带有挠性轴承座的轴承系统

摘要

本发明涉及一种轴承系统,所述轴承系统包括被支撑在挠性轴承座(32)中的轴承(50),该轴承系统例如用于分数马力屏蔽磁极类型电动马达中。轴承系统是自动对准的,轴承座能够偏斜以补偿转子轴的径向对准偏差。一个转动锁定机构限制轴承在轴承座内转动。在优选实施例中,轴承座是由一种弹性材料制成的并且轴承是由高性能塑料聚合物制成的,以使该轴承系统是非润滑性的。

说明书

本申请要求1999年11月12日提出的美国临时申请No.60/165,247的权利。

                           本发明的技术领域

本发明涉及轴承。本发明特别涉及一种轴承系统和用于该系统的挠性轴承座。

                           本发明的技术背景

小型分数马力“屏蔽磁极”类型马达可用在许多应用中，例如在制冷系统中用于提供空气循环。众所周知，屏蔽磁极电感应马达具有转子，所述转子包括转子主体，转子主体支承相对于转子主体转动安装的轴。所述转子主体可旋转地布置在磁性定子组件中的开口内，所述磁性定子组件通常是由多个对准的环形定子叠片形成的。包围一部分定子的电场绕组使定子叠片磁化以便提供驱动转子所需的磁动势。在空气循环系统中，在转子轴上安装叶轮以驱动空气流。

在常规的屏蔽磁极马达中，转子轴贯穿机壳，机壳包括延伸到转子开口的每一端并且通常被螺栓固定在定子上的支座。所述机壳限制转子主体相对于定子进行轴向和径向移动，并且支撑保持转子轴轴向和径向对准的轴承。因此轴承在使转子轴自由转动的同时能够保持转子的稳定和对准。1994年2月15日授权给Nutter的美国专利No.5,287,030中描述了这种马达的一个例子，这篇文献在这里作为参考。

这种分数马力马达尤其适用于使马达在可能是数年的长时间内定期持续运转的应用中。因而马达必须是非常耐用的、非常不易出故障的并且最好在其使用期内几乎不需要维修保养的。达到这些性能中最易于出现问题的零件是轴承，轴承在马达的整个使用期内与旋转轴进行长期的摩擦接触。

为了保持转子轴的适当对准，屏蔽磁极类型马达通常使用被压铸铝或锌轴承座定位的球径、油浸粉末金属轴承或球轴承。这些类型的轴承需要一直暴露在润滑剂中，润滑剂会使马达的使用寿命受到很大的限制。这个问题在高温环境下尤为突出，这是因为，在高温环境下，用于使轴承润滑的油会随着时间耗尽，通常会使轴承系统出现严重的故障。

人们还已知道，将塑料的或非金属的轴颈轴承以压入配合的方式紧密地安装到轴承座中。但是，这种轴承系统需要在压入配合操作后进行机加工，这大大地增大了马达的制造成本。另外，尽管压入配合的轴颈轴承在装配过程中将会被定位在轴承座中，但是，由于轴承和机壳之间的干涉配合，因此有时马达的性能会因轴承的固定位置不能在转予轴对准中产生轻微的偏差而不能达到最佳。如果马达在工作过程中出现震颤或者摇晃，那么由于轴承不能阻抑因轴/轴承转动的扰动而产生的振动，因此可能出现严重的振动和振鸣。

这些问题在金属轴承被金属轴承座支撑的情况下尤为突出，并且因此，这些部件的紧密机加工也是重要的。也存在使用塑料轴承座支撑以干涉配合的方式紧密安装在轴承座中的金属轴承的轴承系统。在美国专利No.5,287,030中描述的系统使用了一种以压入配合的方式安装在塑料轴承座中的塑料轴承。但是，在所有的这些系统中，轴承座是刚性的，从而使精确的轴承对准和适当的轴承润滑对于马达的正常工作是很重要的，并且由于轴承在工作过程中不能自对准，从而减少了马达的使用寿命并且通常会使马达的工作效率随着时间的推移而被降低。

