РОТОР СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ РОТОР Российский патент 2012 года по МПК H02K1/27 H02K3/02 H02K19/00 H02K21/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое техническое решение относится к области электромашиностроения, конкретно к конструкции бесконтактных синхронных электрических машин переменного тока с постоянными магнитами на роторе.

Уровень техники

Известна конструкция бесконтактного синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе. В такой конструкции двигателя традиционная обмотка возбуждения на роторе заменяется постоянными магнитами, закрепленными на сердечнике, в результате чего отпадает необходимость применения устройства токоподвода. Кроме того, в такой электрической машине отсутствуют потери на возбуждение, что приводит к повышению коэффициента полезного действия машины и к снижению температуры нагрева обмотки статора. Ограничением применения такого синхронного двигателя является недостаток конструкции, выражающийся в том, что во время пуска невозможно отключить магнитное поле постоянных магнитов и двигатель остается возбужденным, в отличие от двигателей с электромагнитным возбуждением, у которых обмотка возбуждения на период пуска отключена. У двигателя с постоянными магнитами во время пуска на ротор действует отрицательный асинхронный вращающий момент от взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов с токами, индуктированными в обмотке статора. Таким образом, невозможно запустить такой двигатель прямо от питающей промышленной сети с частотой тока 50 Гц или 60 Гц даже с небольшим нагрузочным моментом величиной 0,3-0,5 номинального момента. Для создания положительного вращающего момента у таких двигателей должны применяться электронные пусковые устройства. Здесь необходимо отметить, что дополнительное электронное оборудование требует значительных расходов как при изготовлении, так и во время эксплуатации двигателя.

Известна конструкция синхронной электрической машины, в которой постоянные магниты, количество которых соответствует числу полюсов обмотки статора, закреплены в продольных пазах сердечника ротора, а для обеспечения пуска на наружной поверхности сердечника имеются продольные пазы для пусковой обмотки по принципу конструкции ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Однако такая конструкция является достаточно сложной в изготовлении и для нее характерны значительные, не всегда допустимые, пульсации пускового момента.

Этот недостаток устранен в синхронной машине, являющейся прототипом для настоящего изобретения, раскрытой в патентном документе WO 2007045319 А1. Описанная синхронная машина имеет ротор, состоящий из вала ротора, пусковой клетки, расположенной коаксиально относительно оси ротора, и, по меньшей мере, одного постоянного магнита. Согласно указанному изобретению постоянный магнит или магниты располагаются под клеткой, и для того, чтобы обеспечить высокий пусковой крутящий момент у синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, клетке придается форма сплошного полого цилиндра, причем цилиндр выполнен из немагнитного электропроводящего материала. В результате исследований, проведенных авторами настоящего изобретения, был выявлен недостаток такой конструкции, заключающийся в том, что такая машина, по причине выполнения пусковой обмотки в виде полого немагнитного цилиндра, имеет повышенный расчетный воздушный зазор между железом статора и ротора. Немагнитный материал повышает сопротивление магнитному потоку и, кроме того, пусковая обмотка в виде полого цилиндра работает не эффективно, поскольку часть токов протекает по цилиндру локально, изменяя аксиальное направление от положительного, при котором создается положительный крутящий момент на валу двигателя, до отрицательного (противоположного) при котором создаются обратные (паразитные) вращающие моменты.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание простой технологичной конструкции пусковой обмотки синхронного двигателя, выполненной в виде полого, сплошного металлического цилиндра, которая обеспечивала бы прямой запуск двигателя от промышленной сети с требуемыми пусковыми параметрами, а также увеличение эффективности работы пусковой обмотки ротора синхронной машины, выполненной в виде цилиндра.

Поставленная задача достигается в роторе синхронной электрической машины, содержащем сердечник, постоянные магниты, закрепленные на сердечнике и образующие магнитную систему ротора, а также пусковую обмотку, выполненную в виде полого сплошного цилиндра из токопроводящего материала, который напрессовывается на магнитную систему ротора. Указанная задача решается за счет того, что токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, является магнитным.

Для обеспечения требуемых пусковых характеристик для каждого типоразмера двигателя рассчитывается оптимальная толщина стенки полого цилиндра пусковой обмотки, требуемая магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротивление материала, из которого должна выполняться пусковая обмотка.

