Результат интеллектуальной деятельности: РОТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ МАШИНЫ

Изобретение относится к ротору для электрической вращающейся машины, в частности синхронной машины, с вращающимся вокруг оси вращения валом и по меньшей мере одним полюсным башмаком.

Кроме того, изобретение относится к электрической вращающейся машине, в частности, к синхронной машине, с подобным ротором.

Кроме того, изобретение относится к способу изготовления подобного ротора.

Ротор такого рода, в частности, применяется в синхронных машинах прямого пуска с явно выраженными полюсами, с насаженными полюсными башмаками. Насаженные полюсные башмаки используются по существу в крупногабаритных электрических приводах с мощностью по меньшей мере 1 Мегаватт.

Прямой пуск иногда является экономически выгодным способом выполнения пуска от сети, причем синхронная машина запускается асинхронно, и вблизи синхронной частоты вращения переходит на работу в синхронном режиме. При асинхронном пуске ротор должен быть выполнен так, что могут протекать необходимые для пуска токи, причем в роторах с массивными полюсами может использоваться проводимость поверхности полюса.

При асинхронном пуске синхронной машины с явно выраженными полюсами в насаженных полюсных башмаках индуцируются вихревые токи, причем, в частности, поверхности полюсных башмаков вследствие переменного магнитного поля, в частности, из-за вихревых токов, сильно нагреваются. Кроме того, в случае крупногабаритных синхронных машин с мощностью по меньшей мере 1 Мегаватт необходимо, чтобы они могли запускаться при определенном нагрузочном моменте. При подобном нагрузочном моменте на поверхности полюсных башмаков могут развиваться температуры во многие сотни градусов Цельсия.

Вследствие высокой разности температур между полюсным башмаком и телом полюса могут возникать обусловленные этим большие срезающие усилия на стыке между полюсным башмаком и телом полюса. Подобная высокая разность температур между нижней стороной и верхней стороной полюсного башмака приводит к деформации, в частности, короблению, полюсного башмака. Поскольку деформация обусловливается перепадами температуры, создаваемыми электромагнитными переменными полями или вихревыми токами, говорят об электромагнитно-индуцируемой термической деформации. Вследствие подобной электромагнитно-индуцируемой термической деформации полюсный башмак и тело полюса могут смещаться относительно друг друга. Сопровождающие деформацию и сдвиг смещения массы полюсного башмака оказывают негативное влияние на балансировку ротора и тем самым на вибрационные характеристики.

Патентный документ US 5,949,172 А описывает двигатель с катушкой возбуждения, которая намотана вокруг явно выраженного полюса. Ширина отверстия сердечника якоря выдерживается достаточно большой, чтобы можно было надлежащим образом и легко намотать катушку возбуждения. После намотки катушки возбуждения на наружной окружной поверхности дугообразной области явно выраженного полюса монтируется собирающая магнитный поток пластина. В процессе монтажа в каждом случае пригоняются два выполненных в собирающей магнитный поток пластине подковообразных позиционирующих участка сопряжения в пазах (119), которые в каждом случае размещаются в верхних и нижних торцевых поверхностях сердечника якоря.

Выложенное описание изобретения к неакцептованной заявке JP S59 59033 А описывает полюс для явнополюсного ротора, причем на тело полюса намотана секция обмотки, которая в виде цельной детали выдается из вращающего вала. Полюсный башмак закреплен на теле полюса болтом, чтобы поддерживать секцию обмотки, причем головка болта утоплена в высверленное в полюсном башмаке отверстие. Чтобы устранить локальные повышения температуры, вход в высверленное в полюсном башмаке отверстие перекрыт магнитной пластиной, которая по существу выполнена ровной, как поверхность полюсного башмака.

