Пылевлагозащищенный электродвигатель для беспилотного комплекса морского базирования

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, и может быть использована в качестве двигателей летательных аппаратов, в частности в качестве двигателей летательных аппаратов мультироторного типа морского базирования, предназначенного для проведения поисковых, спасательных, измерительных и других задач в водоемах с пресной и соленой водой.
Уровень техники
Из уровня техники известен корпус двигателя (ЕР 0048213, опубл. 06.02.1985). Корпус двигателя в виде трубчатой рубашки (3), собранной в поперечном сечении как минимум из двух частей оболочки (4, 5), окружающих статор (1), с внешней стороны (8) которых радиальные ребра оболочки (9, 19) выступают, в то время как смежные кромки частей оболочки и они удерживаются на статоре соединительными элементами (6), отличающимися тем, что по меньшей мере одна кромка части оболочки (4 или 5) образована поперечно секция крючком с носовой полосой (12), направленной от оси (М) куртки, и эта носовая полоса вставляется в канал (11) соседней части оболочки (5 или 4), при этом на внутренней стороне куртки радиальные ребра (10), опирающиеся на статор, связаны с радиальными ребрами (9, 19).
Данное техническое решение подходит для моторов с внутренним ротором (inrunner). Ребра на внутренней стороне охлаждающей рубашки сокращают пятно контакта передачи тепла со статором. В зоне стыка частей оболочки затруднена передача тепла. Рубашки выполнены из экструдированного профиля и не образуют герметичный корпус, а служат только для дополнительного охлаждения.
Также из уровня техники известен универсальный охлаждающий кожух для электродвигателя (US 98755474, опубл. 05.09.2017). Корпус содержит внутреннюю поверхность, выполненную с возможностью сопряжения в центральной части с многослойным магнитным пакетом электрического устройства; внешняя поверхность, содержащая в центральной части охлаждающие ребра, причем каждое охлаждающее ребро проходит в направлении радиально наружу и обычно перпендикулярно оси вращения вала, и закрывающую пластину, имеющую впускное отверстие, принимающее жидкое охлаждение от впускного коллектора, и выпускное отверстие, подающее жидкостное охлаждение в выпускной коллектор, при этом охлаждающие ребра альтернативно расположены выше и меньше вблизи впускного коллектора и напротив, все меньше и выше, вблизи выпускного коллектора, причем охлаждающие ребра пространственно расположены вдоль оси вращения вала, при этом все верхние охлаждающие ребра имеют одинаковую высоту, при этом крышка опирается на верхние ребра охлаждения и поддерживается ими, при этом крышка и охлаждающие ребра создают путь жидкостного охлаждения между чередующимися более высокими охлаждающими ребрами и меньшими охлаждающими ребрами от входного отверстия к выходному отверстию, причем путь жидкостного охлаждения проходит через жидкостное охлаждение от первого из охлаждающих ребер, в путь, образованный между чередующимися охлаждающими ребрами по длине оси вращения к последнему из охлаждающих ребер.
Данное техническое решение используется с жидкостным охлаждением, что влечет за собой увеличение массы за счет введения в систему радиатора, охлаждающей жидкости и насоса. Снижается надежность системы в связи появлением дополнительным элементов.
Также из уровня техники известен электродвигатель с поверхностным охлаждением (DE 2406014 А1, опубл. 14.08.1976). Статор электродвигателя с поверхностным охлаждением находится в тепловом контакте с корпусом. Корпус имеет внешние радиальные охлаждающие ребра.
В данном техническом решении используется пассивное охлаждение ребер корпуса без активного обдува.
Сущность полезной модели
Задачей, решаемой заявленным техническим решением, является решение проблемы перегрева мотора в полностью герметичной среде, благодаря плотной посадке статора двигателя на радиаторный корпус.
Техническим результатом заявленного технического решения является улучшение охлаждения двигателя при сохранении его герметичности.
