ЭЛЕКТРОМАШИНА
ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, 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 являются невозможность существенного уменьшения массогабаритных характеристик устройства за счет повышения скорости вращения ротора, поскольку нагрузочные характеристики подшипниковых узлов не допускают высокие скорости вращения ротора при уменьшении его радиального размера.
Наиболее близким к данному изобретению устройством является электромашина, содержащая корпус с торцевыми щитами, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, зафиксированные клиньями пазов, причем в полости статора с возможностью вращения размещен ротор, содержащий индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, включающий полюса, постоянные магниты, немагнитные клинья и вал, при этом длина ротора превышает длину индуктора, причем концевые участки ротора выполнены в виде цилиндрических втулок из немагнитного материала, установленных заподлицо с внешней поверхностью индуктора, причем подшипниковый узел ротора выполнен с возможностью газостатического и газодинамического поддержания, для чего наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма и он размещен в цилиндрической полости втулки, зафиксированной в полости статора с возможностью подвода газа для охлаждения поверхности статора, при этом полость корпуса выполнена с возможностью подвода в нее охлаждающего газа и отвода последнего, для чего внутренняя поверхность корпуса снабжена продольными каналами, сообщенными с радиальными вентиляционными каналами, выполненными между пакетами сердечника статора (см. патент РФ №2385523, МПК Н02К 5/16, 2010 г.).
Недостатками данного устройства является малоэффективное охлаждение обмотки и сердечника статора, 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, невысокая несущая способность радиальных газовых подшипников при повышенных динамических нагрузках. Кроме того, не предусмотрено охлаждение постоянных магнитов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение эффективности охлаждения обмотки и сердечника статора и постоянных магнитов, уменьшение нагрева втулки газостатического подшипника и сердечника статора от трения в газостатических подшипниках, улучшение массогабаритных показателей, надежности работы электромашины.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в эффективном охлаждении обмотки и сердечника статора, уменьшении массы и габаритов и повышении ресурса электромашин, в том числе работающих при повышенных и высоких частотах вращения. Одновременно обеспечивается минимальный прогиб ротора, эффективное охлаждение постоянных магнитов, расширяется область устойчивости ротора за счет демпфирования радиальными лепестковыми газовыми подшипниками (ЛГП) и предотвращается заклинивание ротора при высоких окружных скоростях в районе расположения ЛГП.
Поставленная задача решается тем, что электромашина, содержащая корпус с торцевыми щитами, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, зафиксированные клиньями пазов, причем в полости статора с возможностью вращения размещен ротор, содержащий индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, включающий полюса, постоянные магниты, немагнитные клинья и вал, при этом длина ротора превышает длину индуктора, причем концевые участки ротора выполнены в виде цилиндрических втулок из немагнитного материала, установленных заподлицо с внешней поверхностью индуктора, причем подшипниковый узел ротора выполнен с возможностью газостатического и газодинамического поддержания, для чего наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма и он размещен в цилиндрической полости втулки, зафиксированной в полости статора с возможностью подвода газа для охлаждения поверхности статора, при этом полость корпуса выполнена с возможностью подвода в нее охлаждающего газа и отвода последнего после нагрева в машине, для чего внутренняя поверхность корпуса снабжена продольными каналами, сообщенными с радиальными вентиляционными каналами, выполненными между пакетами сердечника статора, отличается тем, что статор выполнен с возможностью независимого проветривания, для чего корпус снабжен, по меньшей мере, двумя патрубками, выполненными с возможностью подвода-отвода охлаждающего газа в объем корпуса, занятый статором, при этом втулка снабжена продольными выступами, число, местоположение и поперечное сечение которых соответствует числу, местоположению и поперечному сечению пазов сердечника статора, в которых выступы втулки размещены, причем между поверхностью выступа и клином паза оставлен пазовый вентиляционный канал, при этом в объеме выступов втулки выполнены сквозные продольные отверстия, сообщенные с радиальными питающими отверстиями, открытыми во внутреннюю полость втулки, кроме того, в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами крайних пакетов сердечника статора, при этом внешние поверхности втулок на концах, обращенных к торцевым щитам, снабжены парными уплотнительными кольцами, кроме того, стык торцевого щита с корпусом выполнен герметичным, при этом цилиндрические втулки использованы как внешние обоймы радиальных лепестковых газовых подшипников, а концевые участки ротора использованы как их цапфы, кроме того, индуктор снабжен бандажом, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости внешней поверхности концевых участков ротора, причем электромашина снабжена, по крайней мере, одним осевым лепестковым газовым подшипником, кроме того, в торцевых щитах выполнены радиальные отверстия, вход которых сообщен с источником смазывающего газа, а выход сообщен с кольцевой канавкой, размещенной между парными уплотнительными кольцами, которая, в свою очередь, сообщена со сквозными продольными отверстиями цилиндрической втулки, кроме того, щит снабжен патрубком, подключенным к отдельному источнику охлаждающего газа и сообщенным через торцевые участки индуктора с каналами охлаждения магнитов, образованными сечением дна пазов и обращенной к ним поверхностью постоянных магнитов, причем у противоположного конца корпуса каналы сообщены с рабочим зазором осевого лепесткового газового подшипника, который, в свою очередь, сообщен с атмосферой или сборником газа.
