专利名称：旋转轴的轴承系统的制作方法
发明的领域本发明涉及轴承。特别是本发明涉及旋转轴的轴承系统和轴承及其轴承支架。
发明的背景小型小功率“屏蔽极”式马达有许多用途，例如在制冷系统中用于空气循环。如已熟知的，屏蔽极电感应马达具有包括转子体的转子，该转子体支承着轴，该轴转动地安装在转子体上。转子体可转动地配置在磁性定子组件中的开口内，该定子组件一般由一叠对齐的环形定子叠片构成。围绕着部分定子的电场绕组使定子叠片磁化，以提供驱动转子所需的磁动力。在空气循环系统中转子轴上安装有叶轮以驱动空气流。
在传统的屏蔽极马达中转子轴延伸穿过轴承座，该轴承座包括延伸穿过转子开口的每个端部并通常以螺栓固定在定子上的支架。轴承座限制转子体相对定子作显著的轴向移动并支持着轴承，轴承使转子轴保持轴向对中(对准中心)。因此轴承在使转子轴充分自由地旋转的同时使转子保持稳定和对中。这种马达的一个例子在1994年2月15日向Nutter颁发的美国专利No.5,287,030中作了描述，它被结合在本文中作参考。
这种小功率马达特别适合于一些用途，在这些用途中马达要在长时间内运转持续的时间间隔，可能是许多年。像这样的马达在其整个有效寿命中必须是非常耐久的、极少故障和最好是很少需要维修的。在达到这些特性方面往往最成问题的部件是轴承，在马达的整个寿命中轴承与旋转轴发出持续的摩擦接触。
为保持转子轴的正确对中，屏蔽极式马达一般使用球面直径的浸油粉末金属轴承或滚珠轴承，它们以模铸铝或锌轴承支架保持在合适位置上。这些形式的轴承需要持续暴露在润滑剂中，这实际上限制了马达的寿命。在高温环境下这个问题特别严重，在该环境下用于润滑轴承的油时刻在消耗，最终导致轴承系统的严重损坏。
还已知将轴颈轴承紧密地压配在轴承支架中。然而这种形式的轴承系统在压配操作之后需要机械加工，这显著增加了马达的制造成本。再有，虽然在组装期间压配的轴颈轴承将保持在轴承支架中的合适位置上，由于轴承与座之间的干涉配合，马达的性能时常可能达不到最佳，这是因为轴承的安装位置不允许在转子轴的对中方面甚至稍有偏差。在运行期间如果马达受到震动或撞击，可能导致严重的震荡或发出尖叫声，这是因为轴承不能自(动)对中。
在金属轴承由金属支架支承的情况下这些问题特别严重，并且因此这些部件的精密加工是必不可少的。有些轴承系统为了支承以干涉配合紧密地装在支架上的金属轴承而使用了塑料支架，然而为了马达的正常运行，在这些系统中轴承的充分润滑仍是必不可少的。还已知道应用压配装入金属支架内的塑料轴承，但当轴承被安装时，支架依据干涉配合的程度而闭合轴承内直径，这样之后就需要对内直径进行精密的机加工以便为转子轴恢复合适的间隙。还有，安装期间压配操作导致轴承丧失对中。
美国专利No.5,827,030中描述的结构使用了一种压配在塑料支架上的塑料轴承。然而这个结构发生了和其它轴承系统相同的缺点，在该系统中轴承定以干涉配合安装的，最显著的是轴承不能自对中，这缩减了马达的有效寿命并且通常使马达在全部时间内工作缺乏效率。
本发明的简要说明本发明提供一种浮动轴承系统，该系统包括在轴承支架内的间隙配合支承的轴承，例如应用于小功率屏蔽极式马达中。轴承系统是自对中的，并从而补偿了转子轴在轴向对中方面的偏差，以保持马达的最佳效率和减少轴承的磨损、延长轴承系统的寿命。
在优先实施例中，支架及轴承两者由非金属材料组成，最好是由塑料组成。轴承可由不需润滑的高性能塑料组成，以延长马达的寿命。本发明的其它方面可通过应用金属支架和/或金属轴承的轴承系统来实现。
在本发明的优先实施例中，法兰式或衬套式轴承的法兰部分设置有开口，该开口具有与转子轴互补的轴承表面。轴承支架上设置有轴承容座，该容座适于以间隙配合容纳轴承套。转动锁阻止轴承在轴承容座内旋转而同时容许轴承与转子轴通过自动地改变轴承的中心线或轴线的斜度来调整至正确的对中，在优先实施例中，该转动锁是绕轴承容座分布的各平面，这些平面与轴承套部分上的互补各平面相结合。于是轴承以“浮动”状态保持在轴承容座内并能自对中，以适应转子轴在轴向斜度方面的偏差。
