Привод для вращения рабочего органа в способе и устройстве для обработки пищевых продуктов - RU2255641C2
Код документа: RU2255641C2
Чертежи
Описание
Предпосылки изобретения
Настоящее изобретение относится к магнитному приводу, который предназначен для передачи вращательного движения от источника движения в замкнутое пространство без непосредственной механической связи. Конкретнее, оно относится к блендерам, миксерам и подобным машинам и, в частности, к устройствам, которые содержат смеситель, крыльчатку, лопасти или другой инструмент, установленный внутри съемной чаши или контейнера, и который вращается с помощью двигателя, расположенного на стационарном основании машины.
Обычные домашние блендеры и миксеры имеют крыльчатку с механическим приводом, которая установлена с возможностью вращения внутри съемной чаши блендера. Основание чаши имеет соединительную муфту в общем круглой формы с выступами и/или углублениями определенной формы, которые выполнены на ее нижней поверхности, которая устанавливается с возможностью съема при вертикальном установочном движении в муфту соответствующей формы, установленную на валу двигателя, размещенного в основании машины. При таком механическом соединении между чашей блендера и двигателем блендера требуется обеспечить уплотнение для вращающегося вала в основании чаши между крыльчаткой и соединительной муфтой. Это уплотнение подвергается существенному износу и срабатыванию с течением времени, поскольку представляет собой механическое соединение. В связи с тем, что выход из строя уплотнения может привести к утечке жидкости из чаши, уплотнение и подшипники в основании чаши выполнены так, что они обеспечивают уплотнение за счет трения. Трение приводит к износу, нагреву и потерям мощности. Кроме того, обычные блендеры производят значительный неприятный шум, и механическое взаимное зацепление при соединении между муфтами затрудняет съем чаши с основания и установку чаши на него.
Большое количество миксеров для напитков имеют двигатель, установленный в основании, непосредственно под чашей. Однако в случае ограничения общей высоты двигатель может быть установлен сбоку и подключен к приводному валу с помощью ремня или зубчатой передачи.
В известных домашних и коммерческих блендерах используются обычные двигатели переменного тока. Хотя двигатели переменного тока могут быть иметь конструкцию, позволяющую управлять скоростью вращения, а также обеспечивающую требуемый выходной крутящий момент, обычно такой двигатель в общем является громоздким, тяжелым и не очень подходящим для электронного управления скоростью, не говоря уже об электронном торможении. Хотя в данной области техники также известно применение бесщеточных двигателей постоянного тока, они до настоящего времени не использовались для блендеров или блендеров/машин для приготовления ледяной стружки. В этих двигателях используется сравнительно тяжелый ротор, сформированный из набора постоянных магнитов в форме секторов. Перемешивание массы льда в виде стружки или кубиков вместе с жидкостью, особенно в начале вращения или во время "застывания" замороженных напитков, требует сравнительно большого крутящего момента. Бесщеточные двигатели постоянного тока характеризуются низким значением выходного крутящего момента по сравнению с обычными двигателями переменного тока. Поэтому они в основном находят использование в качестве источника движущей силы в таких вариантах применения, как вентиляторы, где низкий выходной крутящий момент является приемлемым.
Коммерчески приемлемый блендер/устройство для приготовления ледяной стружки для производства замороженных напитков должен удовлетворять целому ряду специальных и важных конструктивных критериев. Он должен быть компактным, как в смысле занимаемого им места на столе, так и по общей высоте, с тем, чтобы эффективно использовать ограниченное пространство бара. В идеале он должен иметь относительно низкий вес. Простое конструктивное решение с размещением обычного электрического двигателя непосредственно под чашей блендера увеличивает общую высоту машины и поэтому обычно не применяется. В нем также должно быть предусмотрено управление скоростью, которое обычно обеспечивается с помощью различных зубчатых передач и электронных устройств для выбора различных уровней мощности и скорости в различных режимах работы. Быстрое управляемое торможение также является важным фактором для ограничения общего времени приготовления смеси и для предотвращения расплескивания смешиваемого материала после того, как смешивание будет закончено, а также для безопасности. Контроль за вибрацией, предотвращение перегрева или минимизация износа, простота ухода и долговечность также являются важными факторами.
Известна также крыльчатка, установленная внутри чаши блендера, которая может приводиться в движение с помощью магнитного или электромагнитного поля, а не механическим путем. Один из типов магнитного привода соединяет вращающийся постоянный магнит, расположенный за пределами чаши блендера или подобного устройства, а другой постоянный магнит установлен с возможностью вращения внутри чаши блендера. Американские патенты №№ 2459224 автора Хендрикс (Hendricks); 2655011 авторов Айле и др. (Ihle et al.); a также 5478149 автора Куигг (Quigg) представляют собой примеры такого подхода. В патенте автора Хендрикс описано перемешивающее устройство с магнитным приводом, предназначенное для смешения жидкостей, в котором мешалка имеет магнит, установленный на ее нижней оконечности внутри контейнера для жидкости. В патенте автора Куигг описан двигатель, который приводит в движение набор магнитов через коробку передач и вал для соединения с другим набором магнитов, установленных на перемешивающем устройстве.
В американском патенте № 3140079 автора Бэрманн (Baermann) используется большая вращающаяся пластина, на которую установлена последовательность расположенных по внешней окружности магнитов, которые проходят под частью гораздо меньшего, вращающегося проводящего диска.
В американских патентах №№ 1242493 автора Стрингхем (Stringham) и 1420773 автора Стэйнбрук (Stainbrook) описаны электрические миксеры для напитков, в которых статор двигателя переменного тока окружает ротор, находящийся внутри чаши блендера или в ее основании, и взаимодействует с ним. В патенте Стрингхема ротор типа беличьего колеса расположен в плоскости обмоток статора. В патенте Стэйнбрука двигатель переменного тока установлен в основании чаши блендера, и обмотки статора расположены под чашей. Такая разделенная компоновка двигателя переменного тока имеет ограничение по крутящему моменту, возможности управления скоростью, имеет значительные вихревые потери тока и проблемы, связанные с интерференцией электродвижущей силы, которая свойственна двигателям переменного тока, причем эти проблемы усиливаются из-за физического разделения обмоток статора и ротора. Они не позволяют обеспечить хорошее управление скоростью. В них не используется соединение с помощью магнитного поля, создаваемого постоянным током. Кроме того, расположение ротора двигателя внутри контейнера или чаши прибавляет нежелательный вес узлу чаши и затрудняет работу с чашей из-за гироскопического эффекта, когда ее снимают, пока ротор еще вращается.
