РОТОРНАЯ СИСТЕМА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2013 года по МПК H02K16/02 H02K1/27 H02K21/12 H02K1/28 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высокооборотным электрическим машинам для турбогенераторных энергетических установок небольшой мощности, т.е. порядка 250 кВт÷1 МВт. Частота вращения упомянутых электрических машин, как правило, выше 40000÷96000 об/мин.

Известен ротор высокооборотной электрической машины (Патент РФ №2382472, МПК Н02К 1/27, Н02К 21/14, Н02К 1/28), содержащий вал с укрепленной на нем переменно-полюсной магнитной системой, выполненной в виде стянутых друг с другом в осевом направлении идентичных кольцевых пластин, в которых предусмотрены окна для размещения постоянных магнитов, намагниченных в тангенциальном направлении, в каждой из кольцевых пластин сформированы немагнитные зоны, одна из которых представляет собой охватывающее вал кольцо, а остальные - расположенные по наружному диаметру кольцевые фрагменты, ограничивающие снаружи пространство окон, причем длина дуги кольцевых фрагментов на 10-20% меньше, чем ширина окон, при этом кольцевые пластины изготовлены из сплошного магнитного материала, обладающего возможностью изменять свои магнитные свойства.

Недостатком аналога является ротор, обладающий большим моментом инерции и массой, малой жесткостью. Это приведет к появлению собственной (резонансной) частоты ротора, меньшей частоты вращения ротора.

Известен принятый за прототип ротор электрической машины (Патент РФ №2212748, МПК Н02К 1/28, Н02К 21/12), содержащий магнитопровод, на котором равномерно размещены постоянные магниты с закрепленными на них полюсными наконечниками, выполненными из магнитного материала, между постоянными магнитами с полюсными наконечниками имеются зазоры, отличающийся тем, что в указанных зазорах размещены соответственно выполненные из немагнитного материала удерживающие элементы, одними концами жестко зафиксированные в магнитопроводе, а поверхностями других концов плотно прилегающие к поверхностям соответствующих пар скосов, выполненных на наружных ребрах полюсных наконечников, при этом указанные плотно прилегающие друг к другу поверхности выполнены сопряженными, а постоянные магниты намагничены в радиальном направлении.

Недостатком прототипа является низкая надежность, обусловленная большой массой ротора при недостаточной жесткости. Это приводит к наличию, по крайней мере, одной собственной (резонансной) частоты, величина которой меньше частоты вращения ротора.

Целью настоящего изобретения является увеличение надежности роторной системы.

Задачей настоящего изобретения является увеличение жесткости роторной системы, уменьшение ее длины, массы и момента инерции.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение приемлемого запаса по прочности роторов роторной системы, а также увеличение первой «балочной» собственной (резонансной) частоты выше частоты вращения.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1 - общий вид высокооборотной магнитоэлектрической машины с «двухроторной» системой,

фиг.2 - поперечное сечение активной части магнитоэлектрической машины,

фиг.3 - фрагмент внешнего ротора магнитоэлектрической машины.

Обычно турбина приводится во вращение струей горячего газа с температурой порядка 1000÷1500°С. Для увеличения теплового сопротивления турбокомпрессорной системы и устранения взаимного влияния собственных частот упомянутой системы и магнитоэлектрической машины между ними располагают трансмиссию, представляющую собой торсион, либо электромагнитную муфту.

В настоящем изобретении роль электромагнитной муфты играет вал 1 (фиг.1). Он выполнен полым (для снижения массы и момента инерции) или сплошным (для увеличения прочности) из магнитомягкого материала (например, стали), в активной части которого нарезаны зубцы, при этом число зубцов вала 1 больше двух. Число зубцов равно числу магнитов наружного ротора (фиг.2). Наружный ротор представляет собой внешний 2 и внутренний 3 пустотелые цилиндры (фиг.3) из высокопрочного немагнитного неэлектропроводящего материла. Такими материалами могут служить стеклопластик и углепластик. Между кольцами равномерно размещены постоянные магниты 4, которые намагничены в радиальном направлении, полярность постоянных магнитов 4 по окружности чередуется. Между постоянными магнитами имеются зазоры, в указанных зазорах размещены выполненные из немагнитного неэлектропроводящего материала, например стеклопластика или углепластика, удерживающие элементы 5. Внешний 2 и внутренний 3 пустотелые цилиндры, удерживающие элементы 5, технологически представляют собой единое целое. Радиальные подшипники 6 внешнего ротора располагаются за пределами сердечника 7 статора с обмоткой 8, а радиальные подшипники 9 вала 1 располагаются за пределами подшипников 6 внешнего ротора, а в качестве осевого подшипника внешнего используются радиальные магнитные силы притяжения постоянных магнитов к статору и валу 1. Осевой подшипник 10 вала 1 закреплен на корпусе 11.

