ДВУСТОРОННЯЯ ТОРЦОВАЯ АСИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА СО ВСТРОЕННЫМ ТОРМОЗНЫМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2006 года по МПК H02K17/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к торцовым асинхронным электрическим машинам с двухдисковым статором и двухдисковым ротором.

Оно может найти широкое применение в тех отраслях машиностроения, в которых требуется создание компактных электроприводных систем с оптимальными эксплуатационно-техническими характеристиками, обеспечивающих быстрое затормаживание приводного вала после отключения электропитания машины, в частности на транспорте, в грузоподъемных механизмах, в текстильной и других отраслях промышленности.

Известна двусторонняя асинхронная торцовая электрическая машина с одним диском ротора и двумя дисками статора [1], в которой достигается разгрузка подшипников вала электрической машины от действия осевых сил за счет взаимной компенсации осевых сил притяжения магнитопроводов статора и ротора. Однако, эта машина не имеет встроенных тормозных устройств, которые срабатывали бы при отключении электропитания обмоток магнитопроводов статора и обеспечивали бы быстрое торможение вращающихся по инерции масс, связанных с валом ротора. В этом случае требуется установка внешнего тормозного устройства, а это увеличивает габариты приводного агрегата и его себестоимость. Вместе с тем известны электрические машины со встроенными тормозными устройствами [2, 3], благодаря чему достигаются снижение габаритов приводного агрегата, его компактность и удобство обслуживания. Тормозное устройство, предназначенное к использованию в машинах цилиндрической формы исполнения [2], отличается сложностью конструкции и невысокой эффективностью вследствие недостатков, указанных в [3]. Оно не может быть рекомендовано к применению в электрических машинах торцового типа.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является электрическая машина со встроенным тормозным устройством [3], содержащая однодисковый статор и однодисковый ротор, отличающаяся тем, что диск ротора сопряжен с валом ротора через посредство шлицевого соединения, допускающего осевое смещение диска ротора относительно вала, а тормозное устройство размещено на несущем щите корпуса электрической машины и включается в режим торможения под действием пружины после отключения электропитания обмотки магнитопровода статора. Эта электрическая машина отличается малыми осевыми габаритами, удобна в наладке и техническом обслуживании. Однако при одном диске ротора и одном диске статора увеличение мощности машины имеет ограниченные возможности. Кроме того, закрытая конструкция корпуса машины снижает эффективность самовентиляционной системы охлаждения, а некоторые элементы конструкции, в частности корпус машины, технологически сложны в изготовлении.

Заявленное изобретение решает задачу повышения нагрузочной способности, эксплуатационной надежности и эффективности торможения электрической машины, улучшения ее самовентиляционной системы охлаждения при одновременном снижении себестоимости изготовления, а также расширения сферы применения.

Это достигается тем, что в двусторонней торцовой асинхронной электрической машине со встроенным тормозным устройством, содержащей сборный корпус с центральной кольцевой полостью, статор, ротор, магнитопроводы статора и ротора с обмотками, вал ротора и его подшипники, тормозное устройство и его пружину, в отличие от прототипа сборный корпус электрической машины выполнен симметричным и состоит из корпуса статора, выполненного в форме кольцевого диска, жестко связанного с внутренним цилиндрическим стаканом и наружным цилиндрическим ободом, и двух боковых симметрично расположенных щитов, жестко присоединенных к ободу корпуса статора и несущих тормозные накладки тормозного устройства, а центральная кольцевая полость электрической машины разделена кольцевым диском корпуса статора на две симметрично расположенные области, в каждой из которых размещено по одному магнитопроводу статора и одному диску ротора, несущему один магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой, причем каждый магнитопровод статора снабжен жестко присоединенными к нему радиально ориентированными опорными планками, посредством которых магнитопровод статора закреплен на кольцевом диске корпуса статора и которые имеют продольные выступы, входящие в радиальные пазы кольцевого диска корпуса статора.

Вал ротора электрической машины выполнен составным из двух частей, несущих по одному жестко закрепленному диску ротора и сопряженных между собой посредством шлицевого соединения, допускающего малое относительное смещение частей вала вдоль его оси.

При этом на каждой из частей вала ротора, сопряженных между собой, установлен отдельный подшипник, с наружным кольцом каждого из которых связана втулка, входящая в отверстие цилиндрического стакана корпуса статора и имеющая возможность малого осевого смещения относительно корпуса статора совместно с подшипником и частью вала ротора, на которой установлен подшипник.

