczny.

Sposób wytwarzania wirnika wzbudzanego magnesem trwałym, do szybkoobrotowych silników elektrycznych, w którym tuleję nośną nakłada się, w stanie wstępnego naprężenia, na korpus wirnika, według wynalazku charakteryzuje się tym, że tuleję nośną poddaje się rozprężeniu pod wpływem działania cieczy, która krzepnie i pozostaje w stanie stałym w zakresie temperatur roboczych wirnika. Ciecz wtryskuje się pod ciśnieniem pomiędzy tuleję nośną i korpus wirnika, a w czasie krzepnięcia ciecz utrzymuje się pod ciśnieniem.

Korzystnym jest, że stosuje się korpus wirnika zaopatrzony w dwa elementy krańcowe, a tuleję nośną montuje się częściowo wokół elementów krańcowych, przy czym ciecz wtryskuje się poprzez jeden z elementów krańcowych.

Korzystnym jest, że w czasie wtryskiwania, krańce tulei nośnej zaciska się w kierunku promieniowym wokół dwóch elementów krańcowych.

Korzystnym jest, że w czasie wtryskiwania korpus wirnika zaciska się w kierunku osiowym i unieruchamia się elementy krańcowe.

Korzystnym jest, że stosuje się korpus wirnika zaopatrzony w wał łączący ze sobą elementy krańcowe.

Korzystnym jest, że stosuje się korpus wirnika zawierający magnesy trwałe, tuleję nośną otaczającą te magnesy i przynajmniej częściowo elementy krańcowe.

Korzystnym jest, że stosuje się korpus wirnika bez zamontowanych wcześniej magnesów trwałych, a magnesy formuje się na miejscu, przez wtryskiwanie mieszanki cieczy krzepnącej i proszku magnetycznego.

PL 198 010 B1

Korzystnym jest, że stosuje się tuleję nośną z włókien węglowych, którą montuje się wokół korpusu wirnika.

Korzystnym jest, że wtryskiwana ciecz, która ulega krzepnięciu i pozostaje w stanie utwardzonym w temperaturach roboczych wirnika należy do grupy zawierającej termoutwardzalne tworzywa sztuczne i stopy metali o odpowiednich punktach topnienia.

Korzystnym jest, że cieczą, którą wtryskuje się jako ciecz ulegająca krzepnięciu, jest żywica epoksydowa.

Zgodnie z wynalazkiem opracowano sposób wytwarzania wirnika wzbudzanego magnesem trwałym, który nie posiada wad znanych rozwiązań, a który umożliwia szybką i prostą produkcję, nie stawiając tak wysokich wymagań magnesom i umożliwia uzyskanie wirnika o lepszych charakterystykach, osiągającego między innymi wyższe prędkości obrotowe. Zgodnie ze sposobem według wynalazku, tuleję nośną rozszerza się przy użyciu cieczy, która krzepnie i utrzymuje stan stały w temperaturze roboczej wirnika. Cieczą jest korzystnie termoutwardzalne tworzywo sztuczne, a w szczególności żywica epoksydowa lub stop metalu o odpowiednim punkcie topnienia, przy czym ciecz wtryskuje się pod ciśnieniem pomiędzy tuleję i korpus wirnika i utrzymuje się pod ciśnieniem w czasie krzepnięcia.

Sposób według wynalazku został bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny urządzenia w czasie stosowania sposobu według wynalazku, fig. 2 - przekrój wzdłuż linii II-II z fig. 1, fig. 3 - przekrój wirnika po zakończeniu sposobu według wynalazku, a fig. 4 przedstawia w powiększeniu część oznaczoną na fig. 3 symbolem F4.

Wirnik wzbudzany magnesem trwałym, do szybkoobrotowego silnika elektrycznego, jest wytwarzany przez zamontowanie tulei nośnej 1, poddanej działaniu naprężeń wstępnych, na korpusie wirnika 2 zawierającym magnesy trwałe 3.

Jak to pokazano na fig. 1 do 4, korpus wirnika 2 jest zbudowany ze szkieletu złożonego z dwóch elementów krańcowych 4 i 5 oraz wału 6 łączącego oba te elementy, przy czym wał 6 jest otoczony przez magnesy 3.

Na elementach krańcowych 4 i 5 zamontowane są uszczelki 7 typu 0-ring.

