РОТОР СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
ROTOR OF THE SYNCHRONOUS REACTIVE ELECTRIC MACHINE

Данное изобретение касается ротора, в частности ротора синхронной реактивной электрической машины, работающей непосредственно в сети электроснабжения, причем ротор имеет ось, и этот ротор по меньшей мере на отдельных участках снабжен аксиально шихтованными пластинами, причем ротор выполнен как реактивный ротор, имеющий заданное число полюсов ротора, которые образованы участками, проводящими поток, и, в частности, немагнитными барьерными участками для потока отдельных пластин, причем ротор имеет по меньшей мере одну клетку, образованную проходящими по существу аксиально электрическими проводниками, которые на каждой торцевой стороне ротора соединены короткозамыкающими кольцами.
Кроме того, изобретение касается синхронной реактивной электрической машины и способа изготовления ротора синхронной реактивной электрической машины.
Роторы вращающихся динамоэлектрических реактивных машин сконструированы шихтованными и анизотропными. Для магнитного потока в контуре отдельных пластин выполнены проводящие участки и барьерные участки. За счет этого потоки по магнитным осям d и q различны.
Ротор имеет, таким образом, явновыраженные полюса. Эти полюса получены за счет того, что конструктивно созданы различные индуктивности по оси d и по оси q ротора. При этом поверхности ротора снабжаются, например, зубчатой структурой, или в пластинах ротора высекаются барьеры потока.
Так, например, в US 4795936 A1 описан ротор, у которого за счет выреза изменяется индуктивность ротора. Середина оси d снабжена магнитномягким материалом и дает путь потоку. Эта конструкция создает разные магнитные сопротивления по магнитным осям d и q ротора, тем самым там образуются явновыраженные полюса ротора. Индуктивность по оси d выше, чем индуктивность по оси q. Таким образом, магнитные сопротивления по этим осям тоже получаются разными. Разность индуктивностей является поэтому определяющей для вращающего момента на выходе реактивной электрической машины. Для того чтобы синхронный реактивный электродвигатель можно было запускать непосредственно в сети электроснабжения, например, 400 В, 50 Гц и синхронизировать с частотой сети, следует в роторе дополнительно предусмотреть короткозамкнутую клетку для прямого пуска на полное напряжение.
Так, например, в US 2006/0108888 A1 показан ротор со короткозамыкающими стержнями. При этом стержни в листовой стали ротора отделены перемычками от барьеров потока. Таким образом, присутствуют локально ограниченные проводящие стержни. Эти перемычки действуют, однако, негативно на свойства реактивного ротора, поскольку часть магнитного потока в этой области замыкается и больше не может участвовать в создании вращающего момента. Вследствие этого понижается эффективность, а также плотность мощности синхронной реактивной электрической машины.
Точно также из WO 2014/166555 A2 известен реактивный ротор, у которого барьеры потока полностью залиты. Увеличенный расход материала увеличивает инерционность и стоимость ротора. Кроме того, при использовании метода литья под давлением необходима дополнительная поддержка снаружи для геометрии листовой стали во время процесса литья, так как под воздействием давления в барьерах потока радиально внешние перемычки пакета сердечника могут перегружаться по их пределу прочности при растяжении во время литья.
Исходя из этого в основу данного изобретения положена задача создания ротора синхронной реактивной электрической машины, который прост в изготовлении и, тем не менее, обеспечивает запуск синхронной реактивной электрической машины непосредственно в сети электроснабжения.
Поставленная задача в роторе, в частности, работающей непосредственно в сети электроснабжения синхронной реактивной электрической машины, причем ротор имеет ось, и этот ротор снабжен по меньшей мере на отдельных участках аксиально шихтованными пластинами, причем ротор выполнен как реактивный ротор, имеющий заданное число полюсов ротора, которые образованы участками, проводящими поток, и, в частности, немагнитными барьерными участками для потока отдельных пластин, причем ротор имеет по меньшей мере одну клетку, образованную проходящими по существу аксиально электрическими проводниками, которые на торцевых сторонах ротора соединены короткозамыкающими кольцами, решается за счет того, что проходящие аксиально проводники находятся в радиально внешней области по меньшей мере отдельных расположенных по существу аксиально друг за другом барьерных участков для потока.
