Особенности конструирования и технологии изготовления бесконтактных электродвигаталей постоянного тока для космической техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук в форме науч. докл. Михайлов, Евгений Михайлович

• Михайлов, Евгений Михайлович
• кандидат технических наук в форме науч. докл.
• 1999

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности конструирования и технологии изготовления бесконтактных электродвигаталей постоянного тока для космической техники»

. .8 : шзволяет эксплуатировать последний непосредственно в среде теплоносителей систем терморегулирования (CIP), (рис.3). При этом отпадает ие>-обходщюсгь в магнитных муфтах для стыковки ЗД с насосом, уменьшаются размеры ЭНА, увеличиваете« его надежность.

Учитывая комплекс требований, предъявляемых к гкльзе по стойкости к температуре (-60*^ +80°С), избыточному давлению (до 50 атм),механи-ческим перегрузкам, химической стойкости, немагнитности - в качестве материала гильзы была выбрана немагнитна* нержавеющая сталь I.2X1SHÎ0T. Толщина гильзы в диапазоне диаметров "расточки'' статора 15-30 ми отставши» ОД мм.

Поскольку через гильзу, расположенную в рабочем зазоре ЭД, щхь ходит весь мавгштшй «сток вращающихся магнитов ротора, возшаеающке к ней потери от шхревых токоз весьма значительны.

Как показал опыт, нрн указанных в габл.1 диаметрах, шиьз, потери г ней презшиают в 20 раз потери в щотах ДПР.

Исходи вз формулы ЭДС вращения обмотки двигателя Cr«S>Wf (1), где Се - постоянная, Ф - магнитный поток, W - число витке» обмотки, f - частота вращения, и представив гильзу в гиде одкэвшкевопз электрического хошурл можно оценить потери в ней ж» формуле Е* С*Ф¥ .

После преобразования формулы к виду, удобному для практических, расчетов:

В2 иг ж1 Г»3-! -5

ДР = ---—----К (Вт\ (3) бСР-р отчетливо наддаю, что потери в гильзе пропорциональны квадрату ая. дукции в зазоре и частоте вращения ЭД, кубу диаметра гильзы, толщине гильзы (5) и обратно лропориконгльны омическому сопротивлению материала.

Снижение потерь в пашьзе путем уменьшения аддукции, скорости шм диаметра пвдьзы приводит к недопустимым изменениям параметров ЭД.

Уменьшение толщины гильзы невозможно по

Поэтому, как в в случае с ДПР, снижение потерь шло ж лшш поизяо« материалов с максимально возможным омическим сопротивлением.

Результаты измерения потерь в гшшшх при частоте вращения ШСН>-13000 1/мин приведены в таблХ

Потери при скоростях 7000 и 5000 1/мин получены перасчстои ш формуле а"

АРг- = ДРг'

4)

Потри в гильзе (Вт) гильз Материал гильз Р рммм м п' 1/мин ДРГ' • Д1'гг Фшакч. толиика пшьзы, мт п"=7000 п"-5СЧЮ " " ." 1 ■

1 Сталь 12Х18Н10Т 0,72 13000 12,0 3,5 1,8 0,155

2 Титан ВТ-1-1 0,58 12300 14,8 4,8 2,47 0.153

3 Сталь ЭИ-437Б 1,22 13300 10,5 ' 2,9 1,5 0,18

4 Титан ВТ-« 1,6 13500 9,05 2,4 1Д 0,162

5 Тктан ВТ-8 1,65 13600 8,35 ' 2,15 1,1 0,16

Сталь ЭИ-437Е была забракована из-за технологических трудностей ее обработки резанием. Тетановые шлавы ВТ-6 и ВТ-8 с омичееташ сащху тйвлекием, более чем в 2 раза превышающим сталь 12Х13Ш0Т, ш технологичные в обработке были принята для гапьз насосных БДИТ,

В резузгьтате КПД насосных ЭД был повышен ш 4-5% иря частоте врада.еншг 4000 1/мин.

Лшага результатов испытаний приводит к выводу, что з настоящее ярсдо пряиенегок металличегашх потьз при частотах вращения вышг 6С00 1/мин кеделесоабргако ю-га резкого возрастания шгерь.

Персдактпвяой а этом смысле является раг«работка новых высожоомзшх материалов, например сплавов тиган-алюмкний-железо с р ~ 2,5-3,0 Ом-мм/м2, однако требуется тщательное исследование их фшикокеханических н технологических сао{кпв.

Проведена работа по созданию дазсшассовш гильз, в которых потери «г шхрашх токов исюшчяютса.

Апробированы несколько марок литьевых пластмасс с достаточно высокими мшляшескими шказетешми и толщиной гильз 0,4-0.5 мм. Даяшейшее уменьшение толщины затрудняю т техталогаческим при-чанш. Указанная тотцииа означает 40-50%-е увеличение рабочего зазора ЗД, те вызывает необходимость применения новых магнитов или перепроектирование двигателя. Кроме того, пластмассовые гильзы выдерживали без даврзииюшй внутреннее давление з&аздкости не более £-10 агш, к ощутимо меняли свои размеры г диапазоне температур -40°-»-+60оС. Таким образом, пластмассовые гильзы могут быть использованы- яри ограниченном тшиературжш диапазоне 0-и-40*С- и отсутствии значительных внутренних

L3. Снижение потерь а насосных БДПТ кроекгно-конетрукхорекнми оюсобаш».

При жвнгашюх БДПТ полезней мощностью '100 Вт, частотой щятезтя 6ÛÛ0 1/иин, диаметром корпуса 80 мм и имевшего гильзу диаметром 40 мм из сплава ВТ-6, было установлено, что потери в ней . достигают! 35 Вт. .

В тоже время, из выражения (3) следует теедеящи® к снижению индукции, частоты ращения и диаметра гщьзы в пользу увеличена« осевой длины ее, Уменьшение диаметра гальзы, а следовательно и ротора, при пожышешюм немагнитном зазоре (ю-за размещены« гальзы) влечет за собой требование повышения коэрцитивной силы постоянных магнитов и повышения их магнитной энергии (ВхН) для компенсации уменьшения размеров.

С появлением редкоземельных магнитов ЗтСо5, удовлетворяющих этим условиям, взамен упомянутого ЭД был разработан дшстггздь ДЬ-б!>9СМ. При той же полезной мощности, скорости 4000 1/мин и диаметре гильзы 25 мм, он имеет диаметр корпуса 60 мм, а потери в гильзе составили 3.5 Вт.

Магниты двигателя выполнены в виде отдельных, прямоугольных брусков, что облегчает кх изготовление, камешкчены в радиальном направлении и установлены на маплггопроводящем вале ЭД. Длина двигателя выросла в 1,2 раза.

2. Экспсэдиментально-конструкторские и технологические работы по созданию оптимальной конструкции серки БДПТ

В начале 70-х годов, ко результатам накопленного опыта разработки, испытаний и эксплуатации трех поколений БДГГГ (около 35 тююразмерон) гачакмсь работы по созданию серии БДИТ, охватывающей да&вазон мощности от 1,0 до 100 Вт, на частотах вращения 3-10 тыс Л/»гик и ресурсом 10-20 тысл.

Мощность предшествующих ЭД достигали 15 Вт, ь ресурс кздетий составлял 7500 ч ври работе * газовой среде и 2500 ч ¡ери работе подашшшвдв з жидкости.

За первое десятилетие ^дествоваикя БДПТ были выявлены их слабые места в свете постоянного увеличения объемов производства и новых зкегшуатационннх требований: а) недостаточная теплостойкость германиевых датчиков Холла к шс уязвимость прк монтаже в ЭД из-за слабой конструкции; б) негежшшогичность обработки магнитов и значительный бра« их при шлифовке внутренних отверстий ((1= 3-8 мм) для посадки на игл: э ^ Л в) недостаточная коррозионная стойкость магнатом в иекстсрых теплоносителях; г> значительный отход материала щ>й изготовлении цельной гильзы и затруднения с обеспечением точности изготовления ее глухого "заднего" подшипникового "гнезда"; д) значительное количество деталей, требующих высокоточной обработки в связи с традиционной конструкцией - корпус плюс ¡юдкшщшковые щиты, • е) значительное количество мелжяго афшгзка дж скреаяшкя элемск-»хжкожлрукдии; ж) нетехявлогичность сжяяйаж я яоеятаующей обработан шихтованных пакетов железа статора; з) уязвимость гальванопокрьтзй алюмшдаевых корпусов ж механическим воздействиям в процессе производства.к эксплуатации.

