Владельцы патента RU 2410555:
Изобретение относится к двигателестроению, к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с осями цилиндров, расположенными в одной плоскости с осью ведущего вала и с пространственно-качающейся наклонной шайбой. Аксиально-поршневой двигатель содержит блоки цилиндров рабочей (1) и компрессорной (7) секций, коренной вал (13) с наклонными дисками (14, 15), распределительный вал (16), пространственно-качающиеся шайбы (18, 19), опоры (24) с рычагами (25), головку цилиндров рабочей секции (26) с камерами сгорания изменяющегося объема (27), головку цилиндров компрессорной секции (39), впускные коллектора (43), компрессор (44), топливный насос (45) и камеры противодавления (47). Блоки цилиндров (1 и 7) содержат попарно диаметрально противоположно расположенные цилиндры (2, 8). Пространственно-качающиеся шайбы (18, 19) установлены по одной на каждую пару цилиндров (2, 8) и выполнены с цапфами (20, 21). Камеры сгорания изменяющегося объема (27) содержат обратные (28), выпускные (30) и впускные (31) клапаны. Впускные клапаны (31) выполнены с разгрузочными полостями (32). Разгрузочные полости (32) соединены с выпускными коллекторами (33) каналами (34). Головка цилиндров компрессорной секции (39) содержит обратные клапаны на входе (41) и на нагнетании воздуха (41). Клапаны на нагнетании (41) соединены трубопроводами (42) с обратными клапанами (28) на входе воздуха в камеры сгорания (27). Рычаги (25), качающиеся в опорах (24), жестко соединены с шарнирами (5, 11). Камеры противодавления (47) расположены в головке цилиндров (26) рабочей секции и соединены между собой каналами (48). Поршни (46), перемещаясь внутрь камер противодавления (47), увеличивают объем камер сгорания (27) и возвращаются в исходное положение при снижении давления в камерах сгорания (27). Технический результат заключается в снижении нагрузок на детали двигателя при сохранении мощности. 4 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, конкретнее к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с осями цилиндров, расположенных в одной плоскости с осью ведущего вала, и с пространственно-качающейся наклонной шайбой.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий неподвижный корпус, цилиндры с двумя встречными поршнями в каждом, коренной вал с жестко закрепленными на нем дисками, на наружной поверхности которых через подшипники установлены пространственно-качающиеся шайбы, при этом поршни шарнирно соединены с шатунами, противоположные концы которых шарнирно соединены с качающимися шайбами, а оси цилиндров выполнены параллельными оси коренного вала, двигатель снабжен кольцами, каждая шайба соединена с одним из них посредством двух цапф, расположенных друг против друга на внутренней стороне кольца, кольца соединены с корпусом двумя другими цапфами, расположенными друг против друга с внешней стороны колец, и установлены с возможностью покачивания вокруг осей наружных цапф, расположенные на внутренней и внешней сторонах, перпендикулярны между собой и лежат в одной плоскости с центром вращения дисков и центром пространственного покачивания шайб (см. описание изобретения к патенту РФ №2125162, МПК 6 F01В 3/02, F02В 75/26, публикация 20.01.99).
Недостатками этого двигателя являются недостаточно эффективный способ продувки выхлопных газов и наполнения цилиндров воздухом, а также недостаточная надежность узлов крепления шатунов.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий головку цилиндров компрессорной секции с впускными клапанами и с обратными клапанами на нагнетании воздуха, блок цилиндров компрессорной секции с поршнями и жестко закрепленными на них штоками с шарнирами, блок цилиндров рабочей секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами с двумя встречными поршнями в каждом, с тремя группами камер сгорания, впускных, обратных и выпускных клапанов, форсунок, расположенных в середине и по краям цилиндров, впускными и выпускными каналами, ведущий вал с шестерней привода распределительных валов, с жестко закрепленными на нем двумя встречно-наклонными дисками, на наружной поверхности которых через подшипники скольжения установлены пространственно-качающиеся шайбы (по одной на каждую пару цилиндров) с цапфами и удерживающиеся от вращения рычагами, качающимися в опорах, опорные поршни с шарнирами, жестко закрепленные через штоки с поршнями и движущиеся в направляющих цилиндрах, распределительные валы, воздушные ресиверы (см. описание изобретения к патенту РФ №2335647, МПК F01В 3/2, публикация 10.10.2008).
