Бесподшипниковый электродвигатель

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных установках с высокоскоростным электрическим приводом рабочего органа, в частности, в условиях вакуума. Технический результат заключается в упрощении изготовления, повышении осевой и угловой жесткостей и перегрузочных способностей, создании дополнительного вращающего момента при сохранении объема двигателя. Бесподшипниковый электродвигатель содержит полый ротор с внешней и внутренней ферромагнитными частями, внешний и внутренний статоры радиального подвеса и вращения, а также два торцовых статора, установленных относительно диска осевого центрирования ротора, в которых применены тороидальные витые магнитопроводы с обмотками, подключенными к электронным блокам управления и к двухфазной или трехфазной сети питания. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в различных установках с высокоскоростным электрическим приводом рабочего органа, в частности, в условиях вакуума.

Предшествующий уровень техники

Широко известны бесконтактные электрические машины с магнитным подвесом вращающегося ротора. Традиционный бесподшипниковый электродвигатель состоит из обычного асинхронного двигателя, ротор которого установлен в одном осевом и двух радиальных активных магнитных подшипниках или только в двух конических магнитных подшипниках (Ю.Н. Журавлев «Активные магнитные подшипники», «Политехника», Санкт-Петербург, 2003, с. 22, рис. 2,4 [1]). Весьма эффективный способ сделать электрическую машину конструктивно наиболее простой и компактной - это совместить в магнитных подшипниках функции подвеса и вращения ротора. На рис. 7,24б с. 149-150 [1] показан электродвигатель содержащий ротор и два статора магнитного подвеса и вращения ротора. Существенным недостатком (проблемой) такого двигателя является необходимость использования сложного устройства для разделения радиальных сил магнитного подвеса и момента от вращающегося магнитного поля. Например, для решения этой задачи предлагается применение специальных датчиков вектора (положения и направления) магнитных потоков статоров, что очень усложняет как конструкцию, так и систему управления (с. 151-153 [1]).

Известна бесподшипниковая электрическая машина по патенту RU №2562448, принятая за прототип, в которой решена проблема опрокидывания ротора из-за несимметрии момента вращения при приложении нагрузки на магнитные подшипники - электродвигатели. Бесподшипниковый электродвигатель - прототип содержит ротор в виде части полого конуса и два статора подвеса и вращения, конические рабочие поверхности которых расположены соответственно напротив внешней и внутренней поверхностей полого конуса, на которых установлены части из шихтованного ферромагнитного материала. Выполнение статоров и частей ротора коническими обусловлено необходимостью придания ротору осевой жесткости. Перегрузочная способность электродвигателя по оси вращения, равная перегрузочной способности в радиальном направлении, достигается при угле конусности, равном 14 градусам (с. 43 [1]). Это приводит к необходимости значительной конусной проточки ротора и статоров, что усложняет изготовление по сравнению с традиционными цилиндрическими шихтованными магнитопроводами. Кроме этого незначительное расстояние между статорами обусловливает недостаточно высокую угловую жесткость ротора.

Сущность изобретения.

Задача изобретения заключается в упрощении изготовления бесподшипникового электродвигателя, повышении осевой и угловой жесткостей и перегрузочных способностей, создании дополнительного вращающего момента (мощности) при сохранении объема двигателя - прототипа. Поставленная задача решена благодаря тому, что в бесподшипниковом электродвигателе, содержащем ротор в виде полого вала с внешним и внутренним ферромагнитными частями и два статора, рабочие поверхности которых выполнены либо цилиндрическими, либо с минимальным углом конусности (единицы градусов), внешняя поверхность ротора в зоне внутреннего статора снабжена диском-ротором относительно плоскостей которого установлены соответственно два торцовых статора осевого центрирования диска. Кроме этого диск в области рабочих поверхностей снабжен витыми тороидальными магнитопроводами, а торцовые статоры выполнены с обмотками на зубцах витых тороидальных магнитопроводов. Обмотки каждого торцового статора разделены по окружности на четыре секции, противоположно расположенные пары секций статоров подключены соответственно к четырем электронным блокам центрирования диска. Обмотки торцовых статоров могут быть подключены к двухфазному или трехфазному источнику напряжения.

Перечень фигур и чертежей

На фиг. 1 показана конструкция предложенного электродвигателя с использованием тороидальных витых магнитопроводов в торцовых статорах и диске-роторе устройства осевого центрирования.

На фиг. 2 представлен ротор предложенного электродвигателя (без ферромагнитных шихтованных внешней и внутренней частей) с простым традиционным исполнением диска устройства осевого центрирования в виде выступа, образованного при токарной обработке заготовки ротора.

На фиг. 3 представлен торцовый статор осевого центрирования с использованием зубцового тороидального витого магнитопровода (без обмоток).

На фиг. 1-3 приняты следующие обозначения.

1 - корпус,

2 - передняя крышка,

3 - задняя крышка,

4 - ротор,

5 - внешняя ферромагнитная часть ротора,

6 - внутренняя ферромагнитная часть ротора,

7 - первый (внешний) статор с обмотками,

8 - второй (внутренний) статор с обмотками,

9 - первый торцовый статор с обмотками на зубцах тороидального магнитопровода,

10 - второй торцовый статор с обмотками,

11, 12 - витые тороидальные магнитопроводы на диске осевого центрирования,

13 - заглушка полого ротора,

14 - упругий страховочный стержень на задней крышке.

