ОБРАЩЕННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ)
REVERSED ELECTRIC MACHINE (OPTIONS)

Изобретение относится к областям электротехники и машиностроения, может быть использованов высокомощных высокоскоростных электрических машинах с внешним ротором.
Известна энергоэффективная обращённая асинхронная машина (патент RU 2707585 С1, H02K1/22, H02K 17/12,опубл.28.11.2019), включающая корпус, внешний короткозамкнутый ротор и статор с совмещенными обмотками. При этом корпус и одно из короткозамкнутых колец беличьего колеса выполнены как одно целое. Существует вариант машины, в которой стержни беличьей клетки ее ротора выполнены с наклоном продольной оси их поперечного сечения относительно радиального направления в сторону вращения ротора.
Недостатком аналога являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные невысокой скоростью вращения и невысокой удельной мощностью на единицу массы.
Известна электрическая машина с поперечным магнитным потоком (патент RU 2690666, H02K 21/14, опубл. 05.06.2019), содержащая безобмоточный явнополюсный ротор и статор с кольцевыми фазными обмотками, расположенными концентрично оси вращения ротора и охваченными сердечниками статора, полюса которого обращены к ротору и отделены от него воздушным зазором. В электрической машине ротор содержит магнитные концентраторы (полюса) и постоянные магниты, которые могут быть шихтованными из сплава NdFeB, и выполнен с явно выраженной магнитной несимметрией по его продольной и поперечной
осям. Сердечник статора выполнен из магнитомягкого композиционного материала - Soft Magnetic Composite (SMC) и может быть отформован одновременно с уплотнением фазной обмотки. Часть поверхности сердечника статора имеет цилиндрическую форму, выбранную из условия сокращения длины и/или увеличения площади магнитопровода статора на пути распространения магнитного потока в нем при обеспечении необходимой площади окна сердечника, в котором размещена фазная обмотка.
Недостатками аналога являются низкая удельная мощность на единицу массы и низкая жесткость конструкции, обусловленные применением вала малого диаметра для установки ротора в подшипниковые узлы и передачи полезного крутящего момента.
Известна также электрическая машина (патент RU 2718603, H02K 16/00, опубл. 08.04.2020), содержащая кольцевую генерирующую камеру с продольной осью симметрии, коаксиально размещенные вдоль нее ограждающие статорные узлы, роторный узел с размещенными между статорными узлами внутрикамерным центральным участком и помещенными в подшипники внекамерными боковыми участками. Статорные узлы выполнены в виде полых цилиндрических каркасов (внешний и внутренний) из ферромагнитного материала с закрепленными на них токопроводными обмотками из изолированных проводов, имеющих выводы к питающей сети и потребителю. Роторный узел выполнен из двух полых коаксиальных металлических цилиндров с поверхностями, обращенными к статорным узлам, и поверхностями, обращенными друг к другу. Все поверхности оснащены насадками из продольных диполюсных магнитов, размещенными на всех поверхностях цилиндров центрального участка роторного узла, собранными в магнитные группы с индивидуальным количеством продольных магнитов. Боковые участки роторного узла выполнены также из двух полых коаксиальных цилиндров, каждый из которых помещен в собственный подшипник. Каркасы статорных узлов соединены между собой внешними внекамерными ферромагнитопроводами. К питающей сети подключен вывод провода обмотки статорного узла с внутренним цилиндрическим каркасом, а к потребителю - вывод провода обмотки статорного узла с внешним цилиндрическим каркасом. Соединяющие каркасы статорных узлов внешние ферромагнитопроводы оснащены дополнительными токопроводными обмотками из изолированных проводов, выводы которых подключены к выводу обмотки статорного узла с внутренним цилиндрическим каркасом.
Недостатком аналога является применение подшипников большого диаметра, из-за чего ротор не может иметь высокую скорость вращения, что в свою очередь ведет к низкой удельной мощности на единицу массы.
