Электромотор-колесо

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Басинюк Владимир Леонидович Мардосевич Елена Ивановна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Электромотор-колесо, содержащий корпус, электродвигатель с ротором, имеющим наружную цилиндрическую поверхность, и статором планетарный редуктор, включающий, по меньшей мере, три сателлита, установленных равномерно по окружности с возможностью вращения вокруг своей оси в окружном направлении, колесо, установленное с возможностью взаимодействия с сателлитами, отличающийся тем, что каждый из сателлитов выполнен в виде трех установленных на одной оси и соединенных между собой предварительно упруго-деформированными упруго-податливыми валами колес с наружными фрикционными рабочими поверхностями, на наружной поверхности ротора размещена неразъемно соединенная с ним втулка с кольцевым элементом, имеющим цилиндрическую наружную фрикционную рабочую поверхность, установленную с возможностью 16287 1 2012.08.30 взаимодействия с наружной фрикционной рабочей поверхностью среднего колеса каждого из сателлитов, статор электродвигателя размещен внутри ротора, при этом корпус выполнен из двух частей, одна из которых жестко связана со статором, а другая установлена с возможностью вращения, при этом на их внутренних поверхностях расположены неразъемно связанные с ними и имеющие внутренние фрикционные рабочие поверхности кольцевые элементы, установленные с возможностью взаимодействия с ответными наружными фрикционными рабочими поверхностями размещенных со стороны торцов колес каждого из сателлитов, при этом величина , мм, предварительной упругой деформации упруго-податливых валов каждого из сателлитов определена из выражения 38000,4 где- максимальный момент, создаваемый электромотор-колесом, Нм- длина упруго-податливого вала сателлита, мм- модуль упругости материла упруго-податливого вала сателлита, МПа- диаметр упруго-податливого вала сателлита, мм- расчетное среднее значение диаметров внутренних фрикционных рабочих поверхностей кольцевых элементов на соответственно неподвижной и подвижной частях корпуса, определяемое из конструктивных параметров электромотор-колеса, мм- коэффициент трения скольжения в соединениях фрикционных рабочих поверхностей колес сателлита и кольцевых элементов корпуса и втулки ротора- число сателлитов. 2. Электромотор-колесо по п. 1, отличающийся тем, что колеса каждого из сателлитов выполнены с бочкообразной наружной рабочей поверхностью, а ответные им внутренние рабочие поверхности кольцевых элементов корпуса - тороидальными. 3. Электромотор-колесо по п. 1 или 2, отличающийся тем, что диаметрупругоподатливого вала каждого из сателлитов определен из выражения,где- допустимые напряжения при изгибе упруго-податливого вала сателлита, МПа. 4. Электромотор-колесо по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на каждой из частей корпуса выполнены, по меньшей мере, два кольцевых элемента с внутренними фрикционными рабочими поверхностями, каждый из которых установлен с возможностью взаимодействия с колесами, по меньшей мере, трех сателлитов. Изобретение относится к устройствам круговых перемещений и может быть использовано для приведения в движение различных устройств, работающих в условиях открытого космоса и экстремальных температурных условиях. Известен электромотор-колесо, содержащий электродвигатель, планетарный редуктор в виде 2 механизма и ступицу колеса 1. Существенным недостатком известного электромотор-колеса является ограничение 15002500 об/мин максимальных значений скоростей вращения электродвигателя, обусловленное возникающими при больших скоростях вращения значительными динамическими составляющими нагрузки в зацеплении, и малое передаточное отношение, реализуемое в одной ступени планетарного редуктора. В совокупности это обусловливает большие массогабаритные параметры электромотор-колеса. Кроме того, вследствие необходимости создания хороших условий смазки значительного числа высоконагруженных трущихся сопряжений данная конструкция не может быть использована в условиях открытого космоса. Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является выбранный в качестве прототипа электромотор-колесо 2, содержащий корпус, электро 2 16287 1 2012.08.30 двигатель и планетарный редуктор с цевочным зацеплением, включающий жестко соединенное со статором электродвигателя водило с эксцентриковыми валами, на шейках которых размещены эпициклоидные сателлиты, введенное в зацепление с последними цевочное колесо, установленное посредством подшипников на водиле, и ступицу колеса,электромотор-колесо снабжен центральным валом-шестерней, жестко соединенным с ротором электродвигателя, установленным в подшипниках крышек водила и введенным в зацепление с эвольвентными сателлитами, расположенными на коренных шейках эксцентриковых валов, а также снабжен обгонной муфтой, внутренняя звездочка которой выполнена на части внешней поверхности цевочного колеса, наружная обойма совмещена со ступицей колеса, ролики расположены в гнездах сепаратора, фрикционно связанного с водилом, а между цевочным колесом и ступицей колеса расположены подшипники. Существенным недостатком этого технического решения являются ограниченное значением 6080 передаточное отношение, реализуемое в одной ступени планетарного редуктора, малая удельная мощность (кВт/кг) электромотор-колеса,обусловленная ограниченными 150200 рад/с оборотами электродвигателя и значительной массой редуктора, что в совокупности сужает область его применения в устройствах с повышенными требованиями к массогабаритным параметрам, например, работающих в аэрокосмической технике невозможность работы в условиях открытого космоса и при температурах более 350 - 370 , связанная с необходимостью создания хороших условий смазки значительного числа высоконагруженных трущихся сопряжений данной конструкция. Задачей изобретения является увеличение удельной мощности электромотор-колеса и расширение его функциональных возможностей его использования в экстремальных температурных условиях (до 450 ) и открытом космосе. Поставленная цель достигается тем, что в электромотор-колесе, содержащем корпус,электродвигатель с ротором, имеющим наружную цилиндрическую поверхность, и статором планетарный редуктор, включающий, по меньшей мере, три сателлита, установленных равномерно по окружности с возможностью вращения вокруг своей оси в окружном направлении, колесо, установленное с возможностью взаимодействия с сателлитами, согласно техническому решению, каждый из сателлитов выполнен в виде трех установленных на одной оси и соединенных между собой предварительно упруго-деформированными упруго-податливыми валами колес с наружными фрикционными рабочими поверхностями, а на наружной поверхности ротора размещена неразъемно соединенная с ним втулка с кольцевым элементом, имеющим цилиндрическую наружную фрикционную рабочую поверхность, установленную с возможностью взаимодействия с наружной фрикционной рабочей поверхностью среднего колеса каждого из сателлитов, статор электродвигателя размещен внутри ротора, при этом корпус электромотор-колеса выполнен из двух частей,одна из которых жестко связана со статором, а другая установлена с возможностью вращения, при этом на их внутренних поверхностях расположены неразъемно связанные с ними и имеющие внутренние фрикционные рабочие поверхности кольцевые элементы,установленные с возможностью взаимодействия с ответными наружными фрикционными рабочими поверхностями размещенных со стороны торцов колес каждого из сателлитов,при этом величина(мм) предварительной упругой деформации упруго-податливых валов каждого из сателлитов определена из выражения 3800,4 где- максимальный момент, создаваемый электромотор-колесом, Нм- длина упруго-податливого вала сателлита, мм- модуль упругости материла упруго-податливого вала сателлита, МПа- диаметр упруго-податливого вала сателлита, мм 16287 1 2012.08.30- расчетное среднее значение диаметров внутренних фрикционных рабочих поверхностей кольцевых элементов на соответственно неподвижной и подвижной частях корпуса, определяемое из конструктивных параметров электромотор-колеса, мм- коэффициент трения скольжения в соединениях