CN107310753A - 一种真空环境下散热的高速转子及其验证法 - Google Patents

一种真空环境下散热的高速转子及其验证法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真空环境下散热的高速转子及其验证法，该散热方法通过对飞轮的壳体和轮体进行表面处理，来提高表面的辐射率，从而在卫星飞轮的内部又增加了一条辐射散热通路，提高了高速转子的散热效率。为验证该方法的有效性，本发明针对卫星飞轮提供了热平衡试验方案。通过未经过处理和经过处理的两种不同高速转子在同工况下工作，监测轴承的温度，来验证本发明散热方法的效果。与现有技术相比，本发明有效地提升高速转子的散热效率，降低轴承温度，提升卫星飞轮的高速转子的可靠性。

Description

一种真空环境下散热的高速转子及其验证法
技术领域
本发明涉及卫星技术，特别是涉及一种真空环境下散热的高速转子及其验证法。
背景技术
现有技术的卫星飞轮包括壳体、轮体、轴承组件和电机组件，壳体提供真空环境，轮体、电机组件的转子部分和轴承组件组成高速转子在壳体内高速转动。轴承组件是高速转子的主要热源，卫星飞轮的真空环境使高速转子的热量不能通过空气对流散发出去，因此卫星飞轮的散热主要是通过轴承将热量传导到轴承中轴上，然后传导到壳体上，最后由壳体对外传导和对外辐射，如图2所示。
因高速转子的轴承油膜厚度非常小，其热传导效率极低，轴承滚珠与轴承内外圈属于点接触，其热传导效率也非常低，因而会导致热量在轴承组件中大量积聚，对高速转子的长寿命、高稳定、高可靠的工作不利。为了提高产品的可靠性，必须提高高速转子的散热效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空环境下散热的高速转子及其验证法，通过本发明的新散热方法及其验证后，能有效地改善高速转子传导效率低的问题，并能提高高速转子的产品可靠性。
本发明提供了一种真空环境下散热的高速转子，该高速转子的散热通道包含：
散热通道A1：热量通过轴承组件的轴承内润滑油导热及轴承滚珠与轴承内外圈的接触导热，将所述轴承内热量传导到轴承中轴上，经过中轴法兰盘传导到壳体的底座上，再通过所述轴承中轴上端螺纹传导到所述壳体的上罩，所述壳体对外传导散热和对外辐射散热；
散热通道A2：热量通过轴承组件的轴承传导到轴套上，经过所述轴套的安装法兰传导到轮体，所述轮体将热量辐射到所述壳体，所述壳体对外传导散热和对外辐射散热。
优选地，壳体非装配表面和轮体非装配表面经过处理形成了表面辐射调整层。
优选地，所述表面辐射调整层包含：所述壳体非装配表面上的铝合金黑色阳极氧化层和所述轮体非装配表面上的黑镍层。
优选地，所述壳体的非装配表面的辐射率≥0.5；所述壳体的装配表面有涂覆保护层；所述壳体为合金材质。
优选地，所述轮体的非装配表面的辐射率≥0.85；所述轮体的装配表面有涂覆保护层；所述轮体为不锈钢材质。
优选地，卫星飞轮包含所述高速转子和所述壳体；
所述高速转子包含所述轮体、所述轴承组件和电机组件的转子部分；所述轴承组件包含轴承中轴、轴承和轴套；所述轴承套在所述轴承中轴外侧，所述轴套支撑在所述轴承外侧；所述轴承组件通过中轴法兰盘，利用螺钉固定于所述壳体底座上，轴承中轴上端通过螺纹与壳体的上罩连接；所述电机组件的定子部分与轴承组件同轴，所述电机组件的定子部分固定在壳体底座上；所述轮体和电机组件的转子部分通过轴套的安装法兰，利用螺钉固定于轴承组件上。
本发明还提供了一种真空环境下高速转子的散热验证法，其包含以下步骤：
