ДВУСТОРОННЯЯ ТОРЦОВАЯ АСИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2004 года по МПК H02K5/16 H02K31/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к торцовым асинхронным электрическим машинам с однодисковым ротором.

Оно может найти широкое применение в различных отраслях машиностроения при создании электроприводных узлов машин и установок с оптимальными эксплуатационно-техническими параметрами, в частности, при разработке конструкций энергосберегающих приводных систем для транспортирующих, обрабатывающих или технологических машин.

Известна торцовая асинхронная машина [1], содержащая кольцевой магнитопровод статора с обмоткой возбуждения и кольцевой магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой, установленный консольно на выходном валу, подшипники и опорный щит, в котором закреплен элемент в виде стакана с кольцевым выступом. При этом один подшипник расположен внутри стакана и его внутреннее кольцо охватывает вал ротора, а второй подшипник расположен снаружи стакана на его кольцевом выступе и его наружное кольцо охвачено фланцем выходного вала. Причем магнитопровод статора установлен на крышке, жестко присоединенной к опорному щиту и снабженной регулировочной прокладкой.

Такая машина отличается малыми осевыми габаритами, удобна для использования в качестве встроенного электродвигателя при создании устройств различного назначения. Она имеет пустотелый выходной вал с центральным шлицевым отверстием, что позволяет устанавливать машину между опорными узлами агрегата, вал которого сопряжен с валом электрической машины.

Однако известная электрическая машина имеет и недостатки, связанные с тем, что при больших мощностях между магнитопроводами статора и ротора возникают значительные силы притяжения, которые создают большую осевую нагрузку на опорные подшипники вала ротора, а следовательно, сокращают срок их службы. Кроме того, при больших диаметральных размерах магнитопроводов статора и ротора сохранять оптимальное значение осевого воздушного зазора между рабочими поверхностями магнитопроводов становится проблематичным, так как в конструкции машины для установки требуемого зазора предусмотрена только регулировочная прокладка между базовым опорным щитом и крышкой статора, на которой установлен магнитопровод. Отсутствие других регулировочных устройств не позволяет устранять возможные перекосы во взаимном расположении магнитопроводов и обеспечивать постоянство воздушного зазора.

Таким образом, известная электрическая машина может успешно применяться лишь при относительно небольших мощностях и радиальных габаритах.

Аналогичными недостатками, связанными с осевыми силами притяжения, обладают и другие электрические машины с одним кольцевым магнитопроводом статора, в том числе и [2]. Однако в этой машине для установки требуемого воздушного зазора между рабочими поверхностями магнитопроводов статора и ротора предусмотрено регулировочное устройство, содержащее установочные винты, снабженные контргайками, ввернутые в диск ротора и опирающиеся на подвижное кольцо упорного подшипника, а также упругое звено в виде пакета тарельчатых пружин, установленное в расточке опорного стакана между подшипниками вала ротора так, что одним торцом оно опирается на уступ стакана, а другим - на наружное кольцо радиально-упорного подшипника.

Это регулировочное устройство может функционировать только при остановленной машине. Процесс регулировки воздушного зазора состоит в перемещении всего узла ротора относительно жестко установленного на опорном щите магнитопровода статора.

Известная электрическая машина [2] так же, как и [1], может использоваться при относительно небольших мощностях и малых радиальных габаритах.

По технической сущности наиболее близким к заявленному изобретению является торцовый асинхронный электродвигатель, конструктивно совмещенный с осевым вентилятором [3]. Эта двусторонняя электрическая машина содержит сборный корпус машины, состоящий из двух несущих щитов, жестко связанных между собой и образующих центральную кольцевую полость, внутри которой на каждом несущем щите закреплено по одному магнитопроводу статора с обмотками возбуждения, ротор с центральным диском, несущим магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой, размещенный между магнитопроводами статора и отделенный от них воздушными зазорами, пустотелый вал ротора, подшипниковые узлы, снабженные регулировочными устройствами для изменения величины воздушного зазора между рабочими поверхностями магнитопроводов статора и ротора.

