МНОГОСЛОЙНЫЙ РОТОР СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ РОТОР

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое техническое решение относится к области электромашиностроения, конкретно к конструкции бесконтактных синхронных электрических машин переменного тока с постоянными магнитами на роторе.
Уровень техники
Из патента RU 94081 известна конструкция бесконтактного синхронного двигателя, в которой ротор содержит сердечник, постоянные магниты, закрепленные на сердечнике и образующие магнитную систему ротора, пусковую обмотку, выполненную в виде полого цилиндра из токопроводящего материала, который напрессовывается на магнитную систему ротора. В описанном роторе токопроводящий материал, из которого выполнен полый цилиндр, является магнитным. Для обеспечения требуемых пусковых характеристик для каждого типоразмера двигателя рассчитывается оптимальная толщина стенки полого цилиндра пусковой обмотки, требуемая магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротивление материала, из которого должна выполняться пусковая обмотка.
Недостатком представленной конструкции является то, что материал цилиндра, играющего роль пусковой обмотки, должен обладать требуемыми электрическими и магнитными свойствами, в связи с чем он должен быть изготовлен из сплава с этими свойствами. Это порождает необходимость иметь индивидуальный сплав для каждого типоразмера машины.
Кроме того, в представленном роторе использована явнополюсная магнитная система, которая обеспечивает заданный необходимый магнитный поток, но увеличение его силы связано с увеличением габаритов ротора. При использовании коллекторной магнитной системы вместо явнополюсной также может быть обеспечен требуемый магнитный поток, однако рост силы потока также обеспечивается увеличением массо-габаритных показателей ротора и двигателя в целом.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание простой и технологичной конструкции системы возбуждения синхронного двигателя, в которой предусмотрена более эффективная по сравнению с уровнем техники магнитная система одновременно с упрощением изготовления пусковой обмотки.
Первая из поставленных задач решается с помощью ротора синхронной электрической машины, содержащего сердечник, постоянные магниты, закрепленные на сердечнике и образующие явнополюсную магнитную систему, а также дополнительные постоянные магниты, размещенные между полюсами явнополюсной магнитной системы. Эти дополнительные постоянные магниты сориентированы таким образом, что их полюса обращены к одноименным полюсам явнополюсной магнитной системы.
Решение первой задачи настоящего изобретения осуществлено за счет того, что магнитная система выполнена с использованием одновременно двух полюсных систем - явнополюсной и коллекторной. Каждая из этих полюсных систем по отдельности содержит промежутки между постоянными магнитам, входящими в магнитную систему, вдоль радиального периметра системы, в результате чего магнитное поле ослабляется на указанных промежутках. Благодаря соединению явнополюсной и коллекторной систем, когда в промежутках между магнитами одной полюсной системы размещаются магниты другой полюсной системы (дополнительные постоянные магниты), удается устранить ослабление магнитного поля в промежутках между магнитами тем, что теперь в этих промежутках размещены магниты другой полюсной системы, которые поддерживают напряженность магнитного поля в заполненных промежутках на заданном уровне и позволяют сконцентрировать в полюсах более сильное магнитное поле как сумму магнитных полей от явнополюсной и коллекторной магнитной систем.
Вторая задача решается в том же роторе синхронной электрической машины, который, кроме перечисленных компонентов, также содержит пусковую обмотку, напрессованную на явнополюсную магнитную систему ротора и выполненную, по меньшей мере, из двух, коаксиально соединенных полых цилиндров. Первый из этих цилиндров выполнен с использованием немагнитного токопроводящего материала (предпочтительно немагнитного металла), а второй цилиндр выполнен с использованием магнитного материала (предпочтительно магнитного металла или ферромагнетика). Благодаря выполнению пусковой обмотки из нескольких цилиндров облегчается подбор материалов, из которых выполняются цилиндры, входящие в состав пусковой обмотки.
