ЭЛЕКТРОМАШИНА Российский патент 2015 года по МПК H02K21/00 H02K1/20 H02K1/28 H02K1/32 H02K5/16 H02K9/08 H02K9/12 H02K9/18 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению.

Известна высокооборотная электромашина, содержащая корпус, выполненный с возможностью подвода в его полость охлаждающего газа, снабженный торцевыми щитами и средствами подвода охлаждающего газа к узлам, размещенным в полости корпуса, сердечник статора, снабженный обмоткой, в цилиндрической полости которого с зазором размещен ротор, содержащий индуктор и подшипниковый узел (см. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.).

Недостатком данного устройства является невозможность существенного уменьшения массогабаритных характеристик устройства за счет повышения скорости вращения ротора, поскольку нагрузочные характеристики подшипниковых узлов не допускают высокие скорости вращения ротора при уменьшении его радиального размера.

Наиболее близким к данному изобретению устройством является электромашина, содержащая корпус с торцевыми щитами, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, зафиксированные клиньями пазов, причем в полости статора с возможностью вращения размещен ротор, содержащий индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, включающий полюса, постоянные магниты, немагнитные клинья и вал, при этом длина ротора превышает длину индуктора, причем концевые участки ротора выполнены в виде цилиндрических втулок из немагнитного материала, установленных заподлицо с внешней поверхностью индуктора, причем подшипниковый узел ротора выполнен с возможностью газостатического поддержания, для чего наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма и он размещен в цилиндрической полости втулки, зафиксированной в полости статора с возможностью подвода газа для охлаждения поверхности статора, при этом полость корпуса выполнена с возможностью подвода в нее охлаждающего газа и отвода последнего, для чего внутренняя поверхность корпуса снабжена продольными каналами, сообщенными с радиальными вентиляционными каналами, выполненными между пакетами сердечника статора (см. патент РФ №2385523, МПК H02K 5/16, 2010 г.).

Недостатками данного устройства являются малоэффективное охлаждение обмотки и сердечника статора, повышенный немагнитный зазор из-за наличия втулки достаточно большой толщины, что уменьшает индукцию в зазоре между статором и ротором и, следовательно, ухудшает массогабаритные показатели машины, невысокая несущая способность радиальных газовых подшипников при повышенных динамических нагрузках. Кроме того, не предусмотрено охлаждение постоянных магнитов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение эффективности охлаждения обмотки и сердечника статора и постоянных магнитов, уменьшение нагрева втулки газостатического подшипника и сердечника статора от трения в газостатических подшипниках, уменьшение трения в подшипниках, улучшение массогабаритных показателей, надежности работы и повышение ресурса электромашины.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в эффективном охлаждении обмотки и сердечника статора, уменьшении массы и габаритов и повышении ресурса электромашин, в том числе работающих при повышенных и высоких частотах вращения. Одновременно обеспечивается минимальный прогиб ротора, эффективное охлаждение постоянных магнитов, расширяется область устойчивости ротора за счет повышения жесткости радиальных подшипников, за счет установки радиальных магнитных подшипников и уменьшения потерь на трение в них.

