ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к энергомашиностроению и может найти применение при проектировании гидро- и турбогенераторов для новых и модернизации существующих электростанций.
Известна электрическая машина, в которой имеются статор и ротор, расположенные параллельно и совмещенные относительно общей центральной оси с зазором без их касания между активными сторонами ротора и статора [1]. Она содержит каркас, который состоит из двух оснований, соединенных между собой элементами в одно целое, на каждом основании закреплена одна часть статора на подставках из немагнитного и диэлектрического материала, скользящие опоры для фиксации зазоров между активными сторонами частей статоров и роторов с одной или двух сторон от закрепленных частей статора, элементы с установленными на них скользящими опорами для фиксации роторов относительно общей центральной оси, диск, на котором с обеих сторон закреплены роторы, контактные плоскости для фиксации зазоров между активными сторонами частей статоров и роторов скользящими опорами, на наружной стороне диска цилиндрическая контактная поверхность для фиксации ротора относительно общей центральной оси, а на противоположной стороне - места соединения для передачи крутящего момента на привод [2].
В прототипе имеется наличие ротора для каждой части статора, отсутствие элементов возбуждения обмоток ротора, нет фиксации диска роторов на общей центральной оси, что не позволяет ей работать в генераторном режиме.
Цель изобретения - дальнейшее техническое развитие электрической машины.
Для достижения поставленной цели электрическая машина, в которой имеется статор и ротор, расположенные параллельно и совмещенные относительно общей центральной оси с зазорами без их касания между активными сторонами ротора и статора, содержит каркас, который состоит из двух оснований, соединенных между собой элементами в одно целое. На каждом основании закреплена одна часть статора на подставках из немагнитного и диэлектрического материала. На основаниях установлены скользящие опоры, совмещенные с общей центральной осью для ограничения осевых и радиальных перемещений ротора относительно частей статора и фиксации зазоров между активными сторонами частей статора и ротором. Ротор состоит из диска с немагнитного материала, в котором по окружности, равной среднему радиусу магнитопроводов частей статора, имеется четное количество отверстий, в которых закреплены катушки, намотанные на сердечниках из магнитного материала с высокой индукцией и скоммутированные так, что их магнитные полюсы в плоскости диска чередуются, их оси расположены по окружности на расстоянии среднего радиуса магнитопроводов частей статора и параллельны общей центральной оси. На диске ротора с одной стороны закреплен полый вал, ось которого совпадаете общей центральной осью, зафиксированный скользящей опорой одного основания каркаса и используемый для размещения электрических элементов питания роторных катушек. С другой стороны диска ротора закреплен вал, ось которого совпадает с общей центральной осью, зафиксированный в другой части основания каркаса скользящей опорой и используемый для передачи крутящего момента от рабочей машины. Части статора, закрепленные на основаниях, имеют магнитопроводы с обмотками, оси которых совпадают относительно друг друга и расположены по окружности на расстоянии среднего радиуса магнитопроводов частей статора, параллельны общей центральной оси и зеркально расположены относительно плоскости ротора. В основаниях каркаса и диске ротора имеются отверстия для системы охлаждения обмоток.
В конструктивном отношении электрические машины в цилиндрическом исполнении статора и ротора имеют резкие отличия длины ротора и диаметра расточки статора в зависимости от скорости вращения ротора [3]. В различном исполнении электрической машины с параллельным расположением статора и ротора на основаниях каркаса с одной или двух сторон от закрепленных частей статора установлены скользящие опоры для дополнительной фиксации зазоров между активными частями статора и ротора, а на кольцах или диске ротора установлены контактные поверхности для взаимодействия со скользящими опорами, и на элементах, соединяющих основания каркаса в одно целое, установлены скользящие опоры для дополнительной фиксации ротора относительно общей центральной оси, а на наружном кольце или наружной поверхности диска ротора установлена цилиндрическая контактная поверхность для взаимодействия со скользящими опорами.
