ВЫРАВНИВАНИЕ РОТОРА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИЙ И ШУМОВ
LEVELING ROTOR FOR REDUCING VIBRATIONS AND NOISE

Изобретение касается способа монтажа ротора в статоре электрической машины, при этом ротор установлен по меньшей мере в одном подшипнике качения, который, со своей стороны, закреплен на подшипниковом щите. Кроме того, настоящее изобретение касается монтажной системы для монтажа такого ротора в статоре.
Электродвигатели, в частности синхронно-реактивного принципа действия, при эксплуатации вследствие асимметрий часто страдают от вибраций и шумов. Такие вибрации и шумы, как правило, являются вредными для цели применения, а также для обслуживающего персонала. Поэтому стремятся к снижению таких вибраций и шумов. Но не только электродвигатели, но и при определенных обстоятельствах генераторы страдают асимметриями. Здесь также, в зависимости от случая, стремятся к минимизации соответствующих вибраций и шумов.
Причины этих асимметрий являются, во-первых, следствием неточностей изготовления. Сюда относятся, например, допуски формы и положения листов статора и ротора. Другие неточности могут быть обусловлены конструктивными элементами, такими как корпус, статор, подшипниковый щит, подшипник и ротор электрической машины. При определенных обстоятельствах эти неточности суммируются, когда ротор монтируется в статоре.
При монтаже ротора в статоре чаще всего используются центровки. С их помощью осуществляется радиальная установка ротора относительно статора. При этом оба конструктивных элемента, корпус и подшипниковые щиты, как правило, выполнены с тугими посадками на центрирующих краях. Благодаря этому получается только одно единственное установленное положение ротора относительно статора.
Но асимметрии могут также проистекать из самого материала. Например, магнитные свойства электротехнической листовой стали зависят от направления прокатки. Только вследствие этих минимальных магнитных различий при эксплуатации электрической машины могут возникать значительные силовые асимметрии.
Чистые свойства материала обычно не учитываются при идеальной ориентации оси ротора. Двигатели синхронно-реактивного принципа действия обыкновенно строятся с меньшим воздушным зазором, чем асинхронные двигатели. Это связано с тем, что при меньшем воздушном зазоре имеется лучшее различие между осью d и q, а также может повышаться коэффициент полезного действия. Однако одновременно повышается предрасположенность к вибрациям, которые берут свое начало в электромагнетизме.
Из публикации DE 196 19 997 A1 известно определение дисбаланса ротора на магнитной опоре. Путем смещения постоянной опоры ротора компенсируется дисбаланс. При этом осуществляется смещение в ось инерции, т.е. уравновешивание дисбаланса первого порядка.
Кроме того, в публикации DE 37 42 149 A1 также показано уравновешивание дисбаланса вращающегося тела. При этом приводится конкретный пример, как может осуществляться такое уравновешивание.
Также публикация DE 602 10 482 T2 раскрывает магнитную опору ротора. Там тоже должен уравновешиваться дисбаланс.
Далее, публикация DE 19 41 558 A1 раскрывает способ геометрического выравнивания ротора относительно статора при монтаже. Выравнивание осуществляется здесь статически.
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы при выравнивании ротора в статоре можно было также учитывать асимметричные магнитные силы. Соответственно должен быть предложен способ монтажа ротора или, соответственно, монтажная система для монтажа ротора в статоре.
В соответствии с изобретением эта задача решается с помощью способа по п.1 формулы изобретения, а также монтажной системы по п.8 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования изобретения явствуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с изобретением, следовательно, предлагается способ монтажа ротора в статоре электрической машины, при этом ротор установлен по меньшей мере в одном подшипнике качения, который, со своей стороны, закреплен в подшипниковом щите, путем
- опирания ротора в магнитном выравнивающем устройстве, в то время как подшипниковый щит соединен со статором без крепления;
- осуществления привода ротора с помощью статора;
- обнаружения первых вибраций ротора;
- регулирования выравнивающего устройства таким образом, чтобы эти вибрации снижались, и
- фиксации подшипникового щита на статоре в положении, определенном путем регулирования.