К новым условием эксплуатации следует отнести работу БДЩ* в среде чкстг/го кислорода при высокой влажности (скафандр космонавта), работу в ' вакууме при высоких температурах, требование ощутимого повышений ресурса шаршкиюдшипшяюв, работающих вереде тегшскосишжй.

Решение перечисленных вопросов стало возможным также благодаря появление к этому времени новых магшшшх и изшшеишешх материагтв, новыхтезшологических процессов.

2.1. Констзруюсорско-техшлошческие решенш по корпусиай, части

БДГГГ.

Важным моментом для дальнейшего развштя БДГГГ во ВНИИЭМ стало устранение ДПР как отдельного узла. С ■ разработкой (сошестис с Истринским филиалом ВНИИЭМ) усиленной конструкции тшлостойжого - кремниевого датчика Холла, имеющего метагапсткхжий корпус м печатные выводы на гибкой яолшшкиной пленке, стало возможным поместить ело непосредственно в пазы на зубцах статбрного шкй-а. Для возбуждения датчиков стал использоваться силовой магнит ЭД. Совмещение ДПР с силовой частью двигателя позволило сократить его длину, га6ашпьс£ от "железа" и магнита ДПР. Освобождение торца двигателя от ДПР позволит» устанавливать на него хоммугапор; т.е. совместить его в единой конструкции с .двигателем.

Корпусная часть ЭД после ряда экспериментов и механических испытаний была построена по принципу "ежвозной расточки", когда минимум одно подшипниковое "гнездо 'имеет диаметр несколько больший диаметра ротора. Это позволяет обрабатывать оба подшипниховшг "гнезда" в сборе н собирать "гнездообразуюшие" детали та технологической оправке, обеспечивая минимальную несоосносп» "гнезд", что вгжно для повышения ресурса аод-шишшков.

Тонкостенный корпус (0,4-1 мм), при дкшетрях 32,40,50. 60 и 80 мм, выполняется, с целью наименьшего отхода материала, го сортамеитных труб стали 12Х1ЕН10Т. Яри этом устраняются гальванопокрытия корпуса и обеспечивается его высокая коррозионная стойкость.

В запрессованном в корпус "щите" (из той же стали) обрабатывается "передне?" (со стороны выходного конца вала ЭД) шдшигошковое "гнездо" совместно с поверхностями корпуса под установку статора ш для крепления его у потребителя. После посадки в корпус статора, запирающего передний "щит", на технологической оправке устанавливается задний щи*- с окончательно обработанным "задним" шдшшшиковым "гнездом"'. Задний щит запирает статор и приваривается к корпусу лазерной ига« аргоно-дуговой сваркой.

В результате образуется единый монолитный корпус, готовый к установке ротора, с максимальной несоосностью подшипниковых "гнезд" 10-12 мкм (рис.2). Как видно, отсутствуют традиционные подшипниковые щиты как самостоятельные единицы при сборке, отсутствует крепеж, облегчается сборки (установка ротора) ЭД.

Гильза насосных двигателей, выполняемая ранее как единая деталь кз пруткового материала с большим отходом его в стружку, разделена т три части. Фланец гильзы, ее тонкостендая часть я донышко "гнезда" заднего иэдшияннка обрабатываются отдельно из соответствующих по размерам заготовок и свариваются лазерной сваркой. Это позволило уменьшить расход титеяов>зх сплавов в целом, заменить материал фланца на дешевый титановый шиав, повысить тонкость изготовления открытого (до сварки) заднего додиодшшкового "гнезда" (рж.З).

С шмшяешем электротехнической стала 2421 (аналога стали Э-44 ж свойствам), иыеюшей изоляционный керамический слой толщиной до 10 микрон, стало возможным перейти к »фтоно-дуговой шш лазерной

Замена традиционной, в несколько аюев, шзовой изолшцш на »5шш-ленную эгюхсиниым компаундом ЭП-49 позволила увеличить заполнение шва ы«гьж>, позысета технмюшчность укиадпк обмотжк.

2.2. Кснструкьтрскс-техзколошчвскиг решения по ротору.

Увеличение мощности БДЛГ при сохранении их малых габяретяо-яееовых показателей было достигяуго при использовании появившихся моно-кршггалличееагах магнитов ЮНДК35Т5АА с индукцией в рабочей точке Вг=0,85 тс, коэрцитивной силой 1^=1250 э и магнитной энергией ВхН ~ 10,6106 гс э.

Применяватиеся ршшпе литые машиш ЮНДК35Т5 «мели в рябочей точке Вт = 0,65 тл, Не « 8СЮ э и ВхН » 6-10® ге-э.

Механическая обработка монокристаллов сопровождается еще ■ большим количеством трещин и особенно сколов, чем у литых магнитов.

В результате анализа различных схем конструкции ротора и апробирования различшж технояогай его изготовления было реализован» следующее решение. Цвдтвддекческнй двух полюсный магнит с дугой полюсов 90° не ¡mear внутреннего тверстая, е ротор не имеет вала как такового. Магнит - внешней поверхностью устанавливается в тонкостенную (0,2-0,3 мм), обойшу т ндамагнитной стали 12X18H1QT, которая ш йсонезм сварквгэтся лазерной сваркой с двумя шлуосями, прилегающими к торцам магнита и образующими шдшшшюж "аайкк* я »иходаой швец "вала" ЭД. СешентооСразные полости между обоймой и лысками магнита заливаются зхюхшдным компаундом да предохранения от проворачивания метяита в обойме, а •шкяю для фтошпшой обработки шввгнен таверхшеш тонкостенной обоймы ("бочки" ротора), (рис.2).

В результате обеспечен практически 109%-ый выход годных магнитов при обработке, снят вопрос о коррозионной стойкости их в разных теплоносителях, улучшена щдродинашжа роторов, работающих в зидаэсга, устранена возможность проявления сзрышх дефекта» магнитов в эксзтиуйггацик и, т» самым, повышаза явдеж-госгс. БДПТ.

2.3. Коммугегор серии БДПТ.

К моменту разработав серим, в результате преимущественно схешгых, а также кондукторских решений, эволюциг их таб&ркшснгесовшс показателей выглядела следующим образом (тимугаторы епйельные от двигателей):

ТайшщЗ*) Год разработки Габариты (мм) Вес (кг) 1960 . 170X90X80 Ч -5 1 ]

1 1965 100X60X60 0,5

I 1970 70X50X50 0,25 тдеодекигеяьно к мощности двпгакгае 5-19 Вт.

Коммутатор разрабатываемой серия дш ЭД мощностью 10-15 Вт достиг размеров 1>хЬ - 50x50, при вес«! 0,12 кг, т.е. стая соизмерим с габаритами двигателя, что тюавелико установить' его на ЭД, и совместить их в единой конструкция (рис.2). Панели коммутатора, выполнекныс на 'жешикх платах (от 1-й до 3-х, ¡8 зазисомости от габарита ЭД), усгавтаиивяютс* нз пластмассовую крыижу на торце двигагш», вытюлшющую фуикщи теяло- я элекгрвтаолящии. Они закрываются в одновременна жшрщуютсл тонкостеккьш алшминяевыи колпаком, закрещенным развш&цовкой скольких ®го отверстий в гнезда на наружной поверхности ятаетмассовой крышки. На торце колпака размешена клеммная колодка со своей крышкой. Монтаж элеюгрорздиоэлеменгов (ЭРЭ) на панелях односторонний, предусматривающий тайку "волной". х

Значительная экспериментальная работа была проведена яо выбору материала зализки коммутатора и технологии самой заливки.

Ее иеш. и усилении крепления ЭРЭ на платах, повышении влагостойкости ежевш, a еа'.ша главное, в обеспечении тегаюшвода схемы на колпак. В результате, в качестве заливочного материала был выбран киксинт У;4-2,1 с. добавкой ишивдо. бора, зашярицовываемый в полость коммутатора под дашенкем, обеспечивает разномерную и плотную струпуру его. При этом коммутатор поддается разборке и ремонту, тсвомьку вкксинт не обладает адгезионными свойствами. Перегрев транзисторов ко&шутатора 8-и ваттного двигашие снижен в результате с 30° до 10°С и в целом обеспечена его рабстошособносп. при температуре окружашщей среди от -69° до +60®.

2.4.0бщая хяракгерисгта керш.

Созданная таким образом серия бесконтактных электродвителей постоянного тош БК-1 (модификация для работм в тазовой среде) и БК-2 (модификация для жидкой среды) состоит из сорока типоразмеров и прстрояиа на штга габаритах с диаметрами корпусов 32, 40, SO, 60 и SO мм (рис. 2, 3). При рабочем напряжении 27^В, ош охватывает диапазон мощности от 1,0 до 100 Вт, на частотах вращения от 3000 до 10000 1/мнн.

