ЭЛЕКТРОМАШИНА
ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано, например, в электрогенераторах с высокой частотой вращения.
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, выполненный с возможностью подвода сжатого воздуха, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный открытыми пазами, в которых размещены катушки обмотки, причем в цилиндрической полости статора с возможностью вращения размещен ротор, подшипниковый узел которого выполнен как подшипник на газовой смазке (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 массо-габаритные показатели машины.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является улучшение массо-габаритных показателей электромашины за счет уменьшения толщины втулки вплоть до нуля за счет использования специально организованного газового подшипника в районе лобовых частей обмотки статора и в зоне немагнитного зазора между сердечником статора и ротором, длительно обеспечивающего высокую надежность работы электромашины.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в уменьшении массы и габаритов и повышении ресурса электромашин, в том числе работающих при повышенных и высоких частотах вращения. Одновременно обеспечивается минимальный прогиб ротора, охлаждение ротора и обмотки статора.
Поставленная задача решается тем, что электромашина, содержащая корпус, выполненный с возможностью подвода сжатого воздуха, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный открытыми пазами, в которых размещены катушки обмотки, причем в цилиндрической полости статора с возможностью вращения размещен ротор, подшипниковый узел которого выполнен как подшипник на газовой смазке, отличается тем, что катушки обмотки каждого паза статора зафиксированы клином и контактирующей с ним шпоночной вставкой, поперечное сечение которой, выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки под клином паза, причем поверхность спинки шпоночной вставки по всей ее длине снабжена продольным желобом, открытым во внутреннюю полость корпуса электромашины, выполненную с возможностью подвода в нее сжатого газа, причем в шпоночной вставке выполнены радиальные отверстия, при этом объемы шпоночных вставок, выступающие над поверхностью полости сердечника статора, объединены в трубчатую втулку, предпочтительно, составленную из сегментов с образованием внутренней поверхности цилиндрической формы, кроме того, в полости корпуса установлены цилиндрические втулки, диаметр полости которых равен диаметру трубчатой втулки, при этом между торцами сердечника статора и обращенными к ним торцами цилиндрических втулок размещены упорные кольца, полость которых превышает диаметр цилиндрической полости сердечника статора, снабженные буртиком, охватывающим часть внешней поверхности цилиндрической втулки, причем упорные кольца выполнены из немагнитного материала и скреплены с сердечником статора, кроме того, цилиндрические втулки установлены с возможностью радиального смещения относительно продольной оси цилиндрической полости сердечника статора, для чего контакты втулок с корпусом, торцевым щитом и упорными кольцами снабжены уплотнительными кольцами, выполненными с возможностью упругого деформирования радиально и вдоль продольной оси сердечника статора, кроме того, ротор содержит индуктор, с внешней цилиндрической поверхностью, выполненный из полюсов, постоянных магнитов, немагнитных клиньев, вала, длина которого превышает длину индуктора, причем с торцами индуктора жестко скреплены концевые цилиндрические втулки, выполненные из немагнитного материала, размещенные заподлицо с внешней поверхностью индуктора, кроме того индуктор снабжен бандажом, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости внешней поверхности концевых цилиндрических втулок, при этом газостатический подшипник образован зазором между внутренними цилиндрическими поверхностями сегментов шпоночных вставок, цилиндрических втулок и наружной поверхностью концевых цилиндрических втулок и бандажа ротора, кроме того осевой подшипниковый узел электромашины содержит осевые лепестковые газодинамические подшипники и упорный диск. При этом бандаж изготовлен из высокопрочного немагнитного, термостойкого материала выполненного, предпочтительно, намоткой углеродного волокна, пропитанного термостойкими синтетическими смолами. Кроме того вал выполнен полым, с возможностью соединения с валом турбины и/или компрессора.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «…катушки обмотки каждого паза статора зафиксированы клином и контактирующей с ним шпоночной вставкой…» обеспечивают удержание проводников обмотки каждого паза в его полости и возможность монтажа обмотки статора.
