ТОРЦЕВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ВЕТОХИНА (ТЭМВ) Российский патент 1995 года по МПК H02K5/12 

Изобретение относится к судовому электромашиностроению, в частности к погружным корабельным электрическим машинам, которые могут быть в микро- и макроисполнении для малых и средних мощностей.

Торцевые микромашины применяются для приводов подводных механизмов автоматики и робототехники. Торцевые машины малой и средней мощности применяются для приводов гребных винтов, насосов и др. глубоководных подводных аппаратов (ГПА).

Известен комбинированный электродвигатель гребной винт фирм AЕG-Теlefunken и Fаsrom, в котором 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 AЕG-Теlefunken может быть использован только в качестве привода главных гребных винтов аппаратов (ГПА), 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 предлагаемому является наружная насосная установка вертикального исполнения, которая содержит статор, ротор с валом, установленным в подшипниках, и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода жидкости. На вал ротора навешен насос, который через нижние отверстия в корпусе прогоняет охлаждающую жидкость по зазору между ротором и статором, а также через верхнее отверстие в корпусе насосной установки и подает эту жидкость потребителю. Данная насосная установка применяется в скважинах для перекачки пресных вод [2] Основным недостатком установки является то, что при погружении ее в морскую воду, которая является электролитом, на ее внутренних активных частях будет происходить электрохимическая коррозия при контакте различных металлов между собой, входящих в конструкцию устройства (электротехнические стали ротора и статора, короткозамкнутая медная "беличья клетка" ротора, корпус и т. д.). Разрушению (коррозии) подвергается тот металл, у которого электродный потенциал ниже (анод) и контактирующий с морской водой, в данном случае поверхности расточки статора и бочки ротора, что влечет за собой увеличение величины немагнитного рабочего зазора, а величина зазора может достигнуть критического состояния и не обеспечить требуемого ресурса работы электрической машины, и требуемых энергетических характеристик.

Кроме того, одним из основных недостатков установки является то, что ее короткозамкнутый асинхронный двигатель не обеспечивает синхронной частоты вращения для привода специальных механизмов, например, в микроисполнении для привода механизмов систем автоматики и робототехники. Также эта машина не может быть источником питания различных потребителей подводной автоматики и имеет повышенные массогабаритные характеристики из-за большой массы статора и ротора с насосом.

Задачей изобретения является расширение области применения торцевой электрической машины в качестве привода различных подводных механизмов, работающих в морской воде на любой глубине, мощностью от самых малых до средних мощностей и ее использование в качестве источника питания различных механизмов автоматики и робототехники а также уменьшение веса и габаритов.

Задача решается тем, что в известной электрической машине, содержащей статор, ротор с валом и подшипниками, заключенными в корпус, предназначенный для заполнения морской водой, поступающей в него через отверстия в подшипниковых щитах, статор выполнен в виде двух индукторов дискового типа, вмонтированных в корпус по скользящей посадке с помощью шпонок, и имеющих многофазные протяжные обмотки с активными сторонами катушек фаз, выходящими в аксиальном направлении к центру машины, в одном из индукторов катушки расположены с прямым следованием фаз, во втором с обратным, и каждая катушка одного индуктора сдвинута в пространстве по отношению к аналогичной катушке второго индуктора на 180 эл. град. а ротор выполнен в виде монолитного диска, расположен между индукторами и жестко посажен на вал машины и зафиксирован шпонками, диск ротора имеет симметричные друг относительно друг друга сквозные окна, в которые запрессованы постоянные магниты по числу полюсов машины в виде трапецеидальных параллелепипедов с разноименными полюсами в аксиальном направлении, причем монолитный диск ротора выполнен из высокопрочного антикоррозионного магнитного материала, корпус машины выполнен из высокопрочного антикоррозионного немагнитного, а на валу ротора и в корпусе статора с обоих концов запрессованы кольца-протекторы из алюминиевого сплава.

