ЭЛЕКТРОМАШИНА
ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электротехники и, 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 окружной скорости индуктора, поскольку нагрузочные характеристики подшипниковых узлов не допускают высокие скорости вращения ротора при увеличении его радиального размера.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению устройством является электромашина, содержащая шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, и ротор, включающий корпус и индуктор, содержащий подшипниковый узел (см. патент РФ №2385523, МПК Н02K 5/16, 2010 г.).
Недостатком прототипа является невозможность существенного уменьшения массогабаритных характеристик устройства за счет повышения окружной скорости индуктора ввиду его недостаточной прочности, а также нагрузочные характеристики подшипниковых узлов не допускают высокие скорости вращения ротора при увеличении его радиального размера.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является уменьшение массогабаритных характеристик устройства, повышение надежности ее работы при высоких окружных скоростях индуктора и повышение ресурса электромашины.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в уменьшении массогабаритных характеристик устройства за счет увеличения окружной скорости индуктора, существенном уменьшении трения в подшипниках, в упрощении конструкции, в использовании наружной поверхности ротора в качестве ступицы электромобиля, ветрогенератора или гидрогидрогенератора.
Поставленная задача решается тем, что электромашина, содержащая шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, и ротор, включающий корпус и индуктор, содержащий подшипниковый узел, отличается тем, что внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен в цилиндрической полости ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него, при этом пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем катушки обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями, кроме того, сердечник статора выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на опорный корпус, выполненный, предпочтительно, из немагнитного материала, с внешней поверхностью которого сердечник статора жестко скреплен, при этом опорный корпус выполнен в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом, причем корпус ротора выполнен в виде двух, предпочтительно, симметричных тарелок, обращенных друг к другу своими полостями, выполненных предпочтительно из немагнитного материала, скрепленных с цилиндрической обечайкой, причем суммарная глубина полостей на участке, расположенном ближе к продольной оси статора, больше, чем на периферийном участке корпуса ротора, кроме того, индуктор размещен на периферийном участке корпуса ротора и содержит планки трапецеидальной формы, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из тангенциально намагниченных постоянных магнитов, чередующиеся с полюсами, выполненными в форме параллелепипеда из материала с высокой магнитной проницаемостью, кроме того, внешняя поверхность магнитных планок и полюсов уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность цилиндрической обечайки, выполненной из немагнитного материала, при этом кромки тарелок корпуса ротора, обращенные к опорному корпусу статора, снабжены Г-образными цилиндрами, начальные участки поверхности которых параллельны цилиндрическим стенкам опорного корпуса, а конечные параллельны торцам опорного корпуса, кроме того, подшипниковый узел электромашины содержит магнитные радиальные и упорные подшипники, при этом на цилиндрической поверхности выступа опорного корпуса статора жестко закреплены составные постоянные магниты одинаковой высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, кроме того, на обращенных к ним поверхностях Г-образных цилиндров закреплены составные постоянные магниты одинаковой высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, число, размеры, местоположение и направление намагниченности которых подобны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на опорном корпусе статора, кроме того, на противоположных торцах выступа опорного корпуса закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, при этом на обращенных к ним поверхностях Г-образных цилиндров закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, число, размеры, местоположение и направление намагниченности которых подобны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на торцах выступа опорного корпуса статора.
Кроме того, по меньшей мере, одна из тарелок, образующих корпус ротора, разъемно скреплена с цилиндрической обечайкой.
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.
Признак, указывающий, что «внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен в цилиндрической полости ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него", позволяет создать машину с внутренним статором и внешним ротором.
Признаки, указывающие, что «пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем катушки обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями", позволяют упростить технологию изготовления обмотки статора.
Признак, указывающий, что сердечник статора «выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на опорный корпус, выполненный, предпочтительно, из немагнитного материала, с внешней поверхностью которого сердечник статора жестко скреплен", позволяет сориентировать статор в машине, а также позволяет разместить магнитные подшипники на опорном корпусе без шунтирования магнитного поля подшипников и тем самым снижения их несущей способности.
Признак, указывающий, что опорный корпус «выполнен в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом", позволяет организовать площадки для установки статорных частей магнитов радиального и упорного магнитных подшипников.
Признаки, указывающие, что "корпус ротора выполнен в виде двух, предпочтительно, симметричных тарелок, обращенных друг к другу своими полостями, выполненных предпочтительно из немагнитного материала, … причем суммарная глубина полостей на участке, расположенном ближе к продольной оси статора, больше, чем на периферийном участке корпуса ротора", обеспечивают возможность расположения статора и индуктора внутри корпуса ротора и упрощают сборку последнего.
Признак, указывающий, что «индуктор размещен на периферийном участке корпуса ротора", позволяет повысить прочность индуктора под действием центробежных сил при высоких окружных скоростях, а также позволяет использовать наружную поверхность ротора в качестве ступицы электрогенератора, гидрогенератора или ветрогенератора.
