РОТОР СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2008 года по МПК H02K21/46 H02K1/27 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и предназначено для расширения сферы применения синхронных генераторов.

Известно, что синхронные машины, как и другие типы электрических машин, обладают свойством обратимости, т.е. синхронная машина, предназначенная для работы в режиме генератора, может работать в качестве двигателя и наоборот. Однако синхронный двигатель разгоняется до угловой скорости, близкой к синхронной, либо за счет дополнительного разгонного двигателя, либо за счет собственного асинхронного момента, появляющегося при включении обмотки якоря двигателя в сеть, причем у синхронных двигателей, предназначенных для асинхронного пуска, на роторе размещают специально рассчитанную пусковую обмотку. Традиционное конструктивное решение заключается в том, что в шихтованном магнитопроводе ротора штампуются пазы, в которые закладывают стержни пусковой обмотки, по торцам стержни замыкают дугами. [А.В.Иванов-Смоленский. Электрические машины.: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 928 с., ил.]. В синхронной машине с возбуждением от постоянных магнитов такое решение также реализовано [например, И.В.Смольянов, В.П.Колесников, Н.Н.Фархуллин, И.И.Васильченко и В.Д.Бартенев. А.с. №663032. Синхронный двигатель. Бюллетень №18, 1979]. Конструкция, включающая как постоянным магниты, так и стержни пусковой обмотки, получается достаточно сложной и ненадежной. Существуют возможности создания пускового момента за счет наведения токов в конструктивных элементах машины - в бочке ротора, в металлических клиньях, в бандажах. В изобретении [заявка №55-23019 (Япония) Синхронный электродвигатель с магнитным ротором. Публикация 1980 г. 20.06. №7-57] (прототип) предложена конструкция, включающая в себя постоянный магнит в виде полого стакана, фиксируемый с торцевых сторон запорными кольцами. На наружную поверхность магнита надеты демпфирующий и защитный стаканы, демпфирующий стакан изготавливается из материалов с низким электрическим сопротивлением, чем и достигается демпфирующий эффект.

Недостатком этой конструкции является наличие двух стаканов, изготовленных из различных материалов. Для высокоскоростных синхронных машин такой вариант неприемлем, т.к. при больших центробежных силах это может привести к возникновению зазора между цилиндрами и потере работоспособности машины из-за вибрации.

Задача расширения сферы применения высокоскоростных синхронных генераторов может быть решена улучшением демпфирующих и пусковых параметров ротора.

В предлагаемом изобретении конструктивными элементами (фиг.1) являются радиально намагниченные сегментированные постоянные магниты (1), разделенные немагнитными вставками (2), торцевые запорные кольца (3) и один бандажный стакан (4). Отличительной особенностью конструкции является то, что запорные кольца изготавливаются из материала с низким электрическим сопротивлением, а бандажный стакан изготавливается из немагнитной стали.

Предлагаемая конструкция не требует дополнительного разгонного двигателя, не требует специальной пусковой обмотки и позволяет осуществлять пуск синхронного генератора за счет собственного асинхронного момента.

Для пуска предлагаемой синхронной машины статорная обмотка включается в сеть с заданным напряжением U_c и частотой f_c, протекающие по обмотке токи образуют вращающееся со скоростью ω_с=2πf_с магнитное поле. Это магнитное поле будет индуктировать в бандажном цилиндре токи, которые, замыкаясь через запорные кольца, образуют короткозамкнутые контура. Токи имеют частоту скольжения sω_с=ω_с-ω, т.е. частоту, которая определяется разницей скоростей вращения магнитного поля статора ω_с и частотой вращения ротора ω. В результате взаимодействия токов, индуктируемых в короткозамкнутых контурах ротора с вращающимся магнитным полем статора, на ротор будет действовать электромагнитный момент той же природы, что и в асинхронных, машина - асинхронный электромагнитный момент. Величина асинхронного электромагнитного момента зависит от активных и индуктивных сопротивлений короткозамкнутых контуров, созданных на роторе бандажным цилиндром и запорными кольцами.

