Электрическая машина "мотор-подшипник Советский патент 1991 года по МПК H02K5/00 H02K7/08 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции электродвигателей, которые могут, использоваться в качестве электроприводной части высокоскоростных рабочих органов разнообразных ма- шин, которые работают преимущественно в условиях отсутствиятюстоянного источника сжатого газа.

Стремление к повышению функциональных возможностей, в частности скоростных характеристик, привело к созданию нового вида электродвигателей мотор-под- шиников, которые сочетают в себе положи- тельные качества электродвигателей и газостатистических опор вращения. Имеются конструкции радиальных, упорных и радиально-упорных мотор-подшипников.

Наиболее близким среди известных является мотор-подшипник радиального типа, включающий статор с шихтованным магни- топроводом, в пазы которого уложена распределенная обмотка. В магнитопроводе выполнены радиальные каналы, обеспечивающие подвод сжатого газа в рабочий зазор между статором и ротором. Последний выполнен массивным, а на рабочих поверхностях ротора и статора выполнены кольцевые зубцы, залитые немагнитным антифрикционным материалом с образованием на статоре немагнитного слоя. Статор: установлен в корпусе, закрытом торцовыми крышками. Сжатый газ под давлением подается сквозь питатели в магнитопроводе в рабочий зазор между ротором и статором. Ротор всплывает на слое газовой смазки. После подачи напряжения в обмотку ротор начинает вращаться. Устойчивый радиальный подвес ротора обеспечивается взаимодействием подъемных сил слоя газовой смазки и электромагнитных сил притяжения ротора к статору. Осевой подвес обеспечивается электромагнитным бесконтактным взаимодействием з убцов ротора и статора.

Недостатками конструкции являются необходимость подачи сжатого газа от внешнего источника питания в течение всего времени работы электрической машины, что часто связано с техническими трудностями, а иногда и невозможно. Иными словами, устройство не может работать в автономном режиме. Кроме того, любой сбой в подаче воздуха грозит отказом или даже повреждением газомагнитной опоры.

Цель изобретения - обеспечение автономности и повышение надежности устройства.

Указанная цель достигается тем, что в электрической машине мотор-подшипник, содержащей статор в виде шихтованного магнитопровода с трехфазной распределенной обмоткой и ротор, установленный в статоре посредством газомагнитной опоры, рабочий зазор которой связан с источником сжатого воздуха, источник сжатого воздуха выполнен в виде двух воздухонаг- нетаталей, установленных по обе стороны статора, каждый из которых содержит хотя бы одно нагнетательное колесо, укреплен0 ное на валу и расположенное в расточке торца статора, и направляющий аппарат, расположенный на торце расточки, при этом рабочий зазор газомагнитной опоры по обе стороны сообщается с напорными

5 полостями воздухонагнетателей, а к питающим каналам опоры подключен воздушный ресивер через управляемый клапан, который связан с системой пуска электрической машины.

0 В отличие от известной, в предлагаемой электрической машине источник сжатого воздуха выполнен в виде двух воздухонагнетателей, расположенных по обе стороны статора, каждый воздухонагреватель состо5 ит из нагнетательного колеса и направляющего аппарата, нагнетательные колеса закреплены на валу и расположены в проточках статора, воздухонаправляющие аппараты размещены на торцах статора,

0 рабочий зазор газомагнитной опоры по обе стороны сообщается с напорными полостями воздухонагнетателей, к питающим каналам подключен воздушный ресивер через. управляемый клапан; клапан связан с систе5 мой пуска электродвигателя.

Нагнетательные колеса в сочетании с направляющими аппаратами образуют сдвоенный воздухонагнетатель, подающий сжатый воздух к газомагнитной опоре. При

0 этом воздухонагнетатель является неотъемлемой частью всего устройства (колеса закреплены на роторе, а направляющие аппараты расположены на торцах статора). Таким образом, сама электрическая машина

5 является приводом воздухе нагнетателя. Иными словами, питание газомагнитной опоры обеспечивается самой электрической машиной и не зависит от внешних условий. Ресивер, подключаемый к питающим кана0 лам опоры через управляемый канал, обеспечивает питание опоры воздухом в момент пуска электрической машины. Пополнение запаса воздуха в ресивере происходит в установившемся режиме работы,

5 На чертеже изображена электрическая машина, осевое сечение.

