RU145262U1

RU145262U1 - CONTACTLESS DC MOTOR

Info

Publication number: RU145262U1
Application number: RU2014119358/07U
Authority: RU
Inventors: Валерий Иванович Богушев; Алина Игоревна Борисова; Людмила Владимировна Ганбарова
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2014-09-10

Abstract

1. Бесконтактный электродвигатель постоянного тока, характеризующийся тем, что он содержит цилиндрический корпус, снабженный фланцем, установленные в нем статор и ротор с валом, щит с концентрическими пазами и установленной со стороны статора теплоизолирующей прокладкой; датчик положения ротора; установленные со стороны, противоположной вылету вала, кожух и крышку, выполненные из материала с высокой теплопроводностью; а также коммутатор, при этом коммутатор и корпус электродвигателя установлены в П-образном кронштейне, выполненном из материала с высокой теплопроводностью и имеющем общую присоединительную поверхность к элементам конструкции космического аппарата или иного объекта.2. Бесконтактный электродвигатель постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что зазоры между фланцем и лобовой частью обмотки статора, между лобовыми частями обмотки статора и корпусом залиты теплопроводным компаундом.3. Бесконтактный электродвигатель постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что между его фланцем и кожухом установлены вставки, выполненные из материалов с высокой теплопроводностью.4. Бесконтактный электродвигатель постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что поверхность корпуса коммутатора, сопрягаемая с корпусом электродвигателя, снабжена ребрами охлаждения.1. A non-contact direct current electric motor, characterized in that it comprises a cylindrical body provided with a flange, a stator and a rotor with a shaft mounted therein, a shield with concentric grooves and a heat insulating gasket installed on the stator side; rotor position sensor; mounted on the side opposite to the shaft extension, a casing and a cover made of a material with high thermal conductivity; as well as a switch, while the switch and the motor housing are installed in a U-shaped bracket made of a material with high thermal conductivity and having a common connecting surface to the structural elements of the spacecraft or other object. 2. A non-contact direct current electric motor according to claim 1, characterized in that the gaps between the flange and the frontal part of the stator winding, between the frontal parts of the stator winding and the casing are filled with a heat-conducting compound. 3. A non-contact direct current electric motor according to claim 1, characterized in that inserts made of materials with high thermal conductivity are installed between its flange and the casing. Non-contact DC motor according to claim 1, characterized in that the surface of the switch housing, mating with the motor housing, is equipped with cooling fins.

Description

Настоящее устройство относится к электрическим машинам, в частности к исполнительным электродвигателям систем автоматики для космической техники.The present device relates to electric machines, in particular to executive electric motors of automation systems for space technology.

Из предшествующего уровня техники известен бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий снабженный фланцем цилиндрический корпус диаметром d, размещенные в корпусе статор и ротор и установленную на противоположном фланцу торце корпуса цилиндрическую клеммную колодку, характеризующийся тем, что он снабжен установленной на цилиндрическом корпусе между фланцем и клеммной колодкой тонкостенной теплопередающей обоймой в виде тела вращения. (RU 2442272, H02K 29/08, H02K 29/03 от 12.07.2010)A non-contact direct current electric motor is known from the prior art, comprising a flange-mounted cylindrical housing with a diameter d, a stator and a rotor located in the housing and a cylindrical terminal block mounted on an opposite flange of the housing end, characterized in that it is provided with a cylindrical body mounted between the flange and the terminal block thin-walled heat transfer clip in the form of a body of revolution. (RU 2442272, H02K 29/08, H02K 29/03 from 07/12/2010)

Недостатком этого электродвигателя является увеличение массы и габаритов за счет дополнительной обоймы, а также сложность компоновки в составе агрегата космической техники, что вызвано раздельным выполнением корпуса с валом и коммутатора.The disadvantage of this electric motor is the increase in mass and dimensions due to the additional clip, as well as the complexity of the layout of the space technology unit, which is caused by the separate execution of the housing with the shaft and the switch.

