РОТОР (ЯКОРЬ) ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ)
ROTOR (ARMATURE) OF ELECTRICAL MACHINE (VERSIONS)

Изобретение относится к области электромашиностроения.
Широко известны роторы электрических машин переменного тока и якори электрических машин постоянного тока, магнитопроводящие сердечники которых собраны из листов в виде колец, выполненных из тонколистовой электротехнической стали с пазами в области наружного диаметра для размещения обмотки и удерживаются на валах в осевом направлении с использованием торцевых нажимных колец, при этом вал является своеобразной осевой стяжкой сердечника. Особую группу составляют короткозамкнутые роторы асинхронных электродвигателей с литой обмоткой, в которых сердечник удерживается в осевом направлении стержнями обмотки и кольцами короткозамыкающими, выполняющими роль соответственно осевых стяжек и торцевых нажимных колец.
Осевое крепление сердечников на валах обычно жесткое, например, на одной стороне торцевое нажимное кольцо упирается в буртик на валу, а на другой стороне торцевое нажимное кольцо зафиксировано на валу кольцевой шпонкой, либо посаженным на вал с натягом запорным кольцом (см., например, А.Е.Алексеев «Конструкция электрических машин», 1958 г. ГЭИ, с.228, рис.7-1, 7-2). Сердечники короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей с литой обмоткой, по крайней мере крупных (например, двухполюсных мощностью до 1000 кВт), крепятся на валах в осевом направлении аналогично - с одной стороны собственно сердечник сопряжен с буртиком на валу ротора, с другой стороны зафиксирован запорным кольцом, посаженным на вал с гарантированным натягом.
Особым и непременным условием обеспечения качества и тем самым длительной работоспособности роторов при эксплуатации электрических машин является опрессовка сердечников определенным давлением.
2
2
С учетом некоторого ослабления запрессовки сердечников в процессе эксплуатации рекомендуют удельные давления опрессовки сердечников при изготовлении роторов на уровне 7÷10 кг/см (Е.Видеман, В.Келленбергер «Конструкции электрических машин», 1972 г., Энергия, Ленинградское отделение, с.153) и даже 10÷20 кг/см (А.Е.Алексеев «Конструкция электрических машин», 1958 г., ГЭИ, с.230). Это относится к роторам, сердечники которых собираются непосредственно на валу ротора.
В роторах асинхронных двигателей с литой короткозамкнутой обмоткой удельное давление опрессовки сердечников оценивают как произведение предела текучести материала стержней обмотки ротора и отношения поперечного сечения всех стержней к площади листа ротора.
Известно также, что тонколистовая электротехническая сталь выполняется разнотолщинной, преимущественно по ширине листа (рулона), вследствие чего роторные листы по радиусу и окружности также оказываются разнотолщинными. При опрессовке сердечников роторов, собранных из таких листов, отдельные их зоны (объемы), произвольно расположенные по длине и окружности сердечника, оказываются чрезмерно плотными, другие - слабоспрессованными. При этом остаточное «распорное» усилие в сердечнике после закрепления его на валу и снятия давления пресса (или после заливки в сердечник ротора его коротко-замкнутой обмотки и удаления литейной оснастки) будет распределено также неравномерно - будет больше в зонах (объемах), где сердечник наиболее плотный.
Во многих случаях неравномерно спрессованный сердечник, даже изготовленный из холоднокатаной электротехнической стали с весьма малой допустимой разнотолщинностью, произвольно искривляет вал ротора. При этом центр тяжести ротора смещается относительно оси вращения, нарушается балансировка ротора, увеличивается вибрация электрической машины. С прогревом ротора в машине, работающей под нагрузкой, неравномерность опрессовки сердечника, искривление вала ротора, его разбалансировка и вибрация электрической машины возрастают. Наиболее ярко все это проявляется в крупных быстроходных электрических машинах, где диаметры валов относительно невелики, наружные диаметры сердечников роторов соизмеримы с шириной листов (рулонов) электротехнической стали, а количество листов в сердечниках достигает 1500-2000 шт. и более.
