СИСТЕМА, СНАБЖЕННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2013 года по МПК H02K11/00 G01K13/08 G01D3/28 

Изобретение касается системы, снабженной электрической машиной согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, и способа эксплуатации электрической машины по п.9 формулы изобретения.

В приборах со сложными условиями монтажа и в жестких окружающих условиях измерение температуры посредством контактных термометров часто невозможно без затруднений. В частности, у электрических машин, т.е. у электродвигателей и генераторов, на практике. представляет собой проблему измерения температуры вращающихся частей. Так, например, желателен контроль температуры вращающейся части, т.е. ротора, электродвигателей и генераторов, так как такой контроль позволяет делать выводы о рабочем состоянии электрической машины и осуществлять оптимизацию расчета класса мощности электродвигателя. Благодаря этому можно, в частности, избежать выбора избыточных размеров двигателя, который часто осуществляется, чтобы, в частности, предотвратить перегрев постоянных магнитов, которые размагничиваются при превышении предельной температуры. Кроме того, возможно также применение контроля температуры для управления двигателем, благодаря чему обеспечивается возможность оптимального использования, т.е. особенно экономичной или ориентированной на мощность эксплуатации.

Задачей настоящего изобретения является указать систему, служащую для простой, надежной и оптимальной по затратам регистрации температуры вращающихся частей электрической машины. Задачей настоящего изобретения является также указать способ эксплуатации электрической машины, при котором надежно предотвращается тепловая перегрузка ротора.

Задача решается с помощью системы по п.1 формулы изобретения и с помощью способа по п.9 формулы изобретения.

Существенным аспектом настоящего изобретения является предусмотреть для регистрации температуры ротора электрической машины так называемый термоэлектрический столбик, в уровне техники также часть называемый «термобатарея», который расположен в пазу статора электрической машины и который приспособлен для бесконтактной регистрации температуры ротора. Термобатарея представляет собой при этом схему (чаще всего в виде столбика или системы слоев), включающую в себя (чаще всего) несколько термопар, которые посредством эффекта Зеебека, в зависимости от теплового излучения и температуры субстрата или холодного спая (которая чаще всего также может регистрироваться отдельно), создает тепловое напряжение, которое, в свою очередь, может аналитически оцениваться для измерения температуры.

Решение задачи предусматривает, в частности, систему,, снабженную электрической машиной, которая включает в себя статор и ротор, а также инфракрасным температурным сенсором, при этом поле детекции инфракрасного температурного сенсора ориентировано по поверхности корпуса ротора, и при этом инфракрасный температурный сенсор представляет собой термоэлектрический столбик, служащий для регистрации температуры ротора, расположенный в пазу статора. Благодаря малому расстоянию между пазом в статоре и, таким образом, температурным сенсором или, соответственно, термоэлектрическим столбиком и ротором, можно обойтись без затратного оптического устройства для температурного сенсора. Кроме того, присоединительные провода (сигнальные провода) температурного сенсора могут при этом прокладываться в пазу статора, например, в канавках верхнего слоя обмотки. Благодаря небольшим расстояниям между температурным сенсором и поверхностью ротора часто можно обойтись, без точной (ручной) ориентации или юстировки во время монтажа (во время установки). Кроме того, предлагаемая изобретением система обладает тем преимуществом, что в узком воздушном зазоре с воздухом, перемещаемым ротором, проникает и может откладываться на входном окне термобатареи относительно небольшое количество остающихся загрязнений.

Решением задачи предусматривается также способ эксплуатации электрической машины с применением предлагаемой изобретением системы, при этом температура ротора регистрируется по меньшей мере однократно, а идеальным образом непрерывно, при этом при достижении или превышении предельной температуры понижается мощность электрической машины или, соответственно, приводится в соответствие рабочая точка. Благодаря этому можно избежать тепловой перегрузки ротора, которая, в частности, может приводить к размагничиванию постоянных магнитов в роторе. Кроме того, так удается избежать выбора избыточных размеров электрических машин, потому что опасность перегрева может практически исключаться благодаря контролю фактической температуры ротора. Становится возможным производственный контроль теплового состояния электрической машины новым способом так, что возможна реализация согласованных по мощности состояний, и благодаря оптимально согласованным движущимся массам именно при динамической нагрузке достигается повышение эффективности, т.е. экономия энергии. Альтернативно возможно также применение системы на электрических машинах в исследовательских целях, при этом возможна регистрация неравномерностей тепловой нагрузки ротора и получение данных измерений, служащих для теплового и электрического расчета машин.

Предпочтительные варианты осуществления предлагаемой изобретением системы указаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Упомянутые при этом признаки и преимущества по смыслу относятся также к предлагаемому изобретением способу.