В этой машине используются регулировочные устройства эксцентрикового типа, которые позволяют за счет малого осевого смещения вала ротора изменять величину каждого из воздушных зазоров одновременно, сохраняя неизменной величину суммарного зазора, устанавливаемую при сборке с помощью прокладки между сопряженными поверхностями несущих щитов.

К достоинствам этой конструкции электрической машины следует отнести отсутствие осевых сил, нагружающих подшипниковые узлы, а также возможность регулировки воздушных зазоров в процессе вращения ротора, поскольку каждое эксцентриковое регулировочное устройство установлено на щите статора.

Недостатки известной электрической машины [3] связаны с тем, что магнитопроводы статора закреплены на несущих щитах жестко и неподвижно. Это не позволяет подобрать оптимальную величину суммарного воздушного зазора между рабочими поверхностями магнитопроводов без разборки машины. Подбор же установочной прокладки между сопряженными поверхностями несущих щитов делает эту операцию трудоемкой, так как требует разборки машины и последующей ее наладки. Кроме того, если диаметральные размеры магнитопроводов большие, то отрицательное влияние возможных взаимных перекосов магнитопроводов на эксплуатационно-технические характеристики электрической машины проявляется более заметно, чем при малых размерах. Это требует ужесточения допусков на неточности изготовления и монтажа магнитопроводов и сопряженных с ними деталей, а это удорожает конструкцию. Для сведения к минимуму негативного влияния перекосов требуются соответствующие дополнительные регулировочные устройства, которые в этой конструкции не предусмотрены. С непосредственным и неподвижным креплением магнитопроводов статора к несущим щитам связан и недостаток самовентиляционной системы охлаждения этой машины, так как отсутствие или ограниченность свободного пространства между стенками несущих щитов корпуса машины и торцевыми плоскостями магнитопроводов негативно отражается на условиях охлаждения как самих магнитопроводов статора, так и расположенных на них обмоток возбуждения.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения нагрузочной способности и эксплуатационной надежности электрической машины при одновременном снижении себестоимости ее изготовления, упрощении и удешевлении ее наладки и технического обслуживания, а также расширения сферы применения и оптимизации эксплуатационного режима работы машины.

Это достигается тем, что в двусторонней торцовой электрической машине, содержащей сборный корпус машины, состоящий из двух несущих щитов, жестко связанных между собой и образующих центральную кольцевую полость, внутри которой на каждом несущем щите закреплено по одному магнитопроводу статора с обмотками возбуждения, ротор с центральным диском, несущим магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой, размещенный между магнитопроводами статора и отделенный от них воздушными зазорами, пустотелый вал ротора, подшипниковые узлы, снабженной регулировочными устройствами для изменения величины воздушного зазора между рабочими поверхностями магнитопроводов статора и ротора, в отличие от прототипа каждый магнитопровод статора оснащен жестко присоединенными к нему конструктивно независимыми опорами, радиально установленными на торце магнитопровода со стороны несущего щита, каждая из которых имеет форму пластины, снабженной двумя продольными выступами, ориентированными вдоль оси вала ротора, и двумя поперечными, радиально ориентированными выступами, причем поперечные выступы находятся внутри центральной кольцевой полости корпуса машины и опираются на торцы установочных винтов, ввернутых в несущий щит с наружной стороны, а продольные выступы входят в сквозные прорези несущего щита и имеют встречно ориентированные внутренние пазы, расположенные с наружной стороны несущего щита, в которые входит фиксирующая планка с ввернутыми в нее установочными винтами, торцы которых опираются на наружную поверхность несущего щита.

Каждое регулировочное устройство для изменения величины воздушного зазора между рабочими поверхностями магнитопроводов статора и ротора содержит одну опору магнитопровода статора, фиксирующую планку, сопряженную с этой опорой, и установочные винты с контргайками, ввернутые в несущий щит и фиксирующую планку, с наружной стороны несущего щита.

Пустотелый вал ротора электрической машины имеет центральную полость, которая сообщается с центральной кольцевой полостью корпуса машины через посредство радиальных вентиляционных каналов, выполненных в стенке вала ротора и ступице его центрального диска.