Поставленная задача решается тем, что электромашина, содержащая корпус с торцевыми щитами, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, зафиксированные клиньями пазов, причем в полости статора с возможностью вращения размещен ротор, содержащий индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, включающий полюса, постоянные магниты, немагнитные клинья и вал, при этом длина ротора превышает длину индуктора, причем концевые участки ротора выполнены в виде торцевых цилиндрических втулок из немагнитного материала, жестко скрепленных с торцами индуктора, заподлицо с его внешней поверхностью, при этом полость корпуса выполнена с возможностью подвода в нее охлаждающего газа и отвода последнего, для чего внутренняя поверхность корпуса снабжена продольными каналами, сообщенными с радиальными вентиляционными каналами, выполненными между пакетами сердечника статора, отличающаяся тем, что статор выполнен с возможностью независимого проветривания, для чего корпус снабжен, по меньшей мере, двумя патрубками, выполненными с возможностью подвода-отвода охлаждающего газа в объем корпуса, занятый статором, при этом втулка снабжена продольными выступами, число, местоположение и поперечное сечение которых соответствует числу, местоположению и поперечному сечению пазов сердечника статора, в которых выступы втулки размещены, причем между поверхностью выступа и клином паза оставлен пазовый вентиляционный канал, кроме того, в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами крайних пакетов сердечника статора, при этом контакт их внешней поверхности с торцевыми щитами снабжен уплотнением, кроме того, стык торцевого щита с корпусом выполнен герметичным, кроме того, электромашина снабжена, по крайней мере, двумя радиальными и одним упорным магнитными подшипниками, для чего, на внутренней поверхности торцевых цилиндрических втулок жестко закреплены друг за другом составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием, причем между крайними магнитами и обращенными к ним торцами ротора оставлены немагнитные зазоры, кроме того, поверхности торцевых щитов, выполненных из немагнитного материала, контактирующие с торцами корпуса электромашины, снабжены кольцевыми выступами, выполненными с возможностью их размещения в полостях торцевых цилиндрических втулок, при этом на их внешних поверхностях жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенных к ним поверхностях торцевых цилиндрических втулок, кроме того, упорный магнитный подшипник содержит пяту и два подпятника, при этом пята выполнена из немагнитного материала, в виде диска, надетого на вал ротора, зафиксированного на нем, например гайкой, размещенной на снабженном соответствующей резьбой конце вала ротора, при этом на противоположных поверхностях пяты выполнены кольцевые выточки с плоским дном, причем в качестве первого подпятника использована свободная поверхность торцового щита, на которой соосно с осью вращения ротора жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, считая с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, кроме того, на обращенной к ним поверхности пяты жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности первого подпятника, при этом второй подпятник выполнен в виде цилиндрического диска из немагнитного материала, выполненного с возможностью его закрепления на кольцевом выступе торцевого щита, кроме того, на поверхности диска, обращенной к пяте, жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности пяты.

Кроме того, в качестве охлаждающего газа обмоток и сердечника статора использован водород или гелий.

Кроме того, газ, охлаждающий постоянные магниты, использован после его охлаждения, предпочтительно до температуры ниже 123 K.

Кроме того, ротор выполнен с возможностью его газостатического поддержания, для чего наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма, и он размещен в цилиндрической полости втулки, зафиксированной в полости статора с возможностью подвода газа, для чего в объеме продольных выступов втулки выполнены сквозные продольные отверстия, сообщенные с радиальными питающими отверстиями, открытыми во внутреннюю полость втулки.

Кроме того, внешние поверхности торцевых втулок на концах, обращенных к торцевым щитам, снабжены парными уплотнительными кольцами, кроме того, в торцевых щитах выполнены радиальные отверстия, вход которых сообщен с источником смазывающего газа, а выход сообщен с кольцевой канавкой, размещенной между парными уплотнительными кольцами, которая, в свою очередь, сообщена со сквозными продольными отверстиями цилиндрической втулки.

Кроме того, смазывающий газ использован после его охлаждения, предпочтительно до температуры ниже 123 K.

Кроме того, щит снабжен патрубком, подключенным к отдельному источнику охлаждающего газа и сообщенным через торцевые участки индуктора с каналами охлаждения его постоянных магнитов, образованными сечением дна пазов и обращенной к ним поверхностью постоянных магнитов, причем у противоположного конца корпуса каналы сообщены с рабочим зазором упорного магнитного подшипника, который, в свою очередь, сообщен со сборником газа.

Кроме того, зазор между валом ротора и кольцевым выступом торцевого щита снабжен уплотнением.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак, указывающий, что «статор выполнен с возможностью независимого проветривания, для чего корпус снабжен, по меньшей мере, двумя патрубками, выполненными с возможностью подвода-отвода охлаждающего газа в объем корпуса, занятый статором», позволяет обеспечить эффективное охлаждение обмотки и сердечника статора, при этом независимость проветривания статора исключает попадание охлаждающего его газа к другим узлам устройства, например к ротору, или же его подмешивание в смазочный поток газа газовых подшипников. Это, в свою очередь, позволяет использовать в качестве охлаждающего газа водород или гелий, в т.ч. в криогенном состоянии, без опасности потери газа в окружающую среду.

Признаки, указывающие, что «втулка снабжена продольными выступами, число, местоположение и поперечное сечение которых соответствует числу, местоположению и поперечному сечению пазов сердечника статора, в которых выступы втулки размещены», обеспечивают надежное удержание втулки в пазах, исключающее возможность ее произвольного радиального смещения в направлении поверхности ротора или проворачивание.

