close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY17087

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 17087
(13) C1
(19)
(46) 2013.04.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
(2006.01)
(2006.01)
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
(21) Номер заявки: a 20100796
(22) 2010.05.21
(43) 2011.12.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Витязь Петр Александрович; Басинюк Владимир Леонидович; Мардосевич Елена Ивановна;
Мышкин Николай Константинович;
Григорьев Андрей Яковлевич; Ломако Василий Геннадьевич (BY)
BY 17087 C1 2013.04.30
H 02K 5/00
H 02K 11/00
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) RU 2285996 C2, 2005.
BY 11707 C1, 2009.
RU 35178 U1, 2003.
JP 9-65604 A, 1997.
(57)
1. Электродвигатель, содержащий корпус, в котором установлен статор и ротор, размещенный на валу в подшипниках, установленных с радиальным натягом в центрирующих фланцах со стороны торцов корпуса, отличающийся тем, что центрирующие
фланцы выполнены в виде трех концентрично расположенных неразъемно соединенных
между собой наружного, внутреннего и расположенного между ними колец, при этом на
наружном и внутреннем кольцах выполнены прорези, образующие упруго податливые в
радиальном направлении элементы, а величина радиального натяга δ, с которым установлены подшипники в центрирующих фланцах, выбрана из диапазона:
Фиг. 1
BY 17087 C1 2013.04.30
0,8 ∆d ≤ δ ≤ 0,9 ∆d,
где ∆d - показатель (мм), учитывающий изменение диаметра посадочного отверстия центрирующего фланца и диаметра наружного кольца подшипника при изменении температуры электродвигателя, определенный из выражения:
∆d = 280 · ∆α · d · 10-3,
где ∆α - разность средних значений коэффициентов линейного расширения центрирующего фланца и наружного кольца подшипника при изменении температуры электродвигателя;
d - номинальный диаметр наружного кольца подшипника, мм.
2. Электродвигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что центрирующие фланцы
соединены с корпусом посредством шпилек, выполненных в виде двух обращенных друг к
другу большими основаниями усеченных конусов с хвостовиками, соединенных цилиндром, имеющим диаметр, равный большему диаметру усеченных конусов, при этом
шпильки выполнены из материала, имеющего коэффициент линейного расширения такой
же, как и у материала корпуса, например из стали, и размещены в цилиндрических отверстиях корпуса с натягом, при этом фланцы зафиксированы относительно шпилек в осевом
направлении, например, посредством цилиндрического буртика на шпильках, установлены с возможностью взаимодействия со шпильками в радиальном направлении и радиального упруго податливого смещения относительно корпуса.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродвигателям, используемым в приводах, работающих в условиях открытого космоса при ограниченном теплообмене в режиме термоциклирования при изменении температуры от 173 до 453 К.
Известен электродвигатель, в котором имеется полый металлический корпус со статором, центрирующие крышки и ротор, установленный в подшипниковых узлах крышек [1].
Основные детали этого двигателя, включая центрирующие крышки и подшипниковые узлы, изготовлены из стали. Согласованность коэффициентов линейного расширения всех
элементов электродвигателя позволяет его эксплуатировать в широком диапазоне температур. Однако использование стали в качестве материала основных сопрягающихся элементов значительно увеличивает массу электродвигателя, что существенно ограничивает
его применение в мобильной и аэрокосмической технике.
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 торцов корпуса двигателя [2]. Для облегчения массы двигателя его крышки и
корпус изготавливаются из легких сплавов, например алюминиевых.
Такая конструкция позволяет значительно снизить массогабаритные характеристики
электродвигателя, однако его эксплуатация в условиях открытого космоса при ограниченном теплообмене и циклическом изменении температур от 173 до 453 К, характерном для
прибортового пространства космической техники на околоземных орбитах [3], без специальных средств кондиционирования невозможна по следующей причине.
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), а по другой - переходной посадке (например, с валом). При охлаждении электродвигателя, из-за различий в
коэффициентах линейного расширения стального подшипника и материала крышки, между их сопрягаемыми поверхностями возникает большой натяг. Это приводит к существенному изменению условий функционирования подшипника качения, увеличению потерь на
2
BY 17087 C1 2013.04.30
трение-качение, в ряде случаев к его заклиниванию или разрушению элементов и конструкции в целом.