Признаки, указывающие, что поперечное сечение шпоночной вставки «выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки под клином паза», обеспечивают надежное удержание шпонки в пазу, исключающее возможность ее произвольного радиального смещения в направлении поверхности ротора.
Признаки, указывающие, что «поверхность спинки шпоночной вставки по всей ее длине снабжена продольным желобом, открытым во внутреннюю полость корпуса электромашины, выполненную с возможностью подвода в нее сжатого газа, причем в шпоночной вставке выполнены радиальные отверстия», обеспечивают возможность подвода сжатого газа в зазор между сегментами газостатического подшипника и ротором для организации газового подшипника.
Признаки, указывающие, что «объемы шпоночных вставок, выступающие над поверхностью полости сердечника статора, объединены в трубчатую втулку, предпочтительно, составленную из сегментов, с образованием внутренней поверхности цилиндрической формы», обеспечивают «цилиндричность» «рабочей» полости статора (в которой непосредственно размещен ротор) и, тем самым, обеспечивают условия для использования газового слоя в зазоре между внутренней поверхностью трубчатой втулки и ротором для организации газостатического подшипника.
Признаки, указывающие, что «в полости корпуса установлены цилиндрические втулки, диаметр полости которых равен диаметру трубчатой втулки», обеспечивают возможность использования поверхности внутренней полости цилиндрических втулок для увеличения площади опорной поверхности газового подшипника с целью увеличения его несущей способности.
Признаки, указывающие, что «между торцами сердечника статора и обращенными к ним торцами цилиндрических втулок размещены упорные кольца, полость которых превышает диаметр внутренней цилиндрической полости сердечника статора», обеспечивают формирование кольцевой канавки, для сбора воздуха из рабочего зазора подшипника.
Признаки, указывающие, что упорные кольца снабжены «буртиком, охватывающим часть внешней поверхности цилиндрической втулки, причем упорные кольца выполнены из немагнитного материала и скреплены с сердечником статора», обеспечивают возможность надежного продольного и радиального «подрессоривания» концов цилиндрических втулок, а использование упругих уплотнительных колец обеспечивают герметичностиь этого стыка, при этом исключается разрушение уплотнительных колец.
Признаки, указывающие, что «цилиндрические втулки установлены с возможностью радиального смещения относительно продольной оси цилиндрической полости сердечника статора, для чего контакты втулок с корпусом, торцевым щитом и упорными кольцами снабжены уплотнительными кольцами, выполненными с возможностью упругого деформирования радиально и вдоль продольной оси сердечника», обеспечивают повышение устойчивости ротора за счет демпфирования резиновыми уплотнительными кольцами.
Признаки, указывающие, что «ротор содержит индуктор, с внешней цилиндрической поверхностью», обеспечивают возможность его газостатического поддержания.
Признаки, указывающие, что длина вала «превышает длину индуктора» и «с торцами индуктора жестко скреплены концевые цилиндрические втулки, выполненные из немагнитного материала, размещенные заподлицо с внешней поверхностью индуктора», обеспечивают соответствие друг другу длин внешней и внутренней цилиндрических опорных поверхностей, используемых для организации газостатического поддержания.
Признаки «…индуктор снабжен бандажом, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости внешней поверхности концевых цилиндрических втулок…» обеспечивают повышение прочности ротора и сохраняют возможность использования его внешней поверхности как одной из опорных поверхностей газодинамического подшипника.
Признаки «…газостатический подшипник образован зазором между внутренними цилиндрическими поверхностями сегментов шпоночных вставок, цилиндрических втулок и наружной поверхностью концевых цилиндрических втулок и бандажа ротора…» характеризуют выполнение газостатического подшипника.
Признаки, указывающие что «осевой подшипниковый узел электромашины содержит осевые лепестковые газодинамические подшипники и упорный диск» характеризуют осевой подшипниковый узел.