Поскольку синхронная машина имеет электромагнитное возбуждение от постоянных магнитов, то пуск происходит при постоянно включенном возбуждении, т.е. поток магнита наводит в обмотке статора ЭДС изменяющуюся с частотой f_E=(1-s)f_c. Под действием этой ЭДС в цепи обмотка статора - источник питания протекает ток, имеющий частоту, отличающуюся от частоты сети. В результате взаимодействия поля возбуждения с наведенными токами образуется тормозной момент, по своей природе аналогичный тормозному моменту генератора при коротком замыкании. Для того чтобы двигатель сумел набрать скорость, близкую к синхронной, величина асинхронного момента должна быть больше тормозного. Переход от подсинхронной скорости к синхронной происходит за счет действия синхронизирующего момента в течение весьма короткого промежутка времени. Синхронизирующий момент обусловлен взаимодействием поля магнитов с полем якоря и воздействует на ротор в течение всего времени пуска. Среднее значение синхронизирующего момента за один оборот при скорости ротора, отличной от синхронной, равно нулю.

Пусковые качества предлагаемой конструкции оценены расчетным путем. Из теории расчета электрических машин известно, что активное сопротивление короткозамкнутого кольца зависит от его среднего диаметра и поперечного сечения. Варьируя геометрическими размерами запорного кольца, можно добиться желаемого значения активного сопротивления и заданных пусковых качеств машины. Следует отметить, что индуктивные сопротивления запорного кольца так же могут быть рассчитаны, однако их значения очень малы и существенного влияния на пусковые характеристики машины не оказывают. В силу симметрии как активные, так и индуктивные сопротивления по продольной d, так и по поперечной q осям, равны:

r_ddk=r_dqk x_ddk=x_dqk

Для расчета активных и индуктивных сопротивлений бандажного цилиндра можно воспользоваться рекомендациями [Л.Р.Нейман. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. - М.: Госэнергоиздат, 1948.], полагая магнитную проницаемость μ_e=μ₀

где l, u - длина и периметр бандажного цилиндра;

- круговая частота;

γ - удельная проводимость материала;

μ_e=μ₀ - магнитная проницаемость.

На фиг.2 показаны результаты расчета пусковых характеристик синхронного генератора 5,0 МВт, 12000 мин^-1, выполненного по предлагаемой конструкции. Здесь 1 - асинхронный момент, 2 - тормозной момент, 3 - общий пусковой момент. Максимальное значение пускового момента составляет M_max=4,08 М_Н, момент при скольжении, равном единице, М_s=1,0=0,278 М_Н. Для сравнения такой же генератор с пусковой обмоткой (14 стержней диаметром 10 мм) имеет значения моментов М_max=2,59 М_H и М_s=1,0=0,174 М_H.

Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает пусковые характеристики синхронной машины и генератор может работать в режиме двигателя, создавая необходимый пусковой момент. Предлагаемая конструкция отличается простотой и надежностью, т.к. содержит минимально необходимое число элементов.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и позволяет расширить область их применения. Сущность изобретения состоит в следующем. На роторе синхронной электрической машины размещены постоянные магниты, немагнитные вставки, торцевые запорные кольца и бандажный стакан. Причем, согласно данному изобретению, постоянные магниты выполнены сегментированными и разделены немагнитными вставками, а запорные кольца выполнены из материала с низким электрическим сопротивлением, например из меди. Технический результат, достигаемый от использования данного изобретения, состоит в улучшении демпфирующих и пусковых параметров синхронной электрической машины в режиме синхронного генератора, которая при необходимости может работать и в режиме двигателя, создавая необходимый пусковой момент, при одновременном обеспечении простой и надежной конструкции ротора такой электрической машины путем использования в нем минимального числа элементов. 2 ил.

Ротор синхронной электрической машины, содержащий постоянные магниты, фиксируемые с торцевых сторон запорными кольцами, и бандажный стакан, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены сегментированными и разделены немагнитными вставками, а запорные кольца выполнены из материала с низким электрическим сопротивлением, например из меди.