Результат интеллектуальной деятельности: БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к деталям машин и может быть использовано в составе агрегатов терморегулирования и приводов изделий космической техники,
Известен бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий корпус с установленными в нем статором и ротором с валом, а также коммутатор в виде отдельного блока [1]. Недостатком этого электродвигателя является значительная масса и габариты, а также сложность компоновки в составе агрегата космической техники, что вызвано раздельным выполнением корпуса с валом и коммутатора.

Этого недостатка лишен моноблочный бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий цилиндрический корпус диаметром d из материала с высокой теплопроводностью и установленные в нем статор и ротор с валом, крышку из тепло- и электроизоляционного материала, присоединенную к корпусу со стороны торца, противоположного валу, и установленный на ней цилиндрический коммутатор наружного диаметра D>d с клеммной колодкой на его торце, выбранный в качестве прототипа [2]. Клеммная колодка закрыта защитной крышкой. Выполнение электродвигателя в виде моноблока позволяет снизить его массу и габариты и облегчить компоновку.

Недостатком такого бесконтактного электродвигателя постоянного тока является плохой теплоотвод от коммутатора в окружающую атмосферу при работе электродвигателя в подавляющем большинстве агрегатов на борту космических аппаратов. Это вызвано тем, что тепло, выделяющееся в коммутаторе и через заполняющий его герметик поступающее на наружный диаметр коммутатора, эффективно снимается с него лишь при наличии конвекции окружающего воздуха. В космических аппаратах вследствие невесомости конвекция отсутствует, и теплообмен осуществляется путем теплопередачи через воздух и излучением с поверхности коммутатора. Из-за малой теплопроводности воздуха и малой интенсивности излучения при сравнительно низких температурах теплоотвод осуществляется недостаточно, что приводит к повышению температуры коммутатора и вследствие него к снижению ресурса радиоэлементов коммутатора, что эквивалентно снижению надежности. Единственным видом агрегатов, в которых такие электродвигатели могут использоваться без принятия специальных конструктивных мер для обеспечения эффективного теплоотвода, являются вентиляторы (причем только осевого типа) при условии расположения коммутатора в центре создаваемого вентилятором потока воздуха, который и снимает тепло с поверхности коммутатора. В других типах агрегатов естественный теплоотвод неэффективен вследствие вышеописанных причин. Кроме того, крепление защитной крышки клеммной колодки одним центральным винтом, вворачивающимся в резьбу на пластмассовой детали, недостаточно надежно вследствие низкой механической прочности пластмассы и отсутствия дублирования.

Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является повышение надежности за счет улучшения эффективности теплоотвода и повышения прочности крепления защитной крышки.

Этот результат достигается за счет того, что известный бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий цилиндрический корпус диаметром d из материала с высокой теплопроводностью и установленные в нем статор и ротор с валом, крышку из тепло- и электроизоляционного материала, присоединенную к корпусу со стороны торца, противоположного валу, и установленный на ней цилиндрический коммутатор наружного диаметра D>d с клеммной колодкой на его торце, закрытой защитной крышкой, согласно изобретению снабжен стаканом из материала с высокой теплопроводностью, внутренняя поверхность стенки которого выполнена ступенчатой диаметрами D и d, стакан установлен ступенями с диаметрами D и d на наружных цилиндрических поверхностях коммутатора и корпуса соответственно, при этом на стенке стакана со стороны, противоположной дну, выполнены n (n=2, 3 и т.д.) меридиональных прорезей шириной Н и длиной X, и на наружной поверхности стенки стакана в местах его контакта с наружной поверхностью корпуса установлен стяжной хомут, причем:

где [σ] - допустимая величина нормальных напряжений в материале стакана;
Е - модуль упругости этого материала;
L - ширина ступени диаметром d;
у - расстояние от максимально удаленной точки поперечного сечения лепестка, образованного материалом стенки стакана на ступени диаметра D между двумя соседними прорезями, до нейтральной линии этого сечения при его изгибе в плоскости, проходящей через ось стакана.

