ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ВЕТОХИНА "ЭМВ Российский патент 1995 года по МПК H02K5/12 

Изобретение относится к судовой электротехнике, в частности к погружным электрическим машинам, которые применяются для привода различных механизмов глубоководных подводных обитаемых и необитаемых аппаратов (ГПА) на любой глубине погружения, например, для привода гребных винтов, активных рулей подруливающих устройств, различных насосов, находящихся за бортом ГПА, швартовных и якорных механизмов.

Известная электрическая машина содержит статор, двухслойный ротор, выполненный из пакета электротехнической стали, насажденный на вал. На пакет ротора напрессован массивный цилиндр из железомедного сплава, толщина которого определяется из соотношения магнитной проницаемости и электропроводности сплава. С торцов цилиндра приварены короткозамкнутые кольца из меди для замыкания тангенциальных составляющих токов ротора [1] Двухслойный ротор с цилиндром из железомедного сплава предназначен для параметрического регулирования частоты вращения ротора в узких пределах 2:1 с помощью регулирования подводимого к статору напряжения. Однако эта машина может быть использована только при работе на воздухе, а при работе в морской воде, являющейся в данном случае не только охладителем, но и химически активным электролитом с ионной электропроводностью. В этом случае будет происходить электрохимическая коррозия всех активных частей машины в недопустимых пределах, в том числе обмотка статора и подшипники за короткий срок выйдут из строя.

Известен также погружной асинхронный электродвигатель с гильзованным короткозамкнутым ротором, в котором для обеспечения защиты его активных частей от воздействия агрессивной жидкой среды он оснащен гильзой и торцевыми дисками из нержавеющей стали, а внутрь полых стержней обмотки ротора вставлены втулки из нержавеющей стали и сварена вся конструкция в герметичном исполнении [2] Недостатками этой машины при работе в морской воде являются: незащищенность пакета статора и корпуса от электрохимической коррозии (в данном случае от контактной коррозии); сложность конструкции машины; уменьшение КПДД из-за электрических потерь в гильзе.

Наиболее близким к предлагаемой машине является погружной электродвигатель, который содержит корпус, статор, ротор, верхний и нижний подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода пластовой пресной воды из скважины, вал, на который навешено циркуляционное рабочее колесо. Для обеспечения интенсивного охлаждения внутренней полости электродвигателя и исключения попадания в нее механических примесей в верхнем подшипниковом щите закреплена трубка, выходящая верхним концом в зону скважины выше насоса, а в нижнем подшипниковом щите имеется отверстие для выхода жидкости.

Основными недостатками выбранного устройства при работе в качестве приводов механизмов ГПА, работающих в морской воде, являются: машина выполняется только в вертикальном исполнении; при погружении в морскую воду все активные части электродвигателя (электротехническая сталь статора и ротора, корпус, подшипники, вал и т.д.) будут подвергаться контактной коррозии в недопустимых пределах, кроме того, обмотка статора выйдет из строя за короткое время и не обеспечит необходимого ресурса; имеют место дополнительные потери от высших гармоник полей в рабочем немагнитном зазоре из-за пазов статора и ротора. Кроме того, указанные поля высших гармоник будут вызывать дополнительные вибрации машины и ухудшать виброакустические характеристики, а также не обеспечивается регулирование скорости путем изменения по величине подводимого напряжения.

Задачей изобретения является расширение области применения ЭМВ (путем различного конструктивного исполнения вертикальное, горизонтальное, наклонное и т.д.), повышение надежности и энергетических показателей машины за счет исключения дополнительных потерь от высших гармоник магнитного поля, улучшения виброакустических характеристик, обеспечение возможности регулирования частоты вращения ротора за счет подбора химического состава порошков гильзы ротора, повышение пускового и максимального моментов увеличением активного сопротивления гильзы ротора, а также исключением контактной коррозии активных частей электродвигателя.

