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, работающим в морской воде на любой глубине и которые могут быть выполнены в микро- и макроисполнении для малых и средних мощностей. Торцевые машины в микроисполнении применяют для привода подводных механизмов автоматики и робототехники. Торцевые машины малой и средней мощностей применяются для приводов гребных винтов, насосов и т. д. глубоководных подводных аппаратов (ГПА).

Известная электрическая машина содержит статор, двухслойный ротор, выполненный из пакета электротехнической стали, на который напрессован массивный цилиндр из железномедного сплава, толщина которого определяется из соотношения магнитной проницаемости и электропроводности сплава. С торцов цилиндра приварены короткозамкнутые кольца из меди. В этой машине можно выполнять массивный ротор вместе с валом, а на поверхность ротора напрессовывается массивный цилиндр из железомедного сплава для улучшения пусковых характеристик [1] Однако эта машина может быть использована только при работе на воздухе и не может быть использована при работе в морской воде, являющейся охладителем активных частей машины, а также электролитом, т. к. в этом случае происходит электрохимическая коррозия активных частей машины в недопустимых пределах, кроме того, подшипники и обмотка за короткий срок выйдут из строя.

Наиболее близкой к предлагаемой является погружная 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 насажен насос, который через нижние отверстия в корпусе прогоняет охлаждающую жидкость по зазору между ротором и статором, а также через верхнее отверстие в корпус насосной установки и подает эту жидкость потребителю. Данная насосная установка применяется в скважинах для перекачки пресных вод [2]
Основным недостатком прототипа является то, что при погружении устройства в морскую воду, которая в данном случае является не только охладителем, но и электролитом с ионной электропроводностью, находящимся в движении от вращения ротора, на ее внутренних активных частях будет происходить электрохимическая контактная коррозия при контакте различных металлов между собой, входящих в конструкцию устройства (электротехнические стали статора и ротора, 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 и величина зазора может достигнуть за короткий срок критического состояния и не обеспечить требуемого ресурса работы электрической машины и требуемых энергетических характеристик.

Кроме того, одним из основных недостатков прототипа является то, что эта машина не может быть выполнена в микроисполнении и имеет повышенный вес и габариты.

Задачей изобретения является следующее: за счет каскадного набора дисковых индукторов в общий корпус машины увеличение мощности при тех же габаритах или уменьшение массы и габаритов машины при сохранении мощности: унификация машины, т. е. в зависимости от количества выбранных дисковых индукторов обеспечение возможности использования торцевой электрической машины одновременно для большого количества заборных механизмов ГПА; улучшение пусковых характеристик ТЭМВ за счет подбора состава магнитоэлектропроводящего материала дисков ротора.

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 корпуса, корпус машины состоит из нескольких одинаковых секций, жестко скрепленных между собой, и имеющих концентрично расположенные отверстия по окружности их поверхности для входа и выхода охлаждающей морской воды, в каждую секцию вмонтирован дисковый индуктор переменного тока с многофазной обмоткой, активные части катушек которой с обоих сторон закрыты составным экраном из ферромагнитного материала, закрепленным вместе с индуктором в свой корпус, каждая часть составного экрана со стороны активных сторон катушек имеет два ряда концентрично расположенных отверстий около вала машины и на периферии, отверстия одной стороны экрана служат для входа охлаждающей морской воды, второй стороны для выхода воды, а ротор состоит из ряда монолитных дисков, выполненных из высокопрочного магнитоэлектропроводящего сплава, напрессованных на вал и охватывающих индукторы с обеих сторон, причем количество индукторов, расположенных на расстоянии рабочего немагнитного зазора между дисками ротора, на один меньше, чем дисков ротора, а на валу ротора и в корпусе статора с обеих 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:
разрезной корпус машины на секции, в которые вмонтированы дисковые индукторы с экранами из ферромагнитного материала;
ротор выполнен в виде монолитных дисков из магнитоэлектропроводящего материала, охватывающих дисковые индукторы с обеих сторон;
каскадный набор секций корпуса с индукторами и дисками ротора.

