RU2385524C1

RU2385524C1 - High-speed electric machine

Info

Publication number: RU2385524C1
Application number: RU2009102609/09A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Дидов (RU); Владимир Викторович Дидов; Виктор Дмитриевич Сергеев (RU); Виктор Дмитриевич Сергеев; Марина Михайловна Халченко (RU); Марина Михайловна Халченко; Антон Павлович Левшов (RU); Антон Павлович Левшов; Наталья Сергеевна Телешова (RU); Наталья Сергеевна Телешова; Александр Сергеевич Сторожук (RU); Александр Сергеевич Сторожук
Original assignee: Владимир Викторович Дидов; Виктор Дмитриевич Сергеев; Марина Михайловна Халченко; Антон Павлович Левшов
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-03-27

Abstract

FIELD: electric engineering.

SUBSTANCE: in proposed high-speed electric machine, comprising body equipped with end shields, stator core equipped with winding, in cylindrical cavity of which there is a rotor installed with gap, comprising inductor and bearing unit, according to invention, bearing unit is arranged with the possibility of gas dynamic support of rotor, for this purpose outer surface of rotor is shaped as a cylinder, besides it is located in cavity of cylindrical bush, preferably thin one, fixed against slipping in end shields, with a gap to its surface, open at the side of end shields, besides bush is made of insulation non-magnet antifriction material.

EFFECT: high reliability of high-speed electric machine operation at high speed of rotor rotation without increase of its dimensions and weight.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано при проектировании электрогенераторов и электродвигателей с высокой частотой вращения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to electrical engineering, and can be used in the design of electric generators and electric motors with high speed.

Известна конструкция высокооборотной электрической машины, содержащей статор и ротор, каждая опора вала которого содержит три подшипника, наружные кольца которых прижаты к опорным шейкам вала, а внутренние кольца расположены на эксцентриковых осях (US 3400285, 1969 г.).A known design of a high-speed electric machine containing a stator and a rotor, each shaft support of which contains three bearings, the outer rings of which are pressed against the support journals of the shaft, and the inner rings are located on the eccentric axes (US 3400285, 1969).

Недостатком этого устройства является малый срок эксплуатации и низкая надежность работы, обусловленные отсутствием постоянного и равномерного поджима подшипников к опорной шейке вала и, как следствие, увеличивающейся по мере износа контактирующих элементов вибрацией.The disadvantage of this device is the short life and low reliability due to the lack of constant and uniform pressure of the bearings to the journal shaft and, as a result, increases as the contact elements wear out vibration.

Известна электрическая машина, содержащая статор, закрепленный в корпусе, и ротор, расположенный на валу, каждая из опор которого содержит, по меньшей мере, три подшипника, внешние кольца которых прижаты к опорной шейке вала с помощью вспомогательного электродвигателя, ротор которого находится в зубчатом зацеплении с установленными в торцевых фланцах эксцентриковыми осями, на которых размещены внутренние кольца подшипников (см. SU 610247, Н02К 5/16, 1976).A known electric machine containing a stator mounted in the housing, and a rotor located on the shaft, each of the bearings of which contains at least three bearings, the outer rings of which are pressed against the supporting neck of the shaft using an auxiliary motor, the rotor of which is in gear engagement with eccentric axes installed in the end flanges, on which the inner rings of the bearings are located (see SU 610247, Н02К 5/16, 1976).

Недостатком известного устройства является то, что на подшипники действуют значительные силы, которые возникают от неуравновешенных масс на роторе машины и вызывают повышенные вибрационные и радиальные нагрузки. Для преодоления действия этих сил, отжимающих подшипники от шейки вала ротора, ротор вспомогательного электродвигателя должен развивать повышенный крутящий момент, который может быть обеспечен за счет увеличения мощности двигателя и, следовательно, его габаритов. Кроме того, при выключенном вспомогательном электродвигателе геометрическая ось вала ротора машины смещается, т.к. эксцентриковые оси подшипников под действием его веса поворачиваются на величину эксцентриситета, при этом вал ротора "проваливается" под собственным весом между наружными кольцами подшипников. Все это уменьшает срок эксплуатации машины и снижает надежность ее работы. Кроме того, конструкция машины усложнена.A disadvantage of the known device is that significant forces act on the bearings, which arise from unbalanced masses on the rotor of the machine and cause increased vibration and radial loads. To overcome the action of these forces, squeezing the bearings from the neck of the rotor shaft, the rotor of the auxiliary motor must develop increased torque, which can be achieved by increasing the motor power and, consequently, its dimensions. In addition, when the auxiliary motor is off, the geometric axis of the rotor shaft of the machine is shifted, because the eccentric axes of the bearings under the influence of its weight are rotated by the amount of eccentricity, while the rotor shaft “falls through” under its own weight between the outer rings of the bearings. All this reduces the life of the machine and reduces the reliability of its operation. In addition, the design of the machine is complicated.

