ТОРЦЕВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
FACE-TYPE ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к конструкции торцевых, в основном многополюсных, синхронных машин, работающих в режиме генератора или двигателя.
7
Известна торцевая электрическая машина (пат. РФ №2246168, МПК H02K 21/24), включающая статор, состоящий из двух половин, имеющих автономный зубцовый слой и распределенную обмотку в виде обмоточных модулей, и два ротора с установкой на каждом из них постоянных магнитов. Применение двух роторов улучшает условия работы подшипникового узла за счет уравновешивания сил тяжения ротора. Фиксированная установка активных пакетов обмоточных модулей и постоянных магнитов роторов на центрирующих поясках обеспечивает концентричность всех элементов статора и роторов и гарантирует заданную геометрию и повышенные энергетические показатели машины.
Недостатками этой конструкции являются:
значительный радиальный габарит машины, характерный при высокой полюсности (низкой частоте вращения) за счет увеличения внутреннего активного диаметра и появления свободного пространства, занимаемого специальной вставкой ротора для его размещения на валу машины, что приводит к излишнему расходу металла и непроизводительному повышению массы машины.
Наиболее близким к заявляемой машине является двухстаторный торцевой асинхронный двигатель (авторское свидетельство SU №1511812, МПК H02K 17/02), содержащий аксиально расположенные два кольцевых пакета статора с обмоткой и два пакета ротора разных диаметров. Пакеты статора смещены в осевом направлении один относительно другого на ширину второго пакета ротора, а пакеты роторов смещены один относительно другого на ширину второго пакета статора. Пакет статора большего диаметра охватывает пакет ротора меньшего диаметра, а пакет ротора большего диаметра охватывает пакет статора меньшего диаметра.
Основными недостатками рассматриваемой конструкции являются недостаточная механическая жесткость роторов, соединяемых общей вставкой через алюминиевые короткозамыкающие кольца роторов, технологическая сложность выполнения больших диаметров витых магнитопроводов статора и ротора с проштампованными под обмотки пазами, технологическая невозможность выполнения литой обмотки внешнего ротора, в особенности для многополюсных конструкций.
В основу изобретения положена задача повышения эффективности использования активного (внутреннего) объема и удельной мощности торцевой электрической машины.
Поставленная задача решается тем, что торцевая электрическая машина, включающая два пакета статора разного диаметра, смещенные в осевом направлении относительно друг друга, и два пакета ротора разного диаметра, смещенные в осевом направлении относительно друг друга, при этом пакет статора большего диаметра охватывает пакет ротора большего диаметра, а пакет ротора меньшего диаметра охватывает пакет статора меньшего диаметра, согласно изобретению дополнительно содержит два пакета статора и два пакета ротора, при этом пара пакетов статора большего диаметра установлена на внутренней поверхности корпуса машины, пара пакетов статора меньшего диаметра установлена на подшипниковых щитах, а пакеты роторов выполнены с полюсами в виде постоянных магнитов и установлены на общем основании таким образом, что полюсы пары пакетов ротора меньшего диаметра обращены к рабочим поверхностям пары пакетов статора меньшего диаметра, а полюсы пары пакетов ротора большего диаметра обращены к рабочим поверхностям пары пакетов статора большего диаметра.
На чертеже изображена заявляемая торцевая электрическая машина. Эта машина содержит четыре пакета статора, два из которых большего, а два других меньшего диаметра. Два статорных пакета 1 большего диаметра смонтированы на основании 2, неподвижно закрепленном на внутренней поверхности корпуса 3 машины. Два других пакета 4 статора меньшего диаметра размещены на внутренней поверхности подшипниковых щитов 5 со смещением в осевом направлении относительно статорных пакетов 1 большего диаметра. Каждый из пакетов 1, 4 статора включает ярмо, навитое из ленточной стали, и обмоточные модули, образующие зубцовую зону машины со статорной одно- или многофазной обмоткой. На валу 6 с помощью втулки 7 закреплено основание 8, на котором установлены четыре пакета ротора, два из которых большего, а два других меньшего диаметра. Пакеты ротора установлены на основании 8 таким образом, что пара роторных пакетов 9 большего диаметра охватывает пару статорных пакетов 1 большего диаметра, а пара статорных пакетов 4 меньшего диаметра охватывает пару роторных пакетов 10 меньшего диаметра. При этом каждый из пакетов 9, 10 ротора выполнен с полюсами в виде постоянных магнитов, закрытых полюсными наконечниками, и полюсы пары роторных пакетов 10 меньшего диаметра обращены к рабочим поверхностям пары статорных пакетов 4 меньшего диаметра, а полюсы пары роторных пакетов 9 большего диаметра обращены к рабочим поверхностям пары статорных пакетов 1 большего диаметра. Вал 6 установлен в подшипниках, наружные обоймы которых закреплены в подшипниковых щитах 5 корпуса 3 машины.
Машина работает следующим образом.
В режиме генератора при вращении ротора машины постоянными магнитами каждого пакета 9, 10 ротора создается вращающееся магнитное поле, силовые линии которого проходят через зазор машины в соответствующие пакеты 1, 4 статора и наводят в каждой фазе их обмоток переменную ЭДС. Постоянные магниты выбраны таким образом, что при номинальной нагрузке генератора и заданном ее характере выходное напряжение равно номинальному в каждой из обмоток пакетов 1 и 4 статора. К нагрузке статорные обмотки генератора могут подключаться параллельно или питать отдельно (обмотки пакетов 1 или 4) свою нагрузку. Мощности, отдаваемые статорными обмотками, различны (например, в пакетах 1 статора мощность - 20 кВт, а в пакетах 4 статора - 5 кВт).
В качестве стартер-генератора статорные обмотки пакетов 4 меньшего диаметра подключают к источнику переменного трехфазного напряжения, например, через электронный коммутатор, по принципу вентильного двигателя. После разгона установки (например, турбины свободнопоточной микроГЭС при определенной геометрии крыла, не имеющей пускового момента) эти обмотки отключают от источника переменного напряжения и подключают к ним электрическую нагрузку. При вращении ротора турбиной статорные обмотки пакетов 4 меньшего диаметра отдают электрическую энергию в сеть. В этом случае машина отдает мощность суммарную, определяемую расчетной мощностью всего статора (обмоток пакетов 1 большего диаметра и обмоток пакетов 4 меньшего диаметра).
Таким образом, использование активного объема электрической машины за счет размещения в пространстве, свободном от активной части торцевой машины, еще одной машины меньшей мощности (пакеты статора 4 и ротора 10), объединенной с основной машиной единым корпусом и с пакетами ротора, расположенными на том же валу, и имеющей тот же аксиальный размер, что и основная машина, возможно увеличение отдаваемой машиной мощности на 20-30%, при сохранении радиального габарита машины (например, мощностью в 20 кВт), увеличение удельной мощности машины, повышение надежности за счет соединения пакетов ротора специальным основанием 8. Машина меньшей мощности может использоваться как стартер-генератор. Все это говорит о решении поставленной задачи.