Задача решается тем, что в известной электрической машине, содержащей пакет статора с пазами, пакет ротора, вал, заключенные в корпус, отверстия для входа и выхода жидкости, пакет ротора выполнен шихтованным из электротехнической стали без пазов и обмотки и закрыт дисками по всей поверхности его торцов, имеющими через нажимные листы с шихтованным пакетом ротора электрический контакт и выполненными из металла или сплава с электродным потенциалом, расположенным в электрохимическом ряду ниже, чем электротехническая сталь, диски и пакет ротора напрессованы на вал и заключены внатяг в гильзу из высокоплотного композиционного порошкового материала на основе железа и меди, а места контакта нажимных листов, дисков и гильзы спаяны между собой, при этом диски с обоих свободных концов вала закреплены напрессованными внатяг кольцами из нержавеющей стали, пакет ротора с нажимными листами и дисками имеет ряд сквозных концентрично расположенных отверстий, связывающих ротор с внешней средой, в пазах пакета статора имеются магнитные клинья из материала гильзы, а в корпусе с обоих концов запрессованы втулки-протекторы из сплава алюминия.

В ЭМВ диски и пакет ротора могут быть выполнены с равными диаметрами, а длина гильзы равна сумме длин дисков и пакета ротора, или длины гильзы и пакета ротора одинаковыми, а диаметр диска равен сумме диаметра ротора и удвоенной толщины стенки гильзы.

В предлагаемом устройстве диски защищают торцовые поверхности пакета ротора от контакта с морской водой и наряду с этим выполняют функцию протекторов, т. е. обеспечивают электрохимическую защиту от контактной коррозии поверхности гильзы и поверхности расточки статора.

Кроме того, периферийные сечения дисков выполняют функцию токопровода, замыкая тангенциальные составляющие токов рабочей гильзы, которая заменяет короткозамкнутую обмотку ротора, в силу чего отпадает необходимость пазов и, в связи с этим не будут возникать высшие пазовые гармоники в кривой магнитного поля зазора, а также при определенном композиционном порошковом составе гильзы увеличивается ее активное сопротивление, которое увеличивает пусковой и максимальный вращающиеся моменты.

Для обеспечения жесткости конструкции ротора в целом диски крепятся внатяг с обеих свободных концов вала втулками из нержавеющей стали (материалом вала).

Так как после сборки пакета ротора, сварки (пайки) дисков, нажимных листов с гильзой внутри ротора могут оказаться воздушные зоны (пространства) и при больших глубинах погружения, т.е. при больших гидростатических давлениях столба воды может деформироваться ротор от этого давления из-за сжимаемости воздуха, следовательно, нарушится балансировка и симметричность ротора. Для уравновешивания гидростатического давления внутри ядра ротора с давлением столба морской воды при больших глубинах погружения служат сквозные отверстия в конструкции ротора, расположенные симметрично относительно оси машины, заполняющиеся морской окружающей водой при погружении электрической машины.

Применение магнитных клиньев из композиционных порошковых материалов (материал гильзы) позволяет увеличить эквивалентную магнитную проводимость рабочего зазора и уменьшить потоки рассеяния по пазам и зубцам статора, что приведет к значительному уменьшению по величине высших пазовых гармоник магнитного поля статора в рабочем зазоре машины.

На фиг.1 и фиг.2 представлены продольные разрезы вариантов машины с показом длин и диаметров пакета ротора, гильзы и дисков, их крепление, а также показаны отверстия в роторе и магнитные клинья в пазах статора.