фрикционных рабочих поверхностей сателлита и кольцевых элементов- число сателлитов. Колеса каждого из сателлитов выполнены с бочкообразной наружной рабочей поверхностью, а ответные им внутренние рабочие поверхности кольцевых элементов корпуса тороидальными, а упруго-податливые валы каждого из сателлитов выполнены диаметром,где- допустимые напряжения при изгибе валов сателлитов, МПа, при этом на каждой из частей корпуса выполнены, по меньшей мере, два кольцевых элемента с внутренними фрикционными рабочими поверхностями, каждый из которых установлен с возможностью взаимодействия с колесами, по меньшей мере, трех сателлитов. В предлагаемом техническом решении повышение удельной мощности и обеспечение возможности использования электромотор-колеса в экстремальных температурных условиях (до 450 ) и открытом космосе достигается в результате следующего передача крутящего момента от двигателя к вращающейся части корпуса осуществляется не зацеплением, а посредством фрикционного взаимодействия соответствующих рабочих поверхностей колес сателлитов и кольцевых элементов положение оси ротора фиксируется относительно оси статора в пространстве непосредственно сателлитами, упруго-податливые валы которых предварительно упруго деформированы, что позволяет исключить из конструкции подшипники качения, радиальные и окружные зазоры и люфты и в совокупности обеспечить высокую плавность функционирования взаимодействующих элементов, что в сочетании с применением легких алюминиевых сплавов при изготовлении втулки, колес сателлитов, корпуса и кольцевых элементов позволяет увеличить скорость вращения двигателя до 8-20 тыс. оборотов в минуту и за счет этого уменьшить его массу и габариты в 4-5 и более раз, причем в конструкции могут быть использованы не только 3, но и существенно большее (6-18) число сателлитов, что в совокупности позволяет повысить удельную (кВт/кг) мощность электромотор-колеса размещение ротора электродвигателя внутри жестко связанной с ним втулки, а также размещение статора внутри вращающегося ротора позволяет уменьшить радиальные размеры конструкции при повышении эффективности создания магнитных полей выполнение расположенных со стороны торцов сателлита колес с бочкообразной наружной рабочей поверхностью, а ответных им внутренних рабочих поверхностей кольцевых элементов корпуса - тороидальными, позволяет обеспечить допустимые контактные давления при меньших радиусах и габаритных размерах сателлита и корпуса, причем обеспечение рациональных значений радиусови( - радиус сферы, в которую вписаны прилегающие к торцам колеса сателлитов,- радиус кривизны кольцевых элементов на корпусе в осевом сечении электромотор-колеса,) позволяет сохранить передаточное отношение при деформациях осей и связанных с этим смещениях взаимодействующих элементов передачи, причем в качестве дополнительного эффекта достигается надежное крепление подвижных компонентов системы друг относительно друга в осевом направлении. Зависимость для определения значения предварительной упругой деформацииупруго-податливых валов сателлитов получена с использованием известных зависимостей (см., 4 16287 1 2012.08.30 например, Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов Учеб. для техн. вузов 5-е изд., перераб. и доп. - М. Высш. шк., 1989. - 624 с. стр. 266-270). Упруго-податливые валы сателлитов могут быть рассмотрены как консольно закрепленные (на среднем колесе сателлита) балки с круглым сечением диаметром ,нагруженные на конце сосредоточенной нагрузкой , обуславливающие ее деформацию на величину , где 2103(3)Поскольку величина наибольших изгибных напряжений в круглых упруго-податливых валах сателлитов может быть определена из зависимости 0,13 где- момент сопротивления сечения упруго-податливой оси сателлита, то из условий прочности и обеспечения заданного усилия прижатия рабочих поверхностей(6) 34 где- момент инерции круглого сечения упруго-податливых валов сателлитов,0,05 4,мм 4- модуль упругости материала упруго-податливых валов сателлитов, МПа. На фиг. 1 представлен электромотор-колесо на фиг. 2, 3 - увеличенный вид зоны взаимодействия