ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МИКРОМАШИНА ВЕТОХИНА (ЭММВ) Российский патент 1995 года по МПК H02K5/12 

Изобретение относится к судовому электромашиностроению, в частности к погружным электрическим машинам, которые применяются для приводов механизмов автоматики и робототехники, а также в качестве источников питания электрооборудования подводной автоматики, работающих в морской воде на любой глубине в глубоководных обитаемых и необитаемых в подводных аппаратах.

Известен комбинированный электродвигатель гребной винт фирмы AEG-Telefunken и Jastrom, в которой гребной винт насажен на вал. Лопасти винта охвачены бандажом, в котором размещены постоянные магниты, закрытые антикоррозионным экраном. Статор вмонтирован в насадку, полость которого герметична и заполнена трансформаторным маслом [1] Однако электродвигатель гребной винт фирмы AEG-Telefunken может быть использован только в качестве привода главных гребных винтов аппаратов, и по своей конструкции эта машина не может быть выполнена в микроисполнении. Кроме того, при разгерметизации произойдет утечка масла из полости статора и электродвигатель выйдет из строя.

Наиболее близкой к предлагаемой является электрическая машина. Она содержит статор, ротор с валом, установленным в подшипниках, и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода морской воды, а также имеет свободные зазоры между валом ротора и подшипниковыми щитами. Данная машина обеспечивает надежную работу в качестве привода любого механизма, находящегося в морской воде и изготавливается средних и больших мощностей. Однако для привода механизмов в автоматических системах, манипуляторов роботов и для движителей гидронавтов требуются электрические машины малых мощностей. Изготовить машину по указанному авт. св. представляет определенные трудности из-за наличия множества конструктивных деталей, которые в конечном итоге повышают массогабаритные характеристики, а для систем подводной автоматики и робототехники микромашины должны иметь малые геометрические размеры и малый вес [2]
Задачей изобретения является расширение области применения электромикромашины в системах подводной автоматики и робототехники, повышение ее надежности, живучести и долговечности, а также уменьшения веса и габаритов.

Задача решается тем, что в известной электрической микромашине, содержащей статор, ротор с валом в виде единого монолитного узла, заключенные в корпус, заполненный морской водой, поступающей в корпус через отверстия в подшипниковых щитах и зазоры между валом ротора и подшипниковыми щитами, на активной части ядра ротора, выполненного из высокопрочной антикоррозионной термообработанной нержавеющей немагнитной стали, имеются выступы с наклоном боковых поверхностей по радиусу радиальной плоскости сечения ротора, между которыми по поверхности ротора вставлены по скользящей посадке с тем же наклоном контактирующих боковых поверхностей постоянные магниты в виде сегментов цилиндрической трубы, количество которых определяется числом полюсов, а длина сегментов и выступов равна длине пакета сердечника статора, и на сегменты постоянных магнитов вместе с выступами напрессована втулка, втулка и постоянные магниты с торцов закреплены крепежными кольцами, выполненными из материала ротора, а шейки вала ротора вмонтированы в подшипниковые щиты, при этом по поверхности торцов сердечника статора расположены диски-протекторы из алюминиево-магниево-цинкового сплава, имеющие плотный электрический контакт с сердечником пакета статора, причем корпус и втулка ротора выполнены из углепластика на основе углеткани (углеволокна), подшипниковые щиты из металлокерамики, а сердечник пакета статора из магнитной антикоррозионной нержавеющей стали или корпус и втулка ротора выполнены из материала ротора, подшипниковые щиты из упомянутого углепластика, а сердечник пакета статора из электротехнической стали.

Новизной в данном техническом решении является новая совокупность известных признаков, среди которых имеются новые, нигде ранее не описанные, а именно: расположение на поверхности ротора постоянных магнитов в виде сегментов цилиндрической трубы и новое сочетание материалов для различных деталей конструкции.

Указанное расположение постоянных магнитов в сочетании с другими деталями микромашины позволяет использовать ее в качестве синхронного генератора для питания различных потребителей подводной автоматики, например, применяя систему генератор-двигатель можно использовать в качестве гребных электроустановок на роботах при исследовании морского дна и различных подводных объектов, в которых в качестве генератора и исполнительного двигателя применять микромашины с постоянными магнитами, позволяющими плавно регулировать частоту вращения, можно также применять эти микромашины в качестве подводных тахогенераторов для измерения частот вращения гребных винтов, используя эти сигналы для создания гирорулевых следящих систем. Кроме того, эти микромашины можно применять в качестве лагов для измерения скоростей подводных течений и передвижения подводных аппаратов при навешенном на вал водяном колесе (винте), а также в качестве генераторов с ручным приводом в различных спасательных средствах для питания портативных радиостанций и аварийных огней и т.д.

В качестве двигателей эти микромашины можно применять в химической, парфюмерной и пищевой промышленности для привода насосов, мешалок и т.д.

