РОТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 1997 года по МПК H02K1/22 H02K31/02 

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к роторам синхронных машин с бесщеточным возбуждением, а также к электромагнитным муфтам.

Известен ротор синхронной машины, например ротор синхронной неявнополюсной машины (авт. свидетельство СССР N 229667, кл. 21 d¹, 49, кл.H 02 K от 26.09.69), где для повышения использования активных материалов выполняются чередующиеся пазы разной высоты. Известна cинхронная неявнополюсная машина (авт. свидетельство СССР N 758404, кл. H 02 K 19/00 от 28.08.80), где ротор выполняется с пазами, содержащими обмотку возбуждения синхронной машины и обмотку якоря бесщеточного возбудителя. Вышеназванные технические решения приняты за аналоги, им присущи существенные недостатки - большие массы и габариты.

Техническое решение, наиболее близко относящееся к предлагаемому изобретению, описано в патенте России "Электрическая машина", патент N 1794271 от 10.12.90 г, кл. H 02 K 19/38, 19/36, 16/04, которое принято за прототип.

В прототипе ротор синхронной машины содержит обмотку индуктора в виде полого немагнитного электропроводящего цилиндра, разделенного с одного торца вдоль образующей изоляционными промежутками на части числом, равным числу полюсов индуктора, электрически соединенные с якорем униполярного возбудителя, выполненным в виде ферромагнитного кольца с немагнитными электропроводящими стержнями, замкнутыми по торцам короткозамыкающими кольцами, установленным в герметичной кольцевой камере, заполненной жидким металлом, и закрепленной на роторе; магнитопровод индуктора с валом, магнитопровод униполярного возбудителя установлен на торцовом щите электрической машины и снабжен тороидальной униполярной обмоткой возбуждения.

Прототипу присущи следующие недостатки:
1. Пониженная мощность индуктора, так как немагнитный полый цилиндр приводит к большой величине расчетного значения воздушного зазора в расточке статора электрической машины, а следовательно, и к снижению индукции в зазоре, и к снижению мощности, коэффициента мощности cosΦ что ведет к увеличению массы и габаритов машины.

2. Большие потери трения о жидкий металл в герметичной камере якоря возбудителя при высоких скоростях ротора, а следовательно, снижаются энергетические характеристики (КПД).

Цель изобретения уменьшение массы и габаритов машины и повышение энергетических характеристик.

Указанная цель достигается тем, что, в отличие от прототипа, полый цилиндр выполнен с чередующимися по окружности немагнитными электропроводящими сегментами и ферромагнитными сегментами, разделенными по оси симметрии каждого ферромагнитного сегмента изоляционными промежутками, электропроводящие сегменты замкнуты с одного торца цилиндра между собой, образуя одновитковые катушки, с другого торца подключены к установленной первой паре короткозамыкающих колец двух полярностей. Герметичная камера образована другим ферромагнитным кольцом с немагнитными электропроводящими стержнями со второй парой короткозамыкающих колец, полым немагнитным цилиндром с третьей парой короткозамыкающих колец, установленными концентрично кольцам второй пары, ближайшие к индуктору два кольца второй и третьей пар разделены изоляцией, другие два кольца электрически и механически соединены между собой, кольца первой пары электрически и механически соединены с ближайшими к ним кольцами второй и третьей пар, магнитопровод возбудителя снабжен дополнительным магнитопроводом разноименно полюсной магнитной системы с другой обмоткой, его цилиндрическая поверхность соотносится с цилиндрической поверхностью немагнитного полого цилиндра; кроме того, другая обмотка разноименно полюсной магнитной системы выполнена многофазной, в виде концентрических катушек с питанием от постоянного тока.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия", так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п.2 "Правила составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретения"), технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.

На фиг. 1 изображено устройство ротора электрической машины (синхронной), продольное сечение, на фиг. 2 сечение А-А, на фиг. 3 сечение В-В. Фиг. 4 схема соединения электропроводящих сегментов индуктора.

Ротор электрической машины (фиг. 1) содержит обмотку индуктора 1 в виде полого цилиндра с чередующимся по окружности немагнитными электропроводящими сегментами 2 (фиг.2) и ферромагнитными сегментами 3, разделенными по оси симметрии каждого ферромагнитного сегмента изоляционными промежутками 4, магнитопровод 5 с изоляцией 6 и валом 7, якорь 8 униполярного возбудителя, установленный в герметичной кольцевой камере 9 (фиг.1 фиг. 3).

Электропроводящие сегменты 2 (фиг. 2) замкнуты с одного торца цилиндра 1 (фиг. 1), образуя одновитковые катушки, с другого торца электрически и механически присоединены к установленной первой паре 10, 10' короткозамыкающих колец двух полярностей (+, -).