Технический результат заявленного технического решения достигается за счет того, что пылевлагозащищенный электродвигатель для беспилотного комплекса морского базирования включает корпус, уставленный внутри корпуса статор и установленный в корпусе на подшипниках с возможностью осевого вращения ротор электродвигателя, при этом ротор электродвигателя соединен посредством шпонки с валом, а корпус со стороны вала герметично закрыт крышкой, при этом в крышке выполнен фланец, внутри которого установлены два маслостойких сальника, закрытые, в свою очередь, крышкой фиксации сальников, при этом наружная поверхность корпуса двигателя выполнена с продольными ребрами охлаждения, выполненными по высоте равными корпусу и расположенными по потоку воздуха от лопастей вентилятора, размещенного на валу электродвигателя.
В частном случае реализации заявленного технического решения корпус электродвигателя выполнен из алюминиевого сплава.
В частном случае реализации заявленного технического решения крышка фиксации сальников выполнена листа алюминия толщиной 2 мм.
В частном случае реализации заявленного технического решения вал электродвигателя выполнен из нержавеющей стали.
В частном случае реализации заявленного технического решения статор электродвигателя установлен внутри корпуса при помощи тепловой посадки с применением теплопроводящего компаунда.
В частном случае реализации заявленного технического решения крышка корпуса электродвигателя выполнена из алюминиевого сплава.
В частном случае реализации заявленного технического решения крышка корпуса электродвигателя зафиксирована на упомянутом корпусе посредством винтов с применением анаэробного фиксатора резьбы.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - мотоустановка, вид в разрезе;
Фиг. 2 - статор;
Фиг. 3 - обмотка статора;
Фиг. 4 - корпус двигателя;
Фиг. 5 - крышка корпуса двигателя;
Фиг. 6 - вал двигателя;
Фиг. 7 - конкретный пример реализации заявленного технического решения. Двигатель 1100 Вт, 60 ребер;
Фиг. 8 - конкретный пример реализации заявленного технического решения. Двигатель 1100 Вт, 44 ребра;
Фиг. 9 - конкретный пример реализации заявленного технического решения. Двигатель 1100 Вт, 30 ребер;
Фиг. 10 - конкретный пример реализации заявленного технического решения. Двигатель 1100 Вт, 20 ребер;
Фиг. 11 - конкретный пример реализации заявленного технического решения. Двигатель 1100 Вт, без ребер;
Фиг. 12 - конкретный пример реализации заявленного технического решения. Двигатель 1700 Вт, 60 ребер.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - корпус; 2 - статор; 3 - ротор; 4 - вал; 5 - шпонка; 6 - сальник; 7 - крышка; 8 - крышка фиксации сальников; 9 - подшипники.
Раскрытие полезной модели
Пылевлагозащищенный электродвигатель для беспилотного летательного аппарата включает алюминиевый корпус (1), выполняющий функцию радиатора, уставленный внутри корпуса (1) мотоустановки статор (2) электродвигателя и установленный в корпусе (1) на подшипниках (9) с возможностью осевого вращения ротор (3) электродвигателя.
Ротор (3) электродвигателя соединен посредством шпонки (5) с валом (4).
Корпус (1) со стороны вала (4) герметично закрыт крышкой (7). При этом в крышке (7) выполнено отверстие под упомянутый вал (4) и выполнен фланец, внутри которого установлены два маслостойких сальника (6), обеспечивающие герметичность выхода вала (4) через крышку (7), закрытые в свою очередь крышкой (8) фиксации сальников.
При этом вал (4) электродвигателя изготовлен из нержавеющей стали марки AISI 304.
Крышка (7) корпуса (1) электродвигателя изготовлена из алюминиевого сплава марки д16т, обеспечивает герметичное соединение с корпусом (1) электродвигателя и удержание двух маслостойких сальников (6).
Фиксация крышки (7) корпуса (1) мотоустановки осуществляется при помощи 11 винтов м2х6 DIN 912 с применением анаэробного фиксатора резьбы. Фиг. 5 (для наглядности крышка представлена в разрезе).
