ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК H02K11/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродвигателям, которые могут быть использованы в приводных системах, работающих в вакууме в условиях ограниченного теплообмена с градиентом температур -100°С до +110°С.

Известен электродвигатель, в котором имеется полый металлический корпус со статором, центрирующие крышки и ротор, установленный в подшипниковых узлах крышек [1].

При снижении веса двигателя за счет выполнения его крышек из легких металлов, в условиях возникновения больших градиентов температур из-за разницы в коэффициентах линейного расширения в подшипниковом узле либо между телами и дорожками качения появляются большие натяги, что ведет к потере КПД и, в ряде случаев, их заклиниванию, либо между кольцами подшипников и ответными поверхностями соответственно корпуса или вала ротора возникают повышенные радиальные зазоры, вследствие чего снижается точность позиционирования оси ротора. Кроме того, даже при использовании легких металлов для выполнения крышек вес двигателя остается большим.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является электродвигатель, включающий полый корпус, в котором установлен статор и ротор, размещенный на валу в подшипниках, установленных в центрирующих стальных крышках со стороны торцев корпуса двигателя [2].

В данном техническом решении подшипники размещены между соответствующими посадочными поверхностями крышки и вала ротора, при этом сопряжение с одной из этих поверхностей осуществляется по скользящей (например, с крышкой), по другой - переходной - посадке (например, с валом).

Существенным недостатком двигателя является то, что при выполнении его крышек из легких металлов для снижения веса в условиях изменения температуры двигателя от -100°С до +110°С при его эксплуатации из-за различий в коэффициентах линейного расширения стального подшипника и крышки из алюминиевых сплавов либо между телами и дорожками качения в подшипниковом узле возникает большой натяг, в результате чего резко возрастают потери на трение и, в ряде случаев, подшипник заклинивает, либо между посадочными поверхностями подшипника, корпуса и вала ротора возникают повышенные радиальные зазоры, вследствие чего существенно усложняется крепление подшипника и снижается точность позиционирования оси ротора. При этом использование легких металлов для изготовления крышек не позволяет радикально решить проблему снижения веса двигателя.

Вследствие этого применение указанного двигателя невозможно в приводных системах, перемещаемых с земли в открытый космос и работающих в нем при ограниченном теплообмене и градиенте температур -100°С до +110°С.

Задачей изобретения является исключение заклинивания и повышенных радиальных зазоров в подшипниковых узлах и повышение, за счет этого, надежности электродвигателя при работе в вакууме в условиях ограниченного теплообмена с градиентом температур от -100°С до +110°С.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в электродвигателе, содержащем корпус, в котором установлен статор и ротор, размещенный на валу в подшипниках, установленных в центрирующих крышках со стороны торцев корпуса, согласно техническому решению, крышки выполнены из полимерного композиционного материала, имеющего модуль упругости Е и удельный вес р, выбираемые из соотношений

2 ГПа≤Е≤4 ГПа,

1 г/см³<р<1,5 г/см³,

и наружные кольца подшипников установлены в центрирующих крышках с радиальным натягом δ, выбираемым из диапазона

0,004 D≤δ≤0,006 D,

где D - наружный диаметр подшипника.

На наружном кольце одного или двух подшипников выполнен, по меньшей мере, один паз, взаимодействующий с выступом, выполненным на ответной поверхности центрирующей крышки, а на внутренней поверхности внутреннего кольца подшипника или ответной ей поверхности вала выполнен, по меньшей мере, один паз, в котором установлен с предварительным натягом упругоподатливый элемент, выполненый из полимерного композиционного материала, имеющего модуль упругости Е и удельный вес р, выбираемые из соотношений

2 ГПа≤Е≤4 ГПа,

1 г/см³<р<1,5 г/см³.

Исключение заклинивания подшипника и повышенных радиальных зазоров в подшипниковых узлах при работе в вакууме в условиях ограниченного теплообмена с градиентом температур от -100°С до +110°С с повышением, за счет этого, надежности электродвигателя достигается в результате следующего.

Использование полимерного композиционного материала с модулем упругости 2 ГПа≤Е≤4 ГПа обеспечивает такую податливость сопряжений подшипника с крышками и валом, при которой, с одной стороны, исключается появление натягов в сопряжениях подшипника с крышкой и (или) валом, приводящих к снижению их КПД или заклиниванию, с другой стороны, обеспечивается точность центрирования оси ротора при его нагружении. Установка наружных колец подшипников в центрирующих крышках с радиальным натягом δ позволяет при тепловом расширении избежать возникновения зазоров, приводящих к потере точности центрирования. При этом использование полимерной композиции с удельным весом 1 г/см³<р<1,5 г/см³ обеспечивает существенное (на 18...25%) снижение веса двигателя.

