RU2041545C1

RU2041545C1 - Electric machine

Info

Publication number: RU2041545C1
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Ветохин
Original assignee: Виктор Иванович Ветохин
Priority date: 1992-08-18
Filing date: 1992-08-18
Publication date: 1995-08-09

Abstract

FIELD: immersion electric machines. SUBSTANCE: device has housing 1 against which stator core is pressed. Faces of housing 1 have protection disks 3 which are made from aluminum-magnum-zinc alloy. Slots of stator core 2 have n-phase winding 4 which is made from single piece of wire and is connected in star connection. Rotor 5 with shaft 6 and bulges are made as whole. Active part of rotor 5 has permanent magnets 10 which are shaped as pieces of cylindrical tube. Magnets are positioned between bulges and their side walls are slanted. Number of magnets equals to number of poles and length of magnets equals to length of stator core. Sleeve 11 which is fixed by fastening rings 12 is mounted on segments with bulges. Housing 1, sleeve 11, bearing shields 13 and stator core 2 are made from materials excluding possibility of direct electric contact with large difference of electrode potentials. EFFECT: increased field of application, increased reliability, increased service life, decreased weight and size. 4 dwg

Description

Изобретение относится к судовому электромашиностроению, в частности к погружным электрическим машинам, которые применяются для приводов механизмов автоматики и робототехники, а также в качестве источников питания электрооборудования подводной автоматики, работающих в морской воде на любой глубине в глубоководных обитаемых и необитаемых в подводных аппаратах. The invention relates to marine electrical engineering, in particular to submersible electric machines, which are used for drives of automation and robotics mechanisms, as well as power sources for electrical equipment of underwater automation, operating in sea water at any depth in deep-sea inhabited and uninhabited underwater vehicles.

Известен комбинированный электродвигатель гребной винт фирмы AEG-Telefunken и Jastrom, в которой гребной винт насажен на вал. Лопасти винта охвачены бандажом, в котором размещены постоянные магниты, закрытые антикоррозионным экраном. Статор вмонтирован в насадку, полость которого герметична и заполнена трансформаторным маслом [1] Однако электродвигатель гребной винт фирмы AEG-Telefunken может быть использован только в качестве привода главных гребных винтов аппаратов, и по своей конструкции эта машина не может быть выполнена в микроисполнении. Кроме того, при разгерметизации произойдет утечка масла из полости статора и электродвигатель выйдет из строя. A combination electric motor is known for AEG-Telefunken and Jastrom propeller, in which the propeller is mounted on the shaft. The rotor blades are covered by a bandage in which permanent magnets are placed, covered by an anti-corrosion screen. The stator is mounted in a nozzle, the cavity of which is tight and filled with transformer oil [1] However, the AEG-Telefunken propeller electric motor can only be used as a drive for the main propellers of the apparatus, and by its design this machine cannot be made in micro-design. In addition, during depressurization, oil will leak from the stator cavity and the motor will fail.

Наиболее близкой к предлагаемой является электрическая машина. Она содержит статор, ротор с валом, установленным в подшипниках, и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода морской воды, а также имеет свободные зазоры между валом ротора и подшипниковыми щитами. Данная машина обеспечивает надежную работу в качестве привода любого механизма, находящегося в морской воде и изготавливается средних и больших мощностей. Однако для привода механизмов в автоматических системах, манипуляторов роботов и для движителей гидронавтов требуются электрические машины малых мощностей. Изготовить машину по указанному авт. св. представляет определенные трудности из-за наличия множества конструктивных деталей, которые в конечном итоге повышают массогабаритные характеристики, а для систем подводной автоматики и робототехники микромашины должны иметь малые геометрические размеры и малый вес [2]
Задачей изобретения является расширение области применения электромикромашины в системах подводной автоматики и робототехники, повышение ее надежности, живучести и долговечности, а также уменьшения веса и габаритов.Closest to the proposed is an electric machine. It contains a stator, a rotor with a shaft installed in the bearings, and bearing shields with openings for entering and leaving sea water, and also has free gaps between the rotor shaft and the bearing shields. This machine provides reliable operation as a drive of any mechanism located in sea water and is made of medium and large capacities. However, to drive mechanisms in automatic systems, robot manipulators, and hydronaut propulsors, low-power electric machines are required. Make a car according to the specified author. St. It presents certain difficulties due to the presence of many structural parts, which ultimately increase the overall dimensions, and for underwater automation and robotics systems, micromachines must have small geometric dimensions and light weight [2]
The objective of the invention is to expand the scope of electric machines in systems of underwater automation and robotics, increasing its reliability, survivability and durability, as well as reducing weight and dimensions.