Кроме того, в качестве охлаждающего газа обмотки и сердечника статора использован водород или гелий. При этом газ, охлаждающий постоянные магниты, использован после его охлаждения, предпочтительно до температуры ниже 123 К. Кроме того, смазывающий газ использован после его охлаждения, предпочтительно до температуры ниже 123 К.
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 «статор выполнен с возможностью независимого проветривания, для чего корпус снабжен, по меньшей мере, двумя патрубками, выполненными с возможностью подвода-отвода охлаждающего газа в объем корпуса, занятый статором», позволяет обеспечить эффективное охлаждение обмотки и сердечника статора, при этом независимость проветривания статора исключает попадание охлаждающего его газа к другим узлам устройства, например к ротору, или же его подмешивание в смазочный поток газа газовых подшипников. Это, в свою очередь, позволяет использовать в качестве охлаждающего газа водород или гелий, в т.ч. в криогенном состоянии, без опасности потери газа в окружающую среду.
Признаки, указывающие, что «втулка снабжена продольными выступами, число, местоположение и поперечное сечение которых соответствует числу, местоположению и поперечному сечению пазов сердечника статора, в которых выступы втулки размещены», обеспечивают надежное удержание втулки в пазах, исключающее возможность ее произвольного радиального смещения в направлении поверхности ротора или проворачивание.
Признак, указывающий, что «между поверхностью выступа и клином паза оставлен пазовый вентиляционный канал», позволяет организовать эффективное охлаждение пазовой части обмотки и зубцов сердечника статора.
Признак, указывающий, что «в объеме выступов втулки выполнены сквозные продольные отверстия, сообщенные с радиальными питающими отверстиями, открытыми во внутреннюю полость втулки», обеспечивает условия для использования газового слоя в зазоре между внутренней поверхностью втулки и бандажом ротора для организации газостатического подшипника и уменьшения деформации радиального зазора газостатического подшипника от высокого давления наддува газа в них.
Признак, указывающий, что «в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки», позволяет увеличить площадь опорной поверхности ротора (при наличии на ней соответствующих втулок), которую можно использовать как опорную поверхность радиальных лепестковых газовых подшипников.
Признаки, указывающие, что цилиндрические втулки выполнены «из изоляционного материала, например стеклотекстолита» и скреплены «своими торцами с торцами крайних пакетов сердечника статора», обеспечивают работоспособность радиальных лепестковых газовых подшипников без ухудшения электромагнитных характеристик обмоток статора и ротора.
Признаки, указывающие, что внешние поверхности на концах цилиндрических втулок, «обращенных к торцевым щитам, снабжены парными уплотнительными кольцами» и признак «стык торцевого щита с корпусом выполнен герметичным», позволяют обеспечить герметичность объема корпуса, в которой размещен статор.
Признаки, указывающие, что «цилиндрические втулки использованы как внешние обоймы радиальных лепестковых газовых подшипников, а концевые участки ротора использованы как их цапфы», позволяют создать на концах ротора участки, выполненные с возможностью газодинамического поддержания.
Признаки, указывающие, что «индуктор снабжен бандажом, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости внешней поверхности концевых участков ротора», обеспечивают высокие прочностные характеристики ротора, одновременно позволяют использовать внешнюю поверхность ротора для создания радиального газостатического подшипника.
