RU2427750C2

RU2427750C2 - Electromechanical drive

Info

Publication number: RU2427750C2
Application number: RU2009138441/06A
Authority: RU
Inventors: Михаил Евгеньевич Федосовский (RU); Михаил Евгеньевич Федосовский; Вячеслав Викторович Николаев (RU); Вячеслав Викторович Николаев; Вадим Игоревич Дунаев (RU); Вадим Игоревич Дунаев
Original assignee: ЗАО Диаконт
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-08-27
Also published as: RU2009138441A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: electromechanical drive includes electric motor, stator, rollers and output stock. Stator encloses hollow rotor. Rollers are equipped with external thread and arranged in cavity of rotor in threaded sleeve in circumferential direction. Axes of rollers are parallel to rotor axis. Screw is coaxially arranged inside rotor. Screw has external thread. Thread of screw interacts with thread of rollers. Thread of rollers interacts with internal thread of sleeve. Sleeve is rigidly attached to one end of output stock. The latter is installed so that it is protected against being turned. One screw end is rigidly attached to rotor. The other end of screw is arranged in cavity of output stock.

EFFECT: higher reliability of electromechanical drive.

9 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к электромеханическим линейным исполнительным механизмам, в частности к электромеханическому приводу, и может быть использовано для перемещения отсечного золотника в системе управления турбоагрегата, важной для безопасности атомной электростанции.The present invention relates to electromechanical linear actuators, in particular to an electromechanical drive, and can be used to move the shut-off valve in the control system of a turbine unit, important for the safety of a nuclear power plant.

Одним из средств обеспечения безопасности атомной электростанции является привод отсечного золотника турбоагрегата, позволяющий за несколько десятков миллисекунд переместить отсечной золотник на несколько десятков миллиметров и тем самым быстро изменить расход рабочей среды. В таком приводе должны одновременно быть обеспечены повышенные надежность работы, точность и скорость отработки положения исполнительного органа привода, взаимодействующего с отсечным золотником. При этом привод должен иметь компактную конструкцию.One of the means of ensuring the safety of a nuclear power plant is the drive of the shut-off valve of the turbine unit, which allows moving the shut-off valve by several tens of millimeters in a few tens of milliseconds and thereby quickly changing the flow rate of the working medium. In such a drive, increased reliability, accuracy and speed of working out the position of the actuator actuating body interacting with the shut-off valve must be simultaneously ensured. In this case, the drive must have a compact design.

Известно использование электромеханических приводов для преобразования вращательного движения в линейное перемещение и управления машинами и механизмами, соединенными с ними. В частности, из RU 2213896 (13.04.1999) известен электромеханический привод для трубопроводной арматуры, содержащий электродвигатель с полым ротором, в котором размещены резьбовая втулка и винтовой шпиндель, соединенный с запорным органом. Привод заключен в неподвижный корпус. В полом роторе электродвигателя между резьбовой втулкой и винтовым шпинделем размещена гайка, выполненная в виде трех цилиндрических резьбовых роликов, расположенных в сепараторах. Резьбовая втулка и стакан, закрепленный неподвижно в полом роторе, имеют шлицевые канавки, обеспечивающие возможность их линейного перемещения относительно друг друга.It is known to use electromechanical drives to convert rotational motion into linear movement and control machines and mechanisms connected to them. In particular, from RU 2213896 (04/13/1999) an electromechanical actuator for pipe fittings is known, comprising a hollow-rotor electric motor in which a threaded sleeve and a screw spindle connected to a locking member are located. The drive is enclosed in a fixed housing. A nut made in the form of three cylindrical threaded rollers located in the separators is placed in the hollow rotor of the electric motor between the threaded sleeve and the screw spindle. The threaded sleeve and the glass, fixed stationary in the hollow rotor, have spline grooves, providing the possibility of their linear movement relative to each other.