Выложенное описание изобретения к неакцептованной заявке DE 21 16 821 А1 описывает массивный полюс запускаемого в асинхронной области электрического двигателя, который имеет по меньшей мере один замкнутый охлаждающий контур, по меньшей мере часть которого находится в обширной области полюса, и другая часть в области основания полюса. В охлаждающем контуре содержится теплоносящая текучая среда, которая во время пуска двигателя под действием таких факторов влияния, как ускорение, скорость и нагревание, образует естественным образом циркулирующий поток.

В основу изобретения положена задача создания ротора для электрической вращающейся машины, который, по сравнению с прототипом, имеет при локальном разогревании полюсных башмаков улучшенные вибрационные характеристики.

Задача согласно изобретению решается посредством ротора для электрической вращающейся машины, в частности, синхронной машины, с вращающимся вокруг оси вращения валом и по меньшей мере одним полюсным башмаком, причем полюсный башмак имеет корпус полюсного башмака и лист полюсного башмака, причем лист полюсного башмака прилегает к радиально наружной поверхности корпуса полюсного башмака, причем лист полюсного башмака соединен с корпусом полюсного башмака многочисленными точками сопряжения, и причем лист полюсного башмака выполнен гибким между точками сопряжения по меньшей мере в осевом направлении посредством выпуклостей и/или складок.

Кроме того, задача согласно изобретению решается посредством ротора для электрической вращающейся машины, в частности, синхронной машины, с вращающимся вокруг оси вращения валом и по меньшей мере одним полюсным башмаком, причем полюсный башмак имеет корпус полюсного башмака и лист полюсного башмака, причем лист полюсного башмака прилегает к радиально наружной поверхности корпуса полюсного башмака, причем лист полюсного башмака включает по меньшей мере два слоистых отдельных листа.

Сверх того, задача решается посредством электрической вращающейся машины, в частности, синхронной машины, с подобным ротором.

Кроме того, задача решается посредством способа изготовления подобного ротора.

Приведенные далее в отношении ротора преимущества и предпочтительные варианты исполнения могут быть по смыслу распространены на электрическую вращающуюся машину и на способ изготовления.

Изобретение основывается на намерении улучшить вибрационные характеристики ротора, для чего на радиально наружной поверхности корпуса полюсного башмака закрепляется лист полюсного башмака. Радиально наружная поверхность корпуса полюсного башмака представляет собой поверхность, которая при работе ротора в электрической вращающейся машине граничит с зазором между ротором и статором. Например, возникающие при асинхронном пуске вихревые токи протекают по меньшей мере по большей части листа полюсного башмака, который под действием вихревых токов нагревается и расширяется. Расширение вызывает только упругую деформацию листа полюсного башмака. Радиально наружная поверхность корпуса полюсного башмака едва ли нагревается, отчего никакая значительная электромагнитно-индуцируемая термическая деформация корпуса полюсного башмака не возникает.

Лист полюсного башмака соединен с корпусом полюсного башмака многочисленными точками сопряжения. Благодаря такому точечному соединению лист полюсного башмака механически и электропроводно связан с корпусом полюсного башмака. В результате точечного соединения затрудняется выравнивание температуры между листом полюсного башмака и корпусом полюсного башмака.

Лист полюсного башмака сформирован гибким между точками сопряжения по меньшей мере в осевом направлении. Под такой гибкой конфигурацией следует понимать, что лист полюсного башмака является подвижным, несминаемым и/или деформируемым на поверхности полюсного башмака. Благодаря такой гибкой конфигурации лист полюсного башмака, в частности, между точками сопряжения, может деформироваться независимо от корпуса полюсного башмака, например, вследствие индуцируемого вихревыми токами нагревания.

Посредством выпуклостей и/или складок на листе полюсного башмака оказывается целенаправленное влияние на механические и электрические свойства листа полюсного башмака. Благодаря выпуклостям лист полюсного башмака, например, вследствие нагревания под действием вихревых токов, может деформироваться легче и более целенаправленно, в частности, по осевому направлению.

Применением по меньшей мере двух размещенных друг над другом слоистых отдельных листов полюсного башмака могут быть получены в целом более толстые слои листа, в то же время с сохранением высокой гибкости.

