錢 華,陳 辰,錢 樂,鄭文鵬

(中國電子科技集團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)動電機需要進行結(jié)構(gòu)密封設(shè)計，以保證電機在特有環(huán)境下的正常運行。目前，電機密封結(jié)構(gòu)常用的有動密封和靜密封兩種類型。動密封結(jié)構(gòu)用于運動部件與非運動部件之間；靜密封結(jié)構(gòu)用于兩個非運動部件之間。動密封結(jié)構(gòu)有以下幾種密封方式：O型圈動密封、旋轉(zhuǎn)軸唇、石墨軸承等[1-2]。動密封結(jié)構(gòu)因密封處存在機械摩擦，會產(chǎn)生兩個方面不良影響：電機的摩擦轉(zhuǎn)矩增大、效率降低、噪聲增加；動密封件使用過程中會產(chǎn)生機械磨損，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，該新型結(jié)構(gòu)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、電機輸出轉(zhuǎn)矩可限、密封性好等特點，是一種帶磁性聯(lián)軸器的密封結(jié)構(gòu)電機。并且進行了實際樣機的研制，通過試驗驗證了本結(jié)構(gòu)方案的合理性、可行性和優(yōu)越性。

1 新型密封電機結(jié)構(gòu)和特點

1.1 新型密封電機結(jié)構(gòu)

新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機主要由電機本體、磁性聯(lián)軸器組成。電機本體由定子、轉(zhuǎn)子、機殼、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)動負(fù)載通過傳動軸連接，電機本體和所需驅(qū)動負(fù)載之間采用端蓋隔離，電機機殼與端蓋配合面之間使用密封圈的方式進行靜密封。為了減小體積，縮短軸向長度，電機本體轉(zhuǎn)子采用單邊雙軸承結(jié)構(gòu)方式。電機的力矩傳遞通過磁性聯(lián)軸器內(nèi)轉(zhuǎn)子傳遞至需驅(qū)動負(fù)載；通過設(shè)計磁性聯(lián)軸器輸出轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)電機最大輸出轉(zhuǎn)矩可限的作用。電機各部分示意圖如圖1所示。

圖1 新型密封電動機結(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)子與被傳動件相連，外轉(zhuǎn)子與動力件相連。磁性聯(lián)軸器工作原理是外轉(zhuǎn)子連接直流電機輸出軸，內(nèi)轉(zhuǎn)子連接負(fù)載，當(dāng)外轉(zhuǎn)子隨電機軸旋轉(zhuǎn)時，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。磁性聯(lián)軸器外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子之間有隔離套，通過磁力將外轉(zhuǎn)子的動力與運動傳遞至內(nèi)轉(zhuǎn)子，從而把普通密封結(jié)構(gòu)采用的動密封轉(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 新型密封電機特點

新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機采用電機與磁性聯(lián)軸器組成一體，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)匹配，實現(xiàn)無接觸、輸出轉(zhuǎn)矩可限、高效率、低噪聲、密封簡單且密封性能好等特點。電機結(jié)構(gòu)特點如下：

1) 新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機的轉(zhuǎn)軸和負(fù)載之間通過磁性聯(lián)軸器連接，將電機輸出轉(zhuǎn)矩傳遞至負(fù)載，帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動。磁性聯(lián)軸器內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間沒有機械接觸，通過機殼與端蓋之間加O型密封圈的方式，實現(xiàn)電機本體和外界之間完全物理隔離，即通過采用靜密封方式，簡單實現(xiàn)電機內(nèi)部密封效果。與動密封方式的電機結(jié)構(gòu)相比，由于不存在動密封產(chǎn)生的機械摩擦導(dǎo)致的電機摩擦轉(zhuǎn)矩、噪聲增大等因素，該結(jié)構(gòu)形式的電機具有摩擦轉(zhuǎn)矩小、電機效率高、噪聲小、密封壽命和可靠性高等優(yōu)點。因此，新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機可以高效傳遞轉(zhuǎn)矩，提高電機的效率和密封壽命，且不會因連接負(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)電機的運行方式是電機轉(zhuǎn)軸帶動磁性聯(lián)軸器外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，磁性聯(lián)軸器外轉(zhuǎn)子磁場和內(nèi)轉(zhuǎn)子磁場相互作用，帶動磁性聯(lián)軸器內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而傳遞電機的轉(zhuǎn)矩。通過電機與磁性聯(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)計參數(shù)，將磁性聯(lián)軸器可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩設(shè)計為小于電機可輸出最大轉(zhuǎn)矩時，磁性聯(lián)軸器可起到限制電機輸出轉(zhuǎn)矩的作用，即達到電機最大輸出轉(zhuǎn)矩可限的目的。

3) 新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機通過采用電機中空結(jié)構(gòu)形式，電機本體轉(zhuǎn)軸采用單邊雙軸承方式，可以有效縮短電機軸向長度；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，縮短電機軸向長度，減輕電機質(zhì)量。

2 樣機研制和測試

針對用戶的特殊需求，要求電機具備自密封、最大輸出轉(zhuǎn)矩自保護功能。為此，研制的新型帶磁性聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)電機，樣機實物照片如圖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)電機樣機實物照片

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

*分別為三個磁性聯(lián)軸器的輸出性能

樣機經(jīng)過高溫、低溫、振動、沖擊等環(huán)境條件考核，指標(biāo)合格。通過300 h壽命試驗考核，驗證了樣機的結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，并隨整機進行了環(huán)境適應(yīng)性考核，滿足使用要求。根據(jù)整機應(yīng)用的特殊需求，對該電機磁性聯(lián)軸器進行了多方案設(shè)計，分別為輸出轉(zhuǎn)矩0.2 N·m，0.45 N·m和0.7 N·m，通過調(diào)節(jié)磁性聯(lián)軸器的輸出轉(zhuǎn)矩大小，達到了限制電機最大輸出轉(zhuǎn)矩的作用。

該結(jié)構(gòu)電機的帶載能力由磁性聯(lián)軸器最大輸出轉(zhuǎn)矩決定。電機在負(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、波動幅度過大，瞬間負(fù)載大于磁性聯(lián)軸器最大輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，會出現(xiàn)磁性聯(lián)軸器內(nèi)外轉(zhuǎn)子失步，電機傳動軸停轉(zhuǎn)，不輸出轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)的情況，即電機輸出轉(zhuǎn)矩自限功能起動。此時，需將電機停轉(zhuǎn)后重新加電起動，恢復(fù)電機組件帶載能力。因此，該結(jié)構(gòu)電機磁性聯(lián)軸器最大輸出轉(zhuǎn)矩的大小應(yīng)大于實際負(fù)載情況可能存在的最大值。

通過性能參數(shù)測試結(jié)果可以看出，該電機的密封漏率可做到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)，電機帶載運行平穩(wěn)；研制的實物樣機為有刷電機，樣機噪聲為50～55 dB，若采用其他無刷類型電機，噪聲可以進一步降低。

3 結(jié) 語

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