Задача решается тем, что в известной электрической микромашине, содержащей статор, ротор с валом в виде единого монолитного узла, заключенные в корпус, заполненный морской водой, поступающей в корпус через отверстия в подшипниковых щитах и зазоры между валом ротора и подшипниковыми щитами, на активной части ядра ротора, выполненного из высокопрочной антикоррозионной термообработанной нержавеющей немагнитной стали, имеются выступы с наклоном боковых поверхностей по радиусу радиальной плоскости сечения ротора, между которыми по поверхности ротора вставлены по скользящей посадке с тем же наклоном контактирующих боковых поверхностей постоянные магниты в виде сегментов цилиндрической трубы, количество которых определяется числом полюсов, а длина сегментов и выступов равна длине пакета сердечника статора, и на сегменты постоянных магнитов вместе с выступами напрессована втулка, втулка и постоянные магниты с торцов закреплены крепежными кольцами, выполненными из материала ротора, а шейки вала ротора вмонтированы в подшипниковые щиты, при этом по поверхности торцов сердечника статора расположены диски-протекторы из алюминиево-магниево-цинкового сплава, имеющие плотный электрический контакт с сердечником пакета статора, причем корпус и втулка ротора выполнены из углепластика на основе углеткани (углеволокна), подшипниковые щиты из металлокерамики, а сердечник пакета статора из магнитной антикоррозионной нержавеющей стали или корпус и втулка ротора выполнены из материала ротора, подшипниковые щиты из упомянутого углепластика, а сердечник пакета статора из электротехнической стали. The problem is solved in that in a known electric micromachine containing a stator, a rotor with a shaft in the form of a single monolithic unit, enclosed in a housing filled with sea water entering the housing through openings in the bearing shields and the gaps between the rotor shaft and the bearing shields, on the active part the rotor core made of high-strength anti-corrosion heat-treated stainless non-magnetic steel, there are protrusions with a slope of the side surfaces along the radius of the radial plane of the rotor section, between which on the surface The rotor shafts are inserted along a sliding fit with the same inclination of the contacting side surfaces of the permanent magnets in the form of segments of a cylindrical tube, the number of which is determined by the number of poles, and the length of the segments and protrusions is equal to the length of the stator core package, and a sleeve and permanent magnets from the ends are fixed with fixing rings made of rotor material, and the rotor shaft necks are mounted in bearing shields, while on the surface of the ends of the heart The stator bar is equipped with aluminum-magnesium-zinc alloy protectors, which have close electrical contact with the core of the stator package, the rotor casing and sleeve made of carbon fiber based on carbon fabric (carbon fiber), the bearing shields made of cermet, and the stator core made of magnetic anticorrosive stainless steel or the rotor housing and sleeve are made of rotor material, the bearing shields are of the aforementioned carbon fiber, and the core of the stator package is made of electrical steel.

Новизной в данном техническом решении является новая совокупность известных признаков, среди которых имеются новые, нигде ранее не описанные, а именно: расположение на поверхности ротора постоянных магнитов в виде сегментов цилиндрической трубы и новое сочетание материалов для различных деталей конструкции. The novelty in this technical solution is a new set of well-known features, among which there are new, not previously described, namely: the location on the surface of the rotor of permanent magnets in the form of segments of a cylindrical pipe and a new combination of materials for various structural parts.

