СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ВОЗГОРАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ НА РОТОРЕ КОЛЛЕКТОРНОГО ТИПА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF PROTECTION AGAINST INFLAMMATION OF ELECTRICAL MACHINE WITH PERMANENT MAGNETS ON ROTOR OF COLLECTOR TYPE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.
Аналогом является, например, электрическая машина с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа (Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами / М.: Энергоатомиздат, 1985, рис. 2.2, с. 19; рис. 5.6, с. 137), содержащая статор с обмоткой и ротор коллекторного типа с постоянными магнитами, установленными на немагнитную втулку, намагниченными в тангенциальном направлении и расположенными так, чтобы полярность смежных постоянных магнитов была одинакова, а между постоянными магнитами размещены полюсы из магнитной стали.
Наиболее близок к предлагаемому способу защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе способ, приведенный в статье Калмыков А.Н., Михайлов В.М., Сеньков А.П. «Способ снижения токов коротких замыканий в обмотке статора электродвигателей с постоянными магнитами на роторе», опубликованный в журнале Морской вестник. Специальный выпуск. 2013, №2(11), с. 51-53. В статье указано, что в судовых гребных установках с электродвигателем с постоянными магнитами на роторе при возникновении межвиткового замыкания в обмотке статора может произойти возгорание электродвигателя, так как при движении судна по инерции под действием набегающего на винт потока воды ротор электродвигателя будет продолжать вращаться и машина перейдет в генераторный режим. Поскольку магнитное поле в зазоре между ротором и статором, созданное постоянными магнитами на роторе, сохраняется, в витках обмотки статора будет индуцироваться электродвижущая сила, в части обмотки статора замкнутой межвитковым замыканием появится ток, обмотка будет нагреваться и может возникнуть возгорание электродвигателя. Подобная опасная ситуация может возникнуть и в турбогенераторе с постоянными магнитами на роторе. При межвитковом замыкании в обмотке статор генератора будет отключен коммутационно-защитными аппаратами от внешних электрических цепей, но ротор генератора вместе с турбиной будет продолжать вращаться по инерции. Из-за высокой частоты вращающиеся части турбогенератора обладают большой кинетической энергией, поэтому вращение роторов турбины и генератора может продолжаться длительное время. Магнитное поле ротора будет создавать электродвижущую силу в витках обмотки статора генератора, в части обмотки статора, охваченной межвитковым замыканием, появится ток, обмотка будет нагреваться, и может возникнуть возгорание генератора.
Для защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе при межвитковом замыкании в обмотке статора в прототипе предложен способ, при котором ротор в осевом направлении разделен на две втулки, одна из этих втулок - неподвижная, закреплена на валу двигателя, а вторая втулка - поворотная, установлена на валу на подшипниках. При нормальном функционировании электрической машины поворотная втулка ротора должна быть зафиксирована стопорным устройством относительно неподвижной втулки таким образом, чтобы полярность полюсов поворотной втулки и неподвижной втулки в осевом направлении совпадали. При возникновении межвиткового замыкания в обмотке статора стопорное устройство должно освободить поворотную втулку ротора, которая под действием сил магнитного взаимодействия полюсов поворотной втулки и неподвижной втулки ротора развернется в аварийное положение так, что на одной оси на неподвижной втулке и поворотной втулке ротора будут располагаться полюсы разной полярности. Тогда суммарный магнитный поток, связанный с каждым витком статора, будет равен нулю, так как с витком обмотки статора будет связан магнитный поток полюсов неподвижной втулки и магнитный поток полюсов поворотной втулки, равные по абсолютной величине, но разной полярности. Вследствие этого электродвижущая сила и ток короткого замыкания в замкнутой части обмотки статора уменьшится и уменьшится опасность возгорания электрической машины.
