Роторная система магнитоэлектрической машины



Роторная система магнитоэлектрической машины
Роторная система магнитоэлектрической машины
Роторная система магнитоэлектрической машины

 


Владельцы патента RU 2555100:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в автономных энергоустановках с высокоскоростными генераторами в летательных и космических аппаратах. Роторная система магнитоэлектрической машины содержит корпус турбинного блока, турбину на валу, установленном в подшипниках, корпус генератора, ротор. Ротор состоит из равномерно размещенных постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении с чередующейся полярностью. Турбина и ротор установлены на едином пустотелом валу, с возможностью прокачки хладагента через его полость насосом, установленным со стороны турбины. На конце пустотелого вала выполнены спиралевидные канавки. Пустотелый вал с ротором образуют цилиндр постоянного сечения, на внешней поверхности которого установлена бандажная оболочка из высокопрочного немагнитного материала. Подшипники могут быть выполнены в виде бесконтактных газовых опор, электромагнитных подшипников или гибридных магнитных подшипников. Достигается 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. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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.

1. Роторная система магнитоэлектрической машины, содержащая 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, отличающаяся тем, что 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.

2. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что подшипники выполнены в виде бесконтактных газовых опор.

3. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что подшипники выполнены в виде электромагнитных подшипников.

4. Роторная система магнитоэлектрической машины по п.1, отличающаяся тем, что подшипники выполнены в виде гибридных магнитных подшипников.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к роторам вращающихся электрических машин, самим вращающимся электрическим машинам и способам изготовления роторов вращающихся электрических машин.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многопоточной бесступенчатой электромеханической трансмиссии. Технический результат заключается в создании электрической машины с принудительным жидкостным охлаждением, обладающей высокими энергетическими показателями, с низким уровнем шума.

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в высокоскоростных электрических генераторах. Техническим результатом является повышение надежности и долговечности ротора высокоскоростного генератора, а также повышение его энергетических характеристик.

Изобретение относится к способам охлаждения электрических машин, в частности генераторов авиационного двигателя, и касается особенностей конструктивного выполнения их системы охлаждения.

Изобретение относится к электрической машине с постоянным магнитом, содержащей статор и ротор, выполненный с возможностью вращения в статоре, и способу конструирования такой машины.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкции электрических коллекторных машин постоянного тока с явно выраженными полюсами, применяемых в промышленных и тяговых установках в качестве двигателей и генераторов.

Изобретение относится к электрической машине. Электрическая машина содержит корпус (2), внутри которого находится статор (3) с обмотками (3а) статора, ротор (4), втулки (6, 7), проходящие сквозь корпус (2), первая часть (9) которых расположена внутри корпуса (2), а вторая часть (10) - снаружи корпуса (2).

Изобретение относится ротору для модулируемой полюсной машины. Ротор содержит: трубчатую опорную конструкцию, образующую круговую установочную поверхность, причем трубчатая опорная конструкция содержит множество продолговатых углублений в установочной поверхности, продолговатые углубления продолжаются в направлении оси трубчатой опорной конструкции; и множество постоянных магнитов, расположенных на установочной поверхности трубчатой опорной конструкции и намагниченных в направлении окружности упомянутого ротора таким образом, чтобы создавать магнитное поле ротора, постоянные магниты отделены друг от друга в направлении окружности ротора продолжающимися в осевом направлении полюсными секциями ротора.

Изобретение относится к двигателю с сегментированным якорем. Технический результат заключается в обеспечении улучшенной конфигурации катушки обмотки якоря и ротора двигателя для повышения его эффективности.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению. Технический результат: повышение ресурса электромашины, увеличение окружной скорости индуктора, уменьшение трения в подшипниках.

Установка с потоком текучей среды, в особенности газовая турбина с аксиально проходящим потоком нагретого газа, выполнена с рядами лопаток ротора со стороны ротора и рядами направляющих лопаток со стороны корпуса, расположенными соответственно аксиально между последовательными рядами лопаток ротора, а также с валом ротора, окруженным теплозащитными элементами и элементами основания лопаток ротора.

Осевая газовая турбина содержит ротор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых рабочих лопаток и теплозащитных экранов ротора, и статор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых направляющих лопаток и теплозащитных экранов статора, установленных в держателе направляющих лопаток.

Изобретение касается конструктивного элемента газовой турбины, например лопатки турбины или диска ротора. Конструктивный элемент газовой турбины снабжен по меньшей мере одним оканчивающимся на неструктурированной поверхности каналом для направления охлаждающего средства.

Осевая газовая турбина содержит ротор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых рабочих лопаток и воздухоохлаждаемых теплозащитных экранов ротора и статор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых направляющих лопаток и воздухоохлаждаемых теплозащитных экранов статора, установленных в держателе направляющих лопаток.

Газовая турбина осевого типа содержит ротор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых рабочих лопаток и теплозащитных экранов ротора и статор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых направляющих лопаток и теплозащитных экранов статора, установленных в держателе направляющих лопаток.

Рабочая лопатка газовой турбины содержит профильную часть, проходящую в продольном направлении, и хвостовик лопатки, служащий для крепления рабочей лопатки на валу ротора газовой турбины.

Осевая газовая турбина содержит ротор и статор. Статор представляет собой корпус, охватывающий ротор снаружи с образованием между ними тракта течения горячего газа, через который протекает горячий газ, полученный в камере сгорания.

Изобретение относится к роторам турбин низкого давления газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Ротор турбины включает установленный на задней по потоку газа стороне обода диска лабиринт с внутренним радиальным ребром, а также установленный с передней стороны обода диска фланец.

Изобретение относится к роторам высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Ротор высокотемпературной турбины включает диски первой и второй ступени, между которыми расположен промежуточный диск с радиальными выступами.

Турбореактивный двигатель содержит впускной канал потока воздуха охлаждения диска турбины высокого давления, открывающийся в полость. Полость является по существу изолированной с входной стороны от полости, в которой циркулирует поток воздуха, отбираемый с выхода компрессора высокого давления, первым лабиринтным уплотнением и с выходной стороны от полости, сообщающейся с первичным каналом турбореактивного двигателя, вторым лабиринтным уплотнением.

Турбогенератор без выходного вала содержит турбину, закрепленную на валу генератора, размещенного в едином с турбиной герметичном корпусе, имеющем входной и выходной фланцы для подключения к газораспределительной станции.
Наверх