Принятые схшко-конструкторскке решения (о ш>дгашшш>вых узлах будет сказано отдельно) позволили повысить КПД двигателей, но сравнению с прс^ествующимя, на 10-25% и довестк era isa 6*м к 8-и габаритах серит до 75%. ' . :

Так называемый гамгазатегй. качества двигателей сзрш, т.®. отаюшешк полезной мэщносте к secy, ш сравнению с коллекторными двигателями примерно 1,5 ¡¡та ниже:

Тхбтит 4

Год разработки

Тип ЭД

Р2/С (Вт/жг)

Ш'б

1961

1956 1970 1973 5-3,4,5 БК-1 дом

511-200 Б иБГ

23-30 5,0

8,0-10,0 15.0 22,0

Это объясняется не только шличнем коммутатора, но ж стремлением сделать двигатели "голодными", т.е. с маакм перегревом, для ©беспсчени£ ресурсов, на гюргдох приилшающих ресурсы холяекгорнкх ЭД, к одаэв-ремеюж»; обеспечением вздешюсга до 0,96-0,99.

Тервт-ийзяиМ ресурс ЭД серии БК-1 доведен до 30-60 тыс. -ч, а наработка двигателей БК-2 до 10-25 тыс. ч е зависимости от ¡¿арки ■ теплоносителя.

Значительнее ишшше уделено унхфикгадаи конструкции двигателей серии. В рамках одного габарита - полностью взаимозаменяемы статарные шкеты, магнит, роторы, коммутаторы и их колпаки, шмжмньж коледки я др. детали модификаций БК-1 и БК-2.

Позднее, в развитие модификации БК-2 был разработан ряд гильзо-кашжгх 5ДПТ ткпа ДБ-60. (6 типоразмеров) для насосов с рвзяичкнми агрессивными средами и криогенных малшн.

При мощности от 16 до 100 Вт и частоте вращешиг от 600 до 4000 1/шш. аки конструктивно построены по пршщкпу, изложенному в разделе 1.3, с учетом всех решений по серии ЬК.

Двигатели серий БК и Д5 широка использую геи на станции "Мир" (более 100 ед.), не КА "Союз", "Молния", "Метеср", "Ресурс", "Электре'' г. системах терыорегулированш, космических скафандрах к дда других целей.

3. Разработка в исследование подшипниковых узлов

Как уже было отмечено, само появление БДПТ вызвано необходимостью радикального повышения ресурсов ЭД постоянного тока для нугад космической техники. С устранением щеточио-коллекгорноге узла из ЭД постоянного тока лимитером его ресурса'стая подшипниковый узел ¡в целом и шарикоподшипник в частности.

Использование в кжрвых разработках ВДГГГ опыта общешгандосгрои--тельного проекгарояаки» подшигшжовых узлов (со значительными нагрузками и идеальной смазкой), а также незнание специфики влтишя ка эхюрь? роторов с постояннышй магнитами, не позволяю получить ресурсы более 5-10 тыс. ч.

Специфика о1денки долговечности приборных шарикоподшипников (далее ш-п) с 4,и< 10 мм заключается в их малой нагрузке при одноразовой гнжяэдае консистеггшой смазш (естественно для изделий бгз регяаменто-ремонпшк работ). В этих условиях ш-п выходят из строя ие из-за усталости материала, как предусматривают методики расчета, основанные на формулах Л>тздберга-Паяьмгрсна, & из-за потери смазкой своих свойств. Как показывает мгфо»ой ошп . расхождение расчетов я опыта, при малых нагрузках ш-п с консистентной смазкой, достигает' 500 крат. Именно поэтому, при разработке серии БДПТ, и 1юслгдаующих изделий на их базе дет космической техтэга, уделено особое шшшю разработке ш-я узлов, реалъгой оценке их нагрузок идалшвечшкт ^ - ;

ЗЛ.Общшй шдаэд к построению подшяпишшзых узиов серии БК. Авртеируж опыт кокструй^авашм., «азьтетй и результатов дефекта-сдоенных разборок БДЩ неркых ткояешш, установлено следующее: г) выход го строя т-п, работающих в газовой среде, происходит, как правило., ш-зг поломки их сепараторов, вызванной, в свою очередь, потерей смазкой своих свойств (высьшшж, коксование, засорение); б) выход из строя щ-п, работающих в жидкой среде, происходит из-з» интенсивного износа желобов колец (преимущественно внутреннего) и шефов, в связи с работой в условиях масляного голодания, так как теплоносители обладает значительно худшими. чем консистентные смазки, смазывающими свойствами; в) традиционное построение конструкции ЭД с пошлипниковыми щитами, ггри малом расстоянии ("базе") между гп-п, характерном для микродвигателей, не позволяет обеспечить несоосьость -подшипников 2 -4 угловых минуты, необходимых дай обеспечения больших ресурсов; г) технологические возможности производства не обеспечивают необходимых возросших требований по точности изготовления существующих КГ/КСГруКДИ?.

Проведенные расчеты долговечности приборных ш-п по различным методикам (в том числе и инофнрмениим), а также широхий акачш отечественного и зарубежного опыта разработок подшипниковых узлов с приборными ш-п, выявил (в главных чертах) следующее: а) расчет яриборных ш-п по общепромышленной методике ГОСТ 12855-82 приводит к завышению долговечности их —100 рез, при стандартном коэффициенте зашса 33; б) контрольный рзсчет долге вечности по усовершенствованным методикам последних 20 лег, дает завышение «дамки в 3-3 раз; в) посадочные зазоры приборных ш-п в корпус составляют, в зарубежной практике, от нескольких единиц до долей мкм, при нормированном отечественном поле допуска до 10 мкм; г) коэффициенты запаса при расчете долговечности приборных ш-п специалистами США предлагаются следующие:

20 - "легкая" яагрузха 7 - "ергцздяй" кагрузка 4 - "тюн-елая* кагруакя; д) ими же, при необходимости обеспечения высокой надежности ш-п, предлагается ив^аекие в формулу долговечности следующих козффтщеэтов:

Таблицу 3 Вероятность безотказной 1 90 95 97 99 Работы, %: Коэфф. надежности | 1 0,62 0,44 0Д1

В связи с шкожсснньш, при разработке подшшпажошлх узлов с по»ы-шешшпш требованиями к их ресурсу, было обращено пристальное внимание иримеяснне выоэкожачвствеиных шаржкоподшшшиков;

1ак хришшвеемого.

В шяаке 7©-х годов, и> детальному техническому заданию ВНИИЭМ, вдешяпдоковдй промышлсныостыо била разработана до^кввлш за ряд ш-ядаш серии БК с «щтршвтш. даашжрами 2-8 мм. '

Эт© радЕяишше нержавеющие ташпшвдихк из стали 11Х18М таердостак» Нцг 9 62, петого класса точности, с двумя защитными ошшне шайбами. По внутренним размерам они соответствуют ставдартным ш-а "ляпю1Г сери», ж Ерягзтомг.

• имеют большую ширину "В*, компенсирует повышенные Посадочные зазоры в корпус (как указывалось до 10 мкм) и обеспечшает достижение ©шимаяшых угловых перекосов колец дмп Д - 8®, где 5- тс&

- шеют бэявшшй шруншмй дашеяр В, т.е. утолщенные наружные кольца, «т> эриравйиваег их ж диаметру ротор® и позволяет устанавливав, в "гдаэда" корпуса без тодашозиковнк щитов;

- имекгг 2-к> груицу рэдиальяых зазоров 10-16 ш и повышенный "развал" желобов г«/«^ (гж - рялауе желоба колыга, ^ - диаметр шариков) -я т. и другое способствует лучшему досщжатяю угловых перекосов, сшжаег

1 н .шум ш-к.

Под оптимальными условиями эксплуатации ш-п подразумевается, в первую очередь, достижение их минимально возможной несоосности (перекосов). Эта задача была решена принятой схемой конструкции "сквозной расточки", которая описана в разделе 2.1. И именно с этой целью разработаны ш-п с увеличенным наружным диаметром. Это также помогает избежать про ворота наружных колец "плавающих" ш-п в "гнездах" (благодаря ощутимому увеличению массы колец), и способствует сохранению геометрии желобов наружных колец с повышением их жесткости. •

После многолетнего апробирования различных приборных (маловязких) консистентных смазок: ВНИИН-214, ВНИИНП-293, ЦИАТИМ-221С, СК2-06, ВНИИНП-271, предпочтение было отдано "литиевой" смазке ВНИИНП-271, имеющей малую вязкость 1-3 га при 20°С и малую испаряемость в диапазоне температур -60 * +120°С.