Недостатком прототипа является то, что при возникновении межвиткового замыкания в обмотке статора и вращении ротора по инерции или под действием внешнего момента электродвижущая сила и ток короткого замыкания в замкнутой части обмотки будут равны нулю только в том случае, если межвитковым замыканием замкнуто целое число витков обмотки статора. В этом случае каждый виток будет охватывать два примерно равных магнитных потока, но разных по направлению. Но если в замкнутой части обмотки будет не целое число витков, то электродвижущая сила в замкнутой части обмотки не будет равна нулю, и ток короткого замыкания в замкнутой части обмотки появится, что может привести к возгоранию. Причиной этого является то, что после перехода поворотной втулки ротора в аварийное положение, индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором под полюсами и неподвижной, и поворотной втулки не равна нулю. Еще одним недостатком является относительно большое время перехода электрической машины из положения нормального функционирования в аварийное положение, то есть большое время поворота поворотной втулки относительно неподвижной втулки и вала. Поскольку полюсы неподвижной и поворотной втулки взаимодействуют своими торцевыми частями, магнитный поток через которые мал, поэтому силы магнитного взаимодействия полюсов неподвижной и поворотной втулки ротора невелики.
Предлагаемое изобретение предлагает способ и устройство защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа, которые устраняют опасность возгорания машины при межвитковом замыкании любой части обмотки статора и позволяют уменьшить время перехода машины из положения нормального функционирования в аварийное положение.
Это достигается тем, что в электрической машине, содержащей статор с обмоткой и ротор коллекторного типа с постоянными магнитами, установленными на немагнитную втулку, намагниченными в тангенциальном направлении и расположенными так, чтобы полярность смежных постоянных магнитов была одинакова, а между постоянными магнитами размещены полюсы из магнитной стали, ротор разделяют в радиальном направлении на две части - внутреннюю часть и внешнюю часть. Внутреннюю часть ротора, имеющую постоянные магниты и полюсы, неподвижно соединяют с немагнитной втулкой, закрепленной на валу двигателя. Внешнюю часть ротора, также имеющую постоянные магниты и полюсы, соединенные по торцам немагнитными кольцами, выполняют в виде полого цилиндра и устанавливают поверх внутренней части на подшипниках. При нормальной работе машины внешнюю часть ротора разворачивают и фиксируют таким образом, чтобы полярность полюсов, расположенных на одном радиусе ротора, на внешней и внутренней частях ротора совпадала. В этом положении внешней части ротора индукция магнитного поля в зазоре машины между ротором и статором и электродвижущая сила в обмотке статора при вращении ротора максимальны. При возникновении межвиткового замыкания внешнюю часть ротора освобождают от фиксации, и тангенциальные силы взаимодействия полюсов внутренней и внешней части ротора заставят внешнюю часть ротора развернуться в такое положение, при котором полярность полюсов, расположенных на одном радиусе ротора, на внешней и внутренней частях ротора будет противоположной. В этом положении внешней части ротора индукция в зазоре машины между ротором и статором будет равна нулю, значит, и электродвижущая сила в обмотке статора при вращении ротора будет отсутствовать, и возгорания машины из-за межвиткового замыкания не произойдет.
Для уменьшения времени перехода электрической машины, содержащей статор с обмоткой и ротор коллекторного типа с постоянными магнитами, из положения нормального функционирования в аварийное внешнюю часть ротора при нормальной работе машины устанавливают относительно внутренней части ротора таким образом, чтобы между осями симметрии одноименных полюсов внешней части и внутренней части ротора был угол, не превышающий половины полюсного деления ротора. При наличии в нормальном положении ротора машины углового смещения между осями симметрии одноименных полюсов внешней части и внутренней части ротора тангенциальные силы взаимодействия полюсов внутренней и внешней части ротора будут больше и внешняя втулка ротора развернется в аварийное положение быстрее. Время перехода электрической машины из нормального положения в аварийное будет сокращено. Устанавливать поворотную втулку ротора при нормальной работе машины с угловым смещением между осями симметрии одноименных полюсов внешней части и внутренней части ротора более половины полюсного деления ротора нецелесообразно, так как при этом индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором будет существенно меньше, чем при отсутствии углового смещения, и момент двигателя также уменьшится.
