ЭЛЕКТРОМАШИНА
ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению.
Известна высокооборотная электромашина, содержащая корпус, выполненный с возможностью подвода в его полость охлаждающего газа, снабженный торцевыми щитами и средствами подвода охлаждающего газа к узлам, размещенным в полости корпуса, сердечник статора, снабженный обмоткой, в цилиндрической полости которого с зазором размещен ротор, содержащий индуктор и подшипниковый узел (см. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.).
Недостатком данного устройства является невозможность существенного уменьшения массогабаритных характеристик устройства за счет повышения скорости вращения ротора, поскольку нагрузочные характеристики подшипниковых узлов не допускают высокие скорости вращения ротора при уменьшении его радиального размера.
Наиболее близким к данному изобретению устройством является электромашина, содержащая корпус с торцевыми щитами, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, зафиксированные клиньями пазов, причем в полости статора зафиксирована втулка, в цилиндрической полости которой с возможностью вращения размещен ротор, на котором закреплен индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, включающий полюса, постоянные магниты, немагнитные клинья и вал, при этом полость корпуса выполнена с возможностью подвода охлаждающего агента к ротору и статору и отвода последнего после нагрева в машине, причем статор выполнен с возможностью независимого охлаждения, для чего корпус снабжен, по меньшей мере, двумя патрубками, выполненными с возможностью подвода-отвода охлаждающего агента в объем корпуса, занятый статором, при этом втулка снабжена продольными выступами, число, местоположение и поперечное сечение которых соответствует числу, местоположению и поперечному сечению пазов сердечника статора, в которых выступы втулки размещены (см. патент РФ №2523029, МПК Н02К 9/12, 2014 г.).
Недостатками данного устройства является необходимость обеспечивать постоянство зазора между втулкой и ротором, который имеет малое значение, что может привести к заклиниванию ротора во втулке при повышенных частотах вращения и температурных деформациях, а также недостаточная несущая способность газостатических подшипников при малых давлениях наддува.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности электромашины, повышение КПД электромашины, повышение эффективности охлаждения обмотки и сердечника статора и постоянных магнитов, уменьшение нагрева втулки радиального магнитного подшипника и сердечника статора от трения в них, улучшение массогабаритных показателей.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении надежности работы электромашины за счет замены газостатических подшипников, расположенных по всей длине ротора, магнитными, образованными объемными высокотемпературными сверхпроводящими (ВТСП) элементами, размещенными в пазах статора, и индуктором ротора, и в увеличении зазора в магнитном подшипнике, что предотвращает возможность заклинивания газостатических подшипников, повышает несущую способность радиальных магнитных подшипников, повышает КПД электромашины, эффективно охлаждая обмотки и сердечник статора, способствует уменьшению массы и габаритов и повышению ресурса электромашин, в том числе работающих при повышенных и высоких частотах вращения. Одновременно обеспечивается минимальный прогиб ротора, эффективное охлаждение постоянных магнитов, снижаются потери на трение и повышается несущая способность магнитных подшипников, предотвращается заклинивание ротора при высоких окружных скоростях по всей длине ротора.