В зависимости от технических параметров рабочей машины электрическая машина содержит блок электрических машин, совмещенных относительно общей центральной оси, в которой одна из крайних электрических машин содержит ротор, с обеих сторон которого на диске закреплен полый вал, ось которого совпадает с общей центральной осью, с фиксацией в наружной части основания каркаса этой машины скользящей опорой, другая крайняя электрическая машина содержит ротор, на диске которого закреплен вал, ось которого совпадаете общей центральной осью, с фиксацией в наружной части основания каркаса скользящей опорой от радиальных и осевых перемещений относительно частей статоров, используемый для передачи крутящего момента от рабочей машины. Основания каркасов электрических машин, находящиеся внутри блока машин, имеют отверстия, ось которых совпадает с общей центральной осью, радиусом, меньшим радиуса мест крепления внутренних дополнительных скользящих опор на основаниях каркасов электрических машин. Диски роторов электрических машин имеют отверстия, ось которых совпадает с общей центральной осью, через которые проходит полый вал, на котором закреплены диски роторов и размещены электрические элементы питания роторных катушек. Между роторов установлены дополнительные элементы, объединяющие диски роторов в одно целое и исключающие смещение роторов относительно друг друга, а роторные катушки всех электрических машин блока ориентированы так, что их оси одноименных магнитных полюсов совпадают относительно друг друга. Корпусы электрических машин соединены в одно целое направляющими элементами с совпадением осей обмоток статоров относительно друг друга и объединены кожухом, на котором размещены выводы статорных обмоток блока электрических машин.
В качестве примера на фиг.1 изображена электрическая машина, состоящая из двух частей статора и ротора между ними, на фиг.2 - вид А-А на ротор электрической машины, а на фиг.3 - электрическая машина, содержащая блок электрических машин, объединенных общей центральной осью.
Электрическая машина (фиг.1) содержит каркас 1, который состоит из двух оснований 2, соединенных между собой элементами 3 в одно целое. На каждом основании 2 закреплена одна часть статора 4 на подставках 5 из немагнитного и диэлектрического материала. По периметру между основаниями 2 каркаса 1 закреплен защитный кожух 6. На основаниях 2 каркаса 1 установлены скользящие опоры 7, совмещенные с общей центральной осью 8, для ограничения осевых и радиальных перемещений ротора 9 относительно частей статора 4 и фиксации зазоров 10 между активными сторонами частей статора 4 и ротора 9. На основаниях 2 каркаса 1 установлены дополнительные скользящие опоры 11 для фиксации зазоров 10 между активными сторонами частей статора 4 и ротора 9. На элементах 3, соединяющих основания 2 частей статора 4 в одно целое, установлены скользящие опоры 12 для дополнительной фиксации ротора 9 относительно общей центральной оси 8. Ротор 9 состоит из диска 13, наружного и внутреннего опорных колец 14 и 15, между которых закреплено четное количество катушек 16, намотанных на сердечниках 17 из магнитного материала с высокой индукцией и скоммутированных так, что их магнитные полюсы 18 в плоскости диска 13 ротора 9 чередуются, их оси расположены по окружности на расстоянии среднего радиуса 19 магнитопроводов частей статора 4 и параллельны общей центральной оси 8. На диске 13 ротора 9 с одной стороны закреплен полый вал 20, ось которого совпадаете общей центральной осью 8, с фиксацией в одной части основания 2 скользящей опорой 7, на котором размещены электрические элементы питания 21 роторных катушек 16. С другой стороны диска 13 ротора 9 закреплен вал 22, ось которого совпадает с общей центральной осью 8, с фиксацией в другой части основания 2 скользящей опорой 7 для ограничения осевых и радиальных перемещений ротора 9 относительно частей статора 4 и фиксации зазоров 10 между активными сторонами частей статора 4 и ротора 9. На диске 13 ротора 9 установлены контактные поверхности 23 для взаимодействия со скользящими опорами 11, а на наружном кольце 14 - цилиндрическая контактная поверхность 24 для взаимодействия со скользящими опорами 12. На основаниях 2 каркаса 1 и диске 13 ротора 9 имеются отверстия 25 для системы охлаждения обмоток.
На фиг.2 показан вид А-А на ротор 9 электрической машины, где изображено расположение роторных катушек 16, намотанных на сердечниках 17, а их оси магнитных полюсов 18 располагаются по окружности на расстоянии среднего радиуса 19 магнитопроводов частей статора 4 и параллельны общей центральной оси 8.
