ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ВЕТОХИНА "ЭМВ" Российский патент 1996 года по МПК H02K5/12 H02K9/00 

Изобретение относится к области судовой электротехники, в частности, к погружным электрическим машинам, которые применяются для приводов различных насосов заборных гидравлических систем глубоководных подводных обитаемых и необитаемых аппаратов (ГПА) на любой глубине мирового океана.

Известен комбинированный электродвигатель гребной винт фирм АЕС - Telefunken и Jastrom, в котором совмещены винт (гребной) и синхронный электродвигатель с постоянными магнитами на роторе. 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 (см. комбинированный электродвигатель гребной винт Судостроение за рубежом N 8, 1987, стр. 63).

Однако электродвигатель гребной винт фирма АЕС Tektfunken может быть использован только в качестве привода главных гребных винтов ГПА, и по своей конструкции эта машина не может быть выполнена в насосном варианте. Кроме того, при разгерметизации произойдет утечка масла из полости статора, и электродвигатель выйдет из строя.

Из известных электрических машин наиболее близкой к заявляемой, выбранной заявителем за прототип, является "Электрическая машина Ветохина ЭМВ" (см. патент N 1813228, БИ N 16, 1993 г.). ЭМВ содержит статор, ротор с валом, установленным в подшипниках и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода морской воды, между валом и подшипниковыми щитами имеются зазоры, статор и ротор имеют протекторную защиту из сплава алюминия.

Данная машина обеспечивает надежную длительную работу в качестве привода любого подводного механизма, находящегося на неограниченной глубине погружения в морской воде, которая является охладителем внутренних активных частей электродвигателя, в том числе обмотки статора и подшипников.

Однако указанная ЭМВ имеет короткозамкнутый (КЗ) ротор с "беличьей клеткой" и предназначенная для привода только навесного насоса, который механически соединяется с валом машин. Выполнить к.з. ротор в виде насоса конструктивно затруднительно. В связи с чем ЭМВ с насосом имеют повышенные массогабаритные характеристики и пониженную надежность за счет спаривания насоса с ЭМВ.

Кроме того, балансировка ротора осуществляется общепринятым методом с помощью дисков, навешенных с торцов на свободные концы вала, в которые в пазы и отверстия укрепляются дополнительные грузы со стороны уменьшенной плотности массы ротора. Однако при погружении в морскую воду эти диски будут представлять несимметричные насосные колеса, в качестве насосных лопастей будут выступающие грузы дисков, которые сцепляются с вязкой морской или окружающей жидкостью и создающие дополнительные вибрации и гидрошумы, ухудшающие виброакустику (ВАХ). Поэтому отбалансировать ротор с большой эффективностью и точностью с помощью этих дисков затруднительно.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т. е. уменьшение массогабаритных характеристик, повышение надежности и пусковых характеристик, а также улучшения виброакустических характеристик (ВАХ) машины.

Задача решается тем, что в известной электрической машине, содержащей статор, ротор с валом, заключенными в корпус, подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода морской воды, статор и ротор имеют протекторную защиту из сплава алюминия, к подшипниковым щитам статора прикреплены полусферические кожухи с цилиндрическими патрубками и фланцами для крепления в гидравлическую систему, и подшипниковые щиты в области торцевых поверхностей ротора имеют окна, расположенные симметрично друг относительно друга и оси машины, на вал ротора напрессованы "n" насосных колес с радиальными лопатками некругового сечения (где n ≥ 1), расположенных под углом относительно осей ступиц колес, а на свободные концы вала установлены балансировочные эксцентричные втулки или диски из материала вала с радиальной плоскостью сечения в виде эллипса со смещением его центра относительно оси машины в сторону уменьшенной плотности массы ротора. При этом на концы лопаток насосных колес напрессована цилиндрическая гильза из магнитоэлектропроводящего материала и внутрь гильзы с ее торцов встык в лопатками крайних насосных колес укреплены протекторные кольца из алюминиевомагниевого сплава.

