ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Полезная модель относится к области машиностроения и авиастроения и может быть применена в приводах автоматических систем управления летательных аппаратов, робототехнических, антенных и других электромеханических силовых системах, в которых масса и габариты имеют важное значение.
Известно изобретение (патент US №4575027 от 16.05.1983), в соответствии с которым электромеханический привод управляемого объекта (руля направления, элерона) состоит из электродвигателя и планетарного зубчатого редуктора, входной вал которого соединен с валом ротора электродвигателя, а корпус планетарного редуктора является вращающимся и соединен с подвижной частью приводимого объекта; при этом корпус электродвигателя соединен с неподвижной частью управляемого объекта через установленное на нем электромагнитное разъединяющее устройство. Недостаток известного электромеханического привода в его значительных габаритах и массе, а также в наличии массивных деталей крепления корпусов электродвигателя и планетарного редуктора к неподвижной относительно фюзеляжа аэродинамической поверхности самолета, что усложняет встраивание электромеханического привода в ограниченное пространство управляемых объектов и его работу. Для случая отказа в работе электродвигателя или редуктора, электромеханический привод имеет электромагнитное разъединительное устройство для его отсоединения от управляемого объекта и для свободного вращения при вращении управляемого объекта.
Известен пиропатрон в системы катапультирования, используемой в авиационной технике для быстрого разделения объектов (патент RU №2230211 от 14.10.2002), имеющий корпус с твердотопливными шашками, петарду из прессованного пороха, капсюль-воспламенитель. В изобретении устройства автоматического включения установки (Патент RU 2116094 от 11.02.1997) для воспламенения пиропатрона используется узел электрического пуска, работающий от электрических сигналов датчиков или от дистанционного управления. Такие устройства автоматического соединения или разъединения объектов имеют существенно меньшую массу, чем электромагнитные устройства.
Известен силовой минипривод (патент RU №2321138 от 10.01.2007; заявка WO №2008/085082 А1 от 12.07.2007), состоящий из узлов, расположенных концентрично относительно центральной оси: корпуса с цилиндрической и торцевыми частями, электродвигателя, имеющего статор и закрепленный на валу ротор; двухступенчатой волновой передачи с входным валом, имеющим эксцентрично расположенные поверхности, соединенным с ротором электродвигателя; сепаратора первой ступени волновой передачи с размещенными в нем в несколько рядов телами качения, перемещаемыми рабочими дисками относительно волнообразователя в жестком колесе, имеющем на внешней части эксцентрично расположенные поверхности; второй сепаратор с размещенными в нем в несколько рядов телами качения, перемещаемыми кольцами, надетыми на эксцентрично расположенные на жестком колесе поверхности, относительно второго волнообразователя, имеющегося на внутренней поверхности цилиндрической части корпуса; выходного вала, опирающегося на тела качения и подшипники качения; узлов, обеспечивающих управление работой электромеханического привода: стопорного устройства, статор которого с двумя парами постоянных магнитов и обмоток жестко соединен с корпусом, а якорь через стопор кинематически связан с валом ротора электродвигателя; расположенного между стопорным устройством и электродвигателем датчика положения ротора электродвигателя, жестко соединенного с его валом; датчика положения выходного вала размещенного так, что его статор крепится к неподвижно закрепленной детали второй ступени волновой передачи, а ротор - к подвижной детали, соединенной с выходным валом.
Недостаток силового минипривода в большой инерционности полого ротора большого диаметра, внутри которого размещен эксцентриковый узел, часть сепаратора и часть жесткого колеса первой ступени волнового редуктора. Этот недостаток ограничивает величину ускорения ротора при допустимых потерях в двигателе (потери в меди) и не позволяет обеспечить повышенную управляемость объектов, приводимых электромеханическим приводом. Кроме того силовой минипривод не имеет аварийного разъединителя, выходного вала и приводимого объекта.
Техническая задача, решаемая полезной моделью - снижение момента инерции ротора электродвигателя, увеличение располагаемого ускорения объекта при допустимом значении потерь в двигателе (потерь в меди) при высоком передаточном отношении волнового редуктора и большом крутящем моменте на выходном валу электромеханического привода и обеспечение быстрого аварийного разъединения выходного вала и приводимого объекта.
