СФЕРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ГАЗОСТАТИЧЕСКИМИ ПОДШИПНИКАМИ
SPHERICAL ELECTRIC MOTOR WITH GAS-STATIC BEARINGS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области конструкции сферического электродвигателя, конкретно к конструкции статора и опорной конструкции ротора сферического электродвигателя.
Уровень техники
Для некоторых областей, требующих перемещения в нескольких степенях свободы, таких как радиолокация, панорамные видеокамеры, механические руки, требуется, чтобы несколько электродвигателей работали вместе, что делает приводную конструкцию не только сложной и громоздкой, но и приводит к плохой динамической характеристике системы, низкой точности управления и плохой надежности. Известен одноосный сферический электродвигатель, который может перемещаться в трех степенях свободы, в случае которого ожидается возможность улучшить динамическую характеристику, характеристику по управлению и надежность традиционного приводного оборудования с несколькими степенями свободы. Но особая конструкция сферического электродвигателя, с одной стороны, должна обеспечивать поддержание перемещения ротора в нескольких степенях свободы, а с другой стороны, должна максимально увеличить удельную мощность в ограниченном полузамкнутом пространстве статора, поэтому узким местом развития сферического электродвигателя является опорная конструкция ротора сферического электродвигателя. В настоящий момент существующая опорная конструкция имеет: контактную опору и бесконтактную опору.
Контактная опора
1. Опора подшипника карданного шарнира. В 2004 году специалисты Пекинского аэрокосмического университета предложили конструкцию, в которой используется карданные шарниры для опоры ротора. Ротор имеет полую полусферическую конструкцию, верхняя фиксированная точка полусферической конструкции поддерживается карданным шарниром на фиксированной точке, а центр сферы совпадает с центром крестовины карданного шарнира. Такая опорная конструкция ротора решает проблему эксцентриситета сферического электродвигателя, но также ограничивает угол перемещения сферического электродвигателя. Так как нижняя часть ротора должна быть снабжена опорным подшипником карданного шарнира, ротор имеет полую полусферическую конструкцию, причем нижняя опорная конструкция ограничивает пространство перемещения ротора, что приводит к уменьшению угла перемещения ротора. Кроме того, опорная конструкция карданного шарнира для опоры ротора является более сложной, что ограничивает установочное пространство обмотки статора, тем самым уменьшая удельную мощность сферического электродвигателя.
2. Опора кольцевого шарикового подшипника. В 2009 году специалисты Аньхойского университета предложили опорную конструкцию, в которой сверху и снизу устанавливаются шарики. Несмотря на то, что такой способ решает проблему эксцентриситета, он влияет на срок службы сферического электродвигателя из-за контактной опоры. При этом опорная конструкция занимает установочное пространство обмотки статора из-за необходимости установки кольцевых шариков, что снижает удельную мощность сферического электродвигателя, что не может способствовать уменьшению размеров сферического электродвигателя.
3) Опора дугового подшипника. В 2008 году специалисты Тяньцзиньского университета предложили опорную конструкцию с кольцевым дуговым поверхностным контактом. Такая конструкция не имеет проблемы эксцентриситета, но имеет относительно большой момент трения. Хотя погрешность перемещения уменьшается с помощью добавления смазки или других мероприятий, момент трения остается причиной ухудшения динамической характеристики сферического электродвигателя.
Вышеуказанные опорные конструкции относятся к контактным опорам, которые увеличивают механическую потерю на трение и уменьшают эффективность электродвигателя.
Бесконтактная опора
1. Опора подшипника магнитной подвески. В 2011 году специалисты Янчжоуского университета предложили сферический электродвигатель с магнитной подвеской. Такой электродвигатель не требует особых механических подшипников для получения стабильного воздушного зазора между статором и ротором, что уменьшает потерю на трение при работе электродвигателя, однако требует три дополнительные обмотки на статоре для обеспечения усилия подвешивания, что несомненно повышает сложность управления обмоткой статора. Одновременно, обмотки для обеспечения усилия подвешивания занимают эффективный объем обмоток момента, что приводит к уменьшению удельной мощности электродвигателя.