Крышка фиксации сальников мотоустановки изготовлена из 2 мм листа алюминия марки д16т. Должна обеспечивать герметичность сборки мотоустановки и фиксироваться шестью винтам м2х6 DIN 7991.
Статор двигателя установлен внутри корпуса при помощи тепловой посадки с применением теплопроводящего компаунда.
Корпус двигателя исполняет роль радиатора охлаждения статора и подшипникового узла крепления ротора двигателя. Корпус двигателя изготавливается из алюминиевого сплава марки д16т. Корпус двигателя исполняет роль радиатора охлаждения статора и подшипникового узла крепления ротора двигателя. Фиг 4.
Корпус двигателя выполнен с продольными ребрами охлаждения, выполненными по высоте равными корпусу с подобранным в зависимости от мощности и тепловыделения количеством, расположенными по набегающему потоку воздуха от лопастей вентилятора, размещенного на валу электродвигателя, то есть ребра расположены на наружной поверхности цилиндрического корпуса параллельно валу двигателя.
Воздушный винт нагнетает воздух на корпус электромотора, охлаждая его. При герметизации мотора в защитный стакан ухудшается теплообмен с внешней средой, что приводит к перегреву мотора и выходу его из строя. Для улучшения теплообмена и охлаждения двигателя и выполнены упомянутые ребра. Высота ребер ограничивается высотой корпуса мотора.
Ниже приведены конкретные примеры реализации заявленного технического решения:
В рамках решения перегрева герметизированного двигателя, произведен числовой термический расчет, с графической симуляцией распределения тепла по корпусу двигателя. Тем самым итерационно была найдена наиболее подходящая конструкция корпуса двигателя, с продольными ребрами охлаждения, расположенными по потоку.
Бесколлекторный двигатель в составе винтомоторной группы БПЛА обеспечивает вращение пропеллера, создавая силу тяги. Потребная мощность мотора для создания тяги 6,5 кгс в паре с пропеллером 30'×10.5' составляет 746 Вт, при этом максимальная тяга, необходимая для надежного управления аппаратом массой 25 кг, может достигать 9 кгс, потребляемая мощность при этом составит 1100 Вт. Определяющими факторами для определения размеров ребер и их числа являются: габариты двигателя, обеспечивающего необходимую тягу; скорость движения воздуха через ребра радиатора; максимально допустимая рабочая температура двигателя; тепловая мощность двигателя.
Теплоотвод возможно осуществлять, разместив ребра радиатора на цилиндрическую поверхность корпуса двигателя. Благодаря этому нагнетаемый пропеллером воздух проходит через ребра, обеспечивая принудительное охлаждение. Высота ребер ограничивается высотой корпуса мотора. В 3D модели задается длина и количество ребер, производится тепловой расчет, по результатам анализа которого производится корректировка модели. Рассмотрим варианты оребрения в диапазоне от 20 до 60 ребер.
Граничными условиями для определения параметров ребер является максимальная температура, при которой происходят необратимые изменения свойств магнитов электродвигателя, и массово-габаритные характеристики мотора, которые зависят от размеров и числа ребер. Таким образом необходимо определить минимально возможное количество ребер и их длину, обеспечивающих постоянную температуру двигателя менее 120°С при температуре окружающей среды 30°С.
Входными параметрами для расчета являются тепловая мощность двигателя и коэффициент конвективной теплопередачи.
Исходными данными для расчета являются:
λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя, 0.0259 Вт/(м⋅К);
-5
2
ν - кинематический коэффициент вязкости, 1.51⋅10 м/с;
-3
L - характерный размер, 43⋅10 м (длина стенки вдоль тока теплоносителя).
F - сила тяги пропеллера, 89 Н;
3
ρ - плотность воздуха, 1.205 кг/м;
2
S - площадь диска пропеллера, 0.265 м.