Недостатками этого двигателя, принятого за прототип, являются высокие нагрузки на детали, надежность и прочность которых обеспечивается увеличением их габаритов.
Задачей заявляемого изобретения является снижение нагрузок на детали двигателя при сохранении мощности.
Сущность изобретения заключается в том, что аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит:
Блок цилиндров рабочей секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами с поршнями, шатунами и шарнирами с шатунными шейками в каждом;
Блок цилиндров компрессорной секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами с поршнями, шатунами и шарнирами с шатунными шейками в каждом;
Коренной вал с жестко закрепленными на нем наклонными дисками;
Распределительный вал, продолжающий коренной вал, с кулачками;
Пространственно-качающиеся шайбы по одной на каждую пару цилиндров с цапфами, установленные через подшипники на наружной поверхности наклонных дисков;
Опоры с рычагами;
Головку цилиндров рабочей секции с камерами сгорания изменяющегося объема, с обратными клапанами, удерживаемыми в закрытом положении давлением воздуха из канала, с выпускными и впускными клапанами с разгрузочными полостями, соединенными с выпускными коллекторами каналами, с форсунками, толкателями, штангами, коромыслами;
Головку цилиндров компрессорной секции с обратными клапанами на входе и обратными клапанами на нагнетании воздуха, соединенными трубопроводами с обратными клапанами на входе воздуха в камеры сгорания;
Впускные коллектора;
Компрессор;
Топливный насос.
Двигатель дополнительно содержит расположенные в головке блока рабочей секции поршни и камеры противодавления, соединенные между собой каналами.
Рычаги жестко соединены с шарнирами, ограничивая их вращение относительно осей цапф и перемещения вдоль осей цапф.
Описание поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан аксиально-поршневой двигатель, общий вид в продольном разрезе;
на фиг.2 - то же, поперечный разрез А-А;
на фиг.3 - то же, поперечный разрез В-В;
на фиг.4 - то же, поперечный разрез С-С.
Аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит:
Блок цилиндров 1 рабочей секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами 2 с поршнями 3, шатунами 4 и шарнирами 5 с шатунными шейками 6 в каждом;
Блок цилиндров 7 компрессорной секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами 8 с поршнями 9, шатунами 10 и шарнирами 11 с шатунными шейками 12 в каждом;
Коренной вал 13 с жестко закрепленными на нем наклонными дисками 14, 15;
Распределительный вал 16, продолжающий коренной вал 13, с кулачками 17;
Пространственно-качающиеся шайбы 18, 19 по одной на каждую пару цилиндров 2, 8 с цапфами 20, 21, установленные через подшипники 22, 23 на наружной поверхности наклонных дисков 14, 15;
Опоры 24 с рычагами 25;
Головку цилиндров 26 рабочей секции с камерами сгорания изменяющегося объема 27, с обратными клапанами 28, удерживаемыми в закрытом положении давлением воздуха из канала 29, с выпускными 30 и впускными 31 клапанами с разгрузочными полостями 32, соединенными с выпускными коллекторами 33 каналами 34, с форсунками 35, толкателями 36, штангами 37, коромыслами 38;
Головку цилиндров 39 компрессорной секции с обратными клапанами 40 на входе и обратными клапанами 41 на нагнетании воздуха, соединенными трубопроводами 42 с обратными клапанами 28 на входе воздуха в камеры сгорания 27;
Впускные коллектора 43;
Компрессор 44;
Топливный насос 45.
Двигатель дополнительно содержит расположенные в головке цилиндров 26 рабочей секции поршни 46 и камеры противодавления 47, соединенные между собой каналами 48.
Рычаги 25 жестко соединены с шарнирами 5, 11, ограничивая их вращение и перемещение относительно осей цапф 20, 21.