В одном предпочтительном варианте исполнения лист полюсного башмака соединятся с корпусом полюсного башмака многочисленными точками сопряжения посредством соединительных элементов и/или путем неразъемного соединения. Соединительные элементы, в частности, разборные соединительные элементы, представляют собой, например, винты. Неразъемное соединение представляет собой, в частности, сварное соединение. Путем такого точечного соединения лист полюсного башмака механически и электропроводно соединяется с корпусом полюсного башмака. Благодаря точечному соединению затрудняется выравнивание температуры между листом полюсного башмака и корпусом полюсного башмака.

В одном предпочтительном варианте исполнения лист полюсного башмака имеет профилирование. Под профилированием следует понимать, относительно базовой плоскости, возвышения и/или углубления, в частности, выпуклости и/или складки, на листе полюсного башмака, и/или выемки, в частности, прорези, в листе полюсного башмака. Благодаря такому профилированию можно целенаправленно регулировать механические и электрические свойства листа полюсного башмака.

Благоприятным образом профилирование, по меньшей мере частично, выполняется в виде выпуклостей. Под выпуклостью, относительно базовой плоскости, следует понимать возвышение или углубление, причем, в частности, длина или ширина выпуклости является значительно большей, чем глубина выпуклости. Посредством подобных выпуклостей лист полюсного башмака может деформироваться легче и более целенаправленно.

Профилирование предпочтительно предусматривает прорези и/или отверстия, причем прорези являются протяженными по меньшей мере в осевом направлении. Отверстия представляют собой круглые, овальные, квадратные или прямоугольные выемки в листе полюсного башмака. Прорези представляют собой продолговатые прямолинейные или изогнутые выемки в листе полюсного башмака. Отверстия и прорези формируются, например, вырубкой, лазерной резкой, фрезерованием, сверлением или гидроабразивной резкой. Благодаря подобным отверстиям или прорезям сокращается средняя проводимость листа полюсного башмака, что может быть использовано для влияния на пусковой крутящий момент. Кроме того, посредством подобных отверстий или прорезей по меньшей мере сокращаются вихревые токи.

Профилирование предпочтительно предусматривает складки. Под складкой, относительно базовой плоскости, следует понимать возвышение или углубление, причем, в частности, ширина складки является меньшей, чем глубина складки. Подобная складка делает лист более жестким по направлению протяженности складки. Более того, лист полюсного башмака может легче и более целенаправленно деформироваться, в частности, перпендикулярно протяженности складки.

В особенно благоприятном варианте лист полюсного башмака всей площадью прилегает к радиально наружной поверхности корпуса полюсного башмака. В частности, лист полюсного башмака по существу согласуется с контуром радиально наружной поверхности корпуса полюсного башмака. Благодаря этому в оптимальном варианте по меньшей мере сокращаются вихревые токи на корпусе полюсного башмака.

Лист полюсного башмака предпочтительно выполнен из магнитомягкого материала. В частности, лист полюсного башмака состоит из стали, из железа, никеля или кобальта. Применением магнитомягкого материала остается неизменной эффективная ширина зазора между ротором и статором, по сравнению с конструкцией без листа полюсного башмака, в частности, когда радиальная высота корпуса полюсного башмака сокращается на толщину листа. Поэтому применением магнитомягкого материала для листа полюсного башмака обеспечивается оптимальная мощность и эффективность электрической вращающейся машины.

Лист полюсного башмака целесообразным образом имеет толщину в диапазоне от 1 мм до 10 мм. В частности, несколько миллиметров являются достаточными, чтобы тепловые потери по большей части происходили в листе полюсного башмака. Подобная толщина пускового листа представляет согласно изобретению оптимум эффективности и технологической осуществимости.

Далее изобретение более подробно описывается и разъясняется с помощью представленных в Фигурах вариантов осуществления.