Признаки, указывающие, что «электромашина снабжена, по крайней мере, одним осевым лепестковым газовым подшипником», обеспечивает восприятие осевых динамических нагрузок.
Признаки, указывающие, что «в торцевых щитах выполнены радиальные отверстия, вход которых сообщен с источником смазывающего газа, а выход сообщен с кольцевой канавкой, размещенной между парными уплотнительными кольцами, которая, в свою очередь, сообщена со сквозными продольными отверстиями цилиндрической втулки», позволяют организовать подачу смазывающего газа в газостатические подшипники машины без его смешивания с газом, используемым для охлаждения статора.
Признаки, указывающие, что «щит снабжен патрубком, подключенным к отдельному источнику охлаждающего газа и сообщенным, через торцевые участки индуктора с каналами охлаждения магнитов, образованными сечением дна пазов и обращенной к ним поверхностью постоянных магнитов, причем у противоположного конца корпуса каналы сообщены с рабочим зазором осевого лепесткового газового подшипника, который, в свою очередь, сообщен с атмосферой или сборником газа», позволяют обеспечить эффективное охлаждение постоянных магнитов машины и осевых ЛГП.
Признак, указывающий, что «в качестве охлаждающего газа обмоток и сердечника статора использован водород или гелий», позволяет повысить эффективность охлаждения обмоток и сердечника статора и уменьшить затраты мощности на прокачку газа.
Признак, указывающий, что «газ, охлаждающий постоянные магниты, использован после его охлаждения, предпочтительно до температуры ниже 123 К», позволяет повысить эффективность охлаждения постоянных магнитов.
Признак, указывающий, что «смазывающий газ использован после его охлаждения, предпочтительно до температуры ниже 123 К», позволяет понизить температуру индуктора и уменьшить тепловые потоки от трения в газостатических подшипниках к постоянным магнитам, втулке газостатического подшипника и зубцам сердечника статора.
На фиг.1 показан продольный разрез электромашины, на фиг.2 - поперечный разрез, на фиг.3 - поперечное сечение цапфы и радиального ЛГП.
На чертежах показаны корпус 1 с продольными вентиляционными каналами 2, пакеты 3 сердечника статора, пазы 4, катушки 5 обмотки статора, клинья 6, втулка 7 со сквозными осевыми отверстиями 8, размещенными в продольных выступах 9 втулки 7, и радиальными питающими отверстиями 10 газостатических подшипников, пазовые вентиляционные каналы 11, цилиндрические втулки 12, 13 на статоре, торцевые щиты 14, 15 с радиальными питающими отверстиями 16, 17 сжатого смазывающего газа газостатических подшипников, уплотнительные кольца 18, 19, 20, 21, 22, 23, лепестки 24, 25 радиальных ЛГП, полюса 26, постоянные магниты 27, немагнитные клинья 28, вал 29, концевые цилиндрические втулки 30, 31 на роторе, бандаж 32, зазор 33, упорный диск 34, крышки 35, 36 ротора с осевыми отверстиями 37, 38, продольные каналы 39 охлаждения постоянных магнитов 27, осевые ЛГП 40, 41, нажимные листы 42, 43 крайних пакетов 3 сердечника статора, бурт 44, разрезное кольцо 45, ветреницы 46, радиальные вентиляционные каналы 47 между пакетами 3 сердечника статора, дистанционное кольцо 48, крышка 49 осевого ЛГП, кольцевой канал 50 подачи охлажденного газа в полость корпуса 1 электромашины, кольцевые каналы 51, 52 вытяжки нагретого газа из полости электромашины, патрубок 53 подачи охлажденного газа в кольцевой канал 50, патрубки 54, 55 вытяжки нагретого газа из кольцевых каналов 51, 52, патрубок 56 подвода охлаждающего газа постоянных магнитов, кольцевая проточка 57 и осевой канал 58 отвода газа из газостатических подшипников, газосборник 59, патрубок 60 отвода газа от газостатических подшипников и охлаждения постоянных магнитов 27.