Решение поставленной задачи обеспечивается также способом изготовления ротора, в частности, работающей непосредственно в сети электроснабжения синхронной реактивной электрической машины, причем ротор имеет ось, и этот ротор снабжен по меньшей мере на отдельных участках аксиально шихтованными пластинами, причем ротор выполнен как реактивный ротор, имеющий заданное число полюсов ротора, образованных участками, проводящими поток, и, в частности, немагнитными барьерными участками для потока отдельных пластин, причем ротор имеет по меньшей мере одну клетку, образованную проходящими по существу аксиально электрическими проводниками, которые на торцевых сторонах ротора соединены короткозамыкающими кольцами, причем этот способ характеризуется следующими этапами:
- вырубка пластин с заданной геометрией листовой стали,
- аксиальное пакетирование этих пластин в шихтованный пакет из листовой стали,
- заливка заданного количества электропроводящего немагнитного материала в заданное количество барьерных участков для потока при одновременном вращении и/или качательном движении ротора во вспомогательном устройстве.
Электрические проводники образованной короткозамкнутой клетки ротора находятся на радиально внешних концах по меньшей мере некоторых барьеров потока пакета сердечника ротора. Таким образом обеспечивается среди прочего эффективный разгон реактивной электрической машины непосредственно в сети электроснабжения - т.е. даже без промежуточного электрического включения вентильного преобразователя.
Предусмотренными в качестве проводников электропроводящими немагнитными материалами являются при этом чистый алюминий (алюминий 99,7), алюминиевые сплавы, медь, медные сплавы, проводящий материал, связанный в пластмассе или полимерной смоле, цветные металлы в виде порошка в пластмассе или полимерной смоле, а также карбоновые нанотрубки в пластмассе или полимерной смоле, предпочтительно с тонкими короткими волокнами.
Предпочтительно материалом таких проводников является металл и/или металлический сплав. Согласно одному варианту осуществления данного изобретения проводник по меньшей мере в одной области содержит по меньшей мере один из следующих материалов: медь, алюминий, магний, сплав, при этом предпочтительно алюминиевый сплав, в частности, силумин.
Участки, проводящие поток, известным образом отделены друг от друга немагнитными областями, запирающими поток. Барьерные участки для потока при этом являются немагнитными, т.е. в частности, за счет того, что они не содержат ферромагнитного материала, т.е., например, вырубки содержат воздух. В предлагаемом изобретением роторе в нескольких или во всех областях барьеров для потока в радиально внешних областях этих барьерных участков для потока размещен электропроводящий, неферромагнитный заполнитель. Под «электропроводящим» здесь следует понимать, что заполнитель имеет высокую электропроводность, в частности, величину проводимости более 105 С/м (Сименс на метр), предпочтительно более 106 С/м.
Неферромагнитным материалом в смысле данного изобретения является, например, совсем немагнитный материал, например, керамика с углеродными нанотрубками или полимер с углеродными нанотрубками, или парамагнитный, или диамагнитный материал.
Для того чтобы оказывать влияние на пульсацию вращающего момента ротора синхронной реактивной электрической машины, т.е. на сглаживание пульсаций, полюса ротора выполнены предпочтительно скошенными, перекрещивающимися или расположенными ступенчато, если смотреть в направлении осевой длины. При этом, разумеется, нужно обращать внимание на то, что скашивание или ступенчатое расположение обеспечивается процессом изготовления проходящих аксиально проводников, что будет описано далее, и может быть создана клетка внутри ротора. При этом важно, что и при скашивании или ступенчатом расположении имеются проходящие аксиально проводники.
Предлагаемый изобретением ротор получается, в частности, за счет того, что аксиально уложенный шихтованный пакет ротора устанавливается во вспомогательном устройстве, на одну торцевую сторону помещается короткозамыкающее полукольцо (Kurzschlussringschale) и заполняется электропроводящим немагнитным материалом в жидком виде до заданного уровня заполнения.
Точно так же короткозамыкающие полукольца могут быть размещены на обеих торцевых сторонах шихтованного пакета из листовой стали и заполнены электропроводящим немагнитным материалом в жидком виде до предварительно заданного уровня заполнения.