2. Подшипник жидкостного скольжения. В 2018 году специалисты Хэбэйского научно-технического университета предложили сферический электродвигатель с жидкостной подвеской, в котором воздушный зазор между статором и ротором поддерживается с помощью жидкости, что уменьшает потерю на трение, причем жидкость способствует снижению температуры электродвигателя. Для сферического электродвигателя жидкостной подвески нет проблемы сцепления магнитного пути и сложности управления магнитной подвеской, но существует требование к герметичности электродвигателя и опасность утечки жидкости и коррозии.
3. Газостатический подшипник. В 2017 году специалисты Янчжоуского университета предложили сферический электродвигатель с комбинированным магнитно-воздушным подшипником. Принцип работы газостатических подшипников аналогичен принципу работы подшипников жидкостного скольжения, за исключением того, что смазочная среда замена на газ. В сравнении с вышеуказанными контактными опорными конструкциями данная конструкция может эффективно уменьшать потерю на трение при работе электродвигателя, причем циркулирующий газ может также способствовать охлаждению электродвигателя. В сравнении с опорой подшипника магнитной подвески здесь нет проблемы сцепления магнитного пути магнитной подвески, а в сравнении с подшипником жидкостного скольжения здесь нет проблемы утечки жидкости и коррозии, что делает управление электродвигателя относительно простым.
Однако является неизбежным, что все вышеуказанные опорные конструкции имеют проблему, заключающуюся в том, что положение установки и обмотка статора занимают установочное пространство, что приводит к снижению удельной мощности сферического электродвигателя. В изобретении предлагается использовать газостатический подшипник с дуговой поверхностью в опорной конструкции ротора, устанавливая его внутри обмотки статора, тем самым обеспечивая воздушный зазор и уменьшая трение при работе электродвигателя, а также избегая проблемы установочного пространства для опорной конструкции ротора и обмотки статора для решения проблемы ограничения опорной конструкцией угла перемещения ротора. Для удовлетворения требования газостатического подшипника к гладкости рабочей поверхности, предложено покрытие поверхности ротора слоем оболочки из акрилового органического стекла с целью снижения требований к гладкости поверхности ротора.
Сущность изобретения
В изобретении предложена конструкция статора и опорная конструкция ротора сферического электродвигателя, в которой используется газостатический подшипник для опоры ротора для реализации бесконтактной опоры ротора для увеличения срока службы сферического электродвигателя, причем газостатический подшипник встроен в обмотку статора сферического электродвигателя, что обеспечивает интеграцию опорной конструкции и обмотки статора во избежание проблемы  установочного пространства для опорной конструкции ротора и обмотки статора, тем самым приводя к увеличению удельной мощности электродвигателя. Техническое решение представлено ниже.
Сферический электродвигатель с множеством газостатических подшипников, который включает ротор, основание, корпус статора, закрепленный на основании, на корпусе статора выполнено отверстие с резьбой для установки обмотки статора. Корпус статора включает каркас обмотки статора. Каждый газостатический подшипник закреплен на торце каркаса обмотки статора, который включает корпус подшипника и дроссель, установленный в середине корпуса подшипника. Поверхность корпуса подшипника выполнена в виде дуговой поверхности с кривизной, соответствующей кривизне внешней поверхности ротора. Каркас обмотки статора снабжен каналом сжатого газа, сообщающимся с дросселем.
Предпочтительно, поверхность ротора сферического электродвигателя покрыта оболочкой из акрилового органического стекла, с целью удовлетворения требования газостатического подшипника к гладкости рабочей поверхности. Отверстие с резьбой используется не только для установки обмотки статора, но и для регулирования величины воздушного зазора сферического электродвигателя. Экваториальный слой ротора имеет цилиндрический паз для вставки постоянного магнита.
Преимущественными результатами настоящего изобретения является следующее:
1. В настоящем изобретении используется газостатический подшипник в качестве опорной конструкции ротора сферического электродвигателя, что предотвращает механическое трение, причем газ способствует снижению температуры электродвигателя.
2. В настоящем изобретении газостатический подшипник с дуговой поверхностью встроен в обмотку статора, что обеспечивает стабильный воздушный зазор и уменьшает самовозбуждение газостатического подшипника, а также позволяет избежать проблемы установочного пространства для опорной конструкции ротора и обмотки, для опорной конструкции не требуется занимать дополнительное пространство внутри корпуса статора, что приводит к увеличению удельной мощности электродвигателя и является предпочтительным для уменьшения размеров сферического электродвигателя.