Электромашина содержит герметичный корпус 1, в полости которого размещены шихтованные пакеты 3 из электротехнической стали сердечника статора (фиг.1, фиг.2). По внешнему диаметру шихтованные пакеты 3 сердечника статора опираются на корпус 1 электромашины. Пакеты 3 сердечника статора снабжены пазами 4, в которых размещены катушки 5 обмотки статора. Проводники катушек 5 каждого паза 4 зафиксированы клиньями 6. В пазах 4 расположена также втулка 7, снабженная продольными выступами 9, число, местоположение и поперечное сечение которых соответствует числу, местоположению и поперечному сечению пазов 4 шихтованного сердечника 3 статора, в которых размещены продольные выступы 9 втулки 7. Между поверхностью продольного выступа 9 и клином 6 паза 4 оставлен пазовый вентиляционный канал 11. В объеме продольных выступов 9 втулки 7 выполнены сквозные осевые отверстия 8, сообщенные с радиальными питающими отверстиями 10, открытыми во внутреннюю полость втулки 7.
В полости корпуса 1 соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки 12, 13, выполненные из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами крайних пакетов 3 сердечника статора. При этом внешние поверхности цилиндрических втулок 12, 13 на концах, обращенных к торцевым щитам 13, 14, снабжены парными уплотнительными кольцами 18, 19, 20, 21 (например, резиновыми). Стыки торцевых щитов 14, 15 с корпусом 1 выполнены герметичными. При этом цилиндрические втулки 12, 13 использованы как внешние обоймы радиальных лепестковых газовых подшипников 24, 25, а концевые участки ротора использованы как их цапфы (лепестки радиальных ЛГП 24, 25 установлены в полость цилиндрических втулок 12, 13).
В цилиндрической полости втулки 7 и лепестков радиальных ЛГП 12, 13 размещен ротор с возможностью вращения.
Ротор содержит индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, включающий полюса 26, постоянные магниты 27, немагнитные клинья 28 и вал 29. Концевые участки ротора выполнены в виде цилиндрических втулок 30, 31 из немагнитного материала, установленных заподлицо с внешней поверхностью индуктора, так что длина ротора превышает длину индуктора.
Для обеспечения механической прочности индуктор снабжен бандажом 32, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости внешней поверхности концевых цилиндрических втулок 30, 31, при этом бандаж 32 изготовлен из высокопрочного немагнитного термостойкого материала, выполненного, предпочтительно, намоткой углеродного волокна, пропитанного термостойкими синтетическими смолами. Вал 29 выполнен полым с возможностью соединения с валом турбины и/или компрессора.
Газостатический подшипник включает опорную поверхность (составленную внутренними цилиндрическими поверхностями втулок 7), цапфу (составленную наружной поверхностью бандажа 32 ротора и частью поверхности цилиндрических втулок 30, 31), а также зазор 33 между ними.
Радиальные ЛГП включают опорную поверхность (составленную внутренними поверхностями цилиндрических втулок 12, 13 и лепестков 24, 25), цапфу (составленную цилиндрическими втулками 30, 31 на роторе).
Осевой подшипниковый узел электромашины составляют осевые ЛГП 40, 41 и упорный диск 34.
Подшипниковый узел ротора выполнен с возможностью газостатического и газодинамического поддержания, для чего наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма и он размещен в цилиндрической полости втулки 7, зафиксированной в полости статора с возможностью подвода газа для охлаждения поверхности статора.
Полость корпуса 1 выполнена с возможностью подвода в нее охлаждающего газа и отвода последнего, для чего внутренняя поверхность корпуса снабжена продольными каналами 2, сообщенными с радиальными вентиляционными каналами 47, выполненными между пакетами 3 сердечника статора. Статор выполнен с возможностью независимого проветривания, для чего корпус 1 снабжен патрубком 56 подвода охлаждающего газа и патрубками 54, 55 отвода охлаждающего газа в объем корпуса 1, занятый статором.
В торцевых щитах 14, 15 выполнены радиальные отверстия 16, 17, вход которых сообщен с источником смазывающего газа (не показан), а выход сообщен с кольцевой канавкой, размещенной между парными уплотнительными кольцами 18, 19, 20, 21, которая, в свою очередь, сообщена со сквозными продольными отверстиями цилиндрических втулок 12, 13, кроме того, щит 14, снабжен патрубком 56, подключенным к отдельному источнику охлаждающего газа (не показан) и сообщенным через торцевые участки индуктора с каналами 39 охлаждения магнитов 27, образованными сечением дна пазов магнитов и обращенной к ним поверхностью постоянных магнитов 27, причем у противоположного конца корпуса 1, каналы 39 сообщены с рабочим зазором осевого лепесткового газового подшипника, который, в свою очередь, сообщен со сборником газа 59 и патрубком 60.