В самом деле, в том случае, если пусковая обмотка выполняется в виде одного полого цилиндра, напрессовываемого на магнитную систему ротора, материал, используемый при изготовлении цилиндра, должен иметь заданные электрическую проводимость и магнитную проницаемость, значения которых могут меняться (для разных двигателей) в широких диапазонах и одновременно. То есть, необходимо в таком случае необходимо найти или создать такой материал, который будет обладать заданным сочетанием точных значений электрической проводимости и магнитной проницаемости, что является в ряде случаев решаемой задачей, но такие решения сопряжены со значительными затратами на разработку такого материала и его производство.
Благодаря настоящему изобретению, когда для изготовления пусковой обмотки используются два цилиндра, подбор материалов значительно облегчается, поскольку подобрать немагнитный материал с заданной электрической проводимостью и магнитный материал с заданной магнитной проницаемостью значительно проще, чем материал, в котором соблюдены обе характеристики одновременно. Следует учитывать, что магнитный материал также обладает некоторой электрической проводимостью, однако ее наличие может быть скомпенсировано изменением проводимости немагнитного токопроводящего материала на соответствующую величину.
В предпочтительном варианте выполнения первый и второй полые цилиндры являются сплошными. Наименования «первый» и «второй» полые цилиндры не означает порядок расположения цилиндров на магнитной системе ротора, такое обозначение введено лишь для удобства описания настоящего изобретения.
-7
-7
-7
В преимущественном варианте немагнитный токопроводящий материал, с использованием которого выполнен первый полый цилиндр, обладает удельным электрическим сопротивлением в пределах (0,2…6)·10 Ом·м, причем более предпочтительным является диапазон (0,6-1,1)·10 Ом·м. В одном из вариантов, дающим наибольший эффект с точки зрения эксплуатации синхронной машины, в которой используется ротор в соответствии с настоящим изобретением, удельное электрическое сопротивление составляет 1,1·10 Ом·м,
Магнитный материал, с использованием которого выполнен второй полый цилиндр, предпочтительно обладает относительной магнитной проницаемостью в пределах 10-50, причем более благоприятным диапазоном значений является относительная магнитная проницаемость в пределах 20-40. Наилучшим значением относительной магнитной проницаемости, по мнению заявителя, является 30.
В предпочтительном варианте выполнения явнополюсная магнитная система ротора содержит полюсные наконечники, которые выполняют роль концентраторов. В таком случае дополнительные постоянные магниты могут прилегать к указанным полюсным наконечникам.
Сердечник ротора может быть выполнен из магнитной стали сплошным или шихтованным.
В преимущественном варианте по торцам пусковой обмотки закреплены токопроводящие короткозамыкающие кольца с обеспечением электрического контакта между пусковой обмоткой и кольцами. Короткозамыкающие кольца могут быть выполнены из меди или латуни.
Задачи настоящего изобретения также решает синхронная электрическая машина, содержащая ротор по любому из перечисленных вариантов. В такой синхронной электрической машине число полюсов магнитной системы ротора предпочтительно соответствует числу полюсов обмотки статора.
Техническим результатом заявляемого решения является создание простой и технологичной конструкции системы возбуждения синхронного двигателя, в которой предусмотрена более эффективная по сравнению с уровнем техники магнитная система путем комбинирования явнополюсной и коллекторной магнитных систем. Благодаря такой комбинации удается обеспечить более сильный магнитный поток при сохранении размеров ротора либо уменьшить размеры ротора при сохранении силы магнитного потока его магнитной системы. Благодаря настоящему изобретению одновременно удается достичь упрощения изготовления пусковой обмотки вследствие разделения обмотки на два и более цилиндров, для изготовления которых могут применяться стандартные материалы, что упрощает подбор материалов и снижает стоимость ротора, поскольку подобрать два материала, каждый из которых обладает своей заданной характеристикой, проще и дешевле, чем найти или изготовить материал, у которого наличествуют обе эти характеристики.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлено продольное сечение ротора.
На фиг.2 показан вид ротора, изображенного на фиг.1, со стороны торца.