Предлагаемое сочетание материалов для различных деталей конструкции позволяет исключить при их электрическом контакте гальванические пары, тем самым исключить контактную коррозию активных частей микромашины при работе в морской воде как электролите.

Т.о. новая совокупность признаков обеспечивает расширение диапазона применения микромашины (можно использовать как двигатель, так и генератор), а также повышает надежность, живучесть, долговечность микромашины и уменьшает ее вес и габариты.

На фиг. 1 представлен продольный разрез микромашины; на фиг. 2 ротор с выступами без постоянных магнитов и втулки; на фиг. 3 вид сбоку по стрелке А на фиг. 2; на фиг. 4 сечение по В-В на фиг. 1.

Электрическая микромашина содержит корпус 1, который выполняется из антикоррозионного материала, в корпусе запрессован пакет 2 железа статора. По торцам пакета 2 в корпусе 1 запрессованы диски-протекторы 3 из алюминиево-магниево-цинкового сплава, имеющие плотный электрический контакт по всей поверхности с сердечником пакета 2 статора. Диски предназначены для исключения контактной коррозии пакета статора, ротора, подшипниковых щитов и втулки ротора переводом их в катодное состояние, ибо диски из указанного сплава являются анодами. В пазы пакета 2 статора укладывается многофазная протяжная обмотка 4, каждая фаза которой выполнена из единого куска подвода с полимерной изоляцией с соединениями "звезда" концов и начал фаз с питающим кабелем. Пазы статора, как правило, выполняются закрытыми. При использовании полуоткрытых пазов витки в пазах закрепляются магнитными клиньями.

Ротор 5 с валом 6 и выступами 7 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) представляют единую монолитную конструкцию из высокопрочной антикоррозионной термообработанной немагнитной нержавеющей стали, например из стали ДИ49-ВД или 40Х13, обладающими высокими механическими характеристиками. На концах вала 6 имеются отшлифованные опорные 8 и упорные 9 поверхности, выполняющие функции подвижных скользящих частей подшипников. На активную часть ротора 5 между выступами 7, имеющими угол наклона β боковых поверхностей по радиусу радиальной плоскости сечения, вставлены по скользящей посадке с тем же наклоном β контактирующих боковых поверхностей постоянные магниты 10 (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 4) в виде сегментов цилиндрической трубы. Количество сегментов равно числу полюсов, в данном примере равно двум, а их длина равна длине l пакета сердечника статора (фиг. 1, фиг. 2), толщина сегментов h определяется расчетом. На выступы 7 и сегменты 10 напрессовывается втулка 11, равная их длине и выполненная из антикоррозионного материала. С торцов ротора 5 на длинах d (фиг. 2) постоянные магниты 10 и втулка 11 фиксируются крепежными кольцами 12 из материала ротора методом тугой посадки (фиг. 1).

Подшипниковые щиты 13 с отверстиями 14 для входа охлаждающей забортной воды и отверстиями 15 для выхода воды вмонтированы в замки корпуса 1 статора по скользящей посадке и прижаты с внешней стороны кольцами 16 из нержавеющей стали, которые закрепляются винтами к корпусу 1 со стороны внешней цилиндрической поверхности (фиг. 1). Подшипниковые щиты 13, имеющие как и шейки вала 6 ротора отшлифованные опорные 8 им упорные 9 поверхности, выполняют функции неподвижных частей подшипников скольжения, которые имеют по отношению к шейкам вала 6 рабочий зазор по "движению" или "ходовой".

Между расточкой статора 2 и втулкой 11 ротора 5 имеется немагнитный рабочий зазор 17, определяемый расчетом и габаритами микромашины.

Для уменьшения веса, габаритов микромашины и исключения контактной коррозии корпус 1 и втулка 11 ротора выполняются из углепластика на основе углеткани или углеволокна, например марки УГЭТ-Т, в котором в качестве пропитки и связующего используется эпоксидная смола, а также марки ФУТ, в котором в качестве пропитки и связующего используются фенольные смолы. Эти углепластики по прочности равны стали, химически нейтральны и не набухают в морской воде. Подшипниковые щиты 13 выполняются из металлокерамики, а сердечник пакета статора 2 из магнитной антикоррозионной нержавеющей стали, например, из стали 00Х13.

Для уменьшения веса, габаритов микромашины и исключения контактной коррозии можно применять другое сочетание материалов конструкции, а именно: корпус 1 и втулка 11 ротора выполняются из материала ротора, подшипниковые щиты 13 из упомянутого углепластика, а сердечник пакета 2 статора из электротехнической стали. Такое сочетание элементов конструкции микромашины позволяет избежать между ними прямого электрического контакта с большой разностью электродных потенциалов, которая вызывает контактную коррозию при погружении микромашины в морскую воду, диски 3 из алюминиево-магниево-цинкового сплава, запрессованные в корпус 1, будут компенсировать имеющуюся разность потенциалов между некоторыми контактирующими поверхностями элементов конструкции микромашины, а также разность потенциалов, возникающую от микрогальванических элементов примесей, которые всегда присутствуют в любом однородном металле. В данном случае диски 3 являются анодами по отношению ко всем элементам конструкции микромашины и будут корродировать в морской воде, остальные детали будут находиться в исходном состоянии.

