ГИЛЬЗА РЕАКТИВНОЙ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ СТАТОРА
SYNCHRONOUS RELUCTANCE MACHINE WITH LIQUID-COOLED STATOR

Изобретение относится к области электромашиностроения и касается устройства гильзового разделения внутреннего пространства электрической машины, преимущественно вентильной или синхронной, на подпространства: статорное с жидкостным охлаждением и роторное.
Известна электрическая машина с жидкостным охлаждением статора, содержащая корпус с подшипниковыми щитами и установленными в них подшипниковыми узлами, магнитопровод статора с обмоткой в его пазах, ротор и размещенную в зазоре между ротором и статором гильзу, герметично и прочно закрепленную в подшипниковых щитах, образуя на периферии машины кольцевое пространство с торцевыми камерами у подшипниковых щитов и активной частью статора посередине, заполненное охлаждающей жидкостью с ее прокачкой через указанное пространство и охлаждением во внешнем теплообменнике (патент РФ №2283525, МПК Н02К 9/19). Указанная гильза - главный конструктивный элемент гидросистемы машины.
Гильза имеет форму тонкостенной цилиндрической оболочки постоянной толщины с наружным диаметром, номинально равным внутреннему диаметру магнитопровода статора по расточке, и внутренним диаметром, превышающим наружный диаметр ротора на расчетную величину физического воздушного зазора (прототип).
Достоинство такой конструкции гильзы - простота ее геометрической формы и, соответственно, технологии изготовления.
Однако при ее малой толщине и большом диаметре (т.е. при малом соотношении толщины и радиуса кривизны как несущей упругой цилиндрической оболочки при сравнительно низком значении у полимеров (даже армированных) модуля упругости ее материала) она имеет важный недостаток - возможность потери устойчивости при действии внешнего на нее давления охлаждающей жидкости, заполняющей полость статора.
В пределах поверхности магнитопровода статора по расточке поддержание формы гильзы в значительной степени обеспечивает ее отличительная особенность как криволинейной оболочки, номинально бесконтактно вложенной в жесткое основание. Концевые же ее части от торцов магнитопровода до точек закрепления в подшипниковых щитах - свободны.
Повышение устойчивости гильзы принципиально возможно и эффективно увеличением общей толщины. Но это нерационально, так как ведет к увеличению эквивалентного воздушного зазора по расточке, для компенсации которого необходимо увеличение рабочего магнитного потока машины, т.е. МДС. Это ухудшает ее массово-габаритные характеристики.
В связи с указанными особенностями устройства-прототипа для обеспечения устойчивости концевых участков гильзы узлы ее крепления на подшипниковых щитах снабжены втулками, имеющими наружный диаметр, поминально равный внутреннему диаметру гильзы; при этом втулки составляют механически жесткое (возможно сборное) единое целое с фланцами крепления узла в подшипниковом щите. Такое устройство значительно усложняет конструкцию указанного узла и, что существенно, требует высокой точности элементов достаточно "длинных" и сложных радиальных размерных цепей от поверхности магнитопровода статора по расточке до наружной поверхности втулок. Без этого необходимо введение в указанные размерные цепи конструктивных компенсаторов накопленных ошибок, что усложняет конструкцию.
Кроме этого, обеспечивающие устойчивость тонкостенной неметаллической гильзы на ее концевых участках втулки изготовляются, естественно, металлическими - стальными. Это создает дополнительный источник потерь в них от действия ВГ переходных процессов полей рассеяния в ферромагнитной системе машины и лобовых частях ее обмоток. Вес этих стабилизирующих втулок с учетом узлов их крепления может превышать вес основного элемента системы - гильзы.
Задача изобретения - создание гильзовой системы для реактивной синхронной электрической машины с жидкостным охлаждением статора, не имеющей недостатков конструкции системы-прототипа, т.е. создание системы, в которой достигается:
а) упрощение конструкции;
б) повышение ее технологичности за счет исключения требований высокой точности радиальных размерных цепей сборки гильзы и стабилизирующих ее устойчивость втулок;
в) исключение электромагнитных потерь в металлических втулках стабилизации формы гильзы;
г) уменьшение веса.
Общая идея решения указанной задачи - перенесение функций втулочной системы обеспечения устойчивости концевых участков гильзы на саму гильзу.
