РОТОР, РЕАКТИВНАЯ СИНХРОННАЯ МАШИНА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРА Российский патент 2019 года по МПК H02K1/24 H02K19/14 H02K15/02 

Данное изобретение касается ротора для реактивной синхронной машины, содержащего выполненный цилиндрическим магнитномягкий элемент, причем этот магнитномягкий элемент снабжен выемками для образования барьера для магнитного потока.

Обычно роторы для синхронных реактивных индукторных двигателей выполняются с цилиндрическим магнитномягким элементом, который расположен коаксиально на оси ротора. Для образования по меньшей мере одной пары полюсов и, соответственно, пары просветов этот магнитномягкий элемент содержит проводящие поток участки, а также участки, образующие барьер для магнитного потока, которые отличаются между собой степенью выраженности магнитной проницаемости. Участок с большой магнитной проводимостью известным образом обозначается как ось d ротора, а участок со сравнительно меньшей проводимостью обозначается как ось q ротора. Оптимальный КПД синхронного реактивного двигателя и тем самым оптимальный вращающий момент устанавливается тогда, когда указанная ось d имеет максимально возможную магнитную проводимость, а ось q имеет минимально возможную магнитную проводимость.

Это условие зачастую реализуется за счет создания в магнитномягком элементе нескольких заполненных воздухом выемок вдоль оси q, благодаря чему магнитный поток в направлении оси q замедляется, и, следовательно, магнитная проницаемость снижается. Выполненный таким образом магнитномягкий элемент помещается затем на вал ротора и фиксируется в аксиальном и тангенциальном направлениях. Из соображений стабильности один или несколько барьеров потока поделены на два посредством радиально ориентированных внутренних перегородок. Установка этих перегородок повышает прочность пакета сердечника, что, в частности, оптимизирует стабильность ротора в рабочем режиме. Ширина перегородок незначительна, чтобы влияние на магнитную проницаемость поддерживалось минимально возможным.

Синхронные реактивные двигатели регулярно запитываются через Вентильный преобразователь частоты, вследствие чего частота вращения увеличивается от 0 до рабочего значения и в процессе Эксплуатации может регулироваться. В частности, для запуска двигателя число оборотов может пошагово повышаться. Если же, напротив, синхронный реактивный двигатель приводится от жесткой сети, то необходимо использование пусковой короткозамкнутой обмотки, чтобы сделать возможным асинхронный запуск. Как только число оборотов ротора приблизится к синхронной частоте, реактивный момент становится преобладающим, и ротор вращается синхронно с окружным вращающимся полем.

Конструкция используемой пусковой короткозамкнутой обмотки соответствует описанным для стандартных асинхронных машин. Клетка состоит из отдельных проводящих стержней, которые с концевой стороны замкнуты накоротко. Закрепление пусковой короткозамкнутой обмотки на роторе происходит через дополнительные выемки в пакете сердечника ротора. Однако, такая конструкция, а также изготовление ротора такого типа сравнительно дороги.

Задача данного изобретения заключается в том, чтобы усовершенствовать ротор для реактивной синхронной машины таким образом, что описанные выше недостатки будут преодолены. Эта задача решается ротором для реактивной синхронной машины с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты осуществления ротора являются предметом зависимых пунктов формулы.

Согласно пункту 1 предлагается, таким образом, ротор для реактивной синхронной машины, содержащий выполненный цилиндрическим магнитномягкий элемент, который снабжен одной или несколькими выемками для создания барьера для магнитного потока. В одном предпочтительном варианте осуществления ротора согласно изобретению магнитномягкий элемент выполнен в виде пакета сердечника, который - как это известно из уровня техники - собран из нескольких уложенных друг на друга в осевом направлении роторных пластин, изолированных друг от друга. Такая конструкция препятствует возникновению вихревых токов в магнитномягком элементе.

Согласно изобретению все барьеры потоков или их часть разделены одной или несколькими перегородками. С одной стороны, это размещение перегородок имеет целью обеспечение дополнительной стабильности ротора, в частности в радиальном направлении. С другой стороны, ротор согласно изобретению делится на внутреннюю, а также на внешнюю области ротора. Такое прохождение отдельных перегородок образует сплошную линию, которая делит ротор в радиальном направлении на внутреннюю, а также на внешнюю области ротора.