Длительная работоспособность смазки обеспечивается низкими контакт: шми Напряжениями й ш-п, не превышающими (10-15)-103 кг/см2, при допустимом для общепромышленных ш-п напряжении (40-50)-103 кг/см2. Введение в ш-п зшшшшх шайб, а также лабириншо-шелевых уплотнений в конструкцию ЭД способствовало длительному сохранению количества и частоты смазки.

В результате перечисленных конструкторских мероприятий, подтвержденных многолетними ресурсными испытаниями и натурной эксплуатацией, гарантийный ресурс Б ДОТ серии БК-1 увеличен до 30-60 тыс.ч, что в 1,5-2 раза больше ресурсов, гарантируемых другими отечественными фирмами.

Большой объем статистического материала испытаний БДГТТ в течении 20 лет позволил вывести простую эмпирическую формулу оценки долговечности слабонагруженных приборных ш-п с консистентной смазкой.

За базовые параметры формулы приняты так называемый "скоростной фактор" [<3-и], где & - средний диаметр ш-п, а "п* - частота вравдения, и контактное напряжение [о,] в ш-п обратно пропорциональные долговечности:

40-Юк т =--— ч {5}

Погрешность приведенной формулы, апробированной на 50-и изделиях разных типоразмеров, составила не более 30%, что следует признать более чем удовлетворительным.

В результате становится возможным реально оценивать долговечность таких ш-п уже на стадии проектирования.

3.2. Мероприятия по повышению надежности и качества подшипников и их узлов в целом.

Характерной особенностью БДПТ с постоянными мошкрнсталлическики магнитами является «равномерность их магнитного шля, вызываемая технологическими особенностями изготовления магнитов. В этом случае появляется- трудно учитываемая радиальная нагрузка ("одностороннее тяжение ротора"), вращающаяся вместе с ротором и ¡шзывающа» дшшшческую неустойчивость положения ротора, удары ш-п о . "гнезда" корпуса, постепенное образование и накопление мелках дефектов на телах качения ш-п. .

Отработанная и внедренная во ВНИИЭМ система виброакустического контроля качества изготовления БДПТ позволила выявлять подобные дефекты и начальные дефекты самих ш-п в собранных изделиях.

Влияние неравномерности магнитного поля на динамику ротора оценивалось анализом спектрального состава низкочастотных вибраций, измеренных на корпусе ЭД. В частом случае, для БДПТ с двух полюсным магнитом и четырех зубцовым статором, при вращении магнита происходят его "захвате!" зубцами статора через 90°, четыре раза за оборот. При отсутствии неравномерности магнитного шля, в узкошлосном спектре ■ тявляется ^чистая" четвертая гармоника частоты аращения в виде четкого пика, без боковых полос модуляции, превышающая уровень фона на 20 дБ.

Колебания ротора с "односторонним тяженкем" возбуждают пиковь!е зозмущения и на близлежащих частотах. В результате исследований было установлено пороговое (допустимое) значение вибрации на корпусе ЭД: d„ Г 5 дБ, которое было введено в конструкторскую документацию, в качестве обязательного контроля двигателей.

Благодаря виброконтролю БДПТ были выявлены и устранены дефекты ш-п в виде вмятин на желобах. Значение нормализованной вибрации dBm при наличии указанных вмятин составило от 20 до 35 дБ. Виброконтроль осуществляется прибором "Звук-Г с измерительным щупом, гфижимаемым к корпусу ЭД, а результаты замеров оцениваются по шкальному прибору, с предварительной'выставкой на нем частоты вращения и диаметра ш-п. *

3.3. Исследование подшипников БДПТ, работающих в жидкой среде.

Как уже отмечалось, ш-п, эксплуатирующиеся в среде теплоносителей (жидкости на основе антифризов, изоокгана, полиметилсилоксановые и др.), имеющих низкие смазочные свойства, работают в условиях масляного голодания. В связи с этим, они болезненно воспринимают любое, непредусмотренное увеличение нагрузки (особенно осевой), что гфиводнт к резкому снижению их ресурса.

Проведенные совместно с РКК "Энергия" и "Днепромашем" исследования причин отказов ЭНА на 1000 й 3000 ч выявили, что причиной отказов ш-п БДПТ явился интенсивный износ тел качения в связи с осевой »той 1-2 кг, создаваемой колесами центробежных насосов, из-за разницы давлений на передней и задней стенке колеса. В обоих случаях введение на задней стенке колеса отверстий-перетекателей снизило осевую силу до 03-0,S кг и обеспечило ресурсы 5-10 тыс.ч.

Проведено исследование влияния радиальных сил "одностороннего гя-жеиия ротора", вызываемого магнитной неуравновешенностью магнита (см.раздел 3.2.) на ресурс ш-п, работающих в жидкости.

Как установлено, неоднородность свойств магнита по объему приводит к разности индукции на поверхности полюсов двух полюсного магнита до 15%, а соответствующая разница сил тяжения полюсов составляет до 0,5 кг (при DMm=28 мм).

Анализируя дефектациенные разборки ш-п двигателей, работавших та аншфризе, было установлено, что зона износа желобов внутренних колец ш-п составляет 60®-90® по окружности желоба, а максимум выработки совпадает с вектором^ силы тяжения ротора. Такой износ хорошо коррел!фуе1ся с характером "местного" нагружеши внуфеннего кольца силой сзжениг ротора, вращающейся вместе с ним. "Циркуляционно" нагруженное наружное кольцо наносов не имеет.

Для установление корреляции между силой радиального тяжения ротора и ресурсом БДЯТ, та ~ 50 роторах разных габаритов ЭД датчиком Холла бына косвенно оценена разница индукции полюсов магнита. Установлено, что -гари разнице швдужцда 1-3% ресурс ЭД составил 20-12 тые.ч, при разнице Ф-7%- 10-5 тыс.4, в ири разнице 8-12% -3-1 тыс.ч (рис.4).

В результате а конструкторскую документацию было введено ограничение разницы индукций на полюсах магнита, 4% и обеспечены стабильные ресурсы «в-н, работающих в гтфризе, не менее 10000 ч.

Работа ш-п в "юооктаие" и полиме>галсилоксановых жидкостях, обла-- дающих лучшими смгзывающимк свойствами. обеспечивает ресурс от 15 до 25'Псс.ч. "

3.4, Исследование работоспособности подшипников и смазок в вакууме.

С развитием космической техники постоянно рос и объем научной и служебной аппаратуры КА, при ограниченных возможностях размещения ее в гсрмоотсеках малых и средник КА. Таким образом, к концу 70-х годов вырисовывалась потребность как в создании новых электромеханических устройств (например двигагелн-маховшш), так и в обеспечении их работы в вакууме. Решение этой задачи, в основном, зависит от работоспособности смазки ш-п, интенсивна испаряющейся в вакууме.

Шарикоподшипники с твердыми тонкослойными смазками на кольцах, шш с самосмйзьгвгющкыи сепараторами, разработанные подшипниковой промышленностью, не обеспечивали необходимых ресурсов и стабильности результатов из-за отсутствия промышленной технологии нанесения покрытии и существенного изменения момента трения в ш-п с течение времени. Поэтому, оптимальным решением вопроса, с точки зрения ресурса, считалось использование обычных ш-п, со смазкой ВНИИНП-274, степень упругости паров которой, ш данным разных фирм, составляет: 10'® -10'" мм.рт.ст. при 20°С 10'7-Ю"5 мм.рт.ст. при 50°С 10"3 -10* мм.рг.ст. при 100°С.

Однако вязкость смазки* ВНИННП--274, по сравнению с ВНШШ11-271, в 3-5 раз- больше, что вызывает затруднения при частой необходимости обеспечения малых моментов трения в ш-п.

В связи с этим, дм испытания работоспособности смазок в вакууме был разработай экспериментальный блок с 12-ю ЭД БК-1416 (п=60001/мин) и четырьмя ЭД ДСГ-1, установленный на внешней обшивке КА "Метеор", имевшего высоту орбиты 600 км.

По данным американских аппаратов "Рейнджер", мшуу» на этой высоте составляет 510"* мм.рт.ст.

Достоверные данные о давлении на поверхности КА, которое всегда больше, из-за гажения конструкционных материалов, отсутствуют. Но о нем можно судить косвенно, по данным для орбты 300 км (станция "Мир"), где давление в открытом пространстве и на поверхности КА составляет 10"7 мм.рт.ст. и Ю'3 -10"* мм.рт.ст. соответственно.