Признак, указывающий, что «между поверхностью выступа и клином паза оставлен пазовый вентиляционный канал», позволяет организовать эффективное охлаждение пазовой части обмотки и зубцов сердечника статора.

Признак, указывающий, что «в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами крайних пакетов сердечника статора», обеспечивает работоспособность радиальных магнитных подшипников без ухудшения электромагнитных характеристик обмоток статора и ротора.

Признак, указывающий, что «контакт их внешней поверхности с торцевыми щитами, снабжен уплотнением, кроме того, стык торцевого щита с корпусом выполнен герметичным», позволяет обеспечить герметичность объема корпуса, в которой размещен статор.

Признак, указывающий, что «электромашина снабжена, по крайней мере, двумя радиальными и одним упорным магнитными подшипниками», позволяет повысить несущую способность радиальных и упорных подшипников, уменьшить потери трения в них.

Признак, указывающий, что «на внутренней поверхности торцевых цилиндрических втулок жестко закреплены друг за другом составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием, причем между крайними магнитами и обращенными к ним торцами ротора оставлены немагнитные зазоры», формирует цапфы радиальных магнитных подшипников.

Признаки, указывающие, что «поверхности торцевых щитов, выполненных из немагнитного материала, контактирующие с торцами корпуса электромашины, снабжены кольцевыми выступами, выполненными с возможностью их размещения в полостях торцевых цилиндрических втулок, при этом на их внешних поверхностях жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенных к ним поверхностях торцевых цилиндрических втулок», формируют вкладыши радиальных магнитных подшипников.

Признаки, указывающие, что «упорный магнитный подшипник содержит пяту и два подпятника», обеспечивают высокую несущую способность и жесткость упорных подшипниковых узлов, а также минимальное трение в них.

Признаки, указывающие, что «пята выполнена из немагнитного материала, в виде диска, надетого на вал ротора, зафиксированного на нем, например гайкой, размещенной на снабженном соответствующей резьбой конце вала ротора, на противоположных поверхностях пяты выполнены кольцевые выточки с плоским дном», формируют пяту упорного магнитного подшипника.

Признаки, указывающие, что «в качестве первого подпятника использована свободная поверхность торцового щита, на которой соосно с осью вращения ротора жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, считая с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием», формируют магнитную систему первого магнитного подпятника.

Признаки, указывающие, что «на обращенной к ним поверхности пяты жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности первого подпятника», формируют магнитную систему первой пяты магнитного подшипника.

Признаки, указывающие, что «второй подпятник выполнен в виде цилиндрического диска из немагнитного материала, выполненного с возможностью его закрепления на кольцевом выступе торцевого щита», формируют корпус второго магнитного подпятника.

Признаки, указывающие, что «на поверхности диска, обращенной к пяте, жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности пяты», формируют магнитную систему второго магнитного подпятника и пяты.

Признаки, указывающие, что «в качестве охлаждающего газа обмоток и сердечника статора использован водород или гелий», позволяют повысить эффективность охлаждения обмоток и сердечника статора и уменьшить затраты мощности на прокачку газа.

Признаки, указывающие, что «газ, охлаждающий постоянные магниты, использован после его охлаждения, предпочтительно до температуры ниже 123 K», позволяют повысить эффективность охлаждения постоянных магнитов.

Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают условия для использования газового слоя в зазоре между внутренней поверхностью втулки и бандажом ротора для организации газостатического подшипника и уменьшения деформации радиального зазора газостатического подшипника от высокого давления наддува газа в них.

Признаки четвертого пункта формулы изобретения позволяют организовать подачу смазывающего газа в газостатические подшипники машины без его смешивания с газом, используемым для охлаждения статора.

Признак, указывающий, что «смазывающий газ использован после его охлаждения, предпочтительно до температуры ниже 123 K», позволяет понизить температуру индуктора и уменьшить тепловые потоки от трения в газостатических подшипниках к постоянным магнитам, втулке газостатического подшипника и зубцам сердечника статора.

Признаки, указывающие, что «щит снабжен патрубком, подключенным к отдельному источнику охлаждающего газа и сообщенным через торцевые участки индуктора с каналами охлаждения его постоянных магнитов, образованными сечением дна пазов и обращенной к ним поверхностью постоянных магнитов, причем у противоположного конца корпуса каналы сообщены с рабочим зазором упорного магнитного подшипника, который, в свою очередь, сообщен со сборником газа», позволяют обеспечить эффективное охлаждение постоянных магнитов машины, радиальных и упорных магнитных подшипников.