колес сателлитов с кольцевыми элементами корпуса на фиг. 4 - электромотор-колесо с двумя кольцевыми элементами на каждой из частей корпуса на фиг. 5 и 6 сечения соответственно А-А и Б-Б фиг. 4. Электромотор-колесо содержит (фиг. 1) ось 1, связанную с основанием (не показано),на котором неразъемно крепится статор 2 электродвигателя. Ротор 3 выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого размещен статор 2. На роторе 3 размещена неразъемно соединенная с ним втулка 4 с кольцевым элементом 5. Кольцевой элемент 5 имеет цилиндрическую наружную фрикционную рабочую поверхность (не показана) с диаметром В. Корпус электромотор-колеса состоит из двух частей, одна из которых 6 жестко связана с осью 1, другая 7 установлена с возможностью вращения. Каждый из сателлитов передачи (фиг. 1) выполнен в виде трех расположенных на одной оси колес колес 8 а и 8 б, расположенных со стороны торцов сателлита, имеющих бочкообразные(вписывающиеся в сферическую поверхность диаметром ) наружные фрикционные рабочие поверхности среднего колеса 9, установленного с возможностью взаимодействия с предварительным нагружением по нормали к поверхности контакта с наружной цилиндрической фрикционной рабочей поверхностью кольцевого элемента 5, обусловленным упругой деформацией упруго-податливых валов 10 жестко связывающих колесо 9 с колесами 8 а и 8 б упруго-податливых валов 10, имеющих длину , диаметри выполненных, например, из пружинной стали. На внутренней поверхности частей 6 и 7 корпуса размещены кольцевые элементы 11 а и 11 б, имеющие внутренние фрикционные рабочие поверхности, тороидальный профиль этих поверхностей выполнен с радиусом, большим 0,5 в осевом сечении, и установленные с возможностью взаимодействия с наружными фрикционными рабочими поверхностями соответственно колес 8 а и 8 б с предварительным нагружением по нормали к поверхности контакта. 16287 1 2012.08.30 Внутренние фрикционные рабочие поверхности (не показаны) кольцевых элементов 11 а и 11 б и наружные фрикционные рабочие поверхности (не показаны) колес 8 а, 8 б, 9 и кольцевого элемента 5 имеют коэффициент трения 0,6, обеспечиваемый, например,покрытием 23 толщиной 70100 мкм, сформированным, например, анодно-катодной микродуговой обработкой на частях корпуса 6 и 7, колесах 8 а, 8, 9 и кольцевом элементе 5, выполненном из алюминиевых сплавов. Тороидальные поверхности кольцевых элементов 11 а и 11 б имеют максимальный диаметр 1 и 2, величина которых определяется исходя из следующего. При повороте ротора 3 и жестко связанных с ним втулки 4 и кольцевого элемента 5 с диаметромна один оборот число оборотовимеющего диаметр С среднего колеса 9 каждого из сателлитов и каждого из сателлитов в целом составляет При этом длины дугна поверхности диаметром 1, связанной с осью 1 неподвижной части корпуса 6, и на поверхности диаметром 2, связанной с выходным валом подвижной части корпуса 7, описываемые линией контакта размещенных у торцов сателлита колес соответственно 11 а и 11 б, составляют(8). Уголповорота (в радианах) подвижного в окружном направлении части 7 корпуса относительно оси 1 электромотор-колеса равен(21 )2(9)12 Поскольку передаточное числоравно 2(14)11 С учетом выражений (15) и (17) величина 1 может быть определена из соотношения 2 16287 1 2012.08.30 Предварительная упругая деформацияупруго-податливых валов 10 сателлитов,обеспечивающая требуемое для передачи крутящего момента усилие прижатия фрикционных рабочих поверхностей кольцевых элементов 5, 11 а, 11 б и соответственно колес 8 а,8 б, 9 друг к другу, у каждого из сателлитов обеспечивается за счет определения значений 1 и 2 из зависимостей (16), (17), обеспечивающих упругую деформацию упругоподатливых валов 10 на величину(фиг. 1). Смещения по радиусам диаметров 1 и 2(фиг. 2 и 3) контактной зоны колес 8 а, 8 б и соответствующих колец 11 а и 11 б, возникающие при радиальной деформации упруго-податливых валов 10, столь незначительны, что это практически не приводит к изменению передаточного отношения. Подвижная часть 7 корпуса жестко связана с выходным валом 12. Электромотор-колес снабжен