一种新型密封结构电机

钱 华,陈 辰,钱 乐,郑文鹏

(中国电子科技集团公司第二十一研究所,上海 200233)

0 引 言

在航天、航空、水下、防爆、防尘等特殊应用环境中，驱动电机需要进行结构密封设计，以保证电机在特有环境下的正常运行。目前，电机密封结构常用的有动密封和静密封两种类型。动密封结构用于运动部件与非运动部件之间；静密封结构用于两个非运动部件之间。动密封结构有以下几种密封方式：O型圈动密封、旋转轴唇、石墨轴承等[1-2]。动密封结构因密封处存在机械摩擦，会产生两个方面不良影响：电机的摩擦转矩增大、效率降低、噪声增加；动密封件使用过程中会产生机械磨损，密封寿命和可靠性下降[3-5]。本文主要介绍一种新型密封结构电机，该新型结构电机具有结构简单、电机输出转矩可限、密封性好等特点，是一种带磁性联轴器的密封结构电机。并且进行了实际样机的研制，通过试验验证了本结构方案的合理性、可行性和优越性。

1 新型密封电机结构和特点

1.1 新型密封电机结构

新型带磁性联轴器密封结构电机主要由电机本体、磁性联轴器组成。电机本体由定子、转子、机壳、端盖、密封圈等组成；磁性联轴器由内转子和外转子组成。电机结构采用薄壁大内空结构，转子采用中空结构，将磁性联轴器外转子与电机转子固定连为一体，装入转子中空结构内；磁性联轴器内转子与需驱动负载通过传动轴连接，电机本体和所需驱动负载之间采用端盖隔离，电机机壳与端盖配合面之间使用密封圈的方式进行静密封。为了减小体积，缩短轴向长度，电机本体转子采用单边双轴承结构方式。电机的力矩传递通过磁性联轴器内转子传递至需驱动负载；通过设计磁性联轴器输出转矩，可实现电机最大输出转矩可限的作用。电机各部分示意图如图1所示。

图1 新型密封电动机结构示意图

磁性联轴器属于非接触式联轴器，一般由内转子、外转子、隔离套组成，如图2所示。内转子与被传动件相连，外转子与动力件相连。磁性联轴器工作原理是外转子连接直流电机输出轴，内转子连接负载，当外转子随电机轴旋转时，由于内外转子磁钢之间的作用力，内转子跟随转动。磁性联轴器外转子与内转子之间有隔离套，通过磁力将外转子的动力与运动传递至内转子，从而把普通密封结构采用的动密封转换为静密封结构。

图2 磁性联轴器结构示意图

1.2 新型密封电机特点

新型带磁性联轴器密封结构电机采用电机与磁性联轴器组成一体，并通过结构优化和参数匹配，实现无接触、输出转矩可限、高效率、低噪声、密封简单且密封性能好等特点。电机结构特点如下：

1) 新型带磁性联轴器密封结构电机的转轴和负载之间通过磁性联轴器连接，将电机输出转矩传递至负载，带动负载转动。磁性联轴器内外转子之间没有机械接触，通过机壳与端盖之间加O型密封圈的方式，实现电机本体和外界之间完全物理隔离，即通过采用静密封方式，简单实现电机内部密封效果。与动密封方式的电机结构相比，由于不存在动密封产生的机械摩擦导致的电机摩擦转矩、噪声增大等因素，该结构形式的电机具有摩擦转矩小、电机效率高、噪声小、密封寿命和可靠性高等优点。因此，新型带磁性联轴器密封结构电机可以高效传递转矩，提高电机的效率和密封寿命，且不会因连接负载环节产生额外增加的噪声。

2) 新型带磁性联轴器密封结构电机的运行方式是电机转轴带动磁性联轴器外转子旋转，磁性联轴器外转子磁场和内转子磁场相互作用，带动磁性联轴器内转子旋转，从而传递电机的转矩。通过电机与磁性联轴器输出转矩合理选配，调节磁性联轴器最大输出转矩设计参数，将磁性联轴器可传递的最大转矩设计为小于电机可输出最大转矩时，磁性联轴器可起到限制电机输出转矩的作用，即达到电机最大输出转矩可限的目的。

3) 新型带磁性联轴器密封结构电机通过采用电机中空结构形式，电机本体转轴采用单边双轴承方式，可以有效缩短电机轴向长度；将磁性联轴器内外转子结构安排在中空结构内部，充分利用结构空间，缩短电机轴向长度，减轻电机质量。

2 样机研制和测试

针对用户的特殊需求，要求电机具备自密封、最大输出转矩自保护功能。为此，研制的新型带磁性联轴器密封结构电机，样机实物照片如图3所示。新型带磁性联轴器密封结构电机性能参数如表1所示。

图3 新型带磁性联轴器密封结构电机样机实物照片

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

*分别为三个磁性联轴器的输出性能

样机经过高温、低温、振动、冲击等环境条件考核，指标合格。通过300 h寿命试验考核，验证了样机的结构性能稳定性、环境适应性和可靠性，并随整机进行了环境适应性考核，满足使用要求。根据整机应用的特殊需求，对该电机磁性联轴器进行了多方案设计，分别为输出转矩0.2 N·m，0.45 N·m和0.7 N·m，通过调节磁性联轴器的输出转矩大小，达到了限制电机最大输出转矩的作用。

该结构电机的带载能力由磁性联轴器最大输出转矩决定。电机在负载大于磁性联轴器最大输出转矩，以及外部负载不稳定、波动幅度过大，瞬间负载大于磁性联轴器最大输出转矩的情况下，会出现磁性联轴器内外转子失步，电机传动轴停转，不输出转矩，电机转子空转的情况，即电机输出转矩自限功能起动。此时，需将电机停转后重新加电起动，恢复电机组件带载能力。因此，该结构电机磁性联轴器最大输出转矩的大小应大于实际负载情况可能存在的最大值。

通过性能参数测试结果可以看出，该电机的密封漏率可做到6.0×10-6Pa·m3/s，具有较好的密封效果；在相应负载范围内，电机带载运行平稳；研制的实物样机为有刷电机，样机噪声为50～55 dB，若采用其他无刷类型电机，噪声可以进一步降低。

3 结 语

通过电机与磁性联轴器合理的参数选配和结构设计，研制的样机密封性能良好、噪声小。通过环境试验和寿命试验考核，验证了新型带磁性联轴器密封结构电机的结构合理性、性能稳定性和优越性，可应用于要求电机自密封、转矩自限的特殊应用场合。