ВЫСОКООБОРОТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ИНДУКТОРНОГО ТИПА

Полезная модель относится к области электротехники, в частности - к конструкции высокооборотных электрических машин индукторного типа и может быть использована в области установок генерации электрической энергии, построенных на базе высокооборотных микротурбин.
Известна бесконтактная индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением (RU 2390086), содержащая статор с корпусом из магнитомягкого материала с закрепленными в нем шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью пакетами статора, катушечную m-фазную обмотку якоря, обмотку возбуждения индуктора, расположенную между пакетами статора, немагнитный вал с втулкой, шихтованные из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью пакеты ротора, число которых равно числу пакетов статора, отличающаяся тем, что пакеты статора и ротора разделены на четные и нечетные, число пакетов статора не менее двух, активная длина крайних пакетов статора и ротора в аксиальном направлении одинакова, пакеты статора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, число явновыраженных полюсов на каждом пакете статора одинаково, число элементарных зубцов на каждом явно выраженном полюсе пакета статора одинаково, пакеты статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, что оси их находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов совпадают, нечетные и четные пакеты ротора напрессованы на соответствующие нечетные и четные магнитопроводы ротора, которые насажены на немагнитную втулку, установленную на валу, пакеты ротора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности зубцы, число которых на каждом пакете ротора одинаково, четные пакеты ротора смещены относительно нечетных пакетов ротора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора, между магнитопроводами ротора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, число кольцевых слоев постоянных магнитов на один меньше числа пакетов ротора, на явно выраженных полюсах пакетов статора сосредоточена катушечная m-фазная обмотка якоря, каждая катушка которой в аксиальном направлении охватывает соответствующие явновыраженные полюса четных и нечетных пакетов статора по одному явновыраженному полюсу каждого пакета, причем число фаз катушечной m-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, обмотка возбуждения индуктора выполнена в виде кольцеобразных катушек с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины, число кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора на одну меньше числа пакетов статора.
К недостаткам бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением можно отнести сложность изготовления ротора и статора машины с большим количеством зубцов с высокими требованиями по точности изготовления, что приводит к удорожанию электрической машины. Так же при высокой скорости вращения ротора к недостаткам можно отнести установку кольцевых постоянных магнитов на роторе. Использование постоянных магнитов приводит к необходимости установки дополнительных креплений, обеспечивающих прочность посадки магнитов на ротор, что приводит к серьезному удорожанию электрической машины в целом.
Прототипом полезной модели принимается двухпакетный аксиальный индукторный генератор (патент СССР №1815751), содержащий продольно шихтованные статор и ротор, многофазную обмотку статора, размещенную на каждом пакете, и источник возбуждения, с целью повышения удельной мощности, статор выполнен составным, из двух отдельных пакетов, источник возбуждения размещен между пакетами статора и выполнен в виде аксиально намагниченного кольцевого постоянного магнита, между каждой торцевой стороной кольцевого магнита и пакетом статора размещен дополнительно витой разрезной магнитопровод, причем радиальные разрезы, выполненные в магнитопроводах с шагом, равным двойному шагу обмотки статора, находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях.
К недостаткам прототипа можно отнести сложность конструкции ротора с явновыраженными зубцами с высоким аэродинамическим сопротивлением выступающих зубцов на высоких скоростях вращения ротора. Так же к недостаткам двухпакетного аксиального индукторного генератора можно отнести необходимость крепления активных частей ротора в пазах, что в условиях применения в высокоскоростных электрических машинах по причине высоких механических центробежных нагрузок в роторе, является очень сложной технической задачей, выполнение которой возможно только с привлечением дорогостоящих материалов и технологий изготовления, использование которых в свою очередь приводит к удорожанию всей машины в целом.
Задачей полезной модели является разработка высокооборотной электрической машины индукторного типадля использования в системах генерации электрической энергии построенных на основе турбин с высокой частотой вращения.
Техническим результатом полезной модели является разработка высокооборотной электрической машины индукторного типа, обладающей высокими эксплуатационными характеристиками.
Технический результат полезной модели достигается с помощью высокооборотной электрической машины индукторного типа содержащей статор, состоящий из магнитопровода статора и активных пакетов статора, неявнополюсный ротор и катушку возбуждения установленную внутри магнитопровода статора и охватывающую неявнополюсный ротор, который представляет собой нешихтованную цилиндрическую деталь с 2-мя продольными сквозными отверстиями, заполненными немагнитным материалом, а активные пакеты не имеют явно выраженной полюсной структуры, в пазах которых установлены распределенные обмотки статора, причем длина неявнополюсного ротора на 15% больше длины магнитопровода статора, при этом продольные сквозные отверстия неявнополюсного ротора представляют собой замкнутую фигуру, выполненную в виде сектора окружности с углом дуги более 180 градусов, а так же сопряжениями между дугой и хордой, с симметричными поперечными сечениями относительно диаметра поперечного сечения неявнополюсного ротора, а хорды образующие их поперечные сечения параллельны друг другу и расположены ближе к центру окружности образующей внешнею форму поперечного сечения неявнополюсного ротора, чем центры дуг образующие их поперечные сечения.
На фиг. 1 показан эскиз общего вида высокооборотной электрической машины индукторного типа с продольным и поперечным разрезом, на фиг. 2 - эскиз ротора высокооборотной электрической машины индукторного типа, на фиг. 3 показано поперечное сечение ротора высокооборотной электрической машины индукторного типа с поперечным сечением сквозного отверстиями.
Высокооборотная электрическая машина индукторного типа содержит статор (на фиг. не обозначен), неявнополюсный ротор 1 и катушку возбуждения 2. Статор (на фиг. не обозначен) состоит из активных пакетов 3 статора (на фиг. не обозначен) не имеющих явно выраженной полюсной структуры, с пазами на обращенных к неявнополюсному ротору 1 поверхностях, в которых установлены распределенные обмотки 4 статора (на фиг. не обозначен), и магнитопровода 5 статора (на фиг. не обозначен). Неявнополюсный ротор 1 представляет собой не шихтованную цилиндрическую деталь с 2-мя продольными сквозными отверстиями 6 и заполненными немагнитным материалом, например, алюминием. Продольные сквозные отверстия 6 выполнены в торцевых частях неявнополюсного ротора 1 вдоль оси его вращения. Поперечное сечение каждого из продольных сквозных отверстий 6 неявнополюсного ротора 1 представляет собой замкнутую фигуру, выполненную в виде сектора окружности с углом дуги более 180 градусов и сопряжениями между дугой и хордой. Поперечные сечения продольных сквозных отверстий 6 выполняются симметричными относительно диаметра поперечного сечения неявнополюсного ротора 1. Продольные сквозные отверстия 6 неявнополюсного ротора 1 выполняются так, чтобы образующие их поперечные сечения хорды, были параллельными друг другу и располагались ближе к центру окружности образующей внешнею форму поперечного сечения неявнополюсного ротора 1, чем центры дугобразующие их поперечные сечения, при этом расстояние X между образующими поперечное их сечение хордами не должно быть менее 35% от диаметра D поперечного сечения неявнополюсного ротора 1, а расстояние Y между внешней поверхностью ротора 1 и сквозным отверстием 6 не может быть менее 1% от диаметра D поперечного сечения неявнополюсного ротора 1. Площадь и положение поперечных сечений продольных сквозных отверстий 6 неявнополюсного ротора 1 выбирается такими чтобы обеспечить прочность неявнополюсного ротора 1 во всем диапазоне частот вращения микротурбины. Длина неявнополюсного ротора 1 на 15% больше чем длина магнитопровода 5 статора (на фиг. не обозначен). Катушка возбуждения 2 установлена внутри магнитопровода 5 статора (на фиг. не обозначен) и охватывает неявнополюсный ротор 1. Активные пакеты 3 статора (на фиг. не обозначен) имеют цилиндрическую внешнею поверхность, обращенную к магнитопроводу 5 статора (на фиг. не обозначен) и устанавливаются во внутренней цилиндрической части магнитопровода 5 статора (на фиг. не обозначен). Магнитопровод 5 статора (на фиг. не обозначен) по внутренней части имеет цилиндрическую поверхность и выполнен из магнитомягкого материала, например, электротехнической стали. Внешние торцевые поверхности активных пакетов 3 статора (на фиг. не обозначен) и торцевые поверхности магнитопровода 5 статора (на фиг. не обозначен) совмещаются.
Рассмотрим работу высокооборотной электрической машины индукторного типа. При подаче постоянного тока в катушку возбуждения 2в неявнополюсном роторе 1 начинает протекать магнитный поток, линии напряженности которого будут направлены вдоль оси вращения неявнополюсного ротора 1. За счет наличия 2-х продольных сквозных отверстийб в неявнополюсном роторе 1 плотность силовых линий магнитного поля будет неравномерной в его сечении. Использование продольных сквозных отверстий 6 неявнополюсного ротора 1 позволяют создать различные значения магнитного сопротивления в различных радиальных направлениях поперечного сечения неявнополюсного ротора 1, при этом значение магнитного сопротивления будет выше в зонах с меньшей площадью магнитомягкого материала. Форма поперечного сечения продольных сквозных отверстий 6 неявнополюсного ротора 1 позволяет добиться изменения магнитного сопротивления неявнополюсного ротора 1 в различных радиальных направлениях близким к синусоидальному. Магнитный поток вытекая из неявнополюсного ротора 1 через воздушный зазор (на фиг. не обозначен) перетекает в активные пакеты 3 статора (на фиг. не обозначен) и распределенные обмотки 4 статора (на фиг. не обозначен) в дальнейшем замыкается через магнитопровод 5 статора (на фиг. не обозначен) высокооборотной электрической машина индукторного типа.
При возникновении вращения неявнополюсного ротора 1 под воздействием внешних механических сил в активных пакетах 3 статора (на фиг. не обозначен) возникают переменные магнитные поля, вызванные различным магнитным сопротивлением неявнополюсного ротора 1 в разных радиальных направлениях. За счет высокой скорости вращения неявнополюсного ротора 1 предложенная конструкция неявнополюсного ротора 1 с 2-мя продольными сквозными отверстиями 6 обеспечивает достаточную амплитуду синусоидальной составляющей магнитного поля в активных пакетах 3 статора (на фиг. не обозначен). Переменное магнитное поле достаточной амплитуды и частоты обеспечивает высокие значения ЭДС генерируемые в распределенных обмотках 4 статора (на фиг. не обозначен). Предложенная конструкция высокооборотной электрической машины индукторного типа позволяет обеспечить ее высокие эксплуатационные характеристики.
Использование распределенных обмоток 4 статора (на фиг. не обозначен) позволяет применять активные пакеты 3 статора (на фиг. не обозначен) не обладающие явно выраженными полюсами, что обеспечивает возможность создания внутренней поверхности близкой к цилиндрической и тем самым обеспечить низкое аэродинамического сопротивления статора (на фиг. не обозначен). Так же использование неявнополюсного ротора 1 в виде не шихтованной цилиндрической детали позволяет минимизировать аэродинамическое его сопротивление и обеспечить минимизацию аэродинамических потерь в высокооборотной электрической машине индукторного типа в целом, а также улучшить отвод тепла от ее внутренних частей.
Выше описанные особенности высокооборотной электрической машины индукторного типа позволяют обеспечить ее высокие эксплуатационные характеристики.
Так же использование предложенной конструкции высокооборотной электрической машины индукторного типа обеспечивает высокий уровень надежности электрической машины за счет использования в конструкции неявнополюсного ротора 1 и активных пакетов 3 статора (на фиг. не обозначен). Выполнение неявнополюсного ротора 1 в виде не шихтованной цилиндрической детали позволяет добиться достаточной жесткости, а также позволяет минимизировать количество и амплитуду собственных колебаний неявнополюсного ротора 1 в рабочей области частот вращения микротурбины, что позволяет обеспечить увеличение надежности электрической машины за счет уменьшения амплитуды колебаний ротора в процессе вращения. Использование активных пакетов 3 статора (на фиг. не обозначен) не имеющих явно выраженной полюсной структуры и неявнополюсного ротора 1 в виде не шихтованной цилиндрической детали обеспечивают высокую надежность электрической машины при высокой частоте вращения за счет отсутствия зубцовых структур на роторе и полюсной структуры статора, что обеспечивает минимизацию возможностей отрыва элементов с последующим разрушением высокооборотной электрической машины индукторного типа.