RU2696857C1

RU2696857C1 - Электродвигатель

Info

Publication number: RU2696857C1
Application number: RU2018125059A
Authority: RU
Inventors: Эндрю БАРНС; Найджел ДАЙМОНД.; Эндрю КЛОЗЬЕР
Original assignee: Дайсон Текнолоджи Лимитед
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2019-08-07
Also published as: AU2016366626A1; GB201521892D0; US20170170709A1; JP6851446B2; WO2017098203A1; GB2545269B; JP7039168B2; GB2545269A; US11128198B2; CN106877556B; CN206272382U; EP3387741A1; MX2018006980A; EP3387741B1; BR112018011654A2; CN106877556A; JP2019208361A; KR20190133805A; KR102384550B1; KR20180069914A

Abstract

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение технологичности конструкции. Электродвигатель содержит корпус, узел ротора, содержащий магнит, блок подшипников, крыльчатку и вал, и узел статора, содержащий сердечник статора и катушку. При этом корпус содержит внутреннюю стенку и наружную стенку, которая окружает внутреннюю стенку, образуя кольцевой канал между внутренней стенкой и наружной стенкой, и диффузорные лопатки, проходящие от внутренней стенки к наружной стенке через указанный кольцевой канал. Внутренняя стенка образует канал, служащий в качестве опоры для узла ротора, а наружная стенка образует практически цилиндрический внешний корпус двигателя. При этом диффузорные лопатки имеют хвостовые части, выступающие в осевом направлении за границы внутренней стенки к наружной стенке. 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электродвигателю.

Уровень техники

Электродвигатели имеют чрезвычайно широкий спектр применения: например, от электродвигателей для транспортных средств до устройств для перемещения воздуха, таких как вакуумные моторы и вентиляторы, а также ручных электроинструментов и других продуктов широкого потребления. Поскольку электродвигатели начинают все более широко использоваться в продуктах широкого потребления, важно найти способы снижения стоимости электродвигателей, там, где это возможно. Кроме того, в частности, при применении электродвигателей в ручных инструментах и изделиях, важно находить способы обеспечения минимального веса и габаритов электродвигателей. Необходимы усовершенствования электродвигателей, которые позволили бы добиться уменьшения веса, габаритов и снижения стоимости электродвигателей без какого-либо отрицательного влияния на их рабочие характеристики.

Раскрытие сущности изобретения

Настоящим изобретением предлагается электродвигатель, содержащий корпус; узел ротора, содержащий магнит, блок подшипников, крыльчатку и вал; и узел статора, содержащий сердечник статора и катушку. Корпус содержит внутреннюю стенку и наружную стенку, которая окружает внутреннюю стенку, образуя кольцевой канал между внутренней стенкой и наружной стенкой, и диффузорные лопатки, проходящие от внутренней стенки и к наружной стенке через указанный кольцевой канал. Внутренняя стенка образует канал, служащий в качестве опоры для узла ротора, а наружная стенка образует практически цилиндрический внешний корпус двигателя.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность получения электродвигателя с меньшим количеством составляющих компонентов. Внутренняя стенка корпуса выполняет функцию опоры для узла ротора, при этом внутренняя и наружная стенки образуют диффузорный канал, по которому проходит поток воздуха, создаваемый крыльчаткой. В результате, не требуется применять какой-либо отдельный элемент опоры ротора или диффузор. Уменьшение количества составляющих компонентов электродвигателя обеспечивает уменьшение его стоимости, габаритов и веса.

Канал может выполнять функцию опоры для узла ротора, поддерживая блок подшипников. Этим обеспечивается возможность сбалансированной поддержки узла ротора в электродвигателе. Это может уменьшать дисбаланс электродвигателя и сводить к минимуму нежелательную вибрацию, которая может отрицательно влиять на рабочие характеристики электродвигателя и сокращать его срок службы.

Блок подшипников может содержать пару закрепленных на валу подшипников и пружину, расположенную между этими двумя подшипниками. Данная пружина может создавать предварительную нагрузку на наружные кольца подшипников. Это повышает рабочие характеристики подшипников и снижает вероятность их выхода из строя на высокой скорости вращения.

Блок подшипников может быть закреплен внутри канала, при этом внутренняя стенка может выполнять функцию защитной муфты, расположенной вокруг блока подшипников. В результате, блоку подшипников не требуется специальная защитная муфта. Это также помогает уменьшить габариты и вес электродвигателя. Кроме того, поскольку уменьшается количество составных компонентов, это обеспечивает минимальную стоимость электродвигателя.

