Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОМАШИНА

Изобретение относится к области электротехники и, 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 окружной скорости индуктора. Поскольку нагрузочные характеристики подшипниковых узлов не допускают высокие скорости вращения ротора при увеличении его радиального размера.

Наиболее близким к данному изобретению устройством является электромашина, содержащая шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки и ротор, включающий корпус и индуктор, содержащий чередующиеся по периметру полюса и постоянные магниты, и подшипниковый узел (см. патент РФ №2385523, МПК Н02K 5/16, 2010 г.).

Недостатком данного устройства является 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.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является упрощение конструкции, повышение надежности ее работы, при повышенных окружных скоростях индуктора.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении ресурса электромашины, значительном увеличении окружной скорости индуктора, существенном уменьшении трения в подшипниках, использовании наружной поверхности ротора в качестве ступицы электромобиля, гидрогенератора или ветрогенератора.

Поставленная задача решается тем, что электромашина, содержащая шихтованный сердечник статора, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки и ротор, включающий корпус и индуктор, содержащий чередующиеся по периметру полюса и постоянные магниты, и подшипниковый узел, отличается тем, что внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен в цилиндрической полости ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него, при этом пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем катушки обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями, кроме того, сердечник статора выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на опорный корпус, с внешней поверхностью которого сердечник статора жестко скреплен, при этом опорный корпус выполнен в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом, на котором закреплен сердечник статора, при этом опорный корпус надет на неподвижную ось и жестко скреплен с ней, причем корпус ротора содержит обечайку, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью, и две тарелки, выполненные предпочтительно из немагнитного материала, кромки которых разъемно скреплены с соответствующими кромками обечайки, кроме того, индуктор размещен на периферийном участке корпуса ротора и содержит четное количество планок, ориентированных вдоль продольной оси ротора, выполненных из радиально намагниченных постоянных магнитов, равноудаленных друг от друга, предпочтительно чередующихся с планками, выполненными из немагнитного материала, кроме того, внешняя поверхность магнитных планок уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность цилиндрической обечайки корпуса ротора, кроме того, участки тарелок, расположенные вблизи продольной оси статора, снабжены отгибом, выполненным с возможностью фиксации внешней обоймы подшипника, внутренняя обойма которого установлена на участке опорного корпуса, напротив внутренней обоймы подшипника, кроме того, подшипники закрыты крышками, съемно скрепленными с тарелками. Кроме того, одна из крышек выполнена сплошной, а вторая снабжена центрально расположенным отверстием, через которое пропущена неподвижная ось.

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 «внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма, при этом он размещен в цилиндрической полости ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него", позволяет создать машину с внутренним статором и внешним ротором.

Признаки, указывающие, что «пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем катушки обмотки зафиксированы в пазах статора клиньями", позволяют упростить технологию изготовления обмотки статора.

Признаки, указывающие, что "сердечник статора выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на опорный корпус, с внешней поверхностью которого сердечник статора жестко скреплен", позволяют закрепить сердечник статора на опорном цилиндре.

Признак, указывающий, что "опорный корпус выполнен в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом, на котором закреплен сердечник статора", позволяет зафиксировать статор электромашины в необходимом положении в пространстве.

Признак, указывающий, что "опорный корпус надет на неподвижную ось и жестко скреплен с ней", позволяет обеспечить неподвижность опорного корпуса и статора электромашины.

Признаки, указывающие, что "корпус ротора содержит обечайку, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью, и две тарелки, выполненные предпочтительно из немагнитного материала, кромки которых разъемно скреплены с соответствующими кромками обечайки", позволяют использовать обечайку в качестве ярма индуктора, а в совокупности с тарелками - организовать полость для размещения статора электромашины.

Признак, указывающий, что «индуктор размещен на периферийном участке корпуса ротора", позволяет обеспечить большой момент инерции машины и сгладить колебания частоты вращения ротора при колебаниях внутренних и внешних сил.

Признак, указывающий, что индуктор «содержит четное количество планок, ориентированных вдоль продольной оси ротора, выполненных из радиально намагниченных постоянных магнитов, равноудаленных друг от друга, чередующихся с планками, выполненными из немагнитного материала", обеспечивает создание кольцевого индуктора с радиальным намагничиванием.

Признак, указывающий, что «внешняя поверхность магнитных планок уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность цилиндрической обечайки корпуса ротора", обеспечивает необходимую прочность индуктора и предотвращает возможность деформации магнитов индуктора от воздействия центробежных сил.

Признаки, указывающие, что «участки тарелок, расположенные вблизи продольной оси статора, снабжены отгибом, выполненным с возможностью фиксации внешней обоймы подшипника, внутренняя обойма которого установлена на участке опорного корпуса напротив внутренней обоймы подшипника", позволяют обеспечить свободное вращение ротора относительно статора электромашины.

Признак, указывающий, что «подшипники закрыты крышками, съемно скрепленными с тарелками", позволяет обеспечить защиту и обслуживание подшипников.

Признак, указывающий, что «одна из крышек выполнена сплошной, а вторая снабжена центрально расположенным отверстием, через которое пропущена неподвижная ось", позволяет обеспечивать доступ к подшипникам и к неподвижной оси электромашины.

На фиг.1 показан продольный разрез машины по оси вращения, а на фиг.2 - поперечный разрез.