Известна также высокооборотная электрическая машина, содержащая корпус, снабженный торцевыми щитами, сердечник статора, снабженный обмоткой, в цилиндрической полости которого с зазором размещен ротор, содержащий индуктор и подшипниковый узел (см. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.).A high-speed electric machine is also known, containing a housing equipped with end shields, a stator core equipped with a winding, in the cylindrical cavity of which a rotor containing an inductor and a bearing assembly is placed with a gap (see V. Balagurov, F. F. Galteev, Electric generators with permanent magnets. - M .: Energoatomizdat, 1988. - 280 p.).

Недостатком данного устройства является невозможность существенного уменьшения массогабаритных характеристик устройства за счет повышения скорости вращения ротора, поскольку нагрузочные характеристики подшипниковых узлов не допускают высокие скорости вращения ротора при уменьшении его радиального размера.The disadvantage of this device is the inability to significantly reduce the weight and size characteristics of the device by increasing the speed of rotation of the rotor, since the load characteristics of the bearing assemblies do not allow high speeds of rotation of the rotor while reducing its radial size.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение высокой надежности работы электромашины при высокой скорости вращения ротора без увеличения ее массогабаритных показателей.The task to which the proposed technical solution is directed is to ensure high reliability of the electric machine at a high rotor speed without increasing its overall dimensions.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности использования газового слоя в зазоре между статором и ротором электромашины для организации газового подшипника и за счет этого отказа от подшипников качения. Кроме того, повышается ресурс электромашины при работе на повышенных и высоких частотах вращения. Одновременно минимизируется прогиб вала.The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in providing the possibility of using the gas layer in the gap between the stator and the rotor of the electric machine to organize the gas bearing and due to this rejection of the rolling bearings. In addition, increases the resource of the electric machine when working at high and high speeds. At the same time, shaft deflection is minimized.

Для решения поставленной задачи высокооборотная электрическая машина, содержащая корпус, снабженный торцевыми щитами, сердечник статора, снабженный обмоткой, в цилиндрической полости которого с зазором размещен ротор, содержащий индуктор и подшипниковый узел, отличается тем, что подшипниковый узел выполнен с возможностью газодинамического поддержания ротора, для чего наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма, причем он размещен в полости цилиндрической втулки, предпочтительно тонкой, зафиксированной от проворачивания в торцевых щитах, с зазором к ее поверхности, открытым со стороны торцевых щитов, причем втулка выполнена из изоляционного немагнитного антифрикционного материала. Кроме того, краевые участки ротора выполнены в виде цилиндрических втулок, внешний диаметр которых равен диаметру ротора, при этом длина опорной поверхности ротора превышает длину индуктора. Кроме того, часть ротора, прилегающая к оси его симметрии, выполнена в виде вала, предпочтительно полого, с возможностью жесткой фиксации с валом турбины и/или компрессора.To solve this problem, a high-speed electric machine containing a housing equipped with end shields, a stator core equipped with a winding, in the cylindrical cavity of which a rotor containing an inductor and a bearing assembly is placed with a gap, differs in that the bearing assembly is capable of gas-dynamic support of the rotor, for of which the outer surface of the rotor is given a cylindrical shape, moreover, it is placed in the cavity of the cylindrical sleeve, preferably thin, fixed from being turned I end panels, with a gap to the surface thereof exposed from the end shields, wherein the sleeve is formed of an insulating nonmagnetic antifriction material. In addition, the edge sections of the rotor are made in the form of cylindrical bushings, the outer diameter of which is equal to the diameter of the rotor, while the length of the supporting surface of the rotor exceeds the length of the inductor. In addition, the part of the rotor adjacent to its axis of symmetry is made in the form of a shaft, preferably hollow, with the possibility of rigid fixation with the shaft of the turbine and / or compressor.

Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the set of essential features of the proposed technical solution and the set of essential features of the prototype and analogues indicates its compliance with the criterion of "novelty".

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.In this case, the essential features of the characterizing part of the claims solve the following functional tasks.

Признак «подшипниковый узел выполнен с возможностью газодинамического поддержания ротора» позволяет отказаться от поддержания ротора на подшипниках качения, тем самым исключается необходимость формирования соответствующих посадочных мест под подшипниковые узлы (с уменьшением поперечного сечения ротора), кроме того, резко уменьшается нагрузка на опорные участки ротора, поскольку в их качестве используется практически вся поверхность ротора.The sign "the bearing unit is made with the possibility of gas-dynamic support of the rotor" eliminates the need to maintain the rotor on the rolling bearings, thereby eliminating the need to form appropriate seats for the bearing units (with a decrease in the cross section of the rotor), in addition, the load on the supporting sections of the rotor is sharply reduced, since they use almost the entire surface of the rotor.

Признаки «наружной поверхности ротора придана цилиндрическая форма, причем он размещен в полости цилиндрической втулки» обеспечивают конструктивное формирование газодинамического подшипника, в котором ротор играет роль цапфы, а обращенная к нему поверхность втулки играет роль опорного отверстия, в котором эта цапфа размещена.The signs "the outer surface of the rotor is cylindrical in shape, and it is placed in the cavity of the cylindrical sleeve" provides the constructive formation of a gas-dynamic bearing in which the rotor plays the role of a journal and the surface of the sleeve facing it plays the role of the support hole in which this journal is located.

Выполнение втулки тонкой уменьшает зазор между ротором и статором и тем самым обеспечивает повышение магнитной индукции и, следовательно, эффективность работы электромашины.The execution of a thin sleeve reduces the gap between the rotor and the stator and thereby provides an increase in magnetic induction and, therefore, the efficiency of the electric machine.

Признаки, указывающие, что ротор размещен в полости втулки …, «зафиксированной от проворачивания в торцевых щитах, с зазором к ее поверхности, открытым со стороны торцевых щитов» обеспечивают возникновение эффекта газодинамического поддержания ротора при его вращении.Signs indicating that the rotor is located in the cavity of the sleeve ..., "fixed from turning in the end shields, with a gap to its surface open from the side of the end shields" provide the effect of gas-dynamic support of the rotor during its rotation.

Признаки, указывающие, что «втулка выполнена из изоляционного немагнитного антифрикционного материала» обеспечивают возможность работы электрической машины в режиме генератора электроэнергии. При этом антифрикционные свойства втулки обеспечивают минимальный ее износ и задиры при аварийном соприкосновении с ротором.Signs indicating that "the sleeve is made of an insulating non-magnetic antifriction material" provides the possibility of the electric machine working in the mode of an electric power generator. At the same time, the antifriction properties of the sleeve ensure its minimum wear and scoring during emergency contact with the rotor.

Признаки второго пункта формулы изобретения уменьшают нагрузку на опорную поверхность втулки и ротора за счет возможности увеличения площади их контактирования.The features of the second claim reduce the load on the supporting surface of the sleeve and rotor due to the possibility of increasing the area of their contact.

Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают надежное соединение ротора электромашины с валом турбины и/или компрессора и минимизируют дисбаланс комплекса интенсивно вращающихся деталей в генерирующей установке.The features of the third claim provide a reliable connection of the rotor of the electric machine with the shaft of the turbine and / or compressor and minimize the imbalance of the complex of intensively rotating parts in the generating installation.

Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез машины; на фиг.2 показан ее поперечный разрез по А-А.The claimed device is illustrated by drawings, where figure 1 shows a longitudinal section of a machine; figure 2 shows its cross section along aa.