Практическая реализация этой общей идеи осуществляется применением предлагаемой повой конструкции гильзы за счет следующих ее отличительных особенностей.
Предлагается гильза реактивной синхронной электрической машины с жидкостным охлаждением статора, разделяющая внутреннее пространство машины на два концентрических подпространства статора и ротора. Гильза имеет форму тонкостенной цилиндрической оболочки из неэлектропроводного немагнитного материала. Она герметично и прочно закреплена в подшипниковых щитах, образуя заполняемое охлаждающей жидкостью кольцевое статорное подпространство с торцевыми камерами у подшипниковых щитов и активной частью статора посредине.
Эти общие конструктивные признаки предлагаемой гильзы дополняются отличительными, определяющими ее существенную новизну. Их основа - выполнение гильзы ступенчатой формы, геометрически состоящей по длине из трех основных и двух закрепительных соосных цилиндрических участков с неодинаковыми диаметрами: среднего и двух концевых с примыкающими к их торцам закрепительных.
Средний участок на длине осевого размера магнитопровода статора машины с учетом концевых зазоров выполнен с наружным диаметром, номинально равным внутреннему диаметру магнитопровода статора по расточке, и внутренним диаметром, превышающим наружный диаметр ротора на расчетную величину физического воздушного зазора.
Один из концевых участков гильзы определяется по длине в пределах от торца магнитопровода статора до подшипникового щита. Его внутренний диаметр равен диаметру средней части гильзы, а наружный диаметр превышает наружный диаметр средней части гильзы, но при этом он не более диаметра внутренней цилиндрической огибающей поверхности лобовых частей обмотки статора.
Длина второго концевого участка гильзы определяется аналогично - в пределах от торца магнитопровода ротора до подшипникового щита, но с учетом осевого разбега ротора. Наружный диаметр этого участка гильзы с целью возможности ее введения в магнитопровод статора выполнен не превышающим наружный диаметр среднего участка, а внутренний меньше внутреннего диаметра средней части на величину, которая определяется конструктивно из условия обеспечения устойчивости этого участка гильзы при действии давления охлаждающей жидкости в статорном объеме.
Перечисленные главные конструктивные отличительные признаки предлагаемой гильзы реактивной синхронной электрической машины, определяющие новизну, содержат в себе возможность ряда полезных частных технических решений. Наиболее практически целесообразны из них следующие.
А. Гильза выполнена составной конструкции: в виде основной тонкостенной цилиндрической оболочки с постоянной толщиной на полной длине между креплениями в подшипниковых щитах, равной толщине среднего участка, и усиливающих концевых элементов, обеспечивающих устойчивость гильзы на этих участках. Указанные элементы имеют форму соответственно наружной и внутренней цилиндрических втулок, закрепленных на посадочных поверхностях основной оболочки прочным неразъемным соединением (например, склеиванием) с образованием общей монолитной конструкции гильзы.
Б. Для обеспечения свободного прохода гильзы через магнитопровод статора при установке ее концевая часть на участке, усиленном увеличением толщины стенки с внутренней стороны, выполнена с наружным диаметром, меньшим диаметра расточки магнитопровода статора. При этом указанное уменьшение диаметра имеет технологически минимальную необходимую величину, что практически не ослабляет данный участок гильзы.
В. Кольцевые выступы силового и герметизирующего крепления гильзы на подшипниковых щитах, которыми снабжены торцы гильзы, имеют одинаковый профиль и расположены на одном диаметре. Этот диаметр определяется условием положения кольцевой эпюры осевого нагружения гильзы на среднем диаметре ее среднего участка при закреплении гильзы в подшипниковых щитах.
Г. Радиальная жесткость гильзы, определяющая ее устойчивость, как тонкостенной цилиндрической оболочки малой кривизны, может быть существенно увеличена выполнением ее конструктивных элементов армированными. Арматура может иметь форму непрерывной кольцевой намотки нитевидного материала, а также выполнена в виде системы замкнутых колец. При этом в качестве армирующего материала могут быть применены неметаллические нити из неорганического материала (например, стекловолокно), а также металлическая проволока.
Армирование особенно эффективно при составной конструкции гильзы. В этом случае ее элементы армируются независимо, что дает возможность выполнить их весьма рациональной конструкции.