Новизной в данном техническом решении является новая совокупность известных признаков, среди которых имеются новые, нигде не описанные, а именно: выполнение статора в виде двух индукторов дискового типа, создающих вращающее магнитное поле в плоскости, перпендикулярной оси машины; ротор, расположенный между индукторами, выполнен из антикоррозионного высокопрочного магнитного материала в виде диска, в симметричные сквозные окна которого запрессованы постоянные магниты с выходящими разноименными полюсами в стороны индукторов.

Указанная конструкция магнитных систем статора и ротора позволяют использовать торцевую электрическую машину в широких диапазонах, т. е. в микро- и макроисполнении, а также в качестве двигателя и генератора. Например, в одной конструкции машины одновременно можно использовать один индуктор в качестве синхронного генератора, а второй в качестве синхронного двигателя и это сочетание генератор-двигатель можно применять в качестве гребных электроустановок на роботах и необитаемых подводных аппаратах при исследовании морского дна и осмотре различных подводных объектов. Можно также применять эти машины в качестве лагов для измерения скоростей подводных течений, передвижений подводных объектов. Можно использовать в качестве тахогенераторов при создании гирорулевых следящих систем, в качестве источников энергии (генераторов) с ручным приводом на спасательных средствах для питания аварийных сигнальных огней и портативных радиостанций и др.

Таким образом, новая совокупность признаков обеспечивает расширение диапазона применения торцевой электрической машины (можно использовать в качестве привода силовых механизмов и микромеханизмов, а также в качестве генератора, причем в необходимых случаях можно применять одну конструкцию машины для этих целей). Дисковое использование статора в виде индукторов и дискового ротора с постоянными магнитами повышает надежность, живучесть, уменьшает вес и габариты торцевой машины. При применении электрохимической (протекторной) защиты статора и ротора увеличивается срок службы и ресурс ТЭМВ.

На фиг. 1 представлен продольный разрез машины; на фиг. 2 представлена торцевая плоскость левого индуктора с активными сторонами катушек фаз со стороны диска ротора; на фиг. 3 левая плоскость диска ротора с соответствующим расположением по полярности постоянных магнитов; на фиг. 4 представлена торцевая плоскость правого индуктора с активными сторонами катушек фаз со стороны диска ротора; на фиг. 5 правая плоскость диска ротора с соответствующим расположением по полярности постоянных магнитов.

Торцевая электрическая машина содержит корпус 1, который выполняется из высокопрочного антикоррозионного немагнит- ного материала (фиг. 1), в корпус 1 вмонтированы пакеты 2 железа дисковых индукторов по скользящей посадке и зафиксированных с помощью шпонок, укрепленных внутри корпуса и канавок 3 на пакете 2 железа дискового индуктора (фиг. 2 и 4 левого и правого дисковых индукторов), в сквозные пазы пакетов 2 железа дисковых индукторов уложена трехфазная протяжная обмотка 4 (для данного примера), активные стороны 5 катушек которой выходят к центру машины (фиг. 1, 2, 4). Каждая фаза обмотки выполнена из единого куска обмоточного привода с полимерной изоляцией (например из облученного полиэтилена и фторопласта). По торцам дисковых пакетов 2 железа индукторов в корпус 1 запрессованы кольца-протекторы 6 и из алюминиевого сплава, имеющие плотный электрический контакт с пакетом 2 железа индукторов и корпусом 1. Обмотка 4 каждого индуктора имеет питающие кабели 7, выведенные через немагнитные сальники 8 корпуса 1.

Ротор 9 выполнен в виде диска из высокопрочного антикоррозионного магнитного материала, например, из стали ДИ48-ВД и напрессован по горячей посадке на вал 10 и зафиксирован шпонками (не показаны), которые входят при прессовке в канавки 11 диска ротора (фиг. 3 и 5). В cквозные окна диска ротора 9 запрессованы постоянные магниты 12 (фиг. 1, 3, 5), выполненные в виде трапецеидальных параллелепипедов, с выходящими разноименными полюсами в аксиальном направлении перпендикулярно плоскости индукторов. Количество магнитов 12 с разной поляpностью на одной стороне диска ротора 9 определяется числом полюсов машины. Диск ротора 9 с постоянными магнитами 12 после напрессовки на вал 10 закрепляется на валу 10 с помощью упора 13 и кольца 14 с резьбой.