Двигатели со смазками В-274, В-284 и В-271 испьпывались в течение трех лег, до прекращения работы КА, и наработали без отказов от 10 до 14 тыс.ч.

Испытания проводились на холостом ходу, что способствовало обнаружению увеличений момента трениа в ш-п при изменении свойств смазки, по заметному изменению потребляемого тока.

Однако, по уровню сигналов телеметрических датчиков, установленных в автоматах отключения ЭД, не зафиксировано каких-либо изменений.

5 результате можно констатировать, что маловязкая смазка ВНИИНП-27! работоспособна 30000 ч при вакууме !Р"2 - 10-^ мм.рт.ст

4. Особенности коаструкшю специальных изделий на базе БидТ

К началу 80-х годов, для модернизированного КА "Метеор", а также ч новых КА "Ресурс" и "Электро", был разработан ряд электромеханических устройств на базе БДПТ.

К ним, в первую очередь, относятся:

- электродвигатель-маховик ДМ для систем ориентации и стабилизации КА в пространств; ■

- электродвигатели ДПС (несколько модификаций) .для сканера среднего разрешения;

- эяестродвигатель-генератор ДГ-1, вторичный источник питания сканера высокого разрешения.

4.1. Двигатель-маховик ДМ.

ДМ • управляемый бесконтактный моментиьш двигатель постоянного тока. ДПР - датчик Холла и силовые магниты двигателя. Управление ДМ, в части определения величины кинетического момента и его знака (частоты и направления вращения) осуществляется двумя огггошрами, элементы которых рззделеиы тонЕостешаш вращающимся адаливдром с 240 ствереггаями.

Кинетический момент, н-м-сек ±20,0

Реакшшый момент, н-м ±25

Максимально оотребляемая мощность, Вт 70,0 Максишаякшя частота вращения, 1/мин 1100 МаЬса, кг • 10,8

Габариты ¡ОхЬ, мм 390x160

При традиционном для БДПТ требовании обеспечения высокого ресурса, к двигателю-маховику предъявляются требования низкого тормозного момента, в том числе ню кого трения в опорах, г желательно полного отсутствия знакопеременных моментов, магнитных "захватов" и радиальных тажений.

Для удовлетворения этих требований разработана конструкция двигателя с немагнитным якорем, обмотка которого расположена в зазоре магнитной системы ротора, что полностью исключает потери на перемагничи-вание якоря, разгружает подшипники от сил магнитных тяжений, устраняет магнитные зубыовые "захваты".

Якорь-статор в вице тонкостенного пластмассового цилиндра е обмоткой и маггаттровод-ротор, состоящий из внешнего магнитопровода с 18-ю магнитами NdFeB и внутреннего магнитопровода, развиты до диаметра 360 мм. Таким образом, активная часть двигателя - ротор одновременно выполняет функцию маховика (рис.5). Бели применить к двигателю-маховику понятие показателя качества ЭД P/G, заменив мощность на момент инерции ротора-маховика J/G, то этот показатель качества конструкции, благодаря принятой ее схеме, в 1,5-2 раза выше (при одной частоте вращения), чем у известных маховиков (Teidix - ФРГ, SRW-Англия, RWA - США, 40Т10 - НПО «Полюс» г. Томск).

Аэродинамические потери, ротора указанного диаметра составляют 1100 г-см в нормальной атмосфере, -60 г ем при 50 мм.рт.ст., и, практически, равны 0 при 10"' мм.рт.ст. С этой точки зрения выгодна работа маховика в вакууме. Однако для обеспечения малых моментов трения вего опорах 2030 г -см при п<200 1/мнн желательно использование смазки ВНИИНЦ-271, надежно работающей при незначительных разрежениях среды.

Создание для ДМ магнитного клапана давления двухстороннего действия с порогом срабатываний 40-60 мм.рт.ст. позволило найти необходимое компромиссное решение. При этом маховик находится внутри тонкостенного, алюминиевого герметичного кожуха, ее испытывающего значительных нагрузок, как это имело бы место при герметизации без клапана, с перепадом давлений 1 атм.

В результате, при обеспечении всех предъявляемых к ДМ требований и малых габаритно-весовых показателей ресурс ДМ на испытаниях составляет 80 тыс.ч, а наработка в натурной эксплуатации - 50 тыс.ч без отказов.

В изделии применены радиально-ушрные ш-п 4-го класса точности, с осевым "преднатяшм" (предвгршельное нагружение ш-п осевок силой) '6 кг, обеспечивающим "включение" в работу всех шаров и улучшающим вкбросостояние и плавность работы га-:а

Прегоютяг- о&лфжтялтхк малогабаритной "разрезной" пружиной с жесткой хжрж1ершл№ом~30 кг/мм к иалэй осевой деформацией.

Осевой темшрггурно-хшякшсгш5яоюа.ш зазор г подшипниковой системе о6есяеч1И»еетея дашшфвэкой запирающей ш-п детали, во фактическим за&терам в сборе и составляет 0,02 им. Этой величиной мрашгажаетеа раскрьттиэ радкаиьно-упориых ш-п при ■ воздействий ш маховик осевых сив 80-200 кг (при весе ротора ~6 кг) в процессе выведения КА на орбиту. ■

В целом ротор-каховнЕ миш гга схеме велосипедного колеса, т.е. вращается на щружгжж кольцах ш-п, с исиэльзовагшем концов неподвижной оси для крепления ДМ на объекте.

По результатах^ разработки последующих даитателей-дгаховжов проведен анализ подхода к ия проектированию. ДМ включает в себя целый комплекс технических параметров, отимальиое выполнение которых сопряжено с удовлетворением нратшореадашх требований. При заданных кинетическом моменте: Ои, управляющем моменте Му и желательном минимальном истреблении, Р, заказчику требуются минимальные габаритно-весовые гашяашш к зжтяшаявдкресурс.

На яершсн взгляд эж параметры не связаны друг с другш. Отто в формулах юшешчеешго момеига Оа = 1*ю5 да I - момент икеу-иш махоаша, а ю - частота его зращшш, и шгереблаемой мощности Р=Му-?й присутствует общий параметр е>. Уменьшение ю (при постэжшых С„ и М, ), как видно, приводит х росту I, и. следовательно, росту радуга К маховика и массы изделия, и уменьшению Р. и »шоборот.

Практически все параметры ДМ связаны с угловой скоростью, причем влияние ее на С„ ; Му ; Я; <3(вес), в случае ее увеличения, благотворно,а на величину потребляемой мощности, ресурс ш-п, напряжение в ободе маховика отрицательно.

Таким образом, задача общего проектирования ДМ (при заданных Сш и Му ) сводится, варьированием частоты вращения со, к выбору приоритета: минимальное потребление или минимальные габаритно-весовые показатели. Чаще всего это поиск компромисса между этими величинами. Увеличение со, позволяющее снизить I, а следовательно - и габаритно-массовые характеристики вызмвгег вопрос о достижимости необходимого ресурса шарикоподшипников. Однако накопление знаний о режимах эксплуатации ДМ я условиях КА, позволяет утверждать, что снижения ресурса опор ожидать не следует.

На орбите этому способствует условие невесомости, а также работа ДМ подавляющую часть ресурса, с частотой вращения не более 30% от максимальной (расчетной). В условиях наземных испытаний обеспечению ресурса способствуют снижение масс маховика и, следовательно, нагрузок на ш-п, а также уменьшение диаметра ш-п и сохранение его «скоростного, фактора» несмотря на рост п.

Таким образом' три достижении приемлемою потребления Р, тенденцию увеличения скорости маховжов следует считать целесообразной.

С чисто конструкторских позиций, оценка многочисленных вариантов сочетания радиуса маховика Я и момента инерции 1 (при принятых С„ и ш) с целью достижения минимальных габаритов и весов, показала следующее:

- в случае "чистого" махозика (например насаживаемого на вал ЭД), у которого толщина обода меняется с изменением Я - минимальные габариты и вес изделии достигаются при отношении марсы обоаа мяхоашю к махе конструктивных элементов изделия ~ 0,66;

- при совмещении активных частей двигателя с ободом маховика, когда его толщина задана электротехническик расчетом (толщина магнитов и магкитопроведов) и, практически, не зависит от изменения

К, минимальные п&щты и веса изделия обеспечиваются при соответствуюгаем отношении -1,2 для гашшх частот вращения (10002000 Шин), и -0,4 для ~п=6000 I /мин. Последнее низкое отношение о&ьясняется конструктивно-технологическими сложностями в обеспечении требуемых малых сечений конструктивных элементов малогабаритных ДМ 4.2. Эяегароддагахав» ДПС - пр«а©д отто-иехакизеской развертки

Управляемый БДИТ с даетвш Холла в качестве ДПР и ояшко-элегг- -рзнкым ргхщыътв датчиком обркгаой связи. Кмеетсг 5 ксл-ожяглй с чгстотада вращенш от 120 до 1900 2/мик.