Новизна состоит в следующем: в предлагаемой конструкции насос и электрическая машина объединены в единую конструкцию, в которой роль насоса выполняет ротор, состоящий из напрессованных на вал насосных колес с радиальными лопатками, охваченных цилиндрической гильзой из магнитоэлектропроводящего материала, которая выполняет наряду с механическими функциями также роль обмотки ротора. Для создания насосного эффекта корпус статора имеет полусферические кожухи с цилиндрическим патрубками и фланцами для крепления в гидравлическую систему. Для балансировки ротора применены эксцентричные втулки или диски с радиальной плоскостью сечения в виде эллипса.

Соединение насосных колес с радиальными лопатками с гильзой из магнитоэлектропроводящего материала в единый узел ротора позволяет уменьшить вес и габариты насосного агрегата по сравнению с раздельным исполнением электродвигателя и насоса, а, следовательно, повысить его надежность, применение балансировочных эксцентричных втулок или дисков позволит качественно улучшить виброакустические характеристики машины.

В процессе эксплуатации, когда двигатель длительное время не работал, внутри полости корпуса накапливается значительное количество ила, песка и различных микроорганизмов, которые создают дополнительное механическое торможение ротора.

В данном случае требуется повышенный пусковый момент, который будет обеспечен гильзой ротора из магнитоэлектропpоводящего материала, активное сопротивление которой при пуске достаточно велико при скольжении ротора, равного единице (S 1).

Полусферические кожухи с патрубками и фланцами позволяют при погружении ЭМВ в морскую воду создавать вакуум внутри агрегата и насосный режим. Один фланец имеет непосредственный контакт с морской забортной водой и служит для всасывания воды, который закрывается сеткой от попадания крупных инородных предметов, второй фланец служит для подачи забортной воды в гидравлическую систему, к которой он монтируется.

Установленные кольца протекторы внутри гильзы встык к крайним лопаткам колес полностью исключают контактную коррозию лопаток и всей конструкции ротора, в том числе подшипников.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить массогабаритные характеристики ЭМВ, повысить пусковые виброакустические характеристики машины, срок службы, ресурс и надежность агрегата в целом при использовании ее в качестве насосов забортных гидравлических систем ГПА.

Изобретение поясняется чертежами, в которых
на фиг. 1 показан продольный разрез машины,
на фиг. 2 вид машины с торца,
на фиг. 3 поперечный разрез ротора с насосом,
на фиг. 4 подшипниковый щит, вид с торца,
на фиг. 5 продольный разрез эксцентричной балансировочной втулки с концом вала,
на фиг. 6 поперечный разрез фиг. 5,
на фиг. 7 показан голограф центробежных сил разбалансированного ротора при его вращении,
на фиг. 8 годограф центробежных сил эксцентричной балансировочной втулки,
на фиг. 9 результирующий годограф центробежных сил отбалансированного ротора.

Согласно изобретению (фиг. 1) электрическая машина (ЭМВ) содержит корпус 1 статора, в котором запрессован пакет 2 сердечника статора, скрепленный по торцам нажимными листами 3 на нержавеющей стали, в пазах пакета 2 сердечника уложена протяжная трехфазная обмотка 4 из обмоточного провода с двухслойной изоляцией из облученного сшитого полиэтилена и второпласта. Статор имеет протекторную защиту пакета 2 сердечника в виде колец 5 из алюминиевомагниевого сплава, например, марки АМГ-3М, запрессованных по торцам в корпус 1.

Толщина сечения колец протекторов должна быть не менее 8-10 мм, а их ширина в осевом направлении должна находиться в пределах 0,05-0,1, длины пакета 2 сердечника статора. К корпусу 1 статора крепятся по скользящей посадке с помощью замков подшипниковые щиты 6 (фиг. 1, 2, 4), которые имеют окна 7 для входа перекачиваемой жидкости и окна 8 для ее выхода. К подшипниковому щиту 6 укреплены с помощью болтовых соединений полусферические кожухи 9 в области торцевых поверхностей ротора. Кожухи 9 имеют цилиндрические патрубки с фланцами 10 для крепления ЭМВ в гидравлическую систему. Полусферические кожухи 9 и патрубки с фланцами 10 служат для создания вакуума внутри ЭМВ и обеспечения насосного эффекта.