B1：设置非同时具有散热通道A1和散热通道A2的参考高速转子，在其内部设置第一热敏电阻，并将参考高速转子组装形成参考卫星飞轮；将上文所述高速转子作为待测高速转子，在其内部设置第二热敏电阻，并将待测高速转子组装形成待测的卫星飞轮；
B2：将所述参考卫星飞轮和待测的卫星飞轮放置到同一真空试验箱中；
B3：调整所述真空试验箱的温度，形成若干个不同的温度阶段；
B4：在每一个温度阶段，采用热平衡试验对比法进行验证，监测所述第一热敏电阻和第二热敏电阻的阻值，并记录所述参考卫星飞轮的轴承温度和待测的卫星飞轮的轴承温度，分别进行对比。
优选地，所述第一热敏电阻设置在所述参考高速转子的轴承中轴内，所述第二热敏电阻设置在所述待测高速转子的轴承中轴内，所述第一热敏电阻与所述第二热敏电阻相同。
优选地，所述热真空试验箱抽真空后的压强低于1×10-3Pa；所述若干个不同的温度阶段，包含：
真空试验箱的温度保持为-20℃的第一温度阶段；
真空试验箱的温度保持为0℃的第二温度阶段；
真空试验箱的温度保持为25℃的第三温度阶段；
真空试验箱的温度保持为55℃的第四温度阶段。
优选地，所述热平衡试验对比法，包含：在任意一个温度阶段中，
Q1：当参考卫星飞轮和待测的所述卫星飞轮的温度与所述真空试验箱的温度一致时，启动所述参考高速转子和所述待测高速转子，并以相同工况工作；
Q2：监测所述第一热敏电阻的阻值和所述第二热敏电阻的阻值的变化；
Q3：当所述第一热敏电阻的阻值和第二热敏电阻的阻值一段时间不发生变化时，记录此时的第一热敏电阻的阻值、第二热敏电阻的阻值和两组轴承(32)的温度，使参考高速转子和所述待测高速转子同时停机；
Q4；转到下一个温度阶段，跳转到步骤Q1；直至所有的温度阶段测试结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是能有效地提升高速转子的散热效率，减低轴承温度，提高产品的可靠性。
附图说明
图1本发明卫星飞轮的结构示意图；
图2参考卫星飞轮的散热方法示意图；
图3本发明卫星飞轮的散热方法示意图；
图4本发明一部分壳体示意图；
图5本发明另一部分壳体示意图；
图6本发明轮体示意图。
其中，1-1.壳体；2-1.轮体；3.轴承组件；31.轴承中轴；32.轴承；33轴套；4.电机组件；5-1卫星飞轮；6-1.高速转子。
具体实施方式
本发明提供了一种真空环境下散热的高速转子及其验证法，为使本发明更明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图2所示，本发明的卫星飞轮5-1包括壳体1-1、轮体2-1、轴承组件3、电机组件4。壳体1-1提供真空环境，且轮体2-1、电机组件4的转子部分和轴承组件3组成高速转子6-1。
轴承组件3包含轴承中轴31、轴承32和轴套33，轴承32套在轴承中轴31外侧，轴套33支撑在轴承32外侧。轴承组件3通过中轴法兰盘，利用螺钉固定于壳体1-1的底座上，轴承中轴31的上端通过螺纹与壳体1-1的上罩连接。
电机组件4的定子部分与轴承组件3同轴，且电机组件4的定子部分也固定在壳体1-1的底座上。轮体2-1和电机组件4的转子部分通过轴套33的安装法兰，利用螺钉固定于轴承组件3上，完成轮体2-1、电机组件4和轴承组件3装配，从而组成高速转子6-1在壳体1-1内高速转动。
本发明是对未处理的参考卫星飞轮的轮体和壳体采用高辐射率吸收率的表面处理工艺，得到本发明的轮体2-1和壳体1-1，从而改善高速转子6-1的散热效率。
本发明的散热示意图如图3所示，散热通路主要有两条，散热通道A1和散热通道A2。