Признак, указывающий, что «зазор между валом ротора и кольцевым выступом торцевого щита снабжен уплотнением», позволяет уменьшить утечки газа, охлаждающего постоянные магниты и магнитные подшипники.

На фиг.1 показан продольный разрез электромашины, на фиг.2 - поперечный разрез, на фиг.3 - поперечное сечение цапфы и радиального ЛТП.

На чертежах показаны корпус 1 с продольными вентиляционными каналами 2, пакеты 3 сердечника статора, пазы 4, катушки 5 обмотки статора, клинья 6, втулка 7 со сквозными осевыми отверстиями 8, размещенными в продольных выступах 9 втулки 7, и радиальными питающими отверстиями 10 газостатических подшипников, пазовые вентиляционные каналы 11, цилиндрические втулки 12, 13 на статоре, торцевые щиты 14, 15 с радиальными питающими отверстиями 16, 17 сжатого смазывающего газа газостатических подшипников, уплотнительные кольца 18, 19, 20, 21, 22, 23, кольцевые постоянные магниты 24, 25 на кольцевых выступах торцевых щитов 14, 15 радиальных магнитных подшипников, полюса 26, постоянные магниты 27, немагнитные клинья 28, вал 29, концевые цилиндрические втулки 30, 31 на роторе, кольцевые постоянные магниты 32, 33 в цилиндрических втулках 30, 31, бандаж 34, зазор 35, пята 36, кольцевые коаксиальные магниты пяты упорного магнитного подшипника 37, 38, крышки 39, 40, продольные каналы 41 охлаждения постоянных магнитов 27, кольцевые коаксиальные магниты подпятников упорного магнитного подшипника 42, 43, нажимные листы 44, 45 крайних пакетов 3 сердечника статора, бурт 46, разрезное кольцо 47, ветреницы 48, радиальные вентиляционные каналы 49 между пакетами 3 сердечника статора, крышка 50 магнитного подпятника, кольцевой канал 51 подачи охлажденного газа в полость корпуса 1 электромашины, кольцевые каналы 52, 53 вытяжки охлаждающего газа из полости электромашины, патрубок 54 подачи охлажденного газа в кольцевой канал 51, патрубки 55, 56 вытяжки нагретого газа из кольцевых каналов 52, 53, патрубок 57 подвода охлаждающего газа постоянных магнитов, кольцевая проточка 58 и осевой канал 59 отвода газа из газостатических подшипников, газосборник 60, патрубок 61 отвода газа от газостатических подшипников и охлаждения постоянных магнитов 27, уплотнение ротора 62.

Электромашина содержит герметичный корпус 1, в полости которого размещены шихтованные пакеты 3 из электротехнической стали сердечника статора (фиг.1, фиг.2). По внешнему диаметру шихтованные пакеты 3 сердечника статора опираются на корпус 1 электромашины. Пакеты 3 сердечника статора снабжены пазами 4, в которых размещены катушки 5 обмотки статора. Проводники катушек 5 каждого паза 4 зафиксированы клиньями 6. В пазах 4 расположена также втулка 7, снабженная продольными выступами 9, число, местоположение и поперечное сечение которых соответствует числу, местоположению и поперечному сечению пазов 4 шихтованного сердечника 3 статора, в которых размещены продольные выступы 9 втулки 7. Между поверхностью продольного выступа 9 и клином 6 паза 4 оставлен пазовый вентиляционный канал 11. В объеме продольных выступов 9 втулки 7 выполнены сквозные осевые отверстия 8, сообщенные с радиальными питающими отверстиями 10, открытыми во внутреннюю полость втулки 7.

В полости корпуса 1 соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки 12, 13, выполненные из изоляционного материала, например стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами крайних пакетов 3 сердечника статора. При этом внешние поверхности цилиндрических втулок 12, 13 на концах, обращенных к торцевым щитам 14, 15, снабжены парными уплотнительными кольцами 18, 19, 20, 21, (например, резиновыми). Стыки торцевых щитов 14, 15 с корпусом 1 выполнены герметичными. При этом концевые участки ротора использованы как цапфы радиальных магнитных подшипников.

В цилиндрической полости втулки 7 размещен ротор с возможностью вращения.