Причем каждая из втулок, связанных с наружными кольцами подшипников, снабжена наружным кольцевым выступом, между внутренней торцевой поверхностью которого и торцевой поверхностью стакана корпуса машины при обесточенной электрической машине образован зазор, равный половине взаимного встречного смещения частей вала ротора при подключении обмоток магнитопроводов статора к сети.

Пружина тормозного устройства через посредство установочных колец размещена на валу ротора между его подшипниками, а ее торцы поджаты к внутренним кольцам подшипников, опирающимся на кольцевые бурты, выполненные на наружных поверхностях каждой из частей вала ротора.

Тормозные накладки установлены на каждом боковом щите корпуса машины через посредство втулок с внутренними резьбовыми отверстиями, равномерно размещенных по окружности щита и прижатых их кольцевыми выступами, снабженными регулировочными прокладками, к внутренней поверхности щита с помощью установочных винтов, ввернутых в отверстия втулок и опирающихся на наружную поверхность щита.

На каждой части вала ротора установлена прокладка между торцевыми поверхностями ступицы диска ротора и установочного кольца, опирающегося на кольцевой бурт наружной поверхности соответствующей части вала ротора, предназначенная для подбора величины рабочего зазора между поверхностями магнитопроводов статора и ротора при сборке машины.

В кольцевом диске корпуса статора выполнен радиальный канал для подачи смазки к подшипникам вала ротора и взаимного смещающимся поверхностям при пуске и торможении машины, а в наружном цилиндрическом ободе корпуса статора выполнены проушины для монтажа электрической машины.

Боковые щиты сборного корпуса машины снабжены решетками для подачи охлаждающих воздушных потоков вовнутрь центральной кольцевой полости машины, а в дисках ротора предусмотрены радиальные воздушные каналы, примыкающие к внутренней торцевой поверхности магнитопровода, и осевые отверстия, сопряженные с атмосферой.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

на фиг.1 показан вид на электрическую машину со стороны торца; на фиг.2 - продольный разрез электрической машины и вид сбоку.

Сборный корпус электрической машины состоит из корпуса статора 1, имеющего форму центрального кольцевого диска 2, жестко связанного со стаканом 3 и наружным ободом 4, и двух симметрично расположенных боковых щитов 5 и 6, жестко присоединенных к ободу 4 корпуса статора винтами 7 и несущих тормозные кольцевые накладки 8. Накладки 8, оснащенные подложками 9, жестко связаны с резьбовыми втулками 10, имеющими кольцевые выступы, снабженные регулировочными прокладками 11, и с помощью винтов 12, ввернутых в резьбовые отверстия втулок 10, закреплены на боковых щитах 5 и 6 корпуса машины изнутри его центральной кольцевой полости. Кольцевой диск 2 корпуса статора разделяет центральную кольцевую полость машины на две симметрично расположенные области, в которых размещены магнитопроводы 13, 14 статора c m-фазными обмотками возбуждения, снабженные жестко связанными с ними радиально ориентированными опорными планками 15, 16, и магнитопроводы 17, 18 ротора с короткозамкнутыми обмотками, жестко закрепленные на дисках 19, 20 ротора. Опорные планки 15, 16 магнитопроводов 13, 14 статора, имеющие продольные выступы, которыми они входят в радиальные пазы кольцевого диска корпуса статора, стянуты между собой болтами 21. Тем самым, магнитопроводы 13, 14 жестко закреплены на кольцевом диске корпуса статора. К наружным торцевым плоскостям дисков ротора посредством винтов 22 жестко присоединены кольцевые закаленные пластины 23, 24, которые в обесточенном состоянии обмоток магнитопроводов статора плотно прилегают к тормозным накладкам боковых щитов.

Вал ротора выполнен составным из двух частей 25, 26, сопряженных между собой посредством шлицевого соединения, и базируется на радиально-упорных подшипниках 27, 28, с наружными кольцами которых связаны втулки 29, 30, входящие в отверстие стакана 3 корпуса статора с противоположных сторон. Каждая из втулок 29, 30 снабжена наружным кольцевым выступом 31, между внутренней торцевой поверхностью которого и торцевой поверхностью стакана 3 корпуса статора в обесточенном состоянии обмоток магнитопроводов статора образован зазор Δ, отсутствующий в рабочем состоянии машины.