В идеальном случае размещенные барьеры потока не проходят из одной области в другую, т.е. ни один из барьеров потока не пересекает границу между внутренней и внешней областями ротора. Этот запрет пересекающего области прохождения касается взаимосвязанных сегментов барьера потока. Барьер потока, разделенный перегородкой, напротив, может быть расположен с переходом из одной области в другую.

Такое разделение ротора на внутреннюю, а также на внешнюю области оказывает влияние на пусковые характеристики ротора и оптимизирует их. При установке ротора в реактивной синхронной машине можно отказаться от установки вентильного преобразователя частоты, т.е. конструкция ротора согласно изобретению делает возможным асинхронный запуск ротора при приложении трехфазного тока с постоянной частотой. В частности, такое выполнение внешней области ротора служит для генерирования своего рода пусковой короткозамкнутой обмотки, принцип действия которой по существу соответствует принципу действия пусковой короткозамкнутой обмотки для стандартных асинхронных машин. Дополнительные меры, которые до сих пор требовались для такого типа роторов для реализации пусковой короткозамкнутой обмотки, теперь не нужны. Производство, изготовление и эксплуатация ротора согласно изобретению заметно упрощаются. В частности, посредством этой внешней области ротора может быть имитирован по меньшей мере один проводящий стержень пусковой короткозамкнутой обмотки. Согласно изобретению лежащие во внешней области ротора части барьеров потока образуют части пусковой короткозамкнутой обмотки. Согласно изобретению каждая часть имитированной таким образом пусковой короткозамкнутой обмотки является частью одного барьера потока, за исключением короткозамкнутых колец, которые не являются частями активной части ротора.

За счет предлагаемого изобретением секционирования роторных пластин возможно поэтому, при использовании идентичных роторных пластин, в зависимости от конкретного применения, изготовить как запускаемый от жесткой сети синхронный реактивный индукторный двигатель с пусковой короткозамкнутой обмоткой, так и эксплуатируемый с вентильным преобразователем частоты синхронный реактивный индукторный двигатель без пусковой короткозамкнутой обмотки.

В одном предпочтительном варианте осуществления указанные перегородки не ориентированы или лишь частично ориентированы в радиальном направлении. Благодаря соответствующей ориентации перегородок можно обеспечить любое деление областей ротора. В частности, форма или, соответственно, конкретный ход проводки перегородки может меняться. Представляется целесообразным круговой ход проводки перегородки, так что получаются кольцевые внутренняя и/или внешняя области ротора.

Возможно также и альтернативная проводка перегородки, при котором получается прямоугольная, соответственно, четырехугольная внутренняя область ротора. Внешняя область ротора образуется за счет лежащих снаружи поверхностей ротора. К тому же имеет возможность, что внутренняя область на отдельных участках приближается к внешнему периметру ротора или, соответственно, граничит с ним. В идеальном случае эта внутренняя область ротора имеет по существу круговую форму, которая на отдельных участках, в частности в зоне оси q, примыкает к внешнему периметру ротора. Предпочтительно ротор имеет четное количество полюсов, в частности два, четыре, шесть или восемь полюсов. Размещение отдельных барьеров потока по существу соответствует технической идее патента US 5,818,140, на который в этой связи делается официальная ссылка. Ротор по US 5,818,140, как и ротор согласно данному изобретению, в качестве действующих как электромагниты элементов имеет только барьеры потока, которые при необходимости к тому же полностью или частично заполнены постоянными магнитами. В этом случае такой ротор имеет профиль просто барьеров потока без каких-либо дополнительных элементов с электромагнитным эффектом. Каждый из этих барьеров потока проходит по существу дугообразно, симметрично оси g полюсного сегмента ротора. По сравнению с раскрытой в US 5,818,140 технической идеей предмет данного изобретения характеризуется, однако, предлагаемой изобретением проводкой перегородки, которая делит ротор на внешнюю и внутреннюю области ротора.

