ВЫСОКООБОРОТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
HIGH-SPEED ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано при проектировании электрогенераторов и электродвигателей с высокой частотой вращения.
Известна конструкция высокооборотной электрической машины, содержащей статор и ротор, каждая опора вала которого содержит три подшипника, наружные кольца которых прижаты к опорным шейкам вала, а внутренние кольца расположены на эксцентриковых осях (US 3400285, 1969 г.).
Недостатком этого устройства является малый срок эксплуатации и низкая надежность работы, обусловленные отсутствием постоянного и равномерного поджима подшипников к опорной шейке вала и, как следствие, увеличивающейся по мере износа контактирующих элементов вибрацией.
Известна электрическая машина, содержащая статор, закрепленный в корпусе, и ротор, расположенный на валу, каждая из опор которого содержит, по меньшей мере, три подшипника, внешние кольца которых прижаты к опорной шейке вала с помощью вспомогательного электродвигателя, ротор которого находится в зубчатом зацеплении с установленными в торцевых фланцах эксцентриковыми осями, на которых размещены внутренние кольца подшипников (см. SU 610247, Н02К 5/16, 1976).
Недостатком известного устройства является то, что на подшипники действуют значительные силы, которые возникают от неуравновешенных масс на роторе машины и вызывают повышенные вибрационные и радиальные нагрузки. Для преодоления действия этих сил, отжимающих подшипники от шейки вала ротора, ротор вспомогательного электродвигателя должен развивать повышенный крутящий момент, который может быть обеспечен за счет увеличения мощности двигателя и, следовательно, его габаритов. Кроме того, при выключенном вспомогательном электродвигателе геометрическая ось вала ротора машины смещается, т.к. эксцентриковые оси подшипников под действием его веса поворачиваются на величину эксцентриситета, при этом вал ротора "проваливается" под собственным весом между наружными кольцами подшипников. Все это уменьшает срок эксплуатации машины и снижает надежность ее работы. Кроме того, конструкция машины усложнена.
Известна также высокооборотная электрическая машина, содержащая корпус, снабженный торцевыми щитами, 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.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение высокой надежности работы электромашины при высокой скорости вращения ротора без увеличения ее массогабаритных показателей.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности использования газового слоя в зазоре между статором и ротором электромашины для организации газового подшипника и за счет этого отказа от подшипников качения. Кроме того, повышается ресурс электромашины при работе на повышенных и высоких частотах вращения. Одновременно минимизируется прогиб вала.
Для решения поставленной задачи высокооборотная электрическая машина, содержащая корпус, снабженный торцевыми щитами, сердечник статора, снабженный обмоткой, в цилиндрической полости которого с зазором размещен ротор, содержащий индуктор и подшипниковый узел, отличается тем, что подшипниковый узел выполнен с возможностью газодинамического поддержания ротора, для чего наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма, причем он размещен в полости цилиндрической втулки, предпочтительно тонкой, зафиксированной от проворачивания в торцевых щитах, с зазором к ее поверхности, открытым со стороны торцевых щитов, причем втулка выполнена из изоляционного немагнитного антифрикционного материала. Кроме того, краевые участки ротора выполнены в виде цилиндрических втулок, внешний диаметр которых равен диаметру ротора, при этом длина опорной поверхности ротора превышает длину индуктора. Кроме того, часть ротора, прилегающая к оси его симметрии, выполнена в виде вала, предпочтительно полого, с возможностью жесткой фиксации с валом турбины и/или компрессора.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «подшипниковый узел выполнен с возможностью газодинамического поддержания ротора» позволяет отказаться от поддержания ротора на подшипниках качения, тем самым исключается необходимость формирования соответствующих посадочных мест под подшипниковые узлы (с уменьшением поперечного сечения ротора), кроме того, резко уменьшается нагрузка на опорные участки ротора, поскольку в их качестве используется практически вся поверхность ротора.
Признаки «наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма, причем он размещен в полости цилиндрической втулки» обеспечивают конструктивное формирование газодинамического подшипника, в котором ротор играет роль цапфы, а обращенная к нему поверхность втулки играет роль опорного отверстия, в котором эта цапфа размещена.
Выполнение втулки тонкой уменьшает зазор между ротором и статором и тем самым обеспечивает повышение магнитной индукции и, следовательно, эффективность работы электромашины.
Признаки, указывающие, что ротор размещен в полости втулки …, «зафиксированной от проворачивания в торцевых щитах, с зазором к ее поверхности, открытым со стороны торцевых щитов» обеспечивают возникновение эффекта газодинамического поддержания ротора при его вращении.