Техническая задача, решена в конструкции электромеханического привода, состоящего из узлов, расположенных концентрично относительно центральной оси: корпуса с цилиндрической и торцевыми частями, электродвигателя, имеющего статор и закрепленный на валу ротор; двухступенчатой волновой передачи с присоединенным к ротору электродвигателя входным валом, имеющим эксцентриковый узел с эксцентрично расположенными поверхностями; сепаратора первой ступени волновой передачи с размещенными в нем в несколько рядов телами качения, перемещаемыми установленными на эксцентрично расположенных поверхностях рабочими дисками относительно волнообразователя в жестком колесе первой ступени, которое имеет на внешней части эксцентрично расположенные поверхности для второй ступени; сепаратор второй ступени с размещенными в нем в несколько рядов телами качения, перемещаемыми кольцами, установленными на эксцентрично расположенных на жестком колесе поверхностях, относительно второго волнообразователя на внутренней поверхности цилиндрической части корпуса; выходного вала, опирающегося на тела качения и подшипники качения; узлов, обеспечивающих управление работой электромеханического привода: стопорного устройства, статор которого с двумя парами постоянных магнитов и обмоток жестко соединен с корпусом, а якорь через стопор кинематически связан с валом ротора электродвигателя; расположенного между стопорным устройством и электродвигателем датчика положения ротора электродвигателя, соединенного с его валом; датчика положения выходного вала, размещенного так, что его статор крепится к неподвижно закрепленной детали второй ступени волновой передачи, а ротор - к подвижной детали, соединенной с выходным валом; при этом корпус является неподвижной частью электромеханического привода, электродвигатель расположен внутри жесткого колеса двухступенчатой волновой передачи, эксцентриковый узел первой ступени расположен вне ротора электродвигателя, выходной вал присоединен к сепаратору второй ступени, является полым и имеет шлицы на внутренней поверхности, а также продолжение в виде полой ступицы с закрепленным на ней фланцем, соединенным с приводимым объектом; на части внутренней поверхности ступицы имеется шлицевая поверхность, совпадающая с внутренней шлицевой поверхностью выходного вала; внутри шлицевого вала и части ступицы установлен шлицевой стакан, внутри которого имеется сминаемая спираль, присоединенная ко дну стакана; внутри ступицы установлено устройство выталкивания шлицевого стакана из шлицевой части ступицы.
Для существенного уменьшения момента инерции ротора при заданном крутящем моменте электродвигателя отношение длины статора к его внутреннему диаметру находится в интервале 1-2.
Для повышения равномерности работы волновой передачи количество эксцентрично расположенных поверхностей является четным, при этом оси смежных поверхностей смещены в противоположные направления от центральной оси.
-1
Для значительного увеличения крутящего момента на выходном валу электромеханического привода при частоте вращения ротора электродвигателя 5000-25000 мин передаточное отношение двухступенчатой волновой передачи находится в интервале 500-2500.
Для уменьшения массы электромеханического привода устройство выталкивания шлицевого стакана из ступицы имеется пиропатрон с пиротехническим зарядом и электрическим инициатором горения пиротехнического заряда.
Технический эффект, получаемый от полезной модели - увеличение располагаемого ускорения объекта при допустимом значении потерь в двигателе (потерь в меди) при высоком крутящем моменте на выходном валу электромеханического двигателя и обеспечение быстрого аварийного разъединения выходного вала и приводимого объекта, - достигнут за счет введения следующей совокупности отличительных признаков:
корпус является неподвижной частью электромеханического привода, электродвигатель расположен внутри жесткого колеса двухступенчатой волновой передачи; эксцентриковый узел первой ступени расположен вне ротора электродвигателя; выходной вал присоединен к сепаратору второй ступени, является полым и имеет шлицы на внутренней поверхности, а также продолжение в виде полой ступицы с закрепленным на ней фланцем, соединенным с приводимым объектом; на части внутренней поверхности ступицы имеется шлицевая поверхность, совпадающая с внутренней шлицевой поверхностью выходного вала; внутри шлицевого вала и шлицевой части ступицы установлен шлицевой стакан, внутри которого имеется сминаемая спираль, присоединенная ко дну стакана; внутри ступицы установлено устройство выталкивания шлицевого стакана из шлицевой части ступицы.