Один или несколько барьеров потока могут быть по меньшей мере частично заполнены парамагнитным или диамагнитным наполнителем. До сих пор обычно наполнителем отдельных барьеров потока служил воздух. Однако, улучшенные свойства ротора получаются в том случае, если один или несколько барьеров потока заполнены подходящими материалами, которые имеют лучшие парамагнитные или диамагнитные свойства по сравнению с воздухом.

Подходящие материалы содержат, например, оксид металла и/или алюминий, и/или сплав на основе алюминия, и/или медь, и/или сплав на основе меди, и/или пластмассу, и/или керамику, и/или текстиль, и/или древесину. Возможно также использование смеси из двух или более из названных компонентов. В идеальном случае обе области ротора, т.е. барьеры потока обеих областей ротора заполнены соответствующими наполнителями. Однако, следует указать на то, что это не является необходимым условием для использования ротора согласно изобретению. Точно так же возможно, чтобы только внутренняя или только внешняя область была заполнена соответствующим наполнителем.

Обе эти области ротора не обязательно должны быть заполнены одним и тем же наполнителем. Особенно предпочтительно, если один или несколько барьеров потока внешней области ротора заполнены наполнителем, содержащим алюминий или, соответственно, сплав на основе алюминия. Такое заполнение внешних барьеров потока имеет достаточную проводимость, так что получается имитация обычных проводящих стержней пусковой короткозамкнутой обмотки. В частности, при этом один или несколько барьеров потока внешней области ротора заполнены критично проводящим или немагнитопроводящим материалом, в частности наполнителем, содержащим алюминий, соответственно, сплав на основе алюминия, и по меньшей мере один барьер потока, предпочтительно множество барьеров потока, в идеальном случае все барьеры потока, внутренней области ротора не заполнены этим наполнителем. При этом один или несколько барьеров потока внутренней области ротора могут быть вообще не заполнены, т.е. содержат воздух, или заполнены иным наполнителем, в частности неэлектропроводящим или немагнитопроводящим наполнителем, как например, пластмассой, керамикой, текстилем или древесиной, или смесями из них. Согласно еще одному варианту осуществления один или несколько барьеров потока внутренней области ротора полностью или частично заполнены материалом постоянного магнита. За счет этого повышается КПД и коэффициент мощности электрической машины. Внесение наполнителей может осуществляться в виде твердого вещества, которое помещается в соответствующие выемки пакета сердечника ротора. В порядке альтернативы заполнение одного или нескольких барьеров потока может осуществляться методом литья, в частности методом литья под давлением.

Данное изобретение касается также реактивной синхронной машины, в частности синхронного реактивного индукторного двигателя, по меньшей мере с одним ротором согласно данному изобретению или, соответственно, предпочтительному варианту осуществления данного изобретения.

Преимущества и свойства предлагаемой согласно изобретению реактивной синхронной машины соответствуют, очевидно, преимуществам и свойствам ротора согласно изобретению или, соответственно, одного из его предпочтительных вариантов осуществления. По этой причине в последующем описании повторяющиеся сведения не приводятся. Обеспечиваемые изобретением свойства используемого ротора ведут лишь к тому, что эксплуатация реактивной синхронной машины тоже может осуществляться без вентильного преобразователя частоты от жесткой сети трехфазного тока. Такое выполнение внешней области ротора служит для создания пусковой короткозамкнутой обмотки, так что ротор может запускаться без вентильного преобразователя частоты и приводиться в синхронное вращательное движение. Например, посредством предложенной согласно изобретению внешней области ротора имитируются один или несколько проводящих стержней, причем эта внешняя область ротора в комбинации с расположенными на торцевой стороне ротора короткозамкнутыми кольцами образуют пусковую короткозамкнутую обмотку.

Изобретение касается также способа изготовления ротора согласно данному изобретению или, соответственно, предпочтительному варианту осуществления изобретения. Согласно изобретению предусмотрено, что по меньшей мере часть барьеров потока в пакете ротора по меньшей мере частично при отливке заполняется парамагнитной и/или диамагнитной средой. Изготовляемый ротор имеет внутреннюю и внешнюю области ротора.