H
P - номинальная мощность мотора, 1100 Вт;
η - КПД мотора, 0.85;
загр
k - коэффициент загрузки мотора, 1;
l - длина ребра, 20 мм.
Определим скорость движения теплоносителя по формуле (3):
Далее вычислим число Рейнольдса для определения типа течения теплоносителя (ламинарный Re<100000 или турбулентный Re>100000):
Для определения числа Нуссельта воспользуемся формулой (5) для ламинарного течения теплоносителя:
4
0.5
2
Nu=0.66 (3.37⋅10)=1.21⋅10
Подставим полученное значение в (1) для вычисления коэффициента конвективной теплопередачи:
Занесем полученное значение в качестве исходных данных в термический расчет в среде Simulation для задания параметров конвекции.
Определим тепловую мощность мотора, используя формулу (6)
Занесем полученное значение в качестве исходных данных в термический расчет в среде Simulation для задания параметров тепловыделения двигателя.
После ввода входных параметров произведем расчет и проанализируем результат.
Результат представлен на Фиг. 7-11, на которых приведены примеры реализации, а именно:
на Фиг. 7 представлен двигатель мощностью 1100 Вт, с тепловой мощностью 194 Вт тепла, корпус данного двигателя выполнен с 60 ребрами, масса корпуса статора 526 г.
На Фиг. 8 представлен двигатель мощностью 1100 Вт, с тепловой мощностью 194 Вт тепла, корпус данного двигателя выполнен с 44 ребрами, масса корпуса статора 477 г.
На Фиг. 9 представлен двигатель мощностью 1100 Вт, с тепловой мощностью 194 Вт тепла, корпус данного двигателя выполнен с 30 ребрами, масса корпуса статора 427 г.
На Фиг. 10 представлен двигатель мощностью 1100 Вт, с тепловой мощностью 194 Вт тепла, корпус данного двигателя выполнен с 20 ребрами, масса корпуса статора 394 г.
На Фиг. 11 представлен двигатель мощностью 1100 Вт, с тепловой мощностью 194 Вт тепла, данный двигатель выполнен без ребер, масса корпуса статора 325 г.
Наиболее высокая температура наблюдается в зоне контакта статора мотора с корпусом. При анализе полученных результатов наблюдается снижение максимальной температуры статора при увеличении числа ребер. Так же с ростом числа ребер снижение максимальной температуры становится менее значительным. Таким образом при достижении определенного значения увеличение числа ребер не будет давать значительного эффекта для охлаждения при значительном увеличении массы.
При числе ребер, равном 60, максимальная температура статора составляет 107°С, масса корпуса статора при этом 526 г.
Снижение числа ребер до 44 приводит к росту температуры статора до 115°С, масса при этом сокращается до 477 г. При таких значениях обеспечивается безопасное функционирование электромотора, при этом запас по температуре составляет чуть более 5%.
Дальнейшее уменьшение числа ребер приводит к значительному росту температуры. При числе ребер равном 30 температура возрастает до 128°С, при 20 ребрах 143°С. Стоит отметить, что с меньшим числом ребер температура распределяется по корпусу более равномерно (об этом свидетельствует более плавный переход цветов на цветовой карте расчета).
Показательным является расчет корпуса без ребер. Температура статора достигает 281°С, отвод тепла в данном случае затруднен.
Изложенное исследование проведено для частного случая электродвигателя, использованного на конкретном БПЛА, однако данная конструкция может масштабироваться и применяться для электродвигателей с различной мощностью и размерами.
Так, варьируя параметрами числа и длины ребер, можно определить рациональный вид оребрения для мотора с большей мощностью (Фиг. 12, мотор мощностью 1700 Вт):
Тяга мотора с пропеллером 30'×10.5' составляет 11 кг;
Мощность мотора - 1700 Вт;
Тепловая мощность - 300 Вт.
Параметры оребрения, позволяющие удовлетворить требования по максимальной температуре: 60 ребер длиной 40 мм.