Бесконтактная торцовая синхронная машина Советский патент 1992 года по МПК H02K19/24 

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к бесконтактным торцовым синхронным машинам перемен- нополюсного типа, и может быть использовано как в системах электропитания, например, в высокоскоростных автономных источниках питания средней мощности, так и в системах электропривода.

При разработке указанных машин одной из основных задач является обеспечение надежности их работы при больших величинах окружной скорости ротора (более 200 + 300 м/с). Снижение массогабаритных показателей вращающихся частей машин является одним из путей снижения механических нагрузок на опоры и улучшения их условий работы.

Кроме того, одним из основныхтребова- ний, предъявляемых к электрическим машинам, является обеспечение высоких

массоэнергетических показателей. К таким машинам относятся бесконтактные торцовые синхронные машины с неподвижным источником потока возбуждения, в которых в связи с малой длиной магнитной линии потока возбуждения по сравнению с другими бесконтактными машинами (например, с внешнезамкнутым магнитным потоком) существенно уменьшается масса и габариты. Торцовые синхронные машины выполняются с относительно большим диаметром статора и малой аксиальной длиной, что позволяет повысить использование машины.

Известны бесконтактные торцовые синхронные машины переменнополюсного типа, содержащие пакет статора с обмоткой, ротор с двумя первой и второй системами полюсов противоположной полярности, расположенными между наружным и внутренним сердечниками, причем полюсы одной системы размещены между полюсами другой, а полюсы первой системы образуют радиальный зазор с наружной поверхностью внутреннего сердечника, к которой примыкают полюсы второй системы, индуктор с неподвижным кольцевым источником потока возбуждения, наружным и внутренним магнитопроводами и ярмом.

В известной машине подшипниковые опоры работают в неблагоприятных условиях из-за наличия осевой силы магнитного, притяжения. Величина этих усилий может быть уменьшена путем соответствующего выбора формы и размеров сечений добавочных воздушных зазоров, в которых возникают осевые усилия, направленные встречно соответствующим силам в рабочих зазорах. Однако при этом размеры вращающихся частей практически не меняются, поэтому для уменьшения нагрузок на подшипниковые опоры необходимо уменьшать размеры ротора, а так как мощность торцовой машины определяется радиальными размерами статора (следовательно, ротора), то необходимо стремиться к уменьшению аксиальных размеров вращающихся частей ротора.

Однако в известных конструкциях это ограничивается допустимой величиной магнитной индукции в полюсах и сердечниках ротора.

Целью изобретения является повышение быстродействия и надежности путем снижения массы ротора машины.

Поставленная цель достигается тем, что в бесконтактной торцовой синхронной машине переменнополюсного типа, содержащей пакет статора с обмоткой, ротор с двумя первой и второй системами полюсов противоположной полярности, расположенными между наружным и внутренним сердечниками, причем полюсы одной системы размещены полюсами другой, а полюсы первой системы образуют радиальный зазор с наружной поверхностью внутреннего сердечника, к которой примыкают полюсы второй системы, индуктор с неподвижным кольцевым источником потока возбуждения, наружным и внутренним магнитопроводами и ярмом, ротор выполнен с дополнительным сердечником, на котором размещены полюсы первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружного

сердечника, а полюсы второй системы выполнены примыкающими к указанной поверхности, в индуктор введен дополнительный кольцевой элемент, образующий аксиальный зазор с торцовой поверхностью

дополнительного сердечника ротора.

Кроме того, неподвижный кольцевой -источник потока возбуждения выполнен в виде двух коаксиальных катушек, разделенных упомянутым кольцевым элементом,

который выполнен из магнитомягкого материала.

Кроме того, дополнительный кольцевой элемент индуктора выполнен из магнито- твердого материала и намагничен ваксиальном направлении.

Кроме того, индуктор снабжен кольцевым постоянным магнитом, намагниченным в аксиальном направлении и установленным с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительного сердечника ротора.

