СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРА ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
METHOD FOR MANUFACTURING ROTOR FOR ROTATING ELECTRIC MACHINE

Данное изобретение касается способа изготовления ротора для вращающейся электрической машины.
Данное изобретение касается, далее, ротора для вращающейся электрической машины, который изготовлен такого рода способом.
Данное изобретение касается, кроме того, вращающейся электрической машины с по меньшей мере одним таким ротором.
Такого рода способ применяется, в частности, для изготовления роторов вращающейся электрической машины с высокой скоростью вращения, которые выполнены, например, как асинхронные машины. Например, такая вращающаяся электрическая машина с высокой скоростью вращения может эксплуатироваться с мощностью по меньшей мере 1 МВт и со скоростью по меньшей мере 5000 об/мин, однако, данное изобретение не ограничивается такого рода машинами. Вращающаяся электрическая машина с высокой скоростью вращения может эксплуатироваться как двигатель или как генератор, например, в компрессоре или в турбине.
Ротор имеет по меньшей мере один генерирующий магнитный полюс элемент, например, короткозамкнутую клетку («беличью клетку», «беличье колесо»), обмотку или постоянные магниты, которые должны выдерживать центробежные силы, возникающие на высоких скоростях.
В выложенном описании EP 2979349 A1 описан способ изготовления ротора электрической машины, причем этот ротор имеет расположенный концентрично оси ротора сердечник ротора из материала сердечника, причем сердечник ротора имеет пазы, которые проходят, по существу, в аксиальном направлении, причем сердечник ротора на соответствующем аксиальном конце пазов имеет по одной кольцевой выемке, расположенной концентрично оси ротора и соединяющей указанные пазы, причем сердечник ротора имеет диффузионный слой, который содержит диффузионный материал и который по меньшей мере частично покрывает по меньшей мере указанную соответствующую поверхность этих пазов и/или соответствующей кольцевой выемки.
В патенте EP 2979350 B1 описан способ изготовления ротора электрической асинхронной машины. При этом способе изготовляют несущий вал с пазами на валу. На этот несущий вал помещается короткозамкнутый ротор, причем этот несущий вал и электропроводящий сыпучий материал помещаются в емкость, так что сыпучий материал заполняет пазы на валу. Этот сыпучий материал в емкости уплотняется посредством горячего изостатического прессования и соединяется с несущим валом.
В выложенном описании EP 3040384 A1 описан роторный вал для высокоскоростного двигателя, причем этот роторный вал содержит тело вала, которое рассчитано на вращательное движение во время работы высокоскоростного двигателя. Тело вала выполнено из стального материала. Роторный вал имеет также покрытие, которое закреплено по меньшей мере на части наружной поверхности тела вала, причем это покрытие предназначено для того, чтобы проводить индуцированный электрический ток для вращательного движения тела вала. Указанное покрытие состоит из материала сплава, причем этот материал сплава покрытия и стальной материал тела вала являются различными материалами.
В выложенном описании DE 102012006248 A1 описан короткозамкнутый ротор и способ его изготовления, причем этот ротор имеет проводник достаточной толщины. В этом изобретении проводящие частицы в твердотельном состоянии напыляются на сердечник и/или на проводящие стержни. В результате в материале покрывного слоя существенно ограничивается увеличение кристаллического зерна проводников, за счет чего проводящие концевые кольца соединяются с сердечником и/или с проводящими стержнями.
В выложенном описании DE 102009053987 A1 описан способ изготовления компактной и/или массивной многослойной секции обмотки. Посредством холодного газодинамического напыления (Dynamic Cold Spraying) создаются электропроводящие соединения между заделанными в материал подложки отдельными проводящими слоями, в частности, между отдельными токопроводящими дорожками.
В выложенном описании WO 2016/017256 A1 описан индукционный двигатель, имеющий ротор с токопроводящими шинами, которые имеются в пазах массивного стального сердечника.