人们还已知道，使用以压入配合的方式安装在金属轴承座中的塑料轴承，但是当安装轴承时，轴承座在干涉配合的范围内接近轴承内径，而干涉配合又需要对内径进行精密的机加工以为转子轴恢复适当的间隙。另外，压入配合操作不能在安装过程中使轴承对准。

                       发明概述

本发明提供一种轴承系统，该轴承系统包括被支撑在挠性轴承座中的轴承，该轴承系统例如用于分数马力屏蔽磁极类型的电动马达中。在优选实施例中，轴承被嵌入模制在轴承座中以形成轴承座/轴承混合组件，这有助于轴承系统的制造和便于将轴承装配到马达中。

在优选实施例中，轴承座被嵌入模制在轴承周围，这能够确保轴承被适当地支撑并且在将其装配到马达上的过程中不会出现对不准的问题。在本发明中，由于轴承座具有挠性，因此本发明所涉及的轴承系统是自动对准的，从而能够补偿转子轴径向对准的偏差以维持马达的最佳效率和减少轴承的磨损，延长轴承系统的使用寿命。另外，优选实施例使用一种具有弹性的弹性材料轴承座，从而能够有效地阻抑可能在该系统中产生的振动。

在优选实施例中，轴承座和轴承是由非金属材料构成的。轴承可由一种不需要润滑剂的高性能塑料构成以延长马达的使用寿命。本发明的其它方面可用在使用金属轴承的轴承系统中。

在本发明的优选实施例中，带法兰的轴承或者衬套轴承设有开口，所述开口具有与转子轴相对应(complimentary to)的轴承表面。轴承座模制在轴承的大部分法兰或衬套周围，形成能够牢固地支撑轴承的轴承插座，并且轴承座和轴承之间具有非常紧密的公差。最好利用转动锁定机构(例如，分布在轴承的衬套周围的扁平部分)限制轴承在轴承座内转动。

由于弹性材料轴承座是挠性的，因此通过轴承座自身的挠度可使轴承与转子轴保持适当的对准关系，轴承座具有支撑轴承和对轴承的偏差进行补偿的作用，从而能够调节轴承以适应转子轴的轴向节距偏差，提高轴承系统的使用寿命。

在一个实施例中，轴承座模制有带肋条的定位柱和/或相应的(complimentary)插槽，定位柱被固定到所述相应的(complimentary)插槽中。本发明的这个方面能够简化轴承座与马达之间的装配。

因此，本发明提供一种与马达(10)结合使用的轴承系统，马达(10)具有转子轴(16)和转子(12)，转子(12)在通过定子(20)的开口内转动，所述轴承系统包括轴承座(32)，轴承座(32)包括包围轴承并且以相对于轴承座(32)固定的方式支撑轴承的插座，其特征在于，所述轴承座(32)适于安装在马达(10)上以使轴承(50)中的开口(56)设置在转子轴(16)的轴线附近，以及轴承座具有足够的挠性以使转子轴(16)可相对于轴承座(32)偏斜并使轴承(50)移动到与转子轴(16)的轴线对准的位置，但同时轴承座(32)还具有足够的刚性以便在马达(10)的工作过程中使转子(12)与定子(20)保持相互分隔的关系。

本发明还提供马达(10)，马达(10)具有转子轴(16)和转子(12)，转子(12)在通过定子(20)的开口内转动，马达(10)具有轴承系统，所述轴承系统包括一个或多个轴承(50)，每一个轴承(50)具有一个开口(56)，开口(56)具有至少一个轴承表面(58)以与转子轴(16)保持径向对准的关系，所述轴承系统还包括一个或多个轴承座(32)，每一个轴承座(32)包括包围轴承并且以相对于轴承座(32)固定的方式支撑轴承的插座，其特征在于，所述轴承座(32)适于安装在马达(10)上以使轴承(50)中的开口(56)设置在转子轴(16)的轴线附近的定子(20)的相对端上，以及轴承座具有足够的挠性以使转子轴(16)可相对于轴承座(32)偏斜并使轴承(50)移动到与转子轴(16)的轴线对准的位置，但同时轴承座(32)还具有足够的刚性以便在马达(10)的工作过程中使转子(12)与定子(20)保持相互分隔的关系。