Якорь униполярного возбудителя выполнен в виде ферромагнитного кольца 8 с немагнитными электропроводящими стержнями 11, замкнутыми торцовыми короткозамыкающими кольцами 12 (фиг. 1, фиг. 3). Герметичная камера 9 (фиг. 1, фиг. 3) образована другим ферромагнитным кольцом 13 с немагнитными электропроводящими стержнями 14 со второй парой короткозамыкающих колец 15, 15', полым немагнитным цилиндром 16 с третьей парой короткозамыкающих колец 17, 17' и заполнена жидким металлом K Na (эвтектика). Третья пара колец 17, 17' установлена концентрично кольцам второй пары 15, 15' (фиг. 1), при этом ближайшие к индуктору 1 два кольца второй и третьей пар 15 и 17 разделены изоляцией 18, а другие два кольца этих пар 15' и 17' электрически и механически соединены между собой (фиг. 1). Кольцо 10 первой пары электрически и механически соединено с ближайшим к нему кольцом 15 второй пары (фиг. 1), а другое кольцо 10' первой пары электрически и механически соединено с ближайшим кольцом 17 третьей пары. Магнитопровод униполярного возбудителя 19 с тороидальной (униполярной) обмоткой возбуждения 20 прикреплен к торцовому щиту 21 электрической машины (фиг. 1) и снабжен дополнительным магнитопроводом 22 разноименно полюсной магнитной системы с другой обмоткой 23, его цилиндрическая поверхность соотносится с цилиндрической поверхностью немагнитного полого цилиндра 16 (фиг. 1, фиг. 3). Другая обмотка 23 разноименно полюсной магнитной системы может выполняться либо трехфазной и питаться переменным током неизменной частоты (f 50 Гц), либо в виде концентрических катушек для питания постоянным током с неподвижным в зазоре магнитным полем полюсов с чередующейся полярностью.

Устройство работает следующим образом.

1 вариант питания другой обмотки 23 разноименно полюсной магнитной системы переменным трехфазным током.

При подаче напряжения в обмотку 23 (фиг. 1) в "воздушном зазоре" цилиндрических поверхностей магнитопровода 22 и якоря униполярного возбудителя 8 создается вращающееся электромагнитное поле с числом пар полюсов, определяемым обмоткой 23. Вращающееся поле приведет во вращение ферромагнитное кольцо 8 со стержнями 11 (фиг. 3) и будет вращаться с частотой, близкой к частоте вращения электромагнитного поля (асинхронный двигатель с массивным ротором с короткозамыкающей клеткой). Влиянием экранирования полого цилиндра 16 можно пренебречь, если его выполнить из высокоомного немагнитного материала. При подаче постоянного тока в тороидальную (униполярную) обмотку возбуждения 20 (фиг.1) возбудится униполярный магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу 19, дополнительному магнитопроводу 22, ферромагнитным кольцам 8 и 13. Под действием униполярного магнитного потока во вращающемся кольце 8 наведется униполярная ЭДС. Поскольку ферромагнитное кольцо 13 с валом ротора 7 неподвижно (фиг. 1), то в нем величина униполярной ЭДС равна нулю. Под действием униполярной ЭДС вращающегося кольца 8 (якорь возбудителя) по замкнутой цепи, образованной кольцом 8, жидким металлом, третьей парой колец 17, 17', второй парой колец 15, 15', ферромагнитным кольцом 13, первой парой колец 10, 10', соединенных с двумя торцами электропроводящих сегментов 2 (фиг. 2, фиг.1), потечет постоянный ток, который возбудит магнитное поле в индукторе электрической машины с числом пар полюсов, равным числу одновитковых катушек, образованных электропроводящими сегментами 2 (фиг. 2, фиг. 4). Магнитодвижущая сила, создающая поле индуктора 1 (фиг. 1), регулируется током возбуждения в тороидальной катушке 20. Поскольку токи в стержнях 11, кольцах 8 и 14, кольце 13 равны и направлены встречно, то реакция якоря 8 униполярного возбудителя полностью компенсируется током кольца 13, что резко снижает нагрузку на тороидальную обмотку возбуждения 20. При вращении ротора индуктора с валом 7 тороидальный униполярный поток будет наводить униполярную ЭДС и в ферромагнитном кольце 13). В вышеназванной замкнутой цепи обмотки индуктора 1 и униполярного возбудителя будет действовать результирующее значение униполярной ЭДС от двух ферромагнитных колец 8 и 13 (фиг. 1). При этом результирующее значение равно сумме значений ЭДС колец 8 и 13 при их встречном вращении и равно их разности ЭДС при согласном вращении колец 8 и 13. Согласное направление вращения колец 8 и 13 ведет к снижению потерь трения в герметичной кольцевой камере 9 (фиг. 1 и фиг. 3), что целесообразно применять в установившемся синхронном режиме быстроходной электрической машины, а также в режимах гашения поля индуктора 1 электрической машины.

Встречное направление вращения колец 8 и 13 целесообразно применять в режимах форсировки быстроходных синхронных машин, а также в установившихся режимах работы тихоходных электрических машин.

Питание дополнительной обмотки 23 (фиг. 1) переменным током делает возможным создавать магнитное поле индуктора электрической машины при неподвижном роторе, что важно для синхронных машин с частотным пуском, а также для электромагнитных муфт.

