ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности, к электрическим машинам переменного тока широкого применения. Наиболее перспективное применение изобретения - лопастные насосы с механическим уплотнением вала, входящие в состав главных циркуляционных насосных агрегатов (ГЦНА) ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с легководным теплоносителем, которые преимущественно предназначены для энергоблоков атомных электростанций (АЭС), а также асинхронные гиродвигатели, требующие большого момента инерции ротора и разгруженности подшипниковых опор.
Прототипом к предлагаемому изобретению принята конструкция гиродвигателя с внешним ротором, представленная в (А.И. Бертинов, Д.А. Бут, С.Р. Мизюрин и др. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии: Учеб. Пособие для вузов. - В 2-х Кн. Кн.1. Под редакцией Б.Л. Алиевского. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 320 с. 196, 197 (Рис.6.20) [1].
Недостатком конструкции, описанной в [1], является чрезмерная нагруженность подшипниковых опор вследствие большой массы внешнего ротора, что негативно сказывается на износе подшипниковых опор, точности работы гироскопических устройств и надежности электрической машины.
В некоторых конструкциях ГЦНА для разгрузки вертикальных осевых опор используется электромагнитное разгрузочное устройство (Будов В.М. Насосы АЭС: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 408 с.192 (Рис.4.3), 193) [2]. Одна из наиболее перспективных конструкций электромагнитного разгрузочного устройства представлена в изобретении (патент RU 2406878 С1, класс F04D 29/041, опубликован 20.12.2010) [3]. Эти конструкции приняты в качестве аналогов.
Технической задачей изобретения является создание такой конструкции электрической машины, чтобы подшипниковые опоры были максимально разгруженными при наличии ротора необходимой массы, а габаритные размеры самой электрической машины при этом снижались и повышалась ее сейсмостойкость.
Поставленная задача решается благодаря тому, что, в отличие от прототипа, электромагнитное разгрузочное устройство размещается внутри статора электрической машины. При этом снижение габаритных размеров и массы электрической машины и, как следствие, улучшение показателей сейсмостойкости и энергетических характеристик происходит за счет рационального использования пространства внутренней полости статора.
Отличительной особенностью предлагаемой конструкции по сравнению с известными конструкциями является возможность применения фигурного воздушного зазора между опорой статора и ротором. Опора статора в нижней части на внутренней поверхности имеет выступ, а ротор в зоне выступа имеет впадину. Применение такой конструкции упрощает монтаж ротора, так как является дополнительной промежуточной опорой, повышает надежность и сейсмостойкость за счет расширения и упрочнения основания опоры статора и является страховочным узлом при аварийном падении ротора.
Предлагаемая конструкция электрической машины отличается от аналогов тем, что холодильник электромагнитного разгрузочного устройства выполнен из трубок хладагента, размещенных на внешней и (или) внутренней цилиндрических поверхностях и (или) торцевой поверхности корпуса электромагнита. Трубки хладагента могут быть применены различной формы сечения (круглого, прямоугольного, овального и др.).
В отличие от аналогов холодильник электромагнитного разгрузочного устройства, выполненный из трубок для хладагента, может размещаться в обмотке электромагнитного разгрузочного устройства.
Также, в отличие от аналогов, холодильник статора может быть выполнен в виде трубок для хладагента, размещенных на внутренней цилиндрической поверхности сердечника.
Отличительной особенностью предлагаемой конструкции по сравнению с конструкциями прототипа и аналогов, с целью упрощения конструкции, является то, что корпус электромагнитного разгрузочного устройства может быть выполнен как единое целое с корпусом статора.
При этом, в отличие от аналогов, как для конструкции с раздельными корпусами электромагнитного разгрузочного устройства и корпуса статора, так и для конструкции с единым корпусом, холодильник электромагнитного разгрузочного устройства может быть выполнен в виде трубок для хладагента, размещенных на внутренней цилиндрической поверхности сердечника и (или) внешней цилиндрической поверхности корпуса электромагнитного разгрузочного устройства.