Поставленная задача решается тем, что электромашина, содержащая корпус с торцевыми щитами, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, зафиксированные клиньями пазов, причем в полости статора зафиксирована втулка, в цилиндрической полости которой с возможностью вращения размещен ротор, на котором закреплен индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, включающий полюса, постоянные магниты, немагнитные клинья и вал, при этом полость корпуса выполнена с возможностью подвода охлаждающего агента к ротору и статору и отвода последнего после нагрева в машине, причем статор выполнен с возможностью независимого охлаждения, для чего корпус снабжен, по меньшей мере, двумя патрубками, выполненными с возможностью подвода-отвода охлаждающего агента в объем корпуса, занятый статором, при этом втулка снабжена продольными выступами, число, местоположение и поперечное сечение которых соответствует числу, местоположению и поперечному сечению пазов сердечника статора, в которых выступы втулки размещены, отличается тем, что втулка выполнена из немагнитного неэлектропроводного материала, например стеклотекстолита, при этом ее выступы выполнены полыми, предпочтительно прямоугольной формы, при этом в пазах размещены и зафиксированы прямоугольные планки длиной, соответствующей длине втулки, выполненные из высокотемпературного сверхпроводящего материала, с оставлением пазовых каналов, сообщенных с радиальными хладоподводящими отверстиями, открытыми во внутреннюю полость втулки, кроме того, в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные в виде стаканов из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами крайних пакетов сердечника статора, кроме того, цилиндрические втулки, выполненные на сторонах торцевых щитов соосно с осью вращения ротора, использованы как обоймы радиально-упорных пассивных магнитных подшипников, а цилиндрические стаканы, выполненные на внешних торцах ротора, использованы как их цапфы, кроме того, магнитная система индуктора выполнена по схеме Хальбаха в виде магнитной втулки, составленной из желобообразных удлиненных элементов из магнитного материала, с чередованием радиальной и тангенциальной намагниченности, жестко скрепленной с обращенной к ней поверхностью ротора, при этом толщина элементов радиальной намагниченности отличается от толщины элементов тангенциальной намагниченности, причем на поверхности магнитной втулки размещены желобообразные удлиненные элементы из материала с высокой магнитной проницаемостью и немагнитного материала, образующие чередующиеся полюса и клинья соответственно, кроме того, внешняя поверхность индуктора, обращенная в зазор с полостью втулки, выполнена цилиндрической и снабжена бандажом из высокопрочного немагнитного термостойкого материала, выполненного предпочтительно намоткой углеродного волокна, пропитанного термостойкими синтетическими смолами, кроме того, в качестве охлаждающего агента использован газ с температурой, достаточной для перехода высокотемпературных сверхпроводников в сверхпроводящее состояние. Электромашина по п. 1 отличается тем, что сечение паза снабжено продольным ребром, сообщенным с его стенкой, обращенной в пазовый канал.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки, указывающие, что «втулка выполнена из немагнитного неэлектропроводного материала, например стеклотекстолита, при этом ее выступы выполнены полыми, предпочтительно прямоугольной формы, при этом в пазах размещены и зафиксированы прямоугольные планки длиной, соответствующей длине втулки, выполненные из высокотемпературного сверхпроводящего материала, с оставлением пазовых каналов, сообщенных с радиальными хладоподводящими отверстиями, открытыми во внутреннюю полость втулки», обеспечивают надежное удержание втулки в пазах, исключающие возможность ее произвольного радиального смещения в направлении поверхности ротора или проворачивание,
Признак, указывающий, что «в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные в виде стаканов из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами крайних пакетов сердечника статора», обеспечивает герметичность полости обмоток сердечника статора и позволяет организовать подвод охлаждающего агента к объемным ВТСП планкам машины без его смешивания с газом, используемым для охлаждения статора и ротора.
Признак, указывающий, что «цилиндрические втулки, выполненные на сторонах торцевых щитов соосно с осью вращения ротора, использованы как обоймы радиальных магнитных подшипников, а цилиндрические стаканы, выполненные на внешних торцах ротора, использованы как их цапфы», формирует втулку и цапфу радиально-упорных пассивных магнитных подшипников.
Признак, указывающий, что «магнитная система индуктора выполнена по схеме Хальбаха в виде магнитной втулки, составленной из желобообразных удлиненных элементов из магнитного материала, с чередованием радиальной и тангенциальной намагниченности, жестко скрепленной с обращенной к ней поверхностью ротора, при этом толщина элементов радиальной намагниченности отличается от толщины элементов тангенциальной намагниченности», формирует эффективную магнитную систему индуктора при ее минимальной массе, а также обеспечивает передачу крутящего момента на вал и предотвращает тангенциальное смещение магнитов относительно полюсов и немагнитных клиньев при пуске и останове ротора.
Признак, указывающий, что «на поверхности магнитной втулки размещены желобообразные удлиненные элементы из материала с высокой магнитной проницаемостью и немагнитного материала, образующие чередующиеся полюса и клинья соответственно», формирует направление магнитного потока индуктора, обеспечивает возможность работы электрической машины.
Признак, указывающий, что «внешняя поверхность индуктора, обращенная в зазор с полостью втулки, выполнена цилиндрической и снабжена бандажом из высокопрочного немагнитного термостойкого материала, выполненного предпочтительно намоткой углеродного волокна, пропитанного термостойкими синтетическими смолами», обеспечивает высокие прочностные характеристики ротора.