Аксиально-поршневой двигатель работает следующим образом. При движении поршней 9 в цилиндрах 8 блока цилиндров 7 от В.М.Т. к Н.М.Т. через расположенные в головке цилиндров 39 компрессорной секции впускные коллектора 43, обратные клапаны 40 происходит наполнение цилиндров 8 воздухом. Цикл впуска. При движении поршней 9 от Н.М.Т. к В.М.Т. происходит сжатие воздуха в цилиндрах 8. При достижении давления, равного давлению в трубопроводах 42, воздух вытесняется через обратные клапаны 41, трубопроводы 42, обратные клапаны 28 в расположенные в головке цилиндров 26 рабочей секции камеры сгорания 27, и при достижении поршнями 9 В.М.Т. обратные клапаны 41, обратные клапаны 28 закрываются. Обратные клапаны 28 удерживаются в закрытом положении давлением воздуха в каналах 29. На период запуска двигателя для предотвращения выпуска воздуха из трубопроводов 42 через открытые впускные клапаны 31 в цилиндры 2 давление воздуха в каналах 29 повышается. При этом открытие обратных клапанов 28 происходит после закрытия впускных клапанов 31. Через форсунки 35 топливным насосом 45 впрыскивается топливо и воспламеняется. При повышении давления в камерах сгорания 27 выше заданного поршни 46 перемещаются из исходного положения в сторону камер противодавления 47, соединенных между собой каналами 48, предотвращая повышение давления в камере сгорания 27 выше заданного. Давление в камерах противодавления 47 и каналах 29 поддерживается компрессором 44 (на чертеже не показан). Цикл сжатия. В то же время при приближении поршней 3 к В.М.Т. открываются впускные клапаны 31, начинается подача рабочего газа из камер сгорания 27 в цилиндры 2 блока цилиндров 1. Разгрузочные полости 32 с каналами 34 служат для предотвращения повышения давления с внутренней стороны впускных клапанов 31, создающего усилия, направленные на открытие впускных клапанов 31. Начало цикла рабочего хода. По мере движения поршней 3 от В.М.Т. к Н.М.Т. поршни 46 перемещаются в исходное положение, поддерживая давление в камерах сгорания 27 и рабочих цилиндрах 2 неизменным. При достижении поршнями 46 исходного положения начинается снижение давления в камерах сгорания 27 и рабочих цилиндрах 2. При выравнивании давления в камерах сгорания 27 и трубопроводах 42 начинается продувка камер сгорания 27 от выхлопных газов воздухом из трубопроводов 42 в рабочие цилиндры 2. По окончании продувки впускные клапаны 31 закрываются. При приближении поршней 3 к Н.М.Т. открываются выпускные клапаны 30. Окончание цикла рабочего хода и начало цикла выпуска. При движении поршней 3 от Н.М.Т. к В.М.Т. через выпускные клапаны 30, выпускные коллектора 33 происходит удаление выхлопных газов. При приближении поршней 3 к В.М.Т. закрываются выпускные клапаны 30. Окончание цикла выпуска. Усилие поршней 3 через шатуны 4, шатунные шейки 6, шарниры 5 передается на цапфы 20 качающихся шайб 18, которые через подшипники 22 воздействуют на сбегающую сторону наклонного диска 14, вращая его с коренным валом 13 и распределительным валом 16. Вращающийся с коренным валом 13 наклонный диск 15 через подшипники 23, качающиеся шайбы 19, цапфы 21, передает усилие на шарниры 11, шатунные шейки 12, шатуны 10, поршни 9, обеспечивая их возвратно-поступательное движение в цилиндрах 8 блока цилиндров 7. Рычаги 25, жестко соединенные с шарнирами 5, 11, качающиеся в опорах 24 препятствуют вращению качающихся шайб 18, 19. Управление впускными 31 и выпускными 30 клапанами осуществляется расположенными на распределительном валу 16 кулачками 17 через толкатели 36, штанги 37, коромысла 38.
Заявленное изобретение позволит уменьшить нагрузки на детали двигателя при сохранении мощности.
Аксиально-поршневой двигатель, содержащий: блок цилиндров рабочей секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами с поршнями, шатунами и шарнирами с шатунными шейками в каждом; блок цилиндров компрессорной секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами с поршнями, шатунами и шарнирами с шатунными шейками в каждом; коренной вал с наклонными дисками; распределительный вал с кулачками; пространственно-качающиеся шайбы по одной на каждую пару цилиндров с цапфами; опоры с рычагами; головку цилиндров рабочей секции с камерами сгорания изменяющегося объема, с обратными клапанами, удерживаемыми в закрытом состоянии давлением воздуха из канала, с выпускными и впускными клапанами с разгрузочными полостями, соединенными с выпускными коллекторами, с форсунками, толкателями, штангами, коромыслами; головку цилиндров компрессорной секции с обратными клапанами на входе и обратными клапанами на нагнетании воздуха, соединенными трубопроводами с обратными клапанами на входе воздуха в камеры сгорания; впускные коллектора; компрессор; топливный насос, отличающийся тем, что рычаги жестко соединены с шарнирами, ограничивая их вращение и перемещение относительно осей цапф, двигатель дополнительно содержит расположенные в головке цилиндров рабочей секции камеры противодавления, соединенные каналами, и поршни, перемещающиеся внутрь камер противодавления, увеличивая объем камер сгорания и предотвращая рост давления в них, и возвращающиеся в исходное положение при снижении давления в камерах сгорания.