Электрическая машина содержит корпус 1 статора из нержавеющей стали, в котором запрессован пакет сердечника 2 статора, скрепленный по торцам нажимными листами 3 из нержавеющей стали, в пазах пакета 2 статора уложена протяжная 3-фазная обмотка 4 из обмоточного провода с изоляцией из облученного сшитого полиэтилена, наложенного на медь и внешнего слоя из фторопласта, выполняющего функцию механической защиты изоляции. Статор имеет электрохимическую протекторную защиту пакета 2 в виде колец 5 из алюминиевого сплава, запрессованых по торцам в корпус 1. На вал 6, выполненный из высокопрочной антикоррозионной нержавеющей стали (например, из 40х13), насажен пакет сердечника ротора 7 без пазов и обмотки, скрепленный по торцам нажимными листками 8 из кадмиевой бронзы (МКд) и закрытого дисками 9 по всей поверхности торцов ротора 7, причем диски 9 напрессованы с натягом на вал 6 и изготовлены из сплава Al + Mg + Zn, или, например, из алюминие-магниевого сплава AMг 3М таким образом, что по всей площади имеют электрический контакт с пакетом сердечника ротора 7 через нажимные листы 8. Причем поверхность пакета сердечника ротора 7 с нажимными листами 8 обработана под горячую посадку гильзы 10 из композиционного порошкового материала на основе железа (Fe) и меди (Cu). Места стыковки дисков 9 и гильзы 10 паяются или свариваются в среде защитного газа, например аргона.

Для увеличения электропроводности узла стыковки 11 дисков 9 и гильзы 10 нажимные листы 8 пакета ротора, как указано выше, изготовляют из кадмиевой бронзы (MKg), имеющую высокую электропроводность, близкую к меди, и места стыковки с гильзой пропаиваются серебряным припоем ПСр10.

Для крепления дисков 9 по торцам ротора с обоих свободных концов вала 6 напрессованы внатяг кольца 12 из нержавеющей стали (материала вала 6 или корпуса 1).

Для связи внутренней конструкции ротора с внешней средой предусмотрен ряд концентрично расположенных сквозных отверстий 13, проходящих через диски 9, нажимные листы 8 и пакет сердечника ротора 7. Эти отверстия 13 расположены на одинаковом расстоянии от оси машины и сдвинуты на одинаковый угол. Диаметр их определяется конструктивно, в зависимости от габаритов ротора (количество отверстий 13 обычно равно 3, 6, 12). Магнитные клинья 14 в пазах пакета 2 статора выполнены из того же материала, что и гильза 10, и служат для сглаживания пульсаций магнитного поля в рабочем зазоре 15, обусловленные пазовостью статора.

Для более удачного сочетания рабочих, пусковых и виброакустических характеристик порошковый материал гильзы 10 подбирается с содержанием железа 79% меди 19,0% остальные легирующие композиционные порошковые материалы Mn, Al, Si, Ni, Cr и т.д. для подбора оптимальных электромагнитных свойств гильзы 10 с удельным электрическим сопротивлением ρ= (1-2)10^-7 Ом м и относительной магнитной проницаемостью μ_r 50-60, толщина гильзы 10 определяется расчетом. Химический состав дисков 9 алюминий + магний + цинк или другой металл, расположенный ниже в электрохимическом ряду, чем электротехническая сталь, подбирается таким образом, чтобы его удельное электрическое сопротивление было бы в 3-4 раза меньше, чем материал гильзы 10, а толщина диска 9 выбирается равной 0,05-0,10 от длины ротора. Такое соотношение электромагнитных свойств дисков 9 и гильзы 10 позволяют получить мягкую механическую характеристику электродвигателя, позволяющую регулировать частоту вращения ротора в сторону уменьшения в пределах 2:1 без преобразователя частоты, а путем изменения подводимого напряжения.

Диски 9, кроме функций токопровода, обеспечат протекторную защиту поверхности гильзы 10 и расточки пакета 2 статора в немагнитном рабочем зазоре 15, контактирующие с морской водой, являющейся кроме охладителя, также электролитом, указанные поверхности будут являться катодом, а диски 9 анодом и при электрохимическом взаимодействии активных частей электродвигателя будет происходить коррозия поверхности дисков 9, контактирующей с морской водой, а остальные материалы будут в исходном состоянии. Толщина дисков 9 0,05-0,10 длины ротора взята с учетом коррозии при вращении ротора.

Сборка конструкции производится следующим образом.

На вал 6 ротора напрессовывается пакет 7 сердечника ротора из листов электротехнической стали без пазов заданного диаметра и удерживается от проворачивания шпонкой (не показано). Для предотвращения распущения сердечника при напрессовке и увеличения электропроводности узла сварки 11 (гильзы и дисков) крайние торцовые нажимные листы пакета выполнены из кадмиевой бронзы толщиной 3-5 мм.