Диапазон модулей упругости материала выбирается исходя из следующего:

- при модуле упругости менее 2 ГПа радиальная податливость корпуса становится чрезмерно высокой, вследствие чего при радиальном нагружении ротора снижается надежность центрирования оси подшипника в радиальном направлении;

- при модуле упругости, большем 4 ГПа, радиальная жесткость подшипника в сочетании с исходным натягом приводит к возникновению небольших, но приводящих к снижению КПД, натягов между телами и дорожками качения подшипника, при этом усложняется сборка подшипникового узла и снижаются прочностные характеристики полимерного корпуса в условиях термоциклирования в расширенном диапазоне температур.

Диапазон варьирования удельного веса полимерного материала выбирается исходя из следующего:

- при удельном весе, большем 1,5 г/см³, менее целесообразно применение полимерного материала вследствие незначительного снижения веса двигателя;

- при удельном весе, меньшем 1 г/см, не обеспечиваются требуемые модуль упругости и прочностные характеристики полимерного материала в условиях термоциклирования в расширенном диапазоне температур.

Диапазон варьирования радиального натяга установки подшипников выбирается исходя из следующего:

- при радиальном натяге, большем 0,006 D, он оказывает влияние на КПД подшипника, который снижается, при этом возникают определенные проблемы с прочностными характеристиками крышек в условиях термоциклирования в расширенном диапазоне температур;

- при радиальном натяге, меньшем 0,004 D, в условиях термоциклирования в расширенном диапазоне температур снижается надежность центрирования оси подшипника в радиальном направлении.

Установка между внутренней обоймой подшипника и ответной поверхностью вала ротора с предварительным натягом упругоподатливого элемента из материала, имеющего модуль упругости Е и удельный вес р, выбираемые из соотношений 2 ГПа≤Е≤4 ГПа и 1 г/см³<р<1,5 г/см³, например из полисульфона, сохраняющего упругие свойства в диапазоне температур от -100°С до +110°С, также способствует решению поставленной задачи. При этом этот элемент размещается в пазу на внутренней поверхности внутреннего кольца подшипника или на ответной поверхности вала.

Изобретение поясняется фигурами.

На фиг.1 изображено конструктивное исполнение двигателя.

На фиг.2, фиг.3 и фиг.4 изображены варианты исполнения пазов на внешнем и внутреннем кольцах и валу подшипника.

Электродвигатель (см. фиг.1) состоит из корпуса 1, статора 2, расположенного в корпусе 1, и ротора 3. В статоре 2 выполнены обмотки возбуждения 4. Ротор 3 двигателя установлен на валу 5 и соединен с ним неразъемно. В роторе 3 размещены постоянные магниты 6. Центрирующие крышки 7 выполнены из полимерного материала, например полисульфона, имеющего модулем упругости Е=3,2 ГПа и удельный вес р=1,3 г/см³. В центрирующих крышках установлены подшипники 8, в посадочной поверхности внутренних колец которых размещен вал 5. Подшипники 8 установлены в центрирующих крышках 7 с величиной радиального натяга δ, выбираемым из диапазона 0,004 D≤δ≤0,006 D. Диаметр D подшипника определяется исходя из назначения двигателя и режимов его эксплуатации.

При необходимости более надежного осевого крепления на наружной поверхности наружного кольца 11 подшипника 8 выполнен паз 10. В этом случае на ответной поверхности крышки 7 делается выступ, имеющий ответную пазу 10 форму и размещенный в пазу 10 беззазорно.

На внутренней поверхности внутреннего кольца 11 одного или двух подшипников 8 выполнен паз 12, в котором установлен беззазорно упругоподатливый элемент 13 (фиг.2, 3). При этом внутренний диаметр упругоподатливого элемента 13 при его размещении в пазу 12 на внутреннем кольце 11 подшипника 8 выполняется меньшим на 0,05...0,2 мм соответственно диаметра внутреннего кольца 11 подшипника 8.

На поверхности вала 5, сопрягаемой с внутренним кольцом подшипника 8, выполнен паз 14, в котором размещен беззазорно упругоподатливый элемент 15 (фиг.4). При этом наружный диаметр упругоподатливого элемента 15 при его размещении в пазу 14 на валу 5 выполняется большим на 0,05...0,2 мм диаметра внутреннего кольца 11 подшипника 8.

Пазы 12, 14 могут быть кольцевыми или в виде прямоугольных или сегментных шпоночных пазов (см. фиг.2, 3 и 4). В соответствии с этим с аналогичной формой будут выполнены упругоподатливые элементы 13, 15.

