Во Франции для криогенной установки согласно создана торцевая магнитная муфта с частотой вращения 12-10 об/мин с безвальным торцевым ротором. Вращаемая мотором ведущая часть муфты с постоянными магнитами увлекает за собой безвальный ротор с постоянными магнитами, отделенный от ведущей части немагнитной перегородкой. Опорой ротора является аэродинамический подпятник, расположенный на периферии кольцевого статора. Стабилизация ротора в радиальном направлении осуществляется с помощью кольцевой обмотки, помещенной снизу, и кольцеобразных выступов, имеющихся на верхней части турбинного колеса и на станине.
В настоящее время с развитием микрокриогенной техники низких температур возникла необходимость создания электромашины, у которой ротор должен быть отделен перегородкой от статора.
Вращающиеся электрические машины выполняются цилиндрическими или торцевыми.
Известные конструкции индукторных машин цилиндрического типа не могут быть использованы в установках с большим перепадом давления и температур, так как в них невозможно полностью устранить передачу тепла от статора к ротору и обеспечить надежную герметизацию при большой разнице в давлениях в области статора и ротора. ·
Целесообразность применения машины именно индукторного типа объясняется тем, что машина сверхскоростная и ее ротор должен быть монолитным без обмоток.
Рис. 5-26. Торцевой индукторный генератор с дисковым безвальным зубчатым ротором: а — продольный разрез: б — вид сверху (разрез).
Индукторная торцевая электромашина в зависимости от назначения установки работает или в режиме электродвигателя (в турбокомпрессоре), или в режиме электрогенератора (в турбодетандере), приводимого во вращение газовой турбиной, помещенной на роторе. На рис. 5-26 показана торцевая индукторная машина с дисковым безвальным ротором. Плоскости торцевого статора и дискового ротора расположены горизонтально.
Магнитопровод статора 1 намотан в виде тороида из тонкой стальной ленты. В его верхней части сделаны в радиальном направлении полузакрытые пазы 2, в которых помещены две трехфазные обмотки с различным числом полюсов. Статор крепится к нижней части (днищу) станины 4 и фиксируется внутренним кольцом 5. Статор отделен от ротора немагнитной дисковой пластиной 6.
Дискообразный ферромагнитный ротор 7 не имеет вала и опирается на газовый подпятник 8, который состоит из двух частей. Один диск подпятника закреплен на роторе и вращается вместе с ним, а второй диск — неподвижен и закреплен на станине. На поверхности ферромагнитного дискового ротора, обращенной к статору, имеются зубцы 9, расположенные радиально (отливка или фрезеровка).
Рабочим магнитным полем для одной из трехфазных обмоток статора является основная зубцовая гармоника поля, обусловленная зубчатостью ротора при данной н. с. возбуждения. В режиме двигателя взаимодействие поля с н. с. вторичной статорной обмотки обусловливает появление магнитных тангенциальных сил, которые действуют на ферромагнитные зубцы ротора и увлекают его по направлению вращения первой гармоники магнитного поля.
Частота вращения дискового ротора торцевого индукторного двигателя определяется частотой тока первичной обмотки и числом зубцов ротора:
где p1 — число пар полюсов первичной обмотки; n1 — частота вращения первой гармоники магнитного поля с полюсным делением н. с. первичной обмотки.
С целью уничтожения качаний (перемещений) ротора в радиальном направлении имеется магнитная стабилизация. Для этой цели помещена дисковая обмотка 10. На пути магнитного потока имеются кольцеобразные выступы, сделанные как на роторе, так и на неподвижной части 11— станине. При нормальном положении указанные кольца — выступы находятся друг под другом. В случае случайного отклонения в радиальном направлении вращающегося ротора кольца выступы ротора смещаются относительно неподвижных, что приводит к возникновению радиальных магнитных сил, направление которых обратно тому, в котором сместился (отклонился) диск ротора. Магнитные силовые линии как «резиновые нити» стабилизируют в радиальном направлении вращающийся ротор.
В качестве нагрузки индукторного торцевого двигателя служит газовая турбина. При использовании рассматриваемой электромашины в режиме генератора газовая турбина является приводным двигателем. Турбинное колесо 7 с лопатками и круглыми отверстиями 12 для газа показано на том же рис. 5-26. Конструкция газовой турбины может быть различной в зависимости от назначения рассматриваемой установки.
Возбуждение торцевого (дискового) индукторного генератора осуществляется с помощью кольцевой обмотки 10 при ее питании постоянным током. Диск 8 из немагнитного материала. Для возбуждения можно использовать и вторичную статорную обмотку, подключив ее к источнику постоянного тока. В этом случае при вращении ротора газовой турбиной магнитная проводимость, а следовательно, и потокосцепление с обмоткой якоря изменяются при зубчатом роторе, в ней индуктируется э. д. с. с частотой
Частота вращения ротора данной электромашины должна быть выбрана исходя из запаса механической прочности деталей дискового ротора.
Особенностью торцевой вертикальной электромашины является сложный баланс сил, действующих на ротор. Следует иметь в виду, что под действием н. с. статорной обмотки 3 возникают силы, под действием которых ротор 7 притягивается к пакету статора. Кроме того, возникает реакция газовой турбины, направление которой зависит от режима работы. Указанные силы компенсируются (воспринимаются) в данной машине подпятником 8 и стабилизирующим устройством с верхним подпятником 13. Подпятник 8 создает силу реакции, направленную навстречу относительно сил притяжения статорной обмотки, сил тяжести от ротора и аксиальной составляющей реакции газовой турбины.
Следовательно, в торцевой индукторной машине н. с. обмоток магнитные поля, масса ротора, реакция газовой турбины выбираются из условия полной компенсации аксиальных и радиальных сил.