После сборки пакета 7 сердечника ротора его наружная поверхность обрабатывается до размеров, необходимых под горячую посадку гильзы 10 из высокоплотного порошкового материала. После этого разогревают гильзу 10 до 300-350^оС и напрессовывают на пакет 7 с нажимными листами 8. Места стыковки нажимных листов 8 и гильзы 10 пропаиваются серебряным припоем ПСр10. После чего с торцов ротора на вал 6 напрессовывают внатяг алюминиево-магниевые диски 10 с расчетной толщиной и диаметром в соответствии с выбранной схемой (фиг. 1 или фиг. 2), а также напрессовывают на свободные концы вала 6 крепежные кольца 12 дисков 9 при нагретом роторе. Места стыковки дисков 9 и рабочей гильзы 10 проваривают выбранным электродом в среде защитного газа, например аргона, затем просверливаются концентрические отверстия 13 в теле ротора. После сборки ротора производится шлифовка всех его поверхностей и комплектование.

Сборка и шлифовка пакета статора производится по технологии, аналогичной технологии ротора. Далее производится комплектование всех активных частей двигателя в единую конструкцию без обмотки, производится центровка и балансировка.

По окончании этих работ укладывают протяжную 3-фазную (многофазную) обмотку в пазы статора из вышеуказанного обмоточного провода.

Использование изобретения: относится к корабельной электротехнике. Сущность изобретения: электрическая машина содержит корпус 1 статора, в котором запрессован пакет 2 сердечника, скрепленный по торцам нажимными листами 3. В пазах пакета 2 статора уложена протяжная трехфазная обмотка 4 из обмоточного провода с изоляцией. На вал 6 насажен пакет сердечника ротора 7 без пазов и обмотки, скрепленный по торцам нажимными листами 8 и закрытого дисками 9 по всей поверхности торцов ротора 7. Диски 9 напрессованы с натягом на вал 6 и по всей площади имеют электрический контакт с пакетом сердечника ротора 7 через нажимные листы 8. Диски 9 и гильза 10 образуют сваренный узел стыковки 11. Для крепления дисков 9 по торцам ротора с обоих свободных концов вала 6 напрессованы внатяг кольца 12. Отверстия 13 проходят через диски 9, нажимные листы 8 и пакет сердечника ротора 7. Магнитные клинья 14 в пазах пакета 2 статора служат для сглаживания пульсаций магнитного поля в рабочем зазоре 15. Корпус, подшипниковые щиты, вал, крепежные кольца выполнены из антикоррозионной высокопрочной стали. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрическая машина, содержащая пакет статора с пазами, пакет ротора, вал, заключенные в корпус, отверстия для входа и выхода жидкости, отличающаяся тем, что пакет ротора выполнен шихтованным из электротехнической стали без пазов и обмотки и закрыт дисками по всей поверхности его торцов, имеющими через нажимные листы с шихтованным пакетом ротора электрический контакт и выполненными из металла или сплава с электродным потенциалом, расположенным в электрохимическом ряду ниже, чем электротехническая сталь, диски и пакет ротора напрессованы на вал и заключены внатяг в гильзу из высокоплотного композиционного порошкового материала на основе железа и меди, а места контакта нажимных листов, дисков и гильзы спаяны между собой, при этом диски с обоих свободных концов вала закреплены напрессованными внатяг кольцами из нержавеющей стали, пакет ротора с нажимными листами и дисками имеет ряд сквозных концентричных отверстий, связывающих ротор с внешней средой, в пазах пакета статора имеются магнитные клинья из материала гильзы, а в корпусе с обоих концов запрессованы втулки-протекторы из сплава алюминия. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что диски и пакет имеют равные диаметры, а длина гильзы равна сумме длин дисков и пакета ротора. 3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что длины гильзы и пакета ротора одинакова, а диаметр диска равен сумме диаметра ротора и удвоенной толщины стенки гильзы.