Этого недостатка лишен бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий цилиндрический корпус диаметром d из материала с высокой теплопроводностью и установленные в нем статор и ротор с валом, крышку из тепло- и электроизоляционного материала, присоединенную к корпусу со стороны торца, противоположного валу, и установленный на ней цилиндрический коммутатор наружного диаметра D>d с клеммной колодкой на его торце, закрытой защитной крышкой, характеризующийся тем, что он снабжен стаканом из материала с высокой теплопроводностью, внутренняя поверхность стенки которого выполнена ступенчатой диаметрами D и d, стакан установлен ступенями с диаметрами D и d на наружных цилиндрических поверхностях коммутатора и корпуса соответственно (№2210162 МПК: H02K 29/00 H02K 29/00, 2003 г. - прототип). Недостатком этого технического решения является то, что коммутатор расположен на максимальном удалении от присоединительного фланца, посредством которого тепло передается на элементы конструкции космического аппарата. В условиях глубокого вакуума отсутствует конвекция, и часть тепла от электродвигателя через теплопроводящий стакан передастся на коммутатор. Высокие тепловые перегрузки испытывает и задний подшипник, который нагревается за счет передачи тепла от обмоток через металлическую гильзу, в которой он установлен и которая имеет непосредственный контакт со статором. Гильза может нагреваться не только за счет выделения тепла в обмотке, но и за счет перемагничивания или токов Фуко в зависимости от марки материала. Согласно теоретическим и экспериментальным данным, срок службы бесконтактных электродвигателей постоянного тока определяется сроком службы подшипников и электрорадиоэлементов, который, напрямую зависит от температуры. Все эти факторы снижают надежность и срок службы электродвигателя. Особенно актуальна проблема отвода тепла для бесконтактных электродвигателей постоянного тока с высокоэнергетическими магнитами Nd-Fe-B.This disadvantage is deprived of a non-contact direct current electric motor containing a cylindrical housing with a diameter d of a material with high thermal conductivity and a stator and rotor with a shaft installed in it, a cover made of heat and electrical insulation material attached to the housing from the end face opposite to the shaft and mounted on it a cylindrical commutator of outer diameter D> d with a terminal block at its end, closed with a protective cover, characterized in that it is equipped with a glass made of a material with high thermal conductivity , The inner wall surface which is stepped diameters D and d, the glass is mounted with steps diameters D and d at the outer cylindrical surfaces of the housing and the switch respectively (№2210162 IPC: H02K 29/00 H02K 29/00, 2003 G. - prototype). The disadvantage of this technical solution is that the switch is located at a maximum distance from the connecting flange, through which heat is transferred to the structural elements of the spacecraft. Under high vacuum conditions, convection is absent, and part of the heat from the electric motor is transferred through the heat-conducting cup to the commutator. The rear bearing also experiences high thermal overloads, which is heated by heat transfer from the windings through the metal sleeve in which it is installed and which has direct contact with the stator. The sleeve can be heated not only due to heat in the winding, but also due to magnetization reversal or Foucault currents, depending on the type of material. According to theoretical and experimental data, the service life of non-contact DC motors is determined by the service life of bearings and electronic components, which depends on temperature. All these factors reduce the reliability and service life of the electric motor. Particularly relevant is the problem of heat dissipation for non-contact DC motors with high-energy Nd-Fe-B magnets.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в повышении надежности за счет улучшения эффективности теплоотвода и, как следствие, увеличение ресурса электрорадиоэлементов и подшипников.The problem to which the claimed technical solution is directed is to increase reliability by improving the efficiency of heat removal and, as a result, increasing the life of electric radio elements and bearings.

Данная задача достигается за счет того, что бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит цилиндрический корпус, снабженный фланцем, установленные в нем статор и ротор с валом, щит с концентрическими пазами и установленной со стороны статора теплоизолирующей прокладкой; датчик положения ротора; установленные со стороны противоположной вылету вала кожух и крышку из материала с высокой теплопроводностью. Коммутатор с теплоотводом расположен вдоль цилиндрической поверхности корпуса, при этом коммутатор и корпус электродвигателя установлены в кронштейне, выполненном из материала с высокой теплопроводностью и имеющем общую присоединительную поверхность к элементам конструкции космического аппарата или иного объекта.This task is achieved due to the fact that the non-contact direct current electric motor contains a cylindrical body equipped with a flange, a stator and a rotor with a shaft installed in it, a shield with concentric grooves and a heat insulating gasket installed on the stator side; rotor position sensor; a casing and a cover made of a material with high thermal conductivity installed on the side opposite to the shaft protrusion. A switch with a heat sink is located along the cylindrical surface of the housing, while the switch and the motor housing are mounted in an arm made of a material with high thermal conductivity and having a common connecting surface to the structural elements of the spacecraft or other object.

Зазоры между фланцем и лобовой частью обмотки статора, а также между лобовыми частями обмотки статора и корпусом могут быть залиты компаундом для повышения эффективности передачи тепла на корпус и фланец.The gaps between the flange and the frontal part of the stator winding, as well as between the frontal parts of the stator winding and the casing, can be filled with a compound to increase the efficiency of heat transfer to the casing and the flange.

Между фланцем и кожухом могут быть дополнительно установлены стержни, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, а перегородка между корпусом электродвигателя и коммутатором может быть снабжена ребрами для дополнительного охлаждения.Between the flange and the casing can be additionally installed rods made of material with high thermal conductivity, and the partition between the motor housing and the switch can be equipped with ribs for additional cooling.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение надежности за счет улучшения эффективности теплоотвода и, как следствие, увеличение ресурса электрорадиоэлементов и подшипников.The technical result provided by the given set of features is to increase reliability by improving the efficiency of heat removal and, as a result, increasing the resource of electric radio elements and bearings.