Ротор, содержит индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, включающий полюса 26, постоянные магниты 27, немагнитные клинья 28 и вал 29. Концевые участки ротора выполнены в виде цилиндрических втулок 30, 31 из немагнитного материала, установленных заподлицо с внешней поверхностью индуктора, так что длина ротора превышает длину индуктора.

Для обеспечения механической прочности индуктор и концевые цилиндрические втулки 30, 31 снабжены бандажом 34, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, с высокой степенью чистоты поверхности, при этом бандаж 34 изготовлен из высокопрочного немагнитного, термостойкого материала, выполненного, предпочтительно, намоткой углеродного волокна, пропитанного термостойкими синтетическими смолами. Вал 29 выполнен полым с возможностью соединения с валом турбины и/или компрессора.

Газостатический подшипник включает опорную поверхность (составленную внутренними цилиндрическими поверхностями втулок 7), цапфу (составленную наружной поверхностью бандажа 34 ротора и частью поверхности цилиндрических втулок 30, 31), а также зазор 35 между ними.

Каждый радиальный магнитный подшипник включает в себя два пакета кольцевых постоянных магнитов, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита 24, 25 и 32, 33, обращенных друг к другу с зазором неэкранированными поверхностями, один из которых вклеен в кольцевой выступ щитов 14 и 15, а другой - в цилиндрические втулки 30, 31.

Нечетные кольцевые постоянные магниты (начиная с крайнего) в пакете намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные магниты намагничены радиально и навстречу друг другу, то есть по схеме Хальбаха.

Упорный магнитный подшипник содержит пяту 36, на торцевых поверхностях которой закреплены пакеты кольцевых коаксиальных постоянных магнитов 37, 38, обращенные с зазором к неэкранированным от них пакетам кольцевых коаксиальных постоянных магнитов 42, 43, установленным на щите 15 и на крышке 50, соответственно. Каждый пакет содержит, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные магниты выполнены с осевым намагничиванием, причем кольцевые постоянные магниты, закрепленные в щите 15 и на крышке магнитного подшипника 50, выполнены аналогично и обращены в зазор с кольцевыми магнитами пяты, так что составляющие его кольца обращены к кольцам магнитов пяты одноименными полюсами.

Подшипниковый узел ротора выполнен с возможностью газостатического поддержания, для чего наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма и он размещен в цилиндрической полости втулки 7, зафиксированной в полости статора с возможностью подвода газа для охлаждения поверхности статора.

Полость корпуса 1 выполнена с возможностью подвода в нее охлаждающего газа и отвода последнего, для чего внутренняя поверхность корпуса снабжена продольными каналами 2, сообщенными с радиальными вентиляционными каналами 49, выполненными между пакетами 3 сердечника статора. Статор выполнен с возможностью независимого проветривания, для чего корпус 1 снабжен патрубком 54 подвода охлаждающего газа и патрубками 55, 56 отвода охлаждающего газа в объем корпуса 1, занятый статором.

В торцевых щитах 14, 15 выполнены радиальные отверстия 16, 17, вход которых сообщен с источником смазывающего газа (на чертежах не показан), а выход сообщен с кольцевой канавкой, размещенной между парными уплотнительными кольцами 18, 19, 20, 21, которая, в свою очередь, сообщена со сквозными продольными отверстиями цилиндрических втулок 12, 13. Щит 14 снабжен патрубком 57, подключенным к отдельному источнику охлаждающего газа (на чертежах не показан) и сообщенным через торцевые участки индуктора с каналами 41 охлаждения магнитов 27, образованными сечением дна пазов магнитов и обращенной к ним поверхностью постоянных магнитов 27. У противоположного конца корпуса 1 каналы 41 сообщены с рабочим зазором упорного магнитного подшипника, который, в свою очередь, сообщен с газосборником 60 и патрубком 61. Вал 29 снабжен уплотнением для уменьшения утечек газа из полости охлаждения постоянных магнитов 27.

Вентиляционные каналы 2, 11, 49 аэродинамически сообщены друг с другом и с кольцевыми каналами 51 подачи и вытяжки 52, 53 охлаждающего газа (например, водорода, гелия, воздуха) и служат для организации вытяжной радиально-осевой независимой системы вентиляции электромашины.