Известна электрическая машина (патент RU 2695813, H02K 16/02, опубл. 29.07.2019), содержащая ротор и статор без магнитопровода с обмоткой. Ротор выполнен с возможностью установки на неподвижной оси в составе коаксиальных внутреннего и внешнего цилиндрических роторов, осуществляющих совместное вращение. Обмотка расположена в зазоре между цилиндрическими поверхностями внутреннего и внешнего ротора. Внешний ротор устанавливается на оси посредством одной пары подшипников, размещенных в основаниях его цилиндра. Внутренний ротор устанавливается на оси посредством другой пары подшипников, размещенных в основаниях его цилиндра. Внешний ротор снабжен магнитной сборкой Хальбаха, постоянные магниты которой расположены на его цилиндрической поверхности, обращенной к обмотке статора. Внутренний ротор снабжен магнитной сборкой Хальбаха, постоянные магниты которой расположены на его цилиндрической поверхности, обращенной к обмотке статора, или снабжен сборкой на основе магнитомягкого материала, замыкающей магнитное поле от магнитов внешнего ротора. Совместное вращение роторов обеспечено магнитной связью.
Главными недостатками аналога являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные ограничением максимальной проектируемой мощности и частоты вращения, а также связанные с малым пространством под внутренним диаметром подшипника ротора, через которое должно быть реализовано крепление электрической машины и проведение электрических выводов.
Известен наиболее близкий аналог – электрическая машина с внешним ротором и системой охлаждения статора (патент RU 2697511 C1, H02K1/20, H02K 9/19, H02K 5/20, опубл. 15.08.2019), включающая статический вал, установленный в подшипниковой опоре, концентрично которому установлен магнитопровод статора с рабочей обмоткой и ее лобовыми вылетами. Электрическая машина дополнительно снабжена полым цилиндром, внутри которого установлен магнитопровод статора. Цилиндр содержит крышки, герметично соединенные с валом и соответствующими торцами цилиндра, и две внутренние перегородки, образующие полости. Статический вал содержит каналы для подвода и отвода хладагента, каждый из которых сообщен с полостью цилиндра, расположенной со стороны подшипниковой опоры. Полость, расположенная со стороны свободного конца вала, снабжена штуцерами для подвода и отвода хладагента.
Недостатком ближайшего аналога является ограничение максимальной мощности, так как подшипниковый узел не может обеспечить высокую скорость вращения с ростом геометрических размеров, удовлетворение условий механической прочности и достаточную жесткость для сохранения рабочего воздушного зазора магнитной системы.
Задача изобретения – расширение функциональных возможностей и повышение надежности электрической машины путем замены подшипникового узла ротора.
Технический результат – повышение скорости вращения ротора, увеличение жесткости, уменьшение воздушного зазора и, как следствие, повышение максимальной мощности электрической машины. Преимуществом также выступает возможность увеличения габаритных размеров ротора при снижении вероятности выхода из рабочего состояния подшипникового узла.
Поставленная задача решается и указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что в электрической машине с внешним ротором в виде полого цилиндра и жидкостной системой охлаждения статора, включающего магнитопровод с рабочей обмоткой и ее лобовыми вылетами, ротор выполнен в форме полого цилиндра и имеет торцевую поверхность в виде диска, с помощью которого происходит передача вращающего момента, при этом внешний ротор со стороны левой торцевой поверхности установлен на подшипниковый узел, ограничивающий аксиальное и радиальное перемещение, а со стороны правой торцевой поверхности установлен на роликов, фиксирующих правую торцевую сторону ротора от радиальных перемещений, причем каждый ролик представляет собой диск из прочного и легкого материала, установленный на подшипниковый узел, при этом крепления станины и статора, электрические выводы и трубки системы охлаждения электрической машины расположены между роликами.
Поставленная задача решается и указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что в электрической машине с внешним ротором в виде полого цилиндра и жидкостной системой охлаждения статора, включающего магнитопровод с рабочей обмоткой и ее лобовыми вылетами, ротор выполнен в форме полого цилиндра и имеет торцевую поверхность в виде диска, с помощью которого происходит передача вращающего момента, при этом по обе стороны магнитной системы ротор установлен на роликов, фиксирующих ротор от аксиальных и радиальных перемещений, причем каждый ролик представляет собой диск из прочного и легкого материала, установленный на подшипниковый узел, при этом крепления станины и статора, электрические выводы и трубки системы охлаждения электрической машины расположены между роликами.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен продольный разрез обращенной электрической машины с установкой ротора на ролики и подшипниковый узел по первому варианту. На фиг. 2 изображен продольный разрез обращенной электрической машины с установкой ротора на ролики по второму варианту. На фиг. 3 изображен поперечный разрез обращенной электрической машины с установкой ротора на ролики (согласно виду А-А фиг. 1).