Эти пазы являются открытыми пазами и имеют ширину, которая постепенно и линейно сужается со стороны внешнего периметра к внутренней стороне ротора.
В выложенном описании EP 0264110 A1 описана электромагнитная система, в частности, электромагнитная обмотка с электроизолированными друг от друга токопроводящими витками, которые электрически изолированы относительно друг друга и имеют форму электропроводящей пленки. Эта пленка может представлять собой металлическое покрытие на электроизолированной полимерной пленке или состоять из электропроводящего полимерного материала с изоляционным слоем между отдельными витками обмотки.
Из JP 2014108006 A известен ротор с короткозамкнутой клеткой, имеющий пазы для проводников этой короткозамкнутой клетки, причем для образования этих проводников используется наносимый печатью металлический порошок.
Из EP 0264110 A1 известна электромагнитная система, в частности, электромагнитная обмотка с электрически изолированными друг от друга токопроводящими витками, которые электрически изолированы относительно друг друга и имеют форму электропроводящей пленки.
В основу данного изобретения положена задача создания способа изготовления ротора для вращающейся электрической машины, который проще и экономичнее по сравнению с уровнем техники.
Эта задача согласно изобретению решается посредством способа изготовления ротора для вращающейся электрической машины с по меньшей мере одним телом вала и одной короткозамкнутой клеткой, при котором напыляют покрытие из по меньшей мере одного первого металлического материала и второго металлического материала, отличающегося от первого металлического материала, посредством метода термического напыления на по меньшей мере одну часть, по существу, цилиндрической наружной поверхности тела вала, причем благодаря этому покрытию образуется по меньшей мере часть короткозамкнутой клетки.
Далее, эта задача, согласно изобретению, решается посредством ротора для вращающейся электрической машины, имеющего короткозамкнутую клетку и изготовленного таким способом.
Кроме того, эта задача, согласно изобретению, решается посредством вращающейся электрической машины с по меньшей мере одним таким ротором.
Приведенные ниже в связи со способом преимущества и предпочтительные варианты выполнения можно по смыслу отнести к ротору и к вращающейся электрической машине.
В основе данного изобретения лежит идея оптимизации изготовления ротора для вращающейся электрической машины за счет применения метода термического напыления. Методами термического напыления являются, например, электродуговое напыление, плазменное напыление или газопламенное напыление. Методом термического напыления различные металлические материалы наносятся на, по существу, цилиндрическую наружную поверхность тела вала, причем образуется плотное и прочно прилипающее покрытие, и причем посредством этого покрытия образуется по меньшей мере часть создающего магнитный полюс элемента. Металлический материал представляет собой, например, металл или сплав соответственно с магнитно-твердыми, магнитно-мягкими или немагнитными свойствами. Образующий магнитный полюс элемент представляет собой, например, короткозамкнутую клетку, электромагнит или постоянный магнит. Если на тело вала напыляются два металлических материала, то сцепление между этими материалами улучшается за счет создания соединения с замыканием по материалу, так что создающий магнитный полюс элемент защищен, например, от центробежных сил, возникающих во время работы. В частности, по сравнению с горячим изостатическим прессованием за счет метода термического напыления существенно сокращается количество рабочих операций, что ведет к упрощению способа изготовления и снижает себестоимость изготовления.
Особенно предпочтительно, если в качестве термического способа напыления используется холодное газодинамическое напыление. При холодном газодинамическом напылении ускоренные газовым потоком твердотельные частицы попадают на тело вала с такой высокой кинетической энергией, что за счет механизма диффузии возникает соединение с замыканием по материалу. С помощью холодного газодинамического напыления в короткое время и геометрически очень гибко по сравнению с другими аддитивными технологиями могут быть изготовлены толстые слои, например, в миллиметровом диапазоне и в сантиметровом диапазоне. Так как нанесенный посредством холодного газодинамического напыления материал не плавится, а деформируется за счет своей кинетической энергии, в значительной степени предотвращаются термически индуцированные напряжения, в частности, в области соединения.