Указанное расположение постоянных магнитов в сочетании с другими деталями микромашины позволяет использовать ее в качестве синхронного генератора для питания различных потребителей подводной автоматики, например, применяя систему генератор-двигатель можно использовать в качестве гребных электроустановок на роботах при исследовании морского дна и различных подводных объектов, в которых в качестве генератора и исполнительного двигателя применять микромашины с постоянными магнитами, позволяющими плавно регулировать частоту вращения, можно также применять эти микромашины в качестве подводных тахогенераторов для измерения частот вращения гребных винтов, используя эти сигналы для создания гирорулевых следящих систем. Кроме того, эти микромашины можно применять в качестве лагов для измерения скоростей подводных течений и передвижения подводных аппаратов при навешенном на вал водяном колесе (винте), а также в качестве генераторов с ручным приводом в различных спасательных средствах для питания портативных радиостанций и аварийных огней и т.д. The indicated arrangement of permanent magnets in combination with other parts of the micromachine allows it to be used as a synchronous generator to power various consumers of underwater automation, for example, using the generator-motor system, it can be used as rowing electrical installations on robots when studying the seabed and various underwater objects in which as a generator and an executive engine to use micromachines with permanent magnets, allowing you to smoothly control the frequency of I can also use these micromachines as underwater tachogenerators for the measurement of the frequency of rotation of the propellers, using these signals to create gyro pilot tracking systems. In addition, these micromachines can be used as lags for measuring the speeds of underwater currents and the movement of underwater vehicles with a water wheel (screw) mounted on the shaft, as well as hand-driven generators in various rescue equipment for powering portable radio stations and emergency lights, etc. .d.

В качестве двигателей эти микромашины можно применять в химической, парфюмерной и пищевой промышленности для привода насосов, мешалок и т.д. As engines, these micromachines can be used in the chemical, perfumery and food industries to drive pumps, mixers, etc.

Предлагаемое сочетание материалов для различных деталей конструкции позволяет исключить при их электрическом контакте гальванические пары, тем самым исключить контактную коррозию активных частей микромашины при работе в морской воде как электролите. The proposed combination of materials for various structural parts eliminates galvanic vapors during their electrical contact, thereby eliminating contact corrosion of the active parts of the micromachine when operating in sea water as an electrolyte.

Т.о. новая совокупность признаков обеспечивает расширение диапазона применения микромашины (можно использовать как двигатель, так и генератор), а также повышает надежность, живучесть, долговечность микромашины и уменьшает ее вес и габариты. T.O. a new set of features provides an extension of the range of use of the micromachine (both an engine and a generator can be used), and also increases the reliability, survivability, durability of the micromachine and reduces its weight and dimensions.

На фиг. 1 представлен продольный разрез микромашины; на фиг. 2 ротор с выступами без постоянных магнитов и втулки; на фиг. 3 вид сбоку по стрелке А на фиг. 2; на фиг. 4 сечение по В-В на фиг. 1. In FIG. 1 shows a longitudinal section of a micromachine; in FIG. 2 rotor with protrusions without permanent magnets and bushings; in FIG. 3 is a side view along arrow A in FIG. 2; in FIG. 4 a section along BB in FIG. 1.

Электрическая микромашина содержит корпус 1, который выполняется из антикоррозионного материала, в корпусе запрессован пакет 2 железа статора. По торцам пакета 2 в корпусе 1 запрессованы диски-протекторы 3 из алюминиево-магниево-цинкового сплава, имеющие плотный электрический контакт по всей поверхности с сердечником пакета 2 статора. Диски предназначены для исключения контактной коррозии пакета статора, ротора, подшипниковых щитов и втулки ротора переводом их в катодное состояние, ибо диски из указанного сплава являются анодами. В пазы пакета 2 статора укладывается многофазная протяжная обмотка 4, каждая фаза которой выполнена из единого куска подвода с полимерной изоляцией с соединениями "звезда" концов и начал фаз с питающим кабелем. Пазы статора, как правило, выполняются закрытыми. При использовании полуоткрытых пазов витки в пазах закрепляются магнитными клиньями. The electric micromachine contains a housing 1, which is made of anti-corrosion material, a package 2 of stator iron is pressed into the housing. At the ends of the package 2 in the housing 1, the tread disks 3 of aluminum-magnesium-zinc alloy are pressed in, having close electrical contact over the entire surface with the core of the stator package 2. Disks are designed to eliminate contact corrosion of the stator package, rotor, bearing shields and rotor bushings by transferring them to the cathode state, because disks of the specified alloy are anodes. A multiphase winding 4 is laid in the grooves of the stator package 2, each phase of which is made of a single supply piece with polymer insulation with star connections of the ends and the beginning of the phases with a power cable. The stator slots are usually closed. When using half-open grooves, the turns in the grooves are fixed with magnetic wedges.