Ротор содержит вал 11, на котором через шпонки (на чертеже не показаны) закреплен ряд (к примеру 3) насосных колес 12 с радиальными лопатками 13 прямоугольного сечения. Ступицы колес 12 прижаты друг к другу и механически зафиксированы кольцами 14 с резьбой (фиг. 1, 3). Лопатки 13 расположены под углом β к осям ступиц колес 12.

На концы радиальных лопаток 13 насосных колес 12 напрессована цилиндрическая гильза 15 из магнитоэлектропроводящего материала, по торцам которой приварены короткозамкнутые кольца 16 из высокоэлектропроводного материала, из красной меди, бронзы или латуни для замыкания тангенциальных составляющих токов ротора, функции обмотки которого выполняет указанная гильза 15.

Для исключения контактной коррозии гильзы 15, насосных колес 12 и всей конструкции ротора внутрь гильзы 15 с ее торцов запрессованы кольца-протекторы 17 из алюминиевомагниевого сплава АМГ-3М, выполняющего функции анода. Геометрические размеры колец определяются аналогично как и для статора.

В подшипниковые щиты 6 запрессованы металлокерамические вкладыши 18 подшипников скольжения, а на вал 11 напрессованы подвижные втулки 19 из высокопрочной антикоррозионной термообработанной стали (например, из стали ДИ48-ВД) с опорными и упорными поверхностями скольжения высокой чистоты обработки (до 10 класса).

На свободные концы вала 11 ротора установлены эксцентричные втулки 20 с радиальным сечением в виде эллипса.

Качество балансировки ротора достигается путем смещения втулки 20 в радиальном направлении в сторону уменьшенной массы ротора. Величина смещения определяется расчетным или опытным путем.

Устранение дебаланса ротора ЭМВ поясняется чертежами фиг. 5 фиг. 9. Допустим, что имеется дебаланс ротора из-за повышенной плотности массы в его нижней части. При вращении ротора без втулок 20 радиальное распределение центробежных сил (F_рот.) будет определяться огибающей в виде вытянутой окружности (эллипса), фиг. 7, для неравномерность распределения центробежных сил будет вызывать вибрацию машины. Для устранения дебаланса ротора устанавливают свободные концы вала 11 эксцентричные втулки 20 (фиг. 5, фиг. 6). При вращении вала 11 с втулками 20 без ротора радиальное распределение центробежных сил (F_вт) втулок 11 будет определяться огибающей в виде вытянутой окружности (эллипса) со смещением в сторону повышенной массы втулки 20 (увеличение толщины стенки). По принципу супперпозиций или сложения векторов получится результирующий годограф центробежных сил, огибающая которых будет в виде окружности, центр которой совпадает с центром радиального сечения ротора, фиг. 9. Так как длина векторов в окружности по всем направлениям одинакова, то вибрация от дебаланса ротора будет отсутствовать. (Длина векторов фиг. 7 и фиг. 8 взята произвольно для пояснения).

Между валом 11 и подшипниковыми щитами 6 имеются свободные зазоры 21 для входа морской воды на скользящие пары подшипников для охлаждения и смазки. Между пакетом 2 железа статора и гильзой 15 ротора имеется рабочий немагнитный зазор 22, который определяется расчетом. В конструкции корпус 1, подшипниковые щиты 6, полусферические кожухи 9 с фланцами 10, насосные колеса 13 концентричные втулки 20 изготавливаются из антикоррозионной нержавеющей стали марки 15Х13. Вал ротора 11 и кольца 14 изготавливаются из термообработанной антикоррозионной нержавеющей стали марки 40Х13.

Сборка конструкции ЭМВ производится следующим образом.