2 вариант питания другой обмотки 23 разноименно полюсной магнитной системы постоянным током.

При питании обмотки 23 (фиг. 1) постоянным током в зазоре создается магнитное поле с неподвижной системой чередующихся полюсов. При вращении ротора 7 электрической машины ферромагнитное кольцо 8 (фиг.1 и фиг. 3) будет вращаться с частотой скольжения, величина которой близка к нулю. В этом случае униполярная ЭДС будет наводиться только в ферромагнитном кольце 13 (фиг. 1 и фиг. 3). При неподвижном роторе 7 (фиг.1) электрической машины магнитное поле индуктора 1 равно нулю. Режимы гашения и форсировки магнитного поля электрической машины затягиваются при питании обмотки 23 постоянным током. Положительным моментом питания постоянным током в сравнении с питанием от переменного тока является меньшее значение полной мощности обмотки 23, а следовательно, и меньшее значение потерь в этой обмотке.

Преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются в снижении массы, габаритов и повышении энергетических характеристик (уменьшении потерь в обмотке индуктора и потерь трения в возбудителе), так как полый немагнитный электропроводящий цилиндр (обмотка индуктора) выполнен с чередующимися немагнитными электропроводящими и ферромагнитными сегментами, герметичная камера выполнена с компенсацией реакции якоря униполярного возбудителя, дополнительная обмотка разноименно полюсной магнитной системы униполярного возбудителя увеличивает результирующее значение униполярной ЭДС возбудителя при его неизменных размерах.

Использование: в роторах синхронных машин с бесщеточным возбуждением, а также в электромагнитных муфтах. Сущность изобретения: ротор электрической машины содержит обмотку 1 индуктора в виде полого немагнитного электропроводящего цилиндра, который выполнен с чередующимися по окружности немагнитными электропроводящими и ферромагнитными сегментами. Электропроводящие сегменты замкнуты с одного торца цилиндра между собой, образуя одновитковые катушки. С другого торца они подключены к установленной первой паре короткозамыкающих колец 10 и 10¹ двух полярностей. Униполярный возбудитель выполнен в виде ферромагнитного кольца 8 с немагнитными электропроводящими стержнями, замкнутыми по торцам короткозамыкающими кольцами 12, и установлен в герметичной кольцевой камере 9, заполненной жидким металлом и закрепленной на роторе. Магнитопровод 19 униполярного возбудителя установлен на торцовом щите 21 электрической машины и снабжен тороидальной униполярной обмоткой возбуждения 20. Герметичная камера 9 образована другим ферромагнитным кольцом 13 с немагнитными электропроводящими стержнями с второй парой короткозамыкающих колец 15 и 15¹, полым немагнитным цилиндром 16 с третьей парой короткозамыкающих колец 17 и 17¹. Ближайшие к индуктору два кольца второй 15 и третьей 17 пар разделены изоляцией 18, а другие два 15 и 17 электрически и механически соединены между собой. Кольца 10 и 10¹ первой пары электрически и механически соединены соответственно с ближайшими к ним кольцами второй 15 и третьей 17 пар. Магнитопровод 19 возбудителя снабжен дополнительной магнитной системой 22, разноименно полюсной, с другой обмоткой 23. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ротор электрической машины, содержащий магнитопровод индуктора с валом и обмотку индуктора в виде полого цилиндра, разделенного на части числом, равным числу полюсов индуктора, электрически соединенные с якорем униполярного возбудителя, выполненным в виде ферромагнитного кольца с немагнитными электропроводящими стержнями, замкнутыми по торцам короткозамыкающими кольцами и установленными в герметичной кольцевой камере, заполненной жидким металлом и закрепленной на роторе, магнитопровод возбудителя установлен на торцевом щите электрической машины и снабжен тороидальной униполярной обмоткой возбуждения, отличающийся тем, что полый цилиндр выполнен с чередующимися по окружности немагнитными электропроводящими сегментами и ферромагнитными сегментами, разделенными по оси симметрии каждого ферромагнитного сегмента изоляционными промежутками, электропроводящие сегменты замкнуты с одного торца цилиндра между собой, образуя одновитковые катушки, с другого торца подключены к установленным первой паре короткозамыкающих колец двух полярностей, герметичная камера образована другим ферромагнитным кольцом с немагнитными электропроводящими стержнями с второй парой короткозамыкающих колец, установленных концентрично кольцам второй пары, ближайшие к индуктору два кольца второй и третьей пар разделены изоляцией, другие два кольца электрически и механически соединены между собой, кольца первой пары электрически и механически соединены с ближайшими к ним кольцами второй и третьей пар, магнитопровод возбудителя снабжен дополнительным магнитопроводом разноименно полюсной магнитной системы с другой обмоткой, его цилиндрическая поверхность соотносится с цилиндрической поверхностью немагнитного полого цилиндра. 2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что другая обмотка разноименно полюсной магнитной системы выполнена многофазной. 3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что другая обмотка разноименно полюсной магнитной системы выполнена в виде концентрических катушек с питанием от постоянного тока.