Известный привод имеет небольшие габариты и достаточную надежность для работы с обычной трубопроводной арматурой, обеспечиваемые за счет того, что резьбовая втулка, резьбовые ролики, охватываемые ею, и винтовой шпиндель, перемещаемый вращаемыми вокруг него роликами, образуют роликово-винтовую передачу, в которой нагрузка передается через резьбовую поверхность всех роликов, что обеспечивает максимальную площадь контакта.The known drive has small dimensions and sufficient reliability to work with ordinary pipe fittings, provided that the threaded sleeve, threaded rollers covered by it, and the screw spindle moved by the rollers rotating around it form a roller-screw transmission in which the load is transferred through the threaded surface of all rollers, which ensures maximum contact area.

Основным недостатком известного привода является относительно большой момент инерции вращающейся части привода. Из физики известно, что момент инерции механической системы относительно неподвижной оси равен сумме произведений масс всех материальных точек системы на квадраты их расстояний до оси. В известном приводе относительно большой момент инерции вращающейся части обусловлен непосредственной связью ротора с резьбовой втулкой, приводящей к необходимости использования стакана, соединяющего ротор с резьбовой втулкой, и необходимости выбора толщин стенок ротора и резьбовой втулки с учетом их соединения со стаканом (например шлицевого и/или шпоночного), превышающих толщины, обусловленные их функциональным назначением (например прочностью, магнитным насыщением и т.п.). Иными словами, непосредственная кинематическая связь ротора с резьбовой втулкой приводит к необходимости введения конструктивной связи, реализуемой через дополнительную массу, заключенную между ротором и резьбовой втулкой.The main disadvantage of the known drive is the relatively large moment of inertia of the rotating part of the drive. It is known from physics that the moment of inertia of a mechanical system relative to a fixed axis is equal to the sum of the products of the masses of all material points of the system by the squares of their distances to the axis. In the known drive, the relatively large moment of inertia of the rotating part is due to the direct connection of the rotor with the threaded sleeve, leading to the need to use a cup connecting the rotor to the threaded sleeve, and the need to select the wall thicknesses of the rotor and threaded sleeve taking into account their connection with the cup (for example, spline and / or key), exceeding the thickness, due to their functional purpose (for example, strength, magnetic saturation, etc.). In other words, the direct kinematic connection of the rotor with the threaded sleeve leads to the necessity of introducing a constructive connection realized through the additional mass enclosed between the rotor and the threaded sleeve.

Таким образом, большой момент инерции вращающейся части в известном приводе не позволяет обеспечить требуемую скорость отработки положения исполнительного органа электромеханического привода без больших энергетических затрат.Thus, the large moment of inertia of the rotating part in the known drive does not allow to provide the required speed for working out the position of the actuator of the electromechanical drive without large energy costs.

Кроме того, конструкция известного привода не отвечает требованиям резервирования предъявляемых к системе управления турбоагрегата атомной электростанции для обеспечения требуемой надежности и безопасности работы.In addition, the design of the known drive does not meet the requirements of redundancy presented to the control system of a turbine unit of a nuclear power plant to ensure the required reliability and safety of operation.

Также в известном приводе отсутствует возможность определения положения его исполнительного органа (винтового шпинделя).Also in the known drive there is no possibility of determining the position of its Executive body (screw spindle).

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, в особенности обеспечение требуемой для безопасности атомной электростанции скорости и точности отработки положения исполнительного органа привода при минимальных энергетических затратах в системе управления турбоагрегата.The objective of the invention is to remedy these drawbacks, in particular ensuring the speed and accuracy of working out the position of the actuator's actuating body, required for the safety of a nuclear power plant, with minimal energy costs in the control system of the turbine unit.