Таким образом, предлагаемый способ устраняет возможность возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа при возникновении межвиткового замыкания в обмотке статора.
Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства защиты от возгорания, содержащего статор с обмоткой и ротор с постоянными магнитами, установленными на немагнитную втулку, намагниченными в тангенциальном направлении и расположенными так, чтобы полярность смежных постоянных магнитов была одинакова, а между постоянными магнитами размещены полюсы из магнитной стали. Ротор разделен в радиальном направлении на две части, на внутреннюю часть ротора, полюсы которой неподвижно соединены с немагнитной втулкой, закрепленной на валу двигателя, и внешнюю часть ротора, полюсы которой соединены по торцам немагнитными кольцами. Внешняя часть выполнена в виде полого цилиндра и установлена поверх внутренней части на подшипниках, закрепленных на немагнитной втулке, на которой со стороны одного из торцов установлен диск. Во внутреннем отверстии диска выполнены шлицы, входящие в соединение со шлицами, выполненными на наружной поверхности немагнитной втулки ротора. Со стороны того же торца на немагнитной втулке ротора закреплено упорное кольцо, и между упорным кольцом и диском размещена пружина, которая одним торцом упирается в упорное кольцо, а другим торцом - в упорный диск, прижимая диск к выступу на немагнитной втулке ротора. На наружной поверхности диска выполнен зубчатый венец, который входит в зацепление с зубчатым венцом, выполненным на немагнитном кольце внешней части ротора, и на подшипниковом щите машины со стороны расположения диска закреплен кольцевой электромагнит, а на другом подшипниковом щите машины установлен электропривод с редуктором и выдвижным выходным валом, на котором установлена шестерня, и на втором немагнитном кольце внешней части ротора выполнен зубчатый венец.
На фиг. 1 приведена схема осевого сечения, а на фиг. 2, 3 и 4 - схема диаметрального сечения электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа, поясняющая предлагаемый способ защиты электрической машины от возгорания; на фиг. 5 показана схема и состояние устройства для защиты от возгорания при нормальном функционировании электрической машины; на фиг. 6 показано состояние устройства для защиты от возгорания при аварийном состоянии электрической машины, на фиг. 7 показано, каким образом устройство для защиты от возгорания возвращает электрическую машину из аварийного состояния в нормальное.
В изображенной на фиг. 1 схеме машины в корпусе 1 установлен статор 2 с обмоткой 3. Вал 4 установлен в подшипниках 5 и 6, закрепленных в подшипниковых щитах 7 и 8 соответственно. На валу 4 неподвижно установлена внутренняя часть 9 ротора, которая состоит из втулки 10, выполненной из немагнитного материала, и прикрепленных к втулке 10 полюсов 11, выполненных из магнитной стали, с расположенными между полюсами 11 постоянными магнитами 12. Направление намагниченности постоянных магнитов 12 и полярность полюсов 11 чередуется в тангенциальном направлении. Внешняя часть 13 ротора в виде полого цилиндра состоит из двух немагнитных колец 14 и 15, к которым прикреплены полюсы 16, выполненные из магнитной стали. Между полюсами 16 размещены постоянные магниты 17, намагниченные в тангенциальном направлении, направление намагниченности постоянных магнитов 17 и полярность полюсов 16 чередуется. Внешняя часть 13 ротора установлена на немагнитной втулке 10 на подшипниках 18 и 19.
При нормальном функционировании электрической машины внешняя часть 13 ротора должна быть зафиксирована на внутренней части 9 ротора в таком положении, чтобы полярность полюсов 16 и полярность полюсов 11, расположенных на одном радиусе ротора, совпадала (фиг. 2), то есть радиальная ось симметрии полюсов 11 и полюсов 16 одной и той же полярности должна совпадать. Фиксация внешней части 13 ротора относительно внутренней части 9 ротора должна осуществляться специальным устройством, которое на фиг. 1 и фиг. 2 не изображено. В таком положении внешней части 13 ротора магнитные потоки Ф, созданные постоянными магнитами 12 и 17, суммируются, проходят через воздушный зазор между ротором и статором 2 электрической машины и замыкаются в магнитопроводе статора 2 (фиг. 2). Индукция магнитного поля, созданного постоянными магнитами 12 и 17 в зазоре между ротором и статором 2, будет максимальной. Ниже это положение ротора будет называться нормальным.