Короткозамкнутая обмотка ротора снабжена вентиляционными каналами, образованными между стенками радиальных проводников обмотки и торцевыми плоскостями пазов магнитопровода ротора, причем эти каналы сопряжены с открытыми полостями, выполненными в центральном диске вала ротора под внутренней поверхностью его магнитопровода.

Пустотелый вал ротора электрической машины имеет два выходных шлицевых участка, выполненных на его концах.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан общий вид электрической машины и ее продольный разрез.

На фиг. 2 - вид на электрическую машину с торца выходного вала.

На фиг. 3 - общий вид ротора электрической машины.

На фиг. 4 - поперечный разрез радиальных проводников короткозамкнутой обмотки ротора.

Сборный корпус электрической машины состоит из жестко связанных между собой несущих щитов 1 и 2, образующих центральную кольцевую полость.

Внутри этой полости на щитах 1 и 2 через посредство группы опор 3 и 4 установлены магнитопроводы 5 и 6 статора c m-фазными обмотками возбуждения. Опоры 3 и 4 с магнитопроводами 5 и 6 соединены жестко и образуют единую конструкцию. Между магнитопроводами 5 и 6 статора на центральном диске 7 вала 8 ротора жестко закреплен его магнитопровод 9 с короткозамкнутой обмоткой, отделенный воздушными зазорами Δ от магнитопроводов 5 и 6 статора. Опоры 3 и 4 магнитопроводов статора имеют идентичную конструкцию. Они снабжены продольными выступами 10, 11, входящими в сквозные прорези несущего щита корпуса машины, и поперечными выступами 12, 13. Поперечные выступы 12, 13 находятся внутри центральной кольцевой полости корпуса машины и опираются на торцы установочных винтов 14, 15, ввернутых в несущий щит с наружной стороны и оснащенных контргайками 16, 17. Продольные выступы 10, 11 имеют встречно ориентированные внутренние пазы, расположенные с наружной стороны несущего щита, в которые входит фиксирующая планка 18 с ввернутыми в нее установочными винтами 19, снабженными контргайками 20 и опирающимися на наружную поверхность несущего щита.

Каждое регулировочное устройство для изменения величины воздушного зазора Δ между рабочими поверхностями магнитопроводов ротора и статора образовано одной опорой 3 (или 4), сопряженной с этой опорой фиксирующей планкой 18 и установочными винтами 14, 15, 19 с контргайками 16, 17, 20 соответственно.

Самовентиляционная система охлаждения машины включает сеть вентиляционных каналов и полостей, сопряженных между собой и окружающей атмосферой.

Вал 8 ротора электрической машины имеет центральную полость 21, которая сообщается с центральной кольцевой полостью корпуса машины через посредство каналов 22, выполненных в стенке вала 8 и ступице центрального диска 7. Короткозамкнутая обмотка ротора снабжена вентиляционными каналами 23, образованными между стенками радиальных проводников 24 и торцевой плоскостью магнитопровода 9 ротора, сопряженными с открытыми полостями 25, выполненными в центральном диске 7 вала 8 ротора.

Пустотелый вал 8 ротора имеет два выходных шлицевых участка 26 и 27, размещенных по его концам и предназначенных для соединения с исполнительными механизмами.

Для подвода охлаждающих воздушных потоков в центральную кольцевую полость корпуса машины используются центральная полость 21 вала 8 ротора, которая сообщается с атмосферой через каналы, выполненные в валах исполнительных механизмов (на чертежах не показаны), и отверстия 28 в щитах 1 и 2 корпуса машины. Для выброса нагретого воздуха из центральной кольцевой полости корпуса машины предусмотрены окна 29, 30, 31, выполненные на периферийных стенках несущих щитов.

Электрическая машина работает следующим образом.

В результате подключения обмоток магнитопроводов статора к сети создается двустороннее вращающееся магнитное поле, воздействующее на проводники короткозамкнутой обмотки ротора, вследствие чего ротор приводится во вращение. При этом ротор, при одинаковых значениях осевых зазоров Δ, не испытывает действия осевых сил, поскольку силы притяжения его магнитопровода к магнитопроводам статора взаимно компенсированы. Этим достигается устойчивое вращение ротора, а также полная разгрузка подшипников 32 и 33 вала 8 ротора от осевых нагрузок, что повышает эксплуатационную надежность и долговечность электрической машины.