Данная совокупность признаков электромеханической передачи, обеспечивающая технический эффект, не обнаружена при проведении патентно-информационных исследований. Следовательно, полезная модель соответствует критерию «новизна».
На фиг.1 показано продольное сечение электромеханической передачи.
На фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
На фиг.3 - вид В на фиг.1.
Электромеханический привод (фиг.1, 2) состоит из узлов, расположенных концентрично относительно центральной оси: корпуса 1 с цилиндрической частью 1а, являющегося неподвижной частью электромеханического привода; электродвигателя 2, имеющего статор 3 и закрепленный на валу 4 ротор 5; двухступенчатой волновой передачи 6 с входным валом 7, имеющим эксцентриковый узел 8 с эксцентрично расположенными поверхностями 8а и 8b, соединенным с валом 4; сепаратора 9 первой ступени 10 волновой передачи 6 с размещенными в нем в несколько рядов телами качения 11, перемещаемыми рабочими дисками 12 относительно волнообразователя 13 в жестком колесе 14, имеющем на внешней части эксцентрично расположенные поверхности 14а, 14b; второй сепаратор 15 с размещенными в нем в несколько рядов телами качения 16, перемещаемыми кольцами 17а и 17b, надетыми на эксцентрично расположенные на жестком колесе 14 поверхности 14а, 14b, относительно второго волнообразователя 18, имеющегося на внутренней поверхности цилиндрической части 1а корпуса 1; выходного вала 19, опирающегося на тела качения 16 и подшипники качения 20, с фланцем 21, присоединяемым к приводимому объекту регулирования (не показан); узлов, обеспечивающих управление работой электромеханического привода: стопорного устройства 22 (фиг.3), статор 23 которого с двумя парами постоянных магнитов 24 и обмоток 25 жестко соединен с корпусом 1, а якорь 26 через стопор 27 кинематически связан с валом 4 ротора 5; расположенного между стопорным устройством 22 и электродвигателем 2 датчика 28 (фиг.1) положения ротора 5 электродвигателя 2, ротор 29 которого жестко соединен с валом 4 ротора 5; датчика 30 положения выходного вала 19 размещенного так, что его статор 31 крепится к неподвижно закрепленной детали корпуса 1, а ротор 32 - к сепаратору 15, соединенному с выходным валом 19; электродвигатель 2 расположен внутри жесткого колеса 14 двухступенчатой волновой передачи 6; эксцентриковый узел 8 первой ступени волновой передачи расположен вне ротора 5 электродвигателя 2; выходной вал 19 присоединен к сепаратору 15, является полым и имеет шлицы на внутренней поверхности 19а, а также продолжение в виде полой ступицы 33 с закрепленным на ней фланцем 21; на части внутренней поверхности ступицы 33 имеется шлицевая поверхность 34, совпадающая с внутренней шлицевой поверхностью 19а выходного вала 19; внутри выходного вала 19 и части ступицы 33 установлен шлицевой стакан 35, внутри которого имеется предварительно сжатая сминаемая спираль 36, присоединенная ко дну стакана 35 и прижимающая его к внутреннему торцу ступицы 33; внутри ступицы установлено устройство 37 выталкивания шлицевого стакана 35 из шлицевой части 34 ступицы 33.
Для обеспечения пониженного момента инерции ротора при заданной мощности электродвигателя количество эксцентрично расположенных на входном валу 7 или на жестком колесе 14 поверхностей 8а, 8b, 14a, 14b предпочтительно является четным, при этом оси смежных поверхностей смещены в противоположные направления от центральной оси.
-1
-1
-1
Передаточное отношение двухступенчатой волновой передачи 6 находится в интервале 500-2500 при частоте вращения 5000-25000 мин ротора 5 электродвигателя 2. При передаточном отношении менее 500 и частоте вращения ротора 5 менее 5000 мин обеспечение требуемого момента достигается при значениях тока, при которых происходит усиленный нагрев электродвигателя за счет тепловых потерь в обмотке. При частоте вращения более 25000 мин в роторе возникает значительные напряжения от центробежных сил.