В одном предпочтительном варианте выполнения второй металлический материал является магнитно-мягким материалом. Магнитно-мягкими материалами являются, например, железо или сталь, которые пригодны для того, чтобы проводить магнитный поток внутри материала. Если такой магнитно-мягкий материал напыляется вместе с первым металлическим материалом, то обработка тела вала проще, поскольку, например, не требуется фрезерование пазов. Далее, сцепление между материалами улучшается за счет образования соединения с замыканием по материалу, так что создающий магнитный полюс элемент защищен, например, от возникающих при работе центробежных сил.
В одном предпочтительном варианте выполнения тело вала изготовлено из второго металлического материала. В частности, если этот второй металлический материал является магнитно-мягким материалом, то улучшаются электрические свойства ротора, и упрощается моделирование электрических характеристик. Благодаря снижению количества материалов обеспечивается снижение затрат.
В другом предпочтительном варианте выполнения посредством первого металлического материала образуется по меньшей мере часть короткозамкнутой клетки. Например, стержни короткозамкнутой клетки образуются из первого металлического материала, который вместе с вторым металлическим материалом напыляется на тело вала, причем короткозамыкающие кольца соединяются с короткозамкнутыми стержнями на их аксиальных концах. Такого рода короткозамкнутая клетка проста и экономична в изготовлении.
В одном предпочтительном варианте выполнения короткозамкнутая клетка полностью заделывается в ротор. В частности, короткозамыкающие кольца с короткозамкнутыми стержнями из первого металлического материала вместе с вторым металлическим материалом напыляются на тело вала, так что короткозамкнутая клетка полностью соединена с замыканием по материалу, так что она защищена, например, от возникающих при работе центробежных сил.
В следующем предпочтительном варианте выполнения первый металлический материал имеет проводимость выше 40 Мсм/м. Например, первый металлический материал содержит медь и/или серебро. Благодаря такой высокой проводимости снижаются электрически потери в роторе. Поскольку выделяется меньше тепла, то ротор может охлаждаться просто и экономично.
Особенно предпочтительно, если первый металлический материал напыляется с помощью первого распылительного устройства, а второй металлический материал с помощью второго распылительного устройства. Например, указанные материалы напыляются с соответственно технологически оптимизированными параметрами, такими как диаметр сопла, размер частиц, давление и/или температура, что ведет к улучшению электрических и механических свойств ротора. Благодаря применению различных распылительных сопел сокращается время изготовления.
В другом предпочтительном варианте выполнения металлические материалы ротационным напылением наносятся на, по существу, цилиндрическую наружную поверхность тела вала. Ротационное напыление означает, что тело вала поворачивается вокруг его оси вращения, в то время как распылительное устройство перемещается параллельно этой оси вращения. Поскольку это распылительное устройство не перемещается в окружном направлении, то тем самым гарантируется, что распыляемые частицы попадают на наружную поверхность тела вала под постоянным углом. Далее, это ротационное напыление является не только точным, но и времясберегающим, так как движущееся жестко в аксиальном направлении распылительное устройство по меньшей мере редко нужно ориентировать по-новому.
Особенно предпочтительно, если ротационное напыление металлических материалов происходит с чередованием и/или по эвольвентной траектории. Чередующееся ротационное напыление означает, что тело вала остается неподвижным, тогда как распылительные устройства движутся в аксиальном направлении, и при этом напыляются твердотельные частицы. После этого тело вала поворачивается на небольшой шаговый угол, в то время как процесс напыления прерывается. Вслед за этим, в то время как тело вала остается неподвижным, твердотельные частицы наносятся снова по непосредственно смежной траектории, проходящей параллельно оси вращения. Чередующееся ротационное напыление может быть реализовано простым образом. Ротационное напыление по эвольвентной траектории означает, что тело вала, в отличие от чередующегося напыления, тоже движется в то время, когда распылительные устройства движутся в аксиальном направлении, и при этом напыляются твердотельные частицы. Ротационное напыление по эвольвентной траектории ускоряет процесс изготовления. Скос пазов, например, у короткозамкнутого ротора может быть реализован простым образом.