Электрическая машина содержит шихтованный магнитопровод статора 1 в корпусе 2. В пазы магнитопровода уложена трехфазная распределенная обмотка 3. В

цилиндрической расточке статора установлен цилиндрический ротор 4, выполненный заодно с валом 5. Нг последнем по обе стороны ротора закреплены нагнетательные колеса 6, не менее чем по одному с каждой стороны. Для обеспечения достаточного давления воздухонагнетатели снабжают двумя колесами (как показано на чертеже). Лобовые части обмотки залиты компаундом 7, который образует корпус нагнетателей, так как колеса установлены в торцовой рас- точко статора, т.е. в компаунде. В упомянутые расточки установлены направляющие аппараты воздухонагнетателей, выполненные Е виде решеток 8. При этом одна из решеток(ближняя к статору) закреплена на торце расточки. В теле магнитопровода выполнены радиальные каналы 9, обеспечивающие подвод газовой смазки при пуске устройства и отвод ее при вращении на рабочих скоростях. Эти каналы связаны между собой кольцевой расточкой 10 в корпусе. На рабочих поверхностях ротора и статора выполнены кольцевые зубцы 11, залитые немагнитным антифрикционным материалом 12 с образованием на статоре немагнитного слоя 13. Рабочий зазор между поверхностями ротора и статора, т.е. рабочий зазор газомагнитной оперы, с обеих сторон сообщается с напорной зоной 14 воздухо- нап етателей. На рабочей поверхности ротора выполнены кольцевая прогонка 15 и несообща ющиеся с ней и между собой шевронные канавки 16. Питающие каналы газомагнитной опоры подключены к воздушному ресиверу через управляемый клапан / , связанный с системой пуска электрической машины.

Электрическая машина работает следующим образом.

Схатый газ через управляемый клапан 17, вгэ дное отверстие и кольцевую расточку 10 а корпусе 2, радиальные каналы 9 и кольцевую проточку 15 на роторе 4 подается в рабочий зазор между ротором и статором, При этом ротор 4 всплывает на слое газовой смазки. После подачи литания в обмотку 3 ротор 4 начинает вращаться в поле газовых и электромагнитных сил, обеспечивая рабо- чез движение вала 5 с насаженными на него колесами 6 нагнетателей, обеспечивающими подачу воздуха в рабочий зазор электрической машины. При этом воздух с давлением PI попадает на лопатки первого колеса 6. На зыходе с лопагок давление воздуха становится Р2 и он подается на ло- патк и неподвижной направляющей решетки 8, где формируется новый поток, который направляется на второе колесо. На выходе с второго колеса давление воздуха становится РЗ, и он подаеюч п ра&очий зазор газомагнитной опоры через полость 14. Количество ступеней нагнетающей системы обусловлено давлением, которое необходимо создать на входе в рабочий зазор опоры, и определяется по приведенным зависимостям. По достижении ротором 4 частоты вращения, обеспечиваюа(ей достаточный расход и давление наддува воздуха для со0 здания магнитогазодинамической опоры, клапан 17 отключает внешний источник ресивера и обеспечивает свободный выход сжатого воздуха через радиальные каналы 9 и выходное отверстие в корпусе 2 в атмос5 феру. Величина порогового значения определяется по зависимостям, приведенным ниже.

Радиальный магнитогазодинамический подвес ротора обеспечивается взаимодей0 ствием подъемных сил слоя газовой смазки, т.е. сжатого воздуха, нагнетающейся в зазор между ротором и статором, и электромагнитных сил притяжения ротора к статору, создаваемых рабочим элекгромаг5 нитным полем статора.

Устойчивость радиального подвеса ротора обуславливается наличием немагнитного слоя 13 на поверхности статора, обращенной к ротору. Этот слой обеспечи0 вает разделение зазора на магнитный и газовый, причем магнитный складывается из величины газового зазора и толщины немагнитного слоя 13, В осевом направлении электромагнитный подвес ротора обеспечи5 вается бесконтактным взаимодействием кольцевых зубцов 11.выполняемых на обращенных одна к другой поверхностях ротора и статора.

Шеаронные канавки 16, выполненные

0 на наружной поверхности ротора, обеспечивая дополнительное дросселирование потока газовой смазки, обуславливают повышение жесткости магнитогазодинамиче- ского подвеса при неизменном давлении

5 наддува. Таким образом, наличие канавок позволяет обеспечить необходимую жесткость подвеса при сниженном давлении наддува. Канавка на роторе обеспечивает свободный проток сжатого газа из зазора и

0 сокращает застойную зону на выходе.

При изменении направления вращения ротора электрическая машина сохраняет работоспособность. При этом газовая смазка всасывается через отверстие в кор-.