На чертежах показаны корпус 1, в полости которого установлен сердечник статора 2, выполненный известным образом из одного или нескольких пакетов электротехнической стали с обмоткой 3. Статор собирают в следующем порядке. Из штампованных листов электротехнической стали собирают пакеты и скрепляются сваркой по канавкам на наружной цилиндрической поверхности. Первый пакет, снабженный нажимным листом, вставляют в корпус электромашины до упора. Далее со строгой ориентацией устанавливают поочередно дистанционные распорки и пакеты сердечника, причем последний пакет также снабжен нажимным листом. Если сердечник статора состоит из одного пакета, его снабжают нажимными листами с обеих торцевых сторон. Полученный комплект пакетов и дистанционных распорок (или единственный пакет) прессуют и фиксируют в корпусе машины с помощью разрезного кольца. Далее в пазы пакетов устанавливают пазовую изоляцию, укладывают обмотку статора, и заклинивают ее. Обмотку статора подвергают пропитке и сушке. Внутрь статора вставляют цилиндрическую немагнитную изоляционную втулку с радиальными отверстиями.The drawings show a housing 1, in the cavity of which a stator core 2 is installed, made in a known manner from one or more packages of electrical steel with a winding 3. The stator is assembled in the following order. Packages are collected from stamped sheets of electrical steel and welded together in grooves on the outer cylindrical surface. The first package, equipped with a pressure sheet, is inserted into the body of the electric machine until it stops. Further, with strict orientation, distance spacers and core packages are installed alternately, the latter package also having a pressure sheet. If the stator core consists of one package, it is supplied with pressure sheets from both end faces. The resulting set of packages and distance struts (or a single package) is pressed and fixed in the machine body using a split ring. Next, groove insulation is installed in the grooves of the packages, the stator winding is laid, and it is jammed. The stator winding is subjected to impregnation and drying. A cylindrical non-magnetic insulating sleeve with radial holes is inserted inside the stator.

В свою очередь, в полости статора 2 установлена цилиндрическая втулка 4, выполненная из изоляционного немагнитного антифрикционного материала. Втулка 4 зафиксирована своими концевыми участками в торцевых щитах 5 корпуса машины с исключением возможности проворачивания в них (в сквозных отверстиях (не показаны) торцевых щитов 5).In turn, a cylindrical sleeve 4 is installed in the cavity of the stator 2, made of an insulating non-magnetic antifriction material. The sleeve 4 is fixed by its end sections in the end shields 5 of the machine body with the exception of the possibility of turning them (through holes (not shown) of the end shields 5).

Наружной поверхности ротора 6 придана форма цилиндра. Ротор 6 содержит индуктор, выполненный, например, из постоянных магнитов 7. Вал 8 ротора 6 выполнен предпочтительно полым, поскольку такое решение позволяет уменьшить массу ротора и обеспечить более эффективное его охлаждение при организации отвода воздуха через полость вала.The outer surface of the rotor 6 is shaped like a cylinder. The rotor 6 contains an inductor made, for example, of permanent magnets 7. The shaft 8 of the rotor 6 is preferably hollow, since this solution allows to reduce the mass of the rotor and provide more efficient cooling when organizing the air exhaust through the shaft cavity.

Между наружной цилиндрической поверхностью ротора 6 и внутренней поверхностью изоляционной немагнитной втулки 4 оставлен небольшой зазор 9, открытый со стороны торцевых щитов 5. Газодинамический подшипник составляют внутренняя поверхность втулки 4, наружная цилиндрическая поверхность ротора 6 и зазор 9 между ними.Between the outer cylindrical surface of the rotor 6 and the inner surface of the insulating non-magnetic sleeve 4, a small gap 9 is left, open on the side of the end shields 5. Gas-dynamic bearings comprise the inner surface of the sleeve 4, the outer cylindrical surface of the rotor 6 and the gap 9 between them.

При малой длине ротора 6 его вал может быть сплошным. При большой длине ротора целесообразно выполнить вал полым, при этом на его сплошной наружной цилиндрической поверхности может быть выполнена кольцевая канавка 10, вдоль окружности которой целесообразно выполнить несколько сквозных радиальных отверстий 11, соединяющих полость 12 вала 8 с внешней поверхностью ротора 6.With a small length of the rotor 6, its shaft can be solid. With a large length of the rotor, it is advisable to make the shaft hollow, while an annular groove 10 can be made on its continuous outer cylindrical surface, along the circumference of which it is advisable to make several through radial holes 11 connecting the cavity 12 of the shaft 8 with the outer surface of the rotor 6.