Признак, указывающий, что «в качестве охлаждающего агента использован газ с температурой, достаточной для перехода высокотемпературных сверхпроводников в сверхпроводящее состояние», обеспечивает необходимую температуру объемных ВТСП планок для поддержания в них эффекта сверхпроводимости.
Признак, указывающий, что «сечение паза снабжено продольным ребром, сообщенным с его стенкой, обращенной в пазовый канал», обеспечивает прочность объемных ВТСП планок и втулки при действии сил левитации на планки.
На фиг. 1 показан продольный разрез электромашины, на фиг. 2 - поперечный разрез.
На чертежах показаны корпус 1 с продольными вентиляционными каналами 2, пакеты сердечника 3 статора, пазы 4 катушки 5 обмотки статора, клинья 6, втулка 7 со сквозными осевыми каналами 8, размещенными в продольных выступах 9 втулки 7, и прямоугольные планки 10 из объемных ВТСП материалов, пазовые вентиляционные каналы 11, цилиндрические втулки 12, 13 на статоре, торцевые щиты 14, 15 с радиальными питающими отверстиями 16, 17 охлаждающего газа объемных прямоугольных планок из ВТСП материалов, уплотнительные кольца 18, 19, 20, 21, 22, 23, постоянные магниты 24, 25, полюса 26, клинья 27, вал 28, концевые цилиндрические втулки 29, 30 на роторе, бандаж 31, постоянные магниты 32, 33, 34, 35, радиальные вентиляционные каналы 36, выполненные между пакетами сердечника 3 статора, патрубок 37 подвода охлаждающего газа и патрубки 38, 39 отвода охлаждающего газа в объем корпуса 1, патрубок 40 подвода и патрубок 41 отвода газа охлаждения ротора, нажимные листы 42, 43; бурт 44, ветреницы 45, разрезное кольцо 46, зазор 47 радиального магнитного подшипника.
Электромашина содержит герметичный корпус 1 с продольными вентиляционными каналами 2, в полости которого размещены шихтованные пакеты из электротехнической стали сердечника 3 статора (фиг. 1, фиг. 2). По внешнему диаметру шихтованные пакеты сердечника 3 статора опираются на корпус 1 электромашины. Пакеты сердечника 3 статора снабжены пазами 4, в которых размещены катушки 5 обмотки статора. Проводники катушек 5 каждого паза 4 зафиксированы клиньями 6. В пазах 4 расположена также втулка 7 с осевыми каналами 8 для охлаждения прямоугольных планок 10, выполненная из немагнитного неэлектропроводного материала, например стеклотекстолита, снабженная продольными выступами 9, число, местоположение и поперечное сечение которых соответствует числу, местоположению и поперечному сечению пазов 4 шихтованного сердечника 3 статора, в которых размещены выступы 9 втулки 7. При этом выступы 9 втулки 7 выполнены полыми, предпочтительно прямоугольной формы, при этом в пазах 4 размещены и зафиксированы прямоугольные планки 10 длиной, соответствующей длине втулки 7, выполненные из объемного высокотемпературного сверхпроводящего материала. Между выступом 9 втулки 7 выполнен пазовый вентиляционный канал 11, аэродинамически сообщенный с патрубками 37 подвода и 38, 39 отвода охлаждающего агента обмотки и сердечника статора.
В полости корпуса 1 соосно с полостью сердечника 3 статора установлены цилиндрические втулки 12, 13, выполненные в виде стаканов из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами крайних пакетов сердечника 3 статора. При этом внешние поверхности цилиндрических втулок 12, 13 на концах, обращенных к торцевым щитам 14, 15 (с радиальными питающими отверстиями 16, 17 охлаждающего газа объемных прямоугольных планок 10 из ВТСП материалов), снабжены парными уплотнительными кольцами 18, 19, 20, 21 (например, из вспененной резины). Стыки торцевых щитов 14, 15 с корпусом 1 выполнены герметично. Цилиндрические выступы, выполненные на внутренних сторонах торцевых щитов 14, 15 соосно с осью вращения ротора, использованы как обоймы радиально-упорных пассивных магнитных подшипников, а цилиндрические стаканы 29, 30, выполненные на внешних торцах ротора, использованы как их цапфы.