Особенно предпочтительной является интеграция инфракрасного температурного сенсора и, таким образом, термоэлектрического столбика в закрывающий пазовый клин паза статора электрической машины. Благодаря этому отсутствует необходимость предусматривать другое конструктивное пространство для установки термосенсора. В частности, общий диаметр электрической машины при этом не увеличивается или увеличивается только несущественно. Другое преимущество заключается в том, что присоединительные провода инфракрасного температурного сенсора могут выводиться из статора в конструктивном пространстве между обмоткой статора и закрывающим пазовым клином в осевом направлении. При этом особенно предпочтительно, если свойственное термоэлектрическим столбикам измерение собственной температуры (называемое также «измерением холодного спая») одновременно используется для регистрации (локальной) температуры статора или, соответственно, обмотки статора каждой рассматриваемой фазы, благодаря чему для регистрации температуры статора или, соответственно, для регистрации температуры обмотки не требуется дополнительного аппаратного обеспечения.

Распределение температуры в продольном направлении электрической машины может регистрироваться, когда несколько инфракрасных температурных сенсоров применяются по продольной оси электрической машины, или по меньшей мере один из инфракрасных температурных сенсоров может перемещаться по продольной оси электрической машины. В тех случаях, когда несколько температурных сенсоров, то есть термоэлектрических столбиков, благодаря регистрации ими собственной температуры, применяются также для регистрации температуры статора или, соответственно, температуры той обмотки, в пазу которой они расположены, предпочтительно распределять температурные сенсоры по пазам различных фаз так, чтобы несколько или все фазы электрической машины могли контролироваться в отношении температур их обмоток. Кроме того, путем интеграции в стандартные конструктивные элементы (закрывающий пазовый клин)-пазы в окружном направлении выбираются свободно, без создания существенных дополнительных затрат на изготовление/монтаж. Возможна установка в каждый паз в окружном направлении. При регистрации температуры статора или, соответственно, обмотки с целью контроля динамических рабочих состояний предпочтительно также, если обращенная к статору или, соответственно, обмотке сторона термоэлектрического столбика или, соответственно, ее поверхность, снабженная сенсором, служащим для измерения собственной температуры (компенсационное измерение), посредством материала, который обладает хорошей теплопроводностью или малой тепловой толщиной, находится в контакте со статором или, соответственно, обмоткой. Это может быть теплопроводная паста, или хорошо проводящий тепло полимер, или же металлическое соединение. В частности, в тех случаях, когда термоэлектрический столбик зафиксирован в пазу или, соответственно, закрывающем пазовом клине посредством клейкой или заливочной массы, для этого предпочтительно может быть выбран один из материалов с хорошими свойствами в отношении теплопередачи или особенно плоская конструкция. Но альтернативно, например, при установке посредством стандартных закрывающих паз клиньев, состоящих из электрически и термически полимерных материалов с высокими изоляционными свойствами, может быть предпочтительной как можно более высокая тепловая изоляция относительно паза, чтобы при изменениях температуры паза возникали лишь небольшие, искажающие собственный сигнал измерения сигналы дрейфа, обусловленные возникающими на микросхеме термобатареи локальными процессами теплопередачи. Тогда при изменяющихся рабочих состояниях здесь достигается высокая точность сигнала температуры ротора, впрочем, сопровождающаяся снижением динамики при регистрации температуры паза/обмотки.

Предпочтительно электрическая машина оснащена сельсин-датчиком или другим устройством, служащим для регистрации угла поворота, а регистрация результатов измерений термобатареи активируется подаваемым им сигналом или, соответственно, последовательностью сигналов, благодаря чему возможна также регистрация температурного профиля по окружной линии ротора. При этом предпочтительно, если при регистрации температурного профиля либо число оборотов электрической машины временно понижается настолько, чтобы частота ее вращения стала значительно ниже, чем предельная частота применяемого термоэлектрического столбика или, соответственно, применяемых термоэлектрических столбиков, либо относящиеся к разным электрическим фазам термобатареи, если они имеются, будучи включены последовательно, включаются в угол поворота так, что в целом может быть достигнуто более высокое разрешение во времени или пространстве (печатное сообщение, смещение временного сдвига на каждый оборот, синхронный метод). При этом предпочтительно во время одного или нескольких оборотов ротора создается и аналитически оценивается множество пар величин, включающих в себя углы поворота и соответственно зарегистрированную температуру. Предпочтительно получаемые при этом температурные профили используются для расчета других электрических машин, для определения оптимальной рабочей точки электрических машин и для согласования рабочей точки, в частности, в отношении предотвращения превышения температуры материала магнита. Этот способ может также использоваться для постоянного контроля отдельных магнитов при эксплуатации электрической машины, чтобы таким образом иметь возможность задавать допуски на изготовление или, соответственно, изменяющиеся при эксплуатации термические соединения отдельных магнитов, так как уменьшение теплового контакта с фланцем ротора, в частности, при изменяющихся эксплуатационных нагрузках, то есть динамических процессах теплопередачи, может приводить к локальным перегревам. Таким, образом, благодаря этому обеспечивался бы локализирующий метод текущего контроля состояния для высококачественных машин, за счет того, что для контроля температуры становятся доступными, с одной стороны, разные фазы в отношении их температуры паза/обмотки, с другой стороны отдельные магниты ротора, а также продольные профили распределения температуры движущегося ротора.