Признаки, указывающие, что «втулка выполнена из изоляционного немагнитного антифрикционного материала» обеспечивают возможность работы электрической машины в режиме генератора электроэнергии. При этом антифрикционные свойства втулки обеспечивают минимальный ее износ и задиры при аварийном соприкосновении с ротором.
Признаки второго пункта формулы изобретения уменьшают нагрузку на опорную поверхность втулки и ротора за счет возможности увеличения площади их контактирования.
Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают надежное соединение ротора электромашины с валом турбины и/или компрессора и минимизируют дисбаланс комплекса интенсивно вращающихся деталей в генерирующей установке.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез машины; на фиг.2 показан ее поперечный разрез по А-А.
На чертежах показаны корпус 1, в полости которого установлен сердечник статора 2, выполненный известным образом из одного или нескольких пакетов электротехнической стали с обмоткой 3. Статор собирают в следующем порядке. Из штампованных листов электротехнической стали собирают пакеты и скрепляются сваркой по канавкам на наружной цилиндрической поверхности. Первый пакет, снабженный нажимным листом, вставляют в корпус электромашины до упора. Далее со строгой ориентацией устанавливают поочередно дистанционные распорки и пакеты сердечника, причем последний пакет также снабжен нажимным листом. Если сердечник статора состоит из одного пакета, его снабжают нажимными листами с обеих торцевых сторон. Полученный комплект пакетов и дистанционных распорок (или единственный пакет) прессуют и фиксируют в корпусе машины с помощью разрезного кольца. Далее в пазы пакетов устанавливают пазовую изоляцию, укладывают обмотку статора, и заклинивают ее. Обмотку статора подвергают пропитке и сушке. Внутрь статора вставляют цилиндрическую немагнитную изоляционную втулку с радиальными отверстиями.
В свою очередь, в полости статора 2 установлена цилиндрическая втулка 4, выполненная из изоляционного немагнитного антифрикционного материала. Втулка 4 зафиксирована своими концевыми участками в торцевых щитах 5 корпуса машины с исключением возможности проворачивания в них (в сквозных отверстиях (не показаны) торцевых щитов 5).
Наружной поверхности ротора 6 придана форма цилиндра. Ротор 6 содержит индуктор, выполненный, например, из постоянных магнитов 7. Вал 8 ротора 6 выполнен предпочтительно полым, поскольку такое решение позволяет уменьшить массу ротора и обеспечить более эффективное его охлаждение при организации отвода воздуха через полость вала.
Между наружной цилиндрической поверхностью ротора 6 и внутренней поверхностью изоляционной немагнитной втулки 4 оставлен небольшой зазор 9, открытый со стороны торцевых щитов 5. Газодинамический подшипник составляют внутренняя поверхность втулки 4, наружная цилиндрическая поверхность ротора 6 и зазор 9 между ними.
При малой длине ротора 6 его вал может быть сплошным. При большой длине ротора целесообразно выполнить вал полым, при этом на его сплошной наружной цилиндрической поверхности может быть выполнена кольцевая канавка 10, вдоль окружности которой целесообразно выполнить несколько сквозных радиальных отверстий 11, соединяющих полость 12 вала 8 с внешней поверхностью ротора 6.
Ротор электромашины должен иметь цилиндрическую наружную поверхность, которая будет служить цапфой газового подшипника. Поэтому, если ротор явнополюсный, на него надевают тонкий немагнитный цилиндр (не показан).
Вал электромашины выполнен как часть вала энергетической установки (не показана). В рамках настоящей заявки под энергетической установкой понимаем агрегат, включающий заявленную электромашину и турбину и/или компрессор, обеспечивающие приведение во вращение ротора 6. Таким образом вал электромашины жестко связан и образует жесткую конструкцию с валом названного приводного механизма.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Приводной механизм (не показан) приводит во вращение ротор 6. При этом газ из пространства, окружающего машину, подсасывается в зазор 9 наружной поверхностью ротора и создает газодинамическую подъемную силу за счет разности зазоров в верхней и нижней частях подшипника (за счет эксцентричности продольной оси ротора 6 и втулки 4), обеспечивающую поддержание ротора 6 в подвешенном положении относительно втулки 4, неподвижной относительно статора 2. С наружной цилиндрической поверхности ротора 6 газ уходит в осевом направлении в окружающую среду, а в центральной части - также через радиальные отверстия в полый вал 8 ротора и далее в окружающую среду через полость 12 вала 8. Одновременно газ работает, как охлаждающий агент, отнимая тепло от наружной цилиндрической поверхности ротора и поверхности его полости 12. Тем самым обеспечивается на допустимом уровне нагрев индуктора ротора.
Охлаждение статора осуществляют известным образом с подачей охлаждающего агента в соответствующее пространство корпуса машины (элементы этой системы охлаждения не показаны).
В остальном работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.