В одном из вариантов токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, обладает удельным электрическим сопротивлением в пределах (0,6-1,1)·10^-7 Ом·м, причем в предпочтительном варианте удельное электрическое сопротивление составляет 1,1·10^-7 Ом·м.

Магнитная проницаемость токопроводящего материала, из которого выполнен полый цилиндр, в соответствии с одним из вариантов может находиться в пределах (10-50) 4π·10^-7 Гн/м, что соответствует относительному значению, равному 10-50, причем в одном из предпочтительных вариантов относительная магнитная проницаемость находится в пределах 20-40. В наиболее предпочтительном варианте токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, обладает относительной магнитной проницаемостью в пределах 30.

Сердечник ротора может быть выполнен, например, из магнитной стали или же немагнитной стали, при этом сердечник может быть выполнен, например, сплошным или шихтованным.

В одном из вариантов магнитная система ротора содержит полюсные наконечники.

В предпочтительном варианте число полюсов магнитной системы ротора соответствует числу полюсов обмотки статора.

В предпочтительном варианте по торцам полого цилиндра закреплены токопроводящие короткозамыкающие кольца с обеспечением электрического контакта между цилиндром и кольцами. Короткозамыкающие кольца могут быть выполнены, например, из меди или латуни.

Задача, поставленная перед настоящим изобретением, также решается в синхронной электрической машине, содержащей ротор, выполненный в соответствии с одним из перечисленных вариантов осуществления.

Техническим результатом заявляемого решения с применением пусковой обмотки в виде токопроводящего магнитного цилиндра, напрессованного на магнитную систему ротора синхронной машины, заключается в создании технологичной конструкции роторов, обеспечивающей прямой запуск двигателя от сети с допустимыми колебаниями пускового момента и с требуемыми техническими параметрами в синхронном режиме работы. Такое исполнение пусковой обмотки ротора позволяет повысить эффективность работы пусковой обмотки ротора и уменьшить зазор между ротором и статором, а также уменьшить массо-габаритные показатели синхронных машин при сохранении показателей эксплуатационных характеристик или увеличить мощность и/или момент на валу при сохранении массо-габаритных показателей машины.

Новизна заявляемого решения заключается в конструктивном исполнении пусковой обмотки бесконтактного синхронного двигателя с постоянными магнитами в виде полого сплошного металлического цилиндра, материал которого обладает одновременно как электропроводностью, так и магнитной проницаемостью в указанных пределах, по торцам которого выполнено присоединение короткозамыкающих колец из электропроводящего материала.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлено продольное сечение ротора в одном варианте.

На фиг.2 показан вид ротора, изображенного на фиг.1, со стороны торца.

На фиг.3 представлено продольное сечение ротора в другом варианте.

На фиг.4 показан вид ротора, изображенного на фиг.3, со стороны торца.

Осуществление изобретения

В одном из вариантов ротор электрической машины (фиг.1 и 2) состоит из вала 1, шихтованного или монолитного сердечника 2, постоянных магнитов 3, число которых соответствует числу полюсов обмотки статора, полюсных стальных наконечников 4 монолитных или шихтованных, пусковой обмотки 5, выполненной в виде полого цилиндра из специального материала, которая одновременно удерживает от отрыва от магнитопровода магниты и полюсные наконечники под воздействием центробежных сил при вращении ротора, короткозамыкающих колец 6, закрепленных по торцам цилиндра пусковой обмотки, например, с помощью пайки или сварки, для обеспечения хорошего электрического контакта между ними. Постоянные магниты на роторе располагаются на сердечнике в виде «звездочки».

В другом варианте ротор электрической машины (фиг.3 и 4) состоит из вала 1, выполненного из магнитной или немагнитной стали, сердечника в виде немагнитной втулки 2, необходимость которой обусловлена уменьшением полей рассеяния постоянных магнитов, если вал выполнен из магнитной стали. Если вал выполнен из немагнитной стали то, в зависимости от геометрических размеров вала, внутреннего диаметра статора (расточки статора) и высоты магнитов, установка немагнитной втулки не требуется. На втулке (немагнитном валу) неподвижно закреплены стальные полюса 4, монолитные или шихтованные, число которых равняется числу полюсов обмотки статора. Постоянные магниты 3 установлены на полюсах 8 таким образом, чтобы чередовалась их намагниченность по окружности ротора «коллекторного типа». Пусковая обмотка 5, выполненная в виде полого цилиндра из специального материала, одновременно удерживает полюса и постоянные магниты от отрыва от немагнитной втулки (вала). К торцам пусковой обмотки 5 прикреплены короткозамыкающие кольца 6.