Признаки второго пункта формулы изобретения рассматривают возможный вариант изготовления бандажа.
Признаки третьего пункта формулы изобретения способствуют уменьшению массы и массовых моментов инерции ротора и, тем самым, расширяют диапазон устойчивости ротора в форме «полускоростного вихря» и повышают запас статической несущей способности газостатического подшипника при незначительном снижении прочности ротора по сравнению со сплошным цельнокованым, кроме того, такая конструкция препятствует значительной деформации ротора в радиальном направлении от центробежных сил и тем самым, предотвращает заклинивание газового подшипника.
На фиг.1 показан продольный разрез электромашины, на фиг.2 - поперечный разрез.
На чертежах показаны корпус 1, статор 2, пазы 3, катушки обмотки 4, клинья 5, шпоночные вставки 6, радиальные отверстия 7, желоб 8, цилиндрические втулки 9, 10, упорные кольца 11 и 12, буртиками 13, торцевые щиты 14, 15, уплотнительные кольца 16, 17, 18 и 19, постоянные магниты 20, полюса 21, немагнитные клинья 22, вал 23, концевые цилиндрические втулки 24, 25, бандаж 26, зазор 27, лепестковые газодинамические подшипники (ЛГП) 28, 29, упорный диск 30, нажимные листы 31 и 34, бурт 32, ветреницами 33, разрезное кольцо 35, дистанционное кольцо 36, крышка 37, входное отверстие 38, осевые каналы 39, 42 и 43, межпакетные вентиляционные каналы 40, кольцевые каналы 41.
Электромашина содержит герметичный корпус 1, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора 2 из электротехнической стали (см. фиг.1, фиг.2). По внешнему диаметру сердечник статора 2 опирается на корпус 1 электромашины. Сердечник статора 2 снабжен открытыми пазами 3, в которых размещены катушки обмотки 4.
Проводники катушек 4 каждого паза 3 статора 2 зафиксированы клином 5 и контактирующими с ними шпоночными вставками 6, выполненными из изоляционного материала, например, из стеклотекстолита, поперечное сечение которых, выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки 6 в полости паза 3. В шпоночных вставках 6 выполнены радиальные (питающие) отверстия 7. При этом объемы шпоночных вставок 6, выступающие над поверхностью полости сердечника статора 2, объединены в трубчатую втулку, предпочтительно составленную из сегментов, с образованием внутренней поверхности цилиндрической формы. Сегменты шпоночных вставок 6 служат втулкой газостатического подшипника. Поверхность спинки шпоночной вставки 6 по всей ее длине снабжена продольным желобом 8, открытым во внутреннюю полость корпуса 1 электромашины, выполненную с возможностью подвода в нее сжатого газа. В полости корпуса 1 размещены цилиндрические втулки 9, 10, диаметр полости которых равен диаметру трубчатой втулки, при этом, между торцами сердечника статора 2 и обращенными к ним торцами цилиндрических втулок 9, 10 размещены упорные кольца 11 и 12, полость которых превышает диаметр внутренней цилиндрической полости сердечника статора 2, снабженные буртиками 13, охватывающими часть внешней поверхности цилиндрических втулок 9 и 10. Упорные кольца 11, 12 выполнены из немагнитного материала и скреплены с сердечником статора 2. При этом цилиндрические втулки 9 и 10 установлены с возможностью радиального смещения относительно продольной оси цилиндрической полости сердечника статора 2, для чего контакты цилиндрических втулок 9 и 10 с корпусом 1, торцевыми щитами 14 и 15 и упорными кольцами 11, 12 снабжены уплотнительными кольцами 16, 17, 18 и 19, выполненными с возможностью упругого деформирования радиально и вдоль относительно продольной оси сердечника статора 2 (например, резиновыми). В цилиндрической полости сегментов шпоночных вставок 6 с возможностью вращения размещен ротор. Ротор содержит индуктор, выполненный известным образом, с внешней цилиндрической поверхностью, включающий постоянные магниты 20 размещенные в пазах, между полюсами 21, перекрытых немагнитными клиньями 22, вала 23 жестко скрепленного с полюсами 21, длина которого превышает длину индуктора. С торцами индуктора жестко скреплены концевые цилиндрические втулки 24, 25 выполненные из немагнитного материала, размещенные заподлицо с внешней поверхностью индуктора. Для обеспечения механической прочности индуктор снабжен бандажом 26, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости внешней поверхности концевых цилиндрических втулок 24, 25, при этом, бандаж 26 выполнен из высокопрочного немагнитного, термостойкого материала, предпочтительно, намоткой углеродного волокна, пропитанного термостойкими синтетическими смолами. Вал 23 выполнен полым, с возможностью соединения с валом турбины и/или компрессора.