5 пусе 2 и радиальные каналы 9 в рабочий зазор и выбрасывается через расточки 7 в корпусах.

Оценочный расчет расхода газовой смазки, обеспечивающийся одной ступенью, можно провести по выражению

Q ЯГ2 Kv2 D2t)2 U2. мь /С

где я 3,14; r 0,8- 0,9;

Kva коэффициент сжимаемости, равный отношению плотности на выходе и вхоfle,T.e.Kv2 g .

Ку2«1,4при -1.5

,77при 2;

Da - диаметр колеса на выходе, м; 02 - ширина лопаток на выходе из колеса, м

Ь2

Ш

0,02 - 0,07;

рп коэффициент расхода, принимается ръ 0,28 при установке лопаток на выходе fk - 90°;

7TD2 П

U2 -60

м/с, окружная скорость на

диаметре;

п - частота вращения колеса, об/мин.

Отношение давлений в ступени определяется выражением

1+(1+/Зпр+Ар) ctgfo(K - 1 )Ц% . D2 U2 Я Г2 KV2 Ь2 К R Т„ JJ

где Р2, Рн - давление на выходе и входе е колесо

+

(0,12 + 0,)/( ЮОО р , можно принять 0,86 при Дг 90°; К2 1-ф81п#;

Г2 - число лопаток (8 - 20);

k - показатель адиабаты (для воздух 1,4);

Тн - температура на входе в ступень;

R - газовая постоянная, для воздуха 287 Дж/кг К;

J/пол - политропный коэффициент полезного действия равен 0,7 - 0,85.

Затраты на сжатие газа можно ориентировочно определить выражением

i RT ( k i ( ±- Д -zrj (gk-1 ..

где Цд - удельная работа адиабатического сжатия в ступени.

Как видно из приведенных выражений, расход газовой смазки и давление наддува возрастают с увеличением частоты вращения ротора, а значит, в предлагаемой машине жесткость, а следовательно, и устойчивость магнитогазодинамического подвеса растут с увеличением частоты вращения ротора. Это отличает предлагаемую машину от известной, так как в ней с ростом скорости воащения устойчивость падает и для ее увеличения необходимо увеличение

давления наддува, обеспечиваемое внешним источником питания.

Предлагаемая электрическая машина мотор-подшипник сохраняет все положительные качества известного устройства, так как

объединяет в одном конструктивном узле функции электрической машины и магнито- газодинамической опоры, причем конструкция содержит один рабочий зазор - зазор электрической машины и магнитогазодинамической опоры.

Однако предлагаемая электрическая машина превосходит известную в том, что она представляет собой автономную систему с однородным источником питания, а известной машине необходима подача электроэнергии и сжатого газа. Причем затраты на подачу сжатого газа от внешнего источника питания с учетом КПД пневмонасоса и потерь в трубопроводе превышает

затраты на наддув газовой смазки в предлагаемом техническом решении. Кроме того, автономность предлагаемой конструкции расширяет сферу применения электрической машины.

Таким образом, предлагаемая конструкция электрической машины мотор-подшип- ника обеспечивает автономность и надежность ее работы при одновременном повышении жесткости газомагнитного подвеса ротора.

Формула изобретения Электрическая машина мотор-подшипник, содержащая статор в виде шихтованного магнитопровода с трехфазной

распределенной обмоткой и ротор, установленный в статоре на газомагнитной опоре связанной с источником сжатого воздуха, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и обеспечения автономности, источник сжатого воздуха выполнен в виде двух воздухонагнетйтелей, установленных по обе стороны статора, каждый из которых содержат по меньшей мере одно нагнетательное /опесс, .среп

ленное на валу и расположенное а расточке торца статора, и направляющий аппарат, расположенный на торце расточки, при этом рабочий зазор газомагнитной опоры по обе стороны сообщается с напорными

полостями воздухонагнет а гелей, а к питающим каналам опоры подключен воздушный ресивер через управляемый клапан, связанный с системой пуска электрической машины,

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения состоит в повышении надежности и обеспечении автономности. Электрическая машина содержит статор 1 с трехфазной обмоткой 3, в котором на газомагнитной опоре установлен ротор 4 Ротор снабжен по меньшей мере двумя нагнетательными колесами 6, расположенными по обе стороны статора в его расточках с образованием направляющего аппарата 8 для воздуха, связанного каналами 9 с рабочим зазором газомагнитной опоры. При этом к каналам через управляемый клапан 17, связанный с системой пуска электрической машин ы;подключен воздушный ресивер. 1 ил 3 « (Л С о ю о о со о