Если ротор бесщеточного двигателя постоянного тока должен быть установлен в основании чаши блендера, чаша становится не только тяжелой и проявляет существенный гироскопический эффект, но она также "будет прилипать" к металлическим раковинам и окантовке и будет притягивать незакрепленные металлические предметы, такие как столовые приборы, элементы оборудования бара или монеты.
Краткое описание изобретения
В соответствии с этим основной целью настоящего изобретения является система привода, которая позволяет обеспечить надежную передачу вращательного движения с управляемой скоростью на элемент с вращательным приводом, который отделен от источника движущей силы.
Другой аспект состоит в создании привода, который автоматически отключался бы в случаях, когда нагрузка превышает заранее установленную величину, или в случае съема приводящего элемента из его рабочего положения.
Еще одной целью является создание магнитного привода, который имеет все эти преимущества, в котором рабочий орган установлен внутри чаши блендера, и чаша блендера легко устанавливается и снимается из блендера, и с ней легко работать, когда она снята с блендера, например она не проявляет существенного гироскопического эффекта или магнитного притяжения.
Еще одной целью является создание немеханического соединения между двигателем и рабочим органом с низким уровнем износа, с незначительным требуемым уходом и, в частности, такого, для которого не требуются значительные затраты на обслуживание, связанные с наличием ременных приводов и механического сцепления и тормоза.
Еще одной целью является создание магнитного привода для блендера или подобного устройства с вышеуказанными преимуществами, который был бы компактным, имел бы низкий вес и был бы удобным для использования и мытья.
Другой целью является создание привода, рабочие характеристики которого могли бы быть запрограммированы и в котором можно было бы обеспечить надежное и быстрое торможение.
В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения в качестве привода для блендера или другого устройства обработки пищевых продуктов электродвигатель используется для вращения круглого магнита, предпочтительно узла из двух кольцевых магнитов с осевыми полюсами, которые расположены на близком расстоянии от дискообразной ведущей пластины, выполненной из электропроводного намагничивающегося материала. Узел магнита и ведущей пластины имеют соответствующие друг другу наборы расположенных по окружности полюсов. Узел магнита предпочтительно имеет набор из четного количества в общем выполненных в форме сегментов полюсов или сегментов постоянного магнита с переменной полярностью. Ведущая пластина предпочтительно представляет собой тонкий лист из черного металла, такого как холоднокатаная сталь, с открытыми на концах радиальными прорезями, которые формируют полюса и подавляют вихревые токи. Узел магнита формирует достаточно сильное поле (линии магнитного потока), которое, несмотря на некоторое расстояние, обычно включающее воздушные зазоры с высоким магнитным сопротивлением, тем не менее, индуцирует противоположно поляризованное намагничивание на полюсах дисков. Это индуцированное намагничивание соединяет магнитный узел с пластиной для ее привода. Ведущая пластина установлена в блендере с возможностью вращения в основании чаши блендера и на ней устанавливается вал, на котором в свою очередь установлена крыльчатка. Узел магнита и двигатель установлены в корпусе отдельно от ведущей пластины.
Электродвигатель, предпочтительно, представляет собой бесщеточный двигатель постоянного тока с обмоткой статора, которая вырабатывает вращающееся электромагнитное поле, которое взаимодействует с ротором и производит на нем крутящий момент, при этом ротор включает узел магнита, который составляет магнитную пару с диском. Кольцо магнита ротора предпочтительно соединено с кольцом магнита привода путем закрепления этих магнитных колец на противоположных поверхностях круглого диска из холоднокатаной стали. Ротор, кольцо магнита привода и ведущая пластина установлены коаксиально по отношению друг к другу, когда ведущая пластина и ее соответствующее устройство, такое как чаша блендера, установлены в рабочем положении. Двигатель и корпус привода предпочтительно имеют плоскую верхнюю стенку, которая проходит непрерывно по всему зазору между магнитом и ведущей пластиной так же, как и плоская стенка дна чаши блендера. Для узла магнита с напряженностью поля на его поверхности 1400 Гс, этот небольшой зазор при использовании в блендере предпочтительно составляет приблизительно 0,25 дюйма (6,4 мм). Использование относительно плоского бесщеточного двигателя постоянного тока, установленного под рабочим органом, позволяет выполнить часть двигателя привода в компактной конфигурации, предпочтительно с отношением высоты к ширине, всего лишь 1:3.
Настоящее изобретение при широком рассмотрении его как способа включает этапы вращения магнита ротора с множеством расположенных по окружности полюсов путем взаимодействия полюсов с вращающимся электромагнитным полем. Ротор в свою очередь соединен со вторым магнитом привода с аналогичным количеством полюсов, расположенных по окружности, механически соединенных для вращения вместе с ротором. Способ дополнительно включает этапы направления магнитного поля магнита привода вдоль оси от ротора для индуцирования противоположно поляризованных магнитных полюсов в ведущей пластине, которая установлена с возможностью вращения, и при небольшом зазоре между магнитом привода и ведущей пластиной так, что индуцированные полюса на пластине следуют за полюсами на вращающемся узле магнита, несмотря на зазор и нагрузку, которые оказывают сопротивление вращению. Направление магнитного поля включает установку магнитов в виде многослойной структуры на противоположных сторонах тонкого стального диска и поляризацию кольцевых магнитов в осевом направлении.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения привод в соответствии с настоящим изобретением может включать узел зубчатой передачи, которая имеет одно или большее количество зубчатых колес, предназначенных для передачи крутящего момента от ведущей пластины на рабочий орган, такой как, например, выходной вал. Узел зубчатой передачи может включать одно или большее количество зубчатых колес, размер и компоновка которых выбираются для снижения или для увеличения крутящего момента, передаваемого от ведущей пластины на рабочий орган. В предпочтительном варианте воплощения узел привода и зубчатой передачи используется для вращения крыльчатки устройства для приготовления ледяной стружки. Устройство для приготовления ледяной стружки может представлять собой отдельное специально предназначенное для выполнения этой функции устройство или может быть скомпоновано вместе с блендером, таким как блендер в соответствии с настоящим изобретением, для получения автоматической машины типа блендера/устройства для приготовления ледяной стружки, которая предназначена для приготовления замороженных напитков.
