Торцовая электрическая машина со встроенным тормозным устройством

Изобретение относится к электротехнике, а именно к торцовым электрическим машинам с однодисковым ротором и однодисковым статором, и решает задачу оснащения электрических машин этого типа надежным встроенным тормозным устройством, обеспечивающим остановку ротора после отключения питания обмотки возбуждения. Диск ротора сопряжен с валом ротора посредством шлицевого соединения, допускающего осевое смещение диска ротора относительно вала. Тормозное устройство, размещенное на одном из несущих щитов корпуса электрической машины, снабжено регулировочными элементами, позволяющими устанавливать диск ротора в требуемом положении внутри кольцевой полости машины и регулировать усилие тормозной пружины. Для установки магнитопровода статора, отделенного от магнитопровода ротора воздушным зазором, используются фасонные опоры, жестко связанные с магнитопроводом статора и имеющие возможность смещения относительно несущего щита, на котором их закрепляют после установки требуемой величины воздушного зазора. Технический результат - малые габариты, простота в обслуживании и надежность в эксплуатации. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к торцовым электрическим машинам с однодисковым ротором и однодисковым статором. Оно может найти широкое применение в тех отраслях промышленности, в которых используется оборудование, требующее быстрого торможения приводного вала после отключения машины от электросети, а также на транспорте и в грузоподъемных механизмах.

Известные торцовые электрические машины с однодисковым ротором, например [1-2], не имеют встроенных тормозных устройств, которые срабатывали бы при отключении электропитания обмотки статора и вызывали торможение вращающихся по инерции инерционных масс, связанных с валом ротора. Необходимость же быстрой остановки ротора электродвигателя может быть вызвана как причинами технологического характера, например, при использовании электропривода в текстильной и легкой промышленности или на транспорте, так и в связи с требованиями техники безопасности при эксплуатации электроприводных устройств в различных отраслях промышленности.

Известен также электропривод для повторно-кратковременного режима работы [3], содержащий асинхронный торцовый электродвигатель и электромагнитные муфты сцепления и торможения. Этот электропривод применяется при необходимости частых повторных включений и отключений выходного вала, что характерно, в частности, для работы швейного оборудования. Особенностью электропривода является непрерывное вращение ротора электродвигателя. Достоинства этого электропривода достигаются за счет усложнения конструкции по сравнению с торцовыми электрическими машинами, не имеющими устройств включения-отключения, и использования электромагнитных муфт сцепления и торможения.

Вместе с тем известны электрические машины, содержащие встроенные тормозные устройства, включающиеся в режим торможения при отключении электропитания обмотки статора. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является электрическая машина со встроенным тормозным устройством [4] для ее быстрой остановки. Ее тормозное устройство содержит тормозную накладку, закрепленную на подшипниковом щите, и якорь, выполненный в виде кольца, охватывающего короткозамыкающее кольцо ротора, установленный с возможностью перемещения на валу между ротором и тормозной накладкой. При этом якорь в обесточенном состоянии машины прижат к тормозной накладке пружиной, размещенной на выходном валу между основанием якоря и ротором. Конструкция тормоза предназначена к использованию в электрических машинах традиционной цилиндрической формы исполнения. Для растормаживания ротора электрической машины вследствие притяжения якоря тормозного устройства к ротору используется не весь магнитный поток, а только его часть, ответвляющаяся в якорь, т.е. поток рассеяния.

Усилие пружины, которое преодолевается силой притяжения якоря к ротору, определяется этой частью магнитного потока. Поскольку она невелика по сравнению с основным магнитным потоком, то усилие пружины, используемой для прижатия якоря к тормозной накладке в режиме торможения, может оказаться недостаточным для создания необходимых сил трения между поверхностями якоря и тормозной накладки и соответствующего тормозного момента для быстрой остановки ротора. Кроме того, диаметр тормозной накладки, соосной с валом ротора в электрической машине цилиндрической формы исполнения, не превышает диаметра ротора. Вследствие этого для создания достаточного тормозного момента требуется большое усилие прижатия контактирующих поверхностей якоря и тормозной накладки. При небольшом усилии пружины, конструктивные параметры которой определяются магнитным потоком рассеяния, ответвляющимся в якорь, достаточно быстрое затормаживание ротора может оказаться недостижимым. Использование же в этой конструкции вспомогательных элементов в виде штифтов, установленных на внутренней стороне короткозамыкающего кольца обмотки ротора и взаимодействующих с поверхностями фасонных выемок, выполненных на внутреннем кольце якоря, приводит к усложнению конструкции тормозного устройства и может не обеспечить создания требуемого усилия прижатия контактирующих поверхностей основания якоря и тормозной накладки. Недостатком предложенного тормозного устройства является его применение только в нереверсивном электроприводе. В этом изобретении отсутствуют также устройства для регулировки усилия прижатия пружины тормозного устройства.

