Способ разгрузки подшипников электромеханических преобразователей энергии
Владельцы патента RU 2557333:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано для разгрузки подшипниковых опор электромеханических преобразователей энергии. Способ разгрузки подшипников электромеханических преобразователей энергии заключается в том, что создают две разнонаправленные силы, направленные к аксиальной оси, одна из которых - аксиальная сила обмотки с током, расположенной в пазах статора, которую создают путем выполнения скоса пазов статора под определенным углом, причем величину данной силы определяют произведением синуса данного угла на силу тока в обмотках и индукцию в воздушном зазоре, а другая - аксиальная магнитная сила, которую создают в результате взаимодействия поля статора и поля ротора. Технический результат: разгрузка подшипниковых опор электромеханического преобразователя энергии, без усложнения его конструкции, благодаря чему достигается повышение его надежности за счет создания двух разнонаправленных сил. 3 ил., 1 пр.
Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано для разгрузки подшипниковых опор электромеханических преобразователей энергии.
Известен способ, реализующий механизм с магнитным подвесом ротора [а.с. СССР №1569932, Н02К 7/09, 1990 г.], по которому создают силу электромагнитами, каждый канал системы управления которых содержит датчик положения ротора, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь и два электромагнита.
Недостатком данного способа является сложность его технической реализации, обусловленная наличием системы управления, а также невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются дополнительные элементы, электромагниты, для разгрузки подшипниковых опор.
Известен способ разгрузки подшипниковых опор, который реализуется вертикальным электродвигателем с газодинамической левитацией ротора [патент РФ №14703, кл. Н02К 29/00, 2000 г.], содержащим цилиндрический ротор, насаженный на вал, верхнюю и нижнюю цапфы, установленные в радиальных подшипниках, жестко закрепленных в торцевых фланцах внешнего статора, по которому силу, разгружающую подшипниковые опоры, создают газодинамическими подшипниками.
Недостатком данного способа является сложность его технической реализации, а также невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются дополнительные элементы, воздушные подшипники, для разгрузки подшипниковых опор.
Известен способ, который реализуется синхронной электрической машиной с магнитным подвесом ротора [патент РФ №44773, F16C 39/06, 2005 г.], содержащей статор и ротор, выполненный из немагнитного материала, с обмоткой возбуждения из сверхпроводящего материала, магнитные подшипники установлены на торцах статора, по которому силу, разгружающую подшипниковые опоры, создают магнитными подшипниками.
Недостатком данного способа является сложность его технической реализации, а также невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются дополнительные элементы, магнитные подшипники, для разгрузки подшипниковых опор.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ разгрузки подшипника качения от действия центробежных сил [патент РФ №2398976 C1, F16C 19/00, 10.09.2010], заключающийся в создании силы, действующей на поверхность в направлении оси вращения, причем поверхностью являются тела качения, силу создают путем поджатия двух частей кольца к телам качения и контактирования их наружных дорожек качения с телами качения при установке подшипника.
Недостатками данного способа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные возможностью разгрузки подшипников только при введении дополнительных элементов в электромеханический преобразователь энергии (в данном случае постоянных магнитов), сложность его технической реализации, снижение надежности электромеханического преобразователя энергии и увеличение его массогабаритных показателей.
Задача изобретения - расширение функциональные возможностей, благодаря возможности разгрузки подшипниковых опор без введения в конструкцию электромеханического преобразователя дополнительных элементов.
Техническим результатом является разгрузка подшипниковых опор электромеханического преобразователя энергии без усложнения его конструкции, благодаря чему достигается повышение его надежности за счет создания двух разнонаправленных сил.
Указанный результат достигается тем, что в способе разгрузки подшипников электромеханических преобразователей энергии, заключающемся в создании силы, действующей на поверхность в направлении к оси, согласно изобретению создают две разнонаправленные силы, направленные к аксиальной оси, одна из которых - аксиальная сила обмотки с током, расположенной в пазах статора, которую создают путем выполнения скоса пазов статора под определенным углом, причем величину данной силы определяют произведением синуса данного угла на силу тока в обмотках и индукцию в воздушном зазоре, а другая - аксиальная магнитная сила, которую создают в результате взаимодействия поля статора и поля ротора.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображено разложение токов, действующих на ротор при выполнении скоса пазов. На фиг.2 изображен баланс сил. На фиг.3 изображена зависимость аксиальной силы обмотки от угла скоса пазов.
Пример конкретной реализации способа
Вес ротора высокоскоростного магнитоэлектрического генератора мощностью 100 кВт и частотой вращения 60000 об/мин составляет 6 кг. При этом индукция в его воздушном зазоре при применении магнитов марки NdFeB SH 38 составляет 0,8 Тл. Ток, протекающий в его обмотках, составляет 400А, а электродвижущая сила 130 В, при этом аксиальная магнитная сила равна 65 Н.
При скосе пазов ток, протекающий в обмотках, будет иметь две составляющие (фиг.1). Составляющая тока I1 согласно правилу левой руки будет создавать аксиальную силу, которая направлена в противоположную сторону аксиальной магнитной силе и зависит от синуса угла скоса пазов (фиг.2):
где В - индукция в воздушном зазоре высокоскоростного магнитоэлектрического генератора;
i - сила тока в обмотках высокоскоростного магнитоэлектрического генератора;
γ - угол скоса пазов.
При этом известно, что от угла скоса пазов зависит электродвижущая сила обмоток:
где Е - электродвижущая сила обмотки при выполнении скоса пазов;
Еn - электродвижущая сила обмотки без скоса пазов.
Тогда, используя выражения (1), (2), можно определить, что для подвеса ротора вышеуказанного генератора, необходимо выполнить скос пазов на угол равный 15 градусам, при этом ЭДС генератора будет составлять 123,5 В, а аксиальная сила обмотки будет составлять 65 Н.
Таким образом достигается аксиальная разгрузка подшипниковых опор без введения в конструкцию электромеханического преобразователя дополнительных элементов.
Итак, заявляемый способ позволяет осуществлять разгрузку подшипниковых опор электромеханического преобразователя энергии без усложнения его конструкции, благодаря чему достигается повышение его надежности за счет создания двух разнонаправленных сил.
Способ разгрузки подшипников от действия сил, заключающийся в создании силы, действующей на поверхность в направлении к оси, отличающийся тем, что создают две разнонаправленные силы, направленные к аксиальной оси, одна из которых - аксиальная сила обмотки с током, расположенной в пазах статора, которую создают путем выполнения скоса пазов статора под определенным углом, причем величину данной силы определяют произведением синуса данного угла на силу тока в обмотках и индукцию в воздушном зазоре, а другая - аксиальная магнитная сила, которую создают в результате взаимодействия поля статора и поля ротора.