Ротор 5 с валом 6 и выступами 7 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) представляют единую монолитную конструкцию из высокопрочной антикоррозионной термообработанной немагнитной нержавеющей стали, например из стали ДИ49-ВД или 40Х13, обладающими высокими механическими характеристиками. На концах вала 6 имеются отшлифованные опорные 8 и упорные 9 поверхности, выполняющие функции подвижных скользящих частей подшипников. На активную часть ротора 5 между выступами 7, имеющими угол наклона β боковых поверхностей по радиусу радиальной плоскости сечения, вставлены по скользящей посадке с тем же наклоном β контактирующих боковых поверхностей постоянные магниты 10 (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 4) в виде сегментов цилиндрической трубы. Количество сегментов равно числу полюсов, в данном примере равно двум, а их длина равна длине l пакета сердечника статора (фиг. 1, фиг. 2), толщина сегментов h определяется расчетом. На выступы 7 и сегменты 10 напрессовывается втулка 11, равная их длине и выполненная из антикоррозионного материала. С торцов ротора 5 на длинах d (фиг. 2) постоянные магниты 10 и втулка 11 фиксируются крепежными кольцами 12 из материала ротора методом тугой посадки (фиг. 1). The rotor 5 with the shaft 6 and protrusions 7 (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3) represent a single monolithic structure made of high-strength anti-corrosion heat-treated non-magnetic stainless steel, for example, steel DI49-VD or 40X13, which have high mechanical characteristics. At the ends of the shaft 6 there are polished supporting 8 and thrust 9 surfaces that perform the functions of moving sliding parts of the bearings. On the active part of the rotor 5 between the protrusions 7, having an angle of inclination β of the side surfaces along the radius of the radial plane of the cross section, permanent magnets 10 (FIG. 1, FIG. 3, FIG. 4) are inserted in a sliding fit with the same inclination β of the contacting side surfaces segments of a cylindrical pipe. The number of segments is equal to the number of poles, in this example it is two, and their length is equal to the length l of the stator core packet (Fig. 1, Fig. 2), the thickness of the segments h is determined by calculation. A sleeve 11 is pressed onto the protrusions 7 and segments 10, equal to their length and made of anticorrosive material. From the ends of the rotor 5 at lengths d (Fig. 2), the permanent magnets 10 and the sleeve 11 are fixed with fixing rings 12 of rotor material by a tight fit method (Fig. 1).

Подшипниковые щиты 13 с отверстиями 14 для входа охлаждающей забортной воды и отверстиями 15 для выхода воды вмонтированы в замки корпуса 1 статора по скользящей посадке и прижаты с внешней стороны кольцами 16 из нержавеющей стали, которые закрепляются винтами к корпусу 1 со стороны внешней цилиндрической поверхности (фиг. 1). Подшипниковые щиты 13, имеющие как и шейки вала 6 ротора отшлифованные опорные 8 им упорные 9 поверхности, выполняют функции неподвижных частей подшипников скольжения, которые имеют по отношению к шейкам вала 6 рабочий зазор по "движению" или "ходовой". Bearing shields 13 with openings 14 for the entrance of cooling overboard water and openings 15 for the exit of water are mounted in the locks of the stator housing 1 in a sliding fit and pressed from the outside by stainless steel rings 16 that are screwed to the housing 1 from the outside of the cylindrical surface (Fig. . 1). Bearing shields 13, having, as well as the necks of the rotor shaft 6, ground ground 8 which are resistant to them 9 surfaces, perform the functions of the stationary parts of the sliding bearings, which have a working clearance with respect to the necks of the shaft 6 due to “movement” or “running”.

