БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Настоящее устройство относится к электрическим машинам, в частности к исполнительным электродвигателям систем автоматики для космической техники.
Из предшествующего уровня техники известен бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий снабженный фланцем цилиндрический корпус диаметром d, размещенные в корпусе статор и ротор и установленную на противоположном фланцу торце корпуса цилиндрическую клеммную колодку, характеризующийся тем, что он снабжен установленной на цилиндрическом корпусе между фланцем и клеммной колодкой тонкостенной теплопередающей обоймой в виде тела вращения. (RU 2442272, H02K 29/08, H02K 29/03 от 12.07.2010)
Недостатком этого электродвигателя является увеличение массы и габаритов за счет дополнительной обоймы, а также сложность компоновки в составе агрегата космической техники, что вызвано раздельным выполнением корпуса с валом и коммутатора.
Этого недостатка лишен 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, характеризующийся тем, что он 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 (№2210162 МПК: H02K 29/00 H02K 29/00, 2003 г. - прототип). Недостатком этого технического решения является то, что коммутатор расположен на максимальном удалении от присоединительного фланца, посредством которого тепло передается на элементы конструкции космического аппарата. В условиях глубокого вакуума отсутствует конвекция, и часть тепла от электродвигателя через теплопроводящий стакан передастся на коммутатор. Высокие тепловые перегрузки испытывает и задний подшипник, который нагревается за счет передачи тепла от обмоток через металлическую гильзу, в которой он установлен и которая имеет непосредственный контакт со статором. Гильза может нагреваться не только за счет выделения тепла в обмотке, но и за счет перемагничивания или токов Фуко в зависимости от марки материала. Согласно теоретическим и экспериментальным данным, срок службы бесконтактных электродвигателей постоянного тока определяется сроком службы подшипников и электрорадиоэлементов, который, напрямую зависит от температуры. Все эти факторы снижают надежность и срок службы электродвигателя. Особенно актуальна проблема отвода тепла для бесконтактных электродвигателей постоянного тока с высокоэнергетическими магнитами Nd-Fe-B.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в повышении надежности за счет улучшения эффективности теплоотвода и, как следствие, увеличение ресурса электрорадиоэлементов и подшипников.
Данная задача достигается за счет того, что бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит цилиндрический корпус, снабженный фланцем, установленные в нем статор и ротор с валом, щит с концентрическими пазами и установленной со стороны статора теплоизолирующей прокладкой; датчик положения ротора; установленные со стороны противоположной вылету вала кожух и крышку из материала с высокой теплопроводностью. Коммутатор с теплоотводом расположен вдоль цилиндрической поверхности корпуса, при этом коммутатор и корпус электродвигателя установлены в кронштейне, выполненном из материала с высокой теплопроводностью и имеющем общую присоединительную поверхность к элементам конструкции космического аппарата или иного объекта.
Зазоры между фланцем и лобовой частью обмотки статора, а также между лобовыми частями обмотки статора и корпусом могут быть залиты компаундом для повышения эффективности передачи тепла на корпус и фланец.
Между фланцем и кожухом могут быть дополнительно установлены стержни, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, а перегородка между корпусом электродвигателя и коммутатором может быть снабжена ребрами для дополнительного охлаждения.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение надежности за счет улучшения эффективности теплоотвода и, как следствие, увеличение ресурса электрорадиоэлементов и подшипников.
На фиг. 1 и 2 приведен пример выполнения бесконтактного электродвигателя постоянного тока.
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит цилиндрический корпус 1 с наружным диаметром d, снабженный фланцем прямоугольной формы, и установленные в нем статор 2 и ротор 3 с валом 4. К корпусу 1 присоединены со стороны торца, противоположной вылету вала, кожух 5 и крышка 6, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, имеющие, как и фланец, прямоугольную форму в поперечном сечении.