Кроме того, согласно изобретению не подлежащая заполнению область ротора подвергает воздействию осевой силы. Вследствие этого за счет заполнения барьеров потока заполняемой области ротора предотвращается проникновение заполняющей среды в барьеры потока не заполняемой области ротора. Например, барьеры потока внешней области ротора должны заполняться парамагнитной или, соответственно, диамагнитной средой. В этом случае к внутренней области ротора прикладывается осевая сила, т.е. сила в направлении оси вращения ротора, так что залитый материал не сможет попасть в барьеры потока внутренней области ротора.

Эта осевая сила может попеременно прикладываться к внутренней и, соответственно, внешней области ротора, чтобы сделать возможным заполнение указанных барьеров потока различными материалами. Предпочтительно для приложения осевой силы используется пригодный для этого зажимной инструмент, который воздействует с одной стороны или с обеих сторон на торцевые стороны ротора цилиндрической формы. В идеальном случае поверхность прилегания зажимного инструмента приближенно или точно соответствует геометрическим размерам не заполняемой области ротора. Если в барьеры потока внутренней или внешней области ротора вводятся различные наполнители, то в распоряжении имеются предпочтительно различные зажимные инструменты, каждые из которых могут прикладывать осевую силу к внутренней, а затем и к внешней области ротора. Поверхности прилегания зажимных инструментов идеальным образом соответствуют геометрическим размерам внутренней и, соответственно, внешней области ротора. Другие преимущества и свойства данного изобретения в дальнейшем рассматриваются более подробно на примерах осуществления, представленных на прилагаемых чертежах. На них показано следующее:

Фиг. 1 роторная пластина для предлагаемого изобретением ротора в первом варианте осуществления,

Фиг. 2 роторная пластина для предлагаемого изобретением ротора во втором варианте осуществления,

Фиг. 3 роторная пластина для предлагаемого изобретением ротора в еще одном варианте осуществления,

Фиг. 4, 5 роторные пластины для предлагаемого изобретением ротора в других вариантах осуществления с постоянными магнитами, и

Фиг. 6 роторная пластина для предлагаемого изобретением ротора в еще одном варианте осуществления.

На Фиг. 1-3 показан вид сверху различных роторных пластин 1, которые для получения ротора согласно изобретению штабелированы друг на друга в осевом направлении, т.е. вдоль оси 6 вращения. Для простоты изображения статор не показан. Роторная пластина 1 снабжена несколькими выемками 3, 4, 5, которые берут на себя функцию барьеров потока и за счет расположения которых образуется четырехполюсный ротор, магнитный поток которого тормозится в областях с барьерами 3, 4, 5 потока. В общем область с высокой магнитной проводимостью обозначена как ось d, а область с низкой магнитной проводимостью обозначена как ось q.

Собранный пакет сердечника устанавливается на не представленной валу ротора. Устройство отдельных барьеров 3, 4, 5 потока по существу соответствует технической идее согласно US 5,818,140, на что здесь дается официальная ссылка. Конструкция ротора согласно изобретению отличается, однако, от упомянутой известной технической идеи размещением отдельных перегородок 10, посредством которых отдельные барьеры 3, 4, 5 потока делятся на различные участки. Отличительным является то, что каждые два лежащих внутри барьера 3, 4 потока каждого сектора окружности делятся посредством каждых двух перегородок 10. Количество лежащих внутри барьеров потока, однако, не ограничивается двумя. Данное изобретение охватывает также варианты осуществления, которые во внутренней области имеют меньше или больше барьеров потока. Оба лежащих снаружи барьера 5 потока не имеют никакой перегородки.

