ЭЛЕКТРОМАШИНА
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 электромашины, 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 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.). Устройство является высокооборотной электрической машиной.
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.
Задача, 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. Кроме того, обеспечивается возможность использования охлаждающего газа в качестве смазывающего агента (для формирования газостатического и газодинамического подшипника). Одновременно обеспечивается минимальный прогиб вала.
Для решения поставленной задачи 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, отличается тем, что подшипниковый узел выполнен с возможностью газодинамического и газостатического поддержания ротора, для чего наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен в цилиндрической полости втулки, зафиксированной от проворачивания в торцевых щитах, при этом между внешней поверхностью втулки и обращенной к ней поверхностью полости сердечника статора образованы продольные каналы, при этом втулка размещена с зазором по отношению к поверхности ротора и выполнена из изоляционного немагнитного антифрикционного материала, причем полости продольных каналов сообщены с зазором между втулкой и поверхностью ротора, по меньшей мере, одним кольцевым рядом сквозных отверстий в стенке втулки. Кроме того, краевые участки ротора выполнены в виде цилиндрических втулок, внешний диаметр которых равен диаметру ротора, при этом длина опорной поверхности втулки и 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. Кроме того, зазор между втулкой и поверхностью ротора сообщен с полостью вала радиальными отверстиями, выполненными во втулке. Кроме того, втулка выполнена тонкостенной.
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 удельная нагрузка на опорные участки втулки, поскольку в их качестве используется практически вся поверхность ротора.
Признак, указывающий, что подшипниковый узел выполнен также «с возможностью газостатического поддержания ротора», обеспечивает повышение эффективности работы подшипникового узла на всех режимах работы машины от разгонного (когда мал эффект газодинамического поддержания ротора) до рабочего (когда минимален эффект газостатического поддержания ротора).
Признаки «наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма, причем он размещен в цилиндрической полости 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.
При этом не лимитируется форма внешней поверхности втулки
Признаки, указывающие, что втулка выполнена «жестко зафиксированной в торцевых щитах, размещенной с зазором к поверхности ротора, открытым со стороны торцевых щитов», обеспечивают возникновение эффекта газодинамического поддержания ротора при его вращении.
Признаки «между внешней поверхностью втулки и обращенной к ней поверхностью полости сердечника статора образованы продольные каналы» повышают эффективность отвода тепла от статора и обеспечивают возможность использования отработанного охлаждающего газа в качестве смазывающего при дросселировании этого газа в полость втулки.
Признаки «втулка размещена с зазором по отношению к поверхности ротора» обеспечивают возможность формирования в названном зазоре газостатического и/или газодинамического слоя, поддерживающего ротор.
Признаки, указывающие, что «втулка выполнена из изоляционного немагнитного антифрикционного материала», обеспечивают возможность работы электрической машины. При этом антифрикционные свойства втулки обеспечивают минимальный ее износ и задиры при аварийном соприкосновении с ротором.
Признаки «полости продольных каналов сообщены с зазором между втулкой и поверхностью ротора, по меньшей мере, одним кольцевым рядом сквозных отверстий в стенке втулки» обеспечивают возможность перепуска охлаждающего газа в полость втулки и тем самым возможность его использования в качестве смазывающего как в газостатическом, так и газодинамическом режимах работы подшипника.
Признаки второго пункта формулы изобретения уменьшают удельную нагрузку на опорную поверхность втулки за счет возможности увеличения площади опорной поверхности.
Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают надежное соединение ротора электромашины с валом турбины и/или компрессора, увеличивают жесткость конструкции и минимизируют прогиб вала при изгибных колебаниях.
Признаки четвертого пункта формулы изобретения обеспечивают возможность сброса отработанного смазывающего газа через полость вала и, дополнительно, способствуют отводу тепла от ротора.
Признаки пятого пункта формулы изобретения обеспечивают повышение магнитной индукции и, следовательно, эффективность работы электромашины.
