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 данному изобретению устройством является электромашина, содержащая корпус, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, причем в цилиндрической полости статора с возможностью вращения размещен ротор, подшипниковый узел которого выполнен с возможностью газодинамического поддержания (см. патент РФ №2385523, МПК Н02К 5/16, 2010 г.).
Недостатком данного устройства является повышенный немагнитный зазор из-за наличия втулки достаточно большой толщины, что уменьшает индукцию в зазоре между статором и ротором и, следовательно, ухудшает массогабаритные показатели машины.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является упрощение конструкции, повышение надежности ее работы.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении ресурса электромашины, значительном увеличении окружной скорости индуктора, существенном уменьшении трения в подшипниках, использовании наружной поверхности ротора в качестве ступицы электромобиля, гидрогенератора или ветрогенератора.
Поставленная задача решается тем, что электромашина, содержащая шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, и ротор, включающий корпус и индуктор, содержащий полюса постоянных магнитов с чередующимся по окружности радиальным и тангенциальным направлением намагниченности, и 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, 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 тарелок, выполненных, предпочтительно, из немагнитного материала, при этом тарелки разъемно скреплены друг с другом своими кромками и обращены друг к другу своими полостями, причем суммарная глубина названных полостей на участке, расположенном вблизи 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 постоянных магнитов, с образованием составного магнитного кольца, при этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, кроме того, внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность корпуса ротора, при этом кромки 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 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, кроме того, на противоположных внешних торцевых поверхностях выступов 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.
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 закрепить сердечник статора на опорном корпусе.
Признак, указывающий, что «опорный корпус выполнен в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом′′, обеспечивает возможность установки статорных элементов магнитных подшипников машины.
Признаки, указывающие, что корпус ротора «выполнен в виде двух тарелок, выполненных, предпочтительно, из немагнитного материала, при этом тарелки разъемно скреплены друг с другом своими кромками и обращены друг к другу своими полостями, причем суммарная глубина названных полостей на участке, расположенном вблизи к продольной оси статора больше, чем на периферийном участке корпуса ротора′′, позволяют установить статор машины в корпус ротора и облегчить сборку машины.
Признак, указывающий, что «индуктор размещен на периферийном участке корпуса ротора′′, позволяет обеспечить формирование магнитной системы индуктора по схеме Хальбаха и при этом обеспечить прочность ротора при значительных окружных скоростях ротора.
Признаки, указывающие, что индуктор содержит «планки трапецеидальной формы, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составного магнитного кольца, при этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха′′, позволяют обеспечить изготовление эффективного индуктора машины.
Признак, указывающий, что ′′внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность корпуса ротора′′, предотвращает возможность деформации магнитов индуктора от воздействия центробежных сил.
Признак, указывающий, что ′′кромки 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 создать опорные площадки для размещения элементов магнитных подшипников на роторе.
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 жестко закреплены составные постоянные магниты одинаковой высоты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха′′, а ′′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′′, позволяют обеспечить создание эффективных радиальных магнитных подшипников машины, обладающих высокой жесткостью и несущей способностью.
Признаки, указывающие, что ′′на противоположных внешних торцевых поверхностях выступов 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′′, позволяют обеспечить создание эффективных упорных магнитных подшипников, обладающих высокой жесткостью и несущей способностью.
На фиг.1 показан продольный разрез машины по оси вращения, а на фиг.2 - поперечный разрез.
На чертежах показаны сердечник статора 1, пазы 2, катушки 3 обмотки статора, пазовые клинья 4, опорный корпус 5 статора, выступ 6, постоянные магниты 7 и 8, тарелки 9 и 10, Г-образные цилиндры 11, 12, составные постоянные магниты 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 и 20, цилиндр 21, нажимные листы 22, 23, разрезное кольцо 24.