Техническая сущность решения задачи изобретения и конструктивные особенности наиболее полезных частных исполнений поясняются чертежами.
На фиг.1 показана предложенная, согласно изобретению, гильза реактивной синхронной электрической машины с жидкостным охлаждением статора в разрезе одной стенки по плоскости оси машины и в сочетании с соответствующим изображением ее конструктивных элементов, компоновочно взаимосвязанных с конструкцией гильзы.
Здесь обозначено:
а) диаметры -
o
d - диаметр внутренней цилиндрической огибающей поверхности
лобовых частей обмотки статора;
1
d - наружный диаметр усиленного участка гильзы одного из ее
концов (условно первого);
2
d - внутренний диаметр усиленного участка гильзы другого
(условно второго) ее конца;
3
d - диаметр цилиндрической поверхности, соответствующей средине
толщины гильзы;
с
d - диаметр магнитопровода статора по расточке;
р
d - диаметр ротора;
в
d - основной внутренний диаметр гильзы в роторном пространстве;
б) продольные размеры -
о
l - длина гильзы между усиливающими элементами концевых частей;
1
l - длина участка гильзы с наружным усиливающим элементом (условно - первого конца);
2
l - то же, с внутренним усиливающим элементом (условно - второго конца);
3
l - осевой размер элементов герметичного и прочного закрепления гильзы в подшипниковых щитах;
м
l - толщина пакета магнитопровода (принята одинаковой для статора и ротора);
l - рабочая длина гильзы (без учета закрепительных элементов);
1
δ - монтажный осевой зазор;
2
δ - осевой зазор между торцами магнитопровода ротора и смежного с ним внутреннего усиливающего гильзу элемента с учетом возможного осевого разбега ротора в подшипниках статора.
На фиг.2 в том же ракурсе, что и на фиг.1, показана предлагаемая гильза в сборном исполнении.
В дополнение к обозначениям, принятым на фиг.1, здесь:
t - толщина основного элемента сборной гильзы;
L - его общая длина;
S - силы, действующие на гильзу при ее установке.
Пункты 1-4 приводимого ниже описания фиг.1 и 2 приблизительно соответствуют пунктам 1-4 формулы изобретения. Пунктами 5-9 формулы определяется внутренняя структура материала гильзы и ее элементов. Их внешних форм и размеров эти пп. не затрагивают. Поэтому графических пояснений к ним в данном описании не предусмотрено.
1. Ступенчатая форма гильзы конструктивно реализуется в виде соосных цилиндрических участков с неодинаковыми диаметрами: основных - среднего 1 и концевых 2 (условно первого) и 3 (условно второго), а также двух закрепительных участков (соответственно 4 и 5) - см. фиг.1.
c
в
p
в
p
Средний участок 1 гильзы имеет наружный диаметр d, номинально равный внутреннему диаметру магнитопровода 6 статора по расточке. Внутренний диаметр d среднего участка 1 гильзы превышает наружный диаметр d ротора 7 на расчетную величину d - d физического воздушного зазора.
о
1
2
Длина l среднего участка 1 гильзы определяется толщиной пакетов магнитопроводов 6 и 8 статора и ротора 7 соответственно (принята одинаковой и равной lм) с учетом зазоров δ и δ по формуле
o
м
1
2
l=l+δ+δ.
1
1
1
c
1
o
o
Примыкающий к среднему участку 1 гильзы концевой участок 2 по осевому размеру l геометрически ограничен условием размещения в пределах между ближайшим торцом 9 магнитопровода 6 статора и соответствующим подшипниковым щитом 10 с учетом монтажного зазора δ. Наружный диаметр d данного концевого участка 2 гильзы превышает наружный диаметр d среднего участка 1, но не более, чем на величину, определяемую соотношением d<d, где d - диаметр внутренней цилиндрической огибающей поверхности лобовых частей 11 обмотки статора.
c
2
3
2
2
1
Второй концевой участок 3 гильзы, примыкающий к ее среднему участку 1 с противоположной стороны, выполнен с наружным диаметром, не превышающим наружный диаметр d среднего участка 1 гильзы, и с внутренним диаметром d, меньше внутреннего диаметра d среднего участка 1 на величину, обеспечивающую устойчивость этого участка. При этом осевой размер l участка 3 гильзы определяется аналогично определению длины первого концевого участка 2 - геометрическим ограничением по условию размещения в пределах между ближайшим торцом 12 магнитопровода 8 ротора 7 и подшипниковым щитом 13 этой стороны машины. Однако в этой размерной цепи должен быть учтен осевой зазор δ≠δ с дополнительной, кроме монтажной, функцией обеспечения возможного осевого разбега ротора 7 в подшипниках статора.
