АКСИАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
AXIAL ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к нетрадиционной электроэнергетике, а более конкретно к электрическим асинхронным двигателям переменного тока с короткозамкнутым ротором.
Известен аксиальный электрический двигатель переменного тока, содержащий закрытый корпус с узлами крепления к опоре, размещенный в нем неподвижный статор, состоящий из сердечника с обмоткой и подвижный (вращающийся) короткозамкнутый ротор с горизонтальной осью вращения, установленный в подшипниках фланцев с обеих сторон статора, скрепленных с корпусом. Такой двигатель может быть установлен в любом положении в пространстве и не привязан к одному месту. Такие электрические двигатели хорошо освоены промышленностью, выпускаются различной номенклатуры и широко применяются. См., например, книгу Проектирование электрических машин, авторы И.П.Копылов, Б.К.Клоков и др. изд. «Высшая школа», 2002 г., Москва, стр.29-32.
Недостаток таких двигателей - малые высоты оси вращения роторов, ограничивающие наружный диаметр сердечника статора и не позволяющего достигать большей мощности.
Близкого прототипа к заявляемой конструкции в специальной технической литературе и патентном фонде не найдено.
Цель изобретения - создание специального электрического аксиального двигателя переменного тока простой конструкции с ротором большого диаметра (порядка нескольких метров и более) с частотой вращения 50-300 об/мин, развивающего момент вращения большой величины.
Поставленная цель достигается тем, что двигатель выполнен на участке земли недвижимым стационарным открытым с неподвижным статором и подвижным (вращающимся) рабочим колесом с вертикальной осью вращения, корпус его с нижним и верхним опорными узлами выполнен горизонтальным фундаментом в виде круга, по окружности которого сооружен кольцевой подиум с укрепленной на нем сверху выверенной горизонтальной установочной плитой, на которой собран кольцевой сердечник магнитопровода статора высотой h из шихтованной электротехнической стали, спрессованный прижимной плитой и стянутый рядами шпилек с установочной плитой, в пазы сердечника уложена обмотка статора, рабочее колесо состоит из вертикального вала и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы и собственно короткозамкнутого ротора, нижняя часть вала установлена в центре окружности фундамента в нижнем опорном узле в подшипниках масляной ванны, верхняя часть вала установлена в верхнем опорном узле, состоящем из упорных колонн, упорных балок и осевого опорно-центровочного узла, в котором упорные колонны сооружены симметрично вокруг подиума с равным промежутком между ними с усиленным фундаментом, соединенным монолитно с фундаментом, вверху снабжены крепежными элементами, которыми скреплены внешними концами упорные балки, а внутренние концы их скреплены с осевым опорно-центровочным узлом, снабженным радиальными подшипниками, в котором установлена верхняя часть вала рабочего колеса, соединенная посредством муфты сцепления с потребителем, ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом посредством узла передачи момента вращения, а с внешней с диском-фермой диаметром несколько метров и более, состоящего из радиально-кольцевого объемного жесткого каркаса с верхней и нижней обшивкой, снабженного в периферийной торцевой части собственно короткозамкнутым ротором, выполненным из цилиндра алюминиевого сплава радиальной толщины z с наружным радиусом R от оси вала, высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями из медного сплава, соединенными монолитно сверху и снизу медными шинами в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом, рабочее колесо по высоте установлено так, что его собственно короткозамкнутый ротор находится напортив сердечника статора и совпадает с ним по высоте, при этом их разделяет по всей окружности цилиндра воздушный зазор величиной δ, обмотку статора соединяют с внешним источником тока.
Конструкция асинхронного электрического двигателя показана на представленных чертежах. На фиг.1 показана схематически конструкция аксиального электрического двигателя, общий вид, разрез по вертикальной диаметральной плоскости («А-А»). На фиг.2 показана схематически конструкция аксиального электрического двигателя, вид сверху. На фиг.3 схематически показана активная индуктивная часть рабочего колеса аксиального электрического двигателя, разрез по вертикальной радиальной плоскости.
Условные обозначения в тексте.
R - (м) радиус ротора аксиального электрического двигателя, расстояние от оси вала до наружной поверхности цилиндра из алюминиевого сплава,
z - (мм) радиальная толщина цилиндра из алюминиевого сплава,
h - (мм) высота сердечника статора, высота цилиндра из алюминиевого сплава собственно ротора (в технической литературе эта величина обозначается символом, т.к. направлена вдоль оси машины),
δс - (мм) величина воздушного зазора между статором и ротором в длительном стояночном положении при низкой температуре окружающей среды.
δр - (мм) величина воздушного зазора между статором и ротором в рабочем состоянии (длительный установившийся режим работы при номинальных оборотах, номинальном токе, номинальной или повышенной температуре).
Позиции на чертежах.
1. участок земли,
11. цилиндр алюминиевого сплава,
2. фундамент,
12. стержни из медного сплава,
3. подиум,
13. медная шина,
4. установочная плита,
14. нижний опорный узел,
5. статор,
15. упорные колонны,
6. прижимная плита,
16. упорные балки,
7. стягивающие шпильки,
17. осевой опорно-центровочный узел,
8. обмотка статора,
18. муфта сцепления.