Обешечшзет стабильность мтеавеиней скорости вращения с шшй нудой колебаний 10 - 40 углевых с.

К ошбегамктям изделия следует отнести:

- полый кал, дта ирохаидения светового луча от одною узла сканера к • дутому,

- осевые зазоры меэкду элементами онго-пф и раггрс-в&ши даекамм менее ОД мм;

- жесткие требеяашм к тачнасти размер«® ш биеяей м»ш>дяшс концов вала, т которых монтируются враязающийся раетрввмй диск и шшш сканирующего устройств.

Для обеспеченна гамш>1 указанных условий и требований прнкятк следующие схемне-к&нструкторасие решения. ва равкймершетб, вращеда®, гетшшэш. бесшзеше жеаезо тщт, в виде шихта-ваннст пакета % кашвдезых шш&к элекязроггежвнчесшй сяш. При 'этом, обметка ЭД с датчжши Хаяла расшшдатгй к тзшдасташюм пластмассовом каркасе, усгаазавливаемом в пакете железа якоря .

С целью уменьшения радиальных магнитных тяжений ротор выполню многогкшосным, с 8-ю магнитами SaCo5, обладающими стабильной структурой и равномерностью магнитных характеристик.

В связи с наличием отверстия (d=28 мм) в вале, применены специальные радиально-упорные ш-п 4-го класса точности, диаметром 40мм. Несмотря не относительно большой диаметр, они по своему малому "активному сечению" (dxDxB) аналогичны маяогабаритшлм приборным ш-п.

Увеличенное число малоразмерных шаров (2x^24x3,18) в ш-п также способствует «о плавной работе.

В связи с требованием малых осевых пзреиещекий сканирующего узла, закрепленного на валу дошгателя, и малыми зазорами я оото-растровом датчике, принят жесткий осевой ярспнатаг на ш-п, с созданием в них и элементах конструкции суммарной упругой деформации 3-5 мкм.

Предварительно определялась характеристика жесткости ш-п. Трабо-ваш*е точности размеров и биений конце* вала относительно посадочной поверхности ДОС в (феаеяак 5 мкм обеспечено обрябеткой их в собранном изделии на штзшых яг-п.

4.3. Дв)кгатеш>-генерагор ДГ-1.

ДГ-1 машинный преобразователь бортового напряжения 27*?4 в стаошдаиреегжз« напряжешге 28+0,5 В для питания сканера высокого разрешения КА "Элекгро".

Максимальная мощность БДЯТ - 150 Вт, бесконтактного генератора -75 Вт, при частоте вращения 8009 1/мин и габаритах DxL~ 100x100 мм.

Размещение дзэтгтеля и генератора указанных мощностей в относительно небольшом объеме достигнуто благодаря их коаксиальному расположению. При этом яхори того и другого выполнены беэжелезнымм и бескаркасными, с залшкой тонкослойных цилиндрических обмоток компаунаоы. Постоянные нашиты двигателя расположены ш магкитопроводе внутри обмотки двигателя, а магниты генератора снаружи его обмотки на внешней части того же кагшгтопровода.

В зазоре между обмотками двигателя и генератора находится общая для них часть того же магннгопрояода (рис.6). Таким образом, магнитоировод с магнитами представляет собой ротор-маховик (1>=85 мм), способствующий сгяаиашанию угловых колебаний вращения, вызьшаемых изменениями питающего напряжения или внешними механическими воздействиями.

Принятые решения, как и в двигателе-маховике, устраняет потери на перемагннчивание якоря, магнитные зубцовые захваты и радиальные гяжениа. что благотворно сказывается т работе га-п.

В результате габаркгно-веговые показатели ДГ-1 в несколько раз меньше аналогичного по мощности статического преобразователя.

5. ЬДП? с гшгоостагичсскшш опорами для злектроиагасиых агрегатов

На фоне непрерьжю растущих требований к ресурсу бортового электрооборудования особенно неблагоприятно обстоит дело с ресурсом ЭД, ш-п которых работают в жидкости. Трудности в ег© повышении рассмотрев в раздел 3.3.

Можно утверждать, что радикального увеличена«® ресурса в згом случае на ш-п и подшипниках сколыкекия, при испольэовашш тршвщиомшх теплоносителей, ожидать нельзя

Таким образом, наиболее першекпшшмн опорами для двигателей ЭНА являются бесконтактные, т.е. магнитные или гидроопоры. Поскольку магнитные опоры при всех их достоинствах весьма сложны для малогабаритных изделий, а также учитывая присущее насесиым БДПТ, наличие жидкости в полости як ротора, целесообразно отдать тдэедпочтение гацроопорам. Из известных видов таких подшипников - гщростатичеаше подш-йпники (ГСП), шкродингюические (ГДП), гибридные (сыепшжые) (ТТЛ), целесообразно отдать предаочтегаге ГСП, имеющим следующие преимущества:

- устойчивое вращение ротора на опорах, без явления самовозбуждающегося "полускоросгного вихря" (периодически возникающие вибрации ротора с частотой равной половине частоты вращения и амплитудой равной рабочему зазору подшипника), присущего ГДП;

- меньшие потери на трение, в связи с ламинарным характером течения жидкости в опоре;

- лучшие температурные режимы опоры, а связи с активным протоком жадкоспж;

- сравнительная пэостога изготовления, в связи с ощутимо большим рабочим зазором в опоре, чем у ГДП.

В связи с необходимостью, как представлялось ранее, наличия автономного источника питания опор ГСП, что весьма затруднительно на КА, делались попытки разработок ЭД, в этих целях на ГДП. Однако, по указанным выше причинам, они не были удачными, и не получили развития.

В то же время, исследования проведешше so ВНИИЗМ показали, что расход жидкости через опору ГСП диаметром 20-30 мм, гфи давлениях 0,5-2,0 атм (т.е. в диапазоне нагюров малорасходных насосов, применяощихся на КА) составляет не более 5-7% расхода насоса.

Из этого следует, что подпитка ГСП двюитеяя вдяют безболезненно осуществляться от приводимого им насоса, без применения автономного шточншса давления. При запуске и остановке ЭД опоры будут pá60Tan> в режиме ГДП.

Разработан и испытан БДПТ типа ДБ-64-90-6Г с опорами, действующими по этому принципу.

5.1. Исследование работы опор ГСП.

По существующей классификации опоры выполнены как полиоохваткый. 360°-й, многокамерный подшипник. Собственно подшипник, выполненный ж оловянисто-фосфорной бронзы, имеет 6 камер(карманов), каждая из которых питается через жиклер с d=0,4 мм. Цапфы подшипника на роторе гладкие, цилиндрические из нержавеющей стали 14Х17Н2, каленой до

НН.с=42. Размеры опоры 0x1X24,3x20 мм. при рабочем зазоре 35 мкм. На опытных образцах БДПТ опоры подвергались следующим испытаниям: э) при питании опор от автономного источника и использовании ротора-имитатора без магнитов (для исключения магнитных тяжений) определялась величина всплытия ротора (или его эксцентриситет) при различных напорах подаваемой жидкости, радиальных нагрузках, рабочем зазоре и диамегграх жиклеров (рис.7); б) определялся расход жидкости через опору при варьировании укг-загашх аарамегроз; в) определялась гидравлические потери в опорах (рис.8).

Ее привода многообъёмных результатов всех испытаний, можно отметить, что при указанных выше геометрических параметрах опор, давлении жидкости в приемной камере опоры 1 ати и вязкости жидкости у= 2,5 сст результаты испытаний следующие:

- при радиальной нагрузке на оперу Р=0,6 кг, величина всплытия ротора (цапфы) 26 шш или эксцентриситет е=9 мкм;

- расход жидкости через опору 5 см3/сек, что составляем 5% от расхода, предусмотренного штатного насоса;

- суммарные жидкостные потери в БДПТ 19 Вт, из которых на споры приходится 15 Вт,

Из приведенных данных следует:

- жесткость ©норы С„=Р/е составляет 0,07 кг/мкм, что с хорошим запасом обсскечивает всплытие ротора с колесами насоса, весящих суммарно 0,5 кг;

- повышение потерь в ©порах на 16-12 Вт да сравдашво с ш-п, для ЭД мошкостаде 90-109 Вт ж щтп/ешо, учшъшая резадй рьгаек в увеличении ресурса на дарадек.