В изготовленный корпус 1 запрессовывают пакет сердечника статора 2 и кольца протекторы 5. Одновременно на изготовленный вал 11 с помощью шпонок закрепляют ряд насосных колес (в данном примере 3) с радиальными лопатками 13 и с торцов эти колеса зажимаются и механически фиксируются резьбовыми кольцами 14, после чего на концы лопаток 13 напрессовывают горячую гильзу 15 из магнитоэлектропроводящего материала и с торцов внутрь гильзы 15 вставляют кольца-протекторы 17, а к торцам гильзы приваривают короткозамкнутые кольца 16, на свободные концы вала 11 закрепляют балансировочные втулки 20 с помощью шпонок или самотормозящихся резьб (на чертежах не показано).

Далее производят промежуточную сборку машины без обмотки статора 4 и полусферических кожухов 9, проверяют механическое вращение вала 11 ротора, маркируют необходимые детали машины и разбивают ее для укладки 3-фазной протяжной обмотки 4 статора из обмоточного провода с полимерной изоляцией. После укладки обмотки 4 производят внутримашинное соединение "Звезда" и подключают питающий кабель, затем производят окончательную сборку электрической машины, укрепляя при этом с торцов на подшипниковых щитах полусферические кожухи 9 с патрубками и фланцами 10.

Работа ЭМВ осуществляется следующим образом.

При погружении ГПА в морскую воду полость ЭМВ заполняется морской водой через входной фланец 9 и при вращении ротора лопатками 13 насосных колес 12 морская вода выталкивается от центробежных сил и сил сцепления в осевом направлении и подается в гидравлическую систему, например, для охлаждения ядерного реактора. Параллельно вода проходит через пазы обмотки 4, немагнитный рабочий зазор 22 между гильзой и пакетом статора и через скользящие пары подшипников скольжения по зазору 21 (вкладыши 18 и втулки 19), обеспечивая охлаждение всех активных частей электродвигателя. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8

Изобретение относится к области судовой электротехники, в частности, к погружным электрическим машинам, которые применяются для приводов различных насосов заборных гидравлических систем глубоководных подводных аппаратов.

Изобретение позволяет уменьшить массогабаритные характеристики ЭМВ, повысить пусковые характеристики, срок службы, ресурс и надежность машин.

ЭМВ содержит корпус 1 статора, в котором запрессован пакет 2 сердечника, в пазах которого уложена протяжная трехфазная обмотка 4. Статор имеет протекторную защиту пакета 2 в виде колец 5 из алюминиевомагниевого сплава. К корпусу 1 прикреплены подшипниковые щиты 6 с окнами 7. Для крепления щитов 6 в гидравлическую систему имеются кожухи 9 с фланцами 10. На вал ротора 11 насажен ряд насосных колес 12 с радиальными лопатками 13 некругового сечения, на концы которых напрессована гильза 15. Ротор имеет протекторную защиту 17 для исключения контактной коррозии и эксцентричные балансировочные втулки 20. 9 илл.

Электрическая машина, содержащая статор с сердечником, ротор с валом, заключенными в корпус подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода морской воды и протекторные кольца из сплава алюминия, установленные в статоре и роторе, отличающаяся тем, что к подшипниковым щитам статора прикреплены полусферические кожухи с цилиндрическими патрубками для подключения к гидравлической системе, подшипниковые щиты в области торцевых поверхностей ротора имеют окна, расположенные симметрично относительно друг друга и оси машины, на валу ротора в активной зоне расточки статора закреплены n насосных колес с радиальными лопатками некругового сечения (n ≥ 1), расположенных под углом относительно осей ступиц колес, а на свободные концы вала установлены балансировочные эксцентричные втулки или диски из материала вала с радиальной плоскостью сечения в виде эллипса со смещением его центра относительно оси машины в сторону уменьшенной плотности массы ротора, при этом на концы лопаток насосных колес напрессована цилиндрическая гильза из магнитоэлектропроводящего материала и внутрь гильзы с ее торцов встык с лопатками крайних насосных колес укреплены протекторные кольца из алюминиевого-магниевого сплава.