Эти и другие особенности и цели настоящего изобретения будут более поняты из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид в перспективе машины типа блендер/устройства для приготовления ледяной стружки, сконструированной в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - вид вертикального сечения машины блендера/устройства для приготовления ледяной стружки по фиг.1;
фиг.3 - вид в перспективе с покомпонентным изображением деталей чаши блендера, изображенной на фиг.1 и 2;
фиг.4 - подробный вид вертикального сечения магнитного привода в соответствии с настоящим изобретением, изображенного на фиг.2, который используется для передачи вращения на крыльчатку, установленную на основании чаши блендера;
фиг.5 - вид в перспективе с покомпонентным изображением деталей основания блендера/устройства для приготовления ледяной стружки, изображенного на фиг.1 и 2 с представлением варианта установки узла двигателя для магнитного привода в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 - вид в перспективе узла с двойным магнитом, изображенного на фиг.4;
фиг.7 - вид вертикального сечения альтернативного варианта воплощения чаши блендера в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.8 - вид вертикального сечения магнитного привода и узла зубчатой передачи для части приготовления ледяной стружки блендера/устройства для приготовления ледяной стружки в соответствии с настоящим изобретением; и
фиг.9 - вид вертикального поперечного сечения по линии F-F, изображенной на фиг.8 магнитного привода и узла зубчатой передачи на фиг.8.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения
На фиг.1 и 2 изображен основной вариант применения настоящего изобретения, а именно машины 10 блендера/устройства для приготовления ледяной стружки, которая приспособлена для автоматического производства замороженных напитков в барах и ресторанах. Запас льда в сосуде 12 подается с помощью вращающихся лопастей 14 на лезвие 16. Ледяная стружка поступает через желоб 18, включающий крышку 20 в чашу 22 блендера, в которую добавлены жидкие ингредиенты, такие как вкусовые концентраты и/или спиртные напитки. Вращение крыльчатки (или набора лопастей) 24 на дне чаши в течение заранее определенного периода времени позволяет получить высококачественный замороженный напиток - такой, который образует горку при разливании и имеет в общем однородную, без прожилок, не водянистую консистенцию. Хотя настоящее изобретение будет описано ниже преимущественно со ссылкой на использование в блендере/устройстве для приготовления ледяной стружки 20, следует понимать, что настоящее изобретение может использоваться в различных вариантах применения, в которых требуется передавать вращение от вращающегося выхода источника движения (например, двигателя) на рабочий орган под нагрузкой, в частности вращающийся рабочий орган, установленный в емкости, которая отделена на некотором расстоянии от источника движения. Настоящее изобретение может использоваться, например, в различном оборудовании для обработки пищевых продуктов таком, как домашние блендеры, миксеры для пищевых продуктов, устройства для обработки пищевых продуктов и соковыжималки.
Магнитный привод 26 для крыльчатки 24 является основным элементом настоящего изобретения. Как видно на фиг.3-5, привод 26 включает в общем круглую ведущую пластину 34, установленную с возможностью вращения на основании 22а чаши 22 блендера, и бесщеточный двигатель 28 постоянного тока, включающий катушки 30 статора и ротор 32. Ротор в свою очередь включает двойной магнитный узел 35, предпочтительно выполненный в виде кольцевого магнита 36 ротора, кольцевой магнит 38 привода и диск 40 намагничивающегося материала, предпочтительно из холоднокатаной стали, который закреплен между магнитами 36 и 38.
Каждый из кольцевых магнитов 36 и 38 имеет множество расположенных по окружности полюсов 42, направленных вдоль оси, которые изображены на фиг.6 в количестве восемь штук. Расположенные друг напротив друга в поперечном направлении сегменты имеют противоположную полярность. Хотя восемь полюсов являются предпочтительным количеством, может использоваться любое четное их количество. Предпочтительно каждый полюс 42 формируется в общем в виде секторной области 44 постоянного магнита, которая сформирована на непрерывном кольце из прочного магнитного материала, такого как керамические магниты, продаваемые компанией Хитачи Корпорэйшн (Hitachi Corporation). Области 44 магнита в каждом магните 36 и 38 могут также представлять собой отдельные элементы, соединенные друг с другом или механически закрепленные другим способом для получения кольцевого узла с плоскими сторонами и в общем цилиндрической внешней стенкой. Пластиковая ступица 43 с радиально направленными стенками 43а держателя заполняет центр магнитов 36, 38, облегчая установку узлов на центральном валу. Область 44 с северным магнитным полюсом расположена рядом с областью 44 с южным магнитным полюсом. Узлы 36 и 38 затем прикрепляют к диску 40, предпочтительно так, что каждая область 44 постоянного магнита в одном узле налагается на аналогичную область постоянного магнита в другом узле, но так, что они имеют противоположную полярность для предотвращения возникновения силы магнитного отталкивания между магнитами 36 и 38. Пластиковый кожух 48 позволяет скрепить эту сборку из нескольких слоев. Такая конфигурация узла магнита с осевой ориентацией областей 44 магнитных полюсов и с коротким путем возвратного магнитного поля с низким магнитным сопротивлением, который представлен стальным диском 40 для всех областей 44 магнита, направляет магнитное поле (линии потока) магнита 36 ротора вдоль оси (по направлению вниз, как показано на чертеже), к катушкам 30 статора, и магнитное поле магнита 38 привода по направлению вдоль оси (вверх, как показано на чертеже) по направлению к пластине 34 основания 22а чаши. Напряженность и такое осевое направление поля магнита 38 привода индуцируют магнитные поля противоположной полярности на соответствующих полюсах 24а, сформированных на ведущей пластине 34 двигателя несмотря на наличие небольшого зазора 46 между в общем плоской верхней поверхностью 38а узла магнита и в общем плоской нижней поверхностью 34b ведущей пластины 34.