Указанная задача решена использованием линейного электромеханического привода, содержащего электродвигатель, статор которого охватывает полый ротор. Кроме того, предлагаемый привод содержит выходной шток и ролики, снабженные внешней резьбой и размещенные в полости ротора в резьбовой втулке по окружности так, что их оси параллельны оси ротора. От известного электропривода предлагаемый привод отличается тем, что внутри ротора соосно размещен винт, имеющий внешнюю резьбу, взаимодействующую с резьбой роликов, которая также взаимодействует с внутренней резьбой указанной втулки, жестко связанной с одним концом выходного штока, установленного с удержанием от поворота, причем с одним концом винта жестко связан ротор, а другой конец винта размещен в полости выходного штока.This problem is solved using a linear electromechanical drive containing an electric motor, the stator of which covers a hollow rotor. In addition, the proposed drive contains an output rod and rollers equipped with an external thread and placed in the cavity of the rotor in the threaded sleeve around the circumference so that their axes are parallel to the axis of the rotor. The proposed drive differs from the known electric drive in that the screw coaxially placed inside the rotor has an external thread interacting with the thread of the rollers, which also interacts with the internal thread of the specified sleeve, rigidly connected to one end of the output rod installed with rotation retention, and with one the rotor is rigidly connected by the end of the screw, and the other end of the screw is placed in the cavity of the output rod.

В предлагаемом приводе винт, взаимодействующий через резьбу роликов с невращающейся резьбовой втулкой, имеет относительно небольшой диаметр, а ротор выполнен максимально легким, поэтому вращающаяся часть привода имеет относительно небольшой момент инерции, что позволяет обеспечить требуемую скорость отработки положения исполнительного органа электромеханического привода без больших энергетических затрат.In the proposed drive, the screw interacting through the thread of the rollers with a non-rotating threaded sleeve has a relatively small diameter and the rotor is made as light as possible, therefore, the rotating part of the drive has a relatively small moment of inertia, which allows us to provide the required speed for working out the position of the actuator of the electromechanical drive without high energy costs .

Удержание выходного штока от поворота предпочтительно обеспечивается противоротационным устройством, содержащим коромысло, жестко закрепленное на выходном штоке, и колеса, два из которых установлены на подпружиненных рычагах, выходящих из коромысла, по существу, перпендикулярно продольной оси выходного штока.The retention of the output rod from rotation is preferably provided by an anti-rotation device containing a beam, rigidly mounted on the output rod, and wheels, two of which are mounted on spring-loaded levers emerging from the beam, essentially perpendicular to the longitudinal axis of the output rod.

Ротор предлагаемого электромеханического привода предпочтительно установлен в подшипниковом узле с возможностью преднатяжения для устранения осевых люфтов.The rotor of the proposed electromechanical drive is preferably mounted in a bearing assembly with the possibility of pretension to eliminate axial play.

Взаимодействие внешней резьбы винта с внутренней резьбой втулки, осуществляемое через внешнюю резьбу роликов, предпочтительно является безлюфтовым.The interaction of the external thread of the screw with the internal thread of the sleeve, carried out through the external thread of the rollers, is preferably backlash-free.

В предпочтительном варианте реализации изобретения ролики в количестве девяти штук размещены в сепараторах, установленных в резьбовой втулке, а выходной шток имеет гладкую поверхность.In a preferred embodiment of the invention, the rollers in the amount of nine pieces are located in the separators installed in the threaded sleeve, and the output rod has a smooth surface.

Для погашения кинетической энергии движущихся частей предлагаемого электромеханического привода при достижении выходным штоком крайних положений его ход предпочтительно ограничен упругими элементами, такими как тарельчатые, пружины или резиновые демпферы.To suppress the kinetic energy of the moving parts of the proposed electromechanical drive when the output rod reaches its extreme positions, its stroke is preferably limited by elastic elements such as disk, springs or rubber dampers.

Ротор электродвигателя в электромеханическом приводе может вращаться как по часовой стрелке, так и против нее, вызывая перемещение выходного штока как в одном направлении, например, для закрытия отсечного золотника, так и в противоположном направлении, соответственно, для открытия золотника.The rotor of the electric motor in the electromechanical drive can rotate both clockwise and counterclockwise, causing the output rod to move both in one direction, for example, to close the shut-off spool, and in the opposite direction, respectively, to open the spool.