                  附图的简要说明

在以例示的方式示出本发明的优选实施例的附图中，

图1是本发明所涉及的马达的前视图，

图2是图1中所示马达的侧视图，

图3是根据本发明的轴承系统的截面图，

图4是图3中所示系统中的轴承的平面图，

图5是使用图2中所示轴承座的机壳的截面图，

图6、图6a和图6b是根据本发明的轴承座的另一个实施例的截面图，

图7是根据本发明的轴承座的又一个实施例的截面图，以及

图8是使用图7中所示轴承座的机壳的截面图。

                  对发明的详细描述

图1和图2示出了本发明一个优选实施例所涉及的电动马达10。所示的马达10是分数马力“屏蔽磁极”类型马达，例如在制冷系统中用于提供空气循环。马达10包括转子12，所述转子12包括转子主体14，转子主体14支承相对于转子主体14转动安装的轴16。所述转子主体14可旋转地布置在磁性定子组件20中的开口内，所述磁性定子组件20是由多个对准的环形定子叠片22形成的。电场绕组24包围一部分定子20以使定子叠片磁化，从而提供驱动转子12所需的磁动势。

根据本发明，转子轴16由轴承系统支撑，在图3至图5中示出了这样轴承系统的一个优选实施例。机壳30包括相对的轴承座32，所述轴承座32径向延伸过转子开口的端部并(例如用螺栓34a)被固定到定子20上。每个轴承座32支撑轴承50，转子轴16通过所述轴承50延伸以使转子12稳定和保持适当对准，同时使转子轴16在机壳30内自由转动。应该理解的是，轴承系统可以包括一个轴承座32，然而在优选实施例中，具有两个这样的轴承座32。

图5中示出了轴承的一个优选实施例。轴承50是带法兰的轴承，然而本发明也可以使用其他类型的轴承，包括塑胶和金属轴承。所示的轴承50包括从衬套54径向延伸的法兰52。轴向穿过轴承50的开口56具有一个或多个接触转子轴16的轴承表面58。在所示的实施例中，轴承开口是“有槽的”，包括多个均匀地分布在开口56周围的并且被与转子轴16隔开的凸起59以定距离间隔的削平的轴承表面58。这使得轴承50和轴16之间的接触区域最小化以降低转子轴16和轴承50之间的摩擦程度，并且因此减少了在工作过程中所产生的热量。所述凸起59还设有通道或凹穴以便在马达10工作过程中收集碎屑。

在优选实施例中，轴承50是用高性能聚合塑料模制而成的。一种优选的轴承材料是由DuPont(商标)生产的VESPEL(商标)SP-2624等级的材料，这是由于其具有优良的耐磨损性能和热膨胀系数极低的特性。其他轴承也可通过适合的润滑用于本发明的系统中。使用VESPEL(商标)SP-2624等级的聚合物是有利的，这是因为可以无需进行机加工即可将该材料制成非常紧密的公差(对于小直径，公差可低到0.0005英寸)，从而可使生产成本最小化。

图3中详细地示出了用于本发明的轴承系统中的轴承座32的第一优选实施例。底座34都设有孔，螺栓34a穿过所述孔以将轴承座32锚固在定子20上。用竖板38使桥36与定子20保持分隔，所述竖板38的取向可相对于桥36偏斜。