В изображенной и представленной предпочтительной форме блендера/устройства для приготовления ледяной стружки (который используется для смешивания до 80 жидкостных унций (2,26 литра) замороженных напитков) постоянный магнит 36 создает на своей поверхности напряженность магнитного поля приблизительно 1400 Гс, и зазор 46 составляет приблизительно 0,25 дюйма (6,4 мм) по направлению вдоль оси. Этот зазор включает, как показано на фиг.4, не только четыре слоя 48, 50а, 52, 22b, которые типично выполнены из пластмассового материала, но также воздушные зазоры 54 и 56. Слои 48 и 52 представляют собой тонкую пластиковую оболочку магнитного узла 35 и ведущей пластины 34 соответственно. Слой 50а представляет собой плоскую верхнюю стенку части основания 50 блендера/устройства для приготовления ледяной стружки 10. Слой 22b представляет собой плоскую нижнюю стенку основания 22а чаши.
Воздушный зазор 54 представляет собой небольшой зазор между покрытием 48 ротора и стенкой 50а. Зазор 56 представляет собой небольшой зазор между стенкой 22b и внешним покрытием 52 ведущей пластины. Как будет очевидно для специалистов в данной области техники, этот зазор представляет собой существенный источник сопротивления магнитной цепи между кольцевым магнитом 38 привода и ведущей пластиной 34. Роторы в виде постоянных магнитов, известных бесщеточных двигателей постоянного тока, например двигатель с диском диаметром 5 дюймов (12,7 см), который продается компанией Интегрэйтэд Моушн Контрулз, ЛЛС, город Торрингтон, Штат Коннектикут (Integrated Motion Controls, LLC of Torrington, Connecticut) под торговым обозначением Модель Номер 50, хотя он приблизительно сопоставим по своим размерам конструкцией и напряженностью поля с магнитом 38, не может обеспечить связь с ведущей пластиной 34 через зазор 46 с передачей достаточного усилия для привода блендера/устройства для приготовления ледяной стружки, работающего с приводом от диска.
Как видно на фиг.4 и 5, двигатель 28 закреплен на основании 50 с помощью винтов 60, которые проходят через стальной корпус 62 двигателя, и задний держатель 64 статора в отверстия 66 с резьбой, выполненные в стенке 50b крепления двигателя на основании. Задний держатель 64 статора имеет центральное отверстие, в котором установлен узел 68 подшипника, в который устанавливается вал 70 двигателя. С помощью винтов (не показаны), проходящих через отверстия 54а в заднем держателе статора, привинчивается и закрепляется передний держатель 72 статора, который зажимает кольцо 74 заднего экрана, образуя узел, расположенный вблизи к катушкам 30. Передний держатель 72 статора имеет периферийную часть 72а, которая выполнена наклонной и с пазами для установки в них обмоток 30 статора, как и в вышеуказанном двигателе Модель 50. (Части обмотки в пазах не показаны для ясности изображения). Обмотка представляют собой трехфазную обмотку, питание которой производится с помощью обычной цепи питания бесщеточного двигателя постоянного тока так, что создается вращающееся электромагнитное поле. Держатели основания и статора предпочтительно выполнены из формуемого высокопрочного пластика с такой толщиной стенок, которая позволяет обеспечить жесткое крепление двигателя 28.
Узел 35 двойных магнитов с валом 70, установленным по центру узла, входит по оси в подшипник 68 (фиг.4). Узел 35 вращается в подшипнике 68 с зазором, образованным со всех сторон узла 35. Как указано выше, многополюсное постоянное магнитное поле, производимое преимущественно с помощью нижнего (как показано на чертеже) магнита 36 ротора, направлено преимущественно вниз для взаимодействия с вращающимся электромагнитным полем, создаваемым катушками 30 статора, когда на них подается питание. Вращение этого электромагнитного поля, взаимодействующего с узлом магнита ротора, создает крутящий момент, который вращает ротор с такой же скоростью вращения. Диск 40, закрепленный между магнитами 36 и 38, передает этот крутящий момент на магнит 38 привода ведущей пластины. В качестве меры безопасности от возгорания в случае перегрева катушки 30 кольцеобразная защитная оболочка 76 выполнена с нижним фланцем 76а, который проходит по существу вдоль воздушного зазора между внешней кромкой узла 35, и в общем цилиндрической внутренней боковой стенкой заднего держателя 64 статора (с небольшим зазором для предотвращения фрикционного контакта с узлом 35 магнита). Эта защитная оболочка заполняет зазор в достаточной степени, чтобы предотвратить поток воздуха, который мог бы образовывать подачу кислорода для огня.
Узел 35 магнита имеет диаметр пять дюймов (12,7 см), вес приблизительно три фунта (1,36 кг). При обычных рабочих скоростях, которые изменяются от 4000 до 10000 оборотов в минуту, он может передавать существенные усилия на структуры крепления, в частности быстро изменяющиеся усилия, вызванные вибрацией. Структура крепления выполнена достаточно жесткой, благодаря выбору размеров и материалов, а также благодаря общей конструкции, например, использованию усилительных элементов стенок таких, как внешние ребра для сопротивления движениям, создаваемым при нормальной работе, и, таким образом, для гашения вибраций, которые, в противном случае, создавали бы ослабление, износ, и, в крайнем случае, могли бы даже привести к разрушению двигателя.
Положение ротора отслеживается с помощью трех обычных датчиков, работающих на принципе эффекта Холла, установленных известным образом на корпусе двигателя или на основании 58. Сигналы положения передаются на вход известной электронной цепи управления и привода, которая обеспечивает подачу питания на трехфазные обмотки 30 статора для (i) создания стартового крутящего момента, (ii) для повышения скорости вращения ротора до уровня выбранной рабочей скорости, (iii) поддержания вращения на этой выбранной скорости под нагрузкой и затем для (iv) быстрого и надежного торможения. Работа двигателя, таким образом, управляется и программируется электронным способом. Торможение выполнено электронным способом, с помощью тормозящих токов, индуцируемых в обмотках 30, которые гасятся на резисторах большой мощности или на полевых транзисторах, установленных на радиаторах.