Особенно простой монтаж термоэлектрического столбика получается, когда для этого в закрывающем пазовом клине или,-соответственно, в конструктивном элементе, который на некотором участке паза выполняет функцию закрывающего пазового клина, выполняется глухое сверление или геометрически аналогичное углубление, в котором имеется свое отверстие со стороны обмотки статора. В это глухое сверление перед монтажом закрывающего пазового клина или, соответственно, конструктивного элемента может устанавливаться термоэлектрический столбик, при этом для крепления, например, может применяться приклеивание или крепежная скоба. В области отверстия термоэлектрического столбика предпочтительно в качестве ведущего в глухое сверление или, соответственно, в углубление закрывающего пазового клина или, соответственно, конструктивного элемента входного отверстия для теплового излучения конструктивного элемента (здесь: ротора), подлежащего регистрации, предусмотрено отверстие (сверление), причем диаметр этого отверстия (сверления) определяет угол бесконтактной регистрации температуры. Благодаря такой конструкции можно обойтись без применения другого оптического устройства, поскольку воздушной тягой, создающейся в воздушном зазоре при эксплуатации электрической машины, регулярно сдуваются возможные имеющиеся частицы грязи в этом отверстии.

Примеры осуществления предлагаемой изобретением системы поясняются ниже с помощью чертежей. Одновременно они служат для. пояснения предлагаемого изобретением способа.

При этом показано:

фиг.1 - на схематичном изображении в сечении система термоэлектрического столбика в закрывающем пазовом клине электрической машины;

фиг.2 - крепление термоэлектрического столбика посредством скобы, и

фиг.3 - схематично поперечное сечение электрической машины, снабженной тремя термоэлектрическими столбиками, которые предусмотрены для трех разных пазов и фаз ротора.

На фиг.1 схематично в сечении (поперечное сечение) изображен фрагмент электрической машины, включающей в себя ротор 1 и статор 4. В статоре выбраны пазы 3, в которых проходит обмотка 2 статора 4. В целях наглядности на фиг.1 изображен только один слой, состоящий из шести витков обмотки 2. В закрывающем пазовом клине 5 паза 3 выполнено глухое сверление 8, которое полностью заполняется термоэлектрическим столбиком 6 (инфракрасный температурный сенсор). Глухое сверление 8 со стороны ротора 1 снабжено просверленным отверстием, в которое вдается детектирующая сторона термоэлектрического столбика 6, причем эта сторона термоэлектрического столбика 6 с этой стороны состоит из прозрачного полимерного материала, который имеет поверхность, выполненную в виде линзы. Благодаря тому, что просверленное отверстие имеет меньший диаметр, чем глухое сверление, в глухом сверлении 8 имеется глубинный упор, который препятствует тому, чтобы термоэлектрический столбик 6 мог запасть в воздушный зазор между ротором 1 и статором 4. Со стороны обмотки 2 термоэлектрический столбик 6 наталкивается на обмотку 2, так что движение в направлении статора после монтажа системы, состоящей из закрывающего пазового клина 5 и термоэлектрического столбика 6, также больше невозможно. Измерение собственной температуры термоэлектрического столбика 6 происходит при этом на его обращенном к обмотке конце; с этой целью опционально между обмоткой 2 и нижней стороной термоэлектрического столбика 6 может вводиться теплопроводная паста и т.п.Опционально описанному здесь зажиму с геометрическим замыканием термоэлектрического столбика 6 он может также фиксироваться надлежащим клеем или надлежащей заливочной массой.

