Электрическая машина "мотор-подшипник

 

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

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИ IECKVIX

РЕСПУБЛИК

1690089 Al (51)5 Н 02 К 5/00, 7/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

I I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (0

О С)

00 О

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4766052/07 (22) 05,12.89 (46) 07.11.91. Бюл. ¹ 41 (71) Научно-производственное объединение

"Химтекстильмаш" (72) А.Г.Шнайдер, M.M.Ôèãìàí, В.Е.Пастернак и Л.М.Коченда (53) 621.313.04 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1298271, кл, 0 01 Н 1/24, 1985.

Шнайдер А.Г. и др. Силовые характеристики радиального мотор-подшипника, Техническая электродинамика, 1986, № 5, с.66 — 69. (54) ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА "МОТОРПОДШ ИП Н И К" (57) 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 машины, подключен воздушный ресивер, 1 ил.

1б90089 антифрикционным материалом с образованием на статоре немагнитного слоя. Статор 30 установлен в корпусе, закрытом торцовыми

40

50 даже повреждением газомагнитной опоры.

Цель изобретения — обеспечение авто- 55

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

Стремление к повышению функциональных возможностей, в частности скоростных характеристик, привело к созданию нового вида электродвигателей "мотор-подшиников", которые сочетают в себе положительные качества электродвигаталей 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 магнитопроводом, в пазы которого уложена распределенная обмотка. В магнит,проводе 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 крышками. Сжатый газ поддавлением 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 электромэгнитных сил притяжения ротора к статору.

Осевой подвес обеспечивается электромагнитным бесконтактным взаимодействием зубцов. 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 номности и повышение надежности устройства.

Укаэанная цель достигается тем, что в электрической машине "мотор-подшипник", содержащей статор в виде шихтован5

25 ного 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 воздухонагнетаталей, установленных по обе стороны стэтора, каждый из которых содержит хотя бы одно нагнетательное колесо, укрепленное на валу и расположенное в расточке торца статора, и направляющий аппара, расположенный на торце расточки, при этом рабочий зазор газомагнитной опоры по обе стороны сообщается с напорными полостями воздухонагнетателей, а к питающим каналам опоры подключен воздушный ресивер через управляемый клапан, который связан с системой пуска электрической машины.

B отличие от известной, в предлагаемой электрической машине источник сжатого воздуха выполнен в виде двух воздухонагнетателей, расположенных по обе стороны статора, каждый воздухонагреватель состоит из нагнетательного колеса и направляющего аппарата, нагнетательные колеса закреплены на валу и расположены в проточках статора, воздухонаправляющие аппараты размещены на торцах статора, рабочий зазор газомагнитной опоры по обе стороны сообщается с напорными полостями воздухонагнетателей, к питающим каналам подключен воздуш н ы и ресивер через управляемый клапан; клапан связан с системой пуска электродвигателя.

Нэгнетательные колеса в сочетании с направляющими аппаратами образуют сдвоенный воздухонагнетатель, подающий сжатый воздух к газомагнитной опоре. При этом воздухонагнетатель является неотъемлемой частью всего устройства (колеса закреплены на роторе, а направляющие аппараты расположены на торцах стэтора).

Таким образом, сама электрическая машина является приводом воздуха нагнетателя.

Иными словами, питание газомагнитной опоры обеспечивается самой электрической машиной и не зависит от внешних условий, Ресивер, подключаемый к питающим каналам опоры через управляемый канал, обеспечивает питание опоры воздухом в момент пуска электрической машины. Пополнение запаса воздуха в ресивере происходит в установившемся режиме работы, На чертеже изображена электрическая машина, осевое сечение, Электрическая машина содержит шихтованный магнитопровод статора 1 в корпусе 2. В пазы магнитопроводэ уложена трехфазная распределенная обмотка 3. В

1690089 цилиндрической рВсТо IKå статора установлен цилиндрический ротор 4, выполненный заодно с валом 5. На 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 кагнетателей, так как колеса установлены в торцовой расточке статора, т.е. в компаунде. В упомянутые расточки установлены направляющие аппараты воздухонагнетателей, выполненные в виде решеток 8, При этом одна иэ 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. Рабо|ий зазор между поверхностями ротора и статора, т,е, рабочий з";:ç.îð газомагки-ной опорь, с обеих сторон сообщается с напорной зоной 14 воздухонагкетателей. На рабочей поверхности ротора выполнены кольцевая проточка 15 и несооб цающиеся с ней и между собой шевронные канавки 16. Питающие каналы газомагкитное опоры г1одключекь K воз душному ресиверу ерез управляемый клапан ".7, связанный с системой пуска электрической машины, .=,лектрическая машина работает следующим образом.