сепаратором 13 из антифрикционного материала, имеющего кольцевую форму. В отверстия (не показаны) сепараторов 13 входят с радиальным зазором оси 14 колес 8 а и 8 б (оси 14 могут быть выполнены за одно целое с упругоподатливыми валами 10). При необходимости повышения надежности радиального и осевого базирования подвижной части 7 корпуса путем создания дополнительных радиальных опор на частях корпуса 6 и 7 могут быть выполнены по меньшей мере по два смещенных на величинуотносительно друг друга в осевом направлении кольцевых элемента 111, 11 а 2 (на части 6 корпуса) и 11 б 1, 11 б 2 (на подвижной в окружном направлении части 7 корпуса), имеющие внутренние фрикционные рабочие поверхности (фиг. 4). В этом случае в электромотор-колесе размещается дополнительная группа из, по меньшей мере, трех равномерно расположенных по окружности сателлитов, колеса которых 8 а 2 и 8 б 2 установлены с возможностью взаимодействия с соответствующими кольцевыми элементами 11 а 2, 11 б 2, а среднее колесо 9 - с кольцевым элементом 5. Рабочие фрикционные поверхности кольцевых элементов 111 и 11 б 1 взаимодействуют с рабочими фрикционными поверхностями соответственно колес 81 и 8 б 1 основной группы сателлитов. Среднее колесо 9 (фиг. 4) взаимодействует с кольцевым элементом 5. Основная и дополнительная группы сателлитов смещены друг относительно друга в осевом направлении на величину(при создании трех и более групп кольцевых элементов соответственно возрастает число ответных групп). Каждая группа состоит из, по меньшей мере, трех равномерно расположенных по окружности сателлитов, установленных таким образом, чтобы каждый последующий сателлит оказался смещенным в осевом направлении относительно предыдущего на величину(фиг. 5 и 6). Передачи выполняются с передаточными числами 5001000. Подводка электропитания катушек (не показаны) статора 2 осуществляется через отверстие (не показано) в оси 1. Втулка 4, колеса 8 а, 8 б, 9, части 6 и 7 корпуса и кольцевые элементы 11 а и 11 б электромотор-колеса изготавливаются из легких, например, алюминиевых сплавов. Пример расчета параметров , , 1, 1 и 2. Исходные данные 10 мм 50 мм (определяются конструктивными параметрами двигателя)500 (определяется числовым соотношением требуемого числа оборотов на выходе и числа оборотов двигателя)80 Нм 20 мм 2,1105 МПа(материал упруго-податливых валов - пружинная сталь)0,9 (коэффициент трения скольжения в соединениях фрикционных рабочих поверхностей с оксидокерамикой на сателлитах и кольцевых элементах втулки водила и корпуса)9600 МПа (для расчетного ресурса 10 000 часов). ТогдасС 70 мм(24) Электромотор-колесо работает следующим образом. Вращение со скоростью 1 от ротора 3, создаваемое статором 2 электродвигателя, передается через фрикционное сопряжение кольцевого элемента 5 и колеса 9 на упругоподатливые валы 10. От упруго-податливых валов 10, связывающих колеса 8 а, 8 б и 9 каждого из сателлитов, вращение передается колесам 8 а, 8 б. Колеса 8 а и 8 б в результате фрикционного контакта соответственно с кольцевыми элементами 11 а и 11 б, обкатываясь по их внутренним фрикционным поверхностям без скольжения в результате разности в диаметрах кольцевых элементов 11 а и 11 б, вращают подвижную часть 7 корпуса с угловой скоростью 21/ в прямом (0) или обратном (0) вращению ротора 3 направлении. Аналогично работает конструкция электромотор-колеса, показанная на фиг. 4. При этом наличие нескольких кольцевых элементов (11 а 1, 11 а 2 и 11 б 1, 11 б 2) обеспечивает надежную фиксацию подвижной части 7 корпуса при воздействии на нее внешних радиальных нагрузок (не показаны). Использование описанной конструкции электромотора-колеса позволяет увеличить,по сравнению с существующими, в 2-3 и более раз удельную мощность и обеспечить возможность работы в условиях открытого космоса при температурах до 450 . Источники информации 1. Руденко В.Н. Планетарные и волновые передачи. Альбом конструкций. - М. Машиностроение, 1980. - С. 87, лист 54. 2. Там же, с. 88, лист 55, схема а. (71). 2. Патент 2098694, МПК 616 1/32. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 10