Диски 19 и 20 ротора машины жестко закреплены на каждой из частей 25, 26 вала ротора посредством шпоночных соединений и фиксирующих гаек 32, 33 со стопорными шайбами. Между внутренними торцевыми плоскостями ступиц дисков 19, 20 ротора и кольцевыми буртами, выполненными на каждой из частей 25, 26 вала ротора, размещены установочные прокладки 34, 35, предназначенные для подбора величины рабочего зазора между поверхностями магнитопроводов статора и ротора, и уплотнительные кольца 36, 37.

Пружина 38 тормозного устройства размещена на валу ротора между его подшипниками 27, 28 через посредство установочных колец 39, 40, которыми она опирается на внутренние кольца подшипников, поджатые к кольцевым буртам, выполненным на каждой части вала ротора.

Каждая из частей вала ротора имеет выходное шлицевое отверстие 41, 42 для присоединения исполнительного механизма, а во внутренней части 26 вала ротора выполнено торцевое резьбовое отверстие 43, предназначенное для удобства сборки машины.

В машине реализована самовентиляционная система охлаждения, включающая сеть вентиляционных отверстий, выполненных в ограждающих решетках 44, установленных на боковых щитах 5, 6 корпуса машины, в дисках ротора - 45, ободе 4 корпуса статора - 46, а также сеть радиальных вентиляционных каналов 47 в дисках ротора под опорными поверхностями его магнитопроводов и вентиляционные лопатки 48 на наружных поверхностях дисков ротора. Для подвода охлаждающего воздуха в центральную полость машины служат отверстия решеток 44 и отверстия 45 в дисках ротора, а для выброса нагретых воздушных масс из полости машины предназначены отверстия 46 обода 4 корпуса статора, которые используются также для контроля величины воздушного зазора между поверхностями магнитопроводов статора и ротора.

Для периодической подачи смазки в область подшипников 27, 28 служит канал 49, выполненный в кольцевом диске 2 корпуса 1 статора, закрываемый пробкой 50, а для осуществления монтажа электрической машины предусмотрены проушины 51, жестко связанные с ободом 4 корпуса статора.

Сборка электрической машины осуществляется в следующей последовательности.

Вначале на кольцевом диске 2 корпуса 1 статора монтируют предварительно изготовленные и прошедшие контроль магнитопроводы 13, 14 статора с обмотками. При этом в специальном приспособлении проверяют перпендикулярность рабочих поверхностей магнитопроводов к оси вращения ротора и величину торцевого биения.

Затем на каждую часть 25, 26 вала ротора устанавливают подшипники 27, 28 с охватывающими их втулками 29, 30 и установочные кольца 39, 40. На кольцо 39 одевают левый конец пружины 38, помещают собранную левую часть 25 вала ротора в стакан 3 корпуса 1 статора, а с противоположной стороны стакана 3 производят сопряжение собранной правой части 26 вала ротора с левой частью 25 посредством шлицевого соединения. При этом правый конец пружины охватывает установочное кольцо 40, а втулка 30 входит вовнутрь стакана 3.

Вслед за этим с помощью винта, который ввертывают в резьбовое отверстие 43, и помещенной на винт шайбы, опираемой на левый торец части 25 вала ротора, стягивают обе части вала ротора так, чтобы отсутствовали зазоры между внутренними торцевыми поверхностями выступов 31 и торцевыми поверхностями стакана 3 корпуса статора (Δ=0).

После этого помещают на вал ротора уплотнительные кольца 36, 37, прокладки 34, 35 и монтируют предварительно собранные, проверенные на торцевое биение и перпендикулярность оси вращения торцевых поверхностей магнитопроводов, диски ротора, затянув гайки 32, 33. Величины зазоров между поверхностями магнитопроводов статора и ротора контролируют через окна 46 в ободе корпуса 1 статора. Величины этих зазоров соответствуют зазорам в рабочем режиме машины и должны подбираться за счет толщин прокладок 34, 35.

После того, как рабочие зазоры установлены, проворачивают вал ротора вручную и выполняют окончательный их контроль.