Разрезной корпус машины на секции, в которые вмонтированы дисковые индукторы, закрытые составным защитным экраном из ферромагнитного материала, позволяет поддерживать и регулировать немагнитный рабочий зазор между дисками ротора и индукторами, а, следовательно, и энергетические характеристики машины.

В свою очередь каскадное соединение секций в общий корпус машины позволяет увеличить суммарную мощность машины, не увеличивая при этом общий габарит по сравнению с известными машинами (например асинхронными с короткозамкнутым ротором), или позволяет уменьшить массогабаритные показатели при сохранении той же мощности, что и у известных машин.

Монолитные диски ротора из магнитоэлектропроводящего материала, охватывающие индукторы с обеих сторон на расстоянии рабочего зазора, позволяют использовать обе активные стороны катушек фаз индукторов для полезной работы, что дает в результате повышение КПД и в целом улучшение энергетических характеристик машины.

Выбранный магнитоэлектропроводящий материал дисков ротора с электропроводностью в 4-5 раз меньше, чем электротехническая медь, и магнитной проницаемостью в 7-10 раз меньше, чем электротехническая сталь обеспечивает при низких частотах тока в роторе увеличение активного сопротивления ротора, что позволяет двигателю развивать достаточно высокий пусковой момент. При номинальной частоте вращения толщина диска находится в пределах 10-20 мм, практически толщины дисков ротора с учетом механической прочности будут составлять 20-40 мм.

Кроме того, указанные свойства материалов дисков ротора дают возможность регулировать частоту вращения ротора (параметрическое регулирование) в соотношении 2: 1 при измененном моменте на валу двигателя с помощью подводимого напряжения.

Система отверстий для входа и выхода воды, расположенная на цилиндрической поверхности корпуса, а также система отверстий в составном защитном экране с обеих сторон для входа и выхода воды позволяют интенсивно отбирать тепло со всех внутренних частей собранной машины, что дает дополнительное улучшение энергетических характеристик машины, в том числе увеличение КПД.

Таким образом, новая совокупность признаков обеспечивает расширение диапазона применения ТЭМВ, а также повышение ее надежности, уменьшение веса и габаритов.

На фиг. 1 представлен продольный разрез торцевой электрической машины; на фиг. 2 отштампованный лист индуктора из электротехнической стали с отверстиями для входа и выхода начала и концов катушек индуктора; на фиг. 3 отштампованный лист пакета индуктора с окнами для укладки активных сторон катушек индуктора; на фиг. 4 одна часть составного защитного экрана из ферромагнитного материала с отверстиями для входа (выхода) охлаждающей морской воды.

Торцевая электрическая машина в конкретном примере исполнения содержит разрезной корпус, состоящий из набора секций 1 (в данном примере две секции), выполненных из высокопрочной антикоррозионной стали, в каждую секцию 1 корпуса вмонтирован индуктор 2, который состоит из пакета листов, отштампованных из электротехнической стали в форме дисков 3 (фиг. 2, фиг. 3). Центральные листы дисков 3 имеют цилиндрические отверстия 4 у вала и на периферии 5 (фиг. 2), выполняющие функции пазов и предназначены для прохода начала и концов катушек фаз протяжной многофазной обмотки 6 (фиг. 1), выполненной из обмоточного провода с полимерной изоляцией, например из облученного полиэтилена и фторопласта. Крайние листы дисков 3 (фиг. 3) имеют сквозные окна 7 для укладки активных сторон катушек фаз обмотки 6, толщина набора этих листов дисков в пакете с обеих сторон индуктора равняется толщине стороны катушки фазы.

Индуктор 2 помещается в составной защитный экран 8, состоящий из двух симметричных полуэкранов (фиг. 1, фиг. 4), выполненных из ферромагнитного материала (магнитной стали, любой), каждая часть полуэкрана с торца имеет плотный механический контакт с пакетом железа индуктора 2 и выполняющий функции механической защиты активных частей катушек обмотки 6, а также служит магнитопроводом индуктора 2 для прохода основного магнитного потока к ротору и для сглаживания пазовых пульсаций магнитного поля. Каждый полуэкран 8 имеет два ряда концентрично расположенных отверстий, один из них 9 у вала, второй 10 на периферии и находящихся у выходов катушек обмотки 6 из пакета сердечника индуктора 2 через отверстия (пазы) 4 и 5. Отверстия 9, 10 одного полуэкрана 8 служат для входа морской воды на охлаждение обмотки, отверстия 9, 10, второго полуэкрана для выхода нагретой морской воды.

