ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК H02K1/06 

Изобретение относится к конструкции высокоскоростных электрических машин (6000-10000 тыс. об/мин) с вертикальным расположением вала ротора, например, для привода центрифуг, а точнее электрическим машинам с устранением осевой и радиальной нагрузки на подшипники и за счет этого повышения их предельной скорости вращения или долговечности (срока службы).

Известна электрическая машина, в которой для уменьшения вертикальной осевой нагрузки на подшипники при вертикальном расположении их, на валу и статоре установлен кольцевой магнит (электромагнит), который обеспечивает частную для радиально-упорных подшипников) от веса ротора за счет сил магнитного притяжения или отталкивания. Прототип (см. например, Постоянные магниты. Справочник. Под ред. Ю.М.Пятина. 2-к изд. перераб. и доп. М. Энергия, 1980, р. 2-7, с. 156-164, рис. 2-23, 2-24, Справочник Д.В.Дистанционные передачи, изд. 2-е, перераб. и доп. М. Л. Энергия, 1966, с. 437-462, р. 5-5, рис. 5-30 5-36).

Указанное устройство имеет ряд недостатков, заключающихся в том, что оно является самостоятельным дополнительным устройством, увеличивающим габариты и вес ротора и всей машины, требует нападки, настройки, ухода за механизмом, увеличивает момент сопротивления на высокой скорости вращения и потребляемую мощность, имеет высокие удельные показатели в связи с малой индукцией в зазоре (не выше 0,2-0,3 Тп).

Цель изобретения устранение указанных недостатков, обеспечение магнитного подвешивания вала ротора относительно статора и за счет этого устранения осевой и радиальной сил на подшипники от веса ротора без применения дополнительных устройств на валу двигателя путем использования тангенциальных (осевых) сил магнитного тяжения между статором и ротором двигателя.

Цель достигается тем, что на внутренней шихтованной части магнитопровода статора и наружной части ротора выполнены по одной или несколько одинаковых кольцевых канавок (пазов) прямоугольного сечения, размеры которых удовлетворяют следующим условиям:
t_z=(20-50) ˙ Z, где t_z шаг между пазами;
Z воздушный зазор в двигателе,
t_p h_z 0,6 ˙ t_z, где t_р ширина паза;
h_z высота паза;
N +1 где N число кольцевых пазов;
M_r масса ротора двигателя;
D_r диаметр ротора,
пазы ротора смещены вниз относительно пазов статора, причем величина смещения Н определяется как
H=(1/5-1/6) ˙ t_z.

На фиг. 1 двигатель (асинхронного типа) с разрезом; на фиг. 2 геометрические размеры пазов.

Электрическая машины состоит из корпуса 1, щитов 2 и 3, подшипников 4 и 5, на которых вращается вал 6 с шихтованным магнитопроводом ротора 7, имеющим короткозамкнутую обмотку 8. В корпусе 1 машины установлен шихтованный магнитопровод статора 9 с трехфазной обмоткой 10.

На наружной поверхности шихтованного ротора 7 и внутренней поверхности шихтованного статора 9 имеются одинаковые кольцевые канавки (пазы) прямоугольного сечения (на чертежах две). Эти кольцевые пазы образованы при сборке машины двумя технологическими приемами: установкой пакетов пластин из электротехнической стали той же толщины, что и весь магнитопровод, нестандартного размера с меньшим наружным диаметром для ротора и большим внутренним диаметром для статора; установкой прокладок-пластины стандартного размера и формы с толщиной, равной ширине паза t_p, из немагнитного материала, например гетинакса или текстолита.

Последнее предотвращает "распушение" пластин у краев пазов, вибрации на высоких скоростях, сохраняет геометрию пазов, снижает массу ротора и расход электротехнической стали.

Физический механизм работы такой зубцовой зоны следующий.

При работе машины и наличии поперечного магнитного потока в зазоре между зубцами возникает сила магнитного тяжения, направленная нормально вектору индукции в зазоре параллельно оси двигателя и величина которой зависит от индукции в зазоре или напряжения, площади и величины зазора Z, величины и направления смещения. Именно это свойство зубчатых систем с поперечным магнитным потоком используется для уравновешивания веса ротора и разгрузки подшипников от осевых и радиальных сил. Более подробно физика работы зубчатых систем описана, например, в книге Г.Штелтинг, А.Байссе. Электрические микромашины: Пер. с нем. М. Энергоатомиздат, 1991, с 211-213, р. 7.5.2 или вышеприведенной книге Свечарника Д.В.

Снятие осевых и радиальных сил на подшипник приводит к значительному увеличению их срока службы и надежности.

Предлагаемая конструкция машины не требует разработки новых технологических процессов, дополнительного расхода материалов, увеличения габаритов и веса машины, ухода в эксплуатации, расхода электроэнергии.

Использование: высокоскоростные электрические машины с вертикальным расположением вала. Сущность изобретения: на наружной поверхности ротора и внутренней поверхности статора магнитопровода выполнены несколько одинаковых кольцевых пазов прямоугольного сечения, причем кольцевые пазы ротора смещены вниз относительно пазов статора. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА с вертикальным расположением вала, содержащая статор и ротор, имеющие на обращенных одна к другой поверхностях магнитопроводов по меньшей мере по одному кольцевому пазу прямоугольного сечения, которые смещены друг относительно друга на более чем на одну четверть шага пазов, отличающаяся тем, что пазы ротора смещены вниз относительно пазов статора на величину
H ( 1/5 1/6) · t_z,
при этом размеры и число кольцевых пазов удовлетворяют следующим условиям:
t_z (20 50) · z,
t_p h_z 0,6 · t_z,
N M_р/(1,6 · D_р · t_z) + 1,
где t_z шаг между пазами;
z воздушный зазор в машине;
t_p ширина паза;
h_z высота паза;
N число пазов;
M_р масса ротора двигателя,
D_р диаметр ротора. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что, с целью снижения веса ротора, экономии электротехнической стали, предотвращения "распушения" пластин у края пазов, вибрации пазы образуются при сборке магнитопроводов установкой прокладкой-пластин из немагнитного материала стандартного размера и формы с толщиной, равной ширине паза t_р.