Ротор электромашины должен иметь цилиндрическую наружную поверхность, которая будет служить цапфой газового подшипника. Поэтому, если ротор явнополюсный, на него надевают тонкий немагнитный цилиндр (не показан).The rotor of the electric machine must have a cylindrical outer surface, which will serve as the trunnion of the gas bearing. Therefore, if the rotor is clearly polar, a thin non-magnetic cylinder (not shown) is put on it.

Вал электромашины выполнен как часть вала энергетической установки (не показана). В рамках настоящей заявки под энергетической установкой понимаем агрегат, включающий заявленную электромашину и турбину и/или компрессор, обеспечивающие приведение во вращение ротора 6. Таким образом вал электромашины жестко связан и образует жесткую конструкцию с валом названного приводного механизма.The shaft of the electric machine is made as part of the shaft of a power plant (not shown). In the framework of this application, a power plant is understood to mean an aggregate including the declared electric machine and turbine and / or compressor, which provide for the rotation of the rotor 6. Thus, the shaft of the electric machine is rigidly connected and forms a rigid structure with the shaft of the said drive mechanism.

Заявленное устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.

Приводной механизм (не показан) приводит во вращение ротор 6. При этом газ из пространства, окружающего машину, подсасывается в зазор 9 наружной поверхностью ротора и создает газодинамическую подъемную силу за счет разности зазоров в верхней и нижней частях подшипника (за счет эксцентричности продольной оси ротора 6 и втулки 4), обеспечивающую поддержание ротора 6 в подвешенном положении относительно втулки 4, неподвижной относительно статора 2. С наружной цилиндрической поверхности ротора 6 газ уходит в осевом направлении в окружающую среду, а в центральной части - также через радиальные отверстия в полый вал 8 ротора и далее в окружающую среду через полость 12 вала 8. Одновременно газ работает, как охлаждающий агент, отнимая тепло от наружной цилиндрической поверхности ротора и поверхности его полости 12. Тем самым обеспечивается на допустимом уровне нагрев индуктора ротора.A drive mechanism (not shown) drives the rotor 6. In this case, gas from the space surrounding the machine is sucked into the gap 9 by the outer surface of the rotor and creates a gas-dynamic lifting force due to the difference in the gaps in the upper and lower parts of the bearing (due to the eccentricity of the longitudinal axis of the rotor 6 and the sleeve 4), ensuring the support of the rotor 6 in a suspended position relative to the sleeve 4, stationary relative to the stator 2. From the outer cylindrical surface of the rotor 6, the gas flows axially into the environment and in the central part also through radial holes in the hollow shaft 8 of the rotor and further into the environment through the cavity 12 of the shaft 8. At the same time, the gas acts as a cooling agent, taking heat from the outer cylindrical surface of the rotor and the surface of its cavity 12. This ensures allowable heating of the rotor inductor.

Охлаждение статора осуществляют известным образом с подачей охлаждающего агента в соответствующее пространство корпуса машины (элементы этой системы охлаждения не показаны).The stator is cooled in a known manner with the supply of a cooling agent into the corresponding space of the machine body (elements of this cooling system are not shown).

В остальном работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.Otherwise, the operation of the electric machine does not differ from the work of known devices of a similar purpose.

Claims

1. A high-speed electric machine, comprising a housing provided with end shields, a stator core equipped with a winding, in the cylindrical cavity of which a rotor is arranged with a gap, comprising an inductor and a bearing assembly, characterized in that the bearing assembly is capable of gas-dynamic support of the rotor, for which the outer the surface of the rotor is given a cylindrical shape, and it is placed in the cavity of a cylindrical sleeve, preferably thin, fixed from turning in the end shields, with a gap to its surface, open from the side of the end shields, and the sleeve is made of insulating non-magnetic antifriction material.

2. The electric machine according to claim 1, characterized in that the edge sections of the rotor are made in the form of cylindrical bushings, the outer diameter of which is equal to the diameter of the rotor, while the length of the supporting surface of the sleeve and rotor exceeds the length of the inductor.

3. The electric machine according to claim 1, characterized in that the part of the rotor adjacent to its axis of symmetry is made in the form of a shaft, preferably hollow, with the possibility of rigid fixation with the shaft of the turbine and / or compressor.