На вал 1 насажены колеса турбины и компрессора. Вал 1, выполняя функцию электромагнитной муфты, демпфирует колебания колес турбины и компрессора. Кроме того, вал 1 и воздушный (газовый) зазор между валом 1 и внутренним кольцом 3 внешнего ротора выполняют функцию и теплового сопротивления, препятствующего нагреванию постоянных магнитов 4, сердечника 7 и обмотки 8 газом, приводящим в действие турбину. Вместо турбины и компрессора на валу 1 могут находиться другие элементы механизма (шлицевое или зубчатое соединение, вентилятор и т.п.).

Магнитоэлектрическая машина работает следующим образом. Магнитный поток каждого постоянного магнита 4 проходит через внешний воздушный (газовый) зазор, ближайший зубец сердечника статора 7, ярмо сердечника статора 7, следующий зубец сердечника статора 7, воздушный зазор, следующий постоянный магнит 4, внутренний воздушный (газовый) зазор и замыкается по магнитному валу 1. В двигательном режиме на зажимы каждой фазы обмотки 8 статора магнитоэлектрической машины подается переменное напряжение, по обмотке 8 протекает ток, вызывая вращающуюся МДС статора. При протекании электрического тока по обмотке 8 статора происходит силовое взаимодействие магнитного потока обмотки 8 с основным магнитным потоком постоянных магнитов 4. Перемещаясь, волна МДС статора вращает постоянные магниты 4 и вал 1. Вал 1 вращается вместе с постоянными магнитами 4 внешнего ротора за счет связывающей их магнитной силы. Магнитный поток постоянных магнитов 4 перемещается от одного зубца статора к следующему, при этом наводит электродвижущую силу (ЭДС) в активной части проводников обмотки 8, находящейся в пазах сердечника статора 7. Величина ЭДС обусловлена величиной магнитного потока и частотой вращения роторной системы. При вращении роторной системы магнитоэлектрическая машина будет отдавать механическую мощность в компрессор и турбину.

В режиме генератора роторная система магнитоэлектрической машины приводится во вращение турбиной, при этом ее вращающий момент передается валу 1. Поле постоянных магнитов 4, перемещающихся вместе с валом 1 за счет магнитной силы, пересекает проводники обмотки 8 статора, в которых наводится ЭДС. Если цепь нагрузки замкнута, по обмотке 8 протекает ток. Получаемая при этом в обмотке статора 8 электрическая энергия передается в нагрузку.

В качестве опор роторной системы могут использоваться высокоскоростные подшипники скольжения, качения (керамические), гидро- или газостатические, гидро- или газодинамические лепестковые 6 и 9 (схематично показаны на фигуре 1), или магнитные. С точки зрения уменьшения габаритов при высокой надежности наиболее предпочтительны газодинамические подшипники. Они относятся к подшипникам скольжения и обеспечивают подвес ротора за счет «газовой смазки» аналогично тому, как масляные подшипники скольжения обеспечивают подвес ротора за счет «масляного клина».

Для уменьшения аэродинамических потерь от газа, проходящего через полости ротора, между внешним ротором и статором может быть расположена закрепленная на корпусе 11 гильза, герметизирующая полость ротора. Между валом 1 и гильзой находится магнитное уплотнение.