Упругоподатливые элементы 13 и 15 при установке подшипников 8 на вал 5 упруго сжимаются, создавая предварительный натяг в соединении.

В процессе эксплуатации электродвигателя в условиях открытого космоса при его нагреве до 90...110°С и более за счет внутреннего источника тепла или солнечной радиации увеличиваются диаметры наружного 9 и внутреннего 11 колец подшипника 8. При этом крышка 7 упруго деформируется, создавая дополнительный натяг в соединении с наружным кольцом 9 подшипника 8, однако вследствие высокой податливости материала крышки 7 величина этого натяга не приводит к снижению КПД или заклиниванию подшипника. Одновременно с этим при увеличении внутреннего кольца подшипника 8 находящийся в сжатом состоянии упругоподатливый элемент 13 увеличивается в размере по диаметру, вследствие чего в соединении внутреннего кольца 11 подшипника 8 с валом 3 не возникает зазор.

При охлаждении подшипника до -80...-100°С диаметр его наружного 9 и внутреннего 11 колец уменьшается. При этом предварительно сжатая крышка 7 частично возвращается в исходное (до сборки двигателя) состояние, вследствие чего ее внутренний посадочный диаметр уменьшается. В результате этого в сопряжении крышки 7 с наружным кольцом 9 подшипника 8 не возникает зазор, приводящий к потере точности центрирования оси вала 5. Одновременно с этим уменьшается диаметр внутреннего кольца 11 подшипника 8. Упругоподатливые элементы 13 и 15 дополнительно сжимаются, однако, вследствие их высокой податливости, это не приводит к возникновению значительных натягов между телами и дорожками качения подшипника 8, снижению его КПД или заклиниванию.

При возникновении осевых перемещений наружного 9 и внутреннего 11 колец подшипника 8, обусловленного температурными деформациями элементов двигателя, находящиеся в пазах 10 и 12 соответственно, выступ крышки 7 и упругоподатливый элемент 13 упруго деформируются, надежно фиксируя в осевом направлении вал 5 и жестко связанный с ним ротор 3 относительно статора 2.

Использование предлагаемого технического решения в двигателях, работающих в вакууме в диапазоне температур -100°С до +110°С, позволяет не только значительно снизить их вес, но и повысить надежность и улучшить виброакустические характеристики.

Источники информации

1. Патент GB 2172754 А, Н02K 11/00, опубл. 1986 г.

2. Патент RU 2285996, Н02K 11/00, опубл. 2005 г.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродвигателям, которые могут быть использованы в приводных системах, работающих в вакууме в условиях ограниченного теплообмена с градиентом температур -100°С до +110°С. Техническим результатом является исключение заклинивания и повышенных радиальных зазоров в подшипниковых узлах и повышение, за счет этого, надежности электродвигателя при работе в вакууме в условиях ограниченного теплообмена с градиентом температур от -100°С до +110°С. Электродвигатель содержит корпус, в котором установлен статор и ротор, размещенный на валу в подшипниках, установленных в центрирующих крышках со стороны торцов корпуса, крышки выполнены из полимерного композиционного материала, имеющего модуль упругости Е и удельный вес р, выбираемые из соотношений 2 ГПа≤Е≤4 ГПа, 1 г/см³<р<1,5 г/см³, и наружные кольца подшипников установлены в центрирующих крышках с радиальным натягом δ, выбираемым из диапазона 0,004 D≤δ≤0,006 D, где D - наружный диаметр подшипника. На наружном кольце одного или двух подшипников выполнены пазы, взаимодействующие с выступом на ответной поверхности центрирующей крышки. На внутренней поверхности внутреннего кольца подшипника или ответной ей поверхности вала также выполнены пазы, в которых установлены с предварительным натягом упругоподатливые элементы, выполненные из материала крышек. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электродвигатель, содержащий корпус, в котором установлен статор и ротор, размещенный на валу в подшипниках, установленных в центрирующих крышках со стороны торцов корпуса, отличающийся тем, что крышки выполнены из полимерного композиционного материала, имеющего модуль упругости Е и удельный вес р, выбираемые из соотношений

2 ГПа≤Е≤4 ГПа,

1 г/см³<р<1,5 г/см³,

где ГПа - гигапаскаль (согласно международной системе СИ - 1 ГПа=10⁹ Па=10⁹ Н/м²),

и наружные кольца подшипников установлены в центрирующих крышках с радиальным натягом δ, выбираемым из диапазона

0,004 D≤δ≤0,006 D,

где D - наружный диаметр подшипника.

2 ГПа≤Е≤4 ГПа,

1 г/см³<p<1,5 г/см³,

где ГПа - гигапаскаль (согласно международной системы СИ - 1 ГПа=10⁹ Па=10⁹ Н/м²).