Дальнейшее снижение массы ротора в предлагаемой конструкции за счет уменьшения магнитного потока, проходящего по

частям полюсных систем ротора, возможно путем увеличения числа параллельных ветвей в магнитной цепи машины.

Для этого индуктор снабжен п дополнительными кольцевыми элементами, каждый из которых установлен с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы, ротора и соответственно п катушек возбуждения, где

0 п - целое четное число, причем смежные катушки возбуждения включены встречно.

Кроме того, индуктор снабжен п дополнительными кольцевыми элементами, каж- 5 дый из которых установлен с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы ротора, где п - целое четное число, при этом смежные до- полнительные кольцевые элементы индуктора намагничены встречно друг относительно друга.

Введение в ротор дополнительного сердечника, на котором размещены полюсы первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружного сердечника, а выполнение полюсов второй системы примыкающими к указанной поверхности, а также введение в индуктор дополнительного кольцевого элемента, образующего аксиальный зёзор с торцовой поверхностью дополнительного сердечника ротора, позволяет выполнить в предлагаемой машине разветвленную магнитную цепь для потока возбуждения, при этом через наружный и внутренний сердечники и полюса второй полюсной системы проходит не полный поток как в прототипе, а только часть (почти половина) магнитного потока полюсов первой магнитной системы. .Это позволяет уменьшить сечения наружного и внутреннего сердечников и полюсов второй полюсной системы ротора почти в два раза за счет уменьшения их аксиальных длин (при неизменных радиальных размерах), а также уменьшить сечение астей магнитопровода, по которым проходит поток возбуждения.

Таким образом, масса вращающихся частей ротор машины уменьшается.

Уменьшение массы ротора улучшает условия работы подшипниковых опор, а уменьшение аксиальной длины диска ротора приводит к снижению потерь от трения поверхности ротора об окружающую среду, которые в высокоскоростных машинах составляет значительную величину, что улучшает энергетический показатель машины.

Снижение массы ротора приводит к уменьшению его момента инерции, а следовательно, к повышению быстродействия, т.е. улучшению пусковых характеристик машины. Создание параллельной магнитной цепи для потока возбуждения приводит к уменьшению внешнего магнитного поля, охватывающего машину, по сравнению с прототипом.

Кроме того, выполнение дополнительного кольцевого элемента индуктора из маг- нитотвердого материала, например, из редкоземельного (железо-неодим-бор), являющегося неподвижным источником потока возбуждения, уменьшает массу машины, увеличивает ее КПД и надежность.

Кроме того, введение в индуктор кольцевого постоянного магнита, намагниченного в аксиальном направлении и установленного с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительного сердечника ротора, обеспечивает самовозбуждение, повышение КПД и надежности машины.

Кроме того, дальнейшее снижение массы ротора в предлагаемой конструкции за 5 счет уменьшения магнитного потока, проходящего по частям полюсных систем ротора, возможно путем увеличения числа параллельных ветвей в магнитной цепи для потока возбуждения. Таким образом,

0 предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение быстродействия и надежности путем снижения массы ротора, а также позволяет улучшить энергетические и электромагнитные характеристики маши5 ны.

На фиг.1 изображена машина электромагнитного возбуждения, продольный разрез; на фиг.2 - вид на полюсные системы со стороны статора для числа полюсов 2р 6;

0 на фиг.З - предлагаемая машина с постоянным магнитом, продольный разрез; на фиг.4 - предлагаемая машина со смешанным возбуждением, продольный разрез; на фиг.5 - машина электромагнитного возбуж5 дения с несколькими дополнительными кольцевыми элементами индуктора, продольный разрез; на фиг.6 - машина с возбуждением от трех постоянных магнитов, продольный разрез,

0 Бесконтактная торцовая синхронная машина (фиг.1 и 2) содержит пакет статора

Iс обмоткой 2, ротор с двумя (первой и второй) системами полюсов противоположной полярности, причем первая система по5 люсов состоит из дополнительного сердечника 3 с торцовой поверхностью 4, на котором размещены полюсы 5, а вторая система полюсов содержит наружный сердечник 6 с внутренней поверхностью 7 и