В цилиндрической полости втулки 7 и цилиндрических втулок 12, 13 размещен ротор с возможностью вращения с образованием радиального зазора 47.
Магнитная система индуктора выполнена по схеме Хальбаха в виде магнитной втулки, составленной из желобообразных удлиненных элементов из магнитного материала, с чередованием радиального и тангенциального направлений намагниченности, скрепленных с обращенной к ней поверхностью ротора. При этом толщина элементов радиальной намагниченности отличается от толщины элементов тангенциальной намагниченности. На поверхности постоянных магнитов 24 с радиальным направлением намагниченности размещены желобообразные удлиненные элементы 26 из материала с высокой магнитной проницаемостью, а на поверхности постоянных магнитов 25 с тангенциальным направлением намагниченности размещены желобообразные удлиненные элементы 27 из немагнитного материала, образующие чередующиеся полюса 26 и клинья 27, соответственно.
Ротор содержит индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, включающий полюса 26, постоянные магниты 24, 25, немагнитные клинья 27 и вал 28, причем полюса и клинья жестко соединены друг с другом боковыми поверхностями, например, сваркой с последующей шлифовкой.
Концевые участки ротора выполнены в виде цилиндрических втулок 29, 30 из немагнитного материала, установленных заподлицо с внешней поверхностью ротора, так что длина ротора превышает длину индуктора.
Для обеспечения механической прочности ротора полюса 26 немагнитные клинья 27 и концевые цилиндрические втулки 29, 30, внешней поверхности которых придана цилиндрическая форма, снабжены бандажом 31, при этом бандаж 31 изготовлен из высокопрочного немагнитного термостойкого материала, выполненного предпочтительно намоткой углеродного волокна, пропитанного термостойкими синтетическими смолами. Вал 28 выполнен полым. Крутящий момент от турбины передается от втулки, состоящей из чередующихся полюсов 26 и клиньев 27, через жестко скрепленную с ней, например, сваркой концевую цилиндрическую втулку 29 на вал турбины или компрессора.
Магнитный подшипник включает цилиндрическую втулку 7 с размещенными в ней прямоугольными планками 8 из объемных ВТСП материалов, охлаждаемыми охлаждающим агентом (например, жидким азотом, водородом или гелием с температурой ниже температуры перехода планки в сверхпроводящее состояние), цапфу, составленную индуктором ротора, и радиальный зазор 47.
Радиально-упорные пассивные магнитные подшипники включают цапфу (составленную внутренними поверхностями цилиндрических втулок 29, 30 на роторе и постоянных магнитов 34, 35), опорную поверхность (составленную цилиндрическими выступами торцевых щитов 14, 15 и постоянными магнитами 32, 33).
Полость корпуса 1 выполнена с возможностью подвода в нее охлаждающего газа и отвода последнего, для чего внутренняя поверхность корпуса снабжена продольными каналами 2, сообщенными с радиальными вентиляционными каналами 36, выполненными между пакетами сердечника 3 статора. Статор выполнен с возможностью независимого проветривания, для чего корпус 1 снабжен патрубком 37 подвода охлаждающего газа и патрубками 38, 39 отвода охлаждающего газа в объем корпуса 1, занятый статором.
В торцевых щитах 14, 15 выполнены радиальные отверстия 16, 17. Вход отверстия 16, сообщен с источником охлаждающего газа (на чертежах не показан), а выход отверстия 17 - с приемником охлаждающего газа. Входное отверстие 16 сообщено с кольцевой канавкой, размещенной между парными уплотнительными кольцами 18, 19, которая, в свою очередь, сообщена со сквозными продольными отверстиями цилиндрических втулок 12, 13 и сквозными осевыми каналами 8, размещенными в продольных выступах 9 втулки 7. Кроме того, щит 14 снабжен патрубком 40, подключенным к отдельному источнику охлаждающего газа (на чертежах не показан) и сообщенным через радиальный зазор 47 со сборником газа и патрубком 41.