Поскольку заявленная совокупность существенных признаков позволяет получить указанный технический результат, то заявленное устройство соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения бесконтактного электродвигателя постоянного тока, продольный разрез; на фиг.2 - то же, поперечное сечение по А-А (двигатель условно показан нерассеченным); на фиг.3 - расчетная схема для вывода математического выражения, приведенного в формуле изобретения; на фиг.4 - поперечное сечение лепестка.

Бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит цилиндрический корпус 1 из материала с высокой теплопроводностью (в данном примере - металлический) диаметром d и установленные в нем статор 2 и ротор 3 (в виде постоянного магнита) с валом 4. К корпусу 1 присоединена со стороны торца 5, противоположного валу 4, крышка 6 из тепло- и электроизоляционного материала (в данном примере - из пластмассы), на ней установлен цилиндрический коммутатор 7 наружным диаметром D>d с клеммной колодкой 8 на его торце 9, закрытой защитной крышкой 10. Электродвигатель снабжен стаканом 11 из материала с высокой теплопроводностью (в данном примере - металлический), внутренняя поверхность стенки которого выполнена ступенчатой: ступень 12 диаметром D и ступень 13 диаметром d и шириной L. Стакан 11 установлен ступенью 12 на наружной цилиндрической поверхности коммутатора 7 и ступенью 13 - на наружной цилиндрической поверхности корпуса 1. На стенке стакана 11 со стороны, противоположной дну 14, выполнены n (n в данном примере равно восьми) меридиональных прорезей 15 шириной Н и длиной X, и на наружной поверхности стенки стакана 11 в местах его контакта с наружной поверхностью корпуса 1 установлен стяжной хомут 16, концы которого стянуты винтом 17. Материалом стенки стакана 11 между каждыми двумя соседними прорезями 15 образованы лепестки 18. Крышка 10 крепится к клеммной колодке 8 винтом 19.

Геометрические параметры стакана должны удовлетворять выражению:

где [σ] - допустимая величина нормальных напряжений в материале стакана;
Е - модуль упругости этого материала;
у - расстояние от максимально удаленной точки поперечного сечения лепестка 18 на ступени 12 диаметра D до нейтральной линии 20 этого сечения при его изгибе в плоскости, проходящей через ось стакана 11, указанное сечение показано на фиг.4.

Бесконтактный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом: при подаче питающего напряжения на коммутатор 7 последний вырабатывает последовательность сигналов, подаваемых на обмотки статора 2. Создаваемое этими сигналами магнитное поле взаимодействует с ротором 3 и вызывает его вращение вместе с валом 4. Выделяемое в коммутаторе 7 тепло, поступающее на его наружный диаметр D, передается за счет контакта большой площади на ступень 12 стакана 11. Т.к. стакан выполнен из материала с высокой теплопроводностью, то тепло передается через ступень 12 на ступень 13 и далее - на корпус 1. Поскольку корпус 1 также выполнен из материала с высокой теплопроводностью, то тепло далее передается на детали, на которых установлен электродвигатель (не показаны).

В результате интенсивной теплопередачи через стакан 11 и корпус 1 не происходит накопления тепла в коммутаторе 7, что приводит к снижению по сравнению с прототипом его температуры, за счет этого к увеличению ресурса электрорадиоэлементов коммутатора и повышению надежности электродвигателя. Кроме того, надежность повышается за счет дополнительной - помимо винта 19 - осевой фиксации крышки 10 дном 14 стакана 11, и в случае разрушения резьбы пластмассовой клеммной колодки 8 из-за высоких виброперегрузок при выведении космического аппарата на орбиту крышка 10 удерживается на своем месте за счет упора в дно 14 стакана 11. Существенным преимуществом является возможность установки стакана на серийно выпускаемые электродвигатели (например, электродвигатели типа БК-1 или БК-2 по ОСТ В16.0.515054-80, специально разработанные и широко применяемые в изделиях космической техники) без доработки последних.