Между расточкой статора 2 и втулкой 11 ротора 5 имеется немагнитный рабочий зазор 17, определяемый расчетом и габаритами микромашины. Between the bore of the stator 2 and the sleeve 11 of the rotor 5 there is a non-magnetic working gap 17, determined by the calculation and dimensions of the micromachine.

Для уменьшения веса, габаритов микромашины и исключения контактной коррозии корпус 1 и втулка 11 ротора выполняются из углепластика на основе углеткани или углеволокна, например марки УГЭТ-Т, в котором в качестве пропитки и связующего используется эпоксидная смола, а также марки ФУТ, в котором в качестве пропитки и связующего используются фенольные смолы. Эти углепластики по прочности равны стали, химически нейтральны и не набухают в морской воде. Подшипниковые щиты 13 выполняются из металлокерамики, а сердечник пакета статора 2 из магнитной антикоррозионной нержавеющей стали, например, из стали 00Х13. To reduce the weight, dimensions of the micromachine and eliminate contact corrosion, the rotor body 1 and sleeve 11 are made of carbon fiber based on carbon fiber or carbon fiber, for example, UGET-T brand, in which epoxy resin is used as impregnation and binder, as well as FUT brand, in which Phenolic resins are used as impregnation and binder. These carbon plastics are equal in strength to steel, chemically neutral and do not swell in sea water. Bearing shields 13 are made of cermet, and the core of the stator pack 2 of magnetic anti-corrosion stainless steel, for example, steel 00X13.

Для уменьшения веса, габаритов микромашины и исключения контактной коррозии можно применять другое сочетание материалов конструкции, а именно: корпус 1 и втулка 11 ротора выполняются из материала ротора, подшипниковые щиты 13 из упомянутого углепластика, а сердечник пакета 2 статора из электротехнической стали. Такое сочетание элементов конструкции микромашины позволяет избежать между ними прямого электрического контакта с большой разностью электродных потенциалов, которая вызывает контактную коррозию при погружении микромашины в морскую воду, диски 3 из алюминиево-магниево-цинкового сплава, запрессованные в корпус 1, будут компенсировать имеющуюся разность потенциалов между некоторыми контактирующими поверхностями элементов конструкции микромашины, а также разность потенциалов, возникающую от микрогальванических элементов примесей, которые всегда присутствуют в любом однородном металле. В данном случае диски 3 являются анодами по отношению ко всем элементам конструкции микромашины и будут корродировать в морской воде, остальные детали будут находиться в исходном состоянии. To reduce the weight, dimensions of the micromachine and eliminate contact corrosion, another combination of construction materials can be used, namely: the housing 1 and the rotor sleeve 11 are made of rotor material, the bearing shields 13 are made of the mentioned carbon fiber reinforced plastic, and the core of the stator package 2 is made of electrical steel. This combination of design elements of the micromachine allows avoiding direct electrical contact between them with a large electrode potential difference, which causes contact corrosion when the micromachine is immersed in sea water, the aluminum-magnesium-zinc alloy disks 3 pressed into the housing 1 will compensate for the existing potential difference between some contacting surfaces of the design elements of the micromachine, as well as the potential difference arising from the micro galvanic elements of impurities, which are always present in any homogeneous metal. In this case, the disks 3 are anodes with respect to all structural elements of the micromachine and will corrode in sea water, the rest of the parts will be in their original state.

Сборка конструкции производится следующим образом. Assembly of the structure is as follows.