При нагреве подшипниковых узлов от электродвигателя и/или солнечной радиации
увеличиваются зазоры между наружной обоймой подшипника и крышкой, что влияет на
точность позиционирования ротора и разбалансировке конструкции. При высоких скоростях вращения это приводит также к появлению вибраций и биений, что существенно сокращает ресурс электродвигателя.
Задачей изобретения является исключение заклинивания и обеспечение гарантированных натягов и зазоров в подшипниковых узлах электродвигателя во всем диапазоне эксплуатационных температур, что в совокупности обеспечивает повышение надежности и
ресурса работы электродвигателя при работе в вакууме в условиях ограниченного теплообмена при изменении температуры от 173 до 453 К.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в электродвигателе, содержащем
корпус, в котором установлен статор и ротор, размещенный на валу в подшипниках, установленных с радиальным натягом в центрирующих фланцах со стороны торцов корпуса,
согласно техническому решению, центрирующие фланцы выполнены в виде упруго податливых в радиальном направлении элементов, а величину радиального натяга 6, с которым установлены подшипники в центрирующих фланцах, выбирают из диапазона:
(1)
0,8 ∆d ≤ δ ≤ 0,9 ∆d,
где δ - величина радиального натяга, с которым установлены подшипники в центрирующих фланцах, мм;
∆d - показатель, учитывающий изменение диаметра посадочного отверстия центрирующего фланца и диаметра наружного кольца подшипника при изменении температуры
электродвигателя, мм, определяемый по зависимости:
(2)
∆d = ∆Tp · ∆α · d,
где ∆Tp - разность между максимальной и минимальной температурой электродвигателя,
К;
∆α - разность коэффициентов линейного расширения центрирующего фланца и
наружного кольца подшипника при изменении температуры электродвигателя, 1/К;
d - номинальный диаметр наружного кольца подшипника, мм.
В электродвигателе центрирующие фланцы выполнены в виде трех концентрично
расположенных неразъемно соединенных между собой колец, при этом внутреннее и
наружное кольца имеют прорези.
Центрирующие фланцы могут быть соединены с корпусом посредством шпилек, выполненных в виде двух обращенных друг к другу большими основаниями усеченных конусов с хвостовиками, соединенных цилиндром, имеющим диаметр, равный большему
диаметру усеченных конусов, при этом шпильки выполнены из материала, имеющего
одинаковый коэффициент линейного расширения с материалом корпуса, например из стали, и размещены в цилиндрических отверстиях корпуса с натягом, при этом фланцы зафиксированы относительно шпилек в осевом направлении, например, посредством
цилиндрического буртика на шпильках и установлены с возможностью взаимодействия со
шпильками в радиальном направлении и возможностью радиального упруго податливого
смещения относительно корпуса.
Центрирующие фланцы выполнены в виде трех концентрично расположенных неразъемно соединенных между собой колец, внутреннее и наружное из которых имеют прорези. Между центрирующими фланцами и корпусом электродвигателя установлены
прокладки из антифрикционного материала, сохраняющего свои свойства во всем диапазоне рабочих температур двигателя.
Исключение заклинивания и обеспечение гарантированных натягов и зазоров в подшипниковых узлах электродвигателя во всем диапазоне эксплуатационных температур,
3
BY 17087 C1 2013.04.30
обеспечивающих повышенные надежность и ресурс работы электродвигателя при работе
в вакууме в условиях ограниченного теплообмена при изменении температуры от 173 до
453 К, достигается в результате следующего:
при изменениях температуры за счет упругой деформации упруго податливых в радиальном направлении элементов, выполненных на центрирующих фланцах, обеспечивается
компенсация температурных расширений элементов конструкции;
установка упруго податливых элементов с предварительным радиальным натягом, величина которого δ, выбирается из диапазона 0,8 ∆d ≤ δ ≤ 0,9 ∆d, позволяет исключить возникновение чрезмерных зазоров и натягов в рассматриваемом диапазоне температур;
конструктивное выполнение упруго податливых элементов на центрирующих фланцах
позволяет обеспечить центрирование ротора относительно статора при изменении температуры, чему способствует также выполнение соединительных шпилек в виде двух обращенных друг к другу большими основаниями усеченных конусов с хвостовиками,
соединенных цилиндром, имеющим диаметр, равный большему диаметру усеченных конусов (при возникновении температурных расширений их изгибная деформация позволяет
компенсировать разницу диаметров корпуса и крышек, причем выполнение шпилек из материала, имеющего одинаковый коэффициент линейного расширения с материалом корпуса, например из стали, и размещение шпилек в цилиндрических отверстиях корпуса с
натягом позволяет сохранить исходное центрирование);
фиксация центрирующих фланцев относительно шпилек в осевом направлении посредством цилиндрического буртика, выполненного на шпильках, создает возможности
радиального упруго податливого смещения центрирующих фланцев относительно корпуса, что также способствует центрированию и исключает вероятность возникновения дополнительных напряжений в центрирующих фланцах, связанных с температурными
деформациями (этому способствует также у размещение между ними и корпусом прокладок из антифрикционного материала), сохраняющего свои свойства в диапазоне эксплуатационных температур двигателя;
Зависимость (1) получена на основании анализа результатов исследований, показавших, что в рассматриваемом температурном диапазоне от 173 до 453 К при δ ≥ 0,9 ∆d возникает повышенный натяг в сопряжении наружного кольца подшипника и крышки, при
δ ≤ 0,8 ∆d - зазор.
