一種新型密封結(jié)構(gòu)電機(jī)

錢 華,陳 辰,錢 樂(lè),鄭文鵬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海 200233)

0 引 言

在航天、航空、水下、防爆、防塵等特殊應(yīng)用環(huán)境中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)，以保證電機(jī)在特有環(huán)境下的正常運(yùn)行。目前，電機(jī)密封結(jié)構(gòu)常用的有動(dòng)密封和靜密封兩種類型。動(dòng)密封結(jié)構(gòu)用于運(yùn)動(dòng)部件與非運(yùn)動(dòng)部件之間；靜密封結(jié)構(gòu)用于兩個(gè)非運(yùn)動(dòng)部件之間。動(dòng)密封結(jié)構(gòu)有以下幾種密封方式：O型圈動(dòng)密封、旋轉(zhuǎn)軸唇、石墨軸承等[1-2]。動(dòng)密封結(jié)構(gòu)因密封處存在機(jī)械摩擦，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方面不良影響：電機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩增大、效率降低、噪聲增加；動(dòng)密封件使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損，密封壽命和可靠性下降[3-5]。本文主要介紹一種新型密封結(jié)構(gòu)電機(jī)，該新型結(jié)構(gòu)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可限、密封性好等特點(diǎn)，是一種帶磁性聯(lián)軸器的密封結(jié)構(gòu)電機(jī)。并且進(jìn)行了實(shí)際樣機(jī)的研制，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了本結(jié)構(gòu)方案的合理性、可行性和優(yōu)越性。

1 新型密封電機(jī)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

1.1 新型密封電機(jī)結(jié)構(gòu)

新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機(jī)主要由電機(jī)本體、磁性聯(lián)軸器組成。電機(jī)本體由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、端蓋、密封圈等組成；磁性聯(lián)軸器由內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子組成。電機(jī)結(jié)構(gòu)采用薄壁大內(nèi)空結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子采用中空結(jié)構(gòu)，將磁性聯(lián)軸器外轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子固定連為一體，裝入轉(zhuǎn)子中空結(jié)構(gòu)內(nèi)；磁性聯(lián)軸器內(nèi)轉(zhuǎn)子與需驅(qū)動(dòng)負(fù)載通過(guò)傳動(dòng)軸連接，電機(jī)本體和所需驅(qū)動(dòng)負(fù)載之間采用端蓋隔離，電機(jī)機(jī)殼與端蓋配合面之間使用密封圈的方式進(jìn)行靜密封。為了減小體積，縮短軸向長(zhǎng)度，電機(jī)本體轉(zhuǎn)子采用單邊雙軸承結(jié)構(gòu)方式。電機(jī)的力矩傳遞通過(guò)磁性聯(lián)軸器內(nèi)轉(zhuǎn)子傳遞至需驅(qū)動(dòng)負(fù)載；通過(guò)設(shè)計(jì)磁性聯(lián)軸器輸出轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩可限的作用。電機(jī)各部分示意圖如圖1所示。

圖1 新型密封電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

磁性聯(lián)軸器屬于非接觸式聯(lián)軸器，一般由內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子、隔離套組成，如圖2所示。內(nèi)轉(zhuǎn)子與被傳動(dòng)件相連，外轉(zhuǎn)子與動(dòng)力件相連。磁性聯(lián)軸器工作原理是外轉(zhuǎn)子連接直流電機(jī)輸出軸，內(nèi)轉(zhuǎn)子連接負(fù)載，當(dāng)外轉(zhuǎn)子隨電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁鋼之間的作用力，內(nèi)轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)。磁性聯(lián)軸器外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子之間有隔離套，通過(guò)磁力將外轉(zhuǎn)子的動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳遞至內(nèi)轉(zhuǎn)子，從而把普通密封結(jié)構(gòu)采用的動(dòng)密封轉(zhuǎn)換為靜密封結(jié)構(gòu)。

圖2 磁性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 新型密封電機(jī)特點(diǎn)

新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機(jī)采用電機(jī)與磁性聯(lián)軸器組成一體，并通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸、輸出轉(zhuǎn)矩可限、高效率、低噪聲、密封簡(jiǎn)單且密封性能好等特點(diǎn)。電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

1) 新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸和負(fù)載之間通過(guò)磁性聯(lián)軸器連接，將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩傳遞至負(fù)載，帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。磁性聯(lián)軸器內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有機(jī)械接觸，通過(guò)機(jī)殼與端蓋之間加O型密封圈的方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)本體和外界之間完全物理隔離，即通過(guò)采用靜密封方式，簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部密封效果。與動(dòng)密封方式的電機(jī)結(jié)構(gòu)相比，由于不存在動(dòng)密封產(chǎn)生的機(jī)械摩擦導(dǎo)致的電機(jī)摩擦轉(zhuǎn)矩、噪聲增大等因素，該結(jié)構(gòu)形式的電機(jī)具有摩擦轉(zhuǎn)矩小、電機(jī)效率高、噪聲小、密封壽命和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機(jī)可以高效傳遞轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的效率和密封壽命，且不會(huì)因連接負(fù)載環(huán)節(jié)產(chǎn)生額外增加的噪聲。