在优先实施例中轴承支架上设置有轴承保持器，该保持器包括在组装及马达的工作寿命期间使轴承保持在其应用位置的保持指。保持指最好与轴承支架制成一体并设置有倒钩法兰，该倒钩法兰使轴承以间隙配合保持轴承容座内。本发明的这一方面轴承装入轴承支座内及轴承支座装在马达上的组装工作简化了。
于是本发明提供了旋转轴的一种轴承系统，该轴承系统包括轴承，该轴承包含具有至少一个轴承表面的开口；轴承支架，该轴承支架包含以基本固定关系使轴承安装在支架上的容座，该容座其尺寸构造成以间隙配合支承着轴承；转动锁，该转动锁在轴承与容座之间协同运作以阻止轴承相对于支架的显著旋转；由此当轴被配置穿过轴承时，轴相对轴承表面旋转而保持轴的基本固定的径向位置，因此轴承与轴承容座之间的间隙能够使轴承保持与轴的轴向方位的对中。
本发明还提供了一种小功率马达，该马达包括可转动地配置在定子中的转子；定子绕组，该定子绕组围绕定子配置用于驱动转子；以及可转动地安装在转子上的旋转轴；和轴承系统，该轴承系统包括具有开口的轴承，该开口具有至少一个轴承表面，该轴承以基本固定的关系配置在由轴承支架支承的轴承容座内，容座其尺寸构造成以间隙配合支承着轴承；和转动锁，该锁在轴承与容座之间协同运作以阻止轴承相对于支架的显著旋转；由此当轴被配置穿过轴承时，轴相对轴承表面旋转而使轴保持在基本固定的径向位置上，因此轴承与轴承容座之间的间隙能够使轴承保持与轴的轴向方位的对中。
综合地，本发明还提供了轴承与轴承保持器，轴承由塑料组成并包括从轴承套径向地凸伸的法兰，轴承包括具有至少一个轴承表面的开口和转动锁第一部件，而轴承支架包括其尺寸构造成以间隙配合支承着轴承的容座，该容座以基本固定的关系使轴承安装在支架上；和转动锁第二部件，使得第一部件与第二部件结合以阻止轴承相对于支架的显著旋转；由此当轴被配置穿过轴承并相对于轴承表面旋转时，轴承使轴保持在基本固定的径向位置上，其中轴承与轴承容座之间的间隙能够使轴承保持与轴的轴向方位的对中。
在本发明的另一方面，轴承由聚合塑料组成并包含从轴承套径向凸伸的法兰。
在本发明还有的方面，支架包括使轴承保持在容座中的轴承保持器。轴承保持器包括保持指，该保持指绕容座从轴承支架凸起并适于使轴承的法兰保持其位置。在优先实施例中，每个轴承指包括由弹簧环支持的臂，以增加保持指的弹性，保持指终止于倒钩尖。
在本发明再有的方面，轴承支架由塑料组成而保持指与轴承支架是一体地制成的。
附图的简要说明作为例子解释的各附图只是本发明的优先实施例。
图1是实施本发明的马达的正视图，图2是图1的马达的侧视图，图3是根据本发明的轴承系统的剖视图，图4是图3的系统中的轴承支架的平面图，图5是沿图3中的5-5线的轴承支架的剖面图，图6是图3的轴承系统中的轴承的平面图，图7是图6的轴承的剖视图，图8是本发明的轴承系统的另外实施例的底部平面图。
本发明的详细说明图1及图2用图解释实施本发明的一个优先实施例的电动马达10。马达10是诸如制冷系统中用于空气循环的小功率“屏蔽极”式马达。马达10包括转子12，转子12包括转子体14，转子体14支承着轴16，轴16转动地安装在转子体14上。转子体14可转动地配置在磁性定子组件20的开口内，组件20由一叠对齐的环形定子叠片22构成。绕在部分定子20周围的电场绕组24使定子叠片22磁化，以提供驱动转子12所需的磁动力。
根据本发明，转子轴16延伸穿过轴承系统，其优先实施例图解于图3中。轴承座30包括相对的轴承支架32，支架32径向地延伸穿越转子开口的端部并用例如螺栓34a固定在定子20上。每个轴承支架32支承着轴承50，转子轴16延伸穿过轴承50以使转子12稳定和保持其正确的对中而同时允许转子轴16在轴承座30中充分自由地旋转。