0 полюсами 8 и внутренний сердечник 9 с наружной поверхностью ТО и полюсами 11, индуктор, состоящий из наружного 12 и внутреннего 13 магнитопроводов, ярма 14 и дополнительного кольцевого элемента 15,

5 разделяющего две коаксиальные катушки возбуждения 16 и 17, подшипниковый щит 18, подшипники 19 и 20 на вапу 21, основной воздушный зазор 22 между полюсами.5, 8,

I1и торцовой поверхностью пакета статора 0 1, добавочные воздушные зазоры: радиальный 23 - между наружной цилиндрической поверхностью наружного сердечника 6 и внутренней цилиндрической поверхностью наружного магнитопровода 12 и аксиаль5 ные - 24 - между торцовой поверхностью 4 дополнительного сердечника 3 ротора и торцовой поверхностью дополнительного кольцевого элемента 15 и - между торцовыми поверхностями внутреннего сердечника 9 и внутреннего магнитопровода 13.

Полюсные системы ротора, магнито- проводы 12 и 13, ярмо 14 и дополнительный кольцевой элемент 15 индуктора выполнены из магнитомягкой стали, подшипниковый щит 18 - из немагнитного материала (например, немагнитной стали, титана и

ДР.).

Полюсы 8 и 11 второй полюсной системы ротора имеют одну полярность (на фиг. 1 и 2 северную) и чередуются с полюсами 5 первой полюсной системы, имеющими противоположную полярность (на фиг. 1 и 2 южную). Суммарная активная длина полюсов 8 и 11 равна длине полюса 5, длина которого равна активной длине пакета статора 1, при этом полюсы 8 и 11 могут быть различной длины (на фиг.1 и 2 активная длина полюсов 8 и 11 равна половине длины статора). Первая и вторая полюсные системы ротора могут соединиться между собой, например, путем заливки промежутков между ними немагнитными сплавом или с помощью сварки.

Для обеспечения работы машины в двигательном режиме может быть предусмотрена в роторе беличья клетка (на фиг.1 и 2 не показана). Внутренний магнитопровод 13 может быть как неподвижным и являющимся частью ярма 14, так и вращающимся, выполненным за одно целое с внутренним сердечником 9, образующим дополнительный радиальный зазор с магнитопроводом. индуктора (на фиг.1 не отражено).

Неподвижные кольцевые коаксиальные катушки возбуждения 16 и 17 обеспечивают магнитные потоки, направленные согласно в дополнительном кольцевом элементе 15. Направление магнитных потоков, создаваемых катушками возбуждения 16 и 17, определяет пути замыкания магнитных потоков и полярность полюсов соответствующих систем ротора.

Пакет статора 1 и с обмоткой 2 крепится на подшипниковом щите 18, который в свою очередь крепится к индуктору. Бесконтактная торцовая синхронная машина, изображенная на фиг.З, отличается от машины, изображенной на фиг.1, выполнением индуктора, в котором неподвижным источником возбуждения является дополнительный кольцевой элемент 15, который выполнен из магнитотвердого, например редкоземельного материала (железо-неодим-бор), и намагничен в аксиальном направлении. Бесконтактная торцовая синхронная машина, изображенная на фиг.4, отличается от машины фиг.1 тем, что в индуктор дополнительно введен кольцевой постоянный магнит 26, намагниченный аксиально и примыкающий к дополнительному кольцевому элементу 15, которые образуют добавочный аксиальный воздушный зазор 24 с торцовой поверхностью 4 дополнительного сердечника 3 ротора.

Постоянный магнит 26 обеспечивает

магнитный поток, направленный согласно с магнитным потоком, проходящим в дополнительном кольцевом элементе 15, обеспечиваемым катушками возбуждения 16 и 17.