Боковые щиты 5, 6 с предварительно установленными на них тормозными накладками 8 после соответствующего контроля привертывают винтами 7 к ободу 4 корпуса 1 статора и убеждаются в том, что между поверхностями пластин 23, 24 дисков ротора и тормозных накладок 8 имеется гарантированный зазор, равный величине зазора Δ между внутренней торцевой поверхностью выступа 31 и торцевой поверхностью стакана 3 корпуса 1 статора в обесточенном состоянии обмоток возбуждения. Величину этого зазора подбирают за счет толщины прокладок 11, размещенных на втулках 10 между их кольцевыми выступами и внутренними поверхностями щитов 5, 6.

После завершения сборки электрической машины и установки требуемых рабочих зазоров между поверхностями магнитопроводов статора и ротора и монтажных зазоров между тормозными накладками и кольцевыми пластинами дисков ротора из отверстия 43 вывертывают винт, вследствие чего монтажные зазоры исчезают, а между внутренними торцевыми поверхностями выступов 31 и торцевыми поверхностями стакана 3 образуются зазоры Δ за счет взаимного смещения частей 25, 26 вала ротора под действием пружины 38.

Электрическая машина работает следующим образом. При подключении электрической машины к сети в обмотках магнитопроводов статора возникает пусковой ток, превышающий номинальный ток рабочего режима машины, вследствие чего возникает магнитное поле, под воздействием которого обе части 25, 26 вала ротора вместе с дисками ротора и сопряженными деталями совершают встречное осевое смещение. При этом пружина 38 получает дополнительное сжатие, зазоры Δ исчезают. Между тормозными накладками 8 и пластинами 23, 24 дисков ротора образуются зазоры, равные величине Δ, а между рабочими поверхностями магнитопроводов статора 13, 14 и ротора 17, 18 устанавливаются рабочие зазоры, сохраняющиеся в процессе вращения ротора, которое он получает в результате действия вращающегося магнитного поля. Осевые силы притяжения магнитопроводов статора и ротора превышают силу сжатия пружины. Поэтому между внутренними торцевыми поверхностями выступов 31 и торцевыми поверхностями стакана 3 корпуса статора возникают усилия взаимодействия, равные разности силы притяжения магнитопроводов статора и ротора и силы сжатия пружины, которые воспринимаются наружными кольцами подшипников 27, 28. Так как эта разность сил может быть, за счет подбора силы сжатия пружины, небольшой по величине, то подшипники вала ротора не будут воспринимать значительных осевых сил, что положительно отразится на ресурсе долговечности электрической машины.

При отключении электропитания обмоток статора от сети магнитный поток, удерживающий диски ротора в рабочем положении, исчезает. Вследствие этого пружина 38 вызывает взаимное осевое смещение частей 25, 26 вала ротора и размещенных на них дисков ротора 19, 20, подшипников 27, 28 и связанных с их наружными кольцами втулок 29, 30. При этом каждый диск входит в контакт со своей тормозной накладкой, а между внутренними торцевыми поверхностями выступов 31 и торцевыми поверхностями стакана 3 корпуса 1 статора образуются зазоры Δ. В результате трения поверхностей сопряжения пластин 23, 24 дисков 19, 20 ротора и тормозных накладок 8 происходит остановка ротора.

Самовентиляционная система охлаждения машины функционирует за счет поступления вовнутрь центральной кольцевой полости машины охлаждающих воздушных потоков через отверстия ограждающих решеток 44 и отверстия 45 в дисках 19, 20 ротора и выброса нагретого воздуха наружу под действием цетробежных сил, возникающих при вращении ротора, через окна 46, выполненные в ободе 4 корпуса статора. Повышение эффективности системы охлаждения машины достигается за счет открытости корпуса машины со стороны боковых щитов, благодаря чему улучшается сообщение центральной полости машины с атмосферой, а также за счет густой сети радиальных каналов, проложенных под опорными поверхностями магнитопроводов ротора и имеющих удлиненную форму, благодаря чему увеличивается напор выбрасываемых воздушных потоков.

Предлагаемая конструкция электрической машины достаточно проста и технологична, имеет малые осевые габариты, более высокую нагрузочную способность по сравнению с машинами с однодисковым ротором и статором, а также отличается высокой ремонтопригодностью, что имеет определенное технико-экономическое значение.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации RU №2232459 C1, МПК⁷ H 02 K 5/16, 31/00, 10.07.2004. Бюл. №19.