Осуществление изобретения
На фиг.1 и 2 показан ротор синхронной электрической машины, содержащий сердечник 2, закрепленный на валу 1, постоянные магниты 3, закрепленные на сердечнике 2 и образующие явнополюсную магнитную систему, а также дополнительные постоянные магниты 4, размещенные между полюсами явнополюсной магнитной системы. Эти дополнительные постоянные магниты 4 сориентированы таким образом, что их полюса обращены к одноименным полюсам явнополюсной магнитной системы. Ротор также содержит пусковую обмотку, напрессованную на явнополюсную магнитную систему ротора и выполненную, по меньшей мере, из двух, коаксиально соединенных полых цилиндров 5 и 6. Первый из этих цилиндров 5 выполнен с использованием немагнитного токопроводящего материала (предпочтительно немагнитного металла), а второй цилиндр 6 выполнен с использованием магнитного материала (предпочтительно магнитного металла или ферромагнетика). Благодаря выполнению пусковой обмотки из нескольких цилиндров 5 и 6 облегчается подбор материалов, из которых выполняются цилиндры 5 и 6, входящие в состав пусковой обмотки.
-7
-7
-7
В предпочтительном варианте выполнения первый и второй полые цилиндры 5 и 6 являются сплошными. В преимущественном варианте немагнитный токопроводящий материал, с использованием которого выполнен первый полый цилиндр 5, обладает удельным электрическим сопротивлением в пределах (0,2…6)·10 Ом·м, причем более предпочтительным является диапазон (0,6-1,1)·10 Ом·м. В одном из вариантов, дающим наибольший эффект с точки зрения эксплуатации синхронной машины, в которой используется ротор в соответствии с настоящим изобретением, удельное электрическое сопротивление составляет 1,1·10 Ом·м.
Магнитный материал, с использованием которого выполнен второй полый цилиндр 6, предпочтительно обладает относительной магнитной проницаемостью в пределах 10-50, причем более благоприятным диапазоном значений является относительная магнитная проницаемость в пределах 20-40. Наилучшим значением относительной магнитной проницаемости, по мнению заявителя, является 30.
В предпочтительном варианте выполнения явнополюсная магнитная система ротора содержит полюсные наконечники 7, которые выполняют роль концентраторов. В таком случае дополнительные постоянные магниты 4 могут прилегать к указанным полюсным наконечникам 7.
Сердечник 2 ротора может быть выполнен из магнитной стали сплошным или шихтованным.
В преимущественном варианте по торцам пусковой обмотки закреплены 35 токопроводящие короткозамыкающие кольца 8 с обеспечением электрического контакта между пусковой обмоткой и кольцами 8. Короткозамыкающие кольца 8 могут быть выполнены из меди или латуни.
Представленный на фиг.1 и 2 ротор может быть использован в синхронной электрической машине. В такой синхронной электрической машине число полюсов 5 магнитной системы ротора предпочтительно соответствует числу полюсов обмотки статора.
В зависимости от требуемых пусковых параметров двигателя таких как: кратность пускового момента, кратность пускового тока, кратность максимального момента, цилиндры пусковой обмотки выполняются из материалов с различной магнитной проницаемостью и электропроводностью, а также с различной толщиной стенки, имея ввиду, что с увеличением электропроводности пусковой момент уменьшается, подсинхронная частота вращения увеличивается, а с уменьшением толщины цилиндра подсинхронная частота вращения уменьшается, а пусковой момент увеличивается.
Принцип определения материала цилиндров пусковой обмотки следующий. Аксиальная длина цилиндров принимается не меньше аксиальной длины магнитов и определяется допустимым уровнем проявления краевого эффекта. С увеличением длины проявление краевого эффекта уменьшается, но увеличиваются аксиальные геометрические размеры активной зоны машины. Обычно, удовлетворительный компромисс достигается при увеличении длины цилиндра на удвоенную величину немагнитного зазора.
От толщины стенки магнитного цилиндра зависит демпфирование пульсаций электромагнитного момента при самозапуске. С увеличением толщины стенки цилиндра демпфирование усиливается, однако растет немагнитный зазор. В качестве меры толщины стенки цилиндра выступает глубина проникновения магнитного потока в эту стенку. Глубина проникновения увеличивается с увеличением удельного электрического сопротивления материала цилиндра и уменьшается с увеличением магнитной проницаемости и частоты токов в цилиндре. Толщина стенки больше глубины проникновения может приниматься, исходя из других явлений, происходящих в машине.