Признак, указывающий, что индуктор «содержит планки трапецеидальной формы, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из тангенциально намагниченных постоянных магнитов, чередующиеся с полюсами, выполненными в форме параллелепипеда из материала с высокой магнитной проницаемостью", позволяет выполнить индуктор в виде составного кольца.
Признак, указывающий, что "внешняя поверхность магнитных планок и полюсов уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность цилиндрической обечайки, выполненной из немагнитного материала", позволяют предотвратить деформацию индуктора под действием центробежных сил.
Признак, указывающий, что "кромки тарелок корпуса ротора, обращенные к опорному корпусу статора, снабжены Г-образными цилиндрами, начальные участки поверхности которых параллельны цилиндрическим стенкам опорного корпуса, а конечные параллельны торцам опорного корпуса", позволяет организовать площадки для установки роторных частей магнитов радиального и упорного магнитных подшипников.
Признак, указывающий, что подшипниковый узел электромашины «содержит магнитные радиальные и упорные подшипники", позволяет обеспечить возможность свободного вращения ротора относительно статора при существенном уменьшении трения в подшипниках.
Признаки, указывающие, что "на цилиндрической поверхности выступа опорного корпуса статора жестко закреплены составные постоянные магниты одинаковой высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, кроме того, на обращенных к ним поверхностях Г-образных цилиндров закреплены составные постоянные магниты одинаковой высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, число, размеры, местоположение и направление намагниченности которых подобны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на опорном корпусе статора", позволяют обеспечить создание эффективных радиальных магнитных подшипников электромашины.
Признаки, указывающие, что "на противоположных торцах выступа опорного корпуса закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, при этом на обращенных к ним поверхностях Г-образных цилиндров закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, число, размеры, местоположение и направление намагниченности которых подобны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на торцах выступа опорного корпуса статора", позволяют обеспечить создание эффективных упорных магнитных подшипников электромашины.
Признак, указывающий, что "по меньшей мере, одна из тарелок, образующих корпус ротора, разъемно скреплена с цилиндрической обечайкой", позволяет обеспечить возможность многократной сборки и разборки машины.
На фиг.1 показан продольный разрез машины по оси вращения, а на фиг.2 - поперечный разрез.
На чертежах показаны опорный корпус статора 1, сердечник статора 2, пазы 3, катушки 4 обмотки статора, клинья 5, выступ 6, постоянные магниты 7, ферромагнитные полюса 8, тарелки 9, 10, обечайка 11, Г-образные цилиндры 12, 13, составные постоянные магниты 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, цилиндр 22, нажимные листы 23, 24, разрезное кольцо 25 и заглушка 26.
Электромашина содержит опорный корпус статора 1, шихтованный сердечник статора 2 из электротехнической стали, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнены пазы 3, в которые уложены катушки 4 обмотки статора и зафиксированы пазовыми клиньями 5. Опорный корпус 1 статора выполнен в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом 6. Сердечник статора 2 своей внутренней цилиндрической поверхностью располагается на опорном корпусе 1 и жестко связан с ним. При этом статор размещен внутри цилиндрической полости ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него. Ротор содержит индуктор, выполненный из постоянных магнитов 7 и ферромагнитных полюсов 8. Корпус ротора выполнен в виде двух, предпочтительно симметричных, тарелок 9, 10 из немагнитного материала, скрепленных с цилиндрической обечайкой 11 и обращенных друг к другу своими полостями, причем суммарная глубина полостей на участке, расположенном ближе к продольной оси статора, больше, чем на периферийном участке корпуса ротора. При этом тарелка 10 разъемно скреплена с цилиндрической обечайкой 11.
Индуктор размещен на периферийном участке корпуса ротора и его постоянные магниты 7 трапецеидальной формы и ферромагнитные полюса 8 в форме параллелепипеда выполнены в виде планок, ориентированных вдоль продольной оси ротора, и установлены с образованием составного кольца с чередованием полярности полюсов 8. Постоянные магниты 7 выполнены из материала неодим-железо-бор и намагничены в тангенциальном встречном направлении. Полюса 8 выполнены из материала с высокой магнитной проницаемостью, например, из сплава 48КНФ.
Внешняя поверхность магнитных планок 7 и полюсов 8 уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность цилиндрической обечайки 11, выполненной из немагнитного материала, при этом кромки тарелок 9, 10 корпуса ротора, обращенные к опорному корпусу 1 статора, снабжены Г-образными цилиндрами 12, 13, начальные участки поверхности которых параллельны цилиндрическим стенкам опорного корпуса 1, а конечные параллельны торцам опорного корпуса 1.
