Результат интеллектуальной деятельности: РОТОРНАЯ СИСТЕМА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в автономных энергоустановках с высокоскоростными генераторами, в том числе в летательных и космических аппаратах.

Известна конструкция микротурбиной системы выработки энергии [патент US №6170251 B1, F02C 7/00, 09.01.2001], содержащая первичный компрессор, электрический генератор и турбину, вращающиеся как единое целое. Горячие газы приводят турбину во вращение, и полученная мощность турбины используется для питания электрического генератора. Микротурбиная система выработки энергии дополнительно содержит вспомогательный компрессор, который приводится в действие турбиной.

Недостатком данной конструкции является значительная теплопередача между валом турбины и валом генератора, что приводит к снижению КПД генератора.

Известен интегрированный микротурбинный редуктор-генератор [патент US №6897578 B1, F02C 6/00, 24.05.2003], содержащий турбину, включающую в себя первый корпус и ротор турбины. Двигатель содержит генератор, состоящий из второго корпуса и ротора генератора. Ротор генератор поддерживается при вращении на низкой скорости низкоскоростным подшипником. Двигатель также включает в себя редуктор, имеющий третий корпус, соединенный с первым корпусом и вторым корпусом, шестерню и низкоскоростной механизм, соединенный с ротором генератора. Вал соединен с ротором турбины и ведущей шестерней.

Недостатком данной конструкции является значительная теплопередача между валом турбины и валом генератора, что приводит к снижению КПД генератора.

Известна микротурбинная система выработки электрической энергии [патент US №6198174 B1, F02C 7/00, 6.03.2001], содержащая электрический генератор, турбину, связующий вал. Турбина, компрессор и электрический генератор соединены посредством связующего вала. Связующий вал обеспечивает сочленение турбины, электрического генератора и во время высокоскоростного, высокотемпературного режима работы системы.

Недостатком данной конструкции является значительная теплопередача и малая жесткость связующего вала.

Известен ротор высокооборотной электрической машины [патент РФ №2382472 C1, Н02К 1/27, H02K 21/14, Н02K 1/28, 20.02.2010], 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 данной конструкции является большой момент инерции и значительная масса ротора, а также его малая жесткость, что приведет к появлению собственной (резонансной) частоты ротора, меньшей частоты вращения ротора.

Известен ротор электрической машины [патент РФ №2212748 С2, Н02К Н02К 1/28, Н02К 21/12, 20.09.2003], 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, в указанных зазорах размещены соответственно выполненные из 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 указанной конструкции является низкая надежность, обусловленная большой массой ротора при недостаточной жесткости, и сложность технологического изготовления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является роторная система магнитоэлектрической машины [патент РФ №2475926 C1, Н02К 16/02, 20.02.2013], содержащая корпус турбинного блока, турбину на валу, установленную в подшипниках, корпус генератора, внешний и внутренний роторы, внешний ротор состоит из равномерно размещенных постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении с чередующейся полярностью, между постоянными магнитами имеются зазоры, в указанных зазорах размещены выполненные из немагнитного неэлектропроводящего материала удерживающие элементы, внешний ротор выполнен в виде пустотелого цилиндра из высокопрочного немагнитного, неэлектропроводящего материала. Недостатком указанной конструкции является низкая надежность, обусловленная применением внешнего и внутреннего роторов, а также сложность конструкции.

Задача изобретения - повышение энергетических характеристик, надежности и долговечности роторной системы магнитоэлектрической машины.

Техническим результатом является минимизация нагрева постоянных магнитов и теплопередачи между валом турбины и валом генератора, а также повышение жесткости и механической прочности системы, благодаря выполнению вала генератора и вала турбины в виде одного цельного полого вала с возможностью прокачки хладагента через его полость и выполнению на конце ротора спиралевидных канавок.

Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается тем, что в роторной системе магнитоэлектрической машины, содержащей корпус турбинного блока, турбину на валу, установленном в подшипниках, корпус генератора, ротор, состоящий из равномерно размещенных постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении с чередующейся полярностью, согласно изобретению турбина и ротор установлены на едином пустотелом валу, с возможностью прокачки хладагента через его полость насосом, установленным со стороны турбины, причем на конце пустотелого вала выполнены спиралевидные канавки, а пустотелый вал с ротором образуют цилиндр постоянного сечения, на внешней поверхности которого установлена бандажная оболочка из высокопрочного немагнитного материала.

Кроме того, согласно изобретению, подшипники могут быть выполнены в виде бесконтактных газовых опор.

Также, согласно изобретению, подшипники могут быть выполнены в виде электромагнитных подшипников.

Также, согласно изобретению, подшипники могут быть выполнены в виде гибридных магнитных подшипников.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез роторной системы магнитоэлектрической машины. На фиг.2 изображен поперечный разрез роторной системы магнитоэлектрической машины. На фиг.3 представлена схема прокачки хладагента (сплошной линией обозначен основной поток хладагента; штрихпунктирной линией обозначен поток хладагента от спиралевидных канавок).

Предложенное устройство содержит (фиг.1) турбину 1, установленную в корпусе турбинного блока 2, корпус генератора 3, жестко сочлененный с корпусом турбинного блока 2, шпильками 4, в корпусе генератора 3 установлен пустотелый вал 5 в подшипниковых узлах 6 и статор 7 с обмотками 8, вал выполнен с возможностью прокачки хладагента через его полость 9, прокачка хладагента обеспечивается введенным насосом 10, установленным со стороны турбины 1, на конце пустотелого вала 5 выполнены спиралевидные канавки 11, на пустотелом валу 5 установлена турбина 1 и ротор, состоящий из равномерно размещенных постоянных магнитов 12, намагниченных в радиальном направлении с чередующейся полярностью, поверх постоянных магнитов 12 установлена бандажная оболочка 13 (фиг.2).

Предложенное устройство работает следующим образом: турбина 1 приводится во вращение струей горячего газа с температурой порядка 1000÷1500°C, при этом ее вращающий момент передается пустотелому валу 5, установленному в подшипниковых узлах 6. Поле постоянных магнитов 12, перемещающихся вместе с пустотелым валом 5, пересекает обмотку 8 статора 7, в которой наводится ЭДС и вырабатывается электрическая энергия.

Так как вал турбины и ротор установлены на единого пустотелом валу 5, то повышается жесткость, надежность и механическая прочность системы магнитоэлектрической машины, но в то же время тепловые потоки от турбины 1 через пустотелый вал 5 передаются на постоянные магниты 12 и снижают их энергетические характеристики (остаточную индукцию и коэрцитивную силу). Для снижения тепловых потоков от турбины 1 к пустотелому валу 5 через полость 9 пустотелого вала 5 прокачивается хладагент, который отсасывается из полости 9 насосом 10, установленным со стороны турбины 1 (фиг.3). При впрыске хладагента в полость 9 пустотелого вала 5 часть хладагента может попасть в воздушный зазор между пустотелым валом 5 с постоянными магнитами 12 и статором 7, и тем самым привести к коррозии магнитов 12, бандажной оболочки 13 и нарушению целостности изоляции обмоток 8. Для предохранения постоянных магнитов 12 и бандажной оболочки 13, а также изоляции обмоток 8 на конце пустотелого вала 5 расположены спиралевидные канавки 11, попадая на которые хладагент, за счет вращения пустотелого вала 5, не поступает в воздушный зазор между постоянными магнитами 12 и статором 7, а поступает только в полость 9 пустотелого вала 5. Постоянные магниты 12 предохраняются от отрыва от пустотелого вала 5 бандажной оболочкой 13.

Таким образом, повышаются энергетические характеристики и надежность роторной системы магнитоэлектрической машины, а также минимизируется нагрев постоянных магнитов и теплопередача между валом турбины и валом генератора, благодаря выполнению вала генератора и вала турбины в виде одного цельного полого вала с возможностью прокачки хладагента через его полость и выполнению на конце вала спиралевидных канавок.

Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить надежность, долговечность и энергетические характеристики роторной системы магнитоэлектрической машины.