65 нанометров - следующая цель зеленоградского завода «Ангстрем-Т», которая будет стоить 300-350 миллионов евро. Заявку на получение льготного кредита под модернизацию технологий производства предприятие уже подало во Внешэкономбанк (ВЭБ), сообщили на этой неделе «Ведомости» со ссылкой на председателя совета директоров завода Леонида Реймана. Сейчас «Ангстрем-Т» готовится запустить линию производства микросхем с топологией 90нм. Выплаты по прошлому кредиту ВЭБа, на который она приобреталась, начнутся в середине 2017 года.
Пекин обвалил Уолл-стрит
Ключевые американские индексы отметили первые дни Нового года рекордным падением, миллиардер Джордж Сорос уже предупредил о том, что мир ждет повторение кризиса 2008 года.
Первый российский потребительский процесор Baikal-T1 ценой $60 запускают в массовое производство
Компания «Байкал Электроникс» в начале 2016 года обещает запустить в промышленное производство российский процессор Baikal-T1 стоимостью около $60. Устройства будут пользоваться спросом, если этот спрос создаст государство, говорят участники рынка.
МТС и Ericsson будут вместе разрабатывать и внедрять 5G в России
ПАО "Мобильные ТелеСистемы" и компания Ericsson заключили соглашения о сотрудничестве в области разработки и внедрения технологии 5G в России. В пилотных проектах, в том числе во время ЧМ-2018, МТС намерен протестировать разработки шведского вендора. В начале следующего года оператор начнет диалог с Минкомсвязи по вопросам сформирования технических требований к пятому поколению мобильной связи.
Сергей Чемезов: Ростех уже входит в десятку крупнейших машиностроительных корпораций мира
Глава Ростеха Сергей Чемезов в интервью РБК ответил на острые вопросы: о системе «Платон», проблемах и перспективах АВТОВАЗа, интересах Госкорпорации в фармбизнесе, рассказал о международном сотрудничестве в условиях санкционного давления, импортозамещении, реорганизации, стратегии развития и новых возможностях в сложное время.
Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric
Набсовет Ростеха утвердил "Стратегию развития до 2025 года". Основные задачи – увеличить долю высокотехнологичной гражданской продукции и догнать General Electric и Samsung по ключевым финансовым показателям.
Аксиальный ДВС Duke Engine
Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.
Классический ДВС
Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров - что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.
С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.
В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС . Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.
У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».
Не остались в стороне и советские инженеры . В 1916-м году появился двигатель конструкции А. А. Микулина и Б. С. Стечкина, а в 1924 г - двигатель Старостина. Об этих двигателях знают, пожалуй, только любители истории авиации. Известно, что детальные испытания, проведенные в 1924 г, выявили повышенные потери на трение и большие нагрузки на отдельные элементы таких двигателей.
Аксиальный ДВС Duke Engine
Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.
Классический ДВС
Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров — что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.
С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.
В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС . Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.
У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».
Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.
Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре.
Чертёж из тетради Делореана
По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице .
Экзотический вариант аксиального двигателя - «двигатель Требента»
Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.
Вариант под названием "Цилиндрический энергетический модуль " с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности
Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.
Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.
Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями. Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов.
Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше.
Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей).
Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому. это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.
Демострация малых вибраций двигателя Duke
Владельцы патента RU 2477559:
Изобретение относится к области электротехники и энергетического машиностроения, а именно - к асинхронным электрическим двигателям с короткозамкнутым ротором, и может быть использован, например, для привода мощных насосов. Предлагаемый аксиальный электрический двигатель выполнен стационарным, открытым на участке земли, корпус его составлен из нижнего пояса, включающего фундаментную плиту с нижним опорным узлом, и верхнего пояса, включающего скрепленную с фундаментом звездообразную сферическую ферму, составленную симметрично из упорных балок, стянутых в центре осевым опорно-центровочным узлом. Между нижним опорным узлом и осевым опорно-центровочным узлом установлено рабочее колесо большого диаметра, на торце которого закреплен собственно короткозамкнутый ротор, отделяемый воздушным зазором от магнитопровода статора, сооруженного на фундаментной плите на подиуме. Вал рабочего колеса вверху соединяют с нагрузкой посредством муфты. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении вращающих моментов большой величины в диапазоне угловых скоростей вращения 50-500 об/мин аксиального электрического двигателя при одновременном упрощении его конструкции. 3 ил.
