一種新型密封結構電機

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、防塵等特殊應用環境中，驅動電機需要進行結構密封設計，以保證電機在特有環境下的正常運行。目前，電機密封結構常用的有動密封和靜密封兩種類型。動密封結構用于運動部件與非運動部件之間；靜密封結構用于兩個非運動部件之間。動密封結構有以下幾種密封方式：O型圈動密封、旋轉軸唇、石墨軸承等[1-2]。動密封結構因密封處存在機械摩擦，會產生兩個方面不良影響：電機的摩擦轉矩增大、效率降低、噪聲增加；動密封件使用過程中會產生機械磨損，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構電機，該新型結構電機具有結構簡單、電機輸出轉矩可限、密封性好等特點，是一種帶磁性聯軸器的密封結構電機。并且進行了實際樣機的研制，通過試驗驗證了本結構方案的合理性、可行性和優越性。

1 新型密封電機結構和特點

1.1 新型密封電機結構

新型帶磁性聯軸器密封結構電機主要由電機本體、磁性聯軸器組成。電機本體由定子、轉子、機殼、端蓋、密封圈等組成；磁性聯軸器由內轉子和外轉子組成。電機結構采用薄壁大內空結構，轉子采用中空結構，將磁性聯軸器外轉子與電機轉子固定連為一體，裝入轉子中空結構內；磁性聯軸器內轉子與需驅動負載通過傳動軸連接，電機本體和所需驅動負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，電機本體轉子采用單邊雙軸承結構方式。電機的力矩傳遞通過磁性聯軸器內轉子傳遞至需驅動負載；通過設計磁性聯軸器輸出轉矩，可實現電機最大輸出轉矩可限的作用。電機各部分示意圖如圖1所示。

圖1 新型密封電動機結構示意圖

磁性聯軸器屬于非接觸式聯軸器，一般由內轉子、外轉子、隔離套組成，如圖2所示。內轉子與被傳動件相連，外轉子與動力件相連。磁性聯軸器工作原理是外轉子連接直流電機輸出軸，內轉子連接負載，當外轉子隨電機軸旋轉時，由于內外轉子磁鋼之間的作用力，內轉子跟隨轉動。磁性聯軸器外轉子與內轉子之間有隔離套，通過磁力將外轉子的動力與運動傳遞至內轉子，從而把普通密封結構采用的動密封轉換為靜密封結構。

圖2 磁性聯軸器結構示意圖

1.2 新型密封電機特點

新型帶磁性聯軸器密封結構電機采用電機與磁性聯軸器組成一體，并通過結構優化和參數匹配，實現無接觸、輸出轉矩可限、高效率、低噪聲、密封簡單且密封性能好等特點。電機結構特點如下：

1) 新型帶磁性聯軸器密封結構電機的轉軸和負載之間通過磁性聯軸器連接，將電機輸出轉矩傳遞至負載，帶動負載轉動。磁性聯軸器內外轉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，簡單實現電機內部密封效果。與動密封方式的電機結構相比，由于不存在動密封產生的機械摩擦導致的電機摩擦轉矩、噪聲增大等因素，該結構形式的電機具有摩擦轉矩小、電機效率高、噪聲小、密封壽命和可靠性高等優點。因此，新型帶磁性聯軸器密封結構電機可以高效傳遞轉矩，提高電機的效率和密封壽命，且不會因連接負載環節產生額外增加的噪聲。

2) 新型帶磁性聯軸器密封結構電機的運行方式是電機轉軸帶動磁性聯軸器外轉子旋轉，磁性聯軸器外轉子磁場和內轉子磁場相互作用，帶動磁性聯軸器內轉子旋轉，從而傳遞電機的轉矩。通過電機與磁性聯軸器輸出轉矩合理選配，調節磁性聯軸器最大輸出轉矩設計參數，將磁性聯軸器可傳遞的最大轉矩設計為小于電機可輸出最大轉矩時，磁性聯軸器可起到限制電機輸出轉矩的作用，即達到電機最大輸出轉矩可限的目的。

3) 新型帶磁性聯軸器密封結構電機通過采用電機中空結構形式，電機本體轉軸采用單邊雙軸承方式，可以有效縮短電機軸向長度；將磁性聯軸器內外轉子結構安排在中空結構內部，充分利用結構空間，縮短電機軸向長度，減輕電機質量。

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、最大輸出轉矩自保護功能。為此，研制的新型帶磁性聯軸器密封結構電機，樣機實物照片如圖3所示。新型帶磁性聯軸器密封結構電機性能參數如表1所示。

圖3 新型帶磁性聯軸器密封結構電機樣機實物照片

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

*分別為三個磁性聯軸器的輸出性能

樣機經過高溫、低溫、振動、沖擊等環境條件考核，指標合格。通過300 h壽命試驗考核，驗證了樣機的結構性能穩定性、環境適應性和可靠性，并隨整機進行了環境適應性考核，滿足使用要求。根據整機應用的特殊需求，對該電機磁性聯軸器進行了多方案設計，分別為輸出轉矩0.2 N·m，0.45 N·m和0.7 N·m，通過調節磁性聯軸器的輸出轉矩大小，達到了限制電機最大輸出轉矩的作用。

該結構電機的帶載能力由磁性聯軸器最大輸出轉矩決定。電機在負載大于磁性聯軸器最大輸出轉矩，以及外部負載不穩定、波動幅度過大，瞬間負載大于磁性聯軸器最大輸出轉矩的情況下，會出現磁性聯軸器內外轉子失步，電機傳動軸停轉，不輸出轉矩，電機轉子空轉的情況，即電機輸出轉矩自限功能起動。此時，需將電機停轉后重新加電起動，恢復電機組件帶載能力。因此，該結構電機磁性聯軸器最大輸出轉矩的大小應大于實際負載情況可能存在的最大值。

通過性能參數測試結果可以看出，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；在相應負載范圍內，電機帶載運行平穩；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 語

通過電機與磁性聯軸器合理的參數選配和結構設計，研制的樣機密封性能良好、噪聲小。通過環境試驗和壽命試驗考核，驗證了新型帶磁性聯軸器密封結構電機的結構合理性、性能穩定性和優越性，可應用于要求電機自密封、轉矩自限的特殊應用場合。