Как видно на фиг.2-4, и, в частности, на фиг.3 и 4, проводящая ведущая пластина 34 жестко закреплена на нижнем конце вала 78, который установлен в паре расположенных друг над другом узлов 80 игольчатых подшипников. Окружающая обойма 82 запрессованная в центральном отверстии 22с с цилиндрическими стенками в пластиковом основании 22а, удерживает узлы 80 подшипников. В дне чаши обойма 82 имеет расположенное напротив отверстие увеличенного диаметра, в котором установлено и закреплено уплотнение 84 вращения, сформированное, по существу, из эластичного материала, такого как износостойкая резина. Уплотнение имеет три обращенные внутрь, расположенные на некотором расстоянии друг от друга губки 84а, внутренние кромки которых прижаты к валу и обеспечивают вращение вала 78 в уплотнении со скольжением с низким трением. Уплотнение 84 удерживает жидкость в чаше 22, несмотря на наличие вращающегося вала, проходящего через донную стенку чаши. Самая нижняя губка 84а прижимается к валу 78 в канавке, сформированной по окружности, которая фиксирует и стабилизирует уплотнение. Глубокая круговая канавка 84b в нижней плоскости уплотнения позволяет губкам упруго изгибаться, хотя и в незначительной степени, по направлению к оси. Над этим уплотнением на верхний конец вала 78 навинчена глухая гайка 86, которая закрепляет лопасти 24, установленные между тремя шайбами 88а, 88b и 88с.
Ведущая пластина 34 представляет собой часть узла ведущей пластины, который включает набор вертикальных, установленных радиально усиливающих ребер 90, сцентрованных под соответствующим углом, над каждым полюсом 34а (фиг.3). Ребра 90 и центральный выступ 91, который окружает вал 78, предпочтительно выполнены совместно с нижним слоем 52. Ведущая пластина 34 предпочтительно выполнена из тонкого листа стали из черного металла, такого как холоднокатаная сталь, например сталь толщиной 0,058 дюймов (1,47 мм), с рядом открытых на концах радиальных пазов 92, которые образуют полюса 34а. Пазы 92 также подавляют вихревые токи, индуцируемые в пластине вращающимся полем узла 38 приводящего магнита. Поскольку ведущая пластина 34 выполнена тонкой и с пазами, она может деформироваться под воздействием значительной притягивающей магнитной силы узла магнита 38 привода ведущей пластины, составляющей обычно, например, приблизительно пять фунтов (2,27 кг), и может вращаться с образованием фрикционного контакта с основанием 22b чаши. Ребра 90 и оболочка обычно позволяют сохранять плоскую конфигурацию пластины.
Как показано на чертежах, притягивающая магнитная сила, воздействующая на ведущую пластину 34 в основном воздействует на одну центральную точку вращения, образованную полусферическим шариковым подшипником, который выступает с нижней поверхности узла привода, упираясь в пластину 96 из нержавеющей стали, установленную заподлицо с верхней поверхностью стенки 22Ь основания чаши. Такая компоновка является устойчивой к магнитным силам, притягивающим ведущую пластину 34 по направлению вниз, одновременно позволяя выполнять вращение вала 78 с низким трением и низким износом.
Как видно на фиг.7, в альтернативном варианте воплощения чаши 122 блендера вал 178 установлен с возможностью вращения на двух разнесенных по оси игольчатых подшипниках 200а и 200b. Между двумя игольчатыми подшипниками 200а и 200b установлена цилиндрическая распорка 202, которая окружает вал 178. Ведущая пластина 134 закреплена на валу 178 с помощью винта 206, который имеет внешнюю нарезку, которая совпадает с взаимодополняющей внутренней нарезкой, выполненной в торце вала 178. На конце вала 178 может быть сформирован фланец 204, и ведущая пластина 134 зажимается между фланцем 204 и шайбой 208, которая установлена вблизи к головке винта 206. Такая компоновка позволяет установить вал 178 с возможностью вращения в игольчатых подшипниках 200а и 200b с помощью винта 206 без необходимости использования полусферического шарикового подшипника, выступающего из нижней поверхности узла привода, и пластины 96 из нержавеющей стали, установленной в стенке основания чаши. Следует понимать, что детали компонентов варианта воплощения, изображенного на фиг.7, аналогичны деталям, описанным выше, и в соответствии с этим обозначены теми же номерами ссылок, которые были использованы для обозначения аналогичных деталей, увеличенными на 100 для различия описанных вариантов воплощения.
Как оказалось, соединение или "тяга" между магнитом 38 и ведущей пластиной 34 увеличивается не только как функция напряженности магнитного поля, воздействующая на полюса 34а, и расстояния зазора между магнитом и диском, но также как функция толщины ведущей пластины 34 и ширины пазов 92. В общем, чем тоньше пластина и чем более широкими выполнены пазы, тем большая тяга производится для данного магнита и зазора. Предпочтительная в настоящее время ширина паза составляет приблизительно 0,245 дюймов (6,22 мм) для восьми полюсов и пластины диаметром 4,425 дюйма (11,24 см).
Требуемый уровень тяги зависит от варианта применения. Он выбирается для надежной связи ведущей пластины с ведущими магнитами, когда (i) крыльчатка 24 начинает вращаться под нагрузкой ледяной стружки и жидких ингредиентов замороженного напитка в чаше блендера, (ii) во время разгона до выбранной рабочей скорости, которая составляет обычно несколько тысяч оборотов в минуту, и затем (iii) во время принудительной остановки крыльчатки и вязкой массы в чаше, взаимодействующей с крыльчаткой. Однако тяга также выбирается с учетом возможности разъединения и, таким образом, автоматического отсоединения привода 26, когда чашу 22 снимают из ее рабочего положения на стенке 50а основания под желобом 18 для льда или когда нагрузка превышает заранее установленную максимальную величину. Последняя ситуация может возникнуть, например, когда замороженный напиток "застывает" в чаше, то есть превращается частично или полностью в твердую замороженную массу, или когда какой-либо объект нечаянно падает внутрь блендера во время его работы, например ложка, ювелирные украшения или крышка бутылки. При отсоединении магнитный привод 26 автоматически и немедленно отключает подачу мощности на крыльчатку для исключения или минимизации возможности ранения лица (лиц), находящихся вблизи к блендеру и к самой машине. Это свойство также исключает необходимость затрат на установку и техническое обслуживание механического сцепления.