На фиг. 1 и 2 приведен пример выполнения бесконтактного электродвигателя постоянного тока.In FIG. 1 and 2 show an example of a non-contact direct current electric motor.

Бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит цилиндрический корпус 1 с наружным диаметром d, снабженный фланцем прямоугольной формы, и установленные в нем статор 2 и ротор 3 с валом 4. К корпусу 1 присоединены со стороны торца, противоположной вылету вала, кожух 5 и крышка 6, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, имеющие, как и фланец, прямоугольную форму в поперечном сечении.The contactless DC motor contains a cylindrical housing 1 with an outer diameter d, equipped with a rectangular flange, and a stator 2 and a rotor 3 with a shaft 4 mounted therein. A casing 5 and a cover 6 made to the housing 1 from the end side opposite to the shaft extension from a material with high thermal conductivity, having, like the flange, a rectangular shape in cross section.

Как правило, цилиндрический корпус электродвигателей выполняется тонкостенным для уменьшения потерь на перемагничивание или токи Фуко, а также для обеспечения лучшего отвода тепла от статора за счет излучения в условиях глубокого вакуума. В случае, если площадь сечения цилиндрической части корпуса 1 недостаточна для передачи тепла от его задней части к присоединительной поверхности электродвигателя, между фланцем и кожухом могут быть установлены стержни из материала с высокой теплопроводностью. Количество тепла, передаваемое по корпусу на фланец пропорционально площади сечения цилиндрической части корпуса. Так для толщины корпуса, равной 1 мм, формулу зависимости площади сечения корпуса от его наружного диаметра d будет иметь вид:As a rule, the cylindrical body of electric motors is thin-walled to reduce magnetization reversal losses or Foucault currents, as well as to provide better heat dissipation from the stator due to radiation under high vacuum conditions. If the cross-sectional area of the cylindrical part of the housing 1 is insufficient to transfer heat from its rear to the connecting surface of the electric motor, rods made of a material with high thermal conductivity can be installed between the flange and the casing. The amount of heat transferred through the housing to the flange is proportional to the cross-sectional area of the cylindrical portion of the housing. So for a shell thickness of 1 mm, the formula for the dependence of the cross-sectional area of the shell on its outer diameter d will be:

S=π·(d²-(d-2)²/4=π·(d-1)S = π · (d ² - (d-2) ^2/4 = π · (d-1)

Тогда из условия эквивалентной корпусу суммарной площади сечения стержней диаметр одного стержня d может быть вычислен по формуле:Then, from the condition equivalent to the housing of the total cross-sectional area of the rods, the diameter of one rod d can be calculated by the formula:

S -площадь сечения цилиндрической части корпуса электродвигателя;S is the cross-sectional area of the cylindrical part of the motor housing;

d - наружный диаметр цилиндрической части корпуса электродвигателя;d is the outer diameter of the cylindrical part of the motor housing;

d₁ - диаметр стержня;d ₁ is the diameter of the rod;

n - число стержней.n is the number of rods.

При этом увеличение поверхности излучения за счет введения стержней составитIn this case, the increase in the radiation surface due to the introduction of rods will be

S_изл1/S_изл=π·D₁·L·n·100/π·D·L=(d₁·n·100/d)%, гдеS _{rad 1} / S _rad = π · D ₁ · L · n · 100 / π · D · L = (d ₁ · n · 100 / d)%, where

L - длина цилиндрической части корпуса;L is the length of the cylindrical part of the housing;

S_изл1 - суммарная площадь излучения стержней;S _out1 - the total radiation area of the rods;

S_изл - площадь излучения цилиндрической части корпуса.S _rad - radiation area of the cylindrical part of the housing.

Например, для цилиндрического корпуса с диаметром d=40 мм и]толщиной стенки 1 мм при числе стержней n=4 диаметр каждого стержня приблизительно равен 6 мм. При этом поверхность излучения за счет введения стержней увеличится на 60%.For example, for a cylindrical body with a diameter of d = 40 mm and] a wall thickness of 1 mm with the number of rods n = 4, the diameter of each rod is approximately 6 mm. In this case, the radiation surface due to the introduction of rods will increase by 60%.

Если стержни выполнить из материала с более высокой теплопроводностью, чем корпус, можно увеличить эффективность теплопередачи. Суммарная площадь излучения стержней может быть дополнительно увеличена за счет оребрения поверхностей.If the rods are made of a material with higher thermal conductivity than the housing, it is possible to increase the heat transfer efficiency. The total radiation area of the rods can be further increased due to finning surfaces.

