УСТРОЙСТВО АРРЕТИРОВАНИЯ РОТОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА В МАГНИТНОМ ПОДВЕСЕ
DEVICE FOR LOCKING THE ROTOR OF THE ELECTRIC MOTOR-FLYWHEEL IN MAGNETIC SUSPENSION

Изобретение относится к устройствам, осуществляющим арретирование ротора электродвигателя-маховика в магнитном подвесе, и может быть использовано в космической технике.
Известно устройство арретирования (Patent US 4345485 G01С 19/24 «Temporary locking device for inertia wheel»), содержащее конические страховочные подшипники, расположенные на роторе, две опоры с ответными коническими посадочными поверхностями, одна из опор жестко закреплена в корпусе, а вторая является подвижной, клиновой механизм, связанный с подвижной опорой. Клиновой механизм состоит из клина, установленного на стержне и расположенного в отверстии в подвижной опоре, двух пружин с различными коэффициентами жесткости, пиротехнического устройства.
Недостатком такого устройства является невозможность повторного арретирования ротора электродвигателя-маховика.
Известно устройство арретирования (Patent US 5419212 G01С 19/26 «Touchdown and launch-lock apparatus for magnetically suspended control moment gyroscope»), содержащее две конические опоры, одна из которых неподвижно установлена в корпусе, а вторая размещена на подвижном элементе, приводной двигатель арретирующего устройства, на валу которого установлен планетарный редуктор, при вращении которого происходит осевое перемещение подвижной опоры и арретирование ротора силового гироскопа.
Недостатком такого устройства является невозможность арретирования ротора электродвигателя-маховика при отсутствии напряжения питания приводного двигателя арретирующего устройства.
Известно устройство арретирования (патент РФ №2574497 МПК G01С 19/26, B64G 1/28 «Устройство арретирования ротора электродвигателя-маховика в магнитном подвесе»), выбранное в качестве прототипа, содержащее две конические опоры, по меньшей мере одна из которых подвижна с возможностью поворота вокруг своей оси при одновременном перемещении в осевом направлении, приводной двигатель арретирующего устройства, ротор которого установлен на подвижном элементе, кольцевой ограничитель радиальных и угловых перемещений вала ротора, расположенный на подвижной опоре, который при контактном взаимодействии с валом вращающегося ротора в режиме снятого электропитания с электромагнитных опор и приводного двигателя арретирующего устройства перемещает подвижную опору в окружном и осевом направлениях до жесткого контакта вала подвижной опоры с валом ротора электродвигателя-маховика и валом второй опоры и последующим совместным вращением ротора и валов обоих опор.
Недостатком такого устройства является то, что валы опор не вращаются в момент контакта с вращающимся ротором. Поэтому в промежуток времени от момента контакта вала ротора с валами опор до их совместного вращения с одинаковой угловой скоростью между контактными поверхностями вала ротора и валов опор возникает аварийное скольжение, сопровождающееся износом их контактных поверхностей и повышением их температуры. Износ контактных поверхностей вала ротора и валов опор приводит к увеличению дисбалансов ротора, загрязнению внутреннего объема электродвигателя-маховика, а повышение температуры может вызвать заклинивание подшипников и испарение смазки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и долговечности устройства арретирования, достигаемое за счет отсутствия аварийного скольжения между валом ротора и валами опор устройства арретирования при многократном арретировании и разарретировании вращающегося ротора.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве арретирования каждая опора содержит двигатель вращения вала опоры, который при функционирующем магнитном подвесе и вращающемся роторе электродвигателя-маховика вращает вал опоры в направлении, совпадающем с направлением вращения вала ротора, так, что угловая скорость вращения вала опоры равна или близка к угловой скорости вращения вала ротора.