Хотя бесщеточные двигатели постоянного тока известны как имеющие относительно низкий выходной крутящий момент, в настоящем изобретении был обнаружен способ преодоления этого недостатка. Однако для оптимизации рабочих характеристик двигателя 28 катушки 30 статора предпочтительно должны быть намотаны так, чтобы оптимизировать выходной крутящий момент на заранее определенной рабочей скорости, например около 8000 оборотов в минуту.
Важно отметить, что узел приводящей пластины в основном, а именно тонкий металлический диск с формованным пластиком поверх него, выполнены легкими и немагнитными. Поэтому возникает малозаметный гироскопический эффект при снятии чаши с блендера/устройства для приготовления ледяной стружки после использования. При этом остается незначительный крутящий момент благодаря крыльчатке и узлу ведущей пластины. Поскольку чаша выполнена легкой по весу и является немагнитной, с ней легко работать.
Также весьма существенно, что магнитный привод 26 в соответствии с настоящим изобретением позволяет устанавливать чашу 22 в рабочем положении на блендер/устройство для приготовления ледяной стружки 10 с помощью простого поперечного скользящего движения гладкого плоского основания 22b чаши поверх гладкой плоской части 50а основания. При этом не нужно выполнять вертикальное движение чаши для установки на механическое сцепляющее соединение привода и затем вертикально поднимать чашу для разъединения этого соединения. Поперечное скользящее движение установки и снятия являются не только в большей степени удобными, но они также позволяют снизить необходимый вертикальный зазор над чашей. Такая компоновка, обеспечивающая скользящую установку, также облегчает чистку основания блендера - требуется только вытирать гладкую поверхность. Разлитая жидкость и вязкая масса могут стекать или могут выталкиваться по поверхности к отверстию 94 стока, которое сформировано в основании позади стенки 50а. В случае какого-то инцидента, связанного с обеспечением безопасности, перегрузки блендера или какой-либо необычной ситуации, который потребует быстро снять чашу, ее можно просто и быстро снять с машины с помощью скользящего движения. Кроме того, и весьма важно, если оператор будет нетерпелив и снимет чашу прежде, чем двигатель полностью остановится, что является достаточно частой проблемой при реальном использовании в баре, процесс снятия сам по себе автоматически отсоединяет привод крыльчатки от двигателя 28 (смещение и/или подъем чаши перемещает полюса 34а из взаимосвязи соединения с магнитными силовыми линиями, производимыми магнитным узлом 38). В обычных блендерах/устройствах для приготовления ледяной стружки с ременным приводом и механическим сцеплением такое преждевременное снятие вызывает удар и износ кинематической цепи привода и сцепления.
Другое существенное преимущество такого привода состоит в том, что в нем двигатель размещен непосредственно под блендером, таким образом устраняется необходимость использования приводных ремней или цепей, а также шкивов или цепных колес, но при этом сохраняется вертикальная, а также горизонтальная компактность, как в смысле высоты самого двигателя, высоты по вертикали соединения между двигателем и чашей, а также в отношении вертикального зазора, необходимого для выполнения операций с чашей при ее установке на соединение и снятии с него.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты воплощения, следует понимать, что различные его модификации и вариации будут очевидны для специалистов в данной области техники. Например, хотя настоящее изобретение было описано как имеющее привод от бесщеточного двигателя постоянного тока, возможно обеспечить некоторые из преимуществ настоящего изобретения с использованием двигателя переменного тока, выходной вал которого соединен с магнитом привода пластины. Хотя вращающийся магнитный узел был описан как элемент соединения с пластиной, расположенной в основании чаши, возможно создать вращающееся электромагнитное или магнитное поле с использованием узла из электромагнитов или постоянных магнитов другой компоновки, такой как одиночный постоянный магнит из одного элемента, который был сконфигурирован в смысле магнитного поля, или действующий в комбинации с ферромагнитными материалами таким образом, чтобы формировался требуемый набор магнитных полюсов. Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на пластину, вращающуюся в основании чаши блендера, рабочий орган может быть выполнен с широким разнообразием других форм, который не обязательно должен быть выполнен внутри сосуда для содержания жидкости. В то время как магниты и ведущая пластина были описаны как имеющие одинаковое количество полюсов, как известно, это не является существенным для работы настоящего изобретения. Разнообразные компоновки держателей крепления и вращения являются возможными как для узла 35 с двойным магнитом, так и для токопроводящей ведущей пластины 34. Кроме того, хотя была описана ведущая пластина 34 с радиальными пазами, выполненными для формирования полюсов 34а и для гашения вихревых токов в ведущей пластине, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что также является возможным разнообразие других известных компоновок, предназначенных для формирования полюсов и для гашения вихревых потоков. Кроме того, хотя магниты были описаны в виде соединенного с металлическим диском узла, использование такого диска не является необходимым.
На фиг.2, 8 и 9 изображены другие варианты применения настоящего изобретения, а именно узел приготовления ледяной стружки, предназначенный для подачи ледяной стружки в блендер или в машину 10 блендера/устройства для приготовления ледяной стружки. Узел приготовления ледяной стружки включает узел 300 магнитного привода и зубчатой передачи, который предназначен для вращения лопастей 14, которые подают ледяную стружку в чашу 22 блендера через лоток 16. Узел 300 магнитного привода и зубчатой передачи соединен с выходным валом 302, который соединен на его верхнем конце к вращающимся лопастям 14. Узел 300 магнитного привода и зубчатой передачи включают магнитный привод 304, который аналогичен по структуре и принципу работы магнитному приводу 26 блендера. Выходная мощность магнитного привода передается через узел 306 зубчатой передачи на выходной вал 302 устройства для приготовления ледяной стружки. Узел зубчатой передачи включает три зубчатых колеса, а именно зубчатое колесо 328 двигателя, комбинированное промежуточное зубчатое колесо 332 и выходное зубчатое колесо 334.