0 На фиг.5 и 6 представлены варианты выполнения предлагаемой машины с электромагнитным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов, в которых индуктор содержит три дополнительных

5 кольцевых элемента (аналогичных дополнительному кольцевому элементу 15 фиг.1), каждый из которых образует аксиальный зазор с торцовой поверхностью каждого дополнительного введенного сердечника

0 (аналогичного дополнительному сердечнику 3 фиг.1), соответствующей полюсной систе- мы ротора.

Количество дополнительных сердечников ротора должно соответствовать количе5 ству дополнительных кольцевых элементов индуктора.

Таким образом, первая система 1 полюсов (фиг.5 и 6) содержит два дополнительных сердечника с полюсами одинаковой

0 полярности с общей активной длиной полюсов, равной активной длине пакета статора при длине одного полюса, равной половине активной длины пакета статора.

Между полюсами первой полюсной си5 стемы 1 расположены полюса одинаковой полярности второй полюсной системы II ротора, причем полярность полюсов второй полюсной системы II противоположна полярности полюсов первой полюсной систе0 мы I ротора.

Вторая полюсная система И состоит из дополнительного сердечника, на котором расположены полюсы с активной длиной, равной половине активной длины пакета

5 статора, и наружного и внутреннего сердечников с расположенными на них полюсами, общая длина которых равна половине активной длины пакета статора. Таким образом, общая длина полюсов второй

0 полюсной системы II равна Длине полюсов первой полюсной системы I, равной активной длине пакета статора.

Машина работает следующим образом. При выполнении машины по фиг.1 маг5 нитный поток, создаваемый двумя кольцевыми катушками возбуждения 16 и 17, проходит аксиально по дополнительному кольцевому элементу 15 индуктора и разветвляется на две параллельные ветви. Одна часть общего потока возбуждения проходит

по части ярма 14, наружному магнитопрово- ду 12, радиальному добавочному воздушному зазору 23, наружному сердечнику 6, полюсам 8 одной полярности второй полюсной системы ротора, основному воздушному зазору 22, пакету статора 1 и основному воздушному зазору 22. Другая часть общего потока возбуждения проходит по другой части ярма 14, внутреннему маг- нитопроводу 13, добавочному аксиальному воздушному зазору 25, внутреннему сердечнику 9, полюсам 11 одинаковой полярности с полярностью полюсов 8 второй полюсной системы, основному воздушному зазору 22, пакету статора 1 и основному воздушному зазору 22. Оба эти потока замыкаются через полюсы 5 и дополнительный сердечник 3 первой полюсной системы ротора, при этом полярность полюсов 5 противоположна полярности полюсов 8 и 11 второй полюсной системы ротора, и аксиальный добавочный воздушный зазор 24 по добавочному коль: цевому элементу 15 индуктора.

При выполнении машины по фиг.З магнитный поток, создаваемый дополнительным кольцевым элементом 15 индуктора, изготовленным из магнитотвердого матери- лаа и являющимся источником потока возбуждения, проходит по участкам магнитной цепи аналогично фиг.1.

При выполнении машины по фиг.4 магнитный поток создается как постоянным магнитом 26, так и катушкам возбуждения 16 и 17.

Распределение магнитных потоков аналогично фиг.1.

Таким образом, на роторе образуется переменнополюсная система полюсов, а магнитные потоки, создаваемые источником (источниками) возбуждения, создают суммарную ЭДС в обмотке 2 пакета статора при работе машины генератором.

Работы машины в двигательном режиме аналогична работе известных бесконтактных синхронных двигателей переменополюсного типа. У машины мощностью 30 кВа масса ротора примерно в 1,5 раза меньше по сравнению с массой ротора машины той же мощности известной конструкции, а уменьшение аксиальных размеров позволяет снизить потери трения ротора об окружающую среду примерно в 1,4 раза при той же частоте вращения ротора.

Кроме того, предлагаемая конструкция обеспечивает возможность использования неподвижных постоянных магнитов в качестве источника потока возбуждения, что позволяет дополнительно уменьшить массу

машины в целом и улучшить ее энергетические характеристики.