В другом предпочтительном варианте выполнения напыляется третий материал таким образом, что указанные металлические материалы располагаются изолированно друг от друга. Например, ротор с электромагнитом, имеющий обмотки возбуждения, может быть изготовлен методом термического напыления. Такого рода способ является гибким, например, в отношении числа полюсов, поперечного сечения проводников и числа обмоток, и простым благодаря сокращению количества этапов способа.
Особенно предпочтительно, если по меньшей мере два материала покрытия соединяются с геометрическим замыканием. Такого рода соединение с геометрическим замыканием может быть создано, например, с помощью, в частности, пилообразной ребристой структуры. Благодаря геометрическому замыканию указанный ротор стабилизируется дополнительно.
В дальнейшем данное изобретение описывается и разъясняется более подробно на примерах выполнения, представленных на чертежах.
На чертежах показано следующее.
Фиг. 1 продольное сечение вращающейся электрической машин,
Фиг. 2 вид сбоку ротора с короткозамкнутой клеткой,
Фиг. 3 поперечное сечение ротора с покрытием в первом варианте выполнения,
Фиг. 4 поперечное сечение ротора с покрытием во втором варианте выполнения,
Фиг. 5 увеличенное поперечное сечение ротора с покрытием в третьем варианте выполнения,
Фиг. 6 увеличенное поперечное сечение ротора с покрытием в четвертом варианте выполнения,
Фиг. 7 схематичное изображение первого варианта способа изготовления ротора, и
Фиг. 8 схематичное изображение второго варианта способа изготовления ротора.
В рассматриваемых ниже примерах выполнения речь идет о предпочтительных вариантах выполнения данного изобретения. В этих примерах выполнения описываемые компоненты соответствующего варианта выполнения представляют по отдельности, независимо друг от друга рассматриваемые признаки изобретения, которые усовершенствуют данное изобретение соответственно независимо друг от друга, и тем самым могут рассматриваться по отдельности, или же в иной, чем показанная, комбинации как компоненты данного изобретения. Далее, описываемые варианты выполнения могут быть дополнены также другими уже описанными признаками изобретения.
Одинаковые ссылочные позиции на различных чертежах имеют одинаковое значение.
На Фиг. 1 показано продольное сечение вращающейся электрической машины 2, которая выполнена как асинхронная машина. Эта асинхронная машина имеет вращающийся вокруг оси 4 вращения ротор 6 и окружающий этот ротор 6 статор 8. Между ротором 6 и статором 8 имеется зазор 10, который выполнен, в частности, как воздушный зазор. Ось 4 вращения задает аксиальное направление, радиальное направление и окружное направление. Ротор 6 содержит массивное тело 12 вала с покрытием 14, которое имеет создающий магнитный полюс элемент. Этот создающий магнитный полюс элемент выполнен как короткозамкнутая клетка 16. Альтернативно указанная вращающаяся электрическая машина 2 выполнена как синхронная машина, причем этот ротор 6 синхронной машины в качестве образующего магнитный полюс элемента имеет постоянные магниты или полюса с обмотками возбуждения. Статор 8 содержит проводящий магнитное поле статорный элемент 18, который для подавления вихревых токов выполнен как пакет сердечника, и статорную обмотку 20, которая на аксиальных концах пакета сердечника статора образует лобовые части 22 обмотки.