Сборка конструкции производится следующим образом.

В изготовленный корпус статора 1 запрессовывается пакет железа статора 2 и диски 3, изготавливается ротор 5 с валом 6, производится механическая обработка его цилиндрической поверхности, а также выступов 7, опорных 8 и упорных 9 поверхностей шеек вала 6, изготавливаются крепежные кольца 10 ротора и крепежные кольца 16 корпуса статора и после этого их термообрабатывают. Одновременно изготавливают подшипниковые щиты 13 с опорными 8, упорными 9 поверхностями скольжения и отверстиями 14 для входа забортной охлаждающей воды и отверстиями 15 для выхода воды. После термообработки узлов и деталей из нержавеющей стали производится их окончательная механическая обработка, шлифовка трущихся поверхностей шеек вала ротора, и поверхности ротора, производят монтаж постоянных магнитов на роторе, напрессовывают гильзу на постоянные магниты и выступы ротора и закрепляют их по торцам крепежными кольцами. После чего центрируют ротор и подшипниковые щиты относительно расточки статора (оси машины), при этом производят окончательную обработку замков корпуса, шлифовку опорных и упорных поверхностей подшипниковых щитов и шеек вала до 7-8 класса чистоты, устанавливают между ними рабочий зазор, а также методом шлифовки устанавливают рабочий немагнитный зазор между бочкой ротора и расточкой статора, после чего производят промежуточную сборку микромашины без обмотки, проверяют механическое вращение ротора, проверяют разбег и бой ротора, маркируют необходимые детали и разбирают микромашину для балансировки ротора и укладки протяжной обмотки статора из обмоточного провода с полимерной изоляцией, концы которой соединяют с питающим кабелем необходимой длины, причем после намотки каждой фазы проверяют ее сопротивление изоляции при погружении статора в соленую воду и затем производят окончательную сборку электрической микромашины.

Использование изобретения: относится к погружным электрическим машинам для приводов механизмов автоматики и робототехники и позволяет расширить область применения, а также повысить ее надежность, живучесть, долговечность и уменьшить ее вес и габариты. Сущность изобретения: микромашина содержит корпус (i), в который запрессован пакет (2) железа статора. По его торцам в корпусе (1) запрессованы диски-протекторы (3) из алюминиево-магниево-цинкового сплава. В пазы пакета 2 статора уложена n-фазная протяжная обмотка 4 из единого куска провода с полимерной изоляцией соединением "звезда". Ротор (5) с валом (6) и выступами представляют собой единый монолитный узел. На активной части ротора (5) между выступами с наклоном боковых поверхностей вставлены постоянные магниты 10 в виде сегментов цилиндрической трубы. Количество магнитов равно числу полюсов, а их длина равна длине пакета сердечника статора. На сегменте вместе с выступами напрессована втулка 11, зафиксированная крепежными кольцами 12. Корпус 1, втулка 11, подшипниковые щиты 13 и сердечник пакета 2 статора выполнены из таких материалов, которые в сочетании позволяют избежать между ними прямого электрического контакта с большой разностью электродных потенциалов. 4 ил.

Электрическая микромашина, содержащая статор с сердечником, ротор с валом, заключенные в корпус, в подшипниковых щитах выполнены отверстия для заполнения корпуса морской водой, между валом ротора и подшипниковыми щитами имеются зазоры, а шейки вала ротора установлены в подшипниковые щиты, отличающаяся тем, что активная часть ротора выполнена из высокопрочной, антикоррозионной термообработанной нержавеющей немагнитной стали и снабжена выступами с наклоном боковых поверхностей по радиусу радиальной плоскости сечения ротора, между которыми по поверхности ротора установлены по скользящей посадке с тем же наклоном контактирующих боковых поверхностей постоянные магниты в виде сегментов цилиндрической трубы по числу полюсов, а длина сегментов и выступов равна длине сердечника статора и на сегменты постоянных магнитов и на выступы напрессована втулка, втулка и постоянные магниты с торцов ротора закреплены крепежными кольцами, выполненными из материала ротора, по поверхности торцов сердечника статора расположены диски-протекторы из алюминиево-магниево-цинкового сплава, имеющие плотный электрический контакт с сердечником статора, при этом корпус и втулка ротора выполнены из углепластика на основе углеткани или углеволокна, подшипниковые щиты из металлокерамики, а сердечник статора из магнитной антикоррозионной нержавеющей стали или корпус и втулка ротора выполнены из материала ротора, подшипниковые щиты из упомянутого углепластика, а сердечник статора из электротехнической стали.