散热通道A1：轴承32内润滑油导热及轴承滚珠与轴承内外圈的接触导热，将热量传导到轴承中轴31上，热量通过中轴法兰盘进一步传导到壳体1-1的底座上，再通过轴承中轴31上端的螺纹传导到壳体1-1上罩上，最后由壳体1-1对外传导和对外辐射，将热量散到外部；
散热通道A2：轴承32内热量传导到轴套33上，通过轴套33的安装法兰传导到轮体2-1上，再由轮体2-1辐射热量到壳体1-1上，最后由壳体1-1对外传导和对外辐射，将热量散到外部。
轮体2-1和壳体1-1的高辐射率吸收率的表面处理工艺具体如下：
壳体的材料一般为铝合金或镁合金，为了提高其表面辐射率，将壳体的非装配表面S1进行铝合金黑色阳极氧化(Q/W181.1-90，辐射率≥0.85)，将装配表面S2进行涂覆保护来保证热传导通路畅通，得到壳体1-1，如图4和图5所示。
轮体大多为不锈钢材料，为了提高表面辐射率，将轮体的非装配表面S3进行镀黑镍处理(Fe/Ep·Ni12(BK))，辐射率≥0.5)，将装配表面S4进行涂覆保护来保证热传导通路畅通，得到轮体2-1，如图6所示。为了验证本发明的散热方法的有效性，采用热平衡试验对比法来进行验证。
将一组轴承组件3、轮体2-1、壳体1-1和电机组件4装配形成本发明待测的卫星飞轮5-1，其中在轴承中轴31内安装一热敏电阻；再根据现有技术的结构，将一组轴承组件、轮体、壳体和电机组件装配形成参考卫星飞轮，且在轴承中轴内安装相同性质的另一热敏电阻。将这两组卫星飞轮放置到同一真空试验箱中，进行热平衡实验对比法进行验证。
将真空试验箱抽真空至1×10-3Pa以下，分别调整温度至-20℃、0℃、25℃、55℃这四个温度阶段，进行试验。每个温度阶段的温度调好后，待参考卫星飞轮和本发明待测的卫星飞轮5-1的温度与真空试验箱温度一致时，启动参考高速转子和本发明待测卫星飞轮5-1的高速转子6-1，并以相同工况进行工作。
监测轴承组件3的轴承中轴31内的热敏电阻阻值变化情况，直至热敏电阻的阻值长时间不再发生变化时，分别记录此时热敏电阻的阻值及此时轴承32的温度值，然后停机，再转到下一个温度阶段测试。待四个温度阶段的试验全部结束后，取出真空试验箱中的两组卫星飞轮，结束试验。
整理并分析试验数据，具体结果如下表1所示。
表1 热平衡验证试验结果
从表1的热平衡试验结果所示，表明通过本发明的方法使得四个温度阶段的轴承32的温度均低于现有技术方案的轴承温度。因为温度越低，散热效果越好，所以本发明的散热方法能够有效提升高速转子散热效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种真空环境下散热的高速转子，其特征在于，
该高速转子(6-1)的散热通道包含：
散热通道A1：热量通过轴承组件(3)的轴承(32)内润滑油导热及轴承滚珠与轴承内外圈的接触导热，将所述轴承(32)内热量传导到轴承中轴(31)上，经过中轴法兰盘传导到壳体(1-1)的底座上，再通过所述轴承中轴(31)上端螺纹传导到所述壳体(1-1)的上罩，所述壳体(1-1)对外传导散热和对外辐射散热；
散热通道A2：热量通过轴承组件(3)的轴承(32)传导到轴套(33)上，经过所述轴套(33)的安装法兰传导到轮体(2-1)，所述轮体(2-1)将热量辐射到所述壳体(1-1)，所述壳体(1-1)对外传导散热和对外辐射散热。
2.如权利要求1所述的一种真空环境下散热的高速转子，其特征在于，壳体(1-1)非装配表面(S1)和轮体(2-1)非装配表面(S3)经过处理形成了表面辐射调整层。
3.如权利要求2所述的一种真空环境下散热的高速转子，其特征在于，所述表面辐射调整层包含：所述壳体(1-1)非装配表面(S1)上的铝合金黑色阳极氧化层和所述轮体(2-1)非装配表面(S3)上的黑镍层。