На Фиг. 2 показан вид сбоку ротора 6 с короткозамкнутой клеткой 16. Эта короткозамкнутая клетка 16 имеет короткозамкнутые стержни 16a, которые на своих аксиальных концах соединены соответственно короткозамыкающим кольцом 16b. Указанное покрытие 14 нанесено методом термического напыления и выполнено так, что указанный ротор 6 является, по существу, цилиндрическим, и короткозамкнутая клетка 16 полностью заделана в покрытие 14 ротора 6. Методами термического напыления являются, например, электродуговое напыление, плазменное напыление, газопламенное напыление или холодное газодинамическое напыление. Массивное тело 12 вала изготовлено из магнитномягкого материала. Покрытие 14 содержит первый металлический материал и второй металлический материал, причем второй металлический материал является магнитномягким материалом и, по существу, соответствует магнитномягкому материалу тела 12 вала. Первый металлический материал короткозамкнутой клетки 16, например, медь или медный сплав имеет проводимость более 40 Мсм/м. Далее, покрытие 14, которое содержит короткозамкнутую клетку 16, соединено с телом 12 вала методом термического напыления по меньшей мере с замыканием по материалу, так что ротор 6, имеющий диаметр d по меньшей мере 30 см, может приводиться во вращение с мощностью по меньшей мере 1 МВт и скоростью по меньшей мере 10.000 об/мин. Например, при холодном газодинамическом напылении ускоренные газовым потоком твердотельные частицы с такой высокой кинетической энергией попадают на тело 12 вала, так что за счет механизма диффузии возникает соединение с замыканием по материалу. Другой вариант выполнения ротора 6 на Фиг. 2 соответствует варианту по Фиг. 1.
На Фиг. 3 показано поперечное сечение первого варианта выполнения ротора 6 с покрытием 14. Это покрытие 14 содержит металлические твердотельные частицы, которые посредством холодного газодинамического напыления напыляются на, по существу, цилиндрическую наружную поверхность 24 тела 12 вала. Указанное покрытие содержит твердотельные частицы из первого металлического материала 26 и твердотельные частицы из второго металлического материала 28, причем первый металлический материал 26 с помощью первого распылительного устройства 30 и второй металлический материал 28 с помощью второго распылительного устройства 32 напыляются непосредственно на, по существу, цилиндрическую наружную поверхность 24 тела 12 вала. Короткозамкнутая клетка 16, как на Фиг. 2, образуется из твердотельных частиц первого металлического материала 28. Второй металлический материал 28, как на Фиг. 2, представляет собой магнитномягкий материал, например, сталь, и соответствует, по существу, магнитномягкому материалу тела 12 вала. Указанная короткозамкнутая клетка 16 полностью заделана в ротор 6. По меньшей мере указанные короткозамкнутые стержни 16a короткозамкнутой клетки 16 в поперечном сечении имеют контур в форме сектора круга. Приближенно этот контур является прямоугольным или квадратным. За счет такого прямоугольного или квадратного контура проводников короткозамкнутой клетки 16 достигается высокая предельно допустимая сила тока. Другой вариант выполнения ротора 6 на Фиг. 3 соответствует варианту по Фиг. 2.
На Фиг. 4 показано поперечное сечение ротора 6 с покрытием 14 во втором варианте выполнения, причем по меньшей мере указанные короткозамкнутые стержни 16a короткозамкнутой клетки 16 в поперечном сечении имеют скругленный контур. В качестве примера представлен U-образный контур короткозамкнутых стержней 16a. Короткозамкнутая клетка 16 полностью заделана в покрытие 14 ротора 6. Другой вариант выполнения ротора 6 на Фиг. 4 соответствует варианту по Фиг. 3.
На Фиг. 5 в увеличенном масштабе показано поперечное сечение третьего варианта выполнения ротора 6 с покрытием 14, причем первый материал 26 и второй материал 26 дополнительно соединены с геометрическим замыканием посредством, на пример, пилообразной ребристой структуры 34. Короткозамкнутая клетка 16 полностью заделана в покрытие 14 ротора 6. Другой вариант выполнения ротора 6 на Фиг. 5 соответствует варианту по Фиг. 3.
