МОДУЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПУСКОВОГО МОМЕНТА ДЛЯ РОТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, ИМЕЮЩЕЙ ОБМОТКУ РОТОРА
RESISTANCE MODULE FOR IMPROVING STARTING TORQUE FOR ELECTRIC MACHINE ROTOR HAVING ROTOR WINDING

Изобретение касается модуля сопротивления для повышения пускового момента для ротора электрической машины, имеющей обмотку ротора. Кроме того, изобретение касается возбудителя, ротора и электрической машины, которые имеют соответственно по меньшей мере один такой модуль сопротивления, каждый, по меньшей мере один такой модуль сопротивления.
Такой модуль сопротивления применяется, например, у синхронных машин с посторонним возбуждением, имеющих обмотку ротора. Во время фазы пуска такая электрическая машина имеет сравнительно большое скольжение и разгоняется асинхронно. При этом известно, что уменьшение пускового тока в обмотке ротора приводит к повышению пускового момента.
Из DE 39 59 52 известен электродвигатель, имеющий ротор, снабженный двумя обмотками ротора, при этом обмотка ротора, расположенная радиально дальше снаружи, имеет большое электрическое сопротивление, а обмотка ротора, расположенная радиально дальше внутри, маленькое электрическое сопротивление. Во время периода пуска электродвигатель имеет большое скольжение, и обмотка ротора, имеющая большое электрическое сопротивление, создает высокий пусковой момент.
В основе изобретения лежит задача - предоставить альтернативу известным решениям для повышения пускового момента.
Эта задача решается с помощью модуля сопротивления вышеназванного рода таким образом, что этот модуль сопротивления имеет:
- первую точку подключения и вторую точку подключения,
- по меньшей мере два электропроводящих слоя,
причем указанные по меньшей мере два слоя электрически соединены с первой точкой подключения и со второй точкой подключения,
причем указанные по меньшей мере два слоя по меньшей мере частично в окружном направлении охватывают, каждый, ось модуля сопротивления и имеют, каждый, начальную точку слоя и конечную точку слоя,
- соответствующий первый изоляционный слой, который расположен между каждыми двумя слоями,
- соответствующую точку соединения, в которой конечная точка каждого слоя электрически соединена с начальной точкой каждого следующего слоя.
Кроме того, эта задача решается с помощью возбудителя вышеназванного рода таким образом, что возбудитель имеет:
- вторичную обмотку, соединяемую с валом электрической машины без возможности вращения,
- выпрямитель, электрически соединенный с вторичной обмоткой,
- предлагаемый изобретением модуль сопротивления, электрически соединенный с выпрямителем.
Кроме того, эта задача решается с помощью ротора вышеназванного рода таким образом, что ротор имеет предлагаемый изобретением модуль сопротивления или предлагаемый изобретением возбудитель, а также обмотку ротора, которая электрически соединена с модулем сопротивления.
Наконец, эта задача решается с помощью электрической машины вышеназванного рода таким образом, что электрическая машина имеет предлагаемый изобретением модуль сопротивления, или предлагаемый изобретением возбудитель, или предлагаемый изобретением ротор.
Между первой точкой подключения и второй точкой подключения включены указанные по меньшей мере два электропроводящих слоя, которые состоят, каждый, из материала, обладающего сопротивлением. Благодаря соединению модуля сопротивления с обмоткой ротора, то есть, в частности, последовательному включению модуля сопротивления с обмоткой ротора, может уменьшаться пусковой ток, текущий во время фазы пуска через обмотку ротора, что приводит к повышению пускового момента. Таким образом, предлагаемый изобретением модуль сопротивления позволяет придавать электрической машине повышенную динамику во время фазы пуска.
Модуль сопротивления имеет по меньшей мере два слоя материала, обладающего сопротивлением, при этом различные слои могут также содержать различные материалы. Слои включены электрически последовательно, при этом каждая конечная точка одного слоя соединена с начальной точкой следующего слоя. Только в начале этой последовательности начальная точка первого слоя соединена с первой точкой подключения модуля сопротивления, при этом конечная точка последнего слоя соединена со второй точкой подключения модуля сопротивления. При этом между слоями в каждом случае расположен первый изоляционный слой, который препятствует короткому замыканию или соответственно нежелательному уменьшению сопротивления.