Размещение отдельных перегородок 10 обеспечивает не только улучшение стабильности пластины во время работы ротора, но к тому же и делит роторную пластину 1 на внутреннюю частичную область 20 и внешнюю частичную область 30. Для пояснения этого деления области нанесена круговая пунктирная линия 40, которая представляет прохождение границы между внутренней и внешней областями 20, 30 ротора. За счет кругового прохождения этих отдельных перегородок 10 получается внутренне кольцо 20 ротор, а также внешнее кольцо 30 ротора. Геометрия лежащих снаружи барьеров 5 магнитного потока, включая внутренние перегородки 10, совместно с двумя не представленными, располагаемыми с торцевой стороны короткозамкнутыми кольцами образует пусковую короткозамкнутую обмотку. Эти короткозамкнутые кольца могут быть, например, без изменений взяты из пусковой короткозамкнутой обмотки асинхронной машины. Дополнительные меры для образования пусковой короткозамкнутой обмотки, например, зачастую вставляемые металлические стержни, теперь могут не приниматься. Каждая из получающихся за счет расположенных таким образом перегородок 10 двух отдельных областей 20, 30 пластины 1 может заполняться наполнителем. Использование одного и того же наполнителя для барьеров потока обеих областей 20, 30 не требуется. Более того, для целенаправленной оптимизации ходовых качеств ротора рекомендуется использование различных наполнителей. В качестве подходящих для этого материалов пригодны оксиды металлов, алюминий, сплавы на основе алюминия, медь, сплавы на основе меди, пластмасса, керамика, текстиль, древесина и любые смеси из них. В принципе, пригодны все виды парамагнитных или диамагнитных веществ. Оптимально помещать в барьеры 5 потока внешней области 30 алюминий или сплав на основе алюминия. Вследствие хорошей электропроводности могут поэтому имитироваться отдельные проводящие стержни для образования пусковой короткозамкнутой обмотки. Эти барьеры 5 потока внешней области 30 ротора, образующие проводящие стержни, замыкаются накоротко посредством короткозамкнутых колец, расположенных с торцевых сторон на роторе.

Помещение таких наполнителей в барьеры 3, 4 и 5 потока может происходить самым различным образом. Рекомендуется размещать их при отливке. Разумеется, эти наполнители могут также вставляться в виде твердого вещества в выемки 3, 4, 5.

В случае введения наполнителя при отливке осевая сила прикладывается к роторной пластине 1, за счет чего не заполняемая область ротора сдавливается. Наполнитель, заливаемый в барьеры потока заполняемой области ротора, вследствие этого не может проникать в барьеры потока не заполняемой области ротора. Соответствующий выбор наполнителя для внешней области 30 роторной пластины 1 оптимизирует пусковые характеристики синхронного реактивного двигателя. В идеальном случае двигатель может эксплуатироваться без вентильного преобразователя частоты, так как внешняя область 30 работает как своего рода пусковая короткозамкнутая обмотка, принцип действия которой сравним с работой известной пусковой короткозамкнутой обмотки для асинхронной машины трехфазного тока.

Для приложения осевой силы к пакету ротора используют зажимной инструмент, который обладает геометрией, соответствующей проводке перегородок, например, круговой или квадратной пластины, приводимой в контакт с торцевой стороной ротора. Такое геометрическое согласование обеспечивает оптимальную площадь захвата зажимного инструмента для приложения требуемой осевой силы к не заполняемой поверхности ротора. В идеальном случае зажимной инструмент максимально использует всю предназначенную для этого область пластины 1, чтобы избежать концентраций напряжений и, тем самым, деформаций.

Альтернативные варианты выполнения роторной пластины 1 можно видеть на Фиг. 2 и 3. На Фиг. 2 показана квадратная проводка перегородок, за счет чего образуется квадратная внутренняя область 20 ротора. Внешняя область 30 ротора образуется отдельными маленькими круговыми сегментами 31, 32, 33 и 34, которые соединены друг с другом углами квадратной области 20 ротора. Пунктирные линии 4 0 показывают прохождение границы между областями 20, 30 ротора.

На Фиг. 3 показан еще один альтернативный вариант, при котором проводка перегородки образует по существу круговую внутреннюю область 20 ротора, которая на отдельных участках окружности выступает до наружного периметра ротора. Пунктирные линии 4 0 и здесь показывают прохождение границы между областями 20, 30 ротора. Как видно на Фиг. 3, проводка перегородки в пунктах 50, 51, 52 и 53 отклоняется от обычной круговой формы и доходит до наружного периметра роторной пластины 1.

Кроме того, в примерах осуществления, представленных на Фиг. 2 и 3, все барьеры потока посредством каждых двух перегородок поделены на три сегмента барьеров потока.

На Фиг. 4 показана роторная пластина 1, у которой часть внутренних барьеров потока заполнена постоянными магнитами или наполнителем 60 с постоянным магнитом.

