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 является 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 цилиндрической полости шихтованного сердечника статора с возможностью вращения размещен ротор, на котором закреплен индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, выполненный в виде цилиндрического вала из немагнитного материала, содержащего продольные радиальные полости для размещения магнитных планок, параллельные оси вращения ротора, и цапфы по торцам (см. патент РФ № 2523029, МПК H02K9/12, 2014 г.).
Недостатками данного устройства является необходимость обеспечивать постоянство зазора между втулкой и ротором, который имеет малую величину, что может привести к заклиниванию ротора во втулке при повышенных частотах вращения и температурных деформациях, недостаточная несущая способность газостатических подшипников при малых давлениях наддува.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое предложение, является уменьшение массы и габаритов электромашины, повышение надежности работы электромашины, повышение КПД, эффективное охлаждение обмотки и сердечника статора.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в существенном уменьшении массы и габаритов электромашины, за счет увеличения окружной скорости ротора и увеличения частоты напряжения, повышении надежности электромашины за счет замены газостатических подшипников, расположенных по всей длине ротора пассивными магнитными, расположенных по торцам ротора, установки страховочных шарикоподшипников, повышении эффективности охлаждения обмотки и сердечника статора.
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 цилиндрической полости шихтованного сердечника статора с возможностью вращения размещен ротор, на котором закреплен индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, выполненный в виде цилиндрического вала из немагнитного материала, содержащего продольные радиальные полости для размещения магнитных планок, параллельные оси вращения ротора, и цапфы по торцам, отличается тем, что вал выполнен монолитным, предпочтительно, из титанового сплава, при этом продольные радиальные полости выполнены в виде каналов, предпочтительно, сквозных, не имеющих сообщения с наружной поверхностью ротора, при этом участки поверхности каналов, обращенные к ней и к оси вращения ротора, выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности ротора, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора, причем участки магнитных планок, обращенные к наружной поверхности ротора, конгруэнтны поверхности каналов, а их противоположные участки выполнены уплощенными, кроме того, магнитные планки намагничены радиально, при этом полость корпуса выполнена с возможностью подвода охлаждающего агента к ротору и статору и отвода последнего после нагрева в машине, причем статор выполнен с возможностью независимого охлаждения, для чего корпус снабжен, по меньшей мере, двумя патрубками, выполненными с возможностью подвода-отвода охлаждающего агента в объем корпуса, занятый статором, с оставлением пазовых каналов между клином паза и ротором, кроме того, цапфа ротора содержит цилиндрический центральный выступ, соосный его оси вращения и охватывающий его цилиндрический стакан, при этом на сторонах торцевых щитов, обращенных к ротору, выполнены кольцевые цилиндрические выступы, размещенные между стаканом и цилиндрическим центральным выступом, при этом в зазорах между кольцевыми цилиндрическими выступами и цилиндрическими центральными выступами цапфы ротора установлены с радиальными и осевыми зазорами шарикоподшипники, кроме того, в зазорах между кольцевыми цилиндрическими выступами и обращенными к ним стенками стакана установлены с радиальными зазорами пассивные магнитные подшипники, предпочтительно, намагниченные по схеме Хальбаха, кроме того, в зазоре между торцевыми поверхностями цапф и обращенными к ним сторонами торцевых щитов размещены упорные пассивные магнитные подшипники, предпочтительно, намагниченные по схеме Хальбаха.
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 «…вал выполнен монолитным, предпочтительно, из титанового сплава…» формирует жесткую и прочную конструкцию ротора и уменьшает его деформацию от действия центробежных сил при высоких окружных скоростях.
Признаки «…продольные радиальные полости выполнены в виде каналов, предпочтительно сквозных, не имеющих сообщения с наружной поверхностью ротора»…» обеспечивают прочность перемычек каналов для размещения постоянных магнитов при высоких окружных скоростях,
Признаки «…при этом участки поверхности каналов, обращенные к ней и к оси вращения ротора выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности ротора, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора…» снижают концентрацию напряжений и обеспечивают синусоидальность графика распределения индукции магнитного поля по окружности и, как следствие, уменьшение дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.
