БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
SOLID-STAGE DC MOTOR

Изобретение относится к деталям машин и может быть использовано в составе агрегатов терморегулирования и приводов изделий космической техники.
Известен бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий цилиндрический корпус из материала с высокой теплопроводностью и установленные в нем статор и ротор с валом, перегородку из тепло- и электроизоляционного материала, присоединенную к корпусу со стороны торца, противоположного валу, и установленный на ней цилиндрический коммутатор с клеммной колодкой на его торце [1]. Недостатком этого электродвигателя является плохой теплоотвод от коммутатора в окружающую атмосферу при работе электродвигателя в подавляющем большинстве агрегатов на борту космических аппаратов, что вызвано отсутствием конвекции из-за невесомости и низкой теплопроводностью перегородки из тепло- и электроизоляционного материала.
Этого недостатка лишен бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий цилиндрический корпус с установленным в нем статором и ротором, перегородку из тепло- и электроизоляционного материала, присоединенную к корпусу со стороны торца, противоположного валу, и установленный на ней соосно корпусу цилиндрический коммутатор с клеммной колодкой на его свободном торце, закрытой электроизолирующей крышкой, а также теплопроводящий стакан, установленный на наружных цилиндрических поверхностях коммутатора и корпуса, выбранный в качестве прототипа [2].
Недостатком такого бесконтактного электродвигателя постоянного тока является значительный уровень создаваемых им кондуктивных и излучаемых электромагнитных помех, обусловленных непрерывным преобразованием постоянного тока в подводящей цепи питания в импульсы, подаваемые в те или иные обмотки статора электродвигателя, что осуществляется транзисторными ключами коммутатора. Уровень таких помех меньше, чем в электродвигателях с коллекторно-щеточным узлом, но достаточен для влияния на другие устройства и системы космических кораблей и орбитальных станций, как находящихся в непосредственной близости от агрегата, в котором установлен бесконтактный электродвигатель постоянного тока, так и объединенных с ними по общим электрическим цепям питания. В связи с постоянным усложнением состава систем космических объектов и внедрением современных технологий значимость мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) аппаратуры приобретает все более возрастающее значение, что, в частности, изложено в [3]. В то же время серийно изготавливаемые бесконтактные электродвигатели постоянного тока типа БК-1, БК-2 [4] не обладают достаточно низким уровнем создаваемых при их работе кондуктивных и излучаемых электромагнитных помех, что ограничивает их применение в агрегатах космической техники без принятия мер по их снижению. Такие меры известны в электродвигателях с коллекторно-щеточным узлом в виде включения в состав электродвигателя устройства подавления электромагнитных помех в виде помехоподавляющего конденсатора [5]. Однако введение устройства подавления электромагнитных помех непосредственно в состав серийно разрабатываемых бесконтактных электродвигателей постоянного тока не всегда возможно и, более того, не всегда желательно, т.к., во-первых, требует подтверждения испытаниями на механические воздействия и, во-вторых, неизбежно приводит к увеличению габаритов электродвигателя. Подобное увеличение габаритов электродвигателя возможно только после (и в случае!) подтверждения всеми потребителями приемлемости такого изменения, к тому же ряду потребителей не требуется столь высоких характеристик по ЭМС, как разработчикам изделий ракетно-космической техники. Другой путь повышения ЭМС бесконтактного электродвигателя постоянного тока - установка устройства подавления электромагнитных помех в виде отдельного устройства - фильтра - требует его закрепления на изделии и не всегда может быть осуществлен в связи с весьма плотной компоновкой изделий ракетно-космической техники.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является снижение уровня электромагнитных помех.
Этот результат достигается за счет того, что известный бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий цилиндрический корпус с установленным в нем статором и ротором, перегородку из тепло- и электроизоляционного материала, присоединенную к корпусу со стороны торца, противоположного валу, и установленный на ней соосно корпусу цилиндрический коммутатор с клеммной колодкой на его свободном торце, закрытой электроизолирующей крышкой, а также теплопроводящий стакан, установленный на наружных цилиндрических поверхностях коммутатора и корпуса, согласно изобретению снабжен электрическим фильтром, выполненным в виде втулки из электроизоляционного материала с глухой полостью и пластины из электроизоляционного материала, закрывающей глухую полость, и установленного внутри полости устройства подавления электромагнитных помех, втулка с пластиной размещены между электроизолирующей крышкой и дном теплопроводящего стакана, втулка обращена глухой полостью в сторону дна теплопроводящего стакана и соединена с этим дном посредством резьбовых крепежных деталей, а в пластине выполнены пазы для их прохода, каналы для выхода электропроводов из клеммной колодки и втулки выполнены выходящими на боковую поверхность клеммной колодки и втулки соответственно с образованием выходных отверстий, выходящих в паз под электропровода, выполненный на боковой стенке теплопроводящего стакана.
На фиг.1 приведен пример конкретного выполнения бесконтактного электродвигателя постоянного тока, продольный разрез, на фиг.2 - то же, поперечное сечение по А-А, на фиг.3 приведена принципиальная электрическая схема устройства подавления электромагнитных помех.