Статор собирают в следующем порядке. Из штампованных листов электротехнической стали собирают пакеты 3 сердечника статора и скрепляют их сваркой по канавкам на наружной цилиндрической поверхности пакета. В корпус 1 устанавливают нажимной лист 45 вплотную к бурту 46; далее в корпус 1 электромашины устанавливают пакеты 3 сердечника статора и ветреницы 48 (см. фиг.1). После последнего пакета устанавливают нажимной лист 44. Комплект пакетов 3 и ветрениц 48 фиксируют в корпусе 1 электромашины с помощью разрезного кольца 47.

Далее в пазы 4 пакетов 3 сердечника статора устанавливают пазовую изоляцию (на чертеже не показана), укладывают катушки 5 обмотки статора и заклинивают их пазовыми клиньями 6. Обмотку статора подвергают пропитке и сушке. С наружной поверхности клиньев 6 и свободной части зубцов пакетов 3 удаляют остатки пропиточного компаунда. Затем шлифуют внутреннюю цилиндрическую поверхность втулки 7 газостатического подшипника. Далее внутреннюю цилиндрическую поверхность втулки 7 газостатического подшипника покрывают антифрикционным материалом, например ВАП-3. Внутрь пазов 4 статора под клинья 6 плотно устанавливают втулку 7 газостатического подшипника, оставляя пазовые вентиляционные каналы 11. К торцам сердечника крайних пакетов 3 сердечника статора непосредственно под нажимные листы 44, 45 приклеивают цилиндрические втулки 12, 13. В полости, образованные внутренними поверхностями цилиндрических втулок 12, 13. На крайние торцы цилиндрических втулок 12, 13 надевают резиновые уплотнительные кольца 18, 19, 20, 21. В полость статора, образованную втулкой 7, вставляют ротор. На торцевые щиты 14, 15 надевают уплотнительные кольца 22, 23 и устанавливают щиты 14, 15 в корпус 1 электромашины. В торцевой щит 15 (фиг.1) вклеивают кольцевой коаксиальный магнит 42, надевают на вал 29 пяту 36 с вклеенными постоянными магнитами 37, 38, фиксируют гайкой пяту 36, устанавливают крышку 50.

Электромашина работает следующим образом. Охлажденный газ (водород, гелий или воздух) от внешнего компрессора нагнетают через патрубок 54 в кольцевой канал 51 и в полость корпуса 1 электромашины. Далее газ распределяется по осевым вентиляционным каналам 2 в радиальные вентиляционные каналы 49, затем поступает в пазовые вентиляционные каналы 11 и уходит по ним в зоны лобовых частей обмотки статора, собирается в кольцевые каналы 52, 53 вытяжки охлаждающего (нагретого) газа и затем через патрубки 55, 56 удаляют вентилятором в охладитель газа. После охлаждения газ опять поступает в патрубок 54 для охлаждения генератора. Таким образом, обеспечивается независимая эффективная многоструйная вытяжная радиально-осевая вентиляция обмотки и сердечника статора электромашины.