Вентиляционные каналы 2, 11, 47 аэродинамически сообщены друг с другом и с кольцевыми каналами 50 подачи и вытяжки 51, 52 охлаждающего газа (например, водорода, гелия, воздуха) и служат для организации вытяжной радиально-осевой независимой системы вентиляции электромашины.
Статор собирают в следующем порядке. Из штампованных листов электротехнической стали собирают пакеты 3 сердечника статора и скрепляют их сваркой по канавкам на наружной цилиндрической поверхности пакета. В корпус 1 устанавливают нажимной лист 43 вплотную к бурту 44; далее в корпус 1 электромашины устанавливают пакеты 3 сердечника статора и ветреницы 46 (см. фиг.1). После последнего пакета устанавливают нажимной лист 42. Комплект пакетов 3 и ветрениц 46 фиксируют в корпусе 1 электромашины с помощью разрезного кольца 45.
Далее в пазы 4 пакетов 3 сердечника статора устанавливают пазовую изоляцию (не показана), укладывают катушки 5 обмотки статора и заклинивают их пазовыми клиньями 6. Обмотку статора подвергают пропитке и сушке. С наружной поверхности клиньев 6 и свободной части зубцов пакетов 3 удаляют остатки пропиточного компаунда. Затем шлифуют внутреннюю цилиндрическую поверхность втулки 7 газостатического подшипника. Далее внутреннюю цилиндрическую поверхность втулки 7 газостатического подшипника покрывают антифрикционным материалом, например ВАП-3. Внутрь пазов 4 статора под клинья 6 плотно устанавливают втулку 7 газостатического подшипника, оставляя пазовые вентиляционные каналы 11. К торцам сердечника крайних пакетов 3 сердечника статора непосредственно под нажимные листы 42, 43 приклеивают цилиндрические втулки 12, 13. В полости, образованные внутренними поверхностями цилиндрических втулок 12, 13, вставляют лепестки 24, 25 радиальных ЛГП. На крайние торцы цилиндрических втулок 12, 13 надевают резиновые уплотнительные кольца 18, 19, 20, 21. В полость статора, образованную лепестками 24, 25 радиальных ЛГП и втулки 7, вставляют ротор. На торцевые щиты 14, 15 надевают уплотнительные кольца 22, 23 и устанавливают щиты 14, 15 в корпус 1 электромашины. В торцевой щит 15 (фиг.1) устанавливают осевой ЛГП 40, дистанционное кольцо 48, надевают на вал 29 упорный диск 34, устанавливают осевой ЛГП 41, крышку 49 и фиксируют гайкой упорный диск осевых ЛГП.
Электромашина работает следующим образом. Охлажденный газ (водород, гелий или воздух) от внешнего компрессора нагнетают через патрубок 53 в кольцевой канал 50 и в полость корпуса 1 электромашины. Далее газ распределяется по осевым вентиляционным каналам 2 в радиальные вентиляционные каналы 47, затем поступает в пазовые вентиляционные каналы 11 и уходит по ним в зоны лобовых частей обмотки статора, собирается в кольцевые каналы 51, 52 вытяжки нагретого газа и затем через патрубки 54, 55 удаляют вентилятором в охладитель газа. После охлаждения газ опять поступает в патрубок 53 для охлаждения генератора. Таким образом, обеспечивается независимая эффективная многоструйная вытяжная радиально-осевая вентиляция обмотки и сердечника статора электромашины.
Смазывающий газ от компрессора под давлением заходит через радиальные питающие отверстия 16, 17 в сквозные осевые отверстия 8 и радиальные питающие отверстия 10. Затем смазывающий газ с торцов секций газостатического подшипника собирается в кольцевые проточки 57 и далее через осевые каналы 58 поступает в радиальные ЛГП и в сборник газа, смешиваясь с охлаждающим газом постоянных магнитов 27. Кроме того, охлажденный и очищенный газ вентилятором через патрубок 56 в щите 14, отверстия 37 в крышке 35 поступает в каналы 39 охлаждения постоянных магнитов 27, откуда уходит наружу через осевое отверстие 38 в крышке 36, осевые ЛГП 40, 41, газосборник 59 и патрубок 60. Работа электромашины не отличается от работы обычных электромашин.