3. Поверхность ротора сферического электродвигателя в настоящем изобретении покрыта оболочкой из акрилового органического стекла с целью удовлетворения требования газостатического подшипника к гладкости рабочей поверхности, причем в настоящем изобретении уменьшается трудоемкость механической обработки ротора, при этом хорошие характеристики по износостойкости и теплостойкости способствует избеганию износа поверхности ротора при работе электродвигателя, тем самым продляя срок службы сферического электродвигателя.
Описание чертежей
Фиг. 1 - структурная схема газостатического подшипника с дуговой поверхностью согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2 - структурная схема каркаса обмотки статора согласно настоящему изобретению;
Фиг. 3 - структурная схема газостатического подшипника и каркаса обмотки статора согласно настоящему изобретению;
Фиг. 4 - ротор сферического электродвигателя с оболочкой из акрилового органического стекла согласно настоящему изобретению;
Фиг. 5 - разрез сферического электродвигателя согласно настоящему изобретению.
Ссылочные позиции на фигурах:
1 сжатый газ, 2 дроссель, 3 газовая пленка, 4 корпус подшипника, 5 ползунок, 6 каркас обмотки статора, 7 фланец, 8 выходной вал, 9 основание, 10 ротор, 11 корпус статора, 12 обмотка статора, 13 газостатический подшипник, 14 цилиндрический паз, 15 полка, 16 зажимная гайка основания, 17 замковая гайка, 18 зажимная гайка корпуса статора, 19 комбинированный каркас обмотки статора, 20 акриловая оболочка ротора, 21 полюс постоянного магнита ротора.
В таблице 1 представлены характеристические показатели акриловых материалов.
Осуществление изобретения
В изобретении предложена конструкция статора и опорная конструкция ротора сферического электродвигателя, в котором газостатический подшипник с дуговой поверхностью встраивается в обмотку статора сферического электродвигателя в качестве опорной конструкции ротора, и поверхность ротора сферического электродвигателя покрывается оболочкой из акрилового органического стекла с целью удовлетворения требования газостатического подшипника к гладкости рабочей поверхности. Настоящее изобретение описывается ниже более подробно с помощью прилагаемых чертежей.
На фиг. 1 показана структурная схема газостатического подшипника с дуговой поверхностью. Газостатический подшипник относится к подшипникам скольжения, его структура и принцип работы аналогичны подшипникам жидкостного скольжения, однако газостатический подшипник использует газ (в большинстве воздух) в качестве смазочной среды. Когда внешний сжатый газ 1 втекает в зазор подшипника через дроссель 2, внутри зазора формируется смазочная газовая пленка 3 с определенной несущей способностью и жесткостью, так что вал подвешивается в корпусе подшипника 4 за счет опоры, обеспечиваемой смазочной газовой пленкой 3. Для газостатического подшипника основным принципом работы является внешнее давление для подачи воздуха, причем дроссель используется в качестве ключевого элемента в конструкции. Газостатический подшипник использует бесконтактную опорную структуру, что может эффективно уменьшать сопротивление трения при работе электродвигателя. В настоящем изобретении бесконтактная опора ротора сферического электродвигателя осуществляется с помощью газостатического подшипника. С учетом сферической конструкции ротора сферического электродвигателя предложен газостатический подшипник с дуговой поверхностью, т.е. кривизна прикладывающей усилие поверхности газостатического подшипника и кривизна ротора сферического электродвигателя одинаковы, что обеспечивает стабильный воздушный зазор и уменьшает самовозбуждение газостатического подшипника из-за неоднородности воздушного зазора. Изготовление газостатического подшипника с дуговой поверхностью технологически осуществимо.
На фиг. 2 показан каркас обмотки статора согласно настоящему изобретению. Обмотка статора формируется с помощью определенного числа витков на каркасе 6 обмотки статора. На фиг. 3 показана структурная схема газостатического подшипника и каркаса обмотки статора согласно изобретению. Верхняя часть каркаса 6 обмотки статора жестко соединена с газостатическим подшипником, а нижняя часть имеет наружную резьбу, соответствующую отверстию с резьбой на корпусе статора. Сжатый воздух втекает в газостатический подшипник через внутреннюю полость каркаса 6 обмотки статора, потом проходит через дроссель 2 для формирования газовой пленки с определенной несущей способностью и жесткостью для поддержания ротора сферического электродвигателя. Опорная конструкция газостатического подшипника, встроенная в обмотку статора сферического электродвигателя, помогает эффективно избегать проблему установочного объема для опорной конструкции ротора и обмотки статора, предоставляя максимальный используемый объем обмотке статора, что приводит к увеличению угла перемещения электродвигателя. Одновременно, газ, циркулирующий в обмотке статора, способствует охлаждению электродвигателя во время работы.
