ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ
HIGH-RATE MAGNETOELECTRIC MACHINE WITH VERTICAL SHAFT

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в высокоскоростных магнитоэлектрических машинах.
Известны электрические машины, использующие опоры с газовой смазкой для бесконтактной поддержки ротора. (Опоры скольжения с газовой смазкой. Под редакцией С.А.Шейнберга М.: Машиностроение, 1979). В таких машинах ротор, насаженный на вал, верхняя и нижняя цапфы которого в радиальном направлении удерживаются посредством радиальных подшипников, а нижняя цапфа которого опирается на упорный механический подшипник, сила левитации создается газом, который подается в рабочий зазор под давлением.
Основным недостатком таких машин является необходимость в наличие компрессора, обеспечивающего нагнетания газа в рабочей зазор.
Известен вертикальный электродвигатель с газодинамической левитацией ротора [патент №14703, кл. H02K 29/00, 2000 г.], содержащий цилиндрический ротор, насаженный на вал, верхняя и нижняя цапфы которого установлены в радиальных подшипниках, жестко закрепленных в торцевых фланцах внешнего статора, на внутренней поверхности которого уложена трехфазная электрическая обмотка, а нижняя цапфа которого опирается на упорный механический подшипник, имеет воздушный винт, насаженный на верхнюю цапфу вала ротора.
Недостатком такой конструкции является то, что левитационная способность газового подшипника в связи с малой вязкостью газов с увеличением зазора резко уменьшается, а также ограничены функциональные возможности управления, обусловленные сложностью регулирования положения ротора.
Известна также синхронная электрическая машина с магнитным подвесом ротора [патент №44773, кл. F16C 39/06, 2005 г.], содержащая статор и ротор, выполненный из немагнитного материала, с обмоткой возбуждения из сверхпроводящего материала, магнитные подшипники установлены на торцах статора.
Недостатками такого двигателя являются сложность его конструкции, загруженность осевой подшипниковой опоры и радиальных подшипниковых опор.
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является конструкция электромагнитного преобразователя с подпятником на постоянных магнитах (Ситин Д.А. «Магнитные системы синхронных электрических машин с редкоземельными постоянными магнитами и повышенной частотой вращения», автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2009), содержащая статор и ротор, насаженный на вертикальный вал, с подпятниками на постоянных магнитах, удерживающими роторную систему.
Недостатком этой конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что регулирование положения ротора возможно лишь в радиальном направлении.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, благодаря введению регулирования и управления положением ротора не только в радиальном, но и в аксиальном направлении, увеличение жесткости подвеса, за счет применения блока газовых турбин, комбинированных магнитных подшипников и подпятников и дополнительной установки аварийных подшипников на постоянных магнитах.
Поставленная задача достигается тем, что в высокоскоростной магнитоэлектрической машине с вертикальным валом, содержащей статор, ротор, насаженный на вертикальный вал, подшипники и подпятники, согласно изобретению, введен блок газовых турбин, установленный на вертикальном валу машины, причем магнитные опоры вертикального вала выполнены в виде комбинированных магнитных подшипников и подпятников, при этом дополнительно установлены на вертикальном валу аварийные магнитные подшипники, позволяющие увеличить жесткость подвеса роторной системы и надежность машины.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фигуре 1 изображен общий вид устройства. На фигуре 2 изображен блок из двух газовых турбин, отделенных друг от друга разделительным кольцом.
Устройство содержит: осевые комбинированные магнитные подпятники - 1, 2, состоящие из кольцевого постоянного магнита, установленного на конце вертикального вала, и кольцевой электромагнитной катушки, закрепленной в держателе 3, 4; блок из двух совмещенных газовых турбин, установленный на вертикальном валу - 5, отделенных друг от друга разделительной стенкой 6; радиальные комбинированные магнитные подшипники - 7, 8, состоящие из кольцевого постоянного магнита, насаженного на вертикальный вал, и кольцевой электромагнитной катушки, установленной в корпусе машины; аварийные подшипники на постоянных магнитах - 9, 10, состоящие из внутреннего кольцевого постоянного магнита, насаженного на вертикальный вал, и внешнего кольцевого постоянного магнита, установленного в корпусе машины; ротор с постоянными магнитами - 11; статор - 12;
Устройство работает следующим образом. Посредством газовых турбин 5, вертикальный вал, с насаженным на него ротором, достигает номинальной частоты вращения. Магнитные комбинированные подшипники 7, 8 и аварийные магнитные подшипники 9, 10 обеспечивают бесконтактное вращение роторной системы. Магнитные подпятники 1, 2 удерживают роторную систему в осевом направлении. Таким образом, использованием системы магнитных подшипников (7, 8, 9, 10) и подпятников (1, 2) обеспечивается полный подвес роторной системы. Регулирование положения ротора осуществляется непосредственно блоком газовых турбин, за счет изменения направления вращения турбин и разности скоростей между первой и второй турбиной, а также изменением управляющего напряжения на катушках комбинированных магнитных подшипников и магнитных подпятников. Аварийные магнитные подшипники 9, 10 обеспечивают дополнительную жесткость подвеса и предназначены для продолжения вращения вала при отказе электромагнитной катушки комбинированных магнитных подшипников, тем самым увеличивая надежность машины.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности, благодаря введению регулирования и управления положением ротора не только в радиальном, но и в аксиальном направлении, увеличивает жесткость подвеса роторной системы и надежность машины за счет применения комбинированных магнитных подшипников и подпятников, блока газовых турбин и аварийных подшипников на постоянных магнитах.