Затем за счет затекания этого проводящего материала в барьеры потока и с использованием последующего и/или подключенного метода центробежного литья этот материал внутри предусмотренных барьеров потока принудительно вводится в радиально внешние области этих барьеров потока, где он затвердевает и так образует по меньшей мере один короткозамыкающий стержень - т.е. один электрический проводник - на радиально внешних краях барьеров потока.
Для преждевременного отверждения электропроводящего материала в барьерах потока шихтованный пакет из листовой стали ротора нагревается предварительно и/или в ходе процесса.
Таким образом, проводящий материал дольше остается в своем жидком состоянии и в рамках процесса изготовления может быть лучше позиционирован внутри соответствующих барьеров потока, в частности, за счет центробежных сил.
Предлагаемый изобретением ротор по сравнению с обычными роторами имеет сниженную массу и, тем самым, пониженный момент инерции. Это ведет также к экономии ресурсов. Кроме того, изготовление формы металлического листа - т.е. предоставление подходящего листового штампа - является сравнительно простым, так как не требуется разделений, соответственно, перемычек между пазами проводников и участками, проводящими поток, и барьерными участками для потока в пластинах. Сечение проводников, т.е. сечение стержня клетки регулируются только объемом используемого проводящего, пригодного для разлива материала и/или внутренним диаметром короткозамыкающих полуколец.
На магнитный поток, как и на КПД реактивной электрической машины согласно изобретению наличие опорных перемычек внутри пакета сердечника не оказывает негативного влияния.
Способ изготовления предлагаемого изобретением ротора пригоден для самых разных сечений стержней и разного числа полюсов. Таким образом, согласно изобретению можно с одной единственной формой роторной пластины изготовить синхронный реактивный электродвигатель с клеткой или без клетки.
Предлагаемый изобретением ротор дает то преимущество, что области барьеров для потока, соответственно, барьерные участки для потока с находящимся в них заполнителем образуют стержни роторной клетки и, тем самым, интегрированы в этот предлагаемый изобретением реактивный ротор. Вместе с короткозамыкающими кольцами и стержнями клетки, т.е. с роторной клеткой теперь синхронный реактивный электродвигатель может запускаться асинхронно, соответственно, простым образом выравнивать колебания нагрузки, которые препятствуют синхронному вращению ротора. Таким образом, после асинхронного запуска, разгона или колебаний нагрузки ротор самостоятельно вращается в синхронном режиме. Ротор, таким образом, является ротором синхронного реактивного электродвигателя с существенно более высоким КПД соответственно, более высокой плотностью мощности, чем у сравнимого асинхронного двигателя, так как в этом роторе почти не возникает потерь. При синхронном режиме вращения, т.е. когда ротор вращается с частотой вращения вращающегося магнитного поля статора, нет никакого относительного движения/скольжения поля статора по отношению к полю ротора, соответственно, нет никакой индукции в роторных стержнях роторной клетки.
За счет подбора заполнителя проводников - т.е. устанавливаемого таким образом электрического сопротивления - возможна также оптимизация параметров запуска ротора независимо от параметров его синхронного вращения. Заполнитель в застывшем состоянии предпочтительно настолько жесткий, что он стабилизирует ротор даже от центробежных сил, так что ротор рассчитан на режим с числом оборотов более 3000 об/мин (оборотов в минуту), в частности более 7000 об/мин.
Согласно одной модификации изобретения на противоположных аксиальных концах шихтованного пакета из листовой стали расположено по одной электропроводящей и неферромагнитной пластине, посредством которой электрически соединены стержни клетки, и таким образом эти пластины образуют короткозамыкающее кольцо ротора с «беличьей клеткой». Эти пластины могут быть изготовлены предпочтительно методом литья под давлением или методом инжекционного прессования с незначительными затратами. Пластины могут быть выполнены из используемого в конкретном случае заполнителя проводников.
Еще одна реализуемая с низкими затратами возможность регулирования электрического сопротивления ротора с «беличьей клеткой» получается согласно варианту выполнения, при котором соответствующее эффективное сечение проводника пластин между двумя проводниками, т.е. стержнями клетки настолько невелико, что эти пластины в этом сечении проводника имеют большее электрическое сопротивление, чем проводники, соответственно, стержни клетки. Например, толщина пластины, измеренная в осевом направлении, настолько невелика, что путь тока в переходе от одного стержня клетки к следующему в этой пластине имеет большее электрическое сопротивление, чем в стержнях клетки. Пластины могут быть выполнены так же, как короткозамыкающее кольцо, т.е. с вырезом, благодаря чему тоже может быть установлено сечение проводника.