Рекомендован и практически используется целый ряд мероприятий, призванных уменьшить неравномерную по длине и окружности опрессовку сердечников роторов (якорей), вызванную разнотолщинностью листов ротора, а именно:
- поворот на 90° половины заготовок листов ротора, чтобы при сборке сердечника зоны листов с наибольшей толщиной чередовались с зонами листов с наименьшей толщиной;
- выполнение листов ротора с двумя и даже тремя шпоночными пазами, чтобы поворачивать не заготовки при изготовлении листов, а сами листы при сборке сердечника;
- контроль плотности опрессовки сердечников специальным щупом («контрольным ножом») с рекомендацией считать плотность опрессовки удовлетворительной, когда «контрольный нож» при определенном усилии не входит радиально между листами или входит на глубину не более 2 мм, а при черезмерной неравномерности опрессовки, например при проникновении «контрольного ножа», на глубину много более 2 мм;
- хотя бы частичная перешихтовка сердечника с заменой некоторого количества листов (см., например, Д.М.Блюменкранц «Технология крупного электромашиностроения», т.3, «Крупные машины», Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1991 г., с.146-148).
Однако все эти мероприятия проблему не решают.
Недостатком рассмотренных роторов (якорей) электрических машин, в т.ч. короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей с литой обмоткой, является отсутствие в этих роторах конструктивных элементов, исключающих неблагоприятное воздействие неравномерно спрессованного по длине и окружности сердечника на вал ротора при обязательном обеспечении в сердечнике необходимой величины остаточного «распорного» усилия для обеспечения его длительной работоспособности в условиях эксплуатации.
Известен короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя по патенту РФ (№2044382, Н02К 1/26, 1992), в котором воздействие сердечника на вал предложено уменьшить конструктивными мерами. Новым в этом роторе является то, что сердечник ротора, собранный из листов в виде колец из тонколистовой электротехнической стали с пазами в зоне наружного диаметра для размещения обмотки ротора, выполнен из пакетов, разделенных вспомогательными пакетами из той же электротехнической стали с наружным диаметром листов в этих вспомогательных пакетах, не превышающим то ли диаметра основания зубцов (по тексту формулы), то ли среднего диаметра спинки сердечника ротора (по фиг.1 описания). И в этом и в другом случае невозможно обеспечить требование о проникновении «контрольного ножа» в сердечник между листами на глубину не более 2 мм (см. упомянутую выше монографию Д.М.Блюменкранца), ибо этот сердечник заведомо не может быть спрессован по всей площади его поперечного сечения, поскольку любое давление опрессовки будет восприниматься только центральной частью сердечника с диаметром, равным диаметру листов вспомогательных пакетов сердечника, а зубцовая зона всегда останется неопрессованной.
Это недостаток конструкции, т.к. в неопрессованной зоне возможна вибрация зубцов листов сердечника ротора, повышенный уровень шума и даже обрывы зубцов листов сердечника ротора.
Известен также принятый за прототип ротор электродвигателя по патенту Японии (№61-48335 от 23.10.86, Н02К 1/28), в котором предложено уменьшить степень воздействия на вал ротора неравномерно спрессованного сердечника также конструктивными мерами. Сердечник собран из листов в виде колец из тонколистовой электротехнической стали с пазами в области наружного диаметра для размещения обмотки ротора. На валу сердечник закреплен в запрессованном состоянии посредством нажимных колец и шпонок. При этом нажимные кольца в зоне внутреннего диаметра выполнены с боковыми проточками на сторонах, обращенных к торцам сердечника, а шпонки, размещенные в кольцевых проточках вала - упругими в осевом (вдоль вала) направлении, т.е. сердечнику предоставлена свобода «распушения» в зоне внутреннего диаметра в боковые проточки колец нажимных, а вся система осевого крепления сердечника за счет уменьшения жесткости колец нажимных и упругих шпонок стала более податливой по сравнению с ранее применявшимся жестким креплением.
Предложенная конструкция действительно ослабила влияние сердечника ротора на вал, вследствие чего заметно уменьшилась вибрация электродвигателя. Это подтверждено приведенными экспериментальными данными зависимости уровня вибрации двигателя при различных частотах вращения от конструкции сердечника ротора - с ротором обычной конструкции и с ротором по рассматриваемому изобретению. В последнем случае уровень вибрации действительно ниже, при том же, однако, характере изменения вибрации. Это последнее обстоятельство свидетельствует о том, что принципиальных изменений во взаимосвязи неравномерно спрессованного сердечника с валом не произошло. Просто в роторе по рассматриваемому изобретению при том же, по-видимому, что и в прототипе давлении исходной опрессовки, за счет большей податливости менее жестких колец нажимных и упругих шпонок сердечник ротора после снятия давления пресса несколько удлинился, остаточное «распорное» усилие в нем уменьшилось, что и предопределило меньшее искривление вала и уменьшение вибрации двигателя. Такой же результат мог быть получен и в роторе с жестким креплением сердечника на валу путем уменьшения давления опрессовки сердечника до величины остаточного «распорного» усилия в сердечнике ротора по рассматриваемому патенту - уменьшились бы степень неравномерности опрессовки сердечника, воздействие сердечника на вал, искривление вала и вибрация двигателя.