Изобретение относится к нетрадиционной электроэнергетике, а более конкретно к электрическим асинхронным двигателям переменного тока с короткозамкнутым ротором.
Известен аксиальный электрический двигатель переменного тока, содержащий закрытый корпус с узлами крепления к опоре, размещенный в нем неподвижный статор, состоящий из сердечника с обмоткой и подвижный (вращающийся) короткозамкнутый ротор с горизонтальной осью вращения, установленный в подшипниках фланцев с обеих сторон статора, скрепленных с корпусом. Такой двигатель может быть установлен в любом положении в пространстве и не привязан к одному месту. Такие электрические двигатели хорошо освоены промышленностью, выпускаются различной номенклатуры и широко применяются. См., например, книгу Проектирование электрических машин, авторы И.П.Копылов, Б.К.Клоков и др. изд. «Высшая школа», 2002 г., Москва, стр.29-32.
Недостаток таких двигателей - малые высоты оси вращения роторов, ограничивающие наружный диаметр сердечника статора и не позволяющего достигать большей мощности.
Близкого прототипа к заявляемой конструкции в специальной технической литературе и патентном фонде не найдено.
Цель изобретения - создание специального электрического аксиального двигателя переменного тока простой конструкции с ротором большого диаметра (порядка нескольких метров и более) с частотой вращения 50-300 об/мин, развивающего момент вращения большой величины.
Поставленная цель достигается тем, что двигатель выполнен на участке земли недвижимым стационарным открытым с неподвижным статором и подвижным (вращающимся) рабочим колесом с вертикальной осью вращения, корпус его с нижним и верхним опорными узлами выполнен горизонтальным фундаментом в виде круга, по окружности которого сооружен кольцевой подиум с укрепленной на нем сверху выверенной горизонтальной установочной плитой, на которой собран кольцевой сердечник магнитопровода статора высотой h из шихтованной электротехнической стали, спрессованный прижимной плитой и стянутый рядами шпилек с установочной плитой, в пазы сердечника уложена обмотка статора, рабочее колесо состоит из вертикального вала и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы и собственно короткозамкнутого ротора, нижняя часть вала установлена в центре окружности фундамента в нижнем опорном узле в подшипниках масляной ванны, верхняя часть вала установлена в верхнем опорном узле, состоящем из упорных колонн, упорных балок и осевого опорно-центровочного узла, в котором упорные колонны сооружены симметрично вокруг подиума с равным промежутком между ними с усиленным фундаментом, соединенным монолитно с фундаментом, вверху снабжены крепежными элементами, которыми скреплены внешними концами упорные балки, а внутренние концы их скреплены с осевым опорно-центровочным узлом, снабженным радиальными подшипниками, в котором установлена верхняя часть вала рабочего колеса, соединенная посредством муфты сцепления с потребителем, ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом посредством узла передачи момента вращения, а с внешней с диском-фермой диаметром несколько метров и более, состоящего из радиально-кольцевого объемного жесткого каркаса с верхней и нижней обшивкой, снабженного в периферийной торцевой части собственно короткозамкнутым ротором, выполненным из цилиндра алюминиевого сплава радиальной толщины z с наружным радиусом R от оси вала, высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями из медного сплава, соединенными монолитно сверху и снизу медными шинами в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом, рабочее колесо по высоте установлено так, что его собственно короткозамкнутый ротор находится напортив сердечника статора и совпадает с ним по высоте, при этом их разделяет по всей окружности цилиндра воздушный зазор величиной δ, обмотку статора соединяют с внешним источником тока.
Конструкция асинхронного электрического двигателя показана на представленных чертежах. На фиг.1 показана схематически конструкция аксиального электрического двигателя, общий вид, разрез по вертикальной диаметральной плоскости («А-А»). На фиг.2 показана схематически конструкция аксиального электрического двигателя, вид сверху. На фиг.3 схематически показана активная индуктивная часть рабочего колеса аксиального электрического двигателя, разрез по вертикальной радиальной плоскости.