На Фиг. 5 показана роторная пластина 1, у которой часть внутренних барьеров потока разделена посредством дополнительных перегородок 61 и за счет этого частично заполнена постоянными магнитами или наполнителем 60 с постоянным магнитом. На Фиг. 6 показана роторная пластина 1, подобная показанной на Фиг. 3, при этом каждый из расположенных по периметру ротора барьеров потока разделен на два. На фиг. 6 проводка перегородки в пунктах 50, 51, 52 и 53 отклоняется от обычной круговой формы и доходит до наружного периметра роторной пластины 1.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к ротору реактивной синхронной машины. Технический результат – улучшение пусковых характеристик. Ротор содержит выполненный цилиндрическим магнитно-мягкий элемент, снабженный выемками для образования барьеров для магнитного потока. Каждый из барьеров для потока проходит по существу дугообразно, симметрично оси q полюсного сегмента ротора, и отделен от других барьеров посредством одной или нескольких перегородок. Прохождение отдельных перегородок образует замкнутую линию, которая делит ротор в радиальном направлении на внутреннюю и внешнюю области ротора. Барьеры для потока внутренней и внешней областей заполнены различными наполнителями. Один или несколько барьеров внутренней области ротора заполнены воздухом или неэлектропроводящим и немагнитопроводящим наполнителем, а один или несколько барьеров внешней области ротора заполнены электропроводящим и немагнитопроводящим наполнителем. С торцевых сторон на роторе расположены одно или несколько короткозамкнутых колец, замыкающих накоротко предпочтительно по меньшей мере два из барьеров для потока внешней области ротора. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ротор для реактивной синхронной машины, содержащий выполненный цилиндрическим магнитно-мягкий элемент, причем этот магнитно-мягкий элемент снабжен выемками для образования барьера для магнитного потока, причем каждый из барьеров для потока проходит по существу дугообразно, симметрично оси q полюсного сегмента ротора, причем все барьеры для потока или часть этих барьеров разделены посредством одной или нескольких перегородок, причем прохождение отдельных перегородок образует замкнутую линию, которая делит ротор в радиальном направлении на внутреннюю и внешнюю области ротора, причем барьеры для потока внутренней и внешней областей заполнены различными наполнителями, причем один или несколько барьеров внутренней области ротора заполнены воздухом или неэлектропроводящим и немагнитопроводящим наполнителем, а один или несколько барьеров для потока внешней области ротора заполнены электропроводящим и немагнитопроводящим наполнителем, причем с торцевых сторон на роторе расположены одно или несколько короткозамкнутых колец, замыкающих накоротко предпочтительно по меньшей мере два из барьеров для потока внешней области ротора.

2. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что сплошные сегменты барьеров для потока проходят без пересечения областей.

3. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что перегородки установлены без ориентации в радиальном направлении или ориентированы в этом направлении лишь частично.

4. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что указанное прохождение перегородок делит ротор на имеющие кольцевую форму внутреннюю и внешнюю области ротора или на внутреннюю и внешнюю области, имеющие форму четырехугольника.

5. Ротор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что внутренняя область на отдельных участках примыкает к периметру ротора.

6. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что он имеет четное число полюсов.

7. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что один или несколько барьеров для потока по меньшей мере частично заполнены парамагнитным или диамагнитным наполнителем.

8. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что наполнитель барьеров для потока внешней области ротора содержит оксид металла или алюминий, или сплав на основе алюминия, или медь, или сплав на основе меди, а наполнитель барьеров для потока внутренней области ротора содержит пластмассу, или керамику, или текстиль, или древесину, или смесь из вышеназванных веществ.

9. Ротор по п. 7 или 8, отличающийся тем, что введение наполнителя в барьеры потока происходит в процессе литья или как закладка твердого вещества.

10. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что барьеры для потока внешней области ротора заполнены алюминием или сплавом на основе алюминия по меньшей мере частично.

11. Реактивная синхронная машина, в частности синхронный реактивный двигатель, содержащая по меньшей мере один ротор по любому из пп. 1-10, причем вентильный преобразователь частоты в этой машине предпочтительно не предусмотрен.