Наружная стенка может проходить за границы внутренней стенки в осевом направлении в по меньшей мере одном направлении из направления вверх по потоку и вниз по потоку. В результате, поскольку внутренняя стенка короче наружной стенки, внутри наружной стенки в осевом направлении обеспечивается пространство, которое можно использовать для размещения в нем других компонентов электродвигателя. Это помогает получить более компактную конструкцию электродвигателя. Кроме того, требуется меньше материала для формирования внутренней стенки, что обеспечивает возможность снижения веса электродвигателя.

Диффузорные лопатки могут иметь хвостовые части, проходящие в осевом направлении вниз по потоку, выходя за границу внутренней стенки и проходя к наружной стенке. В результате, обеспечивается максимальная эффективная длина диффузора при уменьшении длины электродвигателя в целом.

Внутренняя стенка может содержать по меньшей мере один выступ, отходящий от одного конца внутренней стенки в осевом направлении. Это обеспечивает возможность крепления других компонентов электродвигателя к корпусу с помощью данного выступа.

Узел статора может содержать по меньшей мере одно углубление, в которое входит по меньшей мере один выступ. Таким образом, узел статора может быть прикреплен к корпусу с помощью вышеупомянутого выступа.

Внутренняя стенка может содержать кольцевой выступ, выступающий в осевом направлении от одного конца внутренней стенки, при этом указанный кольцевой выступ может входить в углубление втулки крыльчатки. Благодаря этому может формироваться лабиринтное уплотнение внутри втулки крыльчатки. Это может предотвращать попадание посторонних предметов в блок подшипников, которое может приводить к повреждению узла ротора и значительному сокращению срока службы электродвигателя.

Крыльчатка может представлять собой осевую крыльчатку, выполненную из алюминия, и может содержать втулку с несколькими лопатками, прикрепленными к втулке. Алюминий – очень легкий и прочный материал, и поэтому крыльчатка может быть достаточной прочной, чтобы выдерживать большие силы, действующие на неё при вращении с высокой скоростью, но при этом обеспечивается также минимальный вес электродвигателя. Втулка может содержать углубление, в которое может входить выступающий в осевом направлении кольцевой выступ внутренней стенки.

Внутренняя стенка может иметь внешний диаметр, практически соответствующий внешнему диаметру втулки. Благодаря этому образуется канал с одинаковой площадью поперечного сечения по длине электродвигателя, что помогает минимизировать турбулентность при прохождении потока воздуха через электродвигатель и свести к минимуму потери давления, которые могут отрицательно влиять на рабочие характеристики электродвигателя.

Корпус может быть выполнен из цинка. Преимущество цинка заключается в том, что он обладает низкой звукопроводимостью, и, следовательно, корпус может по меньшей мере частично поглощать шум, создаваемый электродвигателем во время работы.

Корпус может содержать электрический соединительный элемент, выполненный на наружной стенке. Этот электрический соединительный элемент может представлять собой лепестковый вывод. Электрический соединительный элемент может быть опорным соединением постоянного тока. Благодаря этому не требуется никаких дополнительных соединительных элементов, и, следовательно, уменьшается количество составляющих компонентов. Это, в свою очередь, обеспечивает минимальную стоимость и уменьшение габаритов электродвигателя.

Краткое описание чертежей

С целью обеспечения более четкого понимания сущности настоящего изобретения ниже приводится подробное описание возможных вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показано перспективное изображение электродвигателя в разобранном виде;

на фиг. 2 – вид в разрезе корпуса электродвигателя, показанного на фиг. 1;

на фиг. 3 – вид в разрезе узла ротора электродвигателя, показанного на фиг. 1; и

на фиг. 4 – вид в разрезе показанных на фиг. 2 и 3 корпуса и узла ротора в собранном виде;

на фиг. 5 – перспективное изображение узла статора; и

на фиг. 6 – вид в разрезе показанного на фиг. 1 собранного электродвигателя.

Осуществление изобретения

С целью обеспечения ясности, необходимо отметить, что используемый в настоящем описании термин "осевой" служит для обозначения направления вдоль оси вращения электродвигателя, обозначенной буквами A-A на фиг. 1. Кроме того, используемые термины "вверх по потоку" и "вниз по потоку" относятся к направлению прохождения потока воздуха через электродвигатель во время его работы, причем данные направления показаны двусторонней стрелкой на фиг. 1.