Заявляемое изобретение решает задачу создания электрической машины торцовой формы исполнения с однодисковым ротором при любом направлении его вращения, оснащенной более надежным по сравнению с прототипом встроенным тормозным устройством, а также повышения эксплуатационной надежности электрической машины в целом и упрощения ее конструкции.

Это достигается тем, что в торцовой электрической машине, содержащей сборный корпус, состоящий из двух жестко соединенных между собой несущих щитов и образующих центральную кольцевую полость, внутри которой на одном несущем щите закреплен магнитопровод статора с обмоткой возбуждения, а на другом размещено тормозное устройство, однодисковый ротор со ступицей, несущий магнитопровод с короткозамкнутой обмоткой, отделенный воздушным зазором от магнитопровода статора, пустотелый вал ротора, подшипниковые узлы, снабженной регулировочными устройствами для изменения величины воздушного зазора между рабочими поверхностями магнитопроводов статора и ротора, в отличие от прототипа ступица диска ротора и вал ротора сопряжены между собой через шлицевое соединение, допускающее осевое смещение диска ротора относительно вала ротора, тормозная накладка установлена на щите корпуса электрической машины посредством регулировочных упоров, каждый из которых содержит ступенчатый валик, цилиндрический выступ которого входит во внутреннюю расточку щита, регулировочную гайку и контргайку для закрепления упора в щите, причем тормозная накладка жестко связана с цилиндрическим выступом валика изнутри кольцевой полости корпуса электрической машины, а регулировочная гайка охватывает наружную часть валика и ограничена от осевого смещения относительно него посредством шайбы и стопорного кольца. Пружина тормозного устройства охватывает ступицу диска ротора и размещена в наружной цилиндрической полости щита корпуса электрической машины, несущего регулировочные упоры тормозной накладки. При этом один торец пружины прижат к подвижному кольцу упорного подшипника, установленного в цилиндрической полости щита, а другой торец пружины через опорное кольцо прижат к внутреннему кольцу радиально-упорного подшипника, установленного на ступице диска ротора и удерживаемого от осевого смещения регулировочной гайкой с контргайкой, навернутыми на концевой участок ступицы диска ротора.

Вовнутрь цилиндрической полости несущего щита корпуса электрической машины запрессовано неподвижное кольцо, охватывающее пружину тормозного устройства, а на наружном кольце радиально-упорного подшипника установлена связанная с ним кольцевая втулка, имеющая возможность свободного осевого перемещения внутри цилиндрической полости щита, причем между торцами неподвижного кольца и втулки в обесточенном состоянии электрической машины установлен воздушный зазор, величина которого меньше величины воздушного зазора между поверхностями магнитопроводов статора и ротора на величину рабочего зазора между этими поверхностями во время вращения ротора.

На торцовой плоскости диска ротора со стороны тормозной накладки жестко закреплена кольцевая закаленная пластина, находящаяся в плотном контакте с тормозной накладкой в обесточенном состоянии электрической машины.

Вал ротора, связанный со ступицей диска ротора посредством шлицевого соединения, опирается на подшипники, один из которых (радиально-упорный) охватывает ступицу диска ротора и его внутреннее кольцо и служит опорой для пружины, а второй (радиальный) размещен в несущем щите, на котором установлен магнитопровод статора, и исключает осевое смещение вала ротора.

Магнитопровод статора на несущем щите корпуса машины закреплен посредством фасонных опор, имеющих форму пластин, жестко связанных с магнитопроводом статора и опирающихся на концы установочных винтов, ввернутых в щит с наружной стороны, причем каждая опора имеет в своей средней части цилиндрический выступ с концевым резьбовым участком, который входит в отверстие щита и служит для фиксации опоры относительно щита в результате затяжки резьбового соединения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан общий вид торцовой электрической машины со встроенным тормозным устройством и ее продольный разрез.