На фиг.2 изображен вариант системы, показанной на фиг.1, при этом все обозначения позиций фиг.1, 2 и 3 соответственно обозначают один и тот же предмет. На фиг.2 изображен вид сбоку одного из вариантов осуществления системы термоэлектрического столбика 6 в пазу 3, причем здесь в отличие от фиг.1 термоэлектрический столбик 6 зафиксирован посредством металлической пружинной рамки. Этот вариант осуществления изготавливается особенно просто, например, путем формования пружинного листового материала методом глубокой вытяжки, что, в частности, оптимально в отношении затрат при массовом изготовлении. Пружинная рамка в продольном направлении закрывает паз 3, т.е. пружинная рамка согласована с геометрией паза и сама снабжена отверстиями для проводки кабелей 7 и термоэлектрического столбика б. Благодаря пружинящему действию осуществляется зажим при одновременной возможности простого монтажа. При этом обеспечивается как фиксация термоэлектрического столбика 6 относительно верхней стороны паза 3, так и практически полная фиксация от прокручивания. Опционально эта система может окончательно фиксироваться путем заливки эпоксидной смолой.

На фиг.3 в качестве примера на виде в поперечном сечении показана тройная система, состоящая из термоэлектрических столбиков 6, расположенных в закрывающих пазовых клиньях 5, причем три этих термоэлектрических столбика 6 расположены в трех принадлежащих разным электрическим фазам обмотках, чтобы иметь возможность контролировать как температуру ротора, так и температуру каждой отдельной обмотки. Это предпочтительный вариант осуществления, потому что в каждой фазе электрической машины могут возникать различные потери и вместе с тем различные температуры. Благодаря системе такого рода возможно распознавание или, соответственно, предотвращение ошибок, в частности, проблем симметрии. При другом предпочтительном осуществлении этого варианта, включающем в себя несколько термоэлектрических столбиков 6, эти столбики могут быть расположены в различных местах относительно продольной оси электрической машины, так что, например, с помощью одного из термоэлектрических столбиков 6 можно измерять температуру ротора на одном конце ротора 1 или, соответственно, даже на его торцевой, стороне, в то время как с помощью одного или нескольких других термоэлектрических столбиков 6 могут регистрироваться температуры корпуса в центральной области ротора 1.

Альтернативно показанным на фигурах изображениям один или несколько термоэлектрических столбиков 6 могут быть также установлены в одном или нескольких пазах 3 с возможностью перемещения, например, посредством роликовой конструкции. Это позволяет, в частности, у экспериментальных электрических машин осуществлять детальные исследования распределения тепла.

Изобретение касается способа эксплуатации и системы, снабженной электрической машиной, которая включает в себя статор (4) и ротор (1), а также инфракрасным температурным сенсором, при этом поле детекции инфракрасного температурного сенсора ориентировано по поверхности корпуса ротора. Инфракрасный температурный сенсор представляет собой термоэлектрический столбик (6) и служит для бесконтактной, радиометрической регистрации температуры ротора (1). Инфракрасный сенсор располагается в пазу статора (4) и является совместимым при монтаже со стандартными конструктивными элементами закрывающего пазового клина электрической машины. Технический результат заключается в повышении эффективности работы электрической машины за счет реализации согласованных по мощности состояний. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система регистрации температуры вращающихся частей электрической машины, снабженная электрической машиной, которая включает в себя статор (4) и ротор (1), а также инфракрасным температурным сенсором, при этом поле детекции инфракрасного температурного сенсора ориентировано по поверхности корпуса ротора (1), отличающаяся тем, что инфракрасный температурный сенсор представляет собой термоэлектрический столбик (6), служащий для регистрации температуры ротора (1), расположенный в пазу статора (4).

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что термоэлектрический столбик (6) расположен в пазовом клине (5) паза статора (4).

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство для измерения собственной температуры термоэлектрического столбика (6) конфигурировано для регистрации температуры статора (4).

4. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что система включает в себя несколько термоэлектрических столбиков (6), расположенных по продольной оси электрической машины.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что термоэлектрические столбики (6) распределены по пазам по меньшей мере двух различных фаз.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что электрическая машина снабжена устройством, служащим для регистрации угла поворота ротора (1), и это устройство включает в себя соединение, предназначенное для регистрации температуры, при этом возможна регистрация распределения температуры ротора (1) в его окружном направлении.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что термоэлектрический столбик (6) расположен в выбранном в осевом направлении глухом сверлении (8) в пазовом клине (5), причем это глухое сверление (8) снабжено просверленным отверстием в направлении ротора (1), и при этом просверленное отверстие имеет меньший диаметр, чем глухое сверление (8).

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что просверленное отверстие выполнено в качестве дроссельной заслонки, служащей для задания угла регистрации температуры посредством термоэлектрического столбика (6).

9. Способ эксплуатации электрической машины, отличающийся тем, что с помощью системы по пп.1-8 периодически или непрерывно регистрируется по меньшей мере одна температура ротора (1) электрической машины, причем при достижении или превышении заданной предельной температуры мощность электрической машины понижается.