Условные обозначения в тексте.
R - (м) радиус ротора аксиального электрического двигателя, расстояние от оси вала до наружной поверхности цилиндра из алюминиевого сплава,
z - (мм) радиальная толщина цилиндра из алюминиевого сплава,
h - (мм) высота сердечника статора, высота цилиндра из алюминиевого сплава собственно ротора (в технической литературе эта величина обозначается символом, т.к. направлена вдоль оси машины),
δс - (мм) величина воздушного зазора между статором и ротором в длительном стояночном положении при низкой температуре окружающей среды.
δр - (мм) величина воздушного зазора между статором и ротором в рабочем состоянии (длительный установившийся режим работы при номинальных оборотах, номинальном токе, номинальной или повышенной температуре).
Позиции на чертежах.
Аксиальный электрический двигатель устроен (см. фиг.1, 7). На некотором участке 1 земли подготавливают горизонтальную площадку, размером порядка 1,5 R, на ней выполняют горизонтальный фундамент 2. В соответствии с документацией под будущим фундаментом прокладывают технологические туннели, трубопроводы, кабели и т.п., а в самом фундаменте устанавливают люки, анкеры, датчики оборудования. По окружности фундамента сооружают подиум 3, который снабжен анкерами для крепления установочной плиты 4, которая по всей ее наружной поверхности должна быть строго выверена в горизонтальной плоскости. На установочной плите 4 сооружают статор 5, кольцевой сердечник магнитопровода которого высотой h собирают из пластин шихтованной электротехнической стали и спрессовывают прижимной плитой 6 двумя рядами стягивающих шпилек 7. При сборке статора 5 выполняют условия: отсутствие заусенцев на пластинах статора и точное, в пределах 1-2 мм, соответствии внутреннего диаметра магнитопровода статора размеру (R+δp) мм, после чего в его пазы укладывают обмотку 8 статора, провода от которой подводят к источнику трехфазного тока.
Рабочее колесо 10 состоит из вертикального вала 9 и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы и собственно короткозамкнутого ротора. Ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом 9 посредством узла передачи момента вращения, например, шпоночного или шлицевого соединения, а с внешней стороны с диском-фермой, выполненной радиально-кольцевым объемным каркасом с верхней и нижней обшивкой. Диск-ферма и ступица соединены посредством разъемного болтового соединения.
В периферийной торцевой части рабочее колесо 10 снабжено собственно короткозамкнутым ротором, который выполнен из цилиндра алюминиевого сплава 11 (см. фиг.3) радиальной толщины z, внешний радиус которого R от оси вала 9, высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями 12 из медного сплава, соединенными монолитно, например сваркой, сверху и снизу медными шинами 13 в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом.
Рабочее колесо 10 аксиального электрического двигателя может быть выполнено разного размера, от диаметра порядка 1,5-2,5 м до десятков метров. От величины диаметра зависит его конструкция, применяемые материалы, технология изготовления, сборки и методы доставки потребителю. При малых размерах рабочего колеса 10 (фиг.1), его выполняют единым неразъемным узлом и транспортируют в специальной таре к месту сооружения аксиального электрического двигателя. При больших размерах рабочего колеса 10 его конструкция и технология изготовления усложняются в связи с необходимостью выполнения ряда противоречивых требований, что является предметом отдельных технических решений.
Рабочее колесо 10 устанавливают в центре круга фундамента 2. Нижняя часть его вала 9 установлена в нижнем опорном узле 14 в подшипниках опорно-масляной ванны. Верхний опорный узел с валом 9 выполнен следующим образом. На том же участке 1 земли за подиумом 3 по окружности с равным интервалом сооружают упорные колонны 15, которые выполняют монолитно с фундаментом 2, верхняя часть их снабжена крепежными элементами, например болтами, с которыми они соединяются с внешними концами упорных балок 1-6, внутренние концы которых также посредством болтового соединения скреплены с осевым опорно-центровочным узлом 17, снабженным радиальными подшипниками, в которые устанавливают верхнюю часть вала. 9. Количество упорных балок 16 зависит от диаметра рабочего колеса 10 и определяется в результате прочностного расчета корпуса, верхний опорный узел должен обеспечить жесткость всей конструкции аксиального электрического двигателя при максимальных вращающих моментах рабочего колеса 10.