Предлагаемое устройство арретирования позволяет, по сравнению с прототипом, повысить надежность и долговечность устройства арретирования при многократном арретировании вращающегося ротора за счет отсутствия аварийного скольжения между валом ротора и валами опор устройства арретирования, что достигается путем вращения валов опор в направлении, совпадающем с направлением вращения вала ротора, с угловой скоростью, равной или близкой к угловой скорости вращения вала ротора, осуществляющегося посредством двигателей вращения вала опоры.
На фиг. 1 изображено меридиональное сечение двигателя-маховика с магнитным подвесом ротора и опорами.
На фиг. 2 изображена конструкция подвижной втулки.
На фиг. 3 изображено взаимное положение подвижной втулки и неподвижного стержня в разарретированном состоянии.
На фиг. 4 изображено взаимное положение подвижной втулки и неподвижного стержня в арретированном состоянии при вращении ротора в прямом направлении.
На фиг. 5 изображено взаимное положение подвижной втулки и неподвижного стержня в арретированном состоянии при вращении ротора в обратном направлении.
На фиг. 6 изображена конструкция магнитных фиксаторов.
Электродвигатель-маховик содержит ротор 1 (фиг. 1), бесконтактно подвешенный в магнитных опорах (условно не показаны) в корпусе 2 и устройство арретирования, состоящее из опор А и Б, расположенных с разных сторон концов вала ротора 1, по меньшей мере одна из которых является подвижной вокруг оси OZ и вдоль оси OZ. Рассматриваемый вариант устройства арретирования содержит одну подвижную и одну неподвижную опоры. На фиг. 1 подвижной является опора А. Ротор 1 может вращаться в прямом и обратном направлении, при этом вращением в прямом направлении будем считать вращение против часовой стрелки, если смотреть с положительного направления оси OZ. Вращением в обратном направлении будем считать вращение по часовой стрелке, если смотреть с положительного направления оси OZ.
Подвижная опора А состоит из приводного двигателя 3, который содержит статор 4, установленный в корпусе 5, и ротор 6, закрепленный на подвижной втулке 7. Подвижная втулка 7 имеет два одинаковых диаметрально расположенных паза (фиг. 2), в которые входят неподвижные стержни 8, жестко соединенные с корпусом 5. Каждый паз состоит из двух частей, симметрично расположенных относительно плоскости XOZ и имеющих один и тот же угол наклона α к плоскости XOZ (фиг. 2). В подвижной втулке 7 (фиг. 1) установлено два радиально-упорных шарикоподшипника 9, внутренние кольца которых размещены на валу 10. Конец вала 10, обращенный к конусообразной выемке, расположенной на конце вала ротора 1, выполнен в виде конуса. Двигатель вращения вала опоры 11 состоит из статора 12, установленного в подвижной втулке 7, и ротора 13, закрепленного на валу 10. На подвижной втулке 7 в плоскости XOZ диаметрально размещены два постоянных магнита 14-1 и 14-2. Втулка 7 также содержит кольцевой ограничитель радиальных и угловых перемещений вала ротора 15, представляющий собой подшипник скольжения. На корпусе 5 установлены три пары диаметрально расположенных магнитов (фиг. 6): одна пара 16-1 и 16-2 расположена в плоскости XOZ, а две другие 17-1 и 17-2, 18-1 и 18-2 расположены симметрично относительно плоскости XOZ на углах β.
Неподвижная опора Б (фиг. 1) состоит из кольцевого ограничителя радиальных и угловых перемещений вала ротора 19, установленного в корпусе 2; двух радиально-упорных шарикоподшипников 20, наружные кольца которых установлены в корпусе 2, а внутренние на валу 21. Конец вала 21, обращенный к конусообразной выемке, расположенной на конце вала ротора 1, выполнен в виде конуса. Двигатель вращения вала опоры 22 состоит из статора 23, установленного на корпусе 2, и ротора 24, закрепленного на валу 21.