Магнитный привод 304 устройства для приготовления ледяной стружки включает в общем круглую ведущую пластину 308, которая установлена с возможностью вращения в корпусе 309 двигателя узла для приготовления ледяной стружки, и бесщеточный двигатель 310 постоянного тока, который включает обмотки 312 статора и ротор 314. Ротор 314 в свою очередь включает двойной магнитный узел, предпочтительно сформированный из кольцевого магнита 316 ротора, кольцевого магнита 318 привода и диска 320 из намагничиваемого материала, предпочтительно из холоднокатаной стали, который установлен между магнитами 316 и 318.
Кольцевые магниты 316 и 318 имеют множество установленных по окружности, направленных в осевом направлении полюсов, так же, как и в случае кольцевых магнитов 36 и 38 магнитного привода блендера, описанного выше. Кольцевые магниты 316 и 318, таким образом, имеют полюса, конструкция и компоновка которых выполнена аналогично кольцевым магнитам 36 и 38 магнитного привода блендера. Пластиковая ступица 321 установлена в центре кольцевых магнитов 316 и 318, позволяя произвести установку магнитов на центральном валу 322. Кольцевые магниты прикреплены к диску 320, предпочтительно так, что каждый полюс одного кольцевого магнита совпадает с полюсом противоположной полярности другого кольцевого магнита, что предотвращает возникновение силы магнитного отталкивания между магнитами 316 и 318. Пластиковая оболочка, окружающая магниты 316 и 318 и диска 320, позволяет закрепить узел магнита.
Бесщеточный двигатель 310 постоянного тока установлен в корпусе 309 двигателя, который расположен под ротором 314. Двигатель 310 выполнен аналогично двигателю 28 магнитного привода 26 блендера, описанного выше, и работает по такому же принципу. Катушка 312 статора представляет собой трехфазные катушки, которые получают питание от обычной цепи привода бесщеточного двигателя постоянного тока для создания вращающегося электромагнитного поля. Ротор 314 с валом 322, установленным в его центре, установлен со скольжением вдоль оси в подшипник 324. Ротор 314 вращается в подшипнике 324 с зазором со всех сторон ротора 314. Постоянное магнитное поле, получаемое в основном с помощью нижнего кольцевого магнита 316 ротора, направлено в основном вниз так, что оно взаимодействует с вращающимся электромагнитным полем, производимым статорными катушками 30, когда на катушки подается питание. Вращение этого электромагнитного поля, взаимодействующего с магнитным узлом 314 ротора, создает крутящий момент, который вращает ротор с такой же скоростью вращения. Диск 320, закрепленный между магнитами 316 и 318, передает этот крутящий момент на кольцевой магнит 318 привода.
Как и в случае ротора 32 магнитного привода 26 блендера, описанного выше, положение двигателя 314 может определяться с помощью трех обычных датчиков, работающих по принципу эффекта Холла, укрепленных в корпусе 309 двигателя. Сигналы положения подаются в цепь электронного управления и привода, которая осуществляет питание трехфазных обмоток 312 статора для получения пускового крутящего момента, разгона ротора до выбранной рабочей скорости вращения, поддержания скорости вращения на заданном значении под нагрузкой и создания быстрого и надежного тормозящего момента. Как и в случае двигателя 28, описанного выше, работа двигателя 310 может быть обеспечена с помощью электронного и программируемого управления. Торможение электронным способом выполняется с помощью тормозящих токов, индуцируемых в обмотках 312, которые рассеиваются на больших резисторах или полевых транзисторах, установленных на радиаторах.
Ведущая пластина 308 может иметь структуру, аналогичную ведущей пластине 34 магнитного привода 26 блендера, описанного выше. Ведущая пластина 308 жестко закреплена на нижнем конце ведущего вала 326. Зубчатое колесо 328 двигателя жестко установлено на валу 329 зубчатого колеса двигателя, который в свою очередь соединен с верхним концом ведущего вала 326. Зубчатое колесо 328 двигателя предпочтительно представляет собой геликоидальное зубчатое колесо, которое имеет множество геликоидальных зубьев 350 колеса. Ведущий вал 326 установлен в осевом направлении внутри вала 329 зубчатого колеса и жестко соединен с валом 329 зубчатого колеса и зубчатым колесом 328, что передает вращение ведущего вала 326 на зубчатое колесо 328 для совместного вращения. Таким образом, крутящий момент от ведущей пластины 308 может передаваться на зубчатое колесо 328 через ведущий вал 326. Ведущий вал 326 и вал 329 зубчатого колеса 328 двигателя установлены с возможностью вращения в паре опорных подшипников 330а и 330b.
Составное промежуточное зубчатое колесо 332 механически соединено с зубчатым колесом 328 двигателя и выходным зубчатым колесом 334 для передачи момента вращения от зубчатого колеса 328 двигателя на выходное зубчатое колесо 334. Промежуточное зубчатое колесо 332 включает удлиненную, верхнюю часть 332а зубчатого колеса цилиндрической формы, которая имеет множество геликоидальных зубьев 352 колеса и в общем дискообразную нижнюю часть 332b зубчатого колеса. Нижняя часть 332b зубчатого колеса имеет множество геликоидальных зубьев 354 зубчатого колеса, которые взаимодополняют по размеру и форме зубья 350 колеса 328 двигателя. Зубья 350 колеса 328 двигателя соединяются с зубьями 354 колеса нижней части 332b зубчатого колеса для передачи вращающего движения и крутящего момента от зубчатого колеса 328 двигателя на промежуточное зубчатое колесо 332. Составное промежуточное зубчатое колесо 332 жестко закреплено на валу 356 зубчатого колеса, который установлен с возможностью вращения в паре опорных подшипников 333а и 333b.
Выходное зубчатое колесо 334 имеет в общем цилиндрическую форму и жестко закреплено на выходном валу 302 для вращения вместе с выходным валом 302. В частности, выходное зубчатое колесо 334 установлено по оси поверх выходного вала 302 так, что выходной вал установлен внутри центрального отверстия выходного зубчатого колеса 334. Выходное зубчатое колесо 334 имеет множество геликоидальных зубчатых колес 334а, которые взаимодополняют по размеру и форме зубья 352 колеса верхней части 332а промежуточного зубчатого колеса 332. Зубья 352 колеса верхней части 332а колеса входят в зацепление с зубьями 334а выходного зубчатого колеса 334 для передачи вращательного движения и крутящего момента от промежуточного зубчатого колеса 332 на выходное зубчатое колесо 334. Выходной вал 302 и выходное зубчатое колесо 334 установлены с возможностью вращения в паре опорных подшипников 336а и 336b.