Рабочее колесо 10 устанавливают так, чтобы его короткозамкнутый ротор высотой h был точно установлен напротив сердечника статора 5 и совпадал с ним по высоте h, при этом внешнюю поверхность короткозамкнутого ротора рабочего колеса 10 и внутреннюю поверхность магнитопровода статора 5 по всей окружности должен разделять установочный (стояночный) воздушный зазор δ с постоянной величины, ориентировочно 6-9 мм.
При создании рабочего колеса 10 на определенную частоту вращения и заданный вращающий момент необходимо выполнить не только расчет прочности в статике, но и динамический расчет, при этом учесть, что механические напряжения во всех узлах не должны превосходить предела прочности материала, а в наиболее опасных и важных конструктивных элементах - короткозамкнутых медных шинах-ободах не должны превосходить предела текучести меди.
Кроме того, радиальная деформация от махового момента центробежных сил (упругая деформация растяжения), суммированная с продольной деформацией от теплового удлинения в установившемся рабочем режиме при номинальной нагрузке, не должна превышать определенной величины, являясь в то же время полезной деформацией, уменьшающей воздушный зазор до величины δр, положительно влияющей на характеристики асинхронного электрического двигателя.
Аксиальный электрический двигатель работает: при включении обмотки 8 статора к источнику переменного электрического тока, в магнитопроводе сердечника статора 5 возникает вращающееся электромагнитное поле, которое взаимодействует с собственно короткозамкнутым ротором рабочего колеса 10 и вращает его с расчетной угловой частотой. Окружная сила, действуя на расстоянии R создает непрерывный момент вращения расчетной величины валу 9, который через муфту сцепления 18 приводит в действие нагрузку - насос большой производительности для подачи пульпы (тяжелая горная порода с водой) на агрегаты обогатительной фабрики.
Техническая эффективность изобретения в том, что создана конструкция экономичного аксиального электрического двигателя переменного тока, передающего нагрузке момент вращения значительной величины.
Аксиальный электрический двигатель переменного тока, содержащий закрытый корпус с узлами крепления к опоре, размещенный в нем неподвижный статор, состоящий из сердечника с обмоткой, и подвижный (вращающийся) короткозамкнутый ротор с горизонтальной осью вращения, установленный в подшипниках фланцев с обеих сторон статора, скрепленных с корпусом, отличающийся тем, что двигатель выполнен на участке земли недвижимым, стационарным открытым с неподвижным статором и подвижным (вращающимся) рабочим колесом с вертикальной осью вращения, корпус его, с нижним и верхним опорными узлами, выполнен горизонтальным фундаментом в виде круга, по окружности которого сооружен кольцевой подиум с укрепленной на нем сверху выверенной горизонтальной установочной плитой, на которой собран кольцевой сердечник магнитопровода статора высотой h из шихтованной электротехнической стали, спрессованный прижимной плитой и стянутый рядами шпилек с установочной плитой, в пазы сердечника уложена обмотка статора, рабочее колесо состоит из вертикального вала и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы, и собственно короткозамкнутого ротора, нижняя часть вала установлена в центре окружности фундамента в нижнем опорном узле в подшипниках масляной ванны, верхняя часть вала установлена в верхнем опорном узле, состоящем из упорных колонн, упорных балок и осевого опорно-центровочного узла, в котором упорные колонны сооружены симметрично вокруг подиума с равным промежутком между ними с усиленным фундаментом, соединенным монолитно с фундаментом, вверху снабжены крепежными элементами, которыми скреплены внешними концами упорные балки, а внутренние концы их скреплены с осевым опорно-центровочным узлом, снабженным радиальными подшипниками, в котором установлена верхняя часть вала рабочего колеса, соединенная посредством муфты сцепления с потребителем, ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом посредством узла передачи момента вращения, а с внешней - с диском-фермой диаметром несколько метров и более, состоящим из радиально-кольцевого объемного жесткого каркаса с верхней и нижней обшивкой, снабженным в периферийной торцевой части собственно короткозамкнутым ротором, выполненным из цилиндра алюминиевого сплава радиальной толщины z с наружным радиусом R от оси вала высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями из медного сплава, соединенными монолитно сверху и снизу медными шинами в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом, рабочее колесо по высоте установлено так, что его собственно короткозамкнутый ротор находится напротив сердечника статора и совпадает с ним по высоте, при этом их разделяет по всей окружности цилиндра воздушный зазор величиной δ, обмотку статора соединяют с внешним источником тока.