Устройство арретирования функционирует следующим образом. При функционирующем магнитном подвесе и двигателе вращения ротора между конусными частями вала ротора 1 и валами опор 10 и 21 имеются зазоры δ, позволяющие ротору 1 бесконтактно вращаться в магнитных опорах с некоторой угловой скоростью. При описании функционирования рассмотрим случай, когда ротор 1 вращается в прямом направлении (фиг. 1). Стержни 8 находятся в центрах пазов подвижной втулки 7, что соответствует их взаимному положению в разарретированном состоянии (фиг. 3). Напряжение питания на приводном двигателе 3 отсутствует. Постоянные магниты 14-1 и 16-1, 14-2 и 16-2 удерживают подвижную втулку 7 в разарретированном положении (фиг. 6). Двигатели вращения вала опоры 11 и 22 (фиг. 1) вращают соответственно валы 10 и 21 в прямом направлении, совпадающем с направлением вращения ротора 1, так, что угловая скорость вращения валов 10 и 21 равна или близка к угловой скорости вращения вала ротора 1.
При нештатном снятии напряжения питания с магнитных опор, двигателя вращения ротора, приводного двигателя 3 и двигателей вращения вала опоры 11 и 22 вращающийся ротор 1 под действием любых внешних сил будет поворачиваться вокруг осей ОХ или OY и вращающийся вал ротора 1 войдет в соприкосновение с одним или двумя кольцевыми ограничителями радиальных и угловых перемещений вала ротора 15 и 19. Контакт с кольцевым ограничителем радиальных и угловых перемещений вала ротора 15 вызовет поворот подвижной втулки 7 вокруг оси OZ в прямом направлении на угол β (фиг. 6) и ее перемещение в отрицательном направлении оси OZ на расстояние 2δ. После поворота подвижной втулки 7 вокруг оси OZ в прямом направлении на угол β неподвижные стержни 8 будут находиться на концах пазов подвижной втулки 7, что соответствует их взаимному положению в арретированном состоянии при вращении ротора в прямом направлении (фиг. 4). При перемещении подвижной втулки 7 (фиг. 1) в отрицательном направлении оси OZ на расстояние 2δ вращающийся вал 10 конусной частью войдет в жесткий контакт с конусной частью вала вращающегося ротора 1, а другой конец вала вращающегося ротора 1, в свою очередь, войдет в контакт с вращающимся валом 21 неподвижной опоры Б. Постоянные магниты 18-1, 18-2, расположенные на угле β от плоскости XOZ (фиг. 6), фиксируют подвижную втулку 7 в арретированном положении. После арретирования ротор 1 (фиг. 1) совместно с валами 10 и 21 будет вращаться в подшипниках 9 и 20 до момента прекращения вращения. После прекращения вращения ротор остается арретированным валами 10 и 21 подвижной А и неподвижной Б опор. Устройство арретирования удерживает ротор 1 в арретированном положении при внешних механических нагрузках.
Разарретирование производится следующим образом. При подаче напряжения питания на магнитные опоры, двигатель вращения ротора, приводной двигатель 3 и двигатели вращения вала опоры 11 и 22 на приводной двигатель 3 подается управляющий сигнал, ротор 6 двигателя поворачивает подвижную втулку 7 вокруг оси OZ в обратном направлении на угол β, в результате чего подвижная втулка 7 перемещается в положительном направлении оси OZ на величину 2δ. После поворота подвижной втулки 7 вокруг оси OZ в обратном направлении на угол β неподвижные стержни 8 будут находиться в центрах пазов подвижной втулки 7, что соответствует их взаимному положению в разарретированном состоянии (фиг. 3). Перемещение подвижной втулки 7 (фиг. 1) в положительном направлении оси OZ на величину 2δ создает зазоры δ между валом ротора 1 и валами 10 и 21, освобождая ротор 1. В разарретированном положении подвижная втулка 7 с магнитами 14-1 и 14-2 фиксируется парой магнитов 16-1 и 16-2 (фиг. 6).
Наличие двух частей в каждом пазу, наклоненных под углом α к плоскости XOZ, позволяет проводить многократное арретирование и разарретирование при вращении ротора двигателя-маховика в прямом и обратном направлениях (фиг. 4, 5).