Смазывающий газ от компрессора под давлением заходит через радиальные питающие отверстия 16, 17 в сквозные осевые отверстия 8 и радиальные питающие отверстия 10. Затем смазывающий газ с торцов секций газостатического подшипника собирается в кольцевые проточки 58 и далее через осевые каналы 59 поступает в радиальные магнитные подшипники и в газосборник 60, смешиваясь с охлаждающим газом постоянных магнитов 27. Кроме того, охлажденный и очищенный газ вентилятором через патрубок 61 в щите 14 поступает в каналы 39 охлаждения постоянных магнитов 27, откуда уходит наружу через упорный магнитный подшипник, газосборник 60 и патрубок 61. Работа электромашины не отличается от работы обычных электромашин.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в высокооборотных электромашинах. Технический результат: эффективное охлаждение обмотки и сердечника статора, уменьшение массы и габаритов и повышение ресурса электромашин, в том числе работающих при повышенных и высоких частотах вращения. Конструктивно электромашина выполнена так, как указано в формуле изобретения. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электромашина, содержащая корпус с торцевыми щитами, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки, зафиксированные клиньями пазов, причем в полости статора с возможностью вращения размещен ротор, содержащий индуктор с внешней цилиндрической поверхностью, включающий полюса, постоянные магниты, немагнитные клинья и вал, при этом длина ротора превышает длину индуктора, причем концевые участки ротора выполнены в виде торцевых цилиндрических втулок из немагнитного материала, жестко скрепленных с торцами индуктора, заподлицо с его внешней поверхностью, при этом полость корпуса выполнена с возможностью подвода в нее охлаждающего газа и отвода последнего, для чего внутренняя поверхность корпуса снабжена продольными каналами, сообщенными с радиальными вентиляционными каналами, выполненными между пакетами сердечника статора, отличающаяся тем, что статор выполнен с возможностью независимого проветривания, для чего корпус снабжен, по меньшей мере, двумя патрубками, выполненными с возможностью подвода-отвода охлаждающего газа в объем корпуса, занятый статором, при этом втулка снабжена продольными выступами, число, местоположение и поперечное сечение которых соответствует числу, местоположению и поперечному сечению пазов сердечника статора, в которых выступы втулки размещены, причем между поверхностью выступа и клином паза оставлен пазовый вентиляционный канал, кроме того, в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные из изоляционного материала, например, стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами крайних пакетов сердечника статора, при этом контакт их внешней поверхности с торцевыми щитами снабжен уплотнением, кроме того, стык торцевого щита с корпусом выполнен герметичным, кроме того, электромашина снабжена, по крайней мере, двумя радиальными и одним упорным магнитными подшипниками, для чего на внутренней поверхности торцевых цилиндрических втулок жестко закреплены друг за другом составные постоянные магниты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, нечетные из которых (начиная с крайних) намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием, причем между крайними магнитами и обращенными к ним торцами ротора оставлены немагнитные зазоры, кроме того, поверхности торцевых щитов, выполненных из немагнитного материала, контактирующие с торцами корпуса электромашины, снабжены кольцевыми выступами, выполненными с возможностью их размещения в полостях торцевых цилиндрических втулок, при этом на их внешних поверхностях жестко закреплены друг за другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенных к ним поверхностях торцевых цилиндрических втулок, кроме того, упорный магнитный подшипник содержит пяту и два подпятника, при этом пята выполнена из немагнитного материала, в виде диска, надетого на вал ротора, зафиксированного на нем, например гайкой, размещенной на снабженном соответствующей резьбой конце вала ротора, при этом на противоположных поверхностях пяты выполнены кольцевые выточки с плоским дном, причем в качестве первого подпятника использована свободная поверхность торцового щита, на которой соосно с осью вращения ротора жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, считая с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, кроме того, на обращенной к ним поверхности пяты жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности первого подпятника, при этом второй подпятник выполнен в виде цилиндрического диска из немагнитного материала, выполненного с возможностью его закрепления на кольцевом выступе торцевого щита, кроме того, на поверхности диска, обращенной к пяте, жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенной к ним поверхности пяты.

2. Электромашина по п.1, отличающаяся тем, что в качестве охлаждающего газа обмоток и сердечника статора использован водород или гелий.

3. Электромашина по п.1, отличающаяся тем, что газ, охлаждающий постоянные магниты, использован после его охлаждения, предпочтительно до температуры ниже 123 K.

4. Электромашина по п.1, отличающаяся тем, что ротор выполнен с возможностью его газостатического поддержания, для чего наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма, и он размещен в цилиндрической полости втулки, зафиксированной в полости статора с возможностью подвода газа, для чего в объеме продольных выступов втулки выполнены сквозные продольные отверстия, сообщенные с радиальными питающими отверстиями, открытыми во внутреннюю полость втулки.

5. Электромашина по п.1, отличающаяся тем, что внешние поверхности торцевых втулок, на концах, обращенных к торцевым щитам, снабжены парными уплотнительными кольцами, кроме того, в торцевых щитах выполнены радиальные отверстия, вход которых сообщен с источником смазывающего газа, а выход сообщен с кольцевой канавкой, размещенной между парными уплотнительными кольцами, которая, в свою очередь, сообщена со сквозными продольными отверстиями цилиндрической втулки.

6. Электромашина по п.1, отличающаяся тем, что смазывающий газ использован после его охлаждения, предпочтительно до температуры ниже 123 K.

7. Электромашина по п.1, отличающаяся тем, что щит снабжен патрубком, подключенным к отдельному источнику охлаждающего газа и сообщенным через торцевые участки индуктора с каналами охлаждения его постоянных магнитов, образованными сечением дна пазов и обращенной к ним поверхностью постоянных магнитов, причем у противоположного конца корпуса каналы сообщены с рабочим зазором упорного магнитного подшипника, который, в свою очередь, сообщен со сборником газа.

8. Электромашина по п.2, отличающаяся тем, что зазор между валом ротора и кольцевым выступом торцевого щита снабжен уплотнением.