На Фиг. 6 в увеличенном масштабе показано поперечное сечение ротора 6 с покрытием 14 в четвертом варианте выполнения, причем указанное покрытие содержит твердотельные частицы из первого металлического материала 26, из второго металлического материала 28 и из третьего материала 36. Эти материалы 26, 28, 36 с помощью различных распылительных сопел 30, 32 напыляются на, по существу, цилиндрическую наружную поверхность 24 тела 12 вала. Эти распылительные устройства 30, 32 на Фиг. 6 не представлены, чтобы не загромождать чертеж.
Третий материал 36 представляет собой электропроводящий материал, содержащий, например, серебро, латунь, цинк или алюминий, и отличается от первого металлического материала 26 своими электрическими, термическими и/или механическими свойствами. Посредством электропроводящего третьего материала 36, например, улучшается механическая стабильность ротора 6 и/или уменьшаются возникающие при работе потери. Этот третий материал 36 относится к короткозамкнутой клетке 16 и соединяет первый металлический материал 26 со вторым металлическим материалом 28. Альтернативно указанный третий материал 36 представляет собой электроизоляционный материал, содержащий, например, оксид алюминия и изолирует первый металлический материал 26 от второго металлического материала 28. Другой вариант выполнения ротора 6 на Фиг. 6 соответствует выполнению по Фиг. 4.
На Фиг. 7 показано схематичное изображение первого способа изготовления ротора 6. Указанное покрытие 14 ротора 6 посредством холодного газодинамического напыления, например, посредством двух распылительных сопел 30, 32 напыляется на, по существу, цилиндрическую наружную поверхность 24 тела 12 вала, причем эти распылительные устройства расположены аксиально друг за другом и/или в окружном направлении рядом друг с другом.
Эти распылительные устройства 30, 32 приводятся в действие одновременно или поочередно. Металлические материалы 26, 28 покрытия 14 наносятся на тело 12 вала ротационным напылением, что означает, что тело 12 вала поворачивается вокруг своей оси 4 вращения, тогда как распылительные устройства 30, 32 перемещаются параллельно оси 4 вращения. Поскольку распылительные устройства 30, 32 не движутся в окружном направлении, то гарантируется, что твердотельные частицы попадают на наружную поверхность 24 тела 12 вала под постоянным углом от 80° до 110°.
Указанное ротационное напыление металлических материалов 26, 28 происходит поочередно, что означает, что тело 12 вала остается неподвижным в то время, когда распылительные устройства 30, 32 движутся в аксиальном направлении, и при этом напыляются твердотельные частицы. После этого тело 12 вала поворачивается на небольшой шаговый угол, и в это время процесс напыления прерывается. Вслед за этим твердотельные частицы снова наносятся по траектории, проходящей непосредственно рядом и параллельно оси вращения, тогда как тело 12 вала остается неподвижным. Другой вариант выполнения ротора 6 на Фиг. 7 соответствует варианту по Фиг. 3.
На Фиг. 8 показано схематичное изображение второго варианта способа изготовления ротора 6. Ротационное напыление металлических материалов 26, 28 осуществляется по эвольвентной траектории, что означает, что тело 12 вала, в отличие от чередующегося напыления, тоже движется в то время, когда распылительные устройства 30, 32 перемещаются в аксиальном направлении, и при этом напыляются твердотельные частицы. Для обеспечения воспроизводимых результатов движения распылительных сопел 30, 32 и вращательное движение тела 12 вала должны быть синхронизированы. Другой вариант выполнения ротора 6 на Фиг. 8 соответствует варианту по Фиг. 7.
Таким образом, данное изобретение касается способа изготовления ротора 6 для вращающейся электрической машины 2 с по меньшей мере одним телом 12 вала. Для того, чтобы создать способ изготовления, который проще и экономичнее по сравнению с уровнем техники, предлагается напылять покрытие 14 из по меньшей мере одного первого металлического материала 26 и одного второго металлического материала 28, отличающегося от первого металлического материала 26, методом термического напыления на по меньшей мере часть, по существу, цилиндрической наружной поверхности 24 тела 12 вала, причем за счет этого покрытия 14 образуется по меньшей мере часть создающего магнитные полюса элемента.