Каждый индуктор 2 с обмоткой 6 и составным защитным экраном 8 вмонтирован в свою секцию 1 корпуса, каждая секция 1 имеет концентрично расположенные отверстия по окружности поверхности для входа охлаждающей морской воды 11 и для выхода нагретой воды 12. Секции 1 скрепляются жестко между собой, в данном примере скрепление произведено с помощью замков 13 и болтовых соединений (фиг. 1).

Ротор состоит из ряда монолитных дисков 14, выполненных из высокопрочного магнитоэлектропроводящего сплава, например из железомедных сплавов марки СМ190 СМ20, СМ25 и др. содержащие чистого железа от 70% до 80% и меди от 20 и 30% с добавлением легирующих элементов Mn, Si, Ni, Cr и магнетида, последняя цифра марки сплава указывает на процент содержания в сплаве меди. Диски 14 охватывают индукторы 2 с обеих сторон и напрессовываются на вал 15 по горячей посадке и фиксируются с помощью упоров 16 на валу 15 и колец 17. Между дисками ротора 14 и индуктором 2 имеется немагнитный рабочий зазор 18, который определяется расчетом в зависимости от мощности торцевой машины. Между внутренней цилиндрической поверхностью составного защитного экрана 8 и валом 15 имеется зазор 19 для свободного вращения вала и прохода охлаждающей морской воды.

Для приостановления контактной коррозии активных частей ротора в морской воде, как электролита, на концах вала имеются втулки-протекторы 20 из алюминиевого магниевого сплава, а для приостановления контактной коррозии активных частей индукторов 2 на концах машины в корпусе крайних секций индукторов запрессованы кольца-протекторы 21 из того же сплава.

На концах шеек вала 15 имеются отшлифованные подвижные втулки из высокопрочной термообработанной антикорро- зионной стали (например, ДИИ8-ВД) с опорными и упорными поверхностями подшипника скольжения 22. Подвижные металлокерамические втулки подшипника 22 запрессованы в подшипниковые щиты 23, имеющие свободный зазор 24 относительно вала 15 ротора и ряд концентрично распложенных отверстий 25 у подшипника для входа охлаждающей забортной морской воды (фиг. 1), подшипниковые щиты крепятся к торцам крайних секций 1 с помощью замков по скользящей посадке и болтовых соединений 26.

Сборка конструкции ТЭМВ производится следующим образом.

В изготовленные секции 1 корпуса (количество секций определяется расчетом) монтируются индукторы 2 без обмотки, подгоняются стыковочные замки секций 13 и замки подшипниковых щитов 26 и производится промежуточная полная сборка статора с индукторами без обмотки, при этом все токарно-механические работы должны быть произведены на статоре, в том числе в подшипниковые щиты запрессовываются металлокерамические вкладыши и шлифуются опорные и упорные поверхности до 5-7 класса чистоты. Затем производят необходимую маркировку деталей и разбирают корпус и демонтируют индукторы для укладки обмотки. Укладывают обмотку 6 индукторов 2 челночным методом, каждая фаза которых наматывается из целого куска обмоточного провода с полимерной изоляцией, затем намотанные индукторы 2 монтируют и защитные составные экраны 8 и одновременно подготавливают к сборке диски ротора 14, вал ротора 15, втулки-протекторы 20, подвижные втулки подшипников 22 с отшлифованными до 10 класса чистоты опорными и упорными поверхностями, после чего производят окончательную сборку машины поочередно каждую секцию 1, в нашем примере, фиг. 1 (слева-направо).

