БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
BRUSHLESS DIRECT CURRENT ENGINE

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 и установленные в нем статор и ротор с валом, установленный на торце корпуса коммутатор с клеммной колодкой на его торце [1]. Недостатком этого электродвигателя является его неремонтопригодность в агрегатах космических летательных аппаратов, так как при отказе коммутатора электродвигатель полностью теряет свою работоспособность.
Этого недостатка лишен бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий снабженный фланцем цилиндрический корпус с диаметром d, размещенный в корпусе статор и ротор и установленную на противоположном фланцу торце корпуса цилиндрическую клеммную колодку с диаметром D>d, выбранный в качестве прототипа [2]. Коммутатор этого электродвигателя выполнен в виде отдельного блока, подключаемого через электрический соединитель, и в случае отказа коммутатора требуется только его замена, не требующая замены собственно электродвигателя, установленного в агрегате, что обычно невозможно на борту космического летательного аппарата.
Недостатком такого бесконтактного электродвигателя постоянного тока является недостаточный теплоотвод при использовании электродвигателя в составе электронасосных агрегатов значительной мощности космических летательных аппаратов. Обычно электродвигатель в таких конструкциях закрывается герметизирующим колпаком, как показано в [3]. Колпак служит для предотвращения вытекания жидкости из гидросистемы в случае разгерметизации жидкостной полости электродвигателя. Тепло, выделяющееся в обмотках статора при работе электродвигателя, отводится через цилиндрический корпус на фланец и далее - на корпус электронасосного агрегата, охлаждаемый перекачиваемой им жидкостью. В незначительной степени тепло также передается на герметизирующий колпак. Из-за малой теплопроводности воздуха и отсутствия конвекции в полости колпака вследствие невесомости этот путь для теплоотвода неэффективен, и в случае малого расхода, создаваемого ЭНА (например, при блокировании рабочих колес воздухом, скапливающимся в процессе эксплуатации гидросистемы, после неоднократной смены вырабатывающих ресурс электронасосных агрегатов) возможно повышение температуры электродвигателя выше допустимой нормы, что приводит к снижению ресурса электродвигателя.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является увеличение теплоотвода от электродвигателя путем обеспечения теплопередачи от корпуса бесконтактного электродвигателя постоянного тока на герметизирующий колпак.
1
Технический результат достигается за счет того, что известный бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий снабженный фланцем цилиндрический корпус с диаметром d, размещенный в корпусе статор и ротор, и установленную на противоположном фланцу торце корпуса цилиндрическую клеммную колодку с диаметром D>d, согласно изобретению снабжен установленной на цилиндрическом корпусе между фланцем и клеммной колодкой тонкостенной теплопередающей обоймой в виде тела вращения, прилегающие к торцам участки обоймы выполнены в виде цилиндров с внутренним диаметром d, а средняя часть выполнена в виде цилиндра с наружным диаметром D>D, при этом прилегающие к торцам участки обоймы соединены с ее средней частью наклонными участками, монотонно увеличивающимися в диаметре по мере перехода от каждого прилегающего к торцу участка обоймы до ее средней части, на обойме по всей ее длине выполнена меридиональная прорезь, а на участке между торцами обоймы выполнены пересекающие среднюю часть и наклонные участки обоймы меридиональные пазы.
На фиг.1 приведен пример конкретного выполнения бесконтактного электродвигателя постоянного тока, совмещение вида с продольным разрезом; на фиг.2 - то же, поперечный разрез по А-А, электродвигатель условно показан нерассеченным.
1
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит цилиндрический корпус 1 с диаметром d, снабженный фланцем 2. В корпусе 1 размещены статор 3 и ротор 4 (в виде постоянного магнита) с валом 5. На противоположном фланцу 2 торце 6 корпуса 1 установлена цилиндрическая клеммная колодка 7 с диаметром D>d. Бесконтактный электродвигатель постоянного тока снабжен установленной на цилиндрическом корпусе 1 между фланцем 2 и клеммной колодкой 7 тонкостенной теплопередающей обоймой 8 в виде тела вращения. Прилегающие к торцам участки 9 и 10 обоймы 8 выполнены в виде цилиндров с внутренним диаметром d, а средняя часть 11 выполнена в виде цилиндра с наружным диаметром D>D. Участки 9 и 10 обоймы 8 соединены с ее средней частью 11 наклонными участками 12 и 13 соответственно, монотонно увеличивающимися в диаметре по мере перехода от каждого прилегающего к торцу участка 9 или 10 обоймы 8 до ее средней части 11. На обойме 8 по всей ее длине выполнена меридиональная прорезь 14, а на участке между торцами обоймы 8 выполнены пересекающие среднюю часть 11 и наклонные участки 12 и 13 обоймы 8 меридиональные пазы 15. На верхней части фиг.1 пунктирным контуром (так как она не входит в состав бесконтактного электродвигателя постоянного тока) показана часть герметизирующего колпака 16, который закрывает электродвигатель в случае установки его в электронасосном агрегате. Внутренняя цилиндрическая поверхность колпака 16 контактирует с наружной поверхностью средней части 11 обоймы 8. На фланце 2 выполнены отверстия 17 для крепления электродвигателя. Бесконтактный электродвигатель постоянного тока подключается к сети постоянного напряжения через электронный коммутатор (не показан).