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит цилиндрический корпус 1 из материала с высокой теплопроводностью (в данном примере - металлический) 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, перегородка 6 из тепло- и электроизоляционного материала (в данном примере - из пластмассы), на ней установлен цилиндрический коммутатор 7 с клеммной колодкой 8 на его свободном торце 9, закрытой электроизолирующей крышкой 10. Электродвигатель снабжен теплопроводящим стаканом 11 (в данном примере - металлический), установленным на наружных цилиндрических поверхностях 12 и 13 коммутатора 7 и корпуса 1 соответственно. На стенке стакана 11 со стороны, противоположной дну 14, выполнены 8 меридиональных прорезей 15, а на наружной поверхности стенки стакана 11 в местах его контакта с наружной поверхностью 13 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. Электродвигатель снабжен электрическим фильтром 20, выполненным в виде втулки 21 из электроизоляционного материала с глухой полостью 22 и пластины 23 из электроизоляционного материала, закрывающей глухую полость 22, и установленного внутри полости 22 устройства подавления электромагнитных помех 24. В данном примере это устройство выполнено в виде 4 конденсаторов 25, установленных и припаянных на лепестках 26, завальцованных в стенке втулки 21. Втулка 21 с пластиной 23 размещены между электроизолирующей крышкой 10 и дном 14 теплопроводящего стакана 11. Втулка 21 обращена глухой полостью 22 в сторону дна 14 теплопроводящего стакана 11 и соединена с этим дном 14 посредством резьбовых крепежных деталей - в данном примере винтов 27, а в пластине 23 выполнены пазы 28 для их прохода. Каналы для выхода электропроводов из клеммной колодки 8 и втулки 21 выполнены выходящими на боковую поверхность клеммной колодки 8 и втулки 21 соответственно с образованием выходных отверстий 29 и 30, выходящих в паз 31 под электропровода 32 - идущие от электрического фильтра 20 к коммутатору 7 - и электропровода 33, подсоединяющие кабель питания электродвигателя к электрическому фильтру 20, выполненный на боковой стенке теплопроводящего стакана 11. Устройство подавления электромагнитных помех 24 в данном примере конкретного исполнения, схема которого представлена на фиг.3, представляет из себя четыре конденсатора 25, подключенных параллельно-последовательно, чтобы любой отказ одного из них любого типа - обрыв или короткое замыкание - не приводил к потере работоспособности электродвигателя. Полость 22 заполнена герметиком (не показан).
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, передается за счет контакта большой площади на боковую поверхность теплопроводящего стакана 11. Т.к. стакан выполнен из материала с высокой теплопроводностью, то тепло передается по нему 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 его температуры и за счет этого к увеличению ресурса электрорадиоэлементов коммутатора и повышению надежности электродвигателя. Наличие меридиональных прорезей 15 необходимо для монтажа теплопроводящего стакана 11 на коммутатор 7, т.к. образованные между ними лепестки 18 имеют возможность радиального смещения от оси электродвигателя для прохода коммутатора через минимальный внутренний диаметр теплопроводящего стакана 11. Выполнение каналов для выхода электропроводов из клеммной колодки и втулки на боковую поверхность клеммной колодки и втулки соответственно с образованием выходных отверстий, выходящих в паз под электропровода, выполненный на боковой стенке теплопроводящего стакана, необходимо, так как коммутатор 7 и электрический фильтр 20 соединены вместе электропроводами 32, при сборке электродвигателя сначала производится распайка проводов 32 к клеммной колодке, закрытие ее крышкой 10 и установкой винта 19, затем на крышку устанавливается электрический фильтр 20, производится распайка к нему электропроводов 32 и 33, закрывают полость 22 пластиной 23, после чего на электродвигатель надевают теплопроводящий стакан 11, отгибая при этом лепестки 18 и пропуская свободные концы проводов 33, а также провода 32, выходящие из отверстия 29 и идущие в отверстия 30, через паз 31. Далее производят установку винтов 27, монтаж хомута 16 и затяжку винта 17, после чего производят заливку полости 22. Электромагнитные помехи в виде пульсаций напряжения, неизбежно создаваемые электродвигателем при коммутации обмоток статора, существенно ослабляются за счет протекания тока через конденсаторы 25, имеющие малое сопротивление переменному току и бесконечно большое - постоянному току, которым запитывается электродвигатель. Устройство подавления электромагнитных помех может иметь и любую другую из известных в технике электрических схем, для реализации изобретения это несущественно, поэтому в формуле изобретения приведен обобщающий признак «устройство подавления электромагнитных помех». Поскольку лепестки 26, завальцованные в дно втулки 21, соприкасаются с электроизолирующей крышкой 10, исключено короткое замыкание подводимого к электродвигателю постоянного напряжения. В результате происходит существенное снижение уровня кондуктивных и излучаемых электромагнитных помех, создаваемых электродвигателем при его работе, что позволяет удовлетворить требования по ЭМС, предъявляемые к агрегатам ракетно-космической техники. При этом электрический фильтр, которым снабжен электродвигатель, не требует специального элемента крепления, поскольку крепится к теплопроводящему стакану, уже входящему в состав прототипа. Существенным преимуществом является возможность установки теплопроводящего стакана с электрическим фильтром на серийно выпускаемые электродвигатели (например, электродвигатели типа БК-1 или БК-2 по ОСТ В 16 0.515.054-80, специально разработанные и широко применяемые в изделиях космической техники) без доработки последних.
Указанное преимущество - снижение уровня электромагнитных помех - позволяет рекомендовать заявленное техническое решение к использованию в агрегатах ракетно-космической техники.
Литература
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.15, 16 и рис.2
2. Патент Российской федерации №2210162, МПК: Н02К 29/08, 2003 г. (прототип).
3. ЭМС для систем и установок. Т.Уильямс, К.Армстронг. - М.: Издательский дом «Технологии», 2004 г., стр.15.
4. Отраслевой стандарт. Электродвигатели постоянного тока бесконтактные серии БК-1, БК-2. Технические условия. ОСТ В 16 0.515.054-80.
5. Авторское свидетельство СССР №1312688, МПК: Н02К 11/00, 1987 г.