В секцию 1 монтируют индуктор 2 с обмоткой 6 и закрепляют его с помощью шпонки, запрессовывают с торца кольцо-протектор 21. Одновременно со стороны левого конца вала 15 монтируют центральный диск 14 ротора по горячей посадке (нагревают предварительно на 300-400^оС) до упора 16 и механически фиксируют с помощью шпонки и кольца 17, затем вставляют вал с диском в секцию 1 с индуктором 2. Затем на левый конец вала монтируют второй диск 14 ротора по горячей посадке и закрепляют шпонкой, после чего напрессовывают втулку-протектор 20 вплотную к диску 14 ротора и на шейку вала 15 напрессовывают подвижную втулку подшипника 22, выдержав необходимый рабочий зазор 18 между диском ротора и экраном 8 индуктора 2. Собирают секцию 1 и вал 15 с подшипниковым щитом 23, при этом устанавливают требуемый рабочий зазор скользящей пары подшипника 22 методом шлифовки вкладыша.

Сборка второй секции 1 корпуса с индуктором 2, третьего диска 14 подшипникового узла 22 с подшипниковым щитом производится аналогично с вышеописанным. После сборки последней секции производят их жесткое крепление между собой с помощью замков и болтового соединения 13. При сборке необходимо соблюдать и выдерживать рабочие зазоры 18 между экранами 8 индукторов 2 и дисками 14 ротора.

При большем количестве секции 1 индукторов 2, а соответственно и дисков 14 ротора, которых на один больше, чем дисковых индукторов 2, сборка машины в целом производится по вышеописанным поочередным операциям. Закрепление индукторов 2 в секции 1 корпуса, а также дисков 14 ротора к валу в каждом конкретном случае решается конструктивно с тем, чтобы они были жестко закреплены и зафиксированы механически во избежание разворота их в пространстве во время работы машины.

Предлагаемая торцевая электрическая машина (ТЭМВ), состоящая из набора секций с индукторами и дисками ротора, представляет собой унифицированную электрическую машину, которая с помощью набора секций одних и тех же габаритов позволяет создать различные мощности. Например, применяя эти машины в качестве приводов забортных механизмов экскурсионных подводных лодок, которые строятся небольшого водоизмещения и малой пассажировместимостью (до 50 человек), можно обеспечить работу гребных винтов, различных насосов для охлаждения механизмов внутри лодки, механизмов быта и т. д.

Кроме того, данное конструктивное свойство ТЭМВ дает возможность применять машину в качестве приводов различных механизмов роботов и небольших размеров подводных глубоководных необитаемых аппаратов, предназначенных для исследования морского дна и различных подводных объектов, а также применять в качестве микродвигателей навигационных забортных систем.

Использование изобретения: относится к погружным корабельным электрическим машинам и обеспечивает расширение диапазона применения, уменьшения веса и габаритов при сохранении мощности. Сущность изобретения: машина состоит из набора секций /1/ корпуса с отверстиями /11 и 12/ для входа и выхода охлаждающей морской воды. В секции 1 вмонтированы дисковые индукторы /2/ переменного тока. Ротор содержит вал 15, на который напрессованы монолитные диски /14/ из магнитоэлектропроводящего материала. Диски /14/ охватывают активные стороны /6/ катушек индуктора /2/ с обеих сторон. Таким образом, каскадный набор дисковых индукторов /2/ и дисков /14/ ротора унифицирует машину по мощности. 4 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 корпуса, отличающаяся тем, что корпус машины состоит из нескольких одинаковых секций, жестко скрепленных между собой и имеющих концентрично расположенные отверстия по окружности их поверхностей для входа и выхода охлаждающей морской воды, в каждую секцию вмонтирован дисковый индуктор переменного тока с многофазной обмоткой, активные части катушек которой с обеих сторон закрыты составным экраном из ферромагнитного материала, закрепленным вместе с индуктором в свой корпус, каждая часть составного экрана со стороны активных сторон катушек имеет два ряда концентрично расположенных отверстий около вала машины и на периферии, отверстия одной стороны экрана служат для входа охлаждающей морской воды, второй стороны для выхода воды, а ротор состоит из ряда монолитных дисков, выполненных из высокопрочного магнитоэлектропроводящего сплава, напрессованных на вал и охватывающих индукторы с обеих сторон, причем количество индукторов, расположенных на расстоянии рабочего немагнитного зазора между дисками ротора, на один меньше, чем дисков ротора, а на валу ротора и в корпусе статора с обоих концов запрессованы кольца-протекторы из алюминиевого сплава.