На фиг. 1 приведено перспективное изображение электродвигателя 1 в разобранном виде. Электродвигатель 1 содержит корпус 10, узел 20 ротора и узел 40 статора. Вид в разрезе корпуса 10 показан на фиг. 2. Корпус 10 содержит внутреннюю стенку 11 и наружную стенку 12. Наружная стенка 12 проходит вокруг внутренней стенки 11 таким образом, что между ними образуется кольцевой канал 14. По кольцевому каналу 14 между внутренней стенкой 11 и наружной стенкой 12 проходит несколько диффузорных лопаток 13. Внутренняя стенка 11 по длине короче, чем наружная стенка 12, при этом внутренняя стенка 11 расположена таким образом, что наружная стенка 12 выходит за границы внутренней стенки 11 в обоих направлениях по оси, т.е. в направлении как вверх, так и вниз по потоку. В альтернативных вариантах осуществления изобретения внутренняя стенка может быть расположена по-другому: например, таким образом, что наружная стенка будет выходить за границу внутренней стенки только в одном направлении, т.е. в направлении либо вверх, либо вниз по потоку.

Корпус 10 выполнен из цинка и может быть изготовлен, например, посредством механической обработки, или литья под давлением, или с помощью технологий, включающих в себя как механическую обработку, так и литье под давлением. Цинк – это материал, обладающий низкой звукопроводимостью, и поэтому корпус 10 из цинка может эффективно поглощать акустические частоты, создаваемые электродвигателем во время работы. Таким образом, цинковый корпус 10 обеспечивает снижение общего уровня шума, создаваемого изделием, внутри которого установлен данный электродвигатель 1.

Диффузорные лопатки 13 расположены между внутренней стенкой 11 и наружной стенкой 12 и проходят в направлении вдоль оси практически по всей длине внутренней стенки. Кроме того, диффузорные лопатки 13 имеют хвостовые части 18, проходящие в осевом направлении вниз по потоку, выходя за границу внутренней стенки и проходя к наружной стенке. Таким образом, длина диффузорных лопаток 13 во внешней в радиальном направлении части кольцевого канала 14 больше их длины во внутренней в радиальном направлении части кольцевого канала 14. Преимущество данного технического решения заключается в том, что диффузорные лопатки имеют более значительную эффективную длину, воздействующую на воздушный поток, позволяя при этом обеспечить минимальные габариты и вес электродвигателя за счет уменьшения осевой длины внутренней стенки 11.

Внутренняя стенка 11 является цилиндрической и содержит канал 15. Внутренняя стенка 11 выполняет функцию опоры для узла 20 ротора, располагающегося внутри канала 15, когда электродвигатель 1 собран. Кроме того, внутренняя стенка содержит выступ 16, отходящий от одного конца внутренней стенки 11 в осевом направлении. В частности, выступ 16 проходит в осевом направлении вниз по потоку. Выступ 16 выполняет функцию монтажной опоры, к которой легко крепится узел 40 статора во время сборки с целью соединения узла 40 статора с корпусом 10. На фиг. 2 изображен лишь один выступ 16, однако в конструкции может быть предусмотрено и несколько выступов 16, в зависимости от количества монтажных опор, требующихся для статора, и других требований, предъявляемых со стороны электродвигателя. Установка узла 40 статора на выступ 16 корпуса 10 будет описана более подробно ниже со ссылками на фиг. 5 и 6.

Внутренняя стенка 11 содержит кольцевой выступ 17, отходящий в осевом направлении от конца внутренней стенки 11 в направлении, противоположном направлению выступа 16. Этот отходящий в осевом направлении кольцевой выступ 17 может входить в дополнительное углубление на крыльчатке 24, образуя лабиринтное уплотнение. Этот элемент конструкции будет более подробно описан ниже со ссылками на фиг. 4.

Узел 20 ротора содержит вал 21, магнит 22, блок 23 подшипников и крыльчатку 24. Вид в разрезе узла 20 ротора представлен на фиг. 3. Магнит 22, блок 23 подшипников и крыльчатка 24 закреплены непосредственно на валу 21 посредством посадки с натягом, или с помощью адгезива, или комбинацией указанных способов. Магнит 22 представляет собой постоянный магнит со связками типа, используемого обычно в бесщеточных электродвигателях. В рассматриваемом примере магнит 22 представляет собой четырехполюсный постоянный магнит. Блок 23 подшипников содержит пару подшипников 25a, 25b и пружину 26, разделяющую указанные подшипники 25a, 25b. Пружина 26 служит для создания предварительной нагрузки на наружные кольца каждого из подшипников 25a, 25b с целью уменьшения износа данных подшипников во время использования. Между пружиной 26 и каждым из подшипников 25a, 25b, кроме того, могут быть установлены шайбы.

