РОТОР ЭЛЕКТРОМАШИННОГО СИНХРОННО-РЕАКТИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ Российский патент 1996 года по МПК H02K1/22 H02K47/24 

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности, к устройству ротора синхронно-реактивного преобразователя частоты.

Известны конструкции электромашинных синхронно-реактивных преобразователей частоты [1-3] имеющих две обмотки на статоре (первичную-двухполюсную и вторичную-восьмиполюсную) с роторами специальной конструкции. При этом обеспечивается пуск и синхронное вращение ротора, а также преобразование частоты с ее увеличением во вторичной обмотке относительно частоты сети в четыре раза. Такие преобразователи дают соотношения частот 50/200 Гц и 60/240 Гц. Вторичная частота этих преобразователей определяется конфигурацией листов магнитопровода ротора.

Техническими решениями в качестве аналогов изобретения являются роторы синхронно-реактивных преобразователей с короткозамкнутой обмоткой, имеющие магнитопроводы как составной, так и несоставной конструкции [1-3] Существуют роторы синхронно-реактивных преобразователей частоты, в которых магнитопровод ротора выполняется составным из двух отдельных ферромагнитных частей в виде шихтованных сегментов. Эти две части магнитопровода ротора конструктивно скрепляются с помощью немагнитного материала [1] Достоинством роторов такой конструкции является возможность обеспечения хороших функциональных характеристик синхронно-реактивного преобразователя частоты.

Недостатками составного ротора-преобразователя являются повышенная сложность конструкции и за счет этого увеличенная сложность и трудоемкость технологического процесса изготовления ротора. Значителен также расход заливочного алюминиевого сплава. Указанные недостатки устраняются в конструкциях роторов с несоставным шихтованным магнитопроводом. Пакет такого ротора набирается из листов цельной, т.е. несоставной конструкции [2, 3]
В аналоге по [2] ротор сопоставимой конструкции имеет три полюсных выступа. В магнитопроводе этого ротора имеются отверстия, ориентированные на поперечном сечении ротора вдоль центральной оси широкого полюсного выступа и расположенные по обеим сторонам относительно вала ротора. За счет указанного в преобразователе по [2] обеспечивается пространственная ориентация полюсных выступов ротора относительно кривой магнитного поля первичной обмотки статора со сдвигом на 90 ^o по сравнению со случаем конструкции преобразователя [1] В результате преобразователь [2] работает при резкой несимметрии по форме полупериодов развертки кривой результирующего поля в воздушном зазоре. Это приводит к значительному возрастанию влияния высших гармонических побочных порядков, что снижает функциональные качества преобразователя с ротором такой конструкции. Для улучшения формы кривой вторичной ЭДС четырехкратной частоты в преобразователе [2] на боковых углах широкого полюсного выступа ротора имеются два среза.

Наиболее близким к изобретению аналогом является конструкция ротора синхронно-реактивного преобразователя частоты по [3] с тремя полюсными выступами на роторе и четырехкратным увеличением частоты тока. В этом преобразователе полюсы ротора выполнены в виде секторов, вершины которых соединены перемычками, а ротор имеет форму шнека для создания эффекта осевой вентиляции.

Преобразователь с конструкцией ротора по [3] имеет увеличенное падение выходного напряжения под нагрузкой и уменьшенную перегрузочную способность по отдаваемой электрической мощности и току нагрузки. Указанное негативно отражается на условиях и режимах работы электродвигателей, питаемых от такого источника. Увеличенное падение выходного напряжения вызывает необходимость иметь большей величину вторичной ЭДС при холостом ходе. А это, при прочих равных условиях, приводит к увеличенному расходу обмоточной меди на вторичную обмотку в преобразователе [3] Все указанное является следствием функциональных недостатков устройства данного ротора.

Широкий полюс ротора, выполненный согласно [3] в форме сектора и соединенный своим основанием с перемычкой, имеет неблагоприятные геометрические пропорции для вращающегося механического устройства. При таких очертаниях полюса (консоль с креплением в тонком сечении) и смещенным местом расположения его центра тяжести (концевая часть консоли), такой полюс является конструктивным элементом с выраженной предрасположенностью к механическому резонансу. В результате конструкция широкого полюса в известном преобразователе [3] может являться причиной повышенной вибрации даже при хорошей балансировке ротора.

Задачей изобретения является улучшение устройства ротора синхронно-реактивного преобразователя частоты с целью уменьшения падения выходного напряжения преобразователя под нагрузкой, увеличения его перегрузочной способности по отдаваемой электрической мощности и току нагрузки, снижение расхода обмоточной меди, а также повышение конструктивной жесткости широкого полюсного выступа ротора для предотвращения резонансных вибраций.