Сжатый газ через управляемый клапан I7, в:.одное отверстие и;;ольцевую расточку

10 в 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 ка слое газовой смазки. После подачи литания в обмотку 3 ротор 4 начинает врагцаться в поле газовых и электромагнитных сил, обеспечивая рабочее движение вала 5 с насаженными на него колесами 6 íà "HBTGTBJIGA, обеспечивающими подачу воздуха в рабочий зазор электрической машины, При этом воздух с давлением Р$ попадает ка лопатки первого колеса б. На выходе с лопаток давление воздуха становит=я Р и он подается на лопатки неподвижной направляющей решетки 8, где формируется новый поток, который направляется ка в орое колесо, На выходе с второго колеса давление воздуха стано5

55 вится P3) и ок подаегся в рабочий зазор газомагнитной опоры через полость 14. Количество ступеней нагнетающей системы обусловлено давлением, î опое необходимо создать на входе в рабочий зазор опоры, и определяется по приведенным зависимостям. Подостижении ротором 4 ястоты вращения, обеспечивающей достаточный расход и давление наддува воздуха для создания 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 атмосферу, Величина порогового значения определяется по зависимостям, приведенным ниже.

Радиальный магкитогазодинамический подвес ротора обеспечивается взаимодействием подъемных сил слоя азовой смазки, т.е. сжатого воздуха, нагнетакицейся в зазор между ротором и статорпм, и электромагнитных сил притяжения ротора к статору, создаваемых рабочим электромагнитным полем статора.

Устойчивость радиального подвеса ротора обуславливается наличием немагниткого слоя 13 на поверхности статора, обращенной к ротору, Этот слой обеспечивает разделение за-ора на ма нитный и газовый, "ðè÷åì магнитный складывается из величины газового зазора и толщины немагнитного слоя 13, B осевом направлении электромагнитный подвес ротора обеспечивается бесконтактным взаимодействием кольцевых зубцов 11, выполняемых на о6ращеннь х одна к другой поверхностях ротора и статора.

Шевронные канавки 16, выполненные на наружной поверхности ротора, обеспечивая дополнительное дросселирование потока газовой смазки, обуславливают повышение жесткости магнитогазодинамического подвеса при неизменном давлении наддува, Таким образом, наличие канавок позволяет обеспечить необходимую жесткость подвеса при сниженном давлении наддува. Канавка на роторе обеспечивает свободнь и проток сжатого газа из зазора и сокращает застойную зону на выходе.

При изменении направления вращения ротора электрическая машина сохраняет работоспособность. При этом газовая смазка всасывается через отверстие в кор-. пусе 2 и радиальньlQ каналы 9 в рабочий зазор и вь.брасывается через расточки 7 в корпусах.

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

1690089

Q л Гг Kvz 02бг фгг 02. (м /с)

3 где и=3,14; t= 0,8 — 0,9;

К г — коэффициент сжимаемости, равный отношению плотности на выходе и вха дЕ, т.Е. Kvz =- —, pr

/Ъ

Kv2 = 1,4 при Š— =-1,5 р<

Kvz=1,77 при — =2;

02 — диаметр колеса на выходе, м;

Ьг — ширина лопаток на выходе из колеса, м

Π= 0,02 — 0,07;

Ог %2 — коэффициент расхода; принимается рг = 0,28 при установке лопаток на выходе Pz-90 ;

Uz= 60 м/с, окружная скорость на

xDz n диаметре; и — частота вращения колеса, об/мин.

Отношение давлений в ступени определяется выражением

= f " + (1 + Pnp + Prp) (K2

«Рг»

Рн ,k а erg к — у

2 U2 ><2 Kvz b2 K R T

)) где Рг, Рн — давление на выходе и входе е колесо

Pnp +Pip =

= (0,12 + 0,18/Рцг)/(1000 - Рг), рог можно принять 0,86 при pz = 900;

Kz= 1 — (— ) singe;

Л

Гг г2 — число лопаток (8 — 20);

k — показатель адиабаты (для воздуха

1,4);

Тн — температура на входе в ступень;

R — газовая постоянная, для воздуха

287 Дж/кг К; п0л — политропный коэффициент полезного действия равен 0,7 — 0,85.

Затраты на сжатие газа можно ориентировочно определить выражением

Ьзд К™ % т е 1(1 1 кг где Ьд — 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 вращения устойчивость падает и для ее увеличения необходимо увеличение

5 давления наддува, обеспечиваемое внешним источником питания.

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

10 обьединяет в одном конструктивном узле . функции электрической машины и магнитогазодинамической опоры, причем конструкция содержит один рабочий зазор — зазор электрической машины и магнитогазодииа15 мической опоры.

Однако предлагаемая электрическая машина превосходит известную в том, что. она представляет собой автономную систему с однородным источником питания, а из20 вестной 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

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

30 Таким образом, предлагаемая конструкция электрической машины "мотор-подшипника" обеспечивает автономность и надежность ее работы при одновременном повышении жесткости газомагнитного под35 веса ротора.

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

40 распределенной обмоткой и ротор, установленный в статоре на газомагнитной опоре,, связанной с источником сжатого воздуха, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и обеспечения ав45 тономности, источник сжатого воздуха выполнен в виде двух воздухонагнетателей, установленных по о6е стороны статора, каждый из которых содержит по меньшей мере одно нагнетательное .олесс, у;:ре".

50 ленное 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

55 полостями воздухонагнетателей, а к питающим каналам опоры подключен воздушный ресивер через управляемый клаган, связанный с системой пуска электрической машины,