Как показано:

ФИГ. 1 представляет вид в разрезе электрической вращающейся машины,

ФИГ. 2 представляет увеличенный вид в продольном разрезе ротора в области полюсного башмака с листом полюсного башмака в первом варианте исполнения,

ФИГ. 3 представляет вид сверху листа полюсного башмака в первом варианте исполнения,

ФИГ. 4 представляет вид сверху листа полюсного башмака во втором варианте исполнения,

ФИГ. 5 представляет увеличенный вид в продольном разрезе ротора в области полюсного башмака с листом полюсного башмака в третьем варианте исполнения,

ФИГ. 6 представляет увеличенный вид в продольном разрезе ротора в области полюсного башмака с листом полюсного башмака в четвертом варианте исполнения,

ФИГ. 7 представляет увеличенный вид в продольном разрезе ротора в области полюсного башмака с листом полюсного башмака в пятом варианте исполнения,

ФИГ. 8 представляет увеличенный вид в продольном разрезе ротора в области полюсного башмака с листом полюсного башмака в шестом варианте исполнения,

ФИГ. 9 представляет увеличенный фрагмент ротора в области точки скрепления с листом полюсного башмака в седьмом варианте исполнения.

Одинаковые кодовые номера позиций имеют в различных Фигурах одинаковое значение.

ФИГ. 1 показывает вид в разрезе электрической вращающейся машины 1, которая выполнена как синхронная машина 1а прямого пуска. Синхронная машина 1а прямого пуска может работать при мощности по меньшей мере 1 Мегаватт. Она имеет статор 2 и вращающийся вокруг оси 4 вращения ротор 3. Статор 2 размещен вокруг ротора 3, причем между статором 2 и ротором 3 находится зазор 6. Зазор 6 выполнен как воздушный зазор, но в зазоре 6 между статором 2 и ротором 3 могут находиться также другие текучие среды. Обмотки статора 2 и ротора 3 не представлены по соображениям наглядности. Синхронная машина 1а может быть также выполнена без обмоток как синхронная реактивная машина.

Ротор 3 синхронной машины 1а прямого пуска имеет вал 5 с показанными в качестве примера четырьмя ортогонально размещенными телами 5а полюсов, причем тела 5а полюсов в каждом случае снабжены полюсными башмаками 7. Вал 5 состоит, по меньшей мере в основном, из выполненной в виде сплошного материала магнитомягкой стали, в частности, из термически улучшенной стали. Полюсные башмаки 7 привинчены к валу 5 с помощью болтов 14 полюсных башмаков (смотри ФИГ. 2). Болты 14 полюсных башмаков в ФИГ. 1 не показаны из соображений наглядности.

Каждый полюсный башмак 7 включает корпус 8 полюсного башмака, который имеет радиально наружную поверхность 8а и радиально внутреннюю поверхность 8b, и лист 9 полюсного башмака. Радиально внутренняя поверхность 8b корпуса 8 полюсного башмака прилегает к телу 5а полюса вала 5. На радиально наружную поверхность 8а опирается лист 9 полюсного башмака, который непосредственно граничит с зазором 6. Корпус 8 полюсного башмака, по меньшей мере в основном, состоит из выполненной в виде сплошного материала магнитомягкой стали, в частности, из термически улучшенной стали. Лист 9 полюсного башмака имеет толщину d в диапазоне от 1 мм до 10 мм, и состоит из магнитомягкой стали. Лист 9 полюсного башмака также может состоять из иных материалов, чтобы, например, целенаправленно регулировать локальную проводимость. Кроме того, лист 9 полюсного башмака включает также многочисленные слоистые отдельные листы, которые состоят из одинаковых или различающихся материалов. При применении многих размещенных друг на друге листов могут быть получены в целом более толстые слои листа, в то же время с сохранением высокой гибкости.