Сборный корпус электрической машины состоит из жестко связанных между собой несущих щитов 1 и 2, образующих центральную кольцевую полость. Внутри этой полости на щите 1 посредством группы опор 3 установлен магнитопровод 4 статора с m-фазной обмоткой возбуждения. Опоры 3 к магнитопроводу 4 присоединены жестко и образуют единую конструкцию. Ротор электрической машины состоит из центрального диска 5 со ступицей 6 и вала 7 ротора, которые сопряжены между собой посредством шлицевого соединения 8, допускающего осевое смещение диска ротора относительно вала. Внутри кольцевой расточки ротора размещен его магнитопровод 9 с короткозамкнутой обмоткой, отделенный в обесточенном состоянии электрической машины от магнитопровода 4 статора воздушным зазором Δ₁. Для установки зазора Δ₁ между рабочими поверхностями магнитопроводов 4 и 9 в обесточенном состоянии машины служат установочные винты 10 с контргайками 11, а также цилиндрические выступы 12 опор 3 магнитопровода 4 статора, снабженные резьбовыми участками и входящие в отверстия несущего щита статора. Резьбовые участки этих выступов снабжены гайками 13 с элементами их стопорения после затяжки резьбовых соединений. На диске ротора со стороны тормозной накладки закреплена кольцевая закаленная пластина 14, плотно прилегающая в обесточенном состоянии машины к тормозной накладке 15, имеющей стальную подложку 16 и жестко связанной со ступенчатыми валиками 17 регулировочных упоров. Каждый регулировочный упор помимо валика 17 содержит гайку 18, контргайку 19, шайбу 20 и стопорное кольцо 21. Причем гайка 18, ввернутая в стенку несущего щита 2, подвижно сопряжена с валиком 17, но не имеет осевого смещения относительно валика. Цилиндрический выступ 22 каждого валика 17 входит в соответствующую кольцевую расточку несущего щита 2, обеспечивая тем самым неподвижность тормозной накладки 15.

Базирование вала 7, связанного шлицевым соединением 8 со ступицей 6 диска 5 ротора, в несущих щитах 1 и 2 корпуса электрической машины осуществляется посредством радиального подшипника 23, установленного в стенке щита 1 с помощью стакана 24 и крышки 25, и радиально-упорного подшипника 26, охватывающего ступицу 6 диска ротора и размещенного в наружной цилиндрической полости щита 2. Внутри этой полости установлен упорный подшипник 27 и размещена пружина 28 тормозного устройства. Один торец пружины (на чертеже - левый) поджат к подвижному кольцу упорного подшипника 27, а другой - посредством установочного кольца 29 - к внутреннему кольцу подшипника 26. Вовнутрь наружной цилиндрической полости щита 2 запрессовано неподвижное кольцо 30, охватывающее пружину 28, а на наружном кольце радиально-упорного подшипника 26 размещена втулка 31, имеющая возможность осевого смещения вместе с подшипником 26. В обесточенном состоянии электрической машины между торцами кольца 30 и втулки 31 установлен воздушный зазор Δ₂. Для фиксации этого зазора служат гайка 32 и контргайка 33, а для его контроля в стенке цилиндрической полости выполнено резьбовое отверстие, закрываемое резьбовой пробкой 34.

С целью охлаждения нагревающихся элементов в конструкции машины предусмотрена самовентиляционная система охлаждения, которая включает сеть вентиляционных каналов и полостей, сопряженных между собой и окружающей атмосферой. При этом для перемещения охлаждающих потоков внутри центральной кольцевой полости машины диск ротора снабжен вентиляционными лопатками 35, 36, а для подвода охлаждающих воздушных масс внутрь центральной кольцевой полости используются отверстия, выполненные в стенках щитов корпуса электрической машины и стенке пустотелого вала 7 ротора (на чертеже входные отверстия не показаны). Для выброса нагретого воздуха из центральной кольцевой полости корпуса электрической машины предусмотрены окна 37, 38, выполненные на периферийных стенках несущих щитов.

Пустотелый вал 7 ротора имеет два внутренних шлицевых участка 39, 40 и один наружный участок 41, предназначенные для соединения с исполнительными механизмами.

Электрическая машина работает следующим образом.