Зубчатое колесо 328 двигателя, промежуточное зубчатое колесо 332 и выходное зубчатое колесо 334 предпочтительно представляют собой геликоидальные зубчатые колеса, имеющие геликоидально ориентированные зубья зубчатых колес, выполненные из легковесного, высокопрочного пластикового материала, такого как ацетил или нейлон. Для специалистов в данной области техники будут понятно, однако, что другие типы зубчатых колес, такие как цилиндрические прямозубые зубчатые колеса, червячные зубчатые передачи или их комбинации, а также другие материалы, такие как металлы или композитные материалы, могут использоваться в узле 306 зубчатой передачи в соответствии с настоящим изобретением. Передаточное число узла 306 зубчатой передачи, в соответствии с настоящим изобретением, может быть отрегулировано, чтобы увеличивать или уменьшать скорость вращения, передаваемый крутящий момент с вала 326 привода магнитного привода 304 на выходной вал 302 устройства для приготовления ледяной стружки. Например, передаточное число узла 306 зубчатой передачи может регулироваться для снижения скорости вращения и, таким образом, для увеличения крутящего момента, передаваемого с вала 326 привода на выходной вал 302. И наоборот, скорость вращения, передаваемая узлом 306 зубчатой передачи, может быть повышена так, что при этом будет снижаться передаваемый крутящий момент путем регулирования передаточного числа узла 306 зубчатой передачи. Передаточное число зубчатой передачи может быть отрегулировано путем изменения количества зубьев колеса, количества зубчатых колес и/или размера зубчатых колес узла зубчатой передачи, как известно в данной области техники.
В предпочтительном варианте воплощения устройства для приготовления ледяной стружки в соответствии с настоящим изобретением требуемая скорость выходного вала 326 устройства для приготовления ледяной стружки составляет приблизительно 540 оборотов в минуту для эффективной работы устройства для приготовления ледяной стружки. Магнитный привод 300 в соответствии с настоящим изобретением, в котором используется бесщеточный двигатель постоянного тока, предпочтительно обычно имеет рабочую скорость вращения приблизительно 6000 оборотов в минуту. В соответствии с этим, передаточное число узла 306 зубчатой передачи составляет приблизительно 11,1:1.
Для специалиста в данной области техники будут очевидны конструкции узлов магнитного привода и зубчатой передачи в соответствии с настоящим изобретением, которые могут использоваться в различных вариантах применения, кроме устройства для приготовления ледяной стружки, описанного выше, когда требуется передать мощность от вращающегося выходного вала двигателя на приводимый элемент под нагрузкой, включая другое оборудование по обработке пищевых продуктов такое, как блендеры, смесители пищевых продуктов, кухонные комбайны и соковыжималки.
Кроме того, хотя устройство для приготовления ледяной стружки в соответствии с настоящим изобретением было описано как компонент комбинации блендера/машины для приготовления ледяной стружки, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что устройство для приготовления ледяной стружки может представлять собой отдельное устройство, то есть устройство для приготовления ледяной стружки может быть независимым от блендера.
Кроме того, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что тип и количество зубчатых колес, размер зубчатых колес и количество зубьев на колесе узла зубчатой передачи описанного выше в отношении устройства для приготовления ледяной стружки, в соответствии с настоящим изобретением представляют собой всего лишь пример. Эти свойства, а также другие свойства узла привода на зубчатой передаче, могут изменяться для получения такого же аналогичного или отличающегося передаточного числа зубчатой передачи, как описано в указанной заявке на патент, не выходя за рамки объема притязаний настоящего изобретения. Например, такие конструктивные параметры, как ограничения по весу и размеру, могут диктовать количество применяемых зубчатых колес, их тип и размер, а также количество зубьев на используемом колесе для получения передаточного требуемого числа. Эти и другие модификации и вариации, которые будут очевидны для специалистов в данной области техники, ознакомившихся с вышеприведенным описанием в свете прилагаемых чертежей, предназначены для пояснения существа изобретения, выраженного прилагаемой формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к магнитному приводу, который предназначен для передачи вращательного движения от источника движения в замкнутое пространство без непосредственной механической связи. Привод с магнитной индукцией вращающегося рабочего органа, установленного в закрытом корпусе, в частности крыльчатки, установленной на валу внутри чаши блендера или крыльчатки, установленной на валу внутри устройства для приготовления ледяной стружки, использует относительно тонкую круглую ведущую пластину из намагничиваемого материала, по окружности которой выполнены полюса, установленную внутри корпуса, закрепленную на ведущем валу. Бесщеточный двигатель постоянного тока, установленный на основании, отделенном от корпуса, имеет ротор, выполненный в виде набора сегментных постоянных магнитных областей, которые взаимодействуют с управляемым электронным способом вращающимся электромагнитным полем, производимым с помощью колец статорных катушек. Второй такой постоянный магнит соединен для вращения коаксиально и совместно с ротором, с полюсами противоположной полярности, выровненными и расположенными вблизи друг к другу. Стальной диск зажат между магнитом ротора и вторым постоянным магнитом и соединен с ними, магнитное поле (линии потоков) второго магнита проходит вдоль оси от ротора, для индуцирования магнитных полюсов противоположной полярности в приводящей пластине. Это второе магнитное соединение магнитов с пластиной работает через близко расположенный зазор, который включает нижнюю стенку основания, верхнюю стенку корпуса, и воздушный зазор между этими стенками и пластиной, и вторым магнитом. Узел зубчатой передачи может быть соединен с приводящим валом для повышения или снижения крутящего момента, передаваемого от ведущей пластины на рабочий орган. Изобретение позволяет обеспечить надежную передачу вращательного движения с управляемой скоростью на элемент с вращательным приводом, который отделен от источника движущей силы. 3 н. и 42 з.п. ф-лы, 9 ил.