Для обеспечения надежности работы электромеханического привода на роторе его электродвигателя соосно друг за другом закреплены по меньшей мере два комплекта полюсных магнитов, охватываемых соответственно по меньшей мере двумя комплектами полюсных катушек статора, размещенных соосно друг за другом. Таким образом, в предлагаемом электромеханическом приводе обеспечено резервное дублирование силовой электрической части. Кроме того, с целью резервного дублирования сдвоенными выполнены электрические разъемы, катушка управления тормозом и датчик обратной связи.To ensure the reliability of the electromechanical drive, at least two sets of pole magnets are mounted coaxially on the rotor of its electric motor, respectively covered by at least two sets of pole stator coils arranged coaxially one after another. Thus, the proposed electromechanical drive provides backup duplication of the power electrical part. In addition, for the purpose of redundant duplication, the electrical connectors, the brake control coil and the feedback sensor are made double.

Датчик обратной связи позволяет с требуемой точностью определять текущее положение выходного штока с подачей соответствующего сигнала. При получении приводом сигнала на изменение рабочего положения отсечного золотника в двигателе срабатывает одна пара статор-ротор, при отказе которой возможно включение в работу другой пары статор-ротор.The feedback sensor allows you to accurately determine the current position of the output rod with the appropriate signal. When the drive receives a signal to change the working position of the shut-off valve in the engine, one stator-rotor pair is triggered, in case of failure of which another stator-rotor pair can be switched on.

Кроме того, в предлагаемом электромеханическом приводе обеспечены отсутствие механических люфтов, высокая точность перемещения выходного штока, взаимодействующего с отсечным золотником, и защита выходного штока от загрязнения.In addition, the proposed electromechanical drive ensures the absence of mechanical backlash, high accuracy of movement of the output rod interacting with the shut-off valve, and protection of the output rod from contamination.

Предлагаемый электромеханический привод обладает высокими эксплуатационными качествами и позволяет при минимальных энергетических затратах с высокой надежностью и скоростью управлять положением отсечного золотника турбоагрегата атомной электростанции.The proposed electromechanical drive has high performance and allows for minimal energy costs with high reliability and speed to control the position of the shut-off valve of the turbine unit of a nuclear power plant.

На фиг.1 схематично показан разрез предлагаемого электромеханического привода.Figure 1 schematically shows a section of the proposed electromechanical drive.

На фиг.2 схематично показан разрез предлагаемого электромеханического привода, выполненный по линии А-А на фиг.1.Figure 2 schematically shows a section of the proposed electromechanical drive, made along the line aa in figure 1.

На фиг.3 схематично показана конструкция подпружиненных рычагов коромысла предлагаемого электромеханического привода. Изображено по виду Б на фиг.2.Figure 3 schematically shows the design of the spring-loaded levers of the rocker arm of the proposed electromechanical drive. Depicted by view B in figure 2.

Как показано на фиг.1, электромеханический привод содержит электродвигатель 1, статор 2 которого охватывает полый ротор 3 и девять роликов 4, снабженных внешней резьбой и размещенных в полости ротора 3 в сепараторах 5 по окружности так, что их оси параллельны оси ротора 3.As shown in figure 1, the electromechanical drive contains an electric motor 1, the stator 2 of which covers the hollow rotor 3 and nine rollers 4, equipped with external thread and placed in the cavity of the rotor 3 in the separators 5 around the circumference so that their axes are parallel to the axis of the rotor 3.

Ротор 3 жестко связан с винтом 6, соосно закрепленным внутри него и имеющим внешнюю резьбу, взаимодействующую с резьбой роликов 4. Резьба роликов 4 также взаимодействует с внутренней резьбой втулки 7, размещенной в полости ротора 3, охватывающей ролики 4 и жестко связанной со стаканом 8. Стакан 8 размещен на конце выходного штока 9, с которым он выполнен предпочтительно за одно целое. Таким образом, втулка 7 жестко связана с внутренним концом выходного штока. Внешний резьбовой конец 10 выходного 5 штока 9, являющегося исполнительным органом электромеханического привода, соединен с запорным органом, в данном примере с отсечным золотником.The rotor 3 is rigidly connected with the screw 6, coaxially fixed inside it and having an external thread interacting with the thread of the rollers 4. The thread of the rollers 4 also interacts with the internal thread of the sleeve 7, located in the cavity of the rotor 3, covering the rollers 4 and rigidly connected with the glass 8. The glass 8 is placed at the end of the output rod 9, with which it is made preferably in one piece. Thus, the sleeve 7 is rigidly connected with the inner end of the output rod. The external threaded end 10 of the output 5 of the rod 9, which is the actuator of the electromechanical drive, is connected to the shut-off element, in this example, with a shut-off valve.

