СИСТЕМА ПОДШИПНИКОВ АСИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
SYSTEM OF BEARINGS OF ASYNCHRONOUS ELECTRICAL MACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам подшипников асинхронной электрической машины, и в частности к системам подшипников электродвигателя, включающим активный магнитный подшипник и вспомогательный механический подшипник, предназначенные оба для опоры вращающегося вала.
Уровень техники
Асинхронные электрические машины, такие как электродвигатели переменного тока, содержат вращающиеся валы, опирающиеся на подшипники. Обычно, подшипники двигателя включают механические гидростатические и гидродинамические подшипники с пленкой текучей среды и подшипники с элементами качения.
В последнее время некоторые асинхронные электрические машины содержат бесконтактные магнитные подшипники. Пример выполнения магнитного подшипника показан в патенте США № 6777841. Как известно из уровня техники, магнитные подшипники обеспечивают более высокие скорости вращения при обычных частотах возбуждения 50/60 Гц, более высокие выходные крутящие моменты и активное демпфирование вибраций вала, за счет чего обеспечивается возможность непосредственного привода компрессоров или других приводимых во вращение устройств без необходимости предусмотрения промежуточных коробок передач, которые бы обеспечивали изменяемую скорость или умножение крутящего момента. Желательно рассеивать тепло, создаваемое внутри зоны магнитного подшипника (с помощью самого подшипника или остальной асинхронной машины).
При применении магнитных подшипников в асинхронной электрической машине желательна вспомогательная система механических подшипников для защиты магнитного подшипника и остальной асинхронной электрической машины в случае неисправности системы магнитного подшипника или подачи электроэнергии. Когда возникает такая неисправность, то параллельно установленные вспомогательные подшипники предназначены для обеспечения надежного замедления оборудования асинхронной электрической машины и уменьшения вероятности повреждения как магнитного подшипника, так и остальной структуры машины. При рабочем отказе магнитного подшипника механические силы вала двигателя быстро переносятся на структуру вспомогательных подшипников, вызывая ударную нагрузку опорной структуры магнитного подшипника, а также вспомогательного подшипника. Предпочтительно минимизировать возможное повреждение асинхронной электрической машины, которое может вызываться такой ударной нагрузкой.
Механические подшипники, включая вспомогательные подшипники, часто обслуживаются в соответствии с протоколом технического обслуживания установки. Желательно обеспечение возможности обслуживания вспомогательных подшипников возможно более простым образом с минимальными затратами времени и труда.
Таким образом, существует потребность в системе подшипников асинхронной электрической машины с использованием магнитных подшипников, которая предусматривает вспомогательные подшипники, рассеяние тепла подшипников, уменьшение возможной ударной нагрузки структуры магнитных подшипников при неисправности магнитных подшипников и простоту технического обслуживания вспомогательных подшипников.
Сущность изобретения
В соответствии с этим задачей данного изобретения является создание системы подшипников асинхронной электрической машины с использованием как магнитных, так и вспомогательных подшипников, которая обеспечивает возможность рассеяния тепла подшипников.
Другой независимой задачей изобретения является создание системы подшипников асинхронной электрической машины с использованием как магнитных, так и вспомогательных подшипников, которая уменьшает возможность ударной нагрузки структуры магнитных подшипников при неисправности магнитных подшипников за счет переноса таких ударных сил со структуры магнитных подшипников на другие структурные компоненты машины.
Еще одной независимой задачей изобретения является создание системы подшипников асинхронной электрической машины с использованием как магнитных, так и вспомогательных подшипников, которая обеспечивает простое техническое обслуживание вспомогательного подшипника.
Эти и другие задачи решены, согласно данному изобретению, с помощью системы подшипников асинхронной электрической машины, согласно изобретению. Узел подшипника, согласно данному изобретению, для асинхронной электрической машины, такой как электродвигатель переменного тока, включает опорную обойму подшипника, соединенную с рамой электродвигателя. Опорная обойма подшипника может включать внутренние ребра для облегчения рассеяния тепла из узла подшипника. Опорная обойма подшипника включает магнитный подшипник для опоры вращающегося вала. Опорная обойма подшипника также включает вспомогательный подшипник, также для опоры вала в случае неисправности магнитного подшипника. Вспомогательный подшипник находится на одной линии с торцевым щитом электродвигателя и рамой, так что нагрузки поддерживаемого им вала передаются в раму так, что уменьшается вероятность деформации опоры подшипника, которая может приводить к контакту магнитного подшипника с валом или деформации магнитного подшипника. Узел подшипника может содержать элементы поглощения удара и демпфирования/изоляции вибрации, такие как кольца круглого поперечного сечения, между вспомогательным подшипником и его опорной структурой. Вспомогательный подшипник может быть включен в съемную кассету для простоты технического обслуживания.