Признак «…участки магнитных планок, обращенные к наружной поверхности ротора, конгруэнтны поверхности каналов…» формирует соединение между магнитными планками и каналом и, тем самым, обеспечивает равномерное контактное давление от действия центробежных сил между магнитными планками и перемычкой канала.
Признак «…магнитные планки намагничены радиально…» формирует направление магнитного потока индуктора, обеспечивает возможность работы электрической машины.
Признаки, указывающие, что «…полость корпуса выполнена с возможностью подвода охлаждающего агента к ротору и статору и отвода последнего после нагрева в машине»…», обеспечивают необходимую температуру обмотки статора.
Признак, указывающий что «статор выполнен с возможностью независимого охлаждения, для чего корпус снабжен, по меньшей мере, двумя патрубками, выполненными с возможностью подвода-отвода охлаждающего агента в объем корпуса, занятый статором, с оставлением пазовых каналов между клином паза и ротором», раскрывает конструктивное решение, обеспечивающее необходимую температуру обмотки статора.
Признаки, указывающие, что «…цапфа ротора содержит цилиндрический центральный выступ, соосный его оси вращения и охватывающий его цилиндрический стакан, при этом на сторонах торцевых щитов, обращенных к ротору, выполнены кольцевые цилиндрические выступы, размещенные между стаканом и цилиндрическим центральным выступом…», обеспечивают возможность размещения пассивных магнитных подшипников и страховочных шарикоподшипников электромашины.
Признаки, указывающие, что «…в зазорах между кольцевыми цилиндрическими выступами и цилиндрическими центральными выступами цапфы ротора установлены с радиальными и осевыми зазорами шарикоподшипники…», формируют страховочные шарикоподшипники.
Признаки, указывающие, что «…в зазорах между кольцевыми цилиндрическими выступами и обращенными к ним стенками стакана установлены с радиальными зазорами пассивные магнитные подшипники, предпочтительно, намагниченные по схеме Хальбаха…», формируют пассивные магнитные подшипники.
Признаки, указывающие, что «…в зазоре между торцевыми поверхностями цапф и обращенными к ним сторонами торцевых щитов размещены упорные пассивные магнитные подшипники, предпочтительно, намагниченные по схеме Хальбаха…» формируют упорные пассивные магнитные подшипники.
На фиг. 1 показан продольный разрез электромашины, на фиг. 2 – поперечный разрез, на фиг. 3 – поперечное сечение цапфы.
На чертежах показаны корпус 1, пакеты 2 сердечника статора, пазы 3, катушки 4 обмотки статора, клин 5 паза 3, пазовые вентиляционные каналы 6, цилиндрический вал 7, магнитные планки 8, продольные вентиляционные каналы 9, бандаж 10, торцевые щиты 11, 12, цилиндрические выступы 13, 14 торцевых щитов 11 и 12, центральные выступы 15, 16 цапф ротора и цилиндрические стаканы 17, 18 цапф ротора, страховочные шарикоподшипники 19, 20, кольца радиальных пассивных магнитных подшипников 21, 22 и 23, 24, кольца упорных пассивных магнитных подшипников 25, 26 и 27, 28, предпочтительно, намагниченные по схеме Хальбаха, радиальные вентиляционные каналы 29 между пакетами 2 сердечника статора, патрубки 30, 31 подачи охлаждённого газа в полость корпуса 1 электромашины, патрубок 32 кольцевого канала вытяжки нагретого газа из полости электромашины, нажимные листы 33,34 крайних пакетов 2 сердечника статора, бурт 35, разрезное кольцо 36, ветреницы 37.
Электромашина содержит корпус 1, в полости которого размещены шихтованные пакеты 2 из электротехнической стали сердечника статора (фиг.1, фиг.2). По внешнему диаметру шихтованные пакеты 2 сердечника статора опираются на корпус 1 электромашины. Пакеты 2 сердечника статора снабжены пазами 3, в которых размещены катушки 4 обмотки статора. Проводники катушек 4 каждого паза 3 зафиксированы клиньями 5. Между поверхностью клина 5 и ротором оставлен пазовый вентиляционный канал 6.