Обеспечение одинаковости воздушных зазоров Δ достигается с помощью регулировочных устройств, каждое из которых, включающее элементы 3, 18, 14, 16, 15, 17, 19, 20, может функционировать независимо от остальных. Это позволяет установить магнитопровод статора относительно магнитопровода ротора по заранее заданной величине зазора Δ так, что рабочие поверхности магнитопроводов статора и ротора будут строго параллельными, перпендикулярными оси вращения ротора. При этом становится возможной оптимизация значения воздушного зазора Δ, оказывающего существенное влияние на эксплуатационно-технические характеристики электрической машины.

Для контроля величины воздушного зазора Δ используются окна 30, выполненные в несущих щитах, в которые при сборке вводятся мерные щупы необходимой толщины, соответствующей требуемой величине зазора Δ.

Регулировочными устройствами пользуются в следующей последовательности.

Если, например, требуется уменьшить зазор Δ, установленный предварительно завышенным при сборке машины, освобождают все контргайки регулировочных устройств на несущем щите. Затем вывертывают установочные винты 19, ввернутые в фиксирующие планки всех регулировочных устройств на этом щите, на малую величину. Двумя парами установочных винтов 14, 15, относящимися к диаметрально противоположным регулировочным устройствам, перемещают магнитопровод статора на требуемую величину, контролируя воздушный зазор Δ с помощью щупа с обеих противоположных сторон. После достижения требующейся величины зазора довертывают все установочные винты до упора в соответствующие поверхности и проверяют величину зазора Δ, проворачивая ротор. По окончании процесса регулировки все установочные винты фиксируют с помощью контргаек. Процесс регулировки может быть выполнен для каждой пары диаметрально противоположных регулировочных устройств.

При необходимости увеличения зазора Δ после освобождения контргаек вывертывают на малую величину все установочные винты 14, 15, а магнитопровод перемещают путем ввертывания установочных винтов 19 фиксирующих планок. В остальном процесс регулировки аналогичен указанному выше.

Система регулировочных устройств может применяться также и для синхронных торцовых машин с аналогичным взаимным размещением магнитопроводов.

В конструкции предложенной электрической машины предусмотрена самовентиляционная система охлаждения тепловыделяющих элементов, которая функционирует при вращении ротора. В результате эффекта действия центробежных сил нагретые воздушные массы через окна 29, 30, 31 в корпусе машины выбрасываются в атмосферу, а в центральную полость корпуса машины через вентиляционные каналы валов исполнительных механизмов, сопряженных с валом ротора, центральную полость 21 этого вала, каналы 22 и отверстия 28 в несущих щитах корпуса непрерывно поступают охлаждающие воздушные потоки, омывающие нагревающиеся элементы машины. Повышению эффективности действия системы охлаждения способствует сеть вентиляционных каналов 23, образованных между стенками радиальных проводников 24 короткозамкнутой обмотки ротора и торцовой плоскостью магнитопровода 9 ротора, сопряженных с открытыми полостями 25 в центральном диске 7, а также вентиляционные лопатки 34, выполненные на периферийной части короткозамкнутой обмотки ротора. Эффективности охлаждения магнитопроводов статора и обмоток возбуждения способствует наличие открытых полостей, образованных между опорами 3, 4, торцевыми плоскостями магнитопроводов и стенками несущих щитов, благодаря чему организовано непрерывное движение охлаждающих воздушных потоков вблизи нагревающихся поверхностей.

Предлагаемая конструкция электрической машины может быть использована при создании приводных устройств средней и большой мощности. В частности, ее можно использовать благодаря пустотелости вала ротора при создании агрегатов, в которых на длинный валопровод передают мощность несколько электрических машин предложенной конструкции, установленных параллельно. При этом, в зависимости от изменения нагрузки на валу агрегата некоторые из этих машин могут быть отключены от сети или напротив подключены. Процесс отключения - подключения может быть организован путем использования управляющей автоматической системы. Целесообразность такого подхода к проектированию приводных агрегатов обусловлена соображениями энергосбережения.