Зависимость (2) получена с использованием общеизвестных закономерностей для
определения изменения линейных размеров деталей конструкций при заданных геометрических размерах (диаметре d), разности температур ∆Tp и разности коэффициентов линейного расширения материалов деталей ∆α (схема применения зависимости показано ниже
на примере расчета ∆d).
Изобретение поясняется фигурами.
На фиг. 1 изображено конструктивное исполнение электродвигателя.
На фиг. 2 изображена конструкция центрирующего фланца электродвигателя.
На фиг. 3 изображено сечение электродвигателя в месте расположения соединительных шпилек.
Электродвигатель (фиг. 1, 2) состоит из статора 1, выполненного в виде кольца с размещенными по окружности катушками (не показаны), расположенного в корпусе 2, ротора 3, расположенного внутри статора 1, и центрирующих фланцев 4 и 5. В статоре 1
выполнены обмотки возбуждения (не показаны). Ротор 3 выполнен на основе редкоземельных магнитов (не показаны) и расположен в центрирующих фланцах 4 и 5 на подшипниках 6. Во внутренних поверхностях центрирующих фланцев 4 и 5 размещены
прокладки 7 из демпфирующего (полимерного) материала.
Центрирующие фланцы 4 и 5 (фиг. 2 и 3) выполнены в виде трех концентрично расположенных неразъемно соединенных между собой колец - наружного 8, внутреннего 9 и
размещенного между ними кольца 10. На наружном кольце 8 и внутреннем кольце 9 вы4
BY 17087 C1 2013.04.30
полнены прорези 11 и 12, образующие упруго податливые в радиальном направлении
элементы 13 и 14 соответственно.
Центрирующие фланцы 4 и 5 (фиг. 3) соединены с корпусом 2 посредством шпилек
15, установленных с натягом в цилиндрических отверстиях корпуса 2 и выполненных из
материала, имеющего одинаковый коэффициент линейного расширения с материалом
корпуса 2, например из стали.
Шпильки 15 выполнены в виде двух обращенных друг к другу большими основаниями усеченных конусов 16 диаметром Dc, соединенных цилиндром 17, имеющим тот же
диаметр Dc. Меньшие основания конусов 16 выполнены диаметром dc. Шпильки 15 имеют
буртики 18, позволяющие зафиксировать фланцы 4 и 5 в осевом направлении, и хвостовики 19 диаметром ds с резьбой 20 на прилегающих к торцам участках, на которых размещаются фиксирующие фланцы 4 и 5 в осевом направлении относительно корпуса 2 гайки
21. В совокупности приведенная выше схема крепления позволяет жестко зафиксировать
фланцы 4 и 5 в осевом направлении относительно корпуса 2.
Корпус 2 размещен между фланцами 4 и 5 с зазором δk, обеспечивающим надежную
работу электродвигателя при температурных деформациях его элементов и локализованных нагревах, вызывающих увеличение или уменьшение диаметра doc расположения осей
шпилек 15 на величину ∆doc.
Так, например, для диаметра поверхности разъема наружного кольца подшипника 6 и
фланцев 4 и 5 d = 100 мм, диапазона изменения температур от 173 до 453 К, т.е.
∆Tp = 280К, среднее значение коэффициента линейного расширения фланца выполненного сплава дюралюминия составляет α = 23 × 10-6 К-1, а наружного стального кольца подшипника - αст = 14 × 10-6 К-1. Тогда показатель, учитывающий изменение диаметра
посадочного отверстия центрирующего фланца и диаметра наружного кольца подшипника
при изменении температуры электродвигателя, равен
∆d = 280 (23–14) · 10-6 · 100 = 0,25 мм,
а величину радиального натяга δ, с которым установлены подшипники 6 в центрирующих
фланцах 4 и 5, составляет
2 мм ≤ δ ≤ 0,23 мм.