Для дополнительного уменьшения массы электромеханического привода устройство 37 выталкивания шлицевого стакана 35 из ступицы имеет пиропатрон 38 с пиротехническим зарядом 39 и электрическим инициатором 40 горения пиротехнического заряда 39.
При включении электромеханического привода подается напряжение на пару обмоток 25 статора 23 стопорного устройства 22 (фиг.3), якорь 26 поворачивается, разрывая кинематическую связь стопора 27 с зубчатым колесом 27а, соединенным валом 4 и, таким образом, высвобождает вал 4 ротора электродвигателя. Якорь 26 фиксируется в этом положении постоянными магнитами 24 после снятия напряжения с обмоток 25 статора 23 стопорного устройства 22.
Блок управления электромеханического привода (не показан) на основе командного сигнала, сигналов с сигнальных обмоток датчика 30, положения выходного вала 19 и датчика 28 положения ротора 5, приводит в движение ротор 5, вал 4 и соединенный с ним входной вал 7 первой ступени волновой передачи 6.
При вращении входного вала 7 вращаются эксцентрично расположенные поверхности 8а и 8b, так что их эксцентрично смещенные оси и диски 12 совершают за один оборот входного вала 7 полный оборот вокруг его оси. Сепаратор 9 позволяет телам качения 11 перемещаться только в радиальном направлении, совершая волнообразные движения с периодом, равным периоду одного оборота входного вала 7 и амплитудой, равной расстоянию между осью входного вала 7 и осью эксцентрично расположенных поверхностей 8а или 8b. Тела качения 11, взаимодействуя с профилированной поверхностью волнообразователя 13, поворачивают жесткое колесо 14 на угол, меньший угла поворота входного вала 7 в число раз, равное числу волн профилированной поверхности волнообразователя 13.
Поворот жесткого колеса 14 приводит в движение эксцентрически расположенные поверхности 14а и 14b и кольца 17а и 17b, которые перемещают тела качения 16 в гнездах сепаратора 15 в радиальном направлении, так что они совершают сложное движение, являющееся совокупностью вращательного движения сепаратора 15 и радиального движения в гнездах сепаратора 15 с амплитудой, равной удвоенному эксцентриситету поверхностей 14а и 14b. Тела качения 16, взаимодействуя с профилированной поверхностью второго волнообразователя 18, поворачивают сепаратор 15 на угол, меньший угла поворота жесткого колеса 14 в число раз, на единицу меньше числа волн профиля волнообразователя 18.
Вместе с сепаратором 15 поворачивается выходной вал 19, со шлицевым стаканом и ступицей с фланцем.
При отключении электромеханического привода подается напряжение на пару обмоток 25 статора 23 стопорного устройства 22 (фиг.3), якорь 26 поворачивается в исходное положение, обеспечивая кинематическую связь стопора 27 с зубчатым колесом 27а и фиксируя вал 4 ротора 5. Якорь 26 фиксируется в исходном положении постоянными магнитами после снятия напряжения с обмоток статора 25 стопорного устройства 22.
Для отключения электромеханической передачи от объекта регулирования при отказе электродвигателя 2 (фиг.1) блока управления (не показан) датчика 28 положения ротора, датчика 30 положения выходного вала или заклинивании двухступенчатой волновой передачи 6, блок анализа состояния привода (не показан) подает сигнал на включение электрического инициатора 40 для воспламенения пиротехнического заряда 39 пиропатрона 38; возникающее при горении заряда 39 давление газа действует на дно шлицевого стакана 35 и создает силу, превышающую силу сжатия сминаемой спирали 36 и силу трения стакана 35 о поверхности ступицы 33 и вала 19; спираль 36 сначала упруго, а затем пластически деформируется, стакан 35, перемещаясь выходит из зацепления со ступицей 33, которая вместе с фланцем и присоединенным к нему объектом может поворачиваться относительно конца выходного вала 19. После выгорания пиротехнического заряда 39 и выхода отработавшего газа, деформированная спираль 36 не восстанавливается и стакан 35 остается внутри выходного вала 19.