Газостатический подшипник составляют внутренние цилиндрические поверхности сегментов шпоночных вставок 6, цилиндрических втулок 9, 10, наружная поверхность концевых цилиндрических втулок 24, 25 и бандажа 26 ротора и зазор 27 между ними.
Осевой подшипниковый узел шпинделя составляют: осевые лепестковые газодинамические подшипники (ЛГП) 28, 29, упорный диск 30.
Статор собирается в следующем порядке. Из штампованных листов электротехнической стали собирают пакеты сердечника статора 2 и скрепляют их сваркой по канавкам на наружной цилиндрической поверхности пакета. В корпус 1 электромашины вставляют нажимной лист 31 до упора в бурт 32. Затем в корпус 1 устанавливают пакеты сердечника статора 2 с ветреницами 33, нажимной лист 34 и фиксируют собранный комплект пакетов и ветрениц с помощью разрезного кольца 35 Далее в пазы 3 пакета сердечника статора 2 устанавливают пазовую изоляцию (на чертеже не показана), укладывают обмотку 4 статора 2 и заклинивают ее пазовыми клиньями 5. Обмотку 4 статора 2 подвергают пропитке и сушке. Внутрь пазов 3 статора 2 под клинья 5 плотно устанавливают на клей сегменты шпоночных вставок 6 газостатического подшипника. Затем шлифуют внутреннюю цилиндрическую поверхность сегментов шпоночных вставок 6 газостатического подшипника. Далее внутреннюю цилиндрическую поверхность сегментов шпоночных вставок 6 газостатического подшипника, цилиндрических втулок 9 и 10 покрывают антифрикционным материалом, например, ВАП-3. Затем к крайним пакетам сердечника статора 2 приклеивают упорные кольца 11, 12. Под упорные кольца 11, 12 вплотную к крайним пакетам сердечника статора 2 вставляют цилиндрические втулки 9, 10 с надетыми на них уплотнительными кольцами 16, 17, 18, 17 и устанавливают щиты 14, 15. В полость статора 2, образованную цилиндрическими втулками 9 и 10 и сегментами шпоночных вставок 6 вставляют ротор. В торцевой щит 14 устанавливают ЛГП 28, дистанционное кольцо 36, надевают упорный диск 30, фиксируют его гайкой, устанавливают ЛГП 29 и прижимают крышкой 37 полученный комплект осевого подшипникового узла.
Работает электромашина следующим образом. Воздух под давлением через входное отверстие 38, в корпусе 1 электромашины проходит по осевым каналам 39, радиальным межпакетным вентиляционным каналам 40 пакетов сердечника статора 2, желобам 8 шпоночных вставок 6 и поступает в питающие отверстия 7 сегментов шпоночных вставок 6 газостатического подшипника и поступает в газовый смазочный зазор 27 и выходит в кольцевые каналы 41 по торцам газостатического подшипника. Далее по осевым каналам 42 между сегментами шпоночных вставок 6 газостатического подшипника и осевым каналам 43 во втулках выходит в окружающую среду. Ротор всплывает на газовом смазочном слое. Работа электромашины не отличается от обычных электромашин.