4.如权利要求3所述的一种真空环境下散热的高速转子，其特征在于，
所述壳体(1-1)的非装配表面(S1)的辐射率≥0.5；
所述壳体(1-1)的装配表面(S2)有涂覆保护层；
所述壳体(1-1)为合金材质。
5.如权利要求3所述的一种真空环境下散热的高速转子，其特征在于，
所述轮体(2-1)的非装配表面(S3)的辐射率≥0.85；
所述轮体(2-1)的装配表面(S4)有涂覆保护层；
所述轮体(2-1)为不锈钢材质。
6.如权利要求1所述的一种真空环境下散热的高速转子，其特征在于，
卫星飞轮(5-1)包含所述高速转子(6-1)和所述壳体(1-1)；
所述高速转子(6-1)包含所述轮体(2-1)、所述轴承组件(3)和电机组件(4)的转子部分；
所述轴承组件(3)包含轴承中轴(31)、轴承(32)和轴套(33)；
所述轴承(32)套在所述轴承中轴(31)外侧，所述轴套(33)支撑在所述轴承(32)外侧；
所述轴承组件(3)通过中轴法兰盘，利用螺钉固定于所述壳体(1-1)底座上，轴承中轴(31)上端通过螺纹与壳体(1-1)的上罩连接；
所述电机组件(4)的定子部分与轴承组件(3)同轴，所述电机组件(4)的定子部分固定在壳体(1-1)底座上；所述轮体(2-1)和电机组件(4)的转子部分通过轴套(33)的安装法兰，利用螺钉固定于轴承组件(3)上。
7.一种真空环境下高速转子的散热验证法，其特征在于，包含以下步骤：
B1：设置非同时具有散热通道A1和散热通道A2的参考高速转子，在其内部设置第一热敏电阻，并将参考高速转子组装形成参考卫星飞轮；
将权利要求1-6中任意一项所述高速转子作为待测高速转子(6-1)，在其内部设置第二热敏电阻，并将待测高速转子(6-1)组装形成待测的卫星飞轮(5-1)；
B2：将所述参考卫星飞轮和待测的卫星飞轮(5-1)放置到同一真空试验箱中；
B3：调整所述真空试验箱的温度，形成若干个不同的温度阶段；
B4：在每一个温度阶段，采用热平衡试验对比法进行验证，监测所述第一热敏电阻和第二热敏电阻的阻值，并记录所述参考卫星飞轮的轴承温度和待测的卫星飞轮(5-1)的轴承(32)温度，分别进行对比。
8.如权利要求7所述的一种真空环境下高速转子的散热验证法，其特征在于，
所述第一热敏电阻设置在所述参考高速转子的轴承中轴内，所述第二热敏电阻设置在所述待测高速转子(6-1)的轴承中轴(31)内，所述第一热敏电阻与所述第二热敏电阻相同。
9.如权利要求7所述的一种真空环境下高速转子的散热验证法，其特征在于，
所述热真空试验箱抽真空后的压强低于1×10-3Pa；
真空试验箱的温度保持为-20℃的第一温度阶段；
真空试验箱的温度保持为0℃的第二温度阶段；
真空试验箱的温度保持为25℃的第三温度阶段；
真空试验箱的温度保持为55℃的第四温度阶段。
10.如权利要求9所述的一种真空环境下高速转子的散热验证法，其特征在于，
所述热平衡试验对比法，包含：
在任意一个温度阶段中，
Q1：当参考卫星飞轮和待测的所述卫星飞轮(5-1)的温度与所述真空试验箱的温度一致时，启动所述参考高速转子和所述待测高速转子(6-1)，并以相同工况工作；
Q2：监测所述第一热敏电阻的阻值和所述第二热敏电阻的阻值的变化；
Q3：当所述第一热敏电阻的阻值和第二热敏电阻的阻值一段时间不发生变化时，记录此时的第一热敏电阻的阻值、第二热敏电阻的阻值和两组轴承(32)的温度，使参考高速转子和所述待测高速转子(6-1)同时停机；
Q4；转到下一个温度阶段，跳转到步骤Q1；直至所有的温度阶段测试结束。
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