СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ МАГНИТОПРОВОДОВ РОТОРА И ЯКОРЯ В ДВУХМЕРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ-ГЕНЕРАТОРАХ Российский патент 2013 года по МПК H02K15/00 H02K23/44 G01R31/34 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности, к способам согласования магнитопроводов ротора и статора в двухмерных электрических машинах, и может быть использовано для технико-экономической и конструктивной совместимости концентрически расположенных магнитопроводов - внешнего ротора и внутреннего якоря с коллектором двухмерных электрических машин-генераторов (ДЭМ-Г).

Известна двухвходовая электрическая машина (патент РФ №2091967). Двухвходовая электрическая машина содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока, помещенный концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой типа беличьей клетки, впрессованного в корпус, имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря.

Также известна двухмерная электрическая машина-генератор (ДЭМ-Г) (патент РФ №2332775), содержащая концентрически расположенные якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока и внешний ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных двигателей, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга. При этом в пазы якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью переменного тока, что обеспечивает электропитание подключенных к нему потребителей.

В настоящее время (пока не освоен серийный выпуск подобных машин) для изготовления ДЭМ-Г используются магнитопроводы якоря с щеточно-коллекторным узлом серийных машин постоянного тока и статора серийных машин переменного тока, используемого в качестве внешнего ротора. Способ согласования магнитопроводов ротора и якоря в подобных двухмерных электрических машинах-генераторах отсутствует.

Представляя, с одной стороны, большие удобства, связанные с отсутствием необходимости в дорогостоящих штампах для изготовления (штамповки) листов ротора и якоря ДЭМ-Г, этот способ изготовления ДЭМ-Г имеет существенный недостаток, который заключается в том, что трудно (а порой - невозможно) подобрать магнитопроводы серийных электрических машин постоянного и переменного тока нужных диаметральных (впрочем - и осевых) размеров магнитопроводов, обеспечивающих расчетный воздушный зазор между одновременно (но с различными скоростями) вращающимися ротором и якорем изготавливаемой таким образом двухмерной электрической машины-генератора. При этом уменьшенный (а тем более - нулевой) воздушный зазор неприемлем по условиям необходимости обеспечения свободного вращения якоря в расточке, также вращающегося (но с другой скоростью) внешнего ротора.

Но с другой стороны, увеличенный воздушный зазор недопустим, так как это приводит к резкому увеличению рассеяния магнитного поля машины, что, в конечном счете, сказывается на уменьшении мощности машины, и как результат - на уменьшении ее КПД - η и коэффициента мощности - cosφ, т.е. энергетического показателя машины - η cosφ.

Техническая задача заявленного изобретения - разработка способа согласования магнитопроводов ротора и якоря в двухмерных электрических машинах-генераторах при применении для их изготовления магнитопроводов якоря с щеточно-коллекторным узлом серийной машины постоянного тока и статора серийной машины переменного тока, используемого в качестве внешнего ротора, с расчетным воздушным зазором между якорем и ротором.

Технический результат заявленного изобретения - обеспечение технико-экономической и конструктивной совместимости концентрически расположенных магнитопроводов внешнего ротора и внутреннего якоря с коллектором двухмерных электрических машин-генераторов (ДЭМ-Г), обеспечивающей их повышенный энергетический показатель - η cosφ.

Технический результат достигается тем, что в способе согласования магнитопроводов ротора и якоря в двухмерных электрических машинах-генераторах, изготовленных с использованием магнитопроводов якоря с щеточно-коллекторным узлом серийных машин постоянного тока и статора серийных машин переменного тока, используемого в качестве внешнего ротора, определяют начальный существующий воздушный зазор δ_н между ротором и якорем по формуле δ_н=(Dp-Da)/2, где Dp - внутренний диаметр ротора, Da - внешний диаметр якоря, затем рассчитывают необходимый конечный воздушный зазор δ_кр по формуле $${\delta }_{кр}\approx (\mathrm{0,27}÷\mathrm{0,33})\cdot {10}^{-6}\frac{A}{B_{\delta o}}\cdot \frac{\tau }{x_d{}_{*}}$$ (Копылов И.П. Проектирование электрических машин. Книга 2. - М.: Энергоатомиздат, 1993, 384 с. С.38), где A - линейная нагрузка, B_{δ o}≈0,95 B_{δ ном} - максимальная индукция в воздушном зазоре при холостом ходе и номинальном напряжении, τ - полюсное деление, x_d* - синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, находят разность Δ=δ_н-δ_кр={[(Dp-Da)/2]-δ_кр} между начальным воздушным зазором δ_н и расчетным конечным воздушным зазором δ_кр, затем наращивают по наружной окружности цилиндрическую поверхность якоря, покрывая ее одним или несколькими слоями листовой электротехнической стали и доводя суммарную толщину слоев листовой электротехнической стали, до величины, равной рассчитанной разности Δ, обеспечивая тем самым целесообразный по энергетическим соображениям конечный воздушный зазор δ_к≈δ_кр между ротором и якорем. При этом электротехническую сталь на поверхности якоря закрепляют точечной электросваркой.