Жесткая связь винта 6 с ротором 3 реализована жестким закреплением одного конца винта 6 в ступице 11 ротора 3, которая размещена с одного конца ротора 3 и, в свою очередь, посажена на спаренные радиально упорные подшипники подшипникового узла 12, обеспечивающие безлюфтовое вращение ротора 3. Другой конец ротора 3 посажен на радиально упорные подшипники подшипникового узла 23. На роторе 3 закреплены два набора полюсных магнитов 13, размещенных соосно друг за другом и охватываемых соответственно комплектами полюсных катушек статора, размещенных соосно друг за другом.A rigid connection of the screw 6 with the rotor 3 is implemented by rigidly fixing one end of the screw 6 in the hub 11 of the rotor 3, which is placed on one end of the rotor 3 and, in turn, is seated on the paired angular contact bearings of the bearing assembly 12, providing a backlash-free rotation of the rotor 3. Another the end of the rotor 3 is seated on the angular contact bearings of the bearing assembly 23. On the rotor 3 are fixed two sets of pole magnets 13, placed coaxially one after another and covered respectively by sets of pole stator coils placed with one after another.

Выходной шток 9 удерживается от поворота вокруг своей продольной оси противоротационным устройством, содержащим коромысло 14, которое надето на выходной шток 9, по существу, перпендикулярно ему и жестко закреплено. На двух концах коромысла 14 установлено по паре колес 15 (фиг.2), оси которых, по существу, перпендикулярны продольной оси выходного штока 9. Ось одного колеса 15 одной указанной пары и ось одного колеса 15 другой указанной пары, расположенного на противоположном конце коромысла 14 диаметрально противоположно относительно продольной оси Штока 9, выполнены неподвижными. Другие два противоположных колеса 15 выполнены подпружиненными, поскольку установлены на подпружиненных рычагах 16 (фиг.3), выполненных с возможностью углового перемещения вокруг своих осей 17, причем ось вращения подпружиненного колеса и ось вращения рычага разнесены на несколько миллиметров. Устранение углового люфта коромысла 14 происходит за счет выборки зазора между колесами 15 и внутренней поверхностью направляющих продольных пазов цилиндра 18 (фиг.1).The output rod 9 is kept from turning around its longitudinal axis by an anti-rotation device containing a rocker 14, which is worn on the output rod 9, essentially perpendicular to it and rigidly fixed. At the two ends of the beam 14, a pair of wheels 15 (FIG. 2) are mounted, the axes of which are essentially perpendicular to the longitudinal axis of the output rod 9. The axis of one wheel 15 of one specified pair and the axis of one wheel 15 of the other specified pair located on the opposite end of the beam 14 is diametrically opposed to the longitudinal axis of the Rod 9, made stationary. The other two opposite wheels 15 are spring-loaded, since they are mounted on spring-loaded levers 16 (FIG. 3), which are angularly movable around their axles 17, the axis of rotation of the spring-loaded wheel and the axis of rotation of the lever being spaced several millimeters. The elimination of the angular play of the rocker 14 is due to the selection of the gap between the wheels 15 and the inner surface of the guides of the longitudinal grooves of the cylinder 18 (figure 1).