Существенными признаками конструкции заявленного ротора являются такие элементы и признаки его устройства. Ротор имеет шихтованный магнитопровод из цельных, т. е. несоставных листов, которые имеют центральное отверстие под вал, один широкий и два узких полюсных выступа, которые разделены полюсными впадинами и выполнены с одним общим диаметром образующей окружности. В полюсных выступах выполнены отверстия пазов и в них размещена пусковая обмотка. Отличительными от наиболее близкого аналога являются следующие признаки изобретения: ротор выполнен с широким полюсным выступом, в зоне основания которого имеются удлиненные по форме отверстия, которые в профиле поперечного сечения ротора ориентированы поперек центральной оси этого полюсного выступа, а сами разделены и ограничены по длине перемычками, являющимися мостиками магнитного насыщения.

Указанные отличительные признаки дополняются таким частным отличительным признаком заявленного ротора: на четырех кромках поверхностей полюсных выступов по наружному диаметру ротора в местах, примыкающих к полюсным впадинам, которые отделяют широкий и узкие полюсные выступы, выполнены срезы, имеющие в профиле линейную, линейно-ступенчатую или криволинейную форму. Данный признак устройства ротора направлен на получение преобразованной ЭДС повышенной частоты, более близкой к синусоидальной форме.

Заявленная конструкция ротора синхронно-реактивного преобразователя частоты по сравнению с известными обладает новизной и существенными отличиями, создает положительный эффект.

Изобретение поясняется с помощью рисунка, на котором изображены в поперечном разрезе элементы конструкции магнитопровода ротора (профиль листа ротора).

Магнитопровод ротора имеет следующую конфигурацию (см. рисунок) и такие основные конструктивные элементы. Широкий полюсный выступ 1 с центральным углом 90 ^o имеет форму усеченного по высоте сектора за счет отделения от сектора треугольной части у его вершины. Две узкие полюсные впадины 2 имеют центральный угол 45 ^o и выполнены с трапецеидальным профилем. Широкая полюсная впадина 3 имеет центральный угол 9 ^o, а образующая ее линия среза перпендикулярна оси q. В качестве варианта конструкции выполняются срезы 4 на всей длине пакета магнитопровода ротора. Имеется центральное отверстие 5 под вал ротора. В отверстиях пазов 6 размещается пусковая короткозамкнутая обмотка, ее стержни по торцам ротора соединены замыкающими кольцами (на рисунке не показаны). Отверстия 7 разграничивают конструктивно и в магнитном отношении тело широкого полюсного выступа от тела спинки ротора. Два узких полюсных выступа выполняются с размерами, определяемыми центральным углом 45 ^o. Узкие полюсные выступы 8 и спинки ротора 9 образуют прочную и жесткую конструкцию магнитопровода ротора. Тело широкого полюсного выступа 1 с мерами подавления резонансных факторов соединено со спинкой 9 посредством рассредоточенных по ширине спинки перемычек в средней части и по краям отверстий 7. Эти перемычки выполнены с минимально возможной их шириной с тем, чтобы они являлись мостиками магнитного насыщения. Конструкция листа заявленного ротора в технологическом отношении выгодно отличается от известной тем, что в спрессованном на валу пакете не возникает распушение листов на участке широкого полюсного выступа, т.к. в данном случае отсутствует фактор консольного профиля этого полюса, а его крепление осуществляется не в узком месте, а на участке расширенного основания этого выступа.

Вариантами исполнения элементов конструкции заявленного ротора могут быть, в частности, следующие. Пазы пусковой обмотки 6 могут быть закрытыми (без шлицов), полузакрытыми (со шлицами), круглой или овальной формы. Полюсная впадина 3 может выполняться с линейными, линейно-ступенчатыми и криволинейными профилями. Указанное относится и к срезам 4. Дно полюсных впадин 2 и отверстия 7 могут выполняться как по прямолинейным образующим, так и криволинейных очертаний.

Пакет магнитопровода ротора напрессовывается на вал со скосом или без скоса пазов пусковой обмотки. Замыкающие кольца пусковой обмотки могут быть выполнены с формой их наружного контура или в виде круглого кольца, или по форме очертаний контура магнитопровода ротора.