В изготовленный корпус статора 1 запрессовывается пакет железа статора 2 и диски 3, изготавливается ротор 5 с валом 6, производится механическая обработка его цилиндрической поверхности, а также выступов 7, опорных 8 и упорных 9 поверхностей шеек вала 6, изготавливаются крепежные кольца 10 ротора и крепежные кольца 16 корпуса статора и после этого их термообрабатывают. Одновременно изготавливают подшипниковые щиты 13 с опорными 8, упорными 9 поверхностями скольжения и отверстиями 14 для входа забортной охлаждающей воды и отверстиями 15 для выхода воды. После термообработки узлов и деталей из нержавеющей стали производится их окончательная механическая обработка, шлифовка трущихся поверхностей шеек вала ротора, и поверхности ротора, производят монтаж постоянных магнитов на роторе, напрессовывают гильзу на постоянные магниты и выступы ротора и закрепляют их по торцам крепежными кольцами. После чего центрируют ротор и подшипниковые щиты относительно расточки статора (оси машины), при этом производят окончательную обработку замков корпуса, шлифовку опорных и упорных поверхностей подшипниковых щитов и шеек вала до 7-8 класса чистоты, устанавливают между ними рабочий зазор, а также методом шлифовки устанавливают рабочий немагнитный зазор между бочкой ротора и расточкой статора, после чего производят промежуточную сборку микромашины без обмотки, проверяют механическое вращение ротора, проверяют разбег и бой ротора, маркируют необходимые детали и разбирают микромашину для балансировки ротора и укладки протяжной обмотки статора из обмоточного провода с полимерной изоляцией, концы которой соединяют с питающим кабелем необходимой длины, причем после намотки каждой фазы проверяют ее сопротивление изоляции при погружении статора в соленую воду и затем производят окончательную сборку электрической микромашины. A pack of stator iron 2 and disks 3 is pressed into the manufactured stator housing 1, a rotor 5 with a shaft 6 is manufactured, its cylindrical surface is machined, as well as the protrusions 7, supporting 8 and thrust 9 of the surfaces of the shaft 6 necks, mounting rings 10 of the rotor and mounting rings 16 of the stator housing and after that they are heat treated. At the same time, bearing shields 13 are made with supporting 8, persistent 9 sliding surfaces and openings 14 for the inlet of the outboard cooling water and openings 15 for the exit of water. After heat treatment of the stainless steel assemblies and parts, they are final machined, the friction surfaces of the rotor shaft necks and the rotor surfaces are polished, the permanent magnets are mounted on the rotor, the sleeve is pressed onto the permanent magnets and the protrusions of the rotor and the rings fasten them to the ends. After that, the rotor and bearing shields are centered relative to the stator bore (machine axis), while the final processing of the housing locks is carried out, the bearing and thrust surfaces of the bearing shields and shaft necks are polished to a cleanliness class of 7-8, the working clearance is established between them, as well as the grinding method establish a working non-magnetic gap between the rotor barrel and the stator bore, after which the micromachines are intermediate assembled without winding, the mechanical rotation of the rotor is checked, the run-up and the rotor battle are checked, I mark t necessary details and disassemble the micromachine for balancing the rotor and laying the stator winding from the winding wire with polymer insulation, the ends of which are connected to the supply cable of the required length, and after winding each phase, check its insulation resistance when the stator is immersed in salt water and then final assembly electric micromachines.

Claims

An electric micromachine containing a stator with a core, a rotor with a shaft enclosed in a housing, holes for filling the housing with sea water are made in the bearing shields, there are gaps between the rotor shaft and the bearing shields, and the rotor shaft necks are installed in the bearing shields, characterized in that the active part of the rotor is made of high-strength, anti-corrosion heat-treated stainless non-magnetic steel and is equipped with protrusions with a slope of the side surfaces along the radius of the radial plane of the rotor section, between which Permanent magnets in the form of segments of a cylindrical tube in the number of poles are installed along the rotor surface with the same inclination of the contacting side surfaces along the rotor surface, and the length of the segments and protrusions is equal to the length of the stator core and the sleeve, sleeve and permanent magnets are pressed onto the segments of the permanent magnets and the protrusions from the ends of the rotor are fixed with fixing rings made of rotor material, on the surface of the ends of the stator core are located protectors from aluminum-magnesium-zinc alloy having close electrical contact with the stator core, while the rotor housing and sleeve are made of carbon fiber based on carbon fabric or carbon fiber, the bearing shields are made of cermet, and the stator core is made of magnetic anti-corrosion stainless steel or the rotor housing and sleeve are made of rotor material, the bearing shields are made of mentioned carbon fiber, and the stator core is made of electrical steel.