Как уже было указано выше, в качестве опоры для узла 20 ротора в корпусе 10 служит внутренняя стенка 11. Блок 23 подшипников устанавливается в канале 15 внутренней стенки 11 таким образом, что внутренняя стенка 11 корпуса 10 выполняет функцию защитной муфты, расположенной вокруг блока 23 подшипников. Это устраняет необходимость использования специальной защитной муфты для блока 23 подшипников и помогает уменьшить габариты и снизить вес электродвигателя 1. Наружные кольца подшипников 25a, 25b прикреплены к внутренней поверхности канала 15 внутренней стенки 11; они могут быть прикреплены, например, с помощью адгезива.

Показанная на прилагаемых чертежах крыльчатка 24 является осевой крыльчаткой с несколькими лопатками 27, распределенными по окружности и отходящими в радиальном направлении от центральной втулки 28. Во время работы каждая лопатка 27 вращается и создает звуковые волны определенной частоты. Следовательно, можно разработать конструкцию крыльчатки таким образом, чтобы уменьшить создаваемое ей звуковое воздействие. Крыльчатка 24, изображенная на фиг. 3 и 5, содержит одиннадцать лопаток. Однако количество лопаток 27 крыльчатки может изменяться в зависимости от требований по акустике, предъявляемых к электродвигателю 1 и/или изделию, в котором будет установлен данный электродвигатель.

Крыльчатка 24 изготавливается посредством механической обработки алюминиевой заготовки. Алюминий является очень легким материалом, и поэтому его использование в качестве материала для изготовления крыльчатки 24 помогает компенсировать некоторое увеличение веса электродвигателя 1 вследствие применения цинка для изготовления корпуса 10. Описываемый здесь электродвигатель 1 предназначен для работы с частотой вращения приблизительно от 75 до 110 тыс. об./мин. Величина сил, действующих на крыльчатку 24 на таких высоких скоростях, очень велики. К счастью, несмотря на то, что алюминий очень легкий, он является еще и очень прочным материалом, поэтому крыльчатка 24 может выдерживать воздействие таких больших сил при вращении с высокой скоростью.

Как показано на фиг. 3, втулка 28 крыльчатки 24 содержит углубление 29 на своей нижней по потоку стороне. Благодаря этому углублению 29 достигается еще большее снижение веса крыльчатки 24, что еще больше компенсирует увеличение веса вследствие использования цинкового корпуса 10. Кроме того, углубление 29 имеет кольцевую форму и образует полость, в которую может входить выступающая в осевом направлении часть внутренней стенки корпуса. Это образует лабиринтное уплотнение внутри втулки 28 крыльчатки 24, которое предотвращает попадание посторонних предметов, таких как волосы и пыль, в блок 23 подшипников, что может повредить узел ротора и значительно сократить срок службы электродвигателя. Это лабиринтное уплотнение хорошо видно на фиг. 4, на которой приведен вид в разрезе собранных корпуса 10 и узла 20 ротора. Вышеупомянутое лабиринтное уплотнение обозначено областью S. На фиг. 4 показано также, каким образом внутренняя стенка 11 корпуса 10 выполняет функцию защитной муфты, расположенной вокруг блока 23 подшипников, как было описано выше.

На фиг. 5 показан узел 40 статора. Узел 40 статора содержит два сердечника 50 С-образной формы и катушечный узел 44. Каждый С-образный сердечник 50 (называемый также П-образным сердечником) содержит спинку 52 и две полюсные лапы 54, отходящие от спинки 52. На конце каждой полюсной лапы 54 расположена полюсная поверхность 56. Катушечный узел 44 содержит центральную часть 42 и отходящие от неё наружу выступающие части 48. Центральная часть 42 образует канал, который окружает магнит 22 узла 20 ротора, когда электродвигатель находится в собранном состоянии. Обмотки (не показаны) для индуцирования магнитного поля в С-образных сердечниках 50 могут быть намотаны вокруг выступающих частей 48 катушечного узла 44. Выступающие части 48 содержат сквозные отверстия 49, которые позволяют полюсным лапам 54 С-образных сердечников 50 входить внутрь выступающих частей 48 катушечного узла 44 таким образом, что обмотка располагается вокруг каждой полюсной лапы 54. Сквозные отверстия 49 в выступающих частях проходят также и далее сквозь центральную часть 42 катушечного узла 44 таким образом, что в центральной части 42 имеются отверстия, обеспечивающие воздействие магнитного поля магнита 22 на полюсные поверхности 56 С-образных сердечников 50, когда электродвигатель находится в собранном состоянии.