На концах вала 10 насажены втулки-протекторы 15 из алюминиевого сплава, имеющие плотный электрический контакт с валом 10, и служат для защиты от контактной коррозии диска ротора 9 с магнитами 12 и подшипниковых узлов 16, металлокерамические вкладыши которых запрессованы в подшипниковые щиты 17.

Между валом 10 и пакетами 2 железа дисковых индукторов имеются зазоры 18 для прохождения охлаждающей забортной воды и для свободного вращения вала 10 ротора 9, а между активными сторонами 5 катушки обмоток 4 дисковых индукторов и плоскостями дисков ротора 9 с постоянными магнитами 12 имеются немагнитные рабочие зазоры 19, определяемые расчетом с учетом габаритов машины.

Торцевая электрическая машина работает следующим образом.

При погружении машины в морскую воду и включении в корабельную сеть машина запускается как асинхронный двигатель, набрав подсинхронную скорость, ротор втягивается в синхронизм и будет вращаться с синхронной скоростью n₁ с вращающимся магнитным полем индукторов, происходит электромагнитное сцепление полюсов N-S индукторов статора с полюсами S-N-дискового ротора.

При взаимодействии активных частей машины с морской водой, например электролитом, происходят электрохимические процессоры, при которых будет проявляться контактная коррозия указанных деталей. Алюминиево-магниево-цинковые втулки-протекторы на роторе и статоре будут нести анодное состояние, а остальные активные части катодное состояние и будет происходить расход материала анодов в виде продуктов коррозии, а остальные детали будут в исходном состоянии.

Охлаждение внутренних частей при работе машины происходит следующим образом.

Например, для левого подшипникового щита: морская вода через зазор между валом и подшипниковым щитом и через нижние отверстия на подшипниковом щите поступает во внутрь корпуса и проходит по зазору 18 и 19 по пазу обмотки 4 левого индуктора, омывает ротор и выходит по верхнему пазу обмотки 4 и зазору 18 через верхние отверстия правого подшипникового щита. Аналогичный процесс прохождения заборной морской воды и отбор тепла от обмотки и активных частей машины происходит и со стороны правого подшипникового щита.

Схематично прохождение охлаждающей заборной воды показано на фиг. 1.

Использование изобретения: относится к судовому электромашиностроению и позволяет применить машину в широких пределах для привода макро- и микромеханизмов, а также использовать ее в качестве источника питания в системах подводной автоматики и робототехники. Сущность изобретения: машина содержит корпус /1/, в котором находится два индуктора дискового типа /2/ с обмоткой /4/. Между индуктором расположен ротор /9/ в виде монолитного диска, в сквозные окна которого запрессованы постоянные магниты /12/ в виде трапецеидальных параллелепипедов. Ротор выполнен из высокопрочного антикоррозионного магнитного материала, а корпус из аналогичного немагнитного материала. 5 ил.

Торцевая электрическая машина, содержащая статор, ротор с валом и подшипниками, заключенными в корпус, предназначенный для заполнения морской водой, поступающей в него через отверстия в подшипниковых щитах, отличающаяся тем, что статор выполнен в виде двух индукторов дискового типа, вмонтированных в корпус по скользящей посадке с помощью шпонок и имеющих многофазные протяжные обмотки с активными сторонами катушек фаз, выходящими в аксиальном направлении к центру машины, в одном из индукторов катушки расположены с прямым следованием фаз, во втором с обратным и каждая катушка одного индуктора сдвинута в пространстве по отношению к аналогичной катушке второго индуктора на 180 эл. град. а ротор выполнен в виде монолитного диска, расположен между индукторами и жестко насажен на вал машины и зафиксирован шпонками, диск ротора имеет симметричные друг относительно друга сквозные окна, в которые запрессованы постоянные магниты по числу полюсов машины в виде трапецеидальных параллелепипедов с разноименными полюсами в аксиальном направлении, причем монолитный диск ротора выполнен из высокопрочного антикоррозионного магнитного материала, корпус машины выполнен из высокопрочного антикоррозионного немагнитного материала, а на валу ротора и в корпусе статора с обоих концов запрессованы кольца-протекторы из алюминиевого сплава.