Вентиляционные каналы 2, 11, 36 аэродинамически сообщены друг с другом и с кольцевыми каналами подачи 37 и вытяжки 38, 39 охлаждающего газа (например, водорода, гелия, воздуха) и служат для организации вытяжной радиально-осевой независимой системы вентиляции электромашины.
Статор собирается в следующем порядке. Из штампованных листов электротехнической стали собирают пакеты 3 сердечника статора и скрепляют их сваркой по канавкам на наружной цилиндрической поверхности пакета. В корпус 1 устанавливают нажимной лист 43 вплотную к бурту 44; далее в корпус электромашины устанавливают пакеты сердечника 3 статора и ветреницы 45 (см. фиг. 1). После последнего пакета устанавливают нажимной лист 42. Комплект пакетов и ветрениц фиксируют в корпусе электромашины с помощью разрезного кольца 46.
Далее в пазы 4 пакетов сердечника 3 статора устанавливают пазовую изоляцию (на чертеже не показана), укладывают катушки 5 обмотки статора и заклинивают их пазовыми клиньями 6. Обмотку статора подвергают пропитке и сушке. С наружной поверхности клиньев 6 и свободной части зубцов пакетов сердечника 3 статора удаляют остатки пропиточного компаунда. Далее в осевые каналы 8 цилиндрической втулки 7 вклеивают прямоугольные планки 10 из ВТСП материалов. Внутрь пазов 4 статора устанавливают втулку 7, оставляя пазовые вентиляционные каналы 11. К торцам сердечника крайних пакетов сердечника 3 статора непосредственно под нажимные листы 42, 43 приклеивают цилиндрические втулки 12, 13. На крайние торцы цилиндрических втулок 12, 13 надевают уплотнительные кольца (резиновые) кольца 18, 19, 20, 21. На цилиндрические выступы торцевых щитов 14, 15 устанавливают на клей кольцевые постоянные магниты 32, 33. В полость статора, образованную цилиндрическими втулками 12, 13, и втулки 7 вставляют ротор. На торцевые щиты 14, 15 надевают уплотнительные кольца 22, 23 и устанавливают щиты в корпус 1 электромашины.
Электромашина работает следующим образом. Охлажденный газ (водород, гелий или воздух) от внешнего вентилятора нагнетается через патрубок 37 в полость корпуса 1 электромашины, далее газ распределяется по осевым вентиляционным каналам 2 в радиальные вентиляционные каналы 36, а затем поступает в пазовые вентиляционные каналы 11 и уходит по ним в зоны лобовых частей обмотки статора и затем через патрубки 38, 39 удаляется вентилятором в охладитель газа. После охлаждения газ опять поступает в патрубок 37 для охлаждения обмотки и пакетов сердечника статора генератора. Таким образом, обеспечивается независимая эффективная многоструйная вытяжная радиально-осевая вентиляция обмотки и сердечника статора электромашины.
Охлаждающий газ от детандера поступает через радиальное отверстие 16, выполненное в торцевом щите 14, далее по осевым каналам во втулках 12 и 7 поступает в осевые каналы 8, где охлаждает прямоугольные планки 10, и выходит через радиальное отверстие 17 в торцевом щите 15. После охлаждения в детандере он вновь поступает в отверстие 16. Кроме того, охлажденный и очищенный газ вентилятором через патрубок 40 в щите 14, зазор 47 радиального магнитного подшипника поступает в газосборник и выходит через патрубок 41 в щите 15. При поступлении хладагента в каналы 8 происходит переход прямоугольных планок 10 в сверхпроводящее состояние, причем одна треть вставок из ВТСП материалов переходит в сверхпроводящее состояние во внешнем магнитном поле, а две трети из них переходит в указанное состояние при отсутствии внешнего магнитного поля. После перехода прямоугольных планок 10 в сверхпроводящее состояние появляются силы отталкивания между прямоугольными планками 10 и полюсами 26 ротора, причем между планками, которые перешли в сверхпроводящее состояние при отсутствии внешнего поля, силы отталкивания больше, чем у планок, перешедших в это состояние во внешнем магнитном поле. Планки 10 вытесняют внешнее магнитное поле из своего объема и направляют его в зубцы статора. При вращении ротора магнитный поток полюсов 26 наводит ЭДС в обмотке статора, которую можно использовать для электропитания потребителей.