根据本发明，轴承座32是挠性的，因此能够充分偏斜以便在将机壳30装配到马达10的过程中和在马达10的使用过程中能够使轴承50沿着转子轴16的轴线自动对准。在优选实施例中，轴承座32是用弹性材料整体模制而成的，优选的材料是由DuPon t(商标)生产的HYTREL5526(商标)。HYTREL5526在大约华氏73度的环境温度下具有大约为30kPSI的弯曲模量(根据美国试验材料协会D790号的规格)和在大约华氏32度的环境温度下具有大约为40kPSI的弯曲模量，该材料通常用于家用制冷设备的内部，以便生产几何学形状简单的轴承座32，该轴承座32具有在适合分数马力马达10的范围内的挠性。

也可采用其他的弹性材料，但是一定要注意的是，确保轴承座32具有适当的挠性。如果轴承座32挠性太大，那么当马达受到震动或经受不正常阻力时，转子12就可能接触到定子20；如果轴承座32刚性太大，那么轴承50将不能够与转子轴16自动对准，这在马达10的使用中可能导致轴承50的加速磨损和不均匀磨损以及产生过大的噪音。

结合轴承座32自身的几何模量和弯曲模量来确定其挠性，所述其自身的几何模量是轴承座32的厚度和外形的一个函数，所述其自身的弯曲模量是构成轴承座32材料的固有特性。根据本发明，轴承座32具有足够的挠性以使轴承偏斜并能够与转子中心线对准，但是轴承座32还具有足够的刚性以便当转子马达10在正常工作条件下受到震动或碰撞时使转子12不能接触到定子20。另外，轴承座32的材料的减震特性能够使所产生的振荡快速衰减。

影响轴承座32的偏斜程度的外部因素包括：马达10的磁力、转子12的质量和转子12与定子20之间的空气间隙大小。因此，用于特定马达10的轴承座32的挠性应该以这种方式被选择，即，轴承座32能够在正常的工作状态下充分弯曲以使轴承50移动到与转子12的轴线对准的位置，但轴承座32又不会弯曲到当马达10在正常运转过程中可能受到的径向冲力的作用下使转子12接触到定子20的程度。轴承座的材料选择和几何形状设计是相互关联的，可以设计成这样的形式，即，通过为桥36和竖板38以及可能采用如在该优选实施例中所示的诸如肋条或隆起部分31的加强结构选择适合的厚度使轴承座具有所期望的挠性。

因此，轴承座32自身弯曲以抵偿转子轴16与轴承50中开口56之间的微小偏差。应该理解的是，在插座40(也就是，轴承50所处位置)处测定达到期望参数所需的轴承座32的挠性；因此，结合刚性材料和柔性材料所构成的复合轴承座32也可适用于本发明中。

在优选实施例中，轴承座32被嵌入模制在轴承50周围以便在模制过程中使将轴承插座形成于桥36中，最好形成在桥36的中心处。这样能够在一个单一步骤中将轴承系统的生产和装配组合在一起，并且提供了这样的优点，即，轴承座32在很大程度上将轴承50封住，因此轴承50将不会相对于轴承座32轴向移动。带法兰的轴承50的使用增大了轴承50在插座40内的俘获程度，而且进行覆盖模制(overmolding)以在凸缘52的外表面周围产生唇缘35，从而能够在机壳30装配到马达10的过程中确保轴承50不会在插座40中轴向移动或脱落。由于弹性材料的高摩擦系数，因此轴承50应该定位于插座40内以使轴承50突出到轴承座32的上表面上方，从而使轴心54提供了用于推力载荷(所述推力载荷例如包括一个叶轮)的轴承表面。

嵌入模制是制造轴承系统的一种优选方法，这是因为轴承50和插座40之间所形成的公差非常小，并且在没有使开口56产生任何的变形和限制的情况下使轴承50与轴承座啮合。但是，由于轴承50和插座40之间的摩擦阻力较低以及当使用轴承50时施加在轴承50上的扭矩是不变的，因此，最好提供转动锁定机构以限制轴承50在插座40内转动。