Токопроводящие свойства материала немагнитного цилиндра обеспечивают протекание токов, индуктированных вращающимся полем статора, и возникновение положительного асинхронного пускового момента от взаимодействия этих токов с вращающимся полем статора. Токопроводящие кольца ориентируют токи в аксиальном направлении, повышая эффективность пусковой обмотки в виде цилиндра. От токопроводящих свойств материала цилиндра зависит величина пускового момента и подсинхронная частота вращения, с увеличением которой облегчается последующий вход в синхронизм после самозапуска двигателя. Причем, с уменьшением электропроводности (с увеличением удельного электрического сопротивления материала цилиндра) пусковой момент увеличивается, а подсинхронная частота вращения уменьшается и наоборот. Оптимальное значение токопроводящих свойств материала цилиндра определяется путем установления компромисса между этими указанными противоположными тенденциями, удовлетворяющему конкретные условия эксплуатации двигателя, в частности, имея, прежде всего, ввиду характер момента нагрузки на валу. При вентиляторном характере момента нагрузки могут быть предъявлены минимальные требования к величине начального пускового момента.
Магнитные свойства материала магнитного цилиндра, из-за его размещения в воздушном промежутке между полюсными наконечниками и внутренней поверхностью сердечника статора, позволяют уменьшить немагнитный зазор тем больше, чем больше магнитная проницаемость материала цилиндра. Уменьшение немагнитного зазора приводит к увеличению полезного потока магнитов при данном их объеме, позволяет уменьшить требуемое числа витков обмотки статора, что обеспечивает уменьшение активного сопротивления обмотки статора, электрических потерь, нагрева обмотки и увеличение КПД или уменьшение массогабаритных показателей машины. С другой стороны, большая магнитная проницаемость материала цилиндра приводит к увеличению магнитного потока, замыкающегося между полюсами, минуя обмотку статора, что способствует уменьшению полезного потока полюсов. Оптимальное значение магнитной проницаемости материала цилиндра определяется путем установления компромисса между этими указанными противоположными тенденциями, удовлетворяющему конкретные технические требования к создаваемому двигателю. Требуемая оптимальная магнитная проницаемость обеспечивается выбором материала цилиндра и его магнитной загрузкой (степенью насыщения) потоком рассеяния, величина которого зависит также от толщины стенки. В некоторых вариантах магнитный материал, из которого выполнен полый цилиндр, обладает относительной магнитной проницаемостью в пределах 10-50, причем более предпочтительным диапазоном значений относительной магнитной проницаемости является 20-40. В одном из вариантов магнитный материал, из которого выполнен полый цилиндр, обладает относительной магнитной проницаемостью в пределах 30.
Немагнитные металлические кольца по торцам цилиндров вынесены за пределы воздушного зазора между статором и ротором и служат для замыкания токов, протекающих в цилиндрах. Они являются составной частью пусковой обмотки и закреплены с обеспечением электрического контакта между цилиндрами и кольцами. Поэтому токопроводящие свойства материала колец оказывают на рабочие свойства двигателя такое же влияние, как токопроводящие свойства материала цилиндра. В связи с этим выбор материала и геометрических размеров колец используется для формирования оптимальных токопроводящих свойств пусковой обмотки, выполненной в виде цилиндра. В одном из вариантов осуществления изобретения короткозамыкающие кольца выполнены из латуни или меди.
Технические преимущества заявляемого решения с применением пусковой или демпферной обмотки в виде полых сплошных цилиндров из токопроводящих и магнитных материалов, напрессованных на полюсные наконечники постоянных магнитов, в роторах синхронных машин заключаются в создании технологичной конструкции роторов без применения специальных сплавов, обеспечивающей прямой запуск синхронного двигателя от сети с требуемыми техническими параметрами, включая уровень колебаний пускового момента, надежность демпферной обмотки у синхронных генераторов, а также требуемые потребительские свойства в синхронном режиме.
Представленное решение осуществлено в совокупности заявленных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии его условию промышленной применимости. Рекомендуется к применению в бесконтактных синхронных машинах переменного тока с постоянными магнитами.