Следовательно, монтируется электрическая машина, у которой ротор при позднейшей эксплуатации установлен в/на статоре с помощью подшипника качения. Сам подшипник качения закреплен на или в подшипниковом щите. Затем в конце монтажа подшипниковый щит должен опосредствованно или непосредственно жестко крепиться на статоре. Однако чтобы найти для этого правильное положение, ротор сначала опирается в магнитном выравнивающем устройстве, и подшипниковый щит при этом еще не закреплен относительно статора. Это означает, что подшипниковый щит, включая подшипник качения и ротор, обладает возможностью, в частности, радиального смещения. Итак, для выравнивания ротор приводится во вращение, причем с помощью статора, который также при эксплуатации действует на ротор с соответствующими силами. То есть при этом устанавливаются реальные силы, которые возникают также во время эксплуатации ротора. Обнаруживаются связанные с этим вибрации (например, в виде сил или отклонений, зависящих от времени) ротора, которые являются результатом придания асимметричных форм или силовых воздействий. Теперь магнитное выравнивающее устройство регулируется так, чтобы эти вибрации снижались. Предпочтительно вибрации путем регулирования даже минимизируются или устраняются. В этом состоянии, когда вибрации снижены, минимизированы или устранены, теперь подшипниковый щит опосредствованно или непосредственно крепится на статоре. При этом получается выравнивание ротора в статоре, при котором вибрации и вместе с тем также шумы снижены. Предпочтительно при этом выравнивании привод ротора осуществляется так же, как осуществляется его привод в предусмотренном нормальном режиме работы, в частности, в отношении частоты вращения.
В одном из предпочтительных усовершенствований обнаруживаются вторые вибрации корпуса электрической машины, которые тоже учитываются при регулировании выравнивающего устройства. То есть в регулирование закладываются не только первые вибрации, которые были обнаружены в отношении ротора, но и вибрации в отношении корпуса. Аналогично этому для регулирования при регулировании могли бы учитываться колебания и других компонентов электрической машины, таких как, например, статор или монтажная опора.
Электрическая машина может быть выполнена так, чтобы подшипниковый щит фиксировался на статоре посредством корпуса электрической машины. То есть электрическая машина однозначно имеет корпус, на котором крепится подшипниковый щит. Корпус, со своей стороны, обычно неподвижно соединен со статором. Благодаря этому подшипниковый щит непрямым образом фиксируется на статоре.
Предпочтительно корпус с торцевой стороны имеет центрирующий участок, который обладает возможностью смещения относительно остального корпуса перпендикулярно оси ротора, и при фиксации подшипникового щита этот центрирующий участок жестко соединяется с остальным корпусом. Таким образом, например, кольцеобразный центрирующий участок может быть расположен с возможностью смещения на торцевой стороне корпуса. Только при фиксации эти два компонента крепятся друг к другу, например, болтами, клеем или другими средствами крепления.
Альтернативно корпус может также с торцевой стороны иметь жестко соединенный с корпусом центрирующий участок, при этом подшипниковый щит обладает возможностью смещения на центрирующем участке перпендикулярно оси ротора, и при фиксации центрирующий участок жестко соединяется с подшипниковым щитом. То есть в этом случае возможностью смещения обладает не центрирующий участок относительно корпуса, а подшипниковый щит относительно центрирующего участка. Это может, например, реализовываться таким образом, что центрирующий участок имеет, в зависимости от случая, ограниченную поверхность, на которой обладает возможностью движения подшипниковый щит.
Конкретно, при регулировании может осуществляться радиальное смещение ротора относительно статора на некоторое значение, которое ограничено заданным максимальным значением. Это имеет место, например, тогда, когда осевое смещение подшипникового щита или центрирующего участка ограничено соответствующими полками на корпусе или, соответственно, на центрирующем участке. Тем самым можно, например, препятствовать тому, чтобы ротор при выравнивании в статоре находил на него. Так, особенно предпочтительно, если ротор обладает меньшей возможностью смещения в радиальном направлении, чем заданный, номинальный воздушный зазор между ротором и статором.
Ограничение возможности смещения в радиальном направлении может реализовываться путем регулирования, а также путем надлежащего аппаратного исполнения компонентов. В частности, компоненты, с помощью которых подшипник качения закреплен на корпусе, могут иметь надлежащие контуры, которые допускают такой максимальный зазор. Благодаря этому даже при отказе регулирования гарантировано, что ротор не придет в соприкосновение со статором.
Соответственно настоящему изобретению для решения вышеназванной задачи предусмотрена также монтажная система для монтажа ротора в статоре электрической машины, при этом ротор установлен по меньшей мере в одном подшипнике качения, который, со своей стороны, закреплен на подшипниковом щите, включающая в себя
- магнитное выравнивающее устройство для опирания ротора;
- устройство управления для осуществления привода ротора с помощью статора;
- сенсорное устройство для обнаружения вибраций ротора в рабочем состоянии, в котором привод ротора осуществляется с помощью статора; и
- регулирующее устройство для регулирования выравнивающего устройства таким образом, чтобы вибрации снижались.