При возникновении межвиткового замыкания в обмотке 3 статора 2 фиксатор должен освободить внешнюю часть 13 ротора. При взаимодействии полюсов 16 внешней части 13 ротора и полюсов 11 внутренней части 9 ротора возникают тангенциальные силы, которые заставляют внешнюю часть 13 ротора развернуться в такое положение, при котором полярность полюсов 16 внешней части 13 ротора и полярность полюсов 11 внутренней части 9 ротора, расположенных на одном радиусе ротора, будет противоположной (фиг. 3). В этом положении (ниже это положение ротора будет называться аварийным) внешнюю часть 13 относительно внутренней части 9 ротора зафиксируют силы магнитного взаимодействия полюсов 11 и полюсов 16. В аварийном положении ротора магнитные потоки Ф, созданные постоянными магнитами 12 и 17, будут замыкаться через полюсы 11 и 16, а индукция магнитного поля, созданного постоянными магнитами 12 и 17 в зазоре между ротором и статором 2, будет равна нулю. Вследствие этого при вращении ротора по инерции или под действием активного момента нагрузки электродвижущая сила в обмотке 3 статора 2 будет равна нулю и возгорания электрической машины при межвитковом замыкании в обмотке 3 статора 2 не произойдет.
Для сокращения времени разворота внешней части 13 ротора из нормального положения в аварийное положение, при котором индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором 2 равна нулю, внешнюю часть ротора 13 в нормальном положении ротора нужно установить так, чтобы между осью симметрии полюсов 16 внешней части 13 ротора и осью симметрии полюсов 11 такой же полярности внутренней части 9 ротора был угол α≠0 (фиг. 4), не превышающий половины полюсного деления. При таком исходном положении внешней части 13 ротора относительно внутренней части 9 ротора тангенциальные силы, возникающие при взаимодействии полюсов 16 и полюсов 11 и действующие на внешнюю часть 13 ротора, будут больше, чем при α=0, и время поворота внешней части 13 ротора относительно внутренней части 9 в аварийное положение после освобождения фиксатором внешней части 13 ротора уменьшится.
На фиг. 5 показана схема и состояние устройства для защиты от межвиткового замыкания в обмотке 3 при нормальном функционировании электрической машины. На втулке 10 установлен диск 20, выполненный из магнитной стали. Во внутреннем отверстии диска 20 и на цилиндрической поверхности втулки 10 со стороны левого торца выполнены шлицы, образующие шлицевое соединение 21, которое дает возможность диску 20 перемещаться на втулке 10 в осевом направлении без углового смещения. На наружной кромке диска 20 и внутренней поверхности кольца 14 выполнены зубцы. Зубцы диска 20 и кольца 14 в положении диска 20, показанном на фиг. 5, входят в зубчатое зацепление 22, которое фиксирует пружина 23, упирающаяся одним торцом в диск 20, а другим торцом в упорное кольцо 24, закрепленное на конце втулки 10. Благодаря зубчатому зацеплению 22 диска 20 и кольца 14 и шлицевому соединению 21 диска 20 и втулки 10 внешняя часть 13 ротора неподвижно зафиксирована относительно внутренней части 9 ротора. Это положение соответствует нормальному положению ротора электрической машины, показанному на фиг. 2, при котором индукция в зазоре между ротором и статором 2 максимальна.
На подшипниковом щите 8 закреплен кольцевой электромагнит, состоящий из магнитопровода 25 и кольцевой катушки 26. При возникновении межвиткового замыкания в обмотке 3 статора 2 в кольцевую катушку 26 подается ток и возникает магнитный поток Фм, проходящий через магнитопровод 25 электромагнита, воздушный зазор между магнитопроводом 25 и диском 20 и через диск 20 (фиг. 6). На диск 20 будут действовать силы магнитного притяжения, под действием которых диск 20 перемещается по шлицам 21 на втулке 10 в осевом направлении в сторону электромагнита, сжимая пружину 23. В конечном положении диск 20 прижимается силами магнитного притяжения к упорному кольцу 24. При этом между магнитопроводом 25 электромагнита и диском 20 остается воздушный зазор и диск 20 продолжает свободно вращаться вместе с ротором, а зубчатое зацепление 22 диска 20 и кольца 14 внешней части 13 ротора разрывается. Освободившаяся от фиксации внешняя часть 13 ротора под действием сил взаимодействия полюсов 16 внешней части 13 и полюсов 11 внутренней части 9 ротора разворачивается на подшипниках 18 и 19 относительно внутренней части 9 в аварийное положение ротора, показанное на фиг. 3. Как было отмечено выше, в этом положении ротора индукция в зазоре между ротором и статором 2 равна нулю и возгорания обмотки 3 статора 2 при межвитковом замыкании произойти не может.
Для возврата ротора машины из аварийного в нормальное положение после устранения неисправности или ошибочной подачи питания на катушку 26 электромагнита на подшипниковом щите 7 закреплен электропривод, состоящий из маломощного электродвигателя 27, редуктора 28 и шестерни 29, установленной на выдвижном выходном валу 30 редуктора 28. Для сцепления с зубцами шестерни 29 на кольце 15 внешней части 13 ротора выполнен зубчатый венец 31. При возврате ротора в нормальное положение необходимо подать питание на катушку 26, электромагнитные силы прижмут диск 20 к упорному кольцу 24, и диск 20 не будет создавать помех при вращении внешней части 13 ротора. Затем внешним устройством зафиксировать вал 4 электродвигателя и выдвинуть из корпуса редуктора 28 вал 30 с шестерней 29, зубцы которой войдут в зацепление с зубчатым венцом 31 кольца 15. После этого нужно включить электродвигатель 27, который через редуктор 28 будет вращать выходной вал 30 и шестерню 29. Шестерня 29, вошедшая в зацепление с зубчатым венцом 31 кольца 15, будет вращать кольцо 15 вместе с внешней частью 13 относительно внутренней части 9 ротора. После совмещения одноименных полюсов 16 внешней части 13 и полюсов 11 внутренней части 9 ротора, как показано на фиг. 2 или фиг. 4, обмотка 26 электромагнита выключается, диск 20 под действием пружины 23 смещается в осевом направлении вправо и зубцы на наружной кромке диска 20 входят в зацепление 22 с зубчатым венцом кольца 14. Ротор будет возвращен в нормальное положение, и машина готова к работе.
В прототипе в аварийном положении ротора индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором под полюсами неподвижной втулки ротора и под полюсами поворотной втулки ротора не может быть равна нулю, что сохраняет вероятность возгорания электрической машины при межвитковом замыкании. Предлагаемый способ защиты электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа обеспечивает в аварийном положении ротора равенство нулю индукции магнитного поля в зазоре между ротором и статором в любой точке, что полностью исключает возгорание машины при межвитковом замыкании в обмотке статора.
В прототипе силы магнитного взаимодействия полюсов неподвижной втулки ротора и полюсов поворотной втулки относительно невелики, так как полюсы неподвижной втулки ротора и поворотной втулки взаимодействуют торцевыми сторонами, через которые проходит только небольшая часть магнитных потоков полюсов. Поэтому быстродействие защиты в прототипе не может быть высоким. В предлагаемом способе полюсы неподвижной втулки ротора и полюсы поворотной втулки взаимодействуют цилиндрическими поверхностями, через которые проходит весь магнитный поток полюсов неподвижной втулки и полюсов поворотной втулки. Вследствие этого силы магнитного взаимодействия полюсов неподвижной втулки ротора и полюсов поворотной втулки будут максимальными и быстродействие предлагаемого способа защиты электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа будет выше, чем у прототипа.