При подключении электрической машины к сети в обмотках магнитопровода статора возникает пусковой ток, превышающий номинальный ток рабочего режима работы машины, в результате чего возникает сильное магнитное поле, под действием которого диск ротора со ступицей совершает осевое смещение по шлицам вала ротора в сторону магнитопровода статора и отходит от тормозной накладки 15. При этом происходит дополнительное сжатие пружины 28. Втулка 31, связанная с наружным кольцом подшипника 26, перемещается и своим торцом упирается в торец кольца 30. Зазор Δ₂ исчезает, а между рабочими поверхностями магнитопроводов 4 и 9 устанавливается рабочий зазор Δ, равный разности зазоров Δ₁ и Δ₂, который сохраняется в процессе вращения ротора под действием вращающегося магнитного поля, так как при малой величине зазора Δ сила притяжения магнитопровода 9 ротора к магнитопроводу 4 статора достаточна для удержания ротора в рабочем положении. Этому соответствует зазор между пластиной 14 диска ротора и тормозной накладкой 15, равный величине Δ₂.

При отключении электропитания обмотки статора от сети магнитный поток, удерживающий ротор в рабочем положении, исчезает. Вследствие этого пружина 28 вызывает осевое смещение диска ротора 5 со ступицей 6 в сторону тормозной накладки 15 на величину Δ₂. В результате трения поверхностей сопряжения пластины 14 диска ротора и тормозной накладки 15, прижатых усилием пружины 28, происходит остановка ротора. Этому соответствует осевой зазор Δ₂ между торцами кольца 30 и втулки 31.

Подшипник 23, установленный в стенке несущего щита 1, удерживает вал ротора от осевого смещения. Этот подшипник не испытывает действия осевых сил, что способствует повышению ресурса электрической машины.

Установку начального усилия поджатия пружины 28, соответствующего зазору Δ₂ между кольцом 30 и втулкой 31, производят с помощью гайки 32 и контргайки 33, навернутых на концевой резьбовой участок ступицы 6 диска 5 ротора.

По мере износа тормозной накладки 15 зазор Δ₂ увеличивается. Для компенсации этого износа используют регулировочные упоры тормозной накладки. Контргайки 19 этих упоров отвертывают, гайки 18 ввертывают в стенку несущего щита 2 корпуса машины на нужную величину, вызывая тем самым осевое смещение диска 5 ротора со ступицей 6 до достижения необходимого значения зазора Δ₂, контролируемого через отверстие в стенке цилиндрической полости несущего щита, впоследствии закрываемого резьбовой пробкой 34. Выполнив необходимую регулировку, контргайки 19 затягивают.

Установку зазора Δ₁ между поверхностями магнитопроводов 4 и 9 осуществляют в следующей последовательности. Если зазор Δ₁ необходимо уменьшить, ослабляют затяжку гаек 13 опор 3 магнитопровода 4 статора и контргаек 11 установочных винтов 10. Вслед за этим путем ввертывания установочных винтов 10 в стенку несущего щита 1 вызывают смещение магнитопровода 4 вовнутрь кольцевой полости электрической машины на требуемую величину. После установки необходимого значения зазора Δ₁, контролируемого мерными щупами через окна 37 на периферийных стенках несущих щитов, производят затяжку контргаек 11 и гаек 13.

При необходимости увеличения зазора Δ₁ затяжку гаек 11 и гаек 13 ослабляют, установочные винты 10 вывертывают на величину, соответствующую нужному смещению магнитопровода 4 статора, после чего гайки 13 довертывают на резьбовые участки цилиндрических выступов 12 опор 3 магнитопровода 4, вызывая смещение последнего в сторону щита 1 до упора его опор 3 в концы установочных винтов 10. По достижении требуемого значения зазора Δ₁ контргайки 11 и гайки 13 затягивают.

Опоры 3 магнитопровода 4 статора достаточно просты по конструкции и позволяют выравнивать значение воздушного зазора Δ₁ относительно рабочей плоскости магнитопровода 9 ротора на всем протяжении его окружности.

Наличие открытых полостей между опорами 3, основанием магнитопровода 4 и щитом 1 статора обеспечивает интенсивное охлаждение магнитопровода 4 и его обмотки возбуждения в результате свободного прохождения охлаждающих воздушных потоков, поступающих вовнутрь кольцевой полости машины и приводимых в движение в направлении от центра к периферии вентиляционными лопатками 35, 36 диска ротора.

Тормозное устройство электрической машины приводится в действие пружиной, усилие которой зависит не от магнитного потока рассеяния, ответвляющегося в якорь тормоза, как в прототипе, а от полного магнитного потока, пронизывающего рабочий воздушный зазор электрической машины. Вследствие этого, при прочих равных условиях, усилие пружины может быть принято значительно большим, чем в прототипе, а поэтому в предложенной конструкции электрической машины достигается более быстрая остановка ротора после отключения электропитания обмотки статора.