Сущность предлагаемых технических решений поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена конструкция электрической машины вертикального исполнения с внешним ротором 1, расположенным снаружи статора 2. В случае работы электрической машины в режиме электродвигателя вращающий момент от ротора 1 передается к валу 3 через крестовину 4 и далее - к приводному механизму (например, насосу). В случае работы электрической машины в режиме генератора вал 3 приводится во вращение приводным механизмом (например, турбиной). На роторе 1 установлены постоянные магниты 5, образующие систему полюсов. На валу 3 располагаются направляющие подшипники скольжения 6 и подпятник 7. С целью увеличения момента инерции ротора 1 (например, для увеличения времени выбега при отключении питания ГЦНА) на крестовину 4 устанавливается маховик 8. На конце вала 3 располагается фланец 9, предназначенный для крепления к валу насоса или турбины. К верхнему концу вала 3 через втулку 10 крепится разгрузочный диск 11 электромагнитного разгрузочного устройства, которое предназначено для компенсации силы, направленной вверх (это требуется, например, для ГЦНА). Для компенсации массы ротора электромагнитное разгрузочное устройство должно создавать силу, направленную вверх, т.е. иметь «зеркальное» конструктивное исполнение по сравнению с представленным на фиг.1. Электромагнитное разгрузочное устройство, расположенное внутри статора 2, кроме разгрузочного диска 11 имеет корпус 12 и обмотку 13. Статор электрической машины состоит из обмотки 14 и сердечника 15, установленного в корпус 16, который с помощью болтового соединения закреплен на крышке 17. Крышка 17 соединена с опорой статора 18. На опоре статора 18 предусмотрено место для крепления 19 к корпусу насоса или турбины. На крышке 17 устанавливается коробка выводов 20, необходимая для подключения источников питания к обмоткам 13 и 14.
На фиг.2 показана конструкция электрической машины с фигурным воздушным зазором между опорой статора 18 и ротором 1. Опора статора 18 в нижней части на внутренней поверхности имеет выступ 21, а ротор 1 в зоне выступа опоры статора 18 имеет впадину 22. Такая конструкция упрощает монтаж ротора 1, так как является дополнительной промежуточной опорой, повышает надежность и сейсмостойкость за счет расширения и упрочнения основания опоры статора 18 и является страховочным узлом при аварийном падении ротора 1. Как пример, ротор 1 на фиг.2 показан короткозамкнутым. На роторе 1 установлен сердечник ротора 23, в пазах которого располагается короткозамкнутая обмотка 24, выполненная из меди или алюминия.
На фиг.3 представлена конструкция электрической машины, где холодильник электромагнитного разгрузочного устройства выполнен в виде трубок для хладагента различного сечения (круглого - 25, прямоугольного - 26, овального - 27), размещенных на внешней и (или) внутренней цилиндрических поверхностях и (или) торцевой поверхности корпуса 12 электромагнитного разгрузочного устройства. Как пример, ротор 1 на фиг.3 показан как массивный ферромагнитный. Один из направляющих подшипников скольжения 6 и подпятник 7 расположены в верхней части электрической машины - на крышке 17, другой направляющий подшипник скольжения располагается под крестовиной 4.
На фиг.4 показана конструкция электрической машины, где холодильник электромагнитного разгрузочного устройства выполнен в виде трубок для хладагента 25 и 26, размещенных в обмотке 13 электромагнитного разгрузочного устройства. Как пример, ротор 1 на фиг.4 показан как ротор синхронной электрической машины с обмоткой возбуждения 28, расположенной на полюсах. Для подачи в обмотку возбуждения 28 постоянного электрического тока на валу 3 расположены контактные кольца 29, которые совместно со щеточным аппаратом 30 образуют щеточно-контактный узел. Контактные кольца 29 электрически соединены с обмоткой возбуждения 28 при помощи проводов или шин 31. На валу 3 в нижней части электрической машины под крестовиной 4 и в верхней части над статором 2 располагаются радиально-упорные подшипники качения 33.
На фиг.5 представлен вариант конструкции электрической машины, где холодильник статора выполнен в виде трубок хладагента 25, размещенных на внутренней цилиндрической поверхности сердечника 15 статора.
На фиг.6 представлен вариант конструкции электрической машины, где корпус электромагнитного разгрузочного устройства выполнен как единое целое с корпусом статора 34.