在优选实施例中，从图4中可以清楚地看出，转动锁定机构包括设置在衬套54外表面周围的扁平部分54a。将轴承座32嵌入模制在轴承50周围以产生分布在轴承插座40周围的相应(complimentary)扁平部分40a，相应(complimentary)扁平部分40a与扁平部分54a相互配合以限制轴承50转动。所述转动锁定机构的其它实施例包括在衬套54或法兰52中的凸起或沟槽(未示出)，并且相应(complimentary)的配合结构(未示出)在嵌入模制过程中将被形成在轴承插座40中。

轴承座/轴承组件的嵌入模制可能会使轴承50轻微偏离转子12的轴线或中心线，但是由于轴承座32具有挠性，因此，只要装配的机壳30在转子轴16的附近支撑轴承50，轴承50就将在装配过程中与转子12的轴线自动对准。

在使用中，通过将衬套54安装到模型(未示出)以使法兰52伸入到轴承座32中将形成插座40的部分中，从而使轴承50被安装到轴承座32中。诸如HYTREL(商标)的弹性材料或其它适合的挠性材料被注入到模型中，并且当模型被充填时，轴承50被弹性材料封住。当弹性材料硬化时，将轴承座/轴承组件从模型中取出。

为了装配马达10，将转子12设置在转子12中的开口内，并且利用轴承50设置转子轴16，利用定子叠片22使底座34与孔(未示出)对准并利用螺栓34a将机壳30固定到定子20上，从而将轴承座32装配到定子20上。以一种常规的方式将马达10安装到设备上，并且使端子11与本地的电源相连。

在操作中，当转子12在定子20内转动时，转子轴16抵靠着轴承表面58转动。在优选实施例中，由于用于轴承50的高性能聚合物的摩擦阻力和热膨胀系数极低，因此无需进行润滑。由于轴承座32具有挠性，因此轴承50将偏斜以适应在转子12的轴向节距偏差，从而在马达10的装配后以及在马达10的工作过程中能够在轴承50和转子轴16之间保持适当的对准。使用塑料制造轴承座32和轴承50能够降低轴承系统部件磨损的可能性，并且还能够降低噪声和振动的程度。

在本发明的另一个实施例中，如图6、图6a和图6b中所示，轴承座32设有从底座34突出的带肋条的柱70和71，带肋条的柱70和71最好在模制过程中与轴承座32整体形成。柱70和71的横截面为半圆形。图6a中示出了这种柱的一个示例，其中所示的柱71具有平表面73。柱70具有锯齿状肋条70a，而柱71具有锯齿状肋条71a。锯齿状肋条70a的方向与肋条71a的方向相反以与如图6b中所示的相应(complimentary)的柱互锁。当如图6b中所示使用图6中所示的两个轴承座32时，肋条70a沿着柱70和71的表面73分别与71a互锁。对于这种结构，柱70和71是自定向的。

图7中示出了另一个实施例，其中每一个轴承座32可设有一个柱70和一个凹穴74。这样能够简化制造过程并且减少了清单中所列的部件数量，这是因为在该实施例中，两个轴承座32是相同的。但是，在装配马达10的机壳30的过程中必须考虑轴承座32的取向以确保每一个柱70与相对的轴承座32上的凹穴74对准。这些实施例使两个轴承座32牢固地结合在一起以无需螺栓、螺钉或者其它紧固件即可形成机壳30。

以与图3中所示实施例相同的方式将这些实施例装配到定子20上，但是不是使用螺栓34a，而是通过将柱70压装到相应的凹穴74中。肋条72、76的相反的锯齿状外形在柱70和凹穴74之间提供了有效的互锁啮合，从而将轴承座32牢固地安装到马达10，形成整体机壳30。

这里通过示例对本发明的优选实施例进行了描述，但是，本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离由后面的权利要求所限定的本发明保护范围的基础上可对这些实施例进行各种改进和变型。