在图3至图5中详细地图解了轴承支架32的优先实施例。每个支脚34上设置有孔34a，螺栓34a被配置穿过孔34a以把支架32固定在定子20上。通过升起部38使桥部36与定子20保持间隔，升起部38相对桥部36的方位可以是倾斜的。桥部36设置有包含孔的轴承容座，该孔延伸穿过桥部36，最好是在中央穿过，并且孔其尺寸构造成以间隙配合容纳轴承50，如下面所详细描述。轴承容座40可任选地包含环形的伸长部42，如实施例中所示，以适应较大的轴承50和/或用作叶轮(未图示)的定位器。
在优先实施例中，轴承支架32是用工程塑料整体地模压成形。适于作轴承支架32的工程塑料是由DuPont(商标)生产的HTN ZYTEL(商标)51G35 HSL尼龙。其它合适材料包括PPA，PBT/PET/PTT聚酯，SPS，PPS，LGP，改性聚亚苯基氧化物，聚碳酸酯，聚乙烯和聚丙烯。在实施例中说明的工程塑料中，绕着支架周围制有增强脊31以赋予桥部36及升起部38刚性。其它材料，例如传统地用于屏蔽极马达轴承座的金属也适用于轴承支架32。
每个轴承支架32支承着轴承50，在图6及图7中详细图解了其实施例。优先实施例中的轴承50包括从轴承套54径向地延伸的法兰52。被配置成轴向穿过轴承50的孔56上配置有与转子轴16接触的一个或多个轴承表面58。在实施例中所示的轴承开口是“带槽的”，它包括多个断开的轴承表面58，表面58均匀地绕孔56分布并被瓣部59所隔开，瓣部59与轴16保持间距。这减小了轴承50与轴16之间的接触面积以减轻转子轴16与轴承50之间的摩擦程度，并因此减少了运行中产生的热。瓣部59还为马达10运行期间积累的碎屑提供了通道或收集袋。
在优先实施例中，轴承50是由高性能的聚酯塑料模压而成的。一个优选的轴承材料是DuPont(商标)生产的SP-2624级Vespel(商标)，取其优越的耐磨性及极低的热膨胀系数。
轴承50其尺寸构造成可套在轴承容座40内，而轴承套54的外表面与容座40的内表面之间有小间隙，以允许轴承自对中。轴承套54与容座40之间的间隙范围在0.001英寸至0.003英寸之间。太小的间隙将妨碍轴承50的自对中，而过大的间隙可导致轴承50在轴承支架32上颤振。应用Vespel(商标)SP-2624聚合物是有益的，因为它可不需机加工而制得间隙非常小(对于小直径可低至0.0005英寸)，因此减少了制造成本。
提供了转动锁来阻止轴承50在容座40内的显著旋转。在优先实施例中转动锁包括平面54a及互补平面40a，平面54a配置在轴承套54的外表面，互补平面40a绕轴承容座40分布并与平面54a结合，如在图5中可看得最清楚。在另外的实施例中转动锁可包括突舌或轴承套54上的槽(未图示)或构成在轴承支架32内具有互补相配结构(未图示)的法兰52。然而，对于简化结构和减少自对中期间轴承50与支架32之间的干涉机会，平面40a及54a的应用对转动锁是最佳的。
因为轴承套54与容座40之间的间隙配合允许轴承50有轻微程度的旋转自由度，可是转动锁实际上防止了轴承在马达运行期间旋转。
在优先实施例中，提供了轴承保持器来使轴承50保持在容座40内。在图3至图5图解的实施例中，轴承保持器包括保持指60，保持指60与轴承支架32的桥部36制成一体并从桥部36凸起。每个保持指60最好包括弹簧环62，弹簧环62支承着终结于倒钩尖64的臂66，以使轴承50保持靠在轴承支架32的桥部36。轴承支架32的工程塑料需要相对地坚硬，以便使转子12保持稳定，并且这样提供的弹簧环62应赋予保持指60足够的弹性，以便使弹簧指60径向地(相对于容座40)移开，如图3中的虚线所示，并且在轴承50安装在轴承支架32上之后返回静止位置，如图3中的实线所示。
保持指60防止轴承50在马达10组装期间以及马达10运行期间从容座40中跌落出来。可根据部件的尺寸来选择保持指60的数量。可以预料在多数情况下，绕容座40相对布置的两个保持指60将足以保持轴承50在其合适位置上，但是可能有其它的变型，例如如图8中所示。