У машины мощностью 30 кВа с возбуждением от постоянных магнитов (железо-не- 5 одим-бор) масса машины уменьшается на 40%, а КПД увеличивается на 4%.

Формула изобретения

1.Бесконтактная торцовая синхронная машина переменнополюсного типа, содер0 жащая пакет статора с обмоткой, ротор с первой и второй системами полюсов противоположной полярности, расположенными между наружными и внутренним сердечниками, причем полюсы одной системы разме5 щены между полюсами другой, а полюсы первой системы образуют радиальный, зазор с наружной поверхностью внутреннего сердечника, к которой примыкают полюсы второй системы, индуктор с неподвижным

0 кольцевым источником потока возбуждения, наружным и внутренним магнитопро- водами и ярмом, отличающаяся тем, что. с целью повышения быстродействия и надежности путем снижения массы ротора

5 машины, ротор снабжен дополнительным сердечником, на котором размещены полюсы первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружного сердечника, по0 люсы второй системы примыкают к указанной поверхности, а в индуктор введен дополнительный кольцевой элемент, образующий аксиальный зазор с торцовой поверхностью дополнительного сердечника

5 ротора.

2.Машина по п.1,отличающаяся тем, что неподвижный кольцевой источник потока возбуждения выполнен в виде двух коаксиальных катушек, разделенных упомя0 нутыми кольцевым элементом, который выполнен из магнитомягкого материала.

3.Машина по п.1,отличающаяся тем, что дополнительный кольцевой элемент индуктора, выполнен из магнитотвер5 дого материала и намагничен в аксиальном направлении.

4.Машина по п.2. отличающаяся тем, что индуктор снабжен кольцевым постоянным магнитом, намагниченным в акси0 альном направлении и установленным с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительного сердечника ротора.

5.Машина по п.2, отличающаяся тем, что индуктор снабжен п дополнитель5 ными кольцевыми элементами, каждый из которых установлен с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы ротора, и соответственно, п катушками возбуждения, где п.- целое

четное число, причем смежные катушки возбуждения включены встречно.

6. Машина по п.З, отличающаяся тем, что индуктор снабжен п дополнительными кольцевыми элементами, каждый из которых установлен с аксиальным зазором

с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы ротора, где п - целое четное число, при этом смежные дополнительные кольцевые элементы индуктора намагничены встречно друг относительно друга.

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к бесконтактным торцовым синхронным машинам перемен- нололюсного типа электрбмагнитного возбуждения или с возбуждением от постоянных магнитов, предназначенных для использования в системах электропитания, например, в высокоскоростных автономных источниках питания средней мощности, и в системах электропривода. Целью изобретения является повышение быстродействия и надежности путем снижения массы ротора машины. В устройстве ротор выполнен с дополнительным сердечником 3, на котором размещены полюсы 5 первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью 7 наружного сердечника 6. Полюсы 8 второй системы примыкают к указанной поверхности. В индукторе размещен дополнительный кольцевой элемент 15, образующий аксиальный зазор 24 с торцовой поверхностью 4 дополнительного сердечника 3 ротора. Неподвижный кольцевой источник потока возбуждения может быть выполнен в виде двух коаксиальных катушек 16 и 17, разделенных дополнительным кольцевым элементом 15, который выполнен из магнитомягкого материала. Дополнительный кольцевой элемент 15 индуктора может быть выполнен из магнитотвердого материала и намагничен в аксиальном направлении. Индуктор может быть выполнен с кольцевым постоянным магнитом, намагниченным в аксиальном направлении, Магнит 25 установлен с аксиальным зазором 24 с торцовой поверхностью дополнительного сердечника 3 ротора. Изобретение дает возможность уменьшить массу ротора, улучшить энергетические и электромагнитные характеристики и повысить надежность машины. 5 з.п. ф-лы, 6 ил, (Л С vi ю о ю VJ

61534

III ц

//.

Фиг.1

00

Оз

г- см

о

CN

г00

Ј J 4 /4

1916

24

cpueJ

(pU2.6