Результат интеллектуальной деятельности: Способ согласования магнитопроводов ротора и якоря в двухмерных электрических машинах-генераторах

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к способам согласования магнитопроводов ротора и якоря в двухмерных электрических машинах, и может быть использовано для технико-экономической и конструктивной совместимости концентрически расположенных магнитопроводов - внешнего ротора и внутреннего якоря двухмерных электрических машин-генераторов (ДЭМ-Г).

Известна двухмерная электрическая машина-генератор (ДЭМ-Г) (патент РФ №2332775), содержащая концентрически расположенные якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока и внешний ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных двигателей, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга. При этом в пазы якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