ФИГ. 2 показывает увеличенный вид в продольном разрезе ротора 3 в области полюсного башмака 7 с листом 9 полюсного башмака в первом варианте исполнения. Корпус 8 полюсного башмака 7 прилегает к телу 5а полюса вала 5 и прикреплен к телу 5а полюса многочисленными болтами 14 полюсного башмака. Корпус 8 полюсного башмака может быть соединен с телом 5а полюса также другим путем, например, с помощью неразъемного соединения, в частности, сварного соединения. Лист 9 полюсного башмака прилегает к корпусу 8 полюсного башмака и соединен с ним многочисленными точками сопряжения с помощью соединительных элементов 16, в частности, винтов. Альтернативно или дополнительно, лист 9 полюсного башмака может быть скреплен соединительными элементами 16 через корпус 8 полюсного башмака непосредственно с телом 5а полюса. Кроме того, альтернативно или дополнительно, лист 9 полюсного башмака может быть соединен с корпусом 8 полюсного башмака в точках сопряжения неразъемным соединением, в частности, соединением точечной сваркой.

Лист 9 полюсного башмака имеет профилирование 10 в форме прорезей 12, которые, в частности, пролегают по осевому направлению А между точками 15 сопряжения. По меньшей мере одна часть прорезей 12 также может быть выполнена как дополнительные выемки, в частности, как отверстия. Прорези 12 и отверстия выполняются, например, вырубкой, лазерной резкой, фрезерованием, сверлением или гидроабразивной резкой. Предметом изобретения также являются комбинации этих способов изготовления. Посредством подобных прорезей 12 или отверстий изменяется средняя проводимость листа 9 полюсного башмака, в частности, локально сокращается, что может быть использовано для влияния на пусковые крутящие моменты. Кроме того, с помощью подобных прорезей 12 или отверстий может быть по меньшей мере уменьшено распространение вихревых токов.

ФИГ. 3 показывает вид сверху листа 9 полюсного башмака в первом варианте исполнения. Лист 9 полюсного башмака смонтирован на роторе 3, причем остальной ротор 3 не изображен из соображений наглядности. Контур листа 9 полюсного башмака согласуется с контуром радиально наружной поверхности 8а корпуса 8 полюсного башмака, и лист 9 полюсного башмака по всей площади прилегает к корпусу 8 полюсного башмака на полюсном башмаке 7. Лист 9 полюсного башмака имеет, в частности, круглые выемки 19 для болтов 16 полюсного башмака для крепления корпуса 8 полюсного башмака на теле 5а полюса вала 5. Кроме того, лист 9 полюсного башмака имеет, в частности, круглые выемки 19 для соединительных элементов 16, которые соединяют лист 9 полюсного башмака в многочисленных точках сопряжения с корпусом 8 полюсного башмака. Как выемки 19 для болтов 16 полюсного башмака, так и выемки 19 для соединительных элементов 16, размещаются на листе 9 полюсного башмака в аксиальном направлении А и тангенциальном направлении Т. Кроме того, лист 9 полюсного башмака имеет профилирование 10 в форме прорезей 12, причем прорези 12 выполнены прямолинейными, и пролегают диагонально на листе 9 полюсного башмака. Прорези размещаются по осевому направлению по существу между точками 15 сопряжения. Благодаря такой конфигурации прорезей 12 лист 9 полюсного башмака может более легко деформироваться между точками 15 сопряжения, в частности, по аксиальному направлению А и тангенциальному направлению Т.

ФИГ. 4 показывает вид сверху листа 9 полюсного башмака во втором варианте исполнения. Как в ФИГ. 3, лист 9 полюсного башмака имеет профилирование 10 в форме прорезей 12. Сформированные прямолинейными прорези 12 пролегают по осевому направлению А и размещены между точками 15 сопряжения. Благодаря такой конфигурации прорезей 12 лист 9 полюсного башмака может более легко деформироваться между точками 15 сопряжения, в частности, по аксиальному направлению А и тангенциальному направлению Т. В остальном конфигурация листа 9 полюсного башмака соответствует показанной в ФИГ. 3.