正如轴承套54与容座40的关系一样，为了使轴承50自对中，当轴承50完全装入容座40内时，在轴承法兰52与保持指60的(倒钩)尖64之间应该有小间隙，以在马达10运行期间允轴承50自对中。
应用时，通过使轴承套54与容座40对中来把轴承50安装在轴承支架32上，使得平面54a、40a位于相对位置上，并把轴承50推压入容座40之内。当尘兰52通过保持指60的倒钩尖64时，臂66可径向地朝外，如图3中的虚线所示。当法兰52越过了(倒钩)尖64时，臂66快速返回至其静止位置，如图3中的实线所示。轴承50装入支架32内的组装工作可以手工完成，或在大量应用场合以自动设备来完成。当支架32组装在马达10上时，保持指60把轴承50保持在容座40内。
转子12被置于定子12的开口之内，并且通过使转子轴16配置穿过轴承50，使支脚34与孔(未图示)对中穿过定子叠片20并如用螺栓34a紧固轴承座30来把轴承支架32装配在定子20上。马达10以传统方式安装在装置上，而端线11连接当地电源。
运行中，当转子12在定子20内旋转时，转子轴16相对于轴承表面58旋转。在优先实施例中，由于摩擦阻力极低，以及轴承50所使用的高性能聚合物的热膨胀系数极小，所以不需要润滑。因为是间隙配合，轴承50将变动(方位)以适合转子12的轴向斜度的偏差，由此在装配之后或马达10运行期间在轴承50与转子轴16之间保持正确的对中。塑料在两者轴承支架32及轴承50上的应用减少了轴承系统元件的磨损机会，并且也降低了噪声及振动的水平。
本发明还有的实施例图解于图8中。在这个实施例中轴承保持器包括绕轴承50的法兰52均匀分布的三个保持指60。在这个实施例中的轴承保持器也配置有转动锁，在这情况下转动锁包含与平面52a结合的臂66的平的内表面，平面52a绕轴承法兰52周围成互补关系地配置。在这个实施例中轴承50具有环绕法兰52内面的单一轴承表面58，虽然带槽的开口对这个实施例同等有效。如同先前的实施例一样，保持指60分布得稍为离开轴承50以使轴承50在容座40中保持间隙配合，而这个实施例的工作与先前描述的有所不同。
本发明的实施例已经以举例作了描述，对那些技术人员将是显然的，即在不背离本发明的范围时可进行修改和适应改变，如同附录的权利要求书所陈述的。
权利要求
1.一种旋转轴的轴承系统，包括轴承，该轴承包括具有至少一个轴承表面的开口，轴承支架，该轴承支架包括用于把轴承安装至该支架上的容座，该容座其尺寸构造成承轴与容座之间具有间隙以便支承轴承，以及转动锁，该转动锁在轴承与容座之间协同操作以阻止轴承相对于支架的显著旋转，由此当该轴被配置穿过该轴承并且该轴相对于该轴承表面旋转时，该轴承与该轴承容座之间的间隙能够使该轴承改变方位以适应该轴在轴向斜度上的偏差。
2.如权利要求1所述的轴承系统，其中该轴承是由聚合塑料组成并且包括从轴承套径向地凸伸的法兰。
3.如权利要求1所述的轴承系统，其中该转动锁包括在该轴承上的至少一个平面，该平面与在该支架上的至少一个平面结合。
4.如权利要求3所述的轴承系统，其中该转动锁包括在该轴承套上的多个平面，该多个平面与绕该容座配置的多个平面结合。
5.如权利要求1所述的轴承系统，其中该支架包括用于使该轴承保持在该容座内的轴承保持器。
6.如权利要求5所述的轴承系统，其中该轴承保持器包括至少一个保持指，该保持指从该轴承支架上绕该容座凸起并且适于将该轴承的法兰保持在其位置上。
7.如权利要求6的轴承系统，其中该轴承保持器包括一对绕该轴承容座相对配置的保持指。
8.如权利要求7所述的轴承系统，其中每个保持指包括由弹簧环支承的臂。
9.如权利要求8所述的轴承系统，其中该臂终止于倒钩尖。
10.如权利要求7所述的轴承系统，其中该轴承支架由塑料组成，并且该保持指与轴承支架一体地制成。
11.如权利要求1所述的轴承系统，其中该轴承支架由塑料组成。