Согласно одному варианту выполнения аксиально внутри шихтованного пакета из листовой стали тоже предусмотрена по меньшей мере одна промежуточная пластина, которая тоже может быть выполнена из материала проводящих стержней или материала обеих пластин, расположенных на торцевых сторонах концов шихтованного пакета. Благодаря этому обеспечивается преимущество, заключающееся в повышении механической жесткости ротора и, тем самым, может быть достигнуто увеличение частоты вращения ротора. Кроме того, таким образом может быть просто обеспечено задаваемое ступенчатое расположение между двумя расположенными аксиально друг за другом частями шихтованного пакета ротора. Смещение между аксиально соседними полюсами ротора таким образом может регулироваться вплоть до одного полюсного деления.
Материал проводников и короткозамыкающих колец этих проводников на торцевых сторонах концов шихтованного пакета из листовой стали залит проводящим материалом в прочный узел, что делает возможным особенно простое выполнение ротора динамоэлектрической машины.
Данное изобретение предлагает, наконец, и электрическое приводное устройство, которое содержит динамоэлектрическую машину с ротором согласно одному варианту осуществления данного изобретения. Эта динамоэлектрическая машина при этом предназначена для эксплуатации в качестве синхронного реактивного электродвигателя или в качестве асинхронного двигателя. Преимуществом этой динамоэлектрической машины является то, что она может запускаться в асинхронном режиме, а эксплуатироваться в синхронном режиме с высоким КПД. В случае асинхронного двигателя преимущество заключается в том, что при небольшой нагрузке ротор может также входить в синхронизм с вращающимся полем статора, и за счет этого получается синхронный реактивный режим, благодаря которому минимизируются электрические потери в роторе.
В простейшем случае электрическое приводное устройство представляет собой отдельную динамоэлектрическую машину. Предлагаемое изобретением приводное устройство может, однако содержать несколько динамоэлектрических машин, т.е. к описанной динамоэлектрической машине может быть добавлена по меньшей мере одна дополнительная динамоэлектрическая машина с соответствующим ротором, который выполнен в соответствии с одним вариантом осуществления предлагаемого изобретением ротора. Все машины при таком варианте выполнения подключены к одному общему инвертору. При таком групповом приводе, как правило, возникает проблема обеспечения этим общим инвертором синхронного режима у всех динамоэлектрических машин. В предлагаемом изобретением приводном устройстве такой проблемы нет, так как «выпадающий из синхронизма ротор» самостоятельно ускоряется с помощью своей роторной клетки снова до синхронной частоты вращения.
В приводном устройстве может быть также предусмотрено, что одна из динамоэлектрических машин имеет ротор, который не выполнен согласно данному изобретению. Инвертор в этом случае может быть выполнен для синхронного режима одной этой электрической машины. Все остальные электрические машины в этом случае благодаря их способности запускаться также асинхронно тоже могут работать от этого инвертора.
Данное изобретение, а также другие предпочтительные варианты выполнения изобретения более подробно описываются на примере нескольких вариантов осуществления; при этом на чертежах показано следующее:
Фиг. 1 - частичное продольное сечение синхронной реактивной электрической машины,
Фиг. 2 - сечение ротора,
Фиг. 3 - вид в перспективе продольного сечения ротора,
Фиг. 4 - вид в перспективе ротора,
Фиг. 5 - сечение ротора, и
Фиг. 6 - принципиальная блок-схема изготовления ротора.
На Фиг. 1 показано частичное продольное сечение синхронной реактивной электрической машины, имеющей статор 2, который в осевом направлении выполнен шихтованным, причем в торцевых сторонах статора 2 расположены лобовые части 3 обмотки, являющиеся частью не представленной более подробно системы обмотки, которая расположена в пазах 4 статора 2. Воздушным зазором от него отделен ротор 10. Ротор 10, как в дальнейшем будет рассмотрено подробнее, представляет собой реактивный ротор с короткозамыкающим кольцом 14 на каждой торцевой стороне ротора 10. Это короткозамыкающее кольцо 14 является частью не показанных на этом изображении проводящих стержней, которые находятся в соответствующих выемках ротора 10. Между статором 2 и ротором 10 происходит электромагнитное взаимодействие, которое вызывает вращение ротора 10 и, тем самым, вала 8 вокруг оси 7.