Как правило, цилиндрический корпус электродвигателей выполняется тонкостенным для уменьшения потерь на перемагничивание или токи Фуко, а также для обеспечения лучшего отвода тепла от статора за счет излучения в условиях глубокого вакуума. В случае, если площадь сечения цилиндрической части корпуса 1 недостаточна для передачи тепла от его задней части к присоединительной поверхности электродвигателя, между фланцем и кожухом могут быть установлены стержни из материала с высокой теплопроводностью. Количество тепла, передаваемое по корпусу на фланец пропорционально площади сечения цилиндрической части корпуса. Так для толщины корпуса, равной 1 мм, формулу зависимости площади сечения корпуса от его наружного диаметра d будет иметь вид:
2
2
S=π·(d-(d-2)/4=π·(d-1)
Тогда из условия эквивалентной корпусу суммарной площади сечения стержней диаметр одного стержня d может быть вычислен по формуле:
S -площадь сечения цилиндрической части корпуса электродвигателя;
d - наружный диаметр цилиндрической части корпуса электродвигателя;
1
d - диаметр стержня;
n - число стержней.
При этом увеличение поверхности излучения за счет введения стержней составит
изл1
изл
1
1
S/S=π·D·L·n·100/π·D·L=(d·n·100/d)%, где
L - длина цилиндрической части корпуса;
изл1
S - суммарная площадь излучения стержней;
изл
S - площадь излучения цилиндрической части корпуса.
Например, для цилиндрического корпуса с диаметром d=40 мм и]толщиной стенки 1 мм при числе стержней n=4 диаметр каждого стержня приблизительно равен 6 мм. При этом поверхность излучения за счет введения стержней увеличится на 60%.
Если стержни выполнить из материала с более высокой теплопроводностью, чем корпус, можно увеличить эффективность теплопередачи. Суммарная площадь излучения стержней может быть дополнительно увеличена за счет оребрения поверхностей.
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом: при подаче постоянного напряжения на коммутатор 11 последний коммутирует обмотки статора 2 по сигналам задания и информации с датчиков положения ротора. Создаваемое этими обмотками магнитное поле вызывает вращение ротора 3 вместе с валом 4. Выделяемое в электродвигателе тепло передается на наружную цилиндрическую поверхность корпуса, большая ее часть отводится через фланец и присоединительную поверхность П-образного кронштейна 5 на элементы конструкции космического аппарата (не показаны), а также излучается в окружающее пространство. Оставшаяся часть тепла передается на кожух 6 и крышку 7 прямоугольной формы, и также излучается в окружающее пространство, благодаря чему снижается тепловая напряженность заднего подшипника 8. Этому способствует также теплоизолирующая прокладка 9, прилегающая к подшипниковому щиту, а также концентрические пазы 10, выполненные в подшипниковом щите для увеличения сопротивления тепловому потоку на пути к подшипнику. Передний подшипник нагревается меньше за счет близости к охлаждающим элементам конструкции космического аппарата. Большая часть тепла, выделяющаяся в коммутаторе 11, отводится через присоединительную поверхность кронштейна 5 к элементам конструкции космического аппарата и частично через поверхности корпуса коммутатора излучается в окружающее пространство. При необходимости между электродвигателем и коммутатором может устанавливаться прокладка из теплоизолирующего материала, однако, благодаря тому, что наиболее напряженная в тепловом отношении цилиндрическая поверхность корпуса конфигурирована в окружающее пространство, передача тепла от электродвигателя к коммутатору не оказывает определяющего значения на температуру коммутатора. Для улучшения теплоотвода поверхность корпуса коммутатора, сопрягаемая с корпусом электродвигателя может быть снабжена ребрами (фиг. 3).
Благодаря такому распределению тепловых потоков, происходит снижение нагрева подшипников и зоны датчика положения ротора, а также электрорадиоэлементов коммутатора, что обеспечивает повышение надежности бесконтактного электродвигателя постоянного тока.
Указанное преимущество - повышение надежности - позволяет рекомендовать заявленное техническое решение к использованию в агрегатах ракетно-космической техники.