Закрепительные участки 4 и 5, расположенные на внешних торцах гильзы, размещаются в установочных узлах 14 и 15 известной из общего машиностроения конструкции соответственно подшипниковых щитов 10 и 13.
2. Общая монолитность конструкции гильзы, показанной на фиг.1, может быть обеспечена и в эквивалентном сборном исполнении (фиг.2). В этом случае она состоит из основного элемента 16 в виде тонкостенной цилиндрической оболочки с постоянной толщиной t на полной длине L между креплениями гильзы в установочных узлах 14 и 15 подшипниковых щитов 10 и 13 и усиливающих элементов 17 и 18, образующих вместе с основным элементом 16 подобие концевых участков 2 и 3 базового исполнения гильзы (см. фиг.1). Таким способом обеспечивается устойчивость гильзы здесь. При этом указанные усиливающие элементы выполнены в форме наружной 17 и внутренней 18 цилиндрических втулок, закрепленных на соответствующих посадочных поверхностях основного элемента-оболочки 16, неразъемным соединением (например, склеиванием) с образованием в результате общей монолитной конструкции сборной гильзы.
2
2
3
c
c
2
3. Одна из отличительных особенностей предлагаемой гильзы состоит в том, что ее концевая часть на участке 3 может быть усилена увеличением толщины стенки с внутренней стороны без жестких конструктивных ограничений на внутренний диаметр d участка 3. Это дает возможность выполнить данный участок 3 гильзы на его длине l с добавлением до свободного конца гильзы осевого размера l закрепительного участка 5 герметичного и прочного закрепления гильзы в установочном узле 15 подшипникового щита 13 при наружном диаметре d<d (на фиг.1 и 2 не показан), меньшим диаметра d расточки магнитопровода 6 статора на минимально технологически необходимую величину, обеспечивающую свободный проход гильзы через магнитопровод 6 статора при ее установке. Обусловленное этим крайне незначительное (как показывают расчеты) уменьшение радиальной жесткости участка 3 гильзы конструктивно легко компенсируется соответствующим уменьшением его внутреннего диаметра d (см. выше).
3
4. Существенный отличительный признак предлагаемой гильзы определяется также тем, что ее закрепительные участки 4 и 5 снабжены на торцах кольцевыми выступами (на фиг.1 и 2 не показаны) силового и герметизирующего крепления в установочных узлах 14 и 15 на подшипниковых щитах 10 и 13. Указанные выступы имеют одинаковый, выбираемый конструктивно профиль и с обеих сторон гильзы расположены на одном диаметре d, обеспечивающем положение кольцевой эпюры осевого нагружения на среднем диаметре среднего участка 1 гильзы при закреплении ее с осевой затяжкой на подшипниковых щитах 10 и 13. Работа гильзы предлагаемой конструкции определяется:
а) ее назначением в системе жидкостного охлаждения статора реактивной синхронной электрической машины;
б) особенностями функционирования, как механической системы.
Гильза, как гидротехническое устройство, отделяющее, в соответствии с назначением (см. выше), статорное подпространство машины от общего внутримашинного пространства, - важнейший конструктивный элемент. Его выход из строя по разрушению (в частности, вследствие потери устойчивости) означает крупную аварию.
Отказ установочных узлов гильзы 14 и 15 в подшипниковых щитах 10 и 13 с образованием протечек неизмеримо менее опасен и может быть исключен правильным выбором конструкции этого узла с учетом опыта общего машиностроения. Конструкции торцевого кольцевого уплотнения по схеме, принятой в данной разработке, известны, применяются широко и работают надежно.
Как механическая система гильза работает в соответствии с ее конструктивной формой. Это тонкостенная цилиндрическая оболочка с закрепительными торцами, нагруженная внешним гидростатическим давлением несжимаемой жидкости.