В цилиндрической полости шихтованного сердечника статора с возможностью вращения размещен ротор, на котором закреплен индуктор с внешней цилиндрической поверхностью. Индуктор выполнен в виде цилиндрического вала 7 из немагнитного материала, содержащего продольные радиальные полости для размещения магнитных планок 8, параллельные оси вращения ротора. Цилиндрический вал 7 выполнен монолитным, предпочтительно, из титанового сплава, при этом продольные радиальные полости выполнены в виде каналов, предпочтительно, сквозных, не имеющих сообщения с наружной поверхностью ротора. Участки поверхности каналов для размещения магнитных планок 8, обращенные к наружной поверхности ротора, выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности ротора, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора, причем участки магнитных планок 8, обращенные к наружной поверхности ротора, конгруэнтны поверхности каналов, а их противоположные участки выполнены уплощенными. Магнитные планки 8 намагничены радиально.
Для обеспечения механической прочности индуктор снабжен бандажом 10, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, при этом бандаж 10 изготовлен из высокопрочного немагнитного, термостойкого материала, выполненного, предпочтительно, намоткой углеродного волокна, пропитанного термостойкими синтетическими смолами.
Стыки торцевых щитов 11, 12 с корпусом 1 выполнены герметичными, при этом на сторонах торцевых щитов, обращенных к ротору, выполнены кольцевые цилиндрические выступы 13, 14, используемые как обоймы радиальных пассивных магнитных подшипников.
Цапфы ротора содержат цилиндрические центральные выступы 15, 16 предпочтительно, из титанового сплава, соосные его оси вращения и охватывающие его цилиндрические стаканы 17, 18.
Кольцевые цилиндрические выступы 13, 14 торцевых щитов 11, 12 размещены между стаканами 17, 18 и цилиндрическим центральными выступами 15, 16 цапф ротора.
В зазорах между кольцевыми цилиндрическими выступами 13, 14 торцевых щитов 11, 12 и цилиндрическими центральными выступами 15, 16 цапф ротора установлены с радиальными и осевыми зазорами страховочные шарикоподшипники 19, 20.
Радиальные пассивные магнитные подшипники, предпочтительно, намагниченные по схеме Хальбаха, включают цапфу (составленную внутренними поверхностями стаканов 17, 18 на роторе и кольцами радиальных пассивных магнитных подшипников 21, 22) и опорную поверхность (составленную цилиндрическими выступами 13, 14 торцевых щитов 11, 12 и кольцами радиальных пассивных магнитных подшипников 23, 24).
В зазоре между торцевыми поверхностями цапф и обращенными к ним сторонами торцевых щитов 11 и 12, размещены упорные пассивные магнитные подшипники, предпочтительно, намагниченные по схеме Хальбаха.
Упорные пассивные магнитные подшипники включают пяту (составленную торцевыми наружными поверхностями центральных выступов 15, 16 цапф ротора и кольцами упорных пассивных магнитных подшипников 25, 26) и подпятник (составленный поверхностью центральной внутренней части торцевых щитов 11, 12 и кольцами упорных пассивных магнитных подшипников 27, 28).
Страховочные шарикоподшипники 19, 20 установлены на внутренних поверхностях цилиндрических выступов 13, 14 торцевых щитов 11, 12 с зазором относительно противолежащей наружной цилиндрической поверхности центральных выступов 15, 16 цапф ротора.
Полость корпуса 1 выполнена с возможностью подвода в нее охлаждающего газа и отвода последнего после нагрева в электромашине, для чего внутренняя поверхность корпуса 1 снабжена продольными каналами 9, сообщенными с радиальными вентиляционными каналами 29, выполненными между пакетами 2 сердечника статора. Статор выполнен с возможностью независимого проветривания, для чего корпус 1 снабжен патрубками 30, 31 подачи охлаждённого газа в полость корпуса 1 электромашины и патрубком 32 кольцевого канала вытяжки нагретого из полости электромашины.
Вентиляционные каналы 6, 9, 29 аэродинамически сообщены друг с другом и с патрубками подачи 30, 31 и вытяжки 32 охлаждающего газа (например, водорода, гелия, воздуха) и служат для организации вытяжной симметричной радиально-осевой независимой системы вентиляции электромашины.