Бесконтактный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом: при подаче постоянного напряжения на коммутатор 11 последний коммутирует обмотки статора 2 по сигналам задания и информации с датчиков положения ротора. Создаваемое этими обмотками магнитное поле вызывает вращение ротора 3 вместе с валом 4. Выделяемое в электродвигателе тепло передается на наружную цилиндрическую поверхность корпуса, большая ее часть отводится через фланец и присоединительную поверхность П-образного кронштейна 5 на элементы конструкции космического аппарата (не показаны), а также излучается в окружающее пространство. Оставшаяся часть тепла передается на кожух 6 и крышку 7 прямоугольной формы, и также излучается в окружающее пространство, благодаря чему снижается тепловая напряженность заднего подшипника 8. Этому способствует также теплоизолирующая прокладка 9, прилегающая к подшипниковому щиту, а также концентрические пазы 10, выполненные в подшипниковом щите для увеличения сопротивления тепловому потоку на пути к подшипнику. Передний подшипник нагревается меньше за счет близости к охлаждающим элементам конструкции космического аппарата. Большая часть тепла, выделяющаяся в коммутаторе 11, отводится через присоединительную поверхность кронштейна 5 к элементам конструкции космического аппарата и частично через поверхности корпуса коммутатора излучается в окружающее пространство. При необходимости между электродвигателем и коммутатором может устанавливаться прокладка из теплоизолирующего материала, однако, благодаря тому, что наиболее напряженная в тепловом отношении цилиндрическая поверхность корпуса конфигурирована в окружающее пространство, передача тепла от электродвигателя к коммутатору не оказывает определяющего значения на температуру коммутатора. Для улучшения теплоотвода поверхность корпуса коммутатора, сопрягаемая с корпусом электродвигателя может быть снабжена ребрами (фиг. 3).A non-contacting direct current electric motor works as follows: when a constant voltage is applied to the switch 11, the latter commutes the stator windings 2 according to the reference signals and information from the rotor position sensors. The magnetic field created by these windings causes the rotor 3 to rotate together with the shaft 4. The heat generated in the electric motor is transferred to the outer cylindrical surface of the body, most of it is removed through the flange and the connecting surface of the U-shaped bracket 5 to the structural elements of the spacecraft (not shown), and also radiated into the surrounding space. The remaining heat is transferred to the casing 6 and the cover 7 of a rectangular shape, and is also radiated into the surrounding space, thereby reducing the thermal stress of the rear bearing 8. This is also facilitated by the heat-insulating gasket 9 adjacent to the bearing shield, as well as concentric grooves 10 made in the bearing shield to increase resistance to heat flux on the way to the bearing. The front bearing heats up less due to its proximity to the cooling elements of the spacecraft structure. Most of the heat generated in the switch 11, is removed through the connecting surface of the bracket 5 to the structural elements of the spacecraft and partially through the surface of the switch body is radiated into the surrounding space. If necessary, a gasket of heat-insulating material can be installed between the electric motor and the switch, however, due to the fact that the most heat-stressed cylindrical surface of the housing is configured in the surrounding space, heat transfer from the electric motor to the switch does not have a decisive value on the temperature of the switch. To improve heat dissipation, the surface of the switch housing, mating with the motor housing, can be provided with ribs (Fig. 3).

Благодаря такому распределению тепловых потоков, происходит снижение нагрева подшипников и зоны датчика положения ротора, а также электрорадиоэлементов коммутатора, что обеспечивает повышение надежности бесконтактного электродвигателя постоянного тока.Due to this distribution of heat fluxes, there is a decrease in the heating of bearings and the area of the rotor position sensor, as well as switch radio electronic elements, which provides increased reliability of a non-contact direct current electric motor.

Указанное преимущество - повышение надежности - позволяет рекомендовать заявленное техническое решение к использованию в агрегатах ракетно-космической техники.The indicated advantage - increased reliability - allows us to recommend the claimed technical solution for use in rocket and space technology units.

Claims

1. A non-contact direct current electric motor, characterized in that it comprises a cylindrical body provided with a flange, a stator and a rotor with a shaft mounted therein, a shield with concentric grooves and a heat insulating gasket installed on the stator side; rotor position sensor; mounted on the side opposite to the shaft extension, a casing and a cover made of a material with high thermal conductivity; as well as a switch, the switch and the motor housing are installed in a U-shaped bracket made of a material with high thermal conductivity and having a common connecting surface to the structural elements of the spacecraft or other object.

2. A non-contact direct current electric motor according to claim 1, characterized in that the gaps between the flange and the frontal part of the stator winding, between the frontal parts of the stator winding and the housing are filled with a heat-conducting compound.

3. A non-contact direct current electric motor according to claim 1, characterized in that inserts made of materials with high thermal conductivity are installed between its flange and the casing.

4. The contactless DC motor according to claim 1, characterized in that the surface of the switch housing, mating with the motor housing, is equipped with cooling fins.