Электромеханический привод также содержит тормозное устройство 19, имеющее две управляющие катушки 20 и два датчика 21 обратной связи, закрепленные на цилиндрической части винта 6, закрытые снаружи колпаком 22. Корпус электромеханического привода в сборе образован колпаком 22, тормозным устройством 19, подшипниковым узлом 12, двигателем 1, подшипниковым узлом 23, цилиндром 18 и монтажным фланцем 24, которые стянуты шпильками 25. Ограничение хода выходного штока 9 при достижении им крайних положений осуществляется тарельчатыми пружинами 26.The electromechanical drive also includes a brake device 19, which has two control coils 20 and two feedback sensors 21, mounted on the cylindrical part of the screw 6, closed on the outside by a cap 22. The housing of the electromechanical drive assembly is formed by a cap 22, a brake device 19, a bearing assembly 12, an engine 1, the bearing assembly 23, the cylinder 18 and the mounting flange 24, which are pulled together by the studs 25. The stroke of the output rod 9 is limited to the disc springs 26 when it reaches its extreme positions.

При работе привода вращение полого ротора 3 электродвигателя 1 вызывает вращение винта 6, внешняя резьба которого взаимодействует с резьбой охватывающих его роликов 4 и вызывает их вращение вокруг своих осей. Резьба роликов 4 взаимодействует также с внутренней резьбой втулки 7. Вращение роликов 4 приводит к линейному перемещению втулки 7, жестко связанной с выходным штоком 9 через стакан 8 и приводящий запорный орган в поступательное движение. В зависимости от направления вращения ротора происходит закрытие или открытие отсечного золотника (не показан).When the drive is operating, the rotation of the hollow rotor 3 of the electric motor 1 causes the rotation of the screw 6, the external thread of which interacts with the thread of the rollers 4 surrounding it and causes their rotation around their axes. The thread of the rollers 4 also interacts with the internal thread of the sleeve 7. The rotation of the rollers 4 leads to a linear movement of the sleeve 7, rigidly connected with the output rod 9 through the glass 8 and leading the shut-off body in translational motion. Depending on the direction of rotation of the rotor, a shut-off valve (not shown) is closed or opened.

Поскольку диаметр винта 6 относительно мал, а ротор 3 выполнен максимально легким, вращающаяся часть привода имеет небольшой момент инерции и обеспечивает требуемую скорость отработки положения исполнительного органа электромеханического привода без больших энергетических затрат.Since the diameter of the screw 6 is relatively small, and the rotor 3 is made as light as possible, the rotating part of the drive has a small moment of inertia and provides the required speed for working out the position of the actuator of the electromechanical drive without high energy costs.

Claims

1. Electromechanical drive containing an electric motor, the stator of which covers the hollow rotor, rollers provided with external thread and placed in the rotor cavity in the threaded sleeve in a circle so that their axes are parallel to the axis of the rotor, and an output rod, characterized in that it is coaxially placed inside the rotor a screw having an external thread interacting with the thread of the rollers, which also interacts with the internal thread of the specified sleeve, rigidly connected with one end of the output rod installed with rotation retention, and ne end of the screw rotor is rigidly connected, and the other end of the screw rod disposed in the outlet cavity.

2. The electromechanical drive according to claim 1, in which the output rod is kept from turning around its longitudinal axis by an anti-rotation device.

3. The electromechanical drive according to claim 1, in which the rotor is installed in the bearing unit with the possibility of pretension to eliminate axial play.

4. The electromechanical drive according to claim 1, in which the interaction of the external thread of the screw with the internal thread of the sleeve, carried out through the external thread of the rollers, is backlashless.

5. The electromechanical drive according to claim 1, in which there are nine rollers.

6. The electromechanical drive according to claim 1, in which the rollers are placed in separators installed in a threaded sleeve.

7. The electromechanical drive according to claim 1, in which the output rod has a smooth surface.

8. The electromechanical drive according to claim 1, in which the stroke of the output rod is limited by elastic elements, such as disk springs or rubber dampers.

9. The electromechanical drive according to claim 1, in which at least two sets of pole magnets are fixed coaxially to each other on the rotor, respectively covered by at least two sets of pole stator coils arranged coaxially one after another.