5.2. Осевые подпятники ротора.

Для уравновешивания осевых сил, создаваемых колесами центробежных насосов, предусмотрено выполнение ЭНА с двумя насосами, расположенными с обеих сторон ЭД.

В случае применения одного насоса, а также для компенсации разброса осевых сил двух насосов в Б ДТП' предусмотрены осезые магнитные под-шггкгасн. Каждый из них представляет собой пару встречно намагниченных в осевом направлении магнитов КДОеВ в авде шайб.

Как вращающийся на роторе, так и неподвижный на корпусе, магниты каждой пары заключены в магнмтопроводящие каппы. Они образуют на торцах своего внутреннего и внешнего контура пучности магнитного потока, повышающие крутизну характеристики подпятников. Одновременно они защищают магниты от механических повреждений и химического воздействия жидкостей.

Подпятник из магнитов с размерами Охс1х1 = 19x10x3 развивает при нулевом зазоре усилие отталкивания 2,5-2,8 кг. При смещении ротора в осевом направлении на величин)' зазора в подпятнике 0,4 мм (в это время зазор во втором подпятнике достигнет 0,8 мм) суммарная жесткость пары подпятников составлБет 10 кг/мм (рис.9).

5.3. Общая характеристика ЭД ДБ-64-90-6Г.

Электродвигатель по конструкщт аналогичен двигателям БК-2, т.е. имеет совмещенный с силовой частью ДПР и герметичную гильзу, ротор четырех полюсный с редкоземельными магнитами, коммутатор отдельный.

Для дополнительной очистки жидкости, поступающей из насоса в приемные камерь: каждой опоры двигателя, в ник установлены фильтры тонкой очистки (размер ячейки 20 мкм). Жидкость, поступающая из приемных камер через жиклеры в "карманы" подшипника и отработанная в нем, через каналы в корпусе. ЭД и насоса возвращается на входной патрубок насоса (рис.10). В принципе, ресурс опор зависит только от чистоты жидкости, а также числа пускав двигателя. После 1300 пусков и остановок ЭД следов износа жщтипников и яапф ротора не обнаружен».

Делезная мощность ЭД • 90 Вт, при частоте вращения 6000 1/мин, проектный ресурс 100 тыс.ч. Для повышения надежности ЭД выполнен ш схеме с "холодным"' резервом, т.е. имеет 2 комплекта датчиков Холла и резервный канал в коммутаторе. ЭНА, "строящийся" на двигателе, состоит из двух шее сов, расположенных по обе стороны двигателя я создает суммарный расход 0=12л/шан при напоре Н=1 зам, ЭНА с двигателем ДБ-64-90-6Г усганамгавастсв на МКС "Альфа", замени 8-10 ЭНА с двигателями на ШарШКНЮДШВШВШЕЯХ.

К достоинствам ЭНА с такими ЭД следует отнести резкое снижение шума в перспективу дальнейшего роста ресурса, по мере роста долговечности ЭРЭ.

Отсутствие в опорах ЭД каких-либо спедаалышх смазок позволяет примешть такта агрегаты s медицине, фармакологии, топливной, химической н пищевод промышленности.

В последнее дееятилеггае был разработан ряд БДГГГ общепромышленного назначения. При этэм апробировались некоторые швы» решен?*, неиспользовавшиеся ранее. Почти все эта ЭД трехфазные, с многопазовым стзторкьш железом, с малыми размерами зубца, что не шзволкет устанавливать датчик Холла в статор, какого имеет место в ярах БК и ДБ. В «вязи е этим ЭД вновь имеют автономный ДПР, однако с ¡появлением ¡редкоземельных магнитов и чувствительньвс микрогхем Холле (датчик совместно с усилителем шпала), работающих на штоках рассеяшж, потерь в !ЩР, описанных в разделе 1.1, не происходит.

6л. Электродвигатель ДБВ-40 для компьютерных вентиляторов. Имеет три исполнения со следующими параметрами (У=12 В):

Таблица 6 п(1/мин) ?2 (ВТ)

1 2000 0,15

2. 2500 оз

3 3000 0,5

Габариты 0x1=40x20 мм.

ЭД (рис.11) имеет внешний торцевой ротор га тесгиполюсного ферритового магнита (намагниченного в осевом направлении) в виде плоской шайбы, заключенной в тонкостенный магкитопровод. Последний коноэльно закреплен на вал}' ЭД.

Корпусная часть состоит ш металлокерамтеского дпска-ыагклопроведя (толщина 3 мм) с развитой, из внутренне*- диаметре, ступицей для додшшшиков. На торце диска, обращенном к ротору, закреплены 6 секто-рообразных катушек двигательной обметь и одна микросхема. Холла.

На противоположном торце диска установлен коммутатор, состоящий из одной печатной платы с 9-ю ЭРЭ.

По наружному диаметру и торцу, противоположному ротору, двигатель закрыт тонкостенным пластмассовым колпаком.

ЭД имеет два выводных конца"+" икак у обычного коллекторного двигателя.

Колесо осевого вентилятора устанавливается на внешний диаметр магнита-ротора (рис. 11).

Приведенное конструкторское решение торцевою микро-БДПТ обеспечивает его дешивызну, так как:

- прессованный магнит механически не обрабатывается;

- в прессованном металлокерамическом корпусе обрабатываются толь ж подшипниковые "гнезда";

- гладкий (безступенчатый) вал обрабатывается бесцентровым шлифованием;

- отдельные катушки обмотки ЭД легко мотаются на шаблонах самок-леющимсж проводом, с получением заданной геометрической формы;

- пластмассовый колпак изготавливается экономичным литьевым прессованием.

6.2. Электродвигатели ДБ-20-30-40, ДБ-28-40-30 и ДБ-30-30-25.

Предназначены для стоматологии, стоматологической техники и автомобильного бензинового насоса соответственно, и имеют следующие параметры:

Таблица 7

0„мм п, 1/мин Вт

ДБ-20-30-40 20 27 40000 30

ДБ-28-40-30 28 27 30000 40

ДБ-30-30-25 30 14 25000 30

ЭД трехфазные, четыреясполюсные, коммутаторы отдельные.

Характерным для них является впервые примененный торцевый ДПР. Он сострит ш четырехполюсного магнита в виде шайбы, намагниченного в осевом направлении и консольно закрепленного на вале ЭД.

В пределах торцевой поверхности магнита, с зазором 0,5 мм от него, на печатной плате размещены 3 микросхемы Холла.-Они работают на потоке рассеяния магнита, так как не имеют под собой магшпопровода, в котором создавались бы потери от вихревых токов (рис.12).

В первых двух ЭД, учитывая значительные мощности в малом объеме л т встроен микровентилятор, который, вкупе с отверстиями в корпусе над лобовыми частями обмотки, позволил снизить перегрев га 25°С.

В связи с высокой частотой вращения ЭД, в них применены радиаль-но-упорные ш-п малого диаметра (с!=2-3 мм) с осевым преднатягом, осуществляемым прорезной пружиной.

Погружной ЭД ДБ-30-30-25 для бензинового насоса автомобилей ВАЗ предназначен для установки в бензобаке автомобиля.

• Для обеспечения приемлемого ресурса при п=25£Ю0 1/ммк в среде бензина, в качестве опор двигателя применены подшипники скольжения из графитофтороплаета 7В-2А, хорошо зарекомендовавшие себя при работа с жидкостями.

Учитывая наличие торцевого ДПР, осложняющего введение в ЭД герметичной гильзы, значительные потери, возникшие бы в гильзе при такой скорости, а также диэлектрические свойства бензина, герметизация обмотки статора, микросхем Холла и др. электрических цепей - не йроводияась.

6.3. Электродвигатель ДБ-80-90-3,5.

Предназначен для вентилятора кабины автомобилей ЗИЛ.

Мощность 90 Вт, при п=3500 1/мин и 7=24 В.

Имеет обращенную конструкцию, т.е. внутренний статор и внешний ротор, непосредственно на который устанавливается колесо центробежного вентилятора (рис.13). ^

Ротор - цилиндрический стальной магнитопровод, на внутренней поверхности которого вклеены 12 ферритовых магнитов Те-Ва, образующих четырехполюсную систему.