Задачи и признаки данного изобретения могут быть реализованы специалистами в данной области техники по отдельности или в любой желаемой комбинации.
Краткое описание чертежей
Идеи данного изобретения следуют из приведенного ниже подробного описания изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
Фиг.1 - пример выполнения асинхронной электрической машины в виде электродвигателя переменного тока, включающего систему подшипников, согласно данному изобретению, на виде сзади;
Фиг.2 - разрез по линии 2-2 на фиг.1 электродвигателя, содержащего систему подшипников, согласно данному изобретению;
Фиг.3 - часть разреза, согласно фиг.2, в увеличенном масштабе;
Фиг.4 - система подшипников, согласно данному изобретению, в разнесенной изометрической проекции;
Фиг.5 - пример выполнения опорной обоймы магнитного подшипника, согласно данному изобретению, в изометрической проекции;
Фиг.6 - разрез по линии 6-6 на фиг.5 опорной обоймы магнитного подшипника, согласно данному изобретению; и
Фиг.7 - разрез кассеты вспомогательного подшипника, согласно данному изобретению.
Для лучшего понимания, по возможности применяются идентичные позиции для обозначения на фигурах идентичных элементов.
Подробное описание
После изучения приведенного ниже описания для специалистов в данной области техники понятно, что идеи изобретения можно использовать в системах подшипников асинхронной электрической машины, включая системы для электродвигателей переменного тока. Хотя данное изобретение можно применять в различных типах асинхронных электрических машин, приведенное ниже описание относится к примеру применения в электродвигателях переменного тока.
На фиг.1 и 2 показан в целом электродвигатель 10 переменного тока, имеющий раму 20 электродвигателя и концевой щит 22 рамы. Электродвижущая механическая энергия генерируется за счет электромагнитного взаимодействия пластин 25 сердечника ротора и катушек 30 статора, показанных в качестве примера в виде известной конфигурации беличьей клетки. Катушки 30 статора имеют концевые катушки 32 известной конструкции. Пластины сердечника ротора соединены известным образом с валом 40.
Вал 40 установлен с возможностью вращения по меньшей мере в одном или нескольких узлах 50 подшипников. Как показано на фиг.3-6, узел 50 подшипников имеет опорную обойму 60 подшипника с установочным фланцем 61, который в свою очередь закреплен на концевом щите 22 рамы. Наружная поверхность опорной обоймы 60 может образовывать, не обязательно, охлаждающие ребра 62 любой желаемой конфигурации, с целью улучшения рассеяния тепла из обоймы в охлаждающий воздух, проходящий через внутреннюю полость электродвигателя 10. Опорная обойма 60 имеет также полость 64 для размещения магнитного подшипника 70. Магнитный подшипник может иметь любую конструкцию, способную удерживать вал 40 электродвигателя внутри воздушного зазора без контакта с остальной конструкцией магнитного подшипника 70, и поэтому показан на фигурах лишь схематично. Во время нормальной работы электродвигателя магнитный подшипник 70 обеспечивает первичную опору для переноса нагрузки вала 40 на раму 20 электродвигателя.
В опорной обойме 60 подшипника расположена также часть узла упорного подшипника 80, также известной конструкции. Узел упорного подшипника 80 предназначен для ограничения осевого движения вала 40 относительно рамы 20 электродвигателя. В частности, узел упорного подшипника 80 включает внутренний упорный подшипник 82, который размещен внутри полости 66 для вспомогательного подшипника опорной обоймы 60 подшипника, и наружный упорный подшипник 82, ориентированный в противоположном пространственном направлении относительно внутреннего упорного подшипника. Соответствующие упорные подшипники 82, 82 удерживают между ними фланец 86 упорного подшипника, который в свою очередь закреплен известным образом на валу 40.
Опорная обойма 60 магнитного подшипника также образует полость 68 для кассеты вспомогательного подшипника, в которой в свою очередь размещена, как в гнезде, кассета 90 вспомогательного подшипника. Как показано более отчетливо на фиг.3 и 7, кассета 90 подшипника имеет фланец 91 для установки кассеты подшипника, который упирается во фланец 61 обоймы подшипника. Оба фланца 61 и 91 установлены внутри концевого щита 22 рамы электродвигателя.