При разработке ДЭМ-Г к расчетному (выбранному) пакету якоря серийной электрической машины постоянного тока заданных геометрических размеров подбирается соответствующий по размерам пакет статора также серийной асинхронной или синхронной машины, используемой в качестве внешнего ротора и, если воздушный зазор при этом получается завышенным (что в практике имеет место зачастую, так как геометрические размеры машин постоянного и переменного токов никак не согласованы между собой), то якорь машины постоянного тока покрывается (обматывается) снаружи одним или несколькими слоями листовой электротехнической стали необходимой толщины для согласования диаметров ротора и якоря, а затем, с помощью, например, точечной электросварки электротехническая сталь приваривается к якорю по всей его окружности и по всей длине. При этом внешний диаметр якоря увеличивается от значения Da до величины (Da+2Δ), где Δ - суммарная толщина слоев выбранной стандартной листовой электротехнической стали, а воздушный зазор между ротором и якорем в ДЭМ-Г уменьшается от начального значения δ_н до конечного (близкого к расчетному) значения δ_к.

На фиг.1 изображен в разрезе фрагмент ДЭМ-Г, включающий магнитопроводы ротора и якоря ДЭМ-Г в начальном (несогласованном) виде, на фиг.2 - он же, но уже в конечном (согласованном) виде - с якорем, покрытым (обмотанным) по всей его длине одним или несколькими слоями стандартной электротехнической стали с суммарной толщиной слоев Δ, на фиг.3 приведен спрямленный (развернутый в линию) фрагмент ДЭМ-Г с нормализованным воздушным зазором, уменьшенным от начальной величины δ_н до конечного уровня δ_к за счет закрепления на цилиндрической поверхности якоря с помощью точечной электросварки полос из электротехнической стали с суммарной толщиной слоев Δ.

На фиг.1, 2, 3 соответственно обозначено: 1 - ротор ДЭМ-Г; 2 - якорь ДЭМ-Г; 3 - полосы листовой электротехнической стали, закрепленной на цилиндрической поверхности якоря; δ_н - начальный воздушный зазор между ротором и якорем; δ_к - конечный (близкий к расчетному) воздушный зазор между ротором и якорем, полученный путем покрытия цилиндрической поверхности якоря по всей его окружности и всей его длине одним или несколькими слоями стандартной электротехнической стали с суммарной толщиной слоев Δ; Δ - расчетная суммарная толщина слоев из листовой электротехнической стали.

В начальном (несогласованном) виде (фиг.1) воздушный зазор между ротором и якорем равен δ_н. Он определяется соотношением размеров внутреннего диаметра ротора Dp и внешнего диаметра якоря Da, причем

$${\delta }_{н}=(Dp-Da)/2\text{ (1)}$$

При покрытии всей цилиндрической поверхности по наружной окружности якоря по всей его длине одним или несколькими слоями стандартной листовой электротехнической стали толщиной с суммарной толщиной слоев Δ, рассчитанной по формуле Δ=δ_н-δ_кр=[(Dp-Da)/2]-δ_кр, воздушный зазор ДЭМ-Г уменьшается до конечного (близкого к расчетному) уровня δ_к (фиг.2, 3). При этом, подбирая полосы стали различной толщины для покрытия якоря, можно добиться наилучшего результата повышения энергетического показателя ДЭМ-Г, т.е. η cosφ.

Так, например, в ДЭМ-Г мощностью 1500 Вт при воздушном зазоре δ=0,8 мм и числе полюсов 2р=10 (n₁=600 об/мин) энергетический показатель η cosφ=0,53·0,49=0,26, а при уменьшении зазора до δ=0,3 мм этот показатель увеличивается до η cosφ=0,69·0,84=0,57.