Электромашина содержит шихтованный сердечник статора 1 из электротехнической стали, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнены пазы 2, в которые уложены катушки 3 обмотки статора и зафиксированы пазовыми клиньями 4. Сердечник статора 1 своей внутренней цилиндрической поверхностью располагается на опорном корпусе 5 и жестко связан с ним. Опорный корпус 5 статора выполнен в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом 6. Внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен внутри цилиндрической полости ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него. Ротор содержит индуктор, выполненный из постоянных магнитов 7, 8. Корпус ротора выполнен в виде двух тарелок 9, 10, разъемно скрепленных друг с другом своими кромками и обращенных друг к другу своими полостями, причем суммарная глубина названных полостей на участке, расположенном вблизи к продольной оси статора больше, чем на периферийном участке корпуса ротора. Индуктор размещен на периферийном участке корпуса ротора и содержит постоянные магниты 7, 8 в виде планок трапецеидальной формы, ориентированных вдоль продольной оси ротора, выполненных из материала неодим-железо-бор с образованием составного магнитного кольца. При этом планки трапецеидальной формы намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами 7 размещены тангенциально намагниченные магниты 8 с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха. Внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность корпуса ротора. Кромки корпуса ротора, обращенные к опорному корпусу 5 статора, снабжены Г-образными цилиндрами 11, 12, начальные участки поверхности которых параллельны цилиндрическим стенкам опорного корпуса 5 статора, а конечные параллельны торцам опорного корпуса 5. Подшипниковый узел электромашины содержит радиальные и упорные магнитные подшипники, расположенные на выступах 6 опорного корпуса 5 статора и соосных с ними Г-образных цилиндрах 11, 12, закрепленных на тарелках 9, 10 корпуса ротора. При этом на цилиндрических поверхностях выступов 6 опорного корпуса 5 статора жестко закреплены составные постоянные магниты 13, 14 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 11, 12 закреплены составные постоянные магниты 15, 16 одинакового диаметра, 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 13, 14, закрепленных на опорном корпусе 5 статора. Составные постоянные магниты 13, 14, 15, 16 образуют радиальные магнитные подшипники.
На противоположных торцах выступа 6 опорного корпуса 5 статора закреплены составные постоянные магниты 17, 18, 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 11, 12 закреплены составные постоянные магниты 19, 20, 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 17, 18, закрепленных на торцах выступа 6 опорного корпуса 5 статора.
Составные постоянные магниты 17, 18, 19 и 20 образуют упорные магнитные подшипники.
Во внутреннее осевое цилиндрическое отверстие опорного корпуса 5 статора устанавливается и фиксируется цилиндр 21, с помощью которого электромашина соединяется с внешним механизмом.
С обеих сторон сердечник статора 1 уперт в нажимные листы 22, 23 и зафиксирован разрезным кольцом 24 на опорном корпусе.
Собирают сердечник статора 1 из штампованных листов электротехнической стали, прессуют и сваривают по внутренним канавкам. В пазы 2 сердечника статора 1 укладывают катушки 3 обмотки статора, вставляют пазовые клинья 4. Далее обмотку статора подвергают пропитке компаундами и сушке.
Во внутреннее осевое цилиндрическое отверстие опорного корпуса 5 статора устанавливают и фиксируют цилиндр 21. На опорный корпус 5 надевают левый нажимной лист 22, статор в сборе, правый нажимной лист 23 и фиксируют его разрезным кольцом 24.
Штамповкой изготавливают левую 9 и правую 10 тарелки корпуса ротора и концентрично приваривают к ним предварительно изготовленные Г-образного цилиндры 11, 12. На их внутренние цилиндрические поверхности устанавливают на клей в ряд обоймы кольцевых постоянных магнитов 15, 16 одинакового диаметра радиальных подшипников, а на торцевые поверхности - концентрично также на клей обоймы коаксиальных кольцевых постоянных магнитов 19, 20 упорных подшипников. Аналогично на наружные цилиндрические поверхности выступов 6 опорного корпуса 5 устанавливают на клей в ряд цапфы кольцевых постоянных магнитов 13, 14 одинакового диаметра радиальных подшипников, а на торцевые поверхности - также концентрично на клей цапфы кольцевых постоянных магнитов 17, 18 упорных подшипников. Обоймы и цапфы одноименных подшипников должны быть расположены друг против друга. Магниты подшипников изготовлены из материала неодим-железо-бор и намагничены по схеме Хальбаха.
Изготавливают клиновидные магниты 7, 8 индуктора из материала неодим-железо-бор и одну половину из них намагничивают в радиальном направлении, а другую - тангенциальном направлении.
В кольцевой канал на периферийном участке левой тарелки 9 корпуса ротора устанавливают на клей постоянные магниты 7 индуктора, исключая попадание клея между магнитами в тангенциальном направлении, с чередованием намагниченности согласно фиг.2 и образованием составного магнитного кольца с намагниченностью по схеме Хальбаха.
В полость, образованную левой тарелкой 9 корпуса ротора и индуктором, вставляют опорный корпус 5 в сборе с обмотанным статором, цилиндром 21 и постоянными магнитами 13, 14 радиальных подшипников и магнитами 17, 18 упорных подшипников. В заключение устанавливают правую тарелку 10 корпуса ротора с магнитами 15, 16 радиальных подшипников и магнитами 19, 20 упорных подшипников. Тарелки 9 и 10 корпуса ротора скрепляют винтами.
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, ветродвигателем. 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 использовании датчика положения ротора двигатель работает как вентильный.