То есть монтажная система, наряду с магнитным выравнивающим устройством, имеет устройство управления, с помощью которого возможно управление электрической машиной для вращения ротора. Предпочтительно с помощью устройства управления возможно создание таких сигналов управления, которые также подаются в электрическую машину в ее номинальном режиме работы. Особенно предпочтительным является устройство регулируемого управления, с помощью которого возможно создание множества сигналов управления для самых разных видов электрических машин. Для точного выравнивания монтажная система имеет сенсорное устройство, с помощью которого возможно обнаружение вибраций ротора приводной электрической машины. Предпочтительно это сенсорное устройство жестко соединено с магнитным выравнивающим устройством. Наконец, монтажная система включает в себя регулирующее устройство для регулирования выравнивающего устройства, при этом сенсорный сигнал сенсорного устройства служит для контура регулирования для снижения вибраций. Таким образом, в примерном контуре регулирования находятся выравнивающее устройство (например, электромагнит), сенсорное устройство (напр., датчик вибраций) и регулирующее устройство (например, регулятор), а также, в зависимости от случая, усилитель мощности.
Предпочтительно выравнивающее устройство имеет первое магнитное подшипниковое устройство и второе магнитное подшипниковое устройство, с помощью каждого из которых возможна установка на радиальную опору одного конца вала ротора. Таким образом, вал ротора может зажиматься между этими двумя магнитными подшипниковыми устройствами. Таким образом возможно радиальное выравнивание ротора электрической машины с помощью одних только магнитных сил.
Кроме того, первое магнитное подшипниковое устройство может также иметь магнитный осевой подшипник. Тем самым может обеспечиваться стабилизация ротора электрической машины, когда он оперт исключительно с помощью этих двух магнитных подшипниковых устройств, также в осевом направлении.
Признаки, приведенные выше в связи с предлагаемым изобретением способом, могут также интерпретироваться как функциональные признаки только что описанной монтажной системы. И наоборот, признаки устройства монтажной системы, если они касаются функций, могут также интерпретироваться как признаки способа.
Теперь настоящее изобретение поясняется подробнее с помощью прилагаемых чертежей, на которых показано:
фиг.1: схема изображения радиального распределения сил в электрической машине, имеющей ротор и статор;
фиг.2: электрическая машина с фиг.1 в состоянии силового равновесия;
фиг.3: один из примеров осуществления предлагаемой изобретением монтажной системы с зажатой электрической машиной; и
фиг.4: принципиальная схема соединений контура регулирования предлагаемой изобретением монтажной системы.
Подробнее изложенные ниже примеры осуществления представляют собой предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. При этом следует учитывать, что отдельные признаки могут реализовываться не только в изложенных комбинациях, но и в других технически целесообразных комбинациях или отдельно.
На фиг.1 схематично показано распределение сил в электрической машине, которая имеет статор 1 и ротор 2. Распределение сил здесь для простоты изображено только в одной плоскости x-y, которая распространяется перпендикулярно оси ротора 2. В принципе, могут также, конечно, возникать силы в направлении z, то есть перпендикулярно плоскости x-y. Однако здесь, в упрощенном варианте осуществления, они не рассматриваются.
Положение ротора 2 определяется по точности изготовления соответственно цепочке допусков. Воздушный зазор может при этом значительно колебаться в зависимости от размера двигателя. Обычно воздушный зазор у машины, имеющей высоту оси 180 мм, может колебаться до 0,25 мм. До сих пор цель заключалась в том, чтобы за счет наиболее высоких возможных точностей изготовления привести положение оси 3 ротора, которое получается из технологических размеров, как можно ближе к идеальной геометрической оси 4 ротора. Это связано с высокими издержками и, в зависимости от совпадения допусков, все еще сопряжено с высокой неточностью. Также невозможен учет всех подвергающихся влиянию геометрий, как, например, дна паза листа статора. Кроме того, не учитываются свойства материала, которые проявляют свое действие в магнитном контуре. Однако именно эти специфические для материала асимметрии сильно сказываются на возбуждении. Тогда получаются, например, равномерно распределенные в окружном направлении три вектора F1, F2, F3 сил, исходящие от геометрической оси 3, с различной величиной. Поэтому целью является в наибольшей возможной степени снизить асимметрии, которые получаются вследствие различных сил, чтобы также снизить результирующие из них колебания.