1
1
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом. При подаче питающего напряжения на коммутатор последний вырабатывает последовательность сигналов, подаваемых на обмотки статора 3. Создаваемое этими сигналами магнитное поле взаимодействует с ротором 4 и вызывает его вращение вместе с валом 5. Выделяемое в электродвигателе тепло, поступающее на корпус 1, передается к фланцу 2 за счет теплопроводности корпуса и далее - на элемент конструкции (в частности, корпус электронасосного агрегата), к которому крепится электродвигатель. Кроме того, часть тепла за счет теплопередачи поступает от наружной цилиндрической поверхности корпуса 1 на участки 9 и 10 обоймы 8, так как эти участки поджаты к наружной цилиндрической поверхности корпуса 1 за счет упругой деформации участков 12 и 13. Для обеспечения хорошего контакта, а значит, и эффективной теплопередачи номинальное значение диаметра D выбирают большим или равным максимально возможному значению, с учетом допуска на размер, внутреннего диаметра герметизирующего колпака 16. При монтаже колпака 16 производят его осевое перемещение к фланцу 2, при этом за счет наличия меридиональных пазов 15 происходит упругая деформация участков 12 и 13, разделенных этими пазами, и наружный диаметр средней части 11 уменьшается до фактического значения внутреннего диаметра герметизирующего колпака 16. Разделенные меридиональными пазами 15 участки 12 и 13 обоймы 8 работают как пружины изгиба в виде отдельных пластин. Усилия, возникающие в процессе упругой деформации участков 12 и 13, прижимают участки 9 и 10 к наружной цилиндрической поверхности корпуса 1, а среднюю часть 11 - к внутренней поверхности герметизирующего колпака 16. Соответственно тепло, поступающее от участков 9 и 10, поступает за счет теплопередачи через участки 12 и 13 соответственно на среднюю часть 11 обоймы 8, и оттуда передается на герметизирующий колпак 16, который находится во внутреннем объеме космического летательного аппарата, где за счет средств вентиляции осуществляется принудительная конвекция воздуха и, соответственно, теплосъем с наружной поверхности герметизирующего колпака 16. Таким образом, образуется дополнительный путь теплопередачи от бесконтактного электродвигателя постоянного тока, что приводит к увеличению теплоотвода от электродвигателя, снижению его рабочей температуры и повышению ресурса. Выполнений по всей длине обоймы 8 меридиональной прорези 14 необходимо для обеспечения монтажа обоймы через наружный диаметр клеммной колодки, превышающий внутренний диаметр обоймы - ее разжимают в пределах упругих деформаций, продвигают на участок между фланцем и клеммной колодкой и возвращают в исходное состояние, снимая деформирующее усилие. Условие D>D необходимо для обеспечения монтажа герметизирующего колпака 16, не повреждающего наружный диаметр клеммной колодки. Конкретные значения толщины стенки обоймы, количества меридиональных пазов 15, углов наклона участков 12 и 13 определяются обычными инженерными расчетами, исходя из известных из сопротивления материала методов определения напряжений в стенках разделенных меридиональными пазами 15 участков 12 и 13, при которых сохраняются условия упругих деформаций, и известных из физики методов расчета тепловых потоков от наружной поверхности электродвигателя к внутренней поверхности герметизирующего колпака. Существенным преимуществом является возможность установки теплопередающей обоймы на серийно выпускаемые электродвигатели (например, электродвигатели типа ДБ по ОСТ В 16 0.515.081-86, специально разработанные и широко применяемые в изделиях космической техники) без доработки последних.
Указанные преимущества - увеличение теплоотвода от электродвигателя путем обеспечения теплопередачи от корпуса бесконтактного электродвигателя постоянного тока на герметизирующий колпак - позволяют 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 HПП ВНИИЭМ, 1999, стр.15, 16 и рис.2.
2. Отраслевой стандарт. Электродвигатели постоянного тока бесконтактные типа ДБ 60. Технические условия. ОСТ В 16 0.515.08-86, стр.41, приложение 1. (прототип).
3. А.В.Бобков. «Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов», Владивосток, «Дальнаука», 2003, стр.209, рис.7.17.