Чтобы удовлетворять строгому требованию газостатического подшипника к гладкости рабочей поверхности, одновременно уменьшая трудоемкость механической обработки поверхности ротора сферического электродвигателя, в изобретении предложено покрытие поверхности ротора сферического электродвигателя оболочкой из акрилового органического стекла. На фиг. 4 показан ротор сферического электродвигателя с оболочкой из акрилового органического стекла согласно изобретению. Акриловые материалы имеют хорошие характеристики, такие как гладкость поверхности, износостойкость и теплостойкость. В таблице 1 показана часть характеристических показателей акриловых материалов. Хорошая гладкость удовлетворяет требованию газостатического подшипника к рабочей поверхности, причем хорошая износостойкость способствует предотвращению износа ротора при работе сферического электродвигателя, тем самым продлевая срок службы электродвигателя, а хорошая теплостойкость обеспечивает нормальное функционирование материала при работе электродвигателя.
На фиг. 5 показан разрез сферического электродвигателя согласно изобретению. На корпусе статора 11 распределены в радиальном направлении три ряда отверстий с резьбой, которые предназначены для установки обмотки статора. С помощью регулирования отверстий можно регулировать величину воздушного зазора сферического электродвигателя. Дальше с помощью фиг. 5 будут пояснены остальные элементы сферического электродвигателя. Сферический электродвигатель включает фланец 7, выходной вал 8, основание 9, ротор 10, корпус статора 11, обмотку статора 12 и газостатический подшипник 13. Ротор состоит из двух алюминиевых полых полусферических конструкций с целью снижения момента инерции. Экваториальный слой ротора имеет цилиндрический паз 14 для вставки постоянных магнитов, причем верхняя и нижняя полусферы ротора зафиксированы с помощью замковых болтов. На верхнем и нижнем слое, соответственно, равномерно распределены на комбинированном каркасе 19 обмотки статора восемь газостатических подшипников 13 с дуговой поверхностью для поддержания ротора 10, при этом восемь точек опоры расположены соответственно на вершинах прямоугольного параллелепипеда, который образован соединением центральных точек восьми подшипников.
На корпусе 11 статора распределены в радиальном направлении три ряда отверстий с резьбой, которые предназначены для установки обмотки статора, причем путем регулирования отверстий можно регулировать величину воздушного зазора сферического электродвигателя.
Таблица 1
коэффициент пропускания
≥92%
прочность при растяжении
≥61кг/м<sup>3</sup>
плотность
19кг/дм<sup>3</sup>
температура тепловой деформации
≥78°
ударная прочность
≥16кг/см<sup>3</sup>
температура теплового размягчения
≥105°
Как показано выше, бесконтактная опора ротора сферического электродвигателя осуществляется с помощью газостатического подшипника с дуговой поверхностью, причем опорная конструкция газостатических подшипников уменьшает механический износ при работе сферического электродвигателя. Дуговая поверхность газостатического подшипника обеспечивает стабильный воздушный зазор и уменьшает самовозбуждение газостатического подшипника из-за неоднородности воздушного зазора. Опорная конструкция газостатических подшипников, встроенная в обмотку статора сферического электродвигателя, помогает избегать проблему установочного пространства для опорной конструкции ротора и обмотки статора, что приводит к увеличению угла перемещения ротора электродвигателя и увеличению удельной мощности. Кроме того, оболочка из акрилового органического стекла, покрывающая поверхность ротора сферического электродвигателя имеет следующие преимущества: удовлетворяется требование газостатического подшипника к гладкости рабочей поверхности; предотвращается износ поверхности ротора при работе электродвигателя, тем самым продлевается срок службы электродвигателя. Хорошая теплостойкость обеспечивает нормальное функционирование акрилового материала при работе электродвигателя.
Вышеуказанное описание является лишь предпочтительным вариантом осуществления изобретения и не ограничивает настоящее изобретение. Любые модификации, эквивалентные замены и улучшения, выполненные в рамках сущности и принципа настоящего изобретения, должны быть включены в объем защиты настоящего изобретения.