При наличии оптимального скоса пазов пусковой обмотки (т.е. скоса полюсных выступов ротора) улучшаются условия запуска преобразователя, а также подавляются высшие гармонические зубцового порядка в кривой преобразованной ЭДС. Скос на роторе целесообразно принимать равным по величине одному зубцовому делению статора. При большей величине скоса полюсных выступов в преобразователе проявляются такие функциональные взаимосвязи, которые приводят к улучшению его характеристик и к снижению эффективности использования его активных материалов обмоточной меди и стали магнитопровода. По этой причине в заявленном роторе, в отличие от известного, не предусмотрено использование свойств ротора-шнека для создания самовентиляции, как неэффективного в своей основе для случая электромашинного преобразователя.

Функциональное действие ротора заявленной конструкции при работе преобразователя обеспечивает получение следующих характеристик и результатов.

Три полюсных выступа 1 и 8 и три полюсные впадины 2 и 3 создают совместно такое значительное симметричное искажение результирующего магнитного поля в воздушном зазоре от сетевой (первичной) обмотки, при котором образуется высшая гармоническая составляющая поля четвертого порядка. При этом на полной окружности по диаметру ротора образуется восемь чередующихся по полярности полуволн высшей гармонической поля четвертого порядка. Ось ротора d в пространстве совпадает с зоной амплитуды кривой первичного вращающегося поля.

Отверстия 7 в роторе позволяют создать особые магнитопараметрические условия для обмоток, расположенных на статоре. В результате уменьшается внутреннее падение напряжения в преобразователе под нагрузкой. Его внешняя характеристика становится более жесткой (с меньшим падением напряжения). Преобразователь с заявленным ротором по сравнению с ротором известной конструкции имеет, кроме того, большую перегрузочную способность по отдаваемой электрической мощности и току нагрузки. Его вторичная обмотка, при прочих равных условиях, требует меньшего числа витков. Это обеспечивает экономию обмоточной меди.

Заявленная конструкция ротора обладает устойчивостью к возникновению резонансных вибраций, благодаря повышению конструктивной жесткости широкого полюсного выступа ротора.

Срезы 4 усиливают эффективность нужного формирования кривой результирующего магнитного поля в воздушном зазоре, содержащего выраженную четвертую гармоническую. Тем самым срезы 4 обеспечивают индуцирование ЭДС повышенной частоты по форме более близкой к синусоиде. Это улучшает качество преобразованной энергии.

Пусковая короткозамкнутая обмотка в пазах 6 обеспечивает асинхронный запуск преобразователя. Под действием реактивного вращающего момента ротор втягивается в синхронизм и удерживается в таком состоянии в условиях нормальных режимов работы преобразователя. Отверстия 7 в основании широкого полюсного выступа приводят к возрастанию величины реактивного момента ротора что сказывается положительно на работе преобразователя.

Использование: синхронно-реактивные преобразователи на частоты 50/200 Гц и 60/240 Гц. Сущность изобретения: шихтованный магнитопровод ротора набирается из цельных (несоставных) листов. Лист ротора имеет центральное отверстие под вал, один широкий и два узких полюсных выступа с общим диаметром образующей окружности. Полюсные выступы разделены полюсными впадинами. Ротор имеет пусковую обмотку. Магнитопровод ротора выполняется с более совершенной конструкцией. В зоне основания широкого полюсного выступа ротора имеются ориентированные поперек оси этого выступа отверстия, а также перемычки, являющиеся мостиками магнитного насыщения. Применение данного ротора обеспечивает получение лучших рабочих характеристик преобразователя за счет ограничения падения выходного напряжения под нагрузкой и большей перегрузочной способности преобразователя. Это обеспечивает условия для уменьшенного расхода обмоточной меди на вторичную обмотку. Ротор имеет улучшенные конструктивно-технологические свойства. Для получения вторичной ЭДС с формой, более близкой к синусоиде, по углам полюсных выступов выполняются четыре среза. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ротор электромашинного синхронно-реактивного преобразователя частоты, выполненный с шихтованным магнитопроводом из цельных листов, которые имеют центральное отверстие под вал, один широкий и два узких полюсных выступа, разделенных полюсными впадинами и выполненных с одним диаметром образующей окружности, имеющий также пазы в полюсных выступах для пусковой обмотки, отличающийся тем, что в зоне основания широкого полюсного выступа имеются удлиненные по форме отверстия, которые в профиле поперечного сечения ротора ориентированы поперек центральной оси этого полюсного выступа, а сами разделены и ограничены по длине перемычками, являющимися мостиками магнитного насыщения. 2. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что на четырех кромках поверхностей полюсных выступов по наружному диаметру ротора в местах, примыкающих к полюсным впадинам, которые отделяют широкий и узкие полюсные выступы, выполнены срезы, имеющие в профиле линейную, или линейно-ступенчатую, или криволинейную форму.