Катушечный узел 44 содержит углубления 46, совпадающие с выступами 16 на корпусе 10, что обеспечивает возможность крепления узла 40 статора к корпусу 10. Выступы 16 могут входить в углубления 46 и могут быть закреплены в них с помощью адгезива или посадки с натягом. На фиг. 6 приведен вид в разрезе собранного электродвигателя 1. На чертеже ясно видны выступы 16, расположенные внутри углублений 46 катушечного узла 44. Углубления 46 могут быть достаточно большими, чтобы в них могли поместиться выступы 16, а также определенный объем адгезива. При сборке электродвигателя 1 адгезив может наноситься на внутреннюю поверхность углублений 46, или на внешнюю поверхность выступов, или на обе вышеуказанные поверхности, перед соединением узла 40 статора с корпусом 10 в процессе сборки.

Блок 23 подшипников содержит пару подшипников 72a, 72b и пружину 73, разделяющую указанные подшипники 72a, 72b. Пружина 73 служит для создания предварительной нагрузки на наружные кольца каждого из подшипников 72a, 72b с целью уменьшения износа данных подшипников во время использования. Между пружиной 73 и каждым из подшипников 72a, 72b, кроме того, могут быть установлены шайбы.

Несмотря на то, что в настоящем описании были рассмотрены конкретные варианты осуществления изобретения, разумеется, возможны также их различные модификации и изменения, при условии, что они не будут выходить за границы объема изобретения, определяемые приведенной ниже формулой изобретения.

Claims

1. Электродвигатель, содержащий:

корпус;

узел ротора, содержащий магнит, блок подшипников, крыльчатку и вал; и

узел статора, содержащий сердечник статора и катушку;

при этом корпус содержит внутреннюю стенку и наружную стенку, которая окружает внутреннюю стенку, образуя кольцевой канал между внутренней стенкой и наружной стенкой, и диффузорные лопатки, проходящие от внутренней стенки к наружной стенке через указанный кольцевой канал, причем внутренняя стенка образует канал, служащий в качестве опоры для узла ротора, а наружная стенка образует практически цилиндрический внешний корпус двигателя, при этом диффузорные лопатки имеют хвостовые части, выступающие в осевом направлении за границы внутренней стенки к наружной стенке.

2. Электродвигатель по п. 1, в котором канал выполняет функцию опоры для блока подшипников узла ротора.

3. Электродвигатель по п. 1 или 2, в котором блок подшипников содержит пару подшипников, закрепленных на валу, и пружину, расположенную между указанными двумя подшипниками.

4. Электродвигатель по любому из пп. 1–3, в котором блок подшипников закреплен в канале, при этом внутренняя стенка выполняет функцию защитной муфты, расположенной вокруг блока подшипников.

5. Электродвигатель по любому из пп. 1–4, в котором наружная стенка выходит за границы внутренней стенки в осевом направлении в по меньшей мере одном направлении из направления вверх по потоку и вниз по потоку.

6. Электродвигатель по любому из пп. 1–5, в котором внутренняя стенка содержит по меньшей мере один выступ, выступающий в осевом направлении от одного конца внутренней стенки.

7. Электродвигатель по п. 6, в котором узел статора содержит по меньшей мере одно углубление для приема по меньшей мере одного выступа.

8. Электродвигатель по любому из пп. 1–7, в котором внутренняя стенка содержит кольцевой выступ, выступающий в осевом направлении от одного конца внутренней стенки, при этом указанный кольцевой выступ выполнен с возможностью входа в углубление втулки крыльчатки.

9. Электродвигатель по любому из пп. 1–8, в котором крыльчатка представляет собой осевую крыльчатку, выполненную из алюминия, и содержит втулку и множество лопаток, прикрепленных к втулке.

10. Электродвигатель по п. 9, в котором втулка содержит углубление для приема выступающего в осевом направлении кольцевого выступа внутренней стенки.

11. Электродвигатель по п. 9 или 10, в котором внутренняя стенка имеет внешний диаметр, который практически соответствует внешнему диаметру втулки.

12. Электродвигатель по любому из пп. 1–11, в котором корпус выполнен из цинка.

13. Электродвигатель по любому из пп. 1–12, в котором корпус содержит электрический соединительный элемент, выполненный на наружной стенке.

14. Электродвигатель по п. 13, в котором электрический соединительный элемент представляет собой лепестковый вывод.

15. Электродвигатель по п. 13 или 14, в котором электрический соединительный элемент представляет собой соединение постоянного тока.