Сравнение полученных энергетических показателей ДЭМ-Г показывает важность вопроса правильного выбора величины воздушного зазора при проектировании ДЭМ-Г. В вышеприведенном примере правильное решение этого вопроса позволяет увеличить выходную мощность ДЭМ-Г в 0,57/0,26=2,19 раза.

Авторами с помощью предлагаемого способа были изготовлены и испытаны два опытных образца управляемой двухмерной электрической машины-генератора, которые полностью подтвердили работоспособность и перспективность предлагаемого способа согласования диаметров ротора и якоря рассмотренных выше конструкций ДЭМ-Г. Испытания показали, что произведение коэффициента полезного действия η и коэффициента мощности cosφ, то есть энергетического показателя, могут быть увеличены на 60-80%, что позволяет увеличить мощность ДЭМ-Г в тех же габаритах до двух раз.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к способам согласования магнитопроводов ротора и статора в двухмерных электрических машинах, и может быть использовано для технико-экономической и конструктивной совместимости концентрически расположенных магнитопроводов (внешнего ротора и внутреннего якоря с коллектором) двухмерных электрических машин-генераторов (ДЭМ-Г). Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в повышении энергетического показателя η cosφ двухмерных электрических машин-генераторов (ДЭМ-Г). Предлагаемый способ согласования магнитопроводов ротора и якоря в ДЭМ-Г, изготовленных с использованием магнитопроводов якоря с щеточно-коллекторным узлом машин постоянного тока и статора машин переменного тока, используемого в качестве внешнего ротора, характеризуется тем, что определяют начальный существующий воздушный зазор δ_н между ротором и якорем по формуле δ_н=(Dp-Da)/2, где Dp - внутренний диаметр ротора, Da - внешний диаметр якоря, затем рассчитывают необходимый конечный воздушный зазор δ_кр по формуле $${\delta }_{кр}\approx (\mathrm{0,27}÷\mathrm{0,33})\cdot {10}^{-6}\frac{A}{B_{\delta o}}\cdot \frac{\tau }{x_d{}_{*}}$$ , где A - линейная нагрузка, B_δo≈0,95 B_{δ ном} - максимальная индукция в воздушном зазоре при холостом ходе и номинальном напряжении, τ - полюсное деление, x_d* - синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, находят разность Δ=δ_н-δ_кр={[(Dp-Da)/2]-δ_кр} между начальным воздушным зазором δ_н и расчетным конечным воздушным зазором δ_кр, затем наращивают по наружной окружности цилиндрическую поверхность якоря, покрывая ее одним или несколькими слоями листовой электротехнической стали и доводя суммарную толщину слоев листовой электротехнической стали до величины, равной рассчитанной разности Δ, обеспечивая тем самым целесообразный по энергетическим соображениям конечный воздушный зазор δ_к≈δ_кр между ротором и якорем. При этом электротехническую сталь на поверхности якоря закрепляют точечной электросваркой. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ согласования магнитопроводов ротора и якоря в двухмерных электрических машинах-генераторах, изготовленных с использованием магнитопроводов якоря с щеточно-коллекторным узлом машин постоянного тока и статора машин переменного тока, используемого в качестве внешнего ротора, характеризующийся тем, что определяют начальный существующий воздушный зазор δ_н между ротором и якорем по формуле
δ_н=(Dp-Da)/2,
где Dp - внутренний диаметр ротора;
Da - внешний диаметр якоря,
затем рассчитывают необходимый конечный воздушный зазор δ_кр по формуле
$${\delta }_{кр}\approx (\mathrm{0,27}÷\mathrm{0,33})\cdot {10}^{-6}\frac{A}{B_{\delta o}}\cdot \frac{\tau }{x_d{}_{*}}$$ ,
где A - линейная нагрузка;
B_{δ o}≈0,95 B_{δ ном} - максимальная индукция в воздушном зазоре при холостом ходе и номинальном напряжении;
τ - полюсное деление;
x_d* - синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси,
находят разность Δ=δ_н-δ_кр={[(Dp-Da)/2]-δ_кр} между начальным воздушным зазором δ_н и расчетным конечным воздушным зазором δ_кр, затем наращивают по наружной окружности цилиндрическую поверхность якоря, покрывая ее одним или несколькими слоями листовой электротехнической стали и доводя суммарную толщину слоев листовой электротехнической стали до величины, равной рассчитанной разности Δ, обеспечивая тем самым целесообразный по энергетическим соображениям конечный воздушный зазор δ_к≈δ_кр между ротором и якорем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электротехническую сталь на поверхности якоря закрепляют точечной электросваркой.