На чертежах показаны опорный корпус 1 статора, сердечник статора 2, пазы 3, катушки 4 обмотки статора, выступ 5, неподвижная ось 6, клинья 7. постоянные магниты 8 и немагнитные клинья 9, обечайка 10, тарелки 11, 12, нажимные листы 13, 14, разрезное кольцо 15, подшипники 16, 17, крышки 18 и 19.

Электромашина содержит опорный корпус 1 статора, шихтованный сердечник статора 2 из электротехнической стали, снабженный пазами 3, в которых размещены катушки 4 обмотки статора, ротор, включающий корпус и индуктор, и подшипниковый узел. Опорный корпус 1 выполнен в виде цилиндрического стакана, средняя часть боковых стенок которого снабжена цилиндрическим выступом 5, на котором закреплен сердечник статора 2.

Во внутреннее осевое цилиндрическое отверстие опорного корпуса 1 статора установлена и зафиксирована неподвижная ось 6, с помощью которой электромашина соединяется с внешним механизмом.

Статор размещен внутри цилиндрической полости ротора, установленного соосно с продольной осью статора, с возможностью вращения вокруг него. Внешней поверхности статора придана цилиндрическая форма. Пазы 3 статора, в которых уложены катушки 4 обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора, причем обмотки зафиксированы в пазах 3 статора клиньями 7. Сердечник статора 2 выполнен с отверстием, соосным с его продольной осью, которым он надет на опорный корпус 1, при этом сердечник статора 2 своей внутренней цилиндрической поверхностью расположен на опорном корпусе 1 и жестко связан с ним.

Ротор включает корпус и индуктор, содержащий чередующиеся по периметру постоянные магниты 8 и немагнитные клинья 9. Корпус ротора содержит обечайку 10, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью, например, из сплава 48КНФ, и две тарелки 11, 12 из немагнитного материала, разъемно скрепленных с обечайкой 10 своими кромками и обращенных друг к другу своими полостями. Индуктор размещен на периферийном участке корпуса 1 ротора, и его постоянные магниты 8 и немагнитные клинья 9 выполнены в виде планок, ориентированных вдоль продольной оси ротора, и установлены с образованием составного кольца с чередованием полярности полюсов магнитов, выполненных из материала неодим-железо-бор и намагниченных радиально. Внешняя поверхность составного магнитно-немагнитного кольца уперта в обращенную к ней внутреннюю поверхность обечайки 10 корпуса ротора. Для повышения прочности ротора на внешнюю поверхность обечайки 10 может быть установлен бандаж, например, путем навивки углеволокна с последующей пропиткой твердеющими синтетическими смолами.

С обеих сторон сердечник статора 2 уперт в нажимные листы 13, 14 и зафиксирован разрезным кольцом 15 на опорном корпусе 1. В электромашине установлены подшипники 16, 17.

Участки тарелок 11, 12, расположенные вблизи к продольной оси статора, снабжены отгибом, выполненным с возможностью фиксации внешней обоймы подшипника 16, 17, внутренняя обойма которого установлена на участке опорного корпуса 1 напротив внутренней обоймы подшипника 16, 17. Кроме того, подшипники 16, 17 закрыты крышками 18 и 19, съемно скрепленными с тарелками 11 и 12. Кроме того, одна из крышек 18 выполнена сплошной, а вторая 19 снабжена центрально расположенным отверстием, через которое пропущена неподвижная ось 6.

Собирают сердечник статора 2 из штампованных листов электротехнической стали, прессуют и сваривают по внутренним канавкам. На опорный корпус 1 надевают левый нажимной лист 13, статор в сборе, правый нажимной лист 14 и фиксируют его разрезным кольцом 15. В пазы 3 сердечника укладывают катушки 4 обмотки статора и вставляют пазовые клинья 7. Далее обмотка статора подвергается пропитке компаундами и сушке.

Во внутреннее осевое цилиндрическое отверстие опорного корпуса 1 статора устанавливают и фиксируют неподвижную ось 6.

Изготавливают обечайку 10 корпуса ротора. Штамповкой изготавливают левую 11 и правую 12 тарелки корпуса ротора.

Изготавливают магниты 8 индуктора из материала неодим-железо-бор и намагничивают их в радиальном направлении. Изготавливают немагнитные клинья 9. Левую тарелку 11 корпуса ротора соединяют винтами с обечайкой 10. В кольцевой канал, образованный обечайкой 10 и периферийным участком левой тарелки 11 корпуса ротора, устанавливают на клей постоянные магниты 8 индуктора с чередованием намагниченности и немагнитные клинья 9 согласно фиг.2. Получается индуктор в виде составного магнитного кольца.

В полость, образованную обечайкой 10 и левой тарелкой 11 корпуса ротора, вставляют опорный корпус 1 в сборе с обмотанным статором и неподвижной осью 6. Устанавливают правую тарелку 12 корпуса ротора и соединяют ее винтами с обечайкой 10. Устанавливают подшипники 16, 17 и закрывают их крышками 18, 19.

Электромашина может работать как синхронная вентильная в режимах генератора и двигателя. Машина возбуждается индуктором из постоянных магнитов 8.

В режиме генератора ротор приводится в движение внешним двигателем, например, ветротурбиной или гидротурбиной. В обмотке статора наводится ЭДС, которую можно использовать непосредственно или после преобразования с помощью полупроводникового преобразователя частоты.

В режиме синхронного двигателя обмотку статора необходимо подключать к внешней сети через полупроводниковый преобразователь частоты. При использовании датчика положения ротора машина может работать как вентильный двигатель.