Магнитопровод ротора консольно затеплен на валу, ш-п опоры которого размещены внутри втулки несущей статор. Втулка заделана во фланец, использующийся для крепления ЭД с вентилятором. На флакце же установлены микросхемы Холла. Они установлены с зазором 0,5 мм от торцов роторных магнитов, причем их плоскость совпадает с образующей внутренжго диаметра ысашшов. Таким образом, микросхемы работают ш торцевых потоках ряссаяняж мягнивдв. Статориое железо ЭД ко типу якорного железа коллекторных ЭД (с пазами на внешней поверхности) позволяет вести машинную намотку 1 обмотки.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате прсеетгт-шнсгрукторской, исследовательской и опытно-, технологической работы для космической техника разработаны и внедрены гарошмщсгао и эксплуатацию: 35 тшюразмеро» БДПТ трех поколений, около 40 типоразмеров БДПТ серий БК-! и БК-2, 10 типоразмеров серии ДБ-60, 10 специализированных изделий на базе БДПТ.

Проксдетшые исследования конструкционных и магнитных материалов, шарикоподтюшшшов и явдшкпшисовых узлов, схем конструкции ■ шдеашй шшгояжт:

- уменьшитьпотери в злемектах конструкции БДПТ, в результате чего повысить их КПД да 7-3%; у ■ '

- увеличить в 7-10 раз ресурс и срок службы БДПТ, «по является их важнейшими шраметрамн;

- увеиитасгь ресурс насосных ЗД в 5-7 раз;

- обеспечить за счет конструкторских решений специфические требования, прёдьяаяяЫые к специальным изделиям на' базе БДПТ, при достижении ш малых га6армтж>-весобых показателей (высокое отношение Мх. ресурс 80 имс. ч);

- обесюечшь высота® качество и надежность БДПТ, при упрощении : шнстружотрско-рдажлогтегагах решений ш жжоль-зовании новых хонструкдакжньпс магшгшых и изоляционных материалов, а также новых технологи' ческих процессов а методов ¡шшроля.

Оценка технического уровня ЭД етрии БК, проведений! при «даче серии межведомственной комиссии, по методике ЦНИИМО-22, показала, что ЭД серии по своим технико-эксплуатационным показателям находятся на уровне зарубежных аналогов (фирмы: Siemens, ФРГ; Canon Seiki Со- Япония; Philips, Голландия; Evershed LTD, Англия).

Изделия серий БК-1 и ДБ-60 внедрены в серийное производство на Миасском заводе "Мкассэлгктроаппарат" и Санхт-Петербургском заводе "Заря". Изделия 5Н-200, Б и БГ, БК-2, ДМ, ДОС, ДГ-? и др. освоеша в производстве т заводе ВНИИЭМ.

Приложение 5

СПИСОК ; научных трудов Михайлова Е.М., содержащих основные положения диссертации

Наименование трудов Рукописи, или печати. Название журнала, издательства, № Соавторы i 2 3 4 с .J * * Элементы конструкции БДПТ с датчиками Холла печатн. Труды внииэм Том 30, 1969 г.

2. Серия БДПТ малой мощности печати. Труда ВНИИЭМ Том 44, 1976 г. Стома С. А. Вевюрко И.А. Г'оржевсхий И.И.

3, Электрода кгатего,-маховик печатн. Труды ВНИИЭМ Том 78,1985 г. Стома С. А. Кузьмин В.Н. РудобабаЕ.П. Журавлев В.Я,

4. БДПТ серии БК печати. (¿Электротехника» №4,1985 г. Стома С.А. Вевюрко H.A. Кузьмин В.Н.

5. Контроль качества изготовления БДПТ методами вибродиагностики печатн. Труды ВНИИЭМ Том 81,1986 г. Павлов К. А. МихайловВ.И.

6. РЗМ-магниты в специальных БДПТ печатн. «Электротехника» ЛИ, 1989 г. Стома С.А. Кузьмин В.Н.

7. Испытания электромехакическ их устройств в условиях открытого космоса печатн. Труды ВНИИЭМ Том 91, 1989 г. Стома С.А. Горжевский И.И. Дорохов A.C.

8. Электронасосные агрегаты космических аппаратов с гидроопорами ротора печатн. (■¿Электротехника» №5,1996 г., Стома С.А. Кузьмин В.Н.

1 2 3 4 5

9. Некоторые особенности проектирования подшипниковых узлов с приборными шарикоподшипниками печати. Труды ВНИИЭМ Том 97,1997 г.

0. Опыт проектирования и эксплуатация опор качения электродвигателей научной и служебной аппаратуры в космических аппаратах печати. Труды ВНИИЭМ Том 98,1998 г.

И. БДПТв электронасосных агрегатах космических аппаратов печати. «Электротехника» №6, 1999 г. Стома С.А. Кузьмин В.В. Кузькин В.Н.

12. Изделия точной электромеханики для космических аппаратов печати. Сборник докладов научных, конференций МЭИ (май 1999 г.) Стома С.А. Кузьмин В.Н. Тихомиров В.К. Ремизов В.Е. Медушев C.B.

Приложение 2

СПИСОК авторских свидетельств Михайлова Е.М., содержащих основные положения диссертации. № Наименование авторского № • свидетельства Соавторы

1 2 3 . 4

1. Способ изготовления статоров электрических машии № 135530 от 16.12.1960 Стамбулян Г.А. Чесноков А.И.

2. Реверсивный тахогеаератор постоянного тока №334520 от 10.01.1972 Вевюрко Й.А. Кузьмин В.Н. Корнсев В.И.

3, Дьтчик углового положения ротора БДПТ № 336749 от 28.01.1972 Стома С.А. г Вевюрко И.А. Кузьмин В.Н. Разумовский Ю.В.

4. Способ изготовления роторов с ПОСТОЯННЫМИ магнитами № 584398 от 22.08.1974 Кузнецов В.Е. Лебедев Е.Н. Рабинович Ю.М.

5. Клапан двухстороннего действия №947557 от 01.-4.1982 Сгоыа С. А. Вевюрко И.А. Палас-гин Л.М.

6. Клапан давлении -двухстороннего действия №976199 OT21.06.S982 Стома С.А. Вевюрко И.А. Паластия Л.М.

7. 1 Способ изготовления ротора электрической мммйны с постоянными магнитами № 1262641 от 08.06.1986 Кузнецов В.Е. Смирнов В.И. Рабинович Ю.М."

8. Устройство для кагружения электродвигателей при испытаниях № 1503515 от 22.04.198« Стамбулян Г. А. Смирнов®,И.

9. Герметичный моноблочный злетпрояясосный агрегат №4567 от 16.07.1997 Стома С.А. Кузьмин В.Н. Бутасвг. Е.М. I

Oí о S рц поДХК

Зависимость ресурса ш-п в жидкости от магнитной неуравновешенности ротора (лУ- тав - разница показаний датчика Холла га полюсах магнита)

Рис. 4

Рис. 5. Коястфукцйя бсжкотагтого 5шстр«д8игат€ж-шзЕ01еагЕка.

L Магнита РЗМ роторг.

2. Матнйгомягкйй- магшггапров&д ротора. ■

3. 'Неподвижная обмотка статора, залета* п-коштувт,

4. Отшара датчика управления.

5. "Венец" датчика управления. 9. Спицы обода ротора.

8» Фланец, несущий статор, ошхшары, ШР, клапан.

9. Гержгкчвый кожш.

10, Д11Р ШгХаНт

12. Бшсдаигсная ось.

13. Ш^шсоподшшгаиг.

14. Стуяица обода.

Рис. 6

Двигатель-генератор ДГ-1

1 - магнит двигателя

2 - магнит генератора

3 - шгаитонровад

4 - обмотка генератора

5 - обмотка двигателя

Рис. 8

Зависимость суммарного осевого усатая 2-х магнитных кодпятников от осевого перемещения.

А - точка равновесия при S" а зздйом тащшггаше 9,4 :ада {суммарный осевой люфт - 0,8 mas).

ВС » равнодействующа« 2-х тодштшчш.нрЕ • осевом смещения ротора на 03 миг.

Рис. 9

Рис. 10 . •

Схема герметичного элехтронасосного агрегата:

1 • корпус насоса; 2 - рабочее колесо насоса; 3 - осевой мягиятлый подшипник; 4 - подшипник ГСП; 5 - корпус электродвигателя; б - статор эл.д9игагсля; 7- герметизирующая гильза; 8 - ротор эл.лвигателя; 9 - "пгип" ГСП; 10-фильтр.

О Оч

О со 5 О О f

Объём 3,75 xiм. Формат 60x841/16. Тираж 75 экз. Бумага типографская №2. Заказ 182.

Типография НПГ1 ВНИИЭМ