2. Патент Российской Федерации RU №2041548 C1, МКИ H 02 K 7/102//F17 D 55/02. Бюл. №22.

3. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2004109766/11 (0102250) от 30.03.2004.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к торцовым асинхронным электрическим машинам с двухдисковым статором и двухдисковым ротором. Технический результат заключается в повышении нагрузочной способности, эксплуатационной надежности и эффективности торможения электрической машины, улучшении системы охлаждения при одновременном снижении себестоимости изготовления и расширении сферы применения. Для этого корпус машины выполнен симметричным и состоит из корпуса статора, имеющего форму центрального кольцевого диска, жестко сопряженного с внутренним стаканом и наружным цилиндрическим ободом, и двух боковых щитов, несущих тормозные накладки, а центральная кольцевая полость машины разделена кольцевым диском корпуса статора на две области, в каждой из которых размещено по одному магнитопроводу статора и одному диску ротора, несущего магнитопровод с короткозамкнутой обмоткой, причем каждый магнитопровод статора жестко установлен на кольцевом диске корпуса статора. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двусторонняя торцовая асинхронная электрическая машина со встроенным тормозным устройством, содержащая сборный корпус с центральной кольцевой полостью, статор, ротор, магнитопроводы статора и ротора с обмотками, вал ротора и его подшипники, тормозное устройство и его пружину, отличающаяся тем, что сборный корпус электрической машины выполнен симметричным и состоит из корпуса статора, выполненного в форме кольцевого диска, жестко связанного с внутренним цилиндрическим стаканом и наружным цилиндрическим ободом, и двух боковых симметрично расположенных щитов, жестко присоединенных к ободу корпуса статора и несущих тормозные накладки тормозного устройства, а центральная кольцевая полость электрической машины разделена кольцевым диском корпуса статора на две симметрично расположенные области, в каждой из которых размещено по одному магнитопроводу статора и одному диску ротора, несущему один магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой, причем каждый магнитопровод статора снабжен жестко присоединенным к нему радиально ориентированными опорными планками, посредством которых магнитопровод статора закреплен на кольцевом диске корпуса статора и которые имеют продольные выступы, входящие в радиальные пазы кольцевого диска корпуса статора.2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что вал ротора электрической машины выполнен составным из двух частей, несущих по одному жестко закрепленному диску ротора и сопряженных между собой посредством шлицевого соединения, допускающего малое относительное смещение частей вала вдоль его оси.3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что на каждой из частей вала ротора, сопряженных между собой, установлен отдельный подшипник, с наружным кольцом каждого из которых связана втулка, входящая в отверстие цилиндрического стакана корпуса статора и имеющая возможность малого осевого смещения относительно корпуса статора совместно с подшипником и частью вала ротора, на которой установлен подшипник.4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что каждая из втулок, связанных с наружными кольцами подшипников, снабжена наружным кольцевым выступом, между внутренней торцевой поверхностью которого и торцевой поверхностью стакана корпуса статора при обесточенной электрической машине образован зазор, равный половине взаимного встречного смещения частей вала ротора при подключении обмоток магнитопроводов статора к сети.5. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что пружина тормозного устройства через посредство установочных колец размещена на валу ротора между его подшипниками, а ее торцы поджаты к внутренним кольцам подшипников, опирающимся на кольцевые бурты, выполненные на наружных поверхностях каждой из частей вала ротора.6. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что тормозные накладки установлены на каждом боковом щите корпуса машины через посредство втулок с внутренними резьбовыми отверстиями, равномерно размещенных по окружности щита и прижатых их кольцевыми выступами, снабженными регулировочными прокладками, к внутренней поверхности щита с помощью установочных винтов, ввернутых в отверстия втулок и опирающихся на наружную поверхность щита.7. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что на каждой части вала ротора установлена прокладка между торцевыми поверхностями ступицы диска ротора и установочного кольца, опирающегося на кольцевой бурт наружной поверхности соответствующей части вала ротора, предназначенная для подбора величины рабочего зазора между поверхностями магнитопроводов статора и ротора при сборке машины.8. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что в кольцевом диске корпуса статора выполнен радиальный канал для подачи смазки к подшипникам вала ротора и взаимно смещающимся поверхностям при пуске и торможении машины, а в наружном цилиндрическом ободе корпуса статора выполнены проушины для монтажа электрической машины.