В зависимости от требуемых пусковых параметров двигателя таких как: кратность пускового момента, кратность пускового тока, кратность максимального момента, пусковая обмотка выполняется из сплава с различной магнитной проницаемостью и электропроводностью, а так же с различной толщиной стенки, имея ввиду, что с уменьшением электропроводности пусковой момент увеличивается, подсинхронная частота вращения практически не изменяется, а с уменьшением толщины цилиндра подсинхронная частота вращения уменьшается, а пусковой момент увеличивается.

Принцип определения материала пусковой обмотки следующий. Аксиальная длина цилиндра принимается не меньше аксиальной длины магнитов и определяется допустимым уровнем проявления краевого эффекта. С увеличением длины проявление краевого эффекта уменьшается, но увеличиваются аксиальные геометрические размеры активной зоны машины. Обычно, удовлетворительный компромисс достигается при увеличении длины цилиндра на удвоенную величину немагнитного зазора.

От толщины стенки цилиндра зависит демпфирование пульсаций электромагнитного момента при самозапуске. С увеличением толщины стенки цилиндра демпфирование усиливается, однако растет немагнитный зазор. В качестве меры толщины стенки цилиндра выступает глубина проникновения магнитного потока в эту стенку. Глубина проникновения увеличивается с увеличением удельного магнитного сопротивления материала цилиндра и уменьшается с увеличением магнитной проницаемости и частоты токов в цилиндре. Толщина стенки больше глубины проникновения может приниматься, исходя из других явлений, происходящих в машине.

Токопроводящие свойства материала цилиндра обеспечивают протекание токов, индуктированных вращающимся полем статора, и возникновение положительного асинхронного пускового момента от взаимодействия этих токов с вращающимся полем статора. Токопроводящие кольца ориентируют токи в аксиальном направлении, повышая эффективность пусковой обмотки в виде цилиндра. От токопроводящих свойств материала цилиндра зависит величина пускового момента и подсинхронная частота вращения, с увеличением которой облегчается последующий вход в синхронизм после самозапуска двигателя. Причем с уменьшением электропроводности (с увеличением удельного электрического сопротивления материала цилиндра) пусковой момент увеличивается, а подсинхронная частота вращения уменьшается и наоборот. Оптимальное значение токопроводящих свойств материала цилиндра определяется путем установления компромисса между этими указанными противоположными тенденциями, удовлетворяющему конкретные условия эксплуатации двигателя, в частности, имея, прежде всего, ввиду характера момента нагрузки на валу. При вентиляторном характере момента нагрузки могут быть предъявлены минимальные требования к величине начального пускового момента. Токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, может иметь удельное электрическое сопротивление в пределах (0,6-1,1)·10^-7 Ом·м, в предпочтительном варианте 1,1·10^-7 Ом·м.

Магнитные свойства материала цилиндра, из-за его размещения в воздушном промежутке между полюсными наконечниками и внутренней поверхностью сердечника статора, позволяют уменьшить немагнитный зазор тем больше, чем больше магнитная проницаемость материала цилиндра. Уменьшение немагнитного зазора приводит к увеличению полезного потока магнитов при данном их объеме, позволяет уменьшить требуемое числа витков обмотки статора, что обеспечивает уменьшение активного сопротивления обмотки статора, электрических потерь, нагрева обмотки и увеличение КПД или уменьшение массогабаритных показателей машины. С другой стороны, большая магнитная проницаемость материала цилиндра приводит к увеличению магнитного потока, замыкающегося между полюсами, минуя обмотку статора, что способствует уменьшению полезного потока полюсов. Оптимальное значение магнитной проницаемости материала цилиндра определяется путем установления компромисса между этими указанными противоположными тенденциями, удовлетворяющему конкретные технические требования к создаваемому двигателю. Требуемая оптимальная магнитная проницаемость обеспечивается выбором материала цилиндра, либо изготовлением сплава соответствующего состава. В некоторых вариантах токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, обладает относительной магнитной проницаемостью в пределах 10-50, причем более предпочтительным диапазоном значений относительной магнитной проницаемости является 20-40. В одном из вариантов токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, обладает относительной магнитной проницаемостью в пределах 30.