с
с
3
3
При базовых геометрических параметрах гильзы: диаметр d, длина L, расчетная толщина стенки t (определяется конструктивно в пределах отношения t/d=4·10÷6·10) и свойствах материала (в частности, модуля упругости Е), применимого в конструкциях, например, тяговых двигателей магистральных локомотивов, гильза в свободном состоянии не устойчива. Однако ее средний участок 1 при беззазорной установке в отверстии по расточке магнитопровода 6 статора защищена от потери устойчивости арочным эффектом. При этом данное соединение может быть значительно укреплено вклеиванием гильзы в магнитопровод 6 статора. Это несложно, так как в предлагаемой конструкции гильзы усиленный концевой участок 3 может иметь наружный диаметр d (см. выше), уменьшенный на чрезвычайно малую величину технологического зазора, необходимого для выполнения сборочной операции вклеивания, т.е. практически без потери несущей способности этого участка 3.
Концевые участки 2 и 3 гильзы механически нагружены существенно иначе в сравнении со средним участком 1. Главные отличия:
а) отсутствие на наружной поверхности арочного подкрепления от потери устойчивости путем вложения в жесткий внешний контур;
б) упругое (с ограничением радиальной деформации) закрепление торцов концевых участков 2 и 3 гильзы через закрепительные участки 4 и 5 в установленных узлах 14 и 15 на подшипниковых щитах 10 и 13.
В этой схеме устойчивость концевых участков 2 и 3 гильзы под действием внешнего гидростатического давления обеспечивается прежде всего возможностью значительного (при сравнении со средним участком 1 - до нескольких раз) увеличения их толщины.
Выполнение основных конструктивных элементов гильзы армированными не изменяет рассмотренных выше условий их работы в общей схеме механического нагружения гильзы. Указанным армированием вносится лишь большая степень анизотропии усредненных механических свойств материала элементов оболочек с резким усилением в рабочем направлении и с практически сохранением в нерабочем. Это дает возможность поднять гидростатическое давление в системе жидкостного охлаждения статора машины или уменьшить расчетные значения толщины стенок основных цилиндрических элементов гильзы. При этом общий характер работы гильзы, как механической системы сохраняется.
Работа закрепительных участков 4 и 5 в условиях установочных узлов 14 и 15 известна из общего машиностроения и поэтому здесь отдельно не рассматривается.
3
г
р
p
г
Специфическая конструктивная особенность работы этих узлов определяется тем, что кольцевые выступы силового и герметизирующего крепления гильзы на подшипниковых щитах 10 и 13, расположенные на торцах гильзы, имеют одинаковый профиль и расположены на одном диаметре d. Этот диаметр определяется условием положения кольцевой эпюры S (см. фиг.2) осевого нагружения гильзы на среднем диаметре ее среднего участка 1 при закреплении гильзы в подшипниковых щитах 10 и 13. При этом большое значение имеет возможность отсутствия в предлагаемой конструкции радиального (соответственно по диаметрам) несовпадения эпюр S результирующего напряженного состояния гильзы и реактивной эпюры S в заделке, т.е. выполняется условие S=S. Этим исключается так называемый фланцевый эффект, резко повышающий местные напряжения и соответственно снижающий несущую способность трубчатых конструкций при торцевых соединениях на отбортовках.
Из приведенного выше описания конструкции предлагаемой гильзы и ее работы при сравнении с прототипом следует:
а) конструкция гильзового устройства в целом значительно упрощена за счет реализации в ней общей идеи данного технического решения - перенесения функций втулочной системы обеспечения устойчивости концевых участков 2 и 3 гильзы на саму гильзу;
б) из этого общего решения естественно последовали полезные частные, которые:
- повысили технологичность конструкции за счет исключения требований высокой точности радиальных размерных цепей сборки системы "гильза + стабилизирующие устойчивость втулки";
- исключили электромагнитные потери во втулках;
- дали снижение веса за счет замены металлических стабилизирующих втулок эквивалентным усилением концевых участков 2 и 3 гильзы, выполненных из более легких полимеров.
Следовательно, в предлагаемом устройстве гильзовой системы для реактивной синхронной электрической машины с жидкостным охлаждением статора задача изобретения полностью решена.