В связи с этим не совсем ясна и возможная область применения изобретения, т.е. если изготавливается ротор с жестким креплением сердечника на валу и с минимально необходимым для обеспечения его длительной работоспособности остаточным «распорным» усилием и при этом неравномерно опрессованый сердечник недопустимо искривляет вал ротора, то использовать данное изобретение нельзя, т.к. при этом остаточное «распорное» усилие в сердечнике станет меньше минимально необходимого и не будет обеспечена длительная работоспособность ротора. Если же при использовании упругих элементов для крепления сердечника спрессовывать его большим давлением, чтобы после снятия давления пресса остаточное «распорное» усилие в сердечнике соответствовало минимально необходимому для обеспечения длительной работоспособности ротора, то воздействие неравномерно спрессованного сердечника на вал будет таким же, как и при жестком его креплении. По существу - использование изобретения либо нецелесообразно, когда можно уменьшить воздействие на вал неравномерно спрессованного сердечника путем простого уменьшения давления опрессовки, либо невозможно, когда при использовании изобретения нельзя обеспечить в сердечнике необходимое остаточное «распорное» усилие для обеспечения длительной работоспособности ротора.
Недостаток рассмотренной конструкции - отсутствие изменений во взаимосвязи сердечника с валом ротора по сравнению с его прототипом.
Основная задача, которую решает предлагаемое изобретение, - создание конструкции ротора электрической машины переменного тока (якоря электрической машины постоянного тока), в которой неравномерная по длине и окружности опрессовка сердечника, по крайней мере при использовании для изготовления листов ротора холоднокатаной электротехнической стали, не приводила бы к искривлению вала ротора (якоря) при любых необходимых давлениях опрессовки сердечников.
Технический результат достигается тем, что:
- в роторе электрической машины, содержащем вал, сердечник из листов в виде колец из тонколистовой электротехнической стали с пазами в зоне наружного диаметра для размещения обмотки ротора, короткозамкнутую обмотку, отлитую из проводникового материала в виде стержней и колец короткозамыкающих, также элементы осевого крепления сердечника на валу, листы сердечника в зоне внутреннего диаметра выполнены с концентричными относительно этого диаметра прорезями, расположенными по меньшей мере в двух рядах, причем прорезей в каждом ряду не менее двух, перемычки между прорезями в каждом ряду расположены посередине прорезей соседнего ряда, при этом прилегание к торцам сердечника элементов его крепления на валу выполнено на радиальной высоте от вала до первого ряда концентричных прорезей, прилегание к торцам сердечника колец короткозамыкающих в радиальном направлении к валу распространено не далее последнего от вала ряда концентричных прорезей;
- в роторе (якоре) электрической машины, содержащем вал, сердечник из листов в виде колец из тонколистовой электротехнической стали с пазами в зоне наружного диаметра для размещения обмотки ротора (якоря), торцевые нажимные кольца, обмотку из отдельных стержней и колец короткозамыкающих либо же из изолированных катушек (стержней), а также элементы осевого крепления сердечника, в том числе на валу, листы сердечника в зоне внутреннего диаметра выполнены с концентричными относительно этого диаметра прорезями, расположенными по меньшей мере в двух рядах, причем в каждом ряду прорезей не менее двух, перемычки между прорезями в каждом ряду расположены посередине прорезей соседнего ряда, при этом прилегание к торцам сердечника элементов крепления его на валу выполнено на радиальной высоте от вала до первого ряда концентричных прорезей, прилегание к сердечнику торцевых нажимных колец в радиальном направлении к валу распространено не далее последнего от вала ряда концентричных прорезей, а сердечник с торцевыми нажимными кольцами в запрессованном состоянии удерживается осевыми стяжками;
- в роторе (якоре) электрической машины концентричные прорези в зоне внутреннего диаметра листов сердечника ротора выполнены в листах торцевых пакетов сердечника.
Предлагаемая конструкция поясняется чертежами, где показаны:
- на фиг.1 - продольное сечение ротора электрической машины с литой короткозамкнутой обмоткой и с выполнением концентричных прорезей в листах сердечника по всей его длине (Б-Б на фиг.2);
- на фиг.2 - поперечное сечение ротора (якоря) электрической машины (А-А на фиг.1, 3, 4, 5);
на фиг.3 - продольное сечение ротора электрической машины с литой короткозамкнутой обмоткой с выполнением концентрических прорезей в листах торцевых пакетов сердечника (Б-Б на фиг.2);
- на фиг.4 - продольное сечение ротора электрической машины с короткозамкнутой обмоткой с выполнением концентричных прорезей в листах сердечника на всей его длине (Б-Б на фиг.2);
- на фиг.5 - продольное сечение ротора (якоря) электрической машины с обмоткой из изолированных катушек (стержней) с выполнением концентричных прорезей в листах торцевых пакетах сердечника (Б-Б на фиг.2).