Подшипниковые узлы имеют ограничение по скорости между подвижной и неподвижной частью, обусловленные механической прочностью и отводом тепла от потерь на трение. Это приводит к тому, что для увеличения частоты вращения электрической машины, благодаря которой повышается удельная мощность, приходится уменьшать диаметр подшипниковых узлов. Меньшие диаметры подшипниковых узлов и вала имеют меньшую жесткость и прочность, что накладывает ограничение на максимальные габариты электрической машины, и, как следствие, на ее максимальную мощность. Для минимизации этого влияния в рассматриваемой электрической машине передача момента от ротора происходит в торцевой поверхности ротора.
Обращенная электрическая машина с установкой ротора на ролики и подшипниковый узел по первому варианту и с установкой ротора на ролики по второму варианту содержит статор с обмоткой 1,ротор 2, станину 3, которая является несущей неподвижной частью, подшипниковый узел 4 и ролики 5, причем каждый ролик представляет собой диск из прочного и легкого материала, установленный на подшипниковый узел 4, ролики 5 зафиксированы на станине 3 и расположены по окружности ротора 2. Трубки системы охлаждения 6 с циркулирующим по ним хладагентом, проходящие через пазы статора 1, а также крепления станины 3 и статора 1 и электрические выводы электрической машины расположены между роликами 5.
Обращенная электрическая машина с установкой ротора на ролики и подшипниковый узел по первому варианту работает следующим образом: подшипниковый узел 4, расположенный у основания левой торцевой поверхности, служит, главным образом, для предотвращения аксиального перемещения ротора 2 и может иметь небольшой диаметр, так как в конструкции отсутствуют консольные нагрузки и нет жестких требований на диаметр посадочного места. Высокая жесткость конструкции обеспечивается с помощью применения роликов 5, установленных на подшипниковый узел 4 со стороны правой торцевой поверхности, которые ограничивают радиальные перемещения ротора 2. Такая конструкция позволяет обеспечивать максимальную жесткость и минимальную толщину воздушного зазора.  Работоспособность роликов 5 на высоких касательных скоростях ротора 2 обеспечивается благодаря конструкции, в которой используется высокоскоростной подшипниковый узел 4 малого диаметра и диск из прочного легкого материала.
Обращенная электрическая машина с установкой ротора на ролики по второму варианту работает следующим образом: ротор 2 установлен на ролики 5 с обеих сторон магнитной системы, при этом ролики установлены на подшипниковые узлы 4, служащие для предотвращения аксиального и радиального перемещения ротора 2, причем подшипники могут иметь небольшой диаметр, так как в конструкции отсутствуют консольные нагрузки и нет жестких требований на диаметр посадочного места. Высокая жесткость конструкции при этом обеспечивается применением роликов 5. Такая конструкция позволяет обеспечивать максимальную жесткость и минимальную толщину воздушного зазора.  Работоспособность роликов 5 на высоких касательных скоростях ротора 2 обеспечивается благодаря конструкции, в которой используется высокоскоростной подшипниковый узел 4 малого диаметра и диск из прочного легкого материала.
Низкая нагрузочная способность ролика 5, обусловленная применением высокоскоростного подшипникового узла 4 малого диаметра, может быть компенсирована количеством роликов 5, которые могут быть расположены параллельно друг другу и/или последовательно по окружности ротора 2 (наиболее рациональным способом). Крепление станины 3 и статора 1, электрические выводы и трубки системы охлаждения 6 электрической машины расположены между роликами.
Таким образом, касательная скорость подшипникового узла повышается за счет применения диска в  раз, при этом
где  - внешний радиус диска,
– внешний радиус подшипникового узла.
Итак, заявленное изобретение позволит расширить функциональные возможности, значительно повысить эффективность и максимальную проектируемую мощность электрических машин с внешним ротором благодаря увеличению жесткости конструкции, уменьшению воздушного зазора, увеличению скорости вращения, а также большой площади для крепления и проведения электрических выводов и трубок системы охлаждения электрической машины.