Для этого в соответствии с фиг.2 при монтаже ротора выравнивание осуществляется не по получающейся технологической оси 3 ротора или идеальной геометрической оси 3 ротора, а (также) по оси 5 ротора, создающей электромагнитное действие. При этом электрический привод электрической машины, например двигателя, во время монтажа ротора осуществляется, например, с помощью устройства управления. Механические подшипники ротора еще не соединены жестко со статором 1. То есть в конкретном примере подшипниковые щиты еще не смонтированы жестко на корпусе. Посредством выравнивающего устройства, в котором ротор электрической машины оперт для монтажа, ротор выравнивается так, что силы, действующие на ротор, в наибольшей возможной степени уничтожают друг друга. Это имеет место, например, тогда, когда, как на фиг.2, равномерно распределенные по окружности векторы F1, F2, F3 сил, которые действуют на ротор 2, имеют равную длину. Тогда при эксплуатации ротора в определенных обстоятельствах выгодно выполнять выравнивание оси ротора 2 соответственно так называемой «оси 5 ротора, создающей электромагнитное действие». При таком выравнивании для предопределенного режима работы получаются симметрия сил и вместе с тем наиболее полное возможное снижение колебаний.
Фиг.3 воспроизводит примерную монтажную систему, в которой зажата электрическая машина, например двигатель 6. Монтажная система имеет здесь два магнитных подшипниковых устройства 7 и 8, между которыми оперт вал 9 ротора 2.
В выбранном примере электрическая машина или, соответственно, двигатель 6 имеет корпус 10, который жестко соединен со статором 1. С торцевой стороны корпус 10 на обеих сторонах имеет по центрирующему участку 11, который выполнен кольцеобразно. Центрирующий участок 11 имеет полку 12, которой он может центрированно соединяться с остальным корпусом, здесь участком корпуса в виде боковой поверхности цилиндра. На каждом центрирующем участке 11 крепится по одному подшипниковому щиту 13, например, посредством болтов. На каждом подшипниковом щите, в свою очередь, закреплен подшипник 14, который опирает вал 9.
Перед монтажом по одному из вариантов осуществления, например, подшипниковый щит 13 не соединен жестко с центрирующим участком 11. Это значит, что ротор 2 не соединен жестко со статором 1. Более того, имеется возможность регулирования воздушного зазора 15.
В примере фиг.3 монтажная система имеет два магнитных подшипниковых устройства 7 и 8. Но в одном из упрощенных вариантов осуществления монтажная система могла бы также иметь только одно магнитное подшипниковое устройство, и электрическая машина для монтажа сначала выравнивается с одной стороны, затем переворачивается и выравнивается с другой стороны.
Магнитное подшипниковое устройство 7, изображенное в примере фиг.3 слева, имеет ротор 16, который служит креплением для вала 9 ротора электрической машины или, соответственно, двигателя 6. Например, для этого осевая сила F действует со стороны ротора 16 на вал 9. Для этого пригоден осевой магнитный подшипник 17, один диск которого закреплен непосредственно на роторе 16. Электромагнит осевого подшипника 17 может, например, прижимать диск в направлении z к торцевой стороне вала 9.
Магнитное подшипниковое устройство 7 имеет, кроме того, магнитный радиальный подшипник 18, с помощью которого ротор 16 опирается радиально. Управление радиальным магнитным подшипником 18 осуществляется, например, с помощью устройства управления так, чтобы ротор 16 вместе с валом 9 был оперт плавающим образом также во время эксплуатации электрической машины, т.е. во время вращения ротора 2. При этом сенсор 19 магнитного подшипникового устройства 7 может регистрировать вибрации ротора 16 магнитного подшипникового устройства 7 и вместе с тем ротора 2 электрической машины.
Аналогичным образом сконструировано магнитное подшипниковое устройство 8 на правой стороне монтажной системы. Оно имеет ротор 20, который оперт в магнитном радиальном подшипнике 21. Регулируемый осевой подшипник здесь отсутствует. В направлении z, т.е. в осевом направлении, ротор зафиксирован по оси с помощью соответствующей опоры 22. Кроме того, второе магнитное подшипниковое устройство 8 тоже имеет сенсор 23 для регистрации вибраций ротора 20.
Оба магнитных подшипниковых устройства 7 и 8, например, с помощью держателя 24, зафиксированы относительно друг друга. Этот держатель 24 может также служить для фиксации оси z, что указывают стрелки 24. Кроме того, может быть предусмотрен упор 26 для осевого позиционирования корпуса 10 электрической машины, если он недостаточно оперт на держатель 24.