На фиг.3 показана электрическая машина, содержащая блок электрических машин, совмещенных относительно общей центральной оси 8, в которой одна из крайних электрических машин содержит ротор 9, с обеих сторон которого на диске 13 закреплен полый вал 20, ось которого совпадает с общей центральной осью 8, с фиксацией в наружной части основания 2 каркаса 1 этой машины скользящей опорой 7. Другая крайняя электрическая машина содержит ротор 9, на диске 13 которого закреплен вал 22, ось которого совпадает с общей центральной осью 8, с фиксацией в наружной части основания 2 каркаса 1 скользящей опорой 7 от радиальных и осевых перемещений относительно частей статоров 4, используемый для передачи крутящего момента от рабочей машины. Основания 2 каркасов 1 электрических машин, находящиеся внутри блока машин, имеют отверстия 26, ось которых совпадает с общей центральной осью 8, радиусом, меньшим радиуса мест крепления внутренних дополнительных скользящих опор 11 на основаниях 2 каркасов 1 электрических машин. Диски 13 роторов 9 электрических машин имеют отверстия 27, оси которых совпадают с общей центральной осью 8, через которые проходит полый вал 2.0, на котором закреплены диски 13 роторов 9 и размещены электрические элементы питания 21 роторных катушек 16. Между дисками 13 роторов 9 установлены дополнительные элементы 28, объединяющие диски 13 роторов 9 в одно целое и исключающие смещение роторов 9 относительно друг друга. Роторные катушки 16 всех электрических машин блока ориентированы так, что их оси одноименных магнитных полюсов 18 совпадают относительно друг друга. Корпусы 1 электрических машин соединены в одно целое направляющими элементами 29 с совпадением осей обмоток статоров 4 относительно друг друга и объединены кожухом 6, на котором размещены выводы статорных обмоток блока электрических машин 30.
Работа электрической машины основана на взаимодействии электромагнитных полей ротора 9 и статора 4. Основное магнитное поле (поле возбуждения) в генераторе создается подачей постоянного напряжения на роторные катушки 16, намотанные на сердечниках 17 из магнитного материала с высокой индукцией и скоммутированные так, что их магнитные полюсы 18 чередуются. Магнитное поле от каждой роторной катушки 16 замыкается через зазоры 10 между сердечниками 17 ротора 9 и магнитопроводы частей статора 4 на магнитные поля соседних роторных катушек 16, имеющих противоположные магнитные полюсы 18. Ротор 9 приводится во вращение рабочей машиной (турбиной или другим приводным механизмом). При вращении ротора 9 магнитное поле в машине пересекает проводники обмоток статора 4 и в них наводится электродвижущая сила. При достижении ротором 9 номинальной частоты вращения к электрической машине подключается нагрузка и по обмоткам статора 4 протекает электрический ток.
Коммутация выводов обмоток частей статора 4 имеет многовариантное решение в зависимости от поставленных задач и осуществляется частичным соединением обмоток внутри машины с выведением перемычек от статорных обмоток блока электрических машин 30 на наружную часть машины.
Работа электрической машины, состоящей из блока электрических машин, происходит аналогично описанной выше. При этом возникает возможность последовательного или параллельного соединения обмоток статоров 4 с вариацией получения номинальных значений напряжения или тока как от электрической машины в целом, так и от отдельных частей, ее составляющих.
Наличие дополнительных скользящих опор 7 и 11 в конструкции электрической машины облегчает работу скользящих опор 7, совмещенных с общей центральной осью 8, позволяет ориентировать электрические машины с любым расположением рабочего вала, устанавливать минимальные зазоры 10 между активными сторонами роторов 9 и статоров 4 электрических машин, что ведет к снижению расхода цветных и черных металлов, общему весу электрической машины.
Соединения корпусов 1 в блоки направляющими элементами 29 позволяет производить монтажные работы по сборке и ремонту электрической машины крупными узлами.
Источники информации
1. Патент LV №13374. Электрическая машина. H02K 16/00, H02K 41/025.
2. Патент LV №14008. Электрическая машина и способ ее сборки. H02K 16/00, H02K 41/025.
3. М.П. Костенко и Л.М. Пиотровский. Электрические машины, часть вторая. Машины переменного тока. Издательство «Энергия», 1965, стр.13-27.