Немагнитные металлические кольца по торцам цилиндра вынесены за пределы воздушного зазора между статором и ротором и служат для замыкания токов, протекающих в цилиндре. Они являются составной частью пусковой обмотки и закреплены с обеспечением электрического контакта между цилиндром и кольцами. Поэтому токопроводящие свойства материала колец оказывают на рабочие свойства двигателя такое же влияние, как токопроводящие свойства материала цилиндра. В связи с этим выбор материала и геометрических размеров колец используется для формирования оптимальных токопроводящих свойств пусковой обмотки, выполненной в виде цилиндра. В одном из вариантов осуществления изобретения короткозамыкающие кольца выполнены из латуни или меди.

Технические преимущества заявляемого решения с применением пусковой или демпферной обмотки в виде полого сплошного цилиндра из специального сплава, напрессованного на полюсные наконечники постоянных магнитов, в роторах синхронных машин заключаются в создании технологичной конструкции роторов, обеспечивающей прямой запуск синхронного двигателя от сети с требуемыми техническими параметрами, включая уровень колебаний пускового момента, а так же надежность демпферной обмотки у синхронных генераторов.

Представленное решение осуществлено в совокупности заявленных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии его условию промышленной применимости. Рекомендуется к применению в бесконтактных синхронных машинах переменного тока с постоянными магнитами.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к бесконтактным синхронным электрическим машинам переменного тока с постоянными магнитами на роторе. Предлагаемый ротор синхронной электрической машины содержит сердечник, постоянные магниты, закрепленные на сердечнике и образующие магнитную систему ротора, а также пусковую обмотку, выполненную в виде полого цилиндра, который выполнен из токопроводящего материала и напрессован на магнитную систему ротора. При этом, согласно изобретению, токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, является магнитным и обладает удельным электрическим сопротивлением в пределах (0,6-1,1)10^-7 Ом·м и относительной магнитной проницаемостью в пределах 10-50. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в обеспечении требуемых пусковых параметров синхронной электрической машины, включая уровень колебаний пускового момента при прямом запуске синхронных двигателей от промышленной сети, а также в повышении надежности демпферной обмотки синхронных генераторов, благодаря выполнению указанных пусковой или демпферной обмоток в виде полого цилиндра из специального сплава, что обеспечивает повышение эффективности работы данных обмоток при одновременном обеспечении высокой технологичности роторов. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ротор синхронной электрической машины, содержащий сердечник, постоянные магниты, закрепленные на сердечнике и образующие магнитную систему ротора, пусковую обмотку, выполненную в виде полого цилиндра из токопроводящего материала, который напрессовывается на магнитную систему ротора, отличающийся тем, что токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, является магнитным, обладает удельным электрическим сопротивлением в пределах (0,6-1,1)10^-7 Ом·м и относительной магнитной проницаемостью в пределах 10-50.

2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, обладает удельным электрическим сопротивлением 1,1-10^-7 Ом·м.

3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, обладает относительной магнитной проницаемостью в пределах 20-40.

4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, обладает относительной магнитной проницаемостью в пределах 30.

5. Ротор по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из магнитной стали.

6. Ротор по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из немагнитной стали.

7. Ротор по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен сплошным.

8. Ротор по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен шихтованным.

9. Ротор по п.1, отличающийся тем, что магнитная система ротора содержит полюсные наконечники.

10. Ротор по п.1, отличающийся тем, что число полюсов магнитной системы ротора соответствует числу полюсов обмотки статора.

11. Ротор по п.1, отличающийся тем, что по торцам полого цилиндра закреплены токопроводящие короткозамыкающие кольца с обеспечением электрического контакта между цилиндром и кольцами.

12. Ротор по п.13, отличающийся тем, что короткозамыкающие кольца выполнены из меди.

13. Ротор по п.13, отличающийся тем, что короткозамыкающие кольца выполнены из латуни.

14. Синхронная электрическая машина, содержащая ротор по любому из предыдущих пунктов.