Электромашина содержит радиальные и упорные магнитные подшипники, расположенные на выступах 6 опорного корпуса 1 статора и соосных с ними Г-образных цилиндрах 12, 13, закрепленных на тарелках 9, 10 корпуса ротора. При этом на цилиндрической поверхности выступа 6 опорного корпуса 1 статора жестко закреплены статорные части составных постоянных магнитов 14, 15 одинакового диаметра и высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха. На обращенных к ним поверхностях Г-образных цилиндров 12, 13 закреплены роторные части составных постоянных магнитов 16, 17 одинакового диаметра и высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, число, размеры, местоположение и направление намагниченности которых подобны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов 14, 15, закрепленных на опорном корпусе статора. Составные постоянные магниты 14, 15, 16, 17 образуют радиальные подшипники.
На противоположных торцах выступа 6 опорного корпуса 1 статора закреплены статорные части составных постоянных магнитов 18, 19, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, а на обращенных к ним поверхностях Г-образных цилиндров 12, 13 закреплены роторные части составных постоянных магнитов 20, 21, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, число, размеры, местоположение и направление намагниченности которых подобны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов 18, 19, закрепленных на торцах выступа 6 опорного корпуса 1 статора.
Составные постоянные магниты 18, 19, 20, 21 образуют упорные магнитные подшипники.
Во внутреннее осевое цилиндрическое отверстие опорного корпуса 1 статора установлен и зафиксирован цилиндр 22, с помощью которого статор электромашины соединяется с внешним механизмом.
С обеих сторон сердечник статора 2 уперт в нажимные листы 23, 24 и зафиксирован разрезным кольцом 25 на опорном корпусе 1. Тарелка 9 корпуса ротора снабжена заглушкой 26.
Собирают сердечник статора 1 из штампованных листов электротехнической стали, прессуют и сваривают по внутренним канавкам. На опорный корпус 1 надевают левый нажимной лист 23, пакет сердечника статора, правый нажимной лист 24 и фиксируют его разрезным кольцом 25. В пазы 3 сердечника укладывают катушки 4 обмотки статора, вставляют пазовые клинья 5. Далее обмотку статора подвергают пропитке компаундами и сушке.
Во внутреннее осевое цилиндрическое отверстие опорного корпуса 1 статора устанавливают и фиксируют цилиндр связи 22.
Штамповкой изготавливают левую 9 и правую 10 тарелки корпуса ротора и концентрично приваривают к ним предварительно изготовленные Г-образные цилиндры 12, 13. На их внутренние цилиндрические поверхности устанавливают на клей в ряд обоймы кольцевых постоянных магнитов 16, 17 одинакового диаметра роторных частей радиальных подшипников, а на торцевые поверхности Г-образных цилиндров устанавливают концентрично на клей обоймы коаксиальных кольцевых постоянных магнитов 20, 21 роторных частей упорных подшипников. Аналогично на наружные цилиндрические поверхности выступов 6 опорного корпуса 1 статора устанавливают на клей в ряд кольцевые постоянные магниты 14, 15 одинакового диаметра статорных частей радиальных подшипников, а на торцевые поверхности выступов 6 опорного корпуса 1 устанавливают концентрично на клей кольцевые постоянные магниты 18, 19 статорных частей упорных подшипников. Статорные и роторные части одноименных подшипников должны быть расположены друг против друга. Магниты подшипников изготовлены из материала неодим-железо-бор и намагничены по схеме Хальбаха.
Изготавливают постоянные магниты 7 индуктора трапецеидальной формы из материала неодим-железо-бор и намагничивают их в тангенциальном направлении, а полюса в форме параллелепипеда изготавливают из материала с высокой магнитной проницаемостью, например, из сплава 48 КНФ.
Тарелку 9 соединяют с цилиндрической обечайкой 11, например, сваркой. В кольцевую полость, образованную обечайкой 11 и периферийным участком тарелки 9 корпуса ротора, устанавливают на клей постоянные магниты 7 индуктора и ферромагнитные полюса 8 с чередованием намагниченности магнитов согласно фиг.2. Получается индуктор в виде составного магнитного кольца с тангенциальным намагничиванием.
В полость, образованную тарелкой 9 корпуса ротора и индуктором, вставляют опорный корпус 1 в сборе с обмотанным статором, цилиндром связи 22 и постоянными магнитами 14, 15 радиальных подшипников и магнитами 18, 19 упорных подшипников. В заключение устанавливают тарелку 10 корпуса ротора с магнитами 16, 17 радиальных подшипников и магнитами 20, 21 упорных подшипников. Тарелку 10 корпуса ротора скрепляют винтами с обечайкой 11.
Электромашина может работать как синхронная вентильная в режимах генератора и двигателя. Машина возбуждается индуктором из постоянных магнитов.
В режиме генератора ротор приводится в движение внешним двигателем, например ветротурбиной или гидротурбиной. В обмотке статора наводится ЭДС (и электроэнергия), которую можно использовать непосредственно или после преобразования с помощью полупроводникового преобразователя частоты.
В режиме синхронного двигателя обмотку статора необходимо подключать к внешней сети через полупроводниковый преобразователь частоты. При взаимодействии магнитного поля тока статора с полем индуктора создается электромагнитный момент, и двигатель может работать при синхронной скорости. При использовании датчика положения ротора двигатель работает как вентильный.