Между боковыми поверхностями корпуса 2 и внутренними торцевыми поверхностями
фланцев 4 и 5 установлены прокладки 22 из антифрикционного материала, сохраняющего
свои свойства в диапазоне эксплуатационных температур электродвигателя, например из
бериллиевой бронзы.
Наружные кольца (не показаны) диаметром d подшипников 6 при сборке устанавливаются в упруго податливых элементах 14, выполненных на внутреннем кольце 9, с предварительным натягом δ (фиг. 1) за счет соответствующего уменьшения исходного (до
сборки) внутреннего диаметра посадочной поверхности на величину ∆d.
Ротор 3 установлен на обойме 23 (фиг. 1) с консольными кольцевыми выступами (не
показаны), которые размещены в отверстиях внутренних колец подшипников 6. Обойма
23 и внутреннее кольцо подшипников 6 выполнены из материалов, имеющих одинаковый
или близкий (±10 ÷ 15 %) коэффициент линейного расширения.
При работе электродвигателя создаваемое статором 1 вращающееся магнитное поле
приводит во вращение относительно корпуса 2 ротор 3. При этом в процессе работы электродвигателя в условиях открытого космоса и его нагреве до 250…453 К за счет внутреннего и внешнего источников тепла (солнечной радиации) увеличиваются диаметры
наружного кольца подшипников 6. При этом упруго деформированные при сборке консольные элементы 13 и 14 частично обратимо восстанавливают свою исходную форму,
уменьшая предварительный натяг в соединении с наружными кольцами подшипников 6.
Однако вследствие наличия запаса и высокой податливости консольных элементов 13 и 14
натяг в соединении наружной обоймы подшипников 6 остается. Вследствие этого не воз5
BY 17087 C1 2013.04.30
никает не предусмотренных конструкцией зазоров в соединениях, смещения осей, биений
и повышенных вибраций.
При охлаждении подшипника 6 до 170…190 К диаметр его наружного кольца уменьшается. Уменьшается также внутренний посадочный диаметр фланцев 4 и 5, но в значительно большей (пропорционально разности значений коэффициентов линейного
расширения) степени. При этом предварительно сжатые упруго податливые элементы 13 и
14 центрирующих фланцев 4 и 5 дополнительно сжимаются на величину, не превышающую предельно допустимой по условиям прочности. Вследствие высокой податливости
упругих элементов 13 и 14 в сопряжении фланцев 4 и 5 с наружными кольцами подшипников 6 и корпусом 2 не возникает чрезмерных натягов, приводящих к ухудшению условий функционирования, снижению КПД, заклиниванию и потере работоспособности
подшипникового узла.
Одновременно с этим при увеличении кольца 10 фланцев 4 и 5 находящийся в предварительно сжатом состоянии упруго податливый элемент 13 и шпильки 15 упруго деформируются, вследствие чего в его соединении корпусом 3 также не возникает
разрушающих напряжений.
При изменениях температуры соответственно изменяется диаметр внутреннего кольца
подшипника 6, однако его выполнение из материала, имеющего одинаковый коэффициент
температурного расширения с обоймой 23, на которую он установлен, не приводит к возникновению зазоров в сопряжении.
Использование предлагаемого технического решения в двигателях, работающих в вакууме в диапазоне температур от 173 до 453 К, позволяет не только исключить заклинивание и обеспечить гарантированные натяги и зазоры в подшипниковых узлах
электродвигателя во всем диапазоне эксплуатационных температур, но и значительно
снизить их вес, повысить надежность, ресурс и снизить вибрации, возникающие при их
работе во всем диапазоне скоростей и температур.
Источники информации:
1. Патент GB 2172754 A, МПК H 02K 11/00, 1986.
2. Патент RU 2285996, МПК H 02K 11/00, 2005 (прототип).
3. Ярош В.М., Моишев А.А., Броновец М.А. Исследование материалов на трение и износ в открытом космическом пространстве и на орбите вокруг Луны // Трение и износ. 2003. - Т. 24. - № 6. - С. 626-635.
Фиг. 2
6
BY 17087 C1 2013.04.30
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
703 Кб
Теги
by17087, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа