ЭЛЕКТРОМАШИНА
ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электротехники и, в частности, к электромашиностроению.
Известна высокооборотная электромашина, содержащая корпус, выполненный с возможностью подвода в его полость охлаждающего газа, снабженный торцевыми щитами и средствами подвода охлаждающего газа к узлам, размещенным в полости корпуса, сердечник статора, снабженный обмоткой, в цилиндрической полости которого с зазором размещен ротор, содержащий индуктор и подшипниковый узел (см. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.).
Недостатком данного устройства является невозможность существенного уменьшения массогабаритных характеристик устройства за счет повышения окружной скорости индуктора, поскольку нагрузочные характеристики подшипниковых узлов не допускают высокие скорости вращения ротора при увеличении его радиального размера.
Наиболее близким к данному изобретению устройством является электромашина, содержащая шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки и ротор, включающий корпус и индуктор, содержащий чередующиеся по периметру полюса и постоянные магниты, и подшипниковый узел (см. патент РФ №2385523, МПК Н02K 5/16, 2010 г.).
Недостатком данного устройства является повышенный немагнитный зазор из-за наличия втулки достаточно большой толщины, что уменьшает индукцию в зазоре между статором и ротором и, следовательно, ухудшает массогабаритные показатели машины.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является упрощение конструкции, увеличение окружной скорости индуктора.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в увеличении окружной скорости индуктора, упрощении конструкции, в использовании наружной поверхности ротора в качестве ступицы электромобиля или ротора ветрогенератора или гидрогенератора.
Поставленная задача решается тем, что электромашина, содержащая шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки и ротор, включающий корпус и индуктор, содержащий чередующиеся по периметру полюса и постоянные магниты, и подшипниковый узел, отличается тем, что внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен в цилиндрической полости ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него, при этом пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем катушки обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями, кроме того, сердечник статора выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на опорный корпус, с внешней поверхностью которого сердечник статора жестко скреплен, при этом опорный корпус выполнен в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом, на котором закреплен сердечник статора, при этом опорный корпус надет на неподвижную ось и жестко скреплен с ней, причем корпус ротора выполнен в виде двух тарелок, выполненных предпочтительно из немагнитного материала, при этом тарелки разъемно скреплены друг с другом своими кромками, индуктор размещен на периферийном участке корпуса ротора и содержит планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составного магнитного кольца, при этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, кроме того, внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность корпуса ротора, кроме того, участки тарелок расположенные вблизи продольной оси статора, снабжены отгибом, выполненным с возможностью фиксации внешней обоймы подшипника, внутренняя обойма которого установлена на участке опорного корпуса, напротив внутренней обоймы подшипника, кроме того, подшипники закрыты крышками, съемно скрепленными с тарелками. Кроме того, одна из крышек выполнена сплошной, а вторая снабжена центрально расположенным отверстием, через которое пропущена неподвижная ось.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий, что «внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен в цилиндрической полости ротора, установленного соосно с продольной осью статора с возможностью вращения вокруг него», позволяет создать машину с внутренним статором и внешним ротором.
Признаки, указывающие, что «пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем катушки обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями», позволяют упростить технологию изготовления обмотки статора.
Признаки, указывающие, что «сердечник статора выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на опорный корпус, … с внешней поверхностью которого сердечник статора жестко скреплен», позволяют закрепить сердечник статора на опорном цилиндре.
Признак, указывающий, что опорный корпус выполнен «в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом, на котором закреплен сердечник статора», позволяет зафиксировать статор электромашины в необходимом положении в пространстве.
Признак, указывающий, что опорный корпус «надет на неподвижную ось и жестко скреплен с ней», позволяет обеспечить неподвижность опорного корпуса и статора электромашины.
Признаки, указывающие, что корпус ротора «выполнен в виде двух тарелок, выполненных, предпочтительно, из немагнитного материала, при этом тарелки разъемно скреплены друг с другом своими кромками», позволяют организовать полость для размещения статора электромашины.
Признак, указывающий, что индуктор «размещен на периферийном участке корпуса ротора», позволяет обеспечить прочность индуктора при высоких окружных скоростях.
Признаки, указывающий, что индуктор «содержит планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составного магнитного кольца, при этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха», обеспечивают создание эффективного кольцевого индуктора.
Признак, указывающий, что «внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность корпуса ротора», предотвращает деформацию магнитов индуктора от воздействия центробежных сил.
Признаки, указывающие, что «участки тарелок, расположенные вблизи к продольной оси статора, снабжены отгибом, выполненным с возможностью фиксации внешней обоймы подшипника, внутренняя обойма которого установлена на участке опорного корпуса напротив внутренней обоймы подшипника», позволяют обеспечить свободное вращение ротора относительно статора электромашины.
Признак, указывающий, что «подшипники закрыты крышками, съемно скрепленными с тарелками», позволяет обеспечить защиту и обслуживание подшипников.
Признак, указывающий, что «одна из крышек выполнена сплошной, а вторая снабжена центрально расположенным отверстием, через которое пропущена неподвижная ось», позволяет обеспечивать доступ к подшипникам и закрепить корпус электромашины.
На фиг.1 показан продольный разрез машины по оси вращения, а на фиг.2 - поперечный разрез.
На чертежах показаны опорный корпус 1 статора, сердечник статора 2, пазы 3, катушки 4 обмотки статора, выступ 5, неподвижная ось 6, клинья 7, постоянные магниты 8 и 9, тарелки 10 и 11, нажимные листы 12 и 13, разрезное кольцо 14, подшипники 15 и 16, крышки 17 и 18.
Электромашина содержит опорный корпус 1 статора, шихтованный сердечник статора 2 из электротехнической стали, снабженный пазами 3, в которых размещены катушки 4 обмотки статора, ротор, включающий корпус и индуктор, и подшипниковый узел. Опорный корпус 1 выполнен в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом 5, на котором закреплен сердечник статора 2.
Во внутреннее осевое цилиндрическое отверстие опорного корпуса 1 статора установлена и зафиксирована неподвижная ось 6, с помощью которой электромашина соединяется с внешним механизмом.
Статор размещен внутри цилиндрической полости ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него. Внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма. Пазы 3 статора, в которых уложены катушки 4 обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем обмотки зафиксированы в пазах 3 статора клиньями 7. Сердечник статора 2 выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на опорный корпус 1, при этом сердечник статора 2 своей внутренней цилиндрической поверхностью расположен на опорном корпусе 1 и жестко связан с ним.
Ротор включает корпус и индуктор, выполненный из постоянных магнитов 8 и 9, намагниченных в радиальном и тангенциальном направлениях соответственно. Корпус ротора выполнен в виде двух тарелок 10, 11 из немагнитного материала, разъемно скрепленных друг с другом своими кромками. Индуктор размещен на периферийном участке корпуса ротора и его постоянные магниты 8, 9 выполнены в виде планок, ориентированных вдоль продольной оси ротора и установлены с образованием составного кольца с чередованием их радиального и тангенциального направлений намагниченности, выполненных из материала неодим-железо-бор с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха. Внешняя поверхность составного магнитного кольца уперта в обращенную к ней внутреннюю цилиндрическую поверхность тарелки 10 корпуса ротора.
С обеих сторон сердечник статора 2 уперт в нажимные листы 12, 13 и зафиксирован разрезным кольцом 14 на опорном корпусе 1. В электромашине установлены подшипники 15, 16. Тарелки 10, 11 корпуса ротора снабжены крышками 17, 18 подшипников. Причем крышка 17 выполнена сплошной, а вторая 18 снабжена центрально расположенным отверстием, через которое пропущена неподвижная ось 6.
Собирают сердечник статора 2 из штампованных листов электротехнической стали, прессуют и сваривают по внутренним канавкам. На опорный корпус 1 надевают левый нажимной лист 12, пакет сердечника статора 2, правый нажимной лист 13 и фиксируют его разрезным кольцом 14. В пазы 3 сердечника укладывают катушки 4 обмотки статора и вставляют пазовые клинья 7. Далее обмотку статора подвергают пропитке компаундами и сушке. Во внутреннее осевое цилиндрическое отверстие опорного корпуса 1 статора устанавливают и фиксируют неподвижную ось 6.
Штамповкой изготавливают левую 11 и правую 10 тарелки корпуса ротора. Изготавливают магниты 8, 9 индуктора из материала неодим-железо-бор и намагничивают одну половину из них в радиальном направлении, а другую половину - в тангенциальном направлении. В кольцевой канал, образованный периферийным участком правой тарелки 10 корпуса ротора, устанавливают на клей постоянные магниты 8,9 индуктора с чередованием намагниченности согласно фиг.2. Получается индуктор в виде составного магнитного кольца с намагниченностью по схеме Хальбаха.
В полость, образованную правой тарелкой 10 корпуса ротора, вставляют опорный корпус 1 в сборе с обмотанным статором и неподвижной осью 6. Устанавливают левую тарелку 11 корпуса ротора и соединяют ее винтами с правой тарелкой 10. В заключение устанавливают подшипники 15, 16 и закрывают их крышками 17, 18.
Электромашина может работать как синхронная вентильная в режимах генератора и двигателя. Машина возбуждается индуктором из постоянных магнитов.
В режиме генератора ротор приводится в движение внешним двигателем, например ветротурбиной или гидротурбиной. В обмотке статора наводится ЭДС, которую можно использовать непосредственно или после преобразования с помощью полупроводникового преобразователя частоты.
В режиме синхронного двигателя обмотку статора необходимо подключать к внешней сети через полупроводниковый преобразователь частоты. При использовании датчика положения ротора машина может работать как вентильный двигатель.