Наличие меридиональных прорезей 15 необходимо для монтажа стакана 11 на коммутатор 7, т.к. образованные между ними лепестки 18 имеют возможность радиального смещения от оси электродвигателя для прохода коммутатора диаметром D через внутренний диаметр d ступени 13, что было бы невозможным при отсутствии прорезей. Приведенное в формуле изобретения математическое выражение получено исходя из требования отсутствия пластических деформаций материала стакана 11 при его монтаже на коммутатор 7, расчетная схема приведена на фиг. 3. На ней сплошной линией показан один из лепестков 18 в положении его фиксации на диаметре d и штриховой линией - он же в положении, при котором осуществляют проход коммутатора диаметром D через внутренний диаметр d ступени 13.

Считая деформацию лепестка 18 изгибной, из фиг.3 видно, что для обеспечения возможности монтажа стакана 11 на коммутатор 7 необходимо произвести смещение сечения лепестка на границе ступеней 12 и 13 на величину h, которая может быть выведена как функция геометрических размеров D, d, H и числа прорезей n. На фиг.3 точка О - центр окружностей диаметрами D и d, точка А показывает положение нижнего правого угла сечения лепестка 18 в положении его фиксации на диаметре d, точка С показывает положение этого же угла сечения лепестка 18 в положении, при котором осуществляют проход коммутатора диаметром D через внутренний диаметр d, точка Е показывает положение нижнего левого угла сечения лепестка 18 в положении его фиксации на диаметре d, и вертикальная ось на фиг. 3 проведена через середину сечения лепестка 18. Очевидно, что:
h=АС=BF=OF-OВ
Из рассмотрения прямоугольных треугольников АОВ и COF с учетом теоремы Пифагора следует:


Учитывая, что
AB = 0,5dsin∠AOB,
∠AOB = 0,5∠AOE,

(т.к. ∠AOE представляет собой разницу между угловым шагом лепестков 18 и угловой шириной прорези 15), получим для h выражение:

Очевидно (из известных в сопротивлении материалов зависимостей, например, [3] ), что для получения прогиба величиной h необходимо к лепестку на границе ступеней 12 и 13 приложить радиальную силу:

где Е и J - соответственно модуль упругости и момент инерции сечения относительно нейтральной линии 20 лепестка 18, где действует максимальное значение изгибающего момента от силы Р (т.е. в корневом сечении лепестка 18, где стакан 11 имеет внутренний диаметр D). Это сечение показано на фиг.4. При этом величина нормальных напряжений в данном сечении составит (из [4]):

где у - расстояние от максимально удаленной точки поперечного сечения лепестка 18 до нейтральной линии 20 этого сечения.

Из условия прочности:
σ≤[σ]
после подстановки выражений для σ, Р и h и проведения алгебраических действий получим приведенное в формуле изобретения математическое выражение

Следует отметить, что хотя величина у не выражена в алгебраическом виде (из-за его сложности), она является однозначно определяемой из известных в сопротивлении материалов формул геометрической характеристикой сечения, зависящей только от D, d, H и n. Поэтому приведенное в формуле изобретения математическое выражение путем одноразовой подстановки геометрических параметров и характеристик материала стакана определяет правильность выбора длины пазов X. Показанные на фиг. 3 и 4 сечения лепестков расположены в разных местах стакана - на фиг.3 это сечение у границы ступеней 12 и 13, а на фиг.4 - сечение на участке ступени 12, т.к. место приложения сил Р и наиболее нагруженное сечение лепестка не совпадают.

Указанные преимущества - повышение надежности - позволяет рекомендовать заявленное техническое решение к использованию в агрегатах космической техники.

Источники информации
1. Е.М. Михайлов. Особенности конструирования и технологии изготовления бесконтактных электродвигателей постоянного тока для космической техники. Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук, М.: Типография НПП ВНИИЭМ, 1999, стр.6 и рис.1.

2. Там же, стр.15, 16 и рис. 2 (прототип).

3. Г.М. Ицкович. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1970, таб. 7.2 на стр.308, схема нагружения балки сосредоточенной силой.

4. Там же, стр. 252, формула (7.6).