12.一种小功率马达，包括可转动地配置在定子中的转子，绕着该定子配置用于驱动该转子的定子绕组，以及可转动地安装在该转子上的旋转轴，以及轴承系统，该轴承系统包括具有开口的轴承，该开口具有至少一个轴承表面，该轴承配置在由轴承支架支承的轴承容座中，该容座其尺寸构造成该轴承与该容座之间具有间隙以支承该轴承，以及转动锁，该转动锁在该轴承与该容座之间协同操作以便阻止该轴承相对于该支架的显著旋转，由此当该轴被配置穿过该轴承并且该轴相对于该轴承表面旋转时，该轴承与该轴承容座之间的间隙能够使该轴承改变方位以适应该轴在轴向斜度上的偏差。
13.如权利要求12所述的马达，其中该轴承是由聚合塑料组成的并包括从轴承套径向地凸伸的法兰。
14.如权利要求12所述的马达，其中该转动锁包括在该轴承上的至少一个平面，该平面与该支架上的至少一个平面结合。
15.如权利要求14所述的马达，其中该转动锁包括在该轴承套上的多个平面，该多个平面与绕该容座配置的多个平面结合。
16.如权利要求12所述的马达，其中该支架包括用于把该轴承保持在该容座中的轴承保持器。
17.如权利要求16所述的马达，其中该轴承保持器包括至少一保持指，该保持指从该轴承支架绕该容座凸起并且适于把该轴承的法兰保持在其位置上。
18.如权利要求17所述的马达，其中一对相对的轴承指中的每一个包括臂，该臂由弹簧环支承并终止于倒钩尖。
19.如权利要求12所述的马达，其中轴承支架由塑料组成。
20.综合地，轴承与轴承支架轴承由塑料组成并且包括从轴承套径向地凸伸的法兰，该轴承还包含具有至少一个轴承表面的开口和转动锁的第一部件，以及轴承支架包括容座，用于把该轴承安装在该支架上，该容座其尺寸构造成该轴承与该容座之间具有间隙以及支承该轴承，该轴承支架还包含转动锁的第二部件使得该第一部件与该第二部件结合以阻止该轴承相对于该支架的显著旋转，由此当轴被配置穿过该轴承并且相对于该轴承表面旋转时，该轴承与该轴承容座之间的间隙能够使该轴承改变方位以适应该轴在轴向斜度上的偏差。
21.旋转轴的一种轴承系统，包括包括开口的轴承，该开口具有轴承表面，包括容座的轴承支架，该容座用于把该轴承安装在该支架上，以及用于使该轴承在该容座内改变方位以适应该轴在轴向斜度上的偏差的装置。
22.如权利要求21所述的轴承系统，其中该轴承支架还包括用于把该轴承保持在该容座内的轴承保持器。
23.如权利要求22所述的轴承系统，其中该轴承支架由塑料组成并且该轴承保持器与该轴承支架是一体地制成的。
24.如权利要求22所述的轴承系统，其中该轴承保持器包括至少一个从该轴承支架绕该容座凸起的保持指。
25.如权利要求24所述的轴承系统，其中该保持指适于把该轴承的法兰保持在其位置上。
26.如权利要求24的轴承系统，其中该保持指包括由弹簧环支承的臂。
27.如权利要求21所述的轴承系统还包括转动锁，该转动锁在该轴承与该容座之间协同操作以阻止该轴承相对于该支架的显著旋转。
28.如权利要求27所述的轴承系统，其中该转动锁包括在该轴承上的至少一个平面，该平面与该支架上的至少一个平面结合。
29.如权利要求21所述的轴承系统，其中该轴承由聚合塑料组成。
30.如权利要求21所述的轴承系统，其中该轴承的开口的表面是断开的。
31.一种小功率马达包括如权利要求21-30中任一项中所述的轴承系统。
全文摘要
一种浮动的轴承系统包括以间隙配合支承在轴承支架内的轴承,用于例如小功率屏蔽极式电动马达中。该轴承系统是自对中的,以补偿转子轴在轴向对中上的偏差。转动锁阻止轴承在轴承容座内的旋转而同时允许通过自动地改变轴承的轴线的斜度来使轴承调整成与转子轴正确地对中。在优先实施例中支架由工程塑料组成并且轴承由高性能塑料聚合物组成,使得轴承系统是无需润滑的。在优先实施例中轴承支架设置有保持指,该保持指在组装及马达的工作寿命期内把轴承保持在合适位置上。
文档编号H02K5/15GK1360667SQ00810261
公开日2002年7月24日 申请日期2000年7月12日 优先权日1999年7月14日
发明者C·S·斯滕塔 申请人:纳幕尔杜邦公司