9. вал,
10. рабочее колесо,
Аксиальный электрический двигатель устроен (см. фиг.1, 7). На некотором участке 1 земли подготавливают горизонтальную площадку, размером порядка 1,5 R, на ней выполняют горизонтальный фундамент 2. В соответствии с документацией под будущим фундаментом прокладывают технологические туннели, трубопроводы, кабели и т.п., а в самом фундаменте устанавливают люки, анкеры, датчики оборудования. По окружности фундамента сооружают подиум 3, который снабжен анкерами для крепления установочной плиты 4, которая по всей ее наружной поверхности должна быть строго выверена в горизонтальной плоскости. На установочной плите 4 сооружают статор 5, кольцевой сердечник магнитопровода которого высотой h собирают из пластин шихтованной электротехнической стали и спрессовывают прижимной плитой 6 двумя рядами стягивающих шпилек 7. При сборке статора 5 выполняют условия: отсутствие заусенцев на пластинах статора и точное, в пределах 1-2 мм, соответствии внутреннего диаметра магнитопровода статора размеру (R+δp) мм, после чего в его пазы укладывают обмотку 8 статора, провода от которой подводят к источнику трехфазного тока.
Рабочее колесо 10 состоит из вертикального вала 9 и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы и собственно короткозамкнутого ротора. Ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом 9 посредством узла передачи момента вращения, например, шпоночного или шлицевого соединения, а с внешней стороны с диском-фермой, выполненной радиально-кольцевым объемным каркасом с верхней и нижней обшивкой. Диск-ферма и ступица соединены посредством разъемного болтового соединения.
В периферийной торцевой части рабочее колесо 10 снабжено собственно короткозамкнутым ротором, который выполнен из цилиндра алюминиевого сплава 11 (см. фиг.3) радиальной толщины z, внешний радиус которого R от оси вала 9, высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями 12 из медного сплава, соединенными монолитно, например сваркой, сверху и снизу медными шинами 13 в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом.
Рабочее колесо 10 аксиального электрического двигателя может быть выполнено разного размера, от диаметра порядка 1,5-2,5 м до десятков метров. От величины диаметра зависит его конструкция, применяемые материалы, технология изготовления, сборки и методы доставки потребителю. При малых размерах рабочего колеса 10 (фиг.1), его выполняют единым неразъемным узлом и транспортируют в специальной таре к месту сооружения аксиального электрического двигателя. При больших размерах рабочего колеса 10 его конструкция и технология изготовления усложняются в связи с необходимостью выполнения ряда противоречивых требований, что является предметом отдельных технических решений.
Рабочее колесо 10 устанавливают в центре круга фундамента 2. Нижняя часть его вала 9 установлена в нижнем опорном узле 14 в подшипниках опорно-масляной ванны. Верхний опорный узел с валом 9 выполнен следующим образом. На том же участке 1 земли за подиумом 3 по окружности с равным интервалом сооружают упорные колонны 15, которые выполняют монолитно с фундаментом 2, верхняя часть их снабжена крепежными элементами, например болтами, с которыми они соединяются с внешними концами упорных балок 1-6, внутренние концы которых также посредством болтового соединения скреплены с осевым опорно-центровочным узлом 17, снабженным радиальными подшипниками, в которые устанавливают верхнюю часть вала. 9. Количество упорных балок 16 зависит от диаметра рабочего колеса 10 и определяется в результате прочностного расчета корпуса, верхний опорный узел должен обеспечить жесткость всей конструкции аксиального электрического двигателя при максимальных вращающих моментах рабочего колеса 10.
Рабочее колесо 10 устанавливают так, чтобы его короткозамкнутый ротор высотой h был точно установлен напротив сердечника статора 5 и совпадал с ним по высоте h, при этом внешнюю поверхность короткозамкнутого ротора рабочего колеса 10 и внутреннюю поверхность магнитопровода статора 5 по всей окружности должен разделять установочный (стояночный) воздушный зазор δ с постоянной величины, ориентировочно 6-9 мм.
При создании рабочего колеса 10 на определенную частоту вращения и заданный вращающий момент необходимо выполнить не только расчет прочности в статике, но и динамический расчет, при этом учесть, что механические напряжения во всех узлах не должны превосходить предела прочности материала, а в наиболее опасных и важных конструктивных элементах - короткозамкнутых медных шинах-ободах не должны превосходить предела текучести меди.
Кроме того, радиальная деформация от махового момента центробежных сил (упругая деформация растяжения), суммированная с продольной деформацией от теплового удлинения в установившемся рабочем режиме при номинальной нагрузке, не должна превышать определенной величины, являясь в то же время полезной деформацией, уменьшающей воздушный зазор до величины δр, положительно влияющей на характеристики асинхронного электрического двигателя.
Аксиальный электрический двигатель работает: при включении обмотки 8 статора к источнику переменного электрического тока, в магнитопроводе сердечника статора 5 возникает вращающееся электромагнитное поле, которое взаимодействует с собственно короткозамкнутым ротором рабочего колеса 10 и вращает его с расчетной угловой частотой. Окружная сила, действуя на расстоянии R создает непрерывный момент вращения расчетной величины валу 9, который через муфту сцепления 18 приводит в действие нагрузку - насос большой производительности для подачи пульпы (тяжелая горная порода с водой) на агрегаты обогатительной фабрики.
Техническая эффективность изобретения в том, что создана конструкция экономичного аксиального электрического двигателя переменного тока, передающего нагрузке момент вращения значительной величины.