Чтобы воспринимать вибрации не только вала 9 ротора 2, но и, например, вибрации корпуса 10, на электрической машине могут быть предусмотрены другие сенсоры вибраций. Например, один или несколько сенсоров 27 вибраций располагаются на корпусе 10 для непосредственно регистрации предположительных вибраций корпуса 10.
Итак, перед выравниванием ротора 2 в статоре 1 ротор 2 еще не соединен жестко со статором 1. Например, подшипниковый щит 13 еще не зафиксирован на центровке 11, и/или центровка 11 еще не зафиксирована на остальном корпусе. В этом состоянии ротор 2 оперт только с помощью выравнивающего устройства (здесь двух магнитных подшипниковых устройств 7 и 8). Теперь осуществляется электрический привод ротора только для монтажа, причем предпочтительно так, как осуществляется его привод при позднейшем нормальном режиме работы. Так может обеспечиваться возникновение наименьших возможных вибраций во время нормального режима работы. То есть управление электрической машиной осуществляется с определенной частотой или с определенной формой сигнала. На двух подшипниковых узлах 7 и 8 двигателя регистрируются предпочтительно только радиально направленные, различной величины силы, в зависимости от случая, во всех направлениях (360 градусов). С помощью выравнивающего устройства (здесь магнитные подшипниковые устройства 7 и 8) ротор смещается в зависимости от измеренных сил в направлении x и y, пока действующие силы во всех направлениях не будут практически равны. В одном из особых вариантов осуществления вибрации могут обнаруживаться прямым или непрямым образом путем измерения сил.
Итак, чтобы обеспечить возможность смещения оси ротора, нет необходимости предусматривать центровки на подшипниковом щите, или центровки на подшипниковом щите выполняются со степенью свободы в направлении x и y. Как в примере фиг.3, центрирующий участок 11 может представлять собой плоскую поверхность напротив подшипникового щита 13, по которой может смещаться подшипниковый щит 13. Центрирующий участок 11 здесь центрирован только относительно остального корпуса. Однако возможность смещения может предусматриваться как на центровке на подшипниковом щите относительно корпуса, так и в отдельном ступичном конструктивном элементе (на фиг.3 центрирующий участок 11) на подшипниковом щите 13.
Предпочтительно величина степени свободы для смещения оси ротора устанавливается в зависимости от желаемого воздушного зазора. Так, максимально допустимое радиальное смещение может соответствовать разности между размером воздушного зазора минус 0,2 мм. Но оптимальным образом также степень свободы смещения в центрирующем крае (сравни полку 12) также меньше, чем воздушный зазор выравнивающего узла (магнитное подшипниковое устройство). При этом ротор может приводиться во вращение без осуществления соприкосновения в выравнивающем узле.
s
Для выравнивания выравнивающее устройство регулируется с помощью регулирующего устройства. Соответствующий контур регулирования символически изображен на фиг.4. Выравнивающее устройство имеет электромагнит 28, который воздействует на ротор 2. Соответственно изменяется, например, положение x ротора 2, что на фиг.4 обозначено расстоянием x. Электромагнит 28 является, например, частью магнитного радиального подшипника 18. Сенсор 19 вибраций или, альтернативно, сенсор для измерения силы воспринимает вибрации или силы ротора 2 и предоставляет соответствующий сигнал измерения регулятору 29. Регулятор предоставляет соответствующую регулирующую величину, например, через усилитель 30 мощности, электромагниту 28. С помощью такой обратной связи возможно выравнивание ротора таким образом, что вибрации и шумы могут снижаться и, в зависимости от случая, даже устраняться. Чтобы учитывать в системе свойства самого корпуса, в контур регулирования могут дополнительно включаться датчики 27 вибраций на корпусе 10. Таким образом могла бы обеспечиваться возможность выравнивания ротора 2 с высшей точностью.
В конце процесса выравнивания, то есть когда было установлено (идеальное) электромагнитное положение ротора, подшипниковые щиты 13 и/или центрирующие участки 11 могут фиксироваться на корпусе 10 или, соответственно, статоре 1. При этом ротор 2 находится в жестком по месту положении относительно статора 1. Так в предусмотренном нормальном режиме работы будут снижены вибрации и шумы электрической машины.
Предпочтительным образом так может предусматриваться меньший воздушный зазор между ротором и статором, благодаря чему повышается эффективность. Кроме того, двигатели, в частности, с относительно чувствительным реактивным принципом действия, могут изготавливаться с пониженной шумностью.