2) 新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機(jī)的運(yùn)行方式是電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)磁性聯(lián)軸器外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，磁性聯(lián)軸器外轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和內(nèi)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，帶動(dòng)磁性聯(lián)軸器內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而傳遞電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。通過(guò)電機(jī)與磁性聯(lián)軸器輸出轉(zhuǎn)矩合理選配，調(diào)節(jié)磁性聯(lián)軸器最大輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)參數(shù)，將磁性聯(lián)軸器可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)為小于電機(jī)可輸出最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，磁性聯(lián)軸器可起到限制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的作用，即達(dá)到電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩可限的目的。

3) 新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機(jī)通過(guò)采用電機(jī)中空結(jié)構(gòu)形式，電機(jī)本體轉(zhuǎn)軸采用單邊雙軸承方式，可以有效縮短電機(jī)軸向長(zhǎng)度；將磁性聯(lián)軸器內(nèi)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安排在中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部，充分利用結(jié)構(gòu)空間，縮短電機(jī)軸向長(zhǎng)度，減輕電機(jī)質(zhì)量。

2 樣機(jī)研制和測(cè)試

針對(duì)用戶的特殊需求，要求電機(jī)具備自密封、最大輸出轉(zhuǎn)矩自保護(hù)功能。為此，研制的新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機(jī)，樣機(jī)實(shí)物照片如圖3所示。新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機(jī)性能參數(shù)如表1所示。

圖3 新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機(jī)樣機(jī)實(shí)物照片

Do/mm89L/mm42Tm/(N·m)0.7Tn/(N·m)0.075?TL/(N·m)0.2/0.45/0.7r/(Pa·m3·s-1)6.0×10-6Lp/dB50～55

*分別為三個(gè)磁性聯(lián)軸器的輸出性能

樣機(jī)經(jīng)過(guò)高溫、低溫、振動(dòng)、沖擊等環(huán)境條件考核，指標(biāo)合格。通過(guò)300 h壽命試驗(yàn)考核，驗(yàn)證了樣機(jī)的結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，并隨整機(jī)進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性考核，滿足使用要求。根據(jù)整機(jī)應(yīng)用的特殊需求，對(duì)該電機(jī)磁性聯(lián)軸器進(jìn)行了多方案設(shè)計(jì)，分別為輸出轉(zhuǎn)矩0.2 N·m，0.45 N·m和0.7 N·m，通過(guò)調(diào)節(jié)磁性聯(lián)軸器的輸出轉(zhuǎn)矩大小，達(dá)到了限制電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩的作用。

該結(jié)構(gòu)電機(jī)的帶載能力由磁性聯(lián)軸器最大輸出轉(zhuǎn)矩決定。電機(jī)在負(fù)載大于磁性聯(lián)軸器最大輸出轉(zhuǎn)矩，以及外部負(fù)載不穩(wěn)定、波動(dòng)幅度過(guò)大，瞬間負(fù)載大于磁性聯(lián)軸器最大輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，會(huì)出現(xiàn)磁性聯(lián)軸器內(nèi)外轉(zhuǎn)子失步，電機(jī)傳動(dòng)軸停轉(zhuǎn)，不輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)的情況，即電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩自限功能起動(dòng)。此時(shí)，需將電機(jī)停轉(zhuǎn)后重新加電起動(dòng)，恢復(fù)電機(jī)組件帶載能力。因此，該結(jié)構(gòu)電機(jī)磁性聯(lián)軸器最大輸出轉(zhuǎn)矩的大小應(yīng)大于實(shí)際負(fù)載情況可能存在的最大值。

通過(guò)性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果可以看出，該電機(jī)的密封漏率可做到6.0×10-6Pa·m3/s，具有較好的密封效果；在相應(yīng)負(fù)載范圍內(nèi)，電機(jī)帶載運(yùn)行平穩(wěn)；研制的實(shí)物樣機(jī)為有刷電機(jī)，樣機(jī)噪聲為50～55 dB，若采用其他無(wú)刷類型電機(jī)，噪聲可以進(jìn)一步降低。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)電機(jī)與磁性聯(lián)軸器合理的參數(shù)選配和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制的樣機(jī)密封性能良好、噪聲小。通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)考核，驗(yàn)證了新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機(jī)的結(jié)構(gòu)合理性、性能穩(wěn)定性和優(yōu)越性，可應(yīng)用于要求電機(jī)自密封、轉(zhuǎn)矩自限的特殊應(yīng)用場(chǎng)合。