Pierścienie magnesów trwałych 3, złożone z dwóch półokrągłych segmentów pierścieniowych dla silnika dwubiegunowego lub czterech ćwierć segmentów dla silnika czterobiegunowego, są rozmieszczone wokół wału 6.

Tuleję nośną 1, wykonaną z włókien węglowych, nasuwa się na korpus wirnika 2.

Korpus wirnika 2, otoczony tuleją 1 umieszcza się w mocującym urządzeniu wtryskowym 8, jak to przedstawiono na fig. 1.

Korpus wirnika 2 jest zamknięty osiowo pierścieniami krańcowymi 9, których wystające progi 10 opierają się o odpowiadające i wystające na zewnątrz progi 11 elementów krańcowych 4 i 5.

Pierścienie krańcowe 9 są przyciągane do siebie przy pomocy śrub 12 przez środkowe obwodowo oddalone segmenty 13 dwóch pierścieniowych połówek 14 i 15.

Każda z pierścieniowych połówek 14 i 15 posiada próg 16 opierający się o próg 17 pierścienia krańcowego 9.

Dokręcając śruby 12, do pierścieni krańcowych 9 poprzez pierścieniowe połówki 14 i 15, a poprzez pierścienie krańcowe do części elementów krańcowych 4 i 5, przykładana jest regulowana siła dociskająca.

Takie dociśnięcie zapobiega wypchnięciu elementów krańcowych 4 i 5 na zewnątrz tulei 1 w przypadku, gdy wał 6 nie jest wystarczająco wytrzymały.

Krańce tulei 1 są dociśnięte w kierunku promieniowym do elementów krańcowych 4 i 5, przeciwnie do uszczelek 7, przez środkowe segmenty 13 pierścieniowych połówek 14 i 15 i pierścienie 18 przenoszące siły, które to pierścienie są umieszczone pomiędzy segmentami 13 i krańcami tulei 1.

Przez dokręcenie śrub 12 można regulować wytwarzaną siłę dociskającą wywieraną poprzez pierścieniowe połówki 14 i 15 na pierścienie krańcowe 9, a poprzez pierścienie krańcowe 9 na elementy krańcowe 4 i 5.

Siła dociskająca zapobiega wyciskaniu elementów krańcowych 4 i 5 z tulei 1, w przypadku gdy wał 6 nie jest wystarczająco wytrzymały.

Krańce tulei 1 są w kierunku promieniowym, za pośrednictwem segmentów 13 pierścieniowych połówek 14 i 15 i pierścieni przenoszących siłę 18, znajdujący się pomiędzy segmentami 13 i krańcami tulei 1, dociskane do elementów krańcowych 4 i 5 w miejscu uszczelek 7.

PL 198 010 B1

Każdy z segmentów pierścieniowych połówek 14 i 15 ma na swoim zewnętrznym obwodzie część 19 o zwiększającej i zmniejszającej się średnicy, które tworzą dwie przeciwne powierzchnie stożkowe 20 i 21.

Każda z powierzchni stożkowych 20 i 21 każdej części 19 jest otoczona przez dwa pierścienie 22 i 23 posiadające odpowiadające im stożkowe powierzchnie wewnętrzne. Oba pierścienie 22 i 23 mogą zostać dociśnięte do siebie przy pomocy śrub dociskających 24 w postaci nagwintowanych szpilek z nakrętkami na obu krańcach.

Promieniowe dociśnięcie krańców tulei 1 wykonywane jest przez dokręcenie śrub 24 na odpowiednich krańcach urządzenia dociskającego i wtryskującego 8, dokręcenie przesuwa ku sobie pierścienie 22 i 23, co powoduje redukcję średnicy segmentowych pierścieniowych połówek 14 lub 15, tak że szczeliny 25 pomiędzy segmentami 13 stają się mniejsze.

Dociskanie promieniowe zapobiega rozszerzaniu się tulei 1 na jej końcach. Zapobiega również wypychaniu z rowka, na odpowiednim krańcu, uszczelki 7, która może być standardową uszczelką typu 0-ring.

Promieniowe dociśnięcie zapewnia również centrowanie całego wirnika wewnątrz mocującego urządzenia wtryskowego 8.

Po zaciśnięciu korpusu wirnika 2 i tulei 1, pomiędzy tuleję 1 i korpus wirnika 2 wtryskuje się żywicę epoksydową.

Tak więc, element krańcowy 4 jest wyposażony w kanały wtryskowe 26 i 27. Kanał 26 biegnie osiowo i jest połączony z kilkoma kanałami promieniowymi 27.

Żywica epoksydowa może być dostarczana zewnętrznie lub wewnętrznie tak, jak to pokazano na fig. 1, przy użyciu środków zintegrowanego tłoka 28, element krańcowy 4 tworzy cylinder, a więc konstrukcję posiadającą komorę 29 mieszczącą tłok 28, z komorą 29 połączone są kanały 26 i 27.

Gdy tłok 28 jest przesuwany w komorze 29 wypełnionej żywicą epoksydową, na przykład przy użyciu prasy, żywica epoksydowa jest wypychana z komory 29 i wtryskiwana poprzez kanały wtryskujące 26 i 27. Wprowadzona żywica epoksydowa wypełnia wszystkie wolne przestrzenie pomiędzy magnesami 3 i pomiędzy magnesami 3 i korpusem wirnika 2 i tuleją nośną 1.

Ciśnienie jest utrzymywane aż do chwili utwardzenia żywicy epoksydowej, dzięki czemu kompensacji ulega sfałdowanie żywicy epoksydowej występujące podczas polimeryzacji.

Aby rozpocząć polimeryzację, do żywicy można dodać katalizatora.

Uszczelki 7 typu 0-ring oraz dociśnięcie tulei 1 do elementów krańcowych 4 i 5 wspólnie zapobiegają wyciekaniu żywicy epoksydowej. Pomiędzy pierścieniami 18 przenoszącymi siły, tuleja nośna 1 może do pewnego stopnia ulec rozszerzeniu.

Po zdjęciu mocującego urządzenia wtryskowego 8, wirnik zawierający korpus wirnika 2, magnesy trwałe 3 i tuleję nośną 1, zostaje podgrzany w piecu w celu dowulkanizowania żywicy epoksydowej. Korzystnie całkowita polimeryzacja zachodzi w temperaturze wyższej niż przyszła temperatura pracy wirnika.

Ilość wtryskiwanej żywicy epoksydowej i wytwarzane ciśnienie są określone z uwzględnieniem możliwego pofałdowania wynikającego z procesu dowulkanizacji.

Na koniec wirnik poddaje się obróbce skrawaniem, dla uzyskania odpowiedniego wymiaru i procesowi wyważania.

Naprężenie wstępne tulei nośnej 1 jest określane głównie przez ciśnienie wtryskiwanej żywicy epoksydowej, a nie wzajemne oddziaływanie tulei nośnej 1 i korpusu wirnika 2.

Tuleja nośna 1 i żywica epoksydowa zapobiegają zniszczeniu magnesów 3 spowodowanemu przez naprężenia powstające podczas pracy wirnika. Używane są względnie miękkie magnesy, takie jak magnesy ze spoiwem z tworzywa sztucznego.

Całkowita sztywność wirnika jest bardzo wysoka, co umożliwia uzyskanie wysokich prędkości obrotowych wirnika. Magnesy 3 nie będą poruszać się względem siebie nawet wtedy, gdy wirnik będzie obracał się z prędkością roboczą.

Nie ma potrzeby zachowywania precyzyjnych tolerancji obróbki powierzchni magnesów 3. Tolerancje obróbki tulei 1, korpusu wirnika 2 i magnesów 3 mogą być niższe. Tolerancja współczynnika sprężystości tulei nośnej 1 nie jest czynnikiem krytycznym dla poziomu wstępnego naprężenia tej tulei 1. Tuleja nośna 1 może być wykonana z włókna węglowego i posiadać niski współczynnik rozszerzalności temperaturowej.

Korpus wirnika 2 może być cylindryczny i nie ma wymogu aby, był on stożkowy tak, jak to miało miejsce w rozwiązaniach znanych ze stanu techniki.

PL 198 010 B1

W tym przykładzie wykonania nie jest wymagane zastosowanie wału 6. Wał może zostać pominięty, na przykład wtedy gdy magnesy 3 zostają zastąpione przez dwa lub większą liczbę segmentów pojedynczego cylindrycznego magnesu. Tuleja nośna 1 utrzymuje razem segmenty magnesu i elementy krańcowe 4 i 5.

Magnesy trwale 3 nie muszą być koniecznie pierścieniami. Jeśli w przykładzie wykonania brak wału, mogą one mieć postać dysków lub nawet proszku magnetycznego wymieszanego z wtryskiwaną cieczą.

W innym przykładzie wykonania wynalazku, sposób wytwarzania jest identyczny do opisanego powyżej, natomiast korpus wirnika 2 jest wytwarzany bez magnesów trwałych 3. Tuleja nośna 1 zostaje zamocowana wokół wału 6 i elementów krańcowych 4 i 5, ponadto do wtryskiwanej żywicy epoksydowej dodany jest proszek magnetyczny. Ilość żywicy epoksydowej jest oczywiście znacznie większa niż w opisanym uprzednio przykładzie wykonania wynalazku.

Magnes trwały 3 jest więc formowany na miejscu, przez wtryśnięcie żywicy.

W obu przykładach wykonania wynalazku, oba elementy krańcowe mogą być wyposażone w kanały wtryskowe, a proces wtryskiwania żywicy może być realizowany zewnętrznie przy użyciu zewnętrznego mechanizmu tłokowego.

Wtryśnięta ciecz nie musi być żywicą epoksydową. Można użyć innej termoutwardzalnej żywicy lub tworzywa sztucznego o stosunkowo niewielkiej lepkości, poniżej punktu polimeryzacji, lub nawet stopu metali o odpowiednim punkcie topnienia.

Ważne, aby była to ciecz, która krzepnie w taki sposób, że można ją wtryskiwać w stanie płynnym, a pozostaje w stanie stałym w temperaturach z zakresu temperatur roboczych wirnika.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób w\^ttw^i^2^(^rn£awirrn^k3 wzbudzanego magnesem tmwałym, do szybkoobrotowych siiników elektrycznych, w którym tuleję nośną nakłada się, w stanie wstępnego naprężenia, na korpus wirnika, znamienny tym, że tuleję nośną (1) poddaje się rozprężeniu pod wpływem działania cieczy, która krzepnie i pozostaje w stanie stałym w zakresie temperatur roboczych wirnika (2), ciecz wtryskuje się pod ciśnieniem pomiędzy tuleję nośną (1) i korpus wirnika (2), a w czasie krzepnięcia ciecz utrzymuje się pod ciśnieniem.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym. że stosuje się korpus wirnika (2) zaopatrzony w dwa elementy krańcowe (4, 5), a tuleję nośną (1) montuje się częściowo wokół elementów krańcowych (4, 5), przy czym ciecz wtryskuje się poprzez jeden z elementów krańcowych (4, 5).
3. 3. Sposóbwedług zastrz. 2, znamienny tym, że w czasśewtryskiwania, krańce tulei nośnej (1) zaciska się w kierunku promieniowym wokół dwóch elementów krańcowych (4, 5).
4. 4. Sposób według zas^z. 2, znamienny tym, że w czasie wtryskiwania korpus wirnika (2) zaciska się w kierunku osiowym i unieruchamia się elementy krańcowe (4, 5).
5. 5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się korpus win-nka (2) zaopatrzony w wał (6) łączący ze sobą elementy krańcowe (4, 5).
6. 6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się korpus wirnika (2) zawierający magnesy trwałe (3), tuleję nośną (1) otaczającą te magnesy (3) i przynajmniej częściowo elementy krańcowe (4, 5).
7. 7. Sposób według 1, tym, że stosie się wir^rnl^^ (22 bez zamontowanych wcześniej magnesów trwałych, a magnesy formuje się na miejscu, przez wtryskiwanie mieszanki cieczy krzepnącej i proszku magnetycznego.
8. 8. Sposób według zasta. 1, znamienny tym. że stosie się (:υ^ζϊ nośną (11 z włókien węglowych, którą montuje się wokół korpusu wirnika (2).
9. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym. że wtryskiwana ciecz, która utega krzepnięciu i pozostaje w stanie utwardzonym w temperaturach roboczych wirnika należy do grupy zawierającej termoutwardzalne tworzywa sztuczne i stopy metali o odpowiednich punktach topnienia.
10. 10. Sposóbwedługzastrz. t, znamiennytym, że cćeczą, krórąwtryskujesięt akocćecz (.ι^θ^cą krzepnięciu, jest żywica epoksydowa.