Сердечник 1 ротора в вариантах на фиг.1 и 4 собран из одинаковых листов в виде колец из тонколистовой электротехнической стали, которые в зоне наружного диаметра выполнены с пазами для обмотки ротора, а в зоне внутреннего диаметра у вала 2 - с концентричными прорезями 3 и 4, расположенными в двух рядах на разном расстоянии от вала 2. Перемычки 5 между прорезями 3 и 4 в каждом ряду расположены посередине прорезей соседнего ряда. Сердечник 1 по вариантам на фиг.1 и 3 удерживается в запрессованном состоянии стержнями 6 и короткозамыкающими кольцами 7 обмотки ротора, в данном случае полученной путем заливки в сердечник 1 ротора расплавленного, например алюминия, а в вариантах по фиг.4 и 5 - осевыми стяжками 8 (например, шпильками или заклепками) и торцевыми нажимными кольцами 9. Обмотка ротора в этих вариантах собрана из отдельных стержней 10 и короткозамкнутых колец 11, либо вообще из отдельных изолированных катушек или стержней 12. В осевом направлении на валу 2 сердечник 1 подпрессован втулкой 13, посаженной на вал 2, например, с натягом.
Основная часть сердечника 1 от наружного диаметра до первого от вала 2 ряда концентричных прорезей 3 со своей центральной частью от вала 2 до первого от вала 2 ряда концентричных прорезей 3 связана по средством очень податливых в осевом направлении (вдоль вала 2) элементов 14, образованных в листах ротора концентричными прорезями 3 и 4 и перемычками 5 между ними. Эти очень податливые в осевом направлении элементы 14 обеспечивают необходимую свободу для осевых деформаций относительно вала 2 всем наиболее плотным («перепрессованным») зонам (объемам) сердечника 1 за первым от вала 2 рядом концентричных прорезей 3 без передачи на вал 2 каких-либо значительных осевых усилий. Вместе с тем сердечник 1 ротора жестко зафиксирован относительно вала 2 в радиальных направлениях - радиальные смещения основной части сердечника 1 от наружного диаметра до первого от вала 2 ряда концентричных прорезей 3 относительно вала невозможны.
Радиальный размер концентричных прорезей 3 и 4 может быть произвольным и определяется возможностями изготовителя, однако целесообразно выполнять его минимально возможным, равным, например, десятым долям миллиметра.
В некоторых случаях, с целью уменьшения трудоемкости изготовления, допустимо выполнять сердечник 1, как показано на фиг.3 и 5, с концентричными прорезями 3 и 4 в листах только торцевых пакетов сердечника 1 ротора.
Жестко связанная с валом 2 центральная часть сердечника 1 от вала 2 до первого ряда концентричных прорезей 3 при наличии в этой части сердечника 1 неравномерной опрессовки искривить вал 2 не может ввиду малости как самой неравномерности опрессовки, так и остаточного «распорного» усилия в ней, поскольку весьма мал радиальный размер этой части сердечника 1 по сравнению с радиальным размером целого листа сердечника 1 ротора.
Не может искривить вал 2 и средний пакет сердечника 1 ротора по фиг.3 и 5, выполненный из листов без концентричных прорезей 3 и 4 даже при неравномерности его опрессовки, поскольку велика жесткость вала 2 на изгиб на длине этого среднего пакета сердечника 1.
При работе электрической машины под нагрузкой неравномерно спрессованный сердечник 1 ротора прогревается, будут иметь место самые произвольные деформации его основной части от наружного диаметра до первого от вала 2 ряда концентричных прорезей 3, максимальные в зонах (объемах) сердечника 1, наиболее плотных («перепрессованных»). При этом очень податливые в осевом направлении элементы 14 не будут передавать на вал 2 усилий, способных его искривить.
Жесткость же и прочность очень податливых в осевом направлении элементов 14 в радиальном и тангенциальном направлениях для исключения радиальных относительно вала 2 перемещений основной части сердечника 1 и передачи вращающего момента вполне достаточны.
Заявленное изобретение может применяться на всех асинхронных двигателях: 4АЗМ, 6АЗМ, АДО, АЗМВ, в синхронных машинах с шихтованным ротором: ТГГ-2500 и т.д.