Промышленное освоение предложенной конструкции торцовой электрической машины не потребует значительных материальных затрат, так как все детали конструктивно просты, нематериалоемки и достаточно технологичны в изготовлении.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации RU №2058655 C1, МКИ H 02 K 5/16, 17/00, 1996 г., бюл. №11.

2. Патент Российской Федерации RU №2140700 C1, МКИ H 02 K 5/173, 5/16, 17/16, 1996 г., бюл. №30.

3. Патент Российской Федерации RU №2184274 C1, МКИ F 04 D 25/08 (прототип).

Изобретение относится к области электротехники, а именно к торцовым асинхронным машинам с однодисковым ротором. Технический результат изобретения, заключающийся в повышении надежности и упрощении конструкции двусторонней торцовой асинхронной электрической машины, достигается путем того, что в двусторонней торцевой асинхронной электрической машине каждый магнитопровод статора оснащен жестко присоединенными к нему конструктивно независимыми опорами, радиально установленными на торце магнитопровода со стороны несущего щита, каждая из которых имеет форму пластины, снабженной двумя продольными выступами, ориентированными вдоль оси вала ротора, и двумя поперечными, радиально ориентированными выступами, причем поперечные выступы находятся внутри центральной кольцевой полости корпуса машины и опираются на торцы установочных винтов, ввернутых в несущий щит с наружной стороны, а продольные выступы входят в сквозные прорези несущего щита и имеют встречно ориентированные внутренние пазы. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двусторонняя торцовая асинхронная электрическая машина, содержащая сборный корпус машины, состоящий из двух несущих щитов, жестко связанных между собой и образующих центральную кольцевую полость, внутри которой на каждом несущем щите закреплено по одному магнитопроводу статора с обмотками возбуждения, ротор с центральным диском, несущим магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой, размещенный между магнитопроводами статора и отделенный от них воздушными зазорами, пустотелый вал ротора, подшипниковые узлы, снабженная регулировочными устройствами для изменения величины воздушного зазора между рабочими поверхностями магнитопроводов статора и ротора, отличающаяся тем, что каждый магнитопровод статора оснащен жестко присоединенными к нему конструктивно независимыми опорами, радиально установленными на торце магнитопровода со стороны несущего щита, каждая из которых имеет форму пластины, снабженной двумя продольными выступами, ориентированными вдоль оси вала ротора, и двумя поперечными, радиально ориентированными выступами, причем поперечные выступы находятся внутри центральной кольцевой полости корпуса машины и опираются на торцы установочных винтов, ввернутых в несущий щит с наружной стороны, а продольные выступы входят в сквозные прорези несущего щита и имеют встречно ориентированные внутренние пазы, расположенные с наружной стороны несущего щита, в которые входит фиксирующая планка с ввернутыми в нее установочными винтами, торцы которых опираются на наружную поверхность несущего щита.2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что каждое регулировочное устройство для изменения величины воздушного зазора между рабочими поверхностями статора и ротора содержит одну опору магнитопровода статора, фиксирующую планку, сопряженную с этой опорой, и установочные винты с контргайками, ввернутые в несущий щит и фиксирующую планку с наружной стороны несущего щита.3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что пустотелый вал ротора электрической машины имеет центральную полость, которая сообщается с центральной кольцевой полостью корпуса машины через посредство радиальных вентиляционных каналов, выполненных в стенке вала ротора и ступице его центрального диска.4. Электрическая машина по любому из пп.1, 3, отличающаяся тем, что короткозамкнутая обмотка ротора снабжена вентиляционными каналами, образованными между стенками радиальных проводников обмотки и торцевыми плоскостями пазов магнитопровода ротора, причем эти каналы сопряжены с открытыми полостями, выполненными в центральном диске вала ротора под внутренней поверхностью его магнитопровода.5. Электрическая машина по любому из пп.1, 3 и 4, отличающаяся тем, что пустотелый вал ротора электрической машины имеет два выходных шлицевых участка, выполненных на его концах.