Как показано на фиг.7, кассета 90 подшипника задает полость 92 упорного подшипника для размещения наружного упорного подшипника 84. В полости 94 вспомогательного подшипника расположен вспомогательный подшипник 110. Вспомогательный подшипник 110 имеет любую известную механическую конструкцию подшипника и изображен в виде подшипника с элементами качения, обычно используемого в электродвигателях. Концевая крышка 120 удерживает вспомогательный подшипник 110 внутри кассеты 90 подшипника.
Полость 94 для вспомогательного подшипника также задает выемки 96 для колец круглого поперечного сечения, которые принимают кольца 100 круглого поперечного сечения, которые после сборки захватывают кольца круглого поперечного сечения между выемками 96 подшипника и наружной окружной поверхностью вспомогательного подшипника 110. Кольца 100 круглого поперечного сечения обеспечивают уплотнение между вспомогательным подшипником 110 и выемками полости для вспомогательного подшипника. Кольца 100 круглого поперечного сечения также выполняют функцию элементов смещения между вспомогательным подшипником 110 и кассетой 90 подшипника, которые могут демпфировать и изолировать передачу вибрации от вращающегося вала 40 через вспомогательный подшипник 110 на остальную структуру рамы 20 электродвигателя. В случае неисправности магнитного подшипника 70 вспомогательный подшипник 110 должен быстро воспринимать опорную нагрузку вала 40, опирающегося прежде на магнитный подшипник. Быстрый перенос нагрузки вала 40 с магнитного подшипника 70 может создавать механический удар по вспомогательному подшипнику 110 и затем по раме 20 электродвигателя. Кольца 100 круглого поперечного сечения могут предпочтительно поглощать, рассеивать и демпфировать механический контактный удар, создаваемый между валом 40/вспомогательным подшипником 110 и концевым щитом 22 рамы 20, с целью уменьшения вероятности повреждения механических компонентов вспомогательной опоры.
Предпочтительно, узел 50 подшипников, согласно данному изобретению, предназначен для выравнивания концевого щита 22 рамы и вспомогательного подшипника 110 вдоль одной и той же осевой плоскости, как показано на фиг.3. В случае неисправности магнитного подшипника 70 радиально направленный контактный удар, вызванный быстрым переносом опорной нагрузки вала 40 с магнитного подшипника на вспомогательный подшипник 110, плоско передается на относительно прочный концевой щит 22 рамы и на раму 20. Если бы подшипник 110 был смещен в осевом направлении относительно концевого щита 22 рамы, то опорная обойма 60 изгибалась, что может повреждать структуру магнитного подшипника 70, если он приходит в непосредственный контакт с валом 40, или же другим образом вследствие деформации вместе с опорной обоймой. В качестве альтернативного решения непосредственному плоскому выравниванию подшипника 110 и концевого щита 22 рамы возможно осевое смещение, если предусмотрена достаточная опора для нагрузки, так что опорная обойма 60 не может отклоняться в направлении магнитного подшипника 70 так, что становится вероятным повреждение магнитного подшипника.
Кроме того, опорная обойма 60 предпочтительно имеет в основном профиль усеченного конуса, который является относительно жестким вблизи его установочного фланца 61 для обеспечения дополнительной передачи ударных нагрузок с вала 40 на концевой щит 22/раму 20 через вспомогательный подшипник 110 в случае неисправности магнитного подшипника 70. Можно выборочно использовать любой или несколько указанных признаков рассеяния ударной нагрузки при реализации данного изобретения.
В основном имеющий форму усеченного конуса наружный профиль опорной обоймы 60 предпочтительно сохраняет также открытый объем внутри полости электродвигателя 10 между концевыми витками 32 статора для обеспечения прохождения потока охлаждающего воздуха, как показано на фиг.3. Воздушный поток, создаваемый вращающимся ротором и/или с помощью известных вспомогательных лопастей (не изображены), направляется в полость электродвигателя, где он соприкасается с ребрами 62 охлаждения. Тепло, образуемое внутри магнитного подшипника 70 или проводимое через вал 40, передается в опорную обойму 60 и затем проходит через ребра 62. Воздушный поток выносит тепло из полости электродвигателя в окружающую среду.
Хотя были показаны и приведено подробное описание различных вариантов выполнения, которые включают идеи данного изобретения, специалисты в данной области техники могут вывести множество других измененных вариантов выполнения, которые также включают эти идеи.