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 из одного или нескольких пакетов 2 из электротехнической стали, разделенных друг от друга дистанционными распорками 3, обеспечивающими радиальные вентиляционные каналы 4. По внешнему диаметру пакеты опираются на выступы в корпусе статора, между выступами располагаются осевые каналы 5, в которые поступает охлаждающий газ через отверстие 6 в корпусе. В пазах пакетов уложена обмотка статора 7.
Статор собирают в следующем порядке. Из штампованных листов электротехнической стали собирают пакеты и скрепляют 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, при малой продольной длине машины) прессуют и известным образом 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.
Часть полости корпуса, в которой размещен статор, отделена от остального объема корпуса втулкой 8, которая зафиксирована в торцевых щитах 9 с исключением проворачивания в них и размещена с образованием продольных каналов 10 между внешней поверхностью втулки 8 и обращенной к ней поверхностью полости сердечника статора. Втулка выполнена с цилиндрической внутренней полостью. Для ее изготовления использован изоляционный немагнитный антифрикционный материал, например стеклотекстолит. В ее полости размещен с зазором 11 ротор 12. Полости продольных каналов 10 сообщены с зазором 11 (между поверхностью полости втулки 8 и поверхностью ротора 12). При этом использованы ограничители расхода газа, например, в виде, по меньшей мере, одного кольцевого ряда сквозных радиальных отверстий 13.
Ротор содержит индуктор, выполненный известным образом, например, из постоянных магнитов 14, и полый вал 15.
При малой длине ротора 12 его вал 15 может быть сплошным. При большой длине ротора целесообразно выполнить вал 15 полым, при этом на его сплошной наружной цилиндрической поверхности может быть выполнена кольцевая канавка 16. Вдоль окружности канавки может быть просверлено несколько радиальных отверстий 17 в полость вала 15. Если в машине устроен один подшипник, то радиальные отверстия в роторе отсутствуют.
Ротор электромашины должен иметь цилиндрическую наружную поверхность, которая будет служить цапфой газового подшипника. Поэтому, если ротор явнополюсный, на него надевают тонкий немагнитный цилиндр (на чертежах не показан).
Газостатический подшипник составляют данная втулка 8 с ограничителями расхода газа 13, наружная цилиндрическая поверхность ротора 12 и зазор 11 между втулкой и ротором.
Полый вал 15 выполнен как часть вала энергетической установки (на чертежах не показана). В рамках настоящей заявки под энергетической установкой понимаем агрегат, включающий заявленную электромашину и турбину и/или компрессор, обеспечивающие приведение во вращение ротора 12. Таким образом, вал электромашины связан с валом названного приводного механизма и образует жесткую конструкцию.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Приводной механизм (на чертежах не показан) приводит во вращение ротор 12.
Охлаждающий (он же смазывающий) газ, подаваемый известным образом, например, внешним компрессором (на чертежах не показан) под давлением в корпус машины через отверстие 6, проходит по осевым каналам 5 в корпусе, межпакетным вентиляционным каналам 4 и в зоне лобовых частей обмотки статора, после чего по продольным каналам 10 поступает далее в смазывающий зазор через ряды радиальных отверстий 13 во втулке 8. Газ, поступающий в зазор, создает газодинамическую и газостатическую подъемные силы за счет перепада давлений из-за разности зазоров в верхней и нижней частях подшипника, обеспечивающие поддержание ротора в подвешенном положении относительно втулки. С наружной цилиндрической поверхности ротора газ уходит в осевом направлении в обе стороны, а в центральной части - также уходит через радиальные отверстия 17 в полый вал 15 ротора 12 и далее в окружающую среду. Охлаждающий газ отнимает тепло от пакетов сердечника и обмотки статора, после чего одновременно выполняет функцию смазывающего и охлаждающего газа, отнимая тепло от наружной цилиндрической поверхности ротора 12 и поверхности полости его вала 15 после попадания в нее через отверстия 17. Тем самым ограничивается на допустимом уровне нагрев индуктора ротора.
Работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.