ФИГ. 5 показывает увеличенный вид в продольном разрезе ротора 3 в области полюсного башмака 7 с листом 9 полюсного башмака в третьем варианте исполнения. Лист 9 полюсного башмака имеет профилирование 10, которое включает многочисленные выпуклости 11. Выпуклости 11, относительно базовой плоскости 18, выполнены в радиальном направлении R наружу, то есть, в сторону отдаления от полюсного башмака 7. Кроме того, выпуклости 11 имеют по тангенциальному направлению Т постоянную или переменную высоту. Высота выпуклостей 11, относительно базовой плоскости 18, варьирует в диапазоне от 1 мм до 10 мм. Благодаря подобным выпуклостям 11 лист 9 полюсного башмака, например, вследствие нагревания под действием вихревых токов, может деформироваться легче и более целенаправленно, в частности, по осевому направлению А. В остальном конфигурация ротора 3 соответствует показанной в ФИГ. 2.

ФИГ. 6 показывает увеличенный вид в продольном разрезе ротора 3 в области полюсного башмака 7 с листом 9 полюсного башмака в четвертом варианте исполнения. Лист 9 полюсного башмака имеет профилирование 10, которое включает многочисленные, относительно базовой плоскости 18, протяженные в радиальном направлении R внутрь выпуклости 11. Для возможности формирования протяженных в радиальном направлении R внутрь выпуклостей 11 радиально наружная поверхность 8а корпуса 8 полюсного башмака имеет соответствующие выемки. Благодаря подобным протяженным в радиальном направлении R внутрь выпуклостям 11 не сокращается зазор 6, и не нужно формировать никакие выемки на статоре 2 и роторе 3. В остальном конфигурация ротора 3 соответствует показанной в ФИГ. 5.

ФИГ. 7 показывает увеличенный вид в продольном разрезе ротора 3 в области полюсного башмака 7 с листом 9 полюсного башмака в пятом варианте исполнения. Лист 9 полюсного башмака имеет профилирование 10, которое включает многочисленные складки 13. Складки 13, относительно базовой плоскости 18, выполнены протяженными по радиальному направлению R наружу, то есть, в сторону отдаления от полюсного башмака 7. Складки 13 имеют по тангенциальному направлению Т постоянную или переменную высоту. Высота складок 13, относительно базовой плоскости 18, варьирует в диапазоне от 5 мм до 25 мм. Благодаря подобным складкам 13 лист 9 полюсного башмака, например, вследствие нагревания под действие вихревых токов, может деформироваться легче и более целенаправленно, в частности, по осевому направлению А. Лист 9 полюсного башмака дополнительно имеет соединенные элементы 16, которые соединяют лист 9 полюсного башмака непосредственно с телом 5а полюса через корпус 8 полюсного башмака. В остальном конфигурация ротора 3 соответствует показанной в ФИГ. 2.

ФИГ. 8 показывает увеличенный вид в продольном разрезе ротора 3 в области полюсного башмака 7 с листом 9 полюсного башмака в шестом варианте исполнения. Лист 9 полюсного башмака имеет профилирование 10, которое включает многочисленные, относительно базовой плоскости 18, протяженные в радиальном направлении R внутрь складки 13. Для возможности формирования протяженных в радиальном направлении R внутрь складок 13 радиально наружная поверхность 8а корпуса 8 полюсного башмака имеет соответствующие выемки. Благодаря подобным протяженным в радиальном направлении R внутрь складкам 13 не сокращается зазор 6. В остальном конфигурация ротора 3 соответствует показанной в ФИГ. 7.

ФИГ. 9 показывает увеличенный фрагмент ротора 3 в области точки 15 скрепления с листом 9 полюсного башмака в седьмом варианте исполнения. Лист 9 полюсного башмака имеет профилирование 10, которое включает многочисленные выпуклости 11. Лист 9 полюсного башмака в точке 15 сопряжения между выпуклостями 11 соединен с радиально наружной поверхностью 8а корпуса 8 полюсного башмака неразъемным соединением 17. Неразъемное соединение 17 выполнено как сварное соединение.