Статор собирается в следующем порядке. Из штампованных листов электротехнической стали собирают пакеты 2 сердечника статора и скрепляют их сваркой по канавкам на наружной цилиндрической поверхности пакета. В корпус 1 устанавливают нажимной лист 33 вплотную к бурту 35; далее в корпус электромашины устанавливают пакеты 2 сердечника статора и ветреницы 37 (см. фиг.1). После последнего пакета устанавливают нажимной лист 34. Комплект пакетов 2 и ветрениц 37 фиксируют в корпусе 1 электромашины с помощью разрезного кольца 36.
Далее в пазы 3 пакетов 2 сердечника статора устанавливают пазовую изоляцию (на чертеже не показана), укладывают катушки 4 обмотки статора и заклинивают их клиньями 5. Обмотку статора подвергают пропитке и сушке. С наружной поверхности клиньев 5 и свободной части зубцов пакетов 2 удаляют остатки пропиточного компаунда. Изготавливают торцевые щиты 11, 12 и на их цилиндрические выступы 13, 14, устанавливают на клей кольца радиальных пассивных магнитных подшипников 23, 24, а также приклеивают кольца упорных пассивных магнитных подшипников 27, 28. Цилиндрический вал 7 изготавливают из высокопрочного титанового сплава ВТ22. В цилиндрическом вале 7 фрезеруют продольные радиальные каналы для размещения магнитных планок 8. Из немагнитного материала, например, титанового сплава ВТ22 изготавливают цапфы ротора с цилиндрическими стаканами 17, 18 и центральными выступами 15, 16 цапф. К торцу цилиндрического вала 7 соосно устанавливают и приваривают торцевую цапфу с цилиндрическими стаканом 17 и центральным выступом 15. Нагревают сваренную конструкцию цилиндрического вала 7 с цапфой до температуры, не превышающей точку Кюри постоянных магнитов, и вставляют во внутрь продольных радиальных каналов вала 7 предварительно намагниченные магнитные планки 8. На наружную поверхность цилиндрического вала 7 наматывают бандаж 10 из углеволокна и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. К торцу цилиндрического вала 7 устанавливают вторую цапфу ротора с центральным выступом 16 и цилиндрическим стаканом 18 цапфы и скрепляют ее винтами с цилиндрическим валом 7. На внутренние поверхности цилиндрических стаканов 17, 18 цапф вклеивают кольца радиальных пассивных магнитных подшипников 21, 22. К торцам центральных выступов 15, 16 цапф ротора приклеивают кольца 27, 28 упорных пассивных магнитных подшипников. Ротор подвергают динамической балансировке.
В полость статора, образованную пакетами 2 сердечника статора, вставляют ротор. Торцевые щиты 11, 12 устанавливают в корпус 1 электромашины на герметик. Уплотняют кольцами выходной вал машины.
Электромашина работает следующим образом. Охлаждённый газ (водород, гелий или воздух) от внешнего вентилятора нагнетается через патрубки 30, 31 в зоны лобовых частей обмотки статора. Далее газ распределяется по пазовым каналам 6, радиальным вентиляционным каналам 29, продольным вентиляционным каналам 9 и из кольцевого канала с патрубком 32 удаляется вентилятором в охладитель газа. После охлаждения газ опять поступает в патрубки 30, 31 для охлаждения электромашины. Таким образом, обеспечивается независимая эффективная многоструйная симметричная вытяжная радиально-осевая вентиляция обмотки и сердечника статора электромашины. Радиальные пассивные магнитные подшипники удерживают ротор в подвешенном состоянии с нулевым эксцентриситетом в подшипнике, так как часть магнитных колец на выступах щитов выполнена на половине дуги, а именно, на верхней части подшипника. Количество колец с неполной дугой рассчитывается так, чтобы обеспечить нулевой эксцентриситет на каждом подшипнике, то есть имеют грузоподъемность, равную нагрузке, приходящейся от веса ротора на подшипник. Остальная часть магнитных колец имеет полный охват, что позволяет воспринимать динамические нагрузки. В случае превышения статических и динамических нагрузок на радиальные пассивные магнитные подшипники предусмотрены страховочные шарикоподшипники, которые воспринимают нагрузки, когда выбирается зазор между центральными выступами цапфы и шарикоподшипниками.