Предложенный бесподшипниковый электродвигатель содержит (фиг. 1) корпус 1, переднюю крышку 2, заднюю крышку 3, ротор 4 с внешней ферромагнитной частью 5 и с внутренней ферромагнитной частью 6, первый (внешний) статор 7, второй (внутренний) статор 8, первый торцовый статор 9 на задней крышке, второй торцовый статор 10, установленный в корпусе, тороидальные навитые магнитопроводы 11 и 12 на диске осевого центрирования ротора 4. Полый ротор снабжен заглушкой 13, через которую выполняют связь с рабочим органом агрегата, в который установлен предложенный двигатель. При простом традиционном исполнении осевого подшипника диск осевого центрирования в виде выступа 15 (фиг. 2) образован при токарной обработке внешней поверхности заготовки ротора в зоне второго (внутреннего) статора 8 (фиг. 1) ввиду свободного объема в корпусе. В этом случае статоры осевого подшипника, питаемые постоянным напряжением (с нулевой частотой несущей), могут быть выполнены монолитными (с. 49-51 [1]). При этом в качестве датчика осевого смещения ротора 4 используются статоры 7 и 8 с ферромагнитными частями 5 и 6 (фиг. 1) с минимальным углом конусности (единицы градусов). Применение в осевом подшипнике тороидальных витых магнитопроводов практически исключают потери от вихревых токов при динамических смещениях ротора, позволяет питать обмотки переменным напряжением, что обусловливает применение простой (как и для статоров 7 и 8) бездатчиковой системы управления магнитными потоками, например, по заявке №2009141906 «Способ центрирования ферромагнитного тела». При этом обмотки каждого торцового статора 9 и 10 разделены по окружности на четыре секции, а противоположно расположенные пары секций статоров подключены соответственно к четырем электронным блокам указанной системы центрирования. Это позволяет получить дополнительную значительную угловую жесткость и перегрузочную способность ротора 4. Двухфазные или трехфазные обмотки торцовых статоров подключены (как и обмотки статоров 7 и 8) к двухфазному или трехфазному источнику напряжения для создания вращающегося магнитного поля. Для получения максимального момента (мощности) на валу предложенного двигателя части 5, 6, 11 и 12 (фиг. 1) как и в традиционных асинхронных двигателях оснащены проводящими элементами типа «беличьей клетки». Для магнитопроводов 11 и 12 проводящие элементы могут быть выполнены в виде радиальных винтов, которые одновременно служат для крепления магнитопроводов к диску осевого центрирования.

Следует сделать важное замечание относительно перегрузочной способности магнитных подшипников, работающих на постоянном (с нулевой несущей) и переменном токе. Подшипники на переменном токе имеют поддерживающую силу в виде пульсации с удвоенной частотой питающего напряжения, что обусловливает снижение перегрузочной способности в два раза. Этот недостаток устраняется, например, при импульсном напряжении питания, когда ток имеет прямоугольную форму (заявка №2009141906). Использование же в магнитном подшипнике вращающегося магнитного поля устраняет пульсацию поддерживающей силы и лишает (в отношении перегрузочной способности) преимущества подшипник на постоянном токе.

Конструкция БЭМ с полым ротором и внешним и внутренним статорами обусловливает решение проблемы разрушающего обката ротора при аварийной посадке его на ограничительные страховочные упоры (подшипники). В этом случае легко выполнить страховочные упоры, взаимодействующие одновременно с внешней и внутренней поверхностями ротора (Е.А. Артюхов «Ограничитель скорости обката ротора», журнал «Гироскопия и навигация», №3 (30), 2000). В БЭМ на фиг. 3 посадка вращающегося ротора на стержень 13 вызывает прямой (совпадающий с направлением вращения ротора) обкат, который благодаря упругому смещению стержня прерывается обратным (противоположным вращению ротора) обкатом при контакте вала 9 с крышкой 12.

Предложенный бесподшипниковый электродвигатель может быть реализован в различных устройствах - от маломощных установок, работающих в вакууме, до мощных агрегатов (шпинделей, насосов и турбин), где требуются значительные расходы на смазку традиционных подшипников скольжения и качения.

1. Бесподшипниковый электродвигатель, содержащий ротор в виде полого вала с внешним и внутренним ферромагнитными частями и два статора, рабочие поверхности которых расположены соответственно напротив внешней и внутренней частей ротора, отличающийся тем, что внешняя поверхность ротора в зоне внутреннего статора снабжена диском, относительно плоскостей которого установлены соответственно два торцовых статора осевого центрирования диска.

2. Бесподшипниковый электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что диск в области рабочих поверхностей снабжен витыми тороидальными магнитопроводами, а торцовые статоры выполнены с обмотками на зубцах витых тороидальных магнитопроводов.

3. Бесподшипниковый электродвигатель по п. 2, отличающийся тем, что обмотки каждого торцового статора разделены по окружности на четыре секции, противоположно расположенные пары секций статоров подключены соответственно к четырем электронным блокам центрирования диска.

4. Бесподшипниковый электродвигатель по п. 2 и 3, отличающийся тем, что обмотки торцовых статоров подключены к двухфазному или трехфазному источнику напряжения.