Статор 2 находится в корпусе 6, который, в свою очередь, посредством подшипника 9 опирается на вал 8. Для того чтобы обеспечить достаточное охлаждение, схематично показан вентилятор 12, который через обозначенные осевые охлаждающие каналы 11 в роторе 10 и, соответственно, охлаждающие каналы 5 в статоре 2 обеспечивает воздухообмен и, тем самым, теплообмен в реактивной электрической машине 1.
На Фиг. 2 показан вид сбоку ротора 10, который в данном варианте выполнен четырехполюсным, причем такое четырехполюсное выполнение получено за счет расположения участков 15, проводящих поток, и барьеров 16 потока. Барьеры 16 потока в этом варианте выполнения имеют центральные опорные ребра 17 для того, чтобы воспринимать радиальные силы, в частности, центробежные силы при работе реактивной электрической машины 1. Через осевое сверление 18 вал 8 соединен с ротором 10 без возможности проворачивания. Короткозамыкающее кольцо 14 находится в радиально внешнем конце ротора 10, в непосредственном контакте с торцевой стороной ротора 10.
Однако короткозамыкающее кольцо 14 может быть расположено и на расстоянии от торцевой стороны ротора 10, для чего предусматриваются прокладочные элементы, которые расположены аксиально между короткозамыкающим кольцом 14 и торцевой стороной шихтованного пакета 13 из листовой стали. Эти электрически непроводящие прокладочные элементы удаляются после изготовления или остаются на роторе 10.
На Фиг. 3 показан в продольном сечении вид в перспективе разрезанного ротора 10, причем, в отличие от рассмотренного выше изображения по Фиг. 2, здесь показано, как короткозамыкающее кольцо 14 в осевом направлении выступает за торцевую сторону ротора 10, не прилегая непосредственно к этой торцевой стороне ротора 10. При этом здесь показано также, как проводящие стержни 19 выходят от короткозамыкающего кольца 14 и проходят по всей осевой длине пакета 13 сердечника ротора 10.
На Фиг. 4 дополнительно к предыдущим фигурам показано, что в области пакета 13 сердечника проводящие стержни 19 находятся внутри радиальных опорных ребер 20, и теперь только короткозамыкающие кольца 14 находятся аксиально снаружи пакета 13 сердечника ротора 10.
На Фиг. 5 в сечении ротора 10 показана еще одна форма металлического листа четырехполюсного ротора 10, при которой барьеры 16 потока не имеют центральных опорных ребер 17. В остальном эта форма металлического листа соответствует формам, показанным на предыдущих фигурах. Обращает на себя внимание здесь то, что согласно изобретению проводящий материал находится только в радиально внешних концах барьерных участков 16 для потока. Проводящий материал попал в эти внешние места одного или нескольких участков барьера 16 для потока показанным схематично на Фиг. 6 способом. При этом именно в области короткозамыкающего кольца 14 было установлено короткозамыкающее полукольцо 23, которое завершается заподлицо с торцевой стороной ротора 10 и таким образом может быть заполнено жидким электропроводящим материалом, который распределяется по осевой длине шихтованного пакета 13 ротора 10 соответствующего участка барьера 16 для потока.
За счет вращения 22 и/или качательного движения устройства и, тем самым, пакета 13 сердечника ротора 10 жидкий электропроводящий материал распределяется по внешним радиальным краям барьерных участков 16 для потока. Сечение каждого из получаемых таким образом проводящих стержней предварительно задается количеством использованного проводящего материала, который, в свою очередь, образует внутренний диаметр 21 проводящих стержней.
Дополнительно после остывания материала проводников в барьерных участках 16 для потока в короткозамыкающие полукольца 23 подается тот же или подобный заполнитель для того, чтобы добиться желаемого сечения и/или электрической проводимости короткозамыкающего кольца 14.
Такого рода синхронные реактивные электрические машины 1 применяются, в частности, для привода вентиляторов или компрессоров, но могут также находить самое разное применение в групповых приводах.