На фиг.7 показан вариант конструкции электрической машины с совмещенными корпусами статора и электромагнитного разгрузочного устройства 34, где холодильник статора выполнен в виде трубок хладагента 25, размещенных на внутренней цилиндрической поверхности сердечника 15 статора и внешней цилинлиндрической поверхности совмещенного корпуса 34. Трубки хладагента 25 могут располагаться продольно оси электрической машины. Количество параллельных ветвей трубок хладагента 25 может быть различным.
На фиг.8 показан вариант конструкции электрической машины с электромагнитным разгрузочным устройством, расположенным во внутренней полости статора 2 «зеркально» по сравнению с представленными в фиг.1-7, при этом роль разгрузочного диска выполняет крестовина 4. Корпус разгрузочного устройства обозначен как 12′, обмотка - 13′. В этом варианте электромагнитное разгрузочное устройство компенсирует массу ротора и облегчает работу подпятников или упорных (или радиально-упорных) подшипников. Такая конструкция перспективна для применения в крупных электрических машинах, например в гидрогенераторах.
На фиг.9 и фиг.10 представлены варианты с двумя разгрузочными устройствами, которые предназначены как для компенсации внешних возмущающих усилий, направленных вверх, так и массы ротора 1. На фиг.9 электромагнитные разгрузочные устройства имеют раздельные корпуса 12 и 12′, а на фиг.10 корпуса электромагнитных разгрузочных устройств выполнены как единое целое с корпусом статора. Внутри этого совмещенного корпуса 35 располагаются обмотки 13 и 13′.
В связи с особенностями работы ГЦНА иногда создаются условия возникновения внешних возмущающих усилий. Эти внешние усилия действуют в осевом направлении на ротор ГЦНА и ротор приводной электрической машины вверх. При этом, независимо от типа используемой приводной электрической машины (асинхронной, синхронной, с возбуждением от постоянных магнитов, вентильной и др.), принцип действия следующий: в случае возникновения внешних возмущающих сил, действующих на ротор 1 (фиг.1) вверх, на обмотку 13 электромагнитного разгрузочного устройства подается электрический ток, создающий электромагнитные силы, действующие на разгрузочный диск 11 противоположно внешним возмущающим усилиям, и тем самым компенсирует их. В случае компенсации массы ротора на обмотку 13' (фиг.8-10) электромагнитного разгрузочного устройства подается электрический ток, который создает электромагнитные силы, поднимающие ротор. В электрической машине должны быть установлены датчики, которые при изменении вертикального положения ротора подают сигнал в систему управления электромагнитным разгрузочным устройством, которое управляет силой тока обмоток 13 и 13′ (фиг.9, 10).
Технический результат от применения предлагаемой конструкции электрической машины определяется существенной экономией конструкционных материалов при изготовлении и уменьшением нагрузки на опоры. Особую эффективность предложенная конструкция имеет для ГЦНА:
- ротор, расположенный снаружи статора, обеспечивает значительно больший момент инерции, чем ротор, расположенный внутри статора, тем самым обеспечивая увеличенное время выбега при отключении питания ГЦНА (в существующих конструкциях для увеличения момента инерции применяются дополнительные маховики, в то время как в предлагаемой конструкции роль маховика выполняет ротор);
- размещение электромагнитного разгрузочного устройства внутри статора существенно уменьшает высоту ГЦНА, что значительно повышает его сейсмостойкость, а это важно для АЭС.
Рациональное использование пространства внутренней полости статора при использовании предлагаемой конструкции электрической машины позволяет уменьшить габаритные размеры электрической машины вертикального исполнения по высоте, горизонтального исполнения - по длине, снизить массу и, как следствие, - повысить сейсмостойкость. Разгруженные опоры существенно повышают надежность, а применение интенсивной принудительной жидкостной системы охлаждения позволяет дополнительно уменьшить массу и габариты электрической машины и повысить энергетические характеристики (в частности, повысить коэффициент полезного действия).
Источники информации
1. А.И. Бертинов, Д.А. Бут, С.Р. Мизюрин и др. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии: Учеб. Пособие для вузов. - В 2-х кн. Кн.1. Под редакцией Б.Л. Алиевского. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 320 с.196, 197 (Рис.6.20).
2. Будов В.М. Насосы АЭС: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 408.
3. Патент RU 2248657(С2), класс Н02К 7/14, Н02К 21/26, Н02К 16/04, В60К 7/00, опубликован 20.09.2010.