Тормозное устройство работает при любом направлении вращения ротора. Предлагаемая конструкция электрической машины достаточно проста и технологична для промышленного освоения. Она малогабаритна, удобна в обслуживании, а благодаря наличию регулировочных устройств, конструктивно простых и надежных, отличается высокой ремонтопригодностью, что имеет определенное технико-экономическое значение.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации RU №2058655 С1, МКИ Н 02 К 5/16, 17/00, 1996 г., бюл. №11.

2. Патент Российской Федерации RU №2140700 С1, МКИ Н 02 К 5/173, 5/16, 17/16, 1999 г., бюл. №30.

3. Патент Российской Федерации RU №2199176 С 1, МКИ Н 02 К 17/32, D 05 В 69/10, 2003 г., бюл. №5.

4. Патент Российской Федерации RU №2041548 С1, МКИ Н 02 К 7/102 // F 16 D 55/02, 1995 г., бюл. №22 (прототип).

1. Торцовая электрическая машина со встроенным тормозным устройством, содержащая сборный корпус, состоящий из двух жестко соединенных между собой несущих щитов и образующих центральную кольцевую полость, внутри которой на одном несущем щите закреплен магнитопровод статора с обмоткой возбуждения, а на другом размещено тормозное устройство с тормозной накладкой, однодисковый ротор со ступицей, несущий магнитопровод с короткозамкнутой обмоткой, отделенный воздушным зазором от магнитопровода статора, пустотелый вал ротора, подшипниковые узлы, снабженная регулировочными устройствами для изменения величины воздушного зазора между рабочими поверхностями магнитопроводов статора и ротора, отличающаяся тем, что ступица диска ротора и вал ротора сопряжены между собой через шлицевое соединение, допускающее осевое смещение диска ротора относительно вала ротора, тормозная накладка установлена на щите корпуса электрической машины через посредство регулировочных упоров, каждый из которых содержит ступенчатый валик, цилиндрический выступ которого входит во внутреннюю расточку щита, регулировочную гайку и контргайку для закрепления упора в щите, причем тормозная накладка жестко связана с цилиндрическим выступом валика изнутри кольцевой полости корпуса электрической машины, а регулировочная гайка охватывает наружную часть валика и ограничена от осевого смещения относительно него посредством шайбы и стопорного кольца.

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что пружина тормозного устройства охватывает ступицу диска ротора и размещена в наружной цилиндрической полости щита корпуса электрической машины, несущего регулировочные упоры тормозной накладки, причем один торец пружины прижат к подвижному кольцу упорного подшипника, установленного в цилиндрической полости щита, а другой торец пружины через опорное кольцо прижат к внутреннему кольцу радиально-упорного подшипника, установленного на ступице диска ротора и удерживаемого от осевого смещения регулировочной гайкой с контргайкой, навернутыми на концевой участок ступицы диска ротора.

3. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что внутрь цилиндрической полости несущего щита корпуса электрической машины запрессовано неподвижное кольцо, охватывающее пружину тормозного устройства, а на наружном кольце радиально-упорного подшипника установлена связанная с ним кольцевая втулка, имеющая возможность свободного осевого перемещения внутри цилиндрической полости щита, причем между торцами неподвижного кольца и втулки в обесточенном состоянии электрической машины установлен воздушный зазор, величина которого меньше величины воздушного зазора между поверхностями магнитороводов статора и ротора на величину рабочего зазора между этими поверхностями во время вращения ротора.

4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что на торцевой плоскости диска ротора со стороны тормозной накладки жестко закреплена кольцевая закаленная пластина, находящаяся в плотном контакте с тормозной накладкой в обесточенном состоянии электрической машины.

5. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что вал ротора, связанный со ступицей диска ротора посредством шлицевого соединения, опирается на подшипники, один из которых (радиально-упорный) охватывает ступицу диска ротора, и его внутреннее кольцо служит опорой для пружины, а второй (радиальный) размещен в несущем щите, на котором установлен магнитопровод статора, и исключает осевое смещение вала ротора.

6. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что магнитопровод статора на несущем щите корпуса машины закреплен посредством фасонных опор, имеющих форму пластин, жестко связанных с магнитопроводом статора и опирающихся на концы установочных винтов, ввернутых в щит с наружной стороны, причем каждая опора имеет в своей средней части цилиндрический выступ с концевым резьбовым участком, который входит в отверстие щита и служит для фиксации опоры относительно щита в результате затяжки резьбового соединения.