В качестве примера на фигуре 2 изображена магнитоэлектрическая машина с числом пар полюсов ротора p=6, числом пазов статора Z=9, числом фаз m=3 и числом пазов на полюс и фазу q=½<1. В такой обмотке лобовые части имеют минимальную длину, что важно для сокращения габаритов системы. Кроме того, лобовые части фаз не пересекаются, что оптимально для высоковольтных обмоток, у которых фазное напряжение больше 1 кВ. Недостатком таких обмоток является обширный гармонический состав МДС и высокие потери от высших гармоник.

Для снижения потерь от высших гармоник для машин с фазным напряжением меньше 1 кВ оптимально выполнять обмотку с числом пазов на полюс и фазу q≥1.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высокооборотным электрическим машинам для турбогенераторных электрических установок небольшой мощности. Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является получение запаса по прочности роторов роторной системы и увеличение собственной (резонансной) частоты до значения выше частоты вращения. Указанный технический результат достигается за счет того, что согласно настоящему изобретению роторная система магнитоэлектрической машины состоит из двух коаксиальных роторов, при этом внешний (наружный) ротор выполнен в виде пустотелого цилиндра из высокопрочного немагнитного неэлектропроводящего материала с закрепленными на нем равномерно размещенными постоянными магнитами, намагниченными в радиальном направлении, полярность которых чередуется. Между магнитами внешнего ротора имеются зазоры, в которых размещены удерживающие элементы, выполненные из немагнитного неэлектропроводящего материала. Внутренний ротор выполнен в виде вала из магнитомягкого материала, зубчатого снаружи, причем число зубцов внутреннего ротора равно числу постоянных магнитов внешнего ротора. Радиальные подшипники внутреннего ротора располагаются за пределами подшипников внешнего ротора. В качестве осевого подшипника внешнего ротора используются осевые магнитные силы взаимодействия постоянных магнитов внешнего ротора, сердечника статора и вала. 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Роторная система магнитоэлектрической машины, состоящая, по крайней мере, из двух коаксиальных роторов, содержащая наружный ротор, на котором равномерно размещены постоянные магниты, постоянные магниты намагничены в радиальном направлении, между постоянными магнитами имеются зазоры, в указанных зазорах размещены выполненные из немагнитного неэлектропроводящего материала удерживающие элементы, отличающаяся тем, что, с целью повышения критических частот и повышения запаса прочности по напряжениям от центробежных сил, внешний ротор выполнен в виде пустотелого цилиндра из высокопрочного немагнитного, неэлектропроводящего материла, в котором закреплены постоянные магниты, полярность постоянных магнитов чередуется, а внутренний ротор выполнен в виде вала из магнитомягкого материала, зубчатого снаружи, при этом число зубцов внутреннего ротора равно числу постоянных магнитов, радиальные подшипники внешнего ротора располагаются за пределами сердечника статора, радиальные подшипники внутреннего ротора располагаются за пределами подшипников внешнего ротора, а в качестве осевого подшипника внешнего ротора используются осевые магнитные силы взаимодействия постоянных магнитов внешнего ротора, сердечника статора и вала.

2. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что зубцов вала больше двух.

3. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что перемещение вала в осевом направлении фиксировано осевым подшипником.

4. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что вал выполнен пустотелым.

5. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что вал выполнен сплошным.

6. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что высокопрочный неэлектропроводящий материал вала и удерживающих элементов - углепластик.

7. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что высокопрочный неэлектропроводящий материал вала и удерживающих элементов - стеклопластик.

8. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что на валу находятся колеса турбины и компрессора.

9. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что на валу находится шлицевое соединение.

10. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что на валу находится зубчатое соединение.

11. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что на валу находится вентилятор.

12. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что в качестве радиальных подшипников используются газодинамические лепестковые подшипники скольжения, обеспечивающие подвес ротора за счет «газовой смазки».

13. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что между внешним ротором и статором расположена закрепленная на статоре гильза, герметизирующая полость ротора за счет магнитного уплотнения.

14. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что внутренние подшипники находятся внутри полого вала.

15. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что статор имеет высоковольтную обмотку с числом пазов на полюс и фазу q<1.

16. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что статор имеет низковольтную обмотку с числом пазов на полюс и фазу q≥1.