Включенные электрически последовательно слои могут быть при этом расположены или уложены в стопу, в частности, следуя друг за другом в радиальном или в осевом направлении.
При этом данные слои по меньшей мере частично охватывают ось модуля сопротивления и вместе с тем также ротора или соответственно электрической машины, при этом каждый слой окружает или соответственно охватывает ось, в частности, по меньшей мере на 3/4 всего периметра.
Желаемое электрическое сопротивление может реализовываться таким образом, что выбирается соответствующий материал и, прежде всего, используется требуемое для этого количество слоев. Таким образом модуль сопротивления имеет модульную конструкцию, благодаря чему он прост и экономичен в изготовлении. К тому же указанные по меньшей мере два слоя имеют сравнительно большую поверхность, что способствует хорошему отводу тепла и вместе с тем хорошему охлаждению модуля сопротивления.
При этом модуль сопротивления может использоваться в возбудителе для ротора синхронной машины с посторонним возбуждением. Такие машины могут, например, выполняться в виде синхронного двигателя. Кроме того, модуль сопротивления может применяться для ротора такой синхронной машины с посторонним возбуждением.
Предпочтительно эта электрическая машина может эксплуатироваться с электрической мощностью по меньшей мере 1 МВ, в частности больше 10 МВ. При этом электрическая машина может быть выполнена в виде двигателя и, например, представлять собой синхронную машину или синхронную машину с посторонним возбуждением. Так, например, возможно, чтобы эта электрическая машина представляла собой кольцевой двигатель или приводной двигатель дробилки.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения указанные по меньшей мере два слоя расположены коаксиально оси и выполнены в форме винтовой линии.
Для варианта осуществления указанных по меньшей мере двух слоев в форме винтовой линии первый слой может, например, в окружном направлении совершать почти полный оборот по окружности с по существу постоянным радиусом, при этом в осевом направлении образуется смещение между начальной точкой и конечной точкой первого слоя. Следующий за первым слоем второй слой присоединяется после точки соединения к первому слою и выполнен аналогично первому слою. Кроме того, модуль сопротивления может иметь несколько таких слоев.
В одном из альтернативных предпочтительных вариантов осуществления изобретения соответственно соседние слои проходят от своей соответствующей начальной точки слоя к своей соответствующей конечной точке слоя в противоположном окружном направлении.
Например, первый слой на осевом виде сверху модуля сопротивления может проходить в направлении часовой стрелки, а включенный последовательно с первым слоем второй слой – против направления часовой стрелки. При этом преимущество заключается в том, что такой модуль сопротивления представляет собой только электрическое сопротивление, а в магнитном отношении ведет себя нейтрально, то есть, в частности, не образует катушку, которая создавала бы магнитное поле, направленное в осевом направлении.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере один из слоев выполнен в виде плоского материала или листовой стали и/или состоит преимущественно из алюминия.
В частности, для по меньшей мере одного из слоев может применяться электротехническая листовая сталь или система, которая подобна пакету листовой стали электрической машины. Имеющие такую конструкцию слои модуля сопротивления могут получаться особенно экономично и придают модулю сопротивления большую механическую прочность.
Алюминий имеет сравнительно низкую плотность, так что может дополнительно улучшаться динамика ротора или соответственно электрической машины, в частности во время фазы пуска.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения модуль сопротивления имеет ступицу, расположенную коаксиально оси, с которой указанные по меньшей мере два слоя соединены без возможности вращения, причем эта ступица может соединяться с валом электрической машины.
В частности, указанные по меньшей мере два слоя могут быть закреплены на ступице радиально снаружи для создания соединения без возможности вращения между указанными по меньшей мере двумя слоями и ступицей. Но для создания этого соединения указанные по меньшей мере два слоя могут быть также расположены по меньшей мере с частичным смещением в осевом направлении относительно ступицы.
Ступица может, наконец, соединяться с валом или соответственно, ротором электрической машины без возможности вращения для механического соединения модуля сопротивления с ротором электрической машины. Это соединение может, например, достигаться с помощью стяжных болтов, которые вставляются через отверстия, проходящие через ступицу в осевом направлении, и стягивают ступицу с валом или соответственно ротором. В частности, для этого могут применяться изолированные стяжные болты, которые электрически изолированы относительно ступицы и указанных по меньшей мере двух слоев посредством изолирующего покрытия, при этом дополнительно может быть предусмотрен изоляционный слой между ступицей и валом или соответственно ротором.
При этом в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения между ступицей и указанными по меньшей мере двумя слоями расположен второй изоляционный слой.
Второй изоляционный слой предоставляет особенно надежную возможность электрической изоляции указанных по меньшей мере двух слоев от ступицы и вместе с тем от вала или соответственно ротора.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере один из слоев в окружном направлении выполнен меандрообразно, при этом меандры выдаются радиально наружу.
Меандрообразно выполненный слой можно, например, сравнить с гофрированной листовой сталью, которая по меньшей мере частично обведена в окружном направлении вокруг оси. При этом также несколько из этих слоев или соответственно все слои модуля сопротивления могут быть выполнены меандробразно.
При этом соответствующий, меандрообразно изогнутый слой имеет выдающиеся наружу меандры, причем в пределах данного слоя электрическое сопротивление для соответствующего электрического тока увеличивается за счет удлиненного проходимого им пути. Таким образом, такой модуль сопротивления позволяет получить сравнительно большое электрическое сопротивление при компактной, тем не менее, конструкции.
Одновременно увеличивается поверхность указанных по меньшей мере двух слоев, благодаря чему может сильно повышаться интенсивность охлаждения. Дополнительно меандры действуют как лопасти пропеллера радиального вентилятора, что оказывает дополнительное предпочтительное влияние на охлаждение. В принципе, при этом возможно также, чтобы модуль сопротивления имел несколько меандрообразно выполненных слоев, которые расположены друг за другом в осевом направлении, а в окружном направлении слегка смещены относительно друг друга, благодаря чему имитируются лопасти пропеллера, подобные лопастям осевого вентилятора. Этот вариант осуществления позволяет, с одной стороны, получить интенсивное охлаждение модуля сопротивления, а с другой стороны, нагнетает в осевом направлении поток охлаждающего воздуха, который может изменяться для охлаждения ротора или других конструктивных элементов электрической машины.
Наконец, меандры позволяют получить практически беспрепятственное тепловое расширение данного слоя, без возникновения при этом механических напряжений, который могли бы быть проблематичными для устойчивости модуля сопротивления.
При этом в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения модуль сопротивления имеет по меньшей мере один крепежный элемент, который расположен между каждыми двумя соседними в окружном направлении меандрами и радиально снаружи на указанных по меньшей мере двух слоях.
Указанный по меньшей мере один крепежный элемент присоединяется соответственно к указанным по меньшей мере двум слоям радиально снаружи или соответственно расположен на радиальной наружной поверхности указанных по меньшей мере двух слоев. Если смотреть в окружном направлении, указанный по меньшей мере один крепежный элемент расположен между двумя соседними, выдающимися радиально наружу меандрами.
Как пояснялось выше, меандрообразно выполненный слой можно сравнить с гофрированной листовой сталью, при этом указанный по меньшей мере один крепежный элемент в соответствии с этой аналогией расположен на наружной стороне гофрированной листовой стали, во впадине между двумя вершинами.
Таким образом, указанный по меньшей мере один крепежный элемент позволяет получить надежное восприятие центробежных сил, направленных радиально наружу, которые действуют на указанные по меньшей мере два слоя во время вращения модуля сопротивления вокруг оси. Например, данный крепежный элемент может присоединяться в радиальном внутреннем направлении с геометрическим замыканием к указанным по меньшей мере двум слоям, так что имеется большая контактная поверхность для восприятия механических сил, благодаря чему может предотвращаться повреждение, в частности, изоляции указанных по меньшей мере двух слоев. Для соединения с другими элементами машины указанный по меньшей мере один крепежный элемент может, например, иметь область, выполненную в виде болта, который посредством винтового или вставного соединения или тому подобного соединяется с другими элементами машины, в частности с валом или соответственно с ротором электрической машины.
Поэтому благодаря указанному по меньшей мере одному крепежному элементу, в частности благодаря нескольким крепежным элементам, повышается механическая устойчивость модуля сопротивления. Предпочтительно для этого предусмотрено по одному крепежному элементу для каждого находящегося в окружном направлении промежутка между двумя соседними меандрами. В частности, каждый крепежный элемент может быть соединен со ступицей без возможности вращения.
При этом в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанный по меньшей мере один крепежный элемент жестко соединен с указанными по меньшей мере двумя слоями, при этом между указанным по меньшей мере одним крепежным элементом и указанными по меньшей мере двумя слоями расположен третий изоляционный слой.
С помощью третьего изоляционного слоя обеспечивается хорошая электрическая изоляция между указанными по меньшей мере двумя слоями и указанным по меньшей мере одним крепежным элементом.
При этом в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения модуль сопротивления имеет расположенное коаксиально оси крепежное кольцо, которое расположено, присоединяясь к указанным по меньшей мере двум слоям в осевом направлении, при этом указанный по меньшей мере один крепежный элемент соединен с крепежным кольцом без возможности вращения.
Данный крепежный элемент может быть при этом выполнен таким образом, чтобы он вставлялся в крепежное кольцо соответственно в осевом направлении, благодаря чему создается соединение без возможности вращения данного крепежного элемента с крепежным кольцом. Альтернативно или дополнительно может быть предусмотрено, наоборот, чтобы крепежное кольцо имело осевые выступы, которые вставляются в данный крепежный элемент.
При этом крепежное кольцо придает модулю сопротивления дополнительную устойчивость, так как центробежные силы, направленные радиально наружу, которые действуют на указанные по меньшей мере два слоя, через данный крепежный элемент могут передаваться на крепежное кольцо.
Дополнительно может быть предусмотрено, чтобы крепежное кольцо имело по меньшей мере один опорный элемент, который расположен соответственно радиально снаружи на радиальном конце по меньшей мере одного из меандров, и посредством которого могут восприниматься направленные радиально наружу силы данного слоя.
В частности, крепежное кольцо соединено со ступицей без возможности вращения, при этом возможно также, чтобы крепежное кольцо было выполнено цельно со ступицей.
Предлагаемый изобретением возбудитель может, например, также иметь стационарно установленную первичную обмотку, с помощью которой может передаваться электрический ток на вторичную обмотку. Кроме того, могут быть предусмотрены конденсаторы и при необходимости омические сопротивления для сглаживания вторичного тока, выпрямленного выпрямителем. При этом обмотка ротора может снабжаться вторичным током, причем модуль сопротивления включен последовательно с обмоткой ротора.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанные по меньшей мере два слоя модуля сопротивления могут перемыкаться посредством первого выключателя или соответственно посредством второго выключателя.
Модуль сопротивления повышает электрическое сопротивление, что приводит к повышенному пусковому моменту и вместе с тем к высокой динамике ротора во время фазы пуска ротора. Как только электрическая машина разогналась и, например, ротор достиг своей рабочей частоты вращения, можно обойтись без дополнительного электрического сопротивления модуля сопротивления. Для этого параллельно модулю сопротивления включены первый выключатель или соответственно второй выключатель, так что короткое замыкание данного выключателя перемыкает модуль сопротивления.
Данный выключатель может быть при этом выполнен в виде конструктивного элемента с механическим приводом или в виде электрического выключателя. В частности, данный выключатель может выполняться в виде транзистора или тиристора, который, в частности, настраивается блоком управления.
В частности, первый выключатель может быть выполнен в виде части модуля сопротивления или в виде части возбудителя, а второй выключатель в виде части ротора или в виде части электрической машины. Можно также предусмотреть для перемыкания модуля сопротивления всего только один выключатель. При этом блок управления может быть, например, выполнен в виде части модуля сопротивления, возбудителей или, соответственно, ротора.
Ниже изобретение описывается и поясняется подробнее на примерах осуществления, изображенных на чертежах. Показано:
фиг.16 первый пример осуществления предлагаемого изобретением модуля сопротивления;
фиг.2: второй пример осуществления;
фиг.3: третий пример осуществления;
фиг.4: четвертый пример осуществления; и
фиг.5: электрическая схема одного из примеров осуществления предлагаемой изобретением электрической машины.
На фиг.1 показан первый пример осуществления предлагаемого изобретением модуля сопротивления. Модуль сопротивления имеет первую точку 1 подключения и вторую точку 2 подключения, между которыми электрически включены первый слой 3 и второй слой 4. Оба слоя 3, 4 являются электропроводящими, состоят преимущественно из материала, обладающего сопротивлением, и имеют каждый начальную точку 6 слоя и конечную точку 7 слоя. При этом первый слой 3 в своей конечной точке электрически соединен со вторым слоем 4 в его начальной точке 8 через точку 9 соединения, при этом оба слоя 3, 4, помимо этого, электрически изолированы друг от друга посредством изоляционного слоя 8, расположенного между двумя слоями 3, 4. Оба слоя 3, 4 выполнены по существу U-образно и по меньшей мере частично охватывают ось 5 модуля сопротивления.
В соответствии с первым примером осуществления оба слоя 3, 4 расположены коаксиально оси 5 и выполнены в форме винтовой линии. Для этого первый слой 3 между его начальной точкой 6 и его конечной точкой 7 в окружном направлении выполнен по окружности по существу с постоянным радиусом, при этом в осевом направлении имеется смещение между его начальной точкой 6 и его конечной точкой 7. Второй слой 5 присоединяется после точки 9 соединения к первому слою 3 и выполнен аналогично первому слою 3 для продолжения винтовой линии.
На фиг.2 показан второй пример осуществления предлагаемого изобретением модуля сопротивления. При этом те же самые ссылочные обозначения, что и на фиг.1, обозначают те же самые предметы.
В отличие от модуля сопротивления первого примера осуществления, предусмотрены три слоя 3, 4, 23, которые теперь уже не имеют конфигурацию в форме винтовой линии. Более того, слои 3, 4, 23 не имеют осевого смещения между их соответствующей начальной точкой 6 и их соответствующей конечной точкой 7. Первый слой 3 представляет собой электрическое соединение между первой точкой 1 подключения и точкой 9 соединения между первым слоем 3 и вторым слоем 4, причем это соединение на изображении фиг.2 проходит в направлении часовой стрелки. В отличие от этого, второй слой 4 представляет собой электрическое соединение между точкой 9 соединения между первым слоем 3 и вторым слоем 4, с одной стороны, и точкой 9 соединения между вторым слоем 4 и третьим слоем 23, с другой стороны, причем это соединение проходит против направления часовой стрелки. Наконец, третий слой 23 представляет собой соответствующее соединение, которое проходит в направлении часовой стрелки.
На фиг.3 показан третий пример осуществления предлагаемого изобретением модуля сопротивления. Вследствие изображения в перспективе вторая точка 2 подключения не изображена, при этом с целью лучшей видимости соответствующие начальные точки 6 слоев, конечные точки 7 слоев и точки 9 соединения на чертеже не изображены. Модуль сопротивления в соответствии с третьим примером осуществления имеет слои 3, 4, 23 и т. д., которые, как в первом примере осуществления, могут быть выполнены в форме винтовой линии и коаксиально оси 5, или, как во втором примере осуществления, чередуясь с различным окружным направлением.
Данный модуль сопротивления отличается тем, что слои 3, 4, 23 и т. д. выполнены меандрообразно в окружном направлении, при этом меандры 13 выдаются радиально наружу. Кроме того, модуль сопротивления имеет ступицу 10, с которой слои 3, 4, 23 и т. д. соединены без возможности вращения и которая электрически изолирована от слоев 3, 4, 23 и т. д. посредством второго изоляционного слоя 12.
Ступица 10 имеет выполненные в осевом направлении отверстия 11, посредством которых ступица 10 и вместе с тем модуль сопротивления может крепиться к валу или соответственно ротору электрической машины.
На фиг.4 показан четвертый пример осуществления предлагаемого изобретением модуля сопротивления, причем это изображение соответствует изображению третьего примера осуществления. Слои 3, 4, 34 и т. д. могут быть выполнены аналогично слоям модуля сопротивления третьего примера осуществления. В соответствии с третьим примером осуществления модуль сопротивления имеет крепежные элементы 14, которые расположены между каждыми двумя соседними в окружном направлении меандрами 13 и радиально снаружи на слоях 3, 4, 34 и т. д. При этом соответствующие крепежные элементы 13 жестко соединены со слоями 3, 4, 34 и т. д.
Дополнительно модуль сопротивления имеет крепежное кольцо 16, которое расположено коаксиально оси 5, и которое в осевом направлении расположено, присоединяясь к слоям 3, 4, 34 и т. д. Соответствующие крепежные элементы 14 жестко соединены с крепежным кольцом 16, которое, в свою очередь, соединено со ступицей 10 без возможности вращения. В соответствии с этим примером осуществления соответствующие крепежные элементы 14 имеют выдающиеся из модуля сопротивления в осевом направлении болты, которые могут использоваться для соединения модуля сопротивления с валом или, соответственно, ротором электрической машины.
На фиг.5 показана электрическая схема одного из примеров осуществления предлагаемой изобретением электрической машины. Электрическая машина имеет первичную обмотку 24, посредством которой электрической ток может передаваться на вторичные обмотки 17. Переданный на вторичные обмотки 17 переменный ток может выпрямляться посредством выпрямителя 18, который имеет выпрямляющие диоды 15, и затем сглаживаться посредством конденсатора 27. Выпрямленный и сглаженный ток подается на обмотку 21 ротора, магнитное поле которой взаимодействует с магнитным полем, созданным обмотками 26 статора.
Для уменьшения тока во время фазы пуска электрическое сопротивление 22 предлагаемого изобретением модуля сопротивления включено последовательно с обмоткой 21 ротора. Уменьшение пускового тока создает при этом повышенный пусковой момент, благодаря чему ротор может особенно динамично ускоряться. Сопротивление 22 модуля сопротивления может замыкаться накоротко посредством выполненного в виде тиристора выключателя 19, который расположен параллельно сопротивлению 22. Для этого блок 25 управления подает на выключатель 19 соответствующие сигналы управления, причем для этого блок 25 управления надлежащим образом соединен с выключателем 19 и, например, регистрирует напряжение на конденсаторе 25, напряжение и/или ток на вторичных обмотках 17 или тому подобном.
Электрическая машина имеет, таким образом, ротор, снабженный обмоткой 21 ротора, и возбудитель 20, при этом возбудитель 20 включает в себя вторичные обмотки 17, выпрямитель 18, конденсатор 27, управление 25, выключатель 19 и модуль 22 сопротивления. В частности, возбудитель 20 может выполняться в виде части ротора. Кроме того, электрическая машина имеет первичную обмотку 24 и обмотки 26 статора.
Обобщенно, изобретение касается модуля сопротивления для повышения пускового момента для ротора электрической машины, имеющей обмотку ротора. Кроме того, изобретение касается возбудителя, ротора и электрической машины, которые имеют соответственно по меньшей мере один такой модуль сопротивления. Для предоставления альтернативы известным решениям для повышения пускового момента предлагается, чтобы модуль сопротивления имел:
- первую точку подключения и вторую точку подключения,
- по меньшей мере два электропроводящих слоя,
причем указанные по меньшей мере два слоя электрически соединены с первой точкой подключения и со второй точкой подключения,
причем указанные по меньшей мере два слоя по меньшей мере частично в окружном направлении охватывают каждый ось модуля сопротивления и имеют каждый начальную точку слоя и конечную точку слоя,
- соответствующий первый изоляционный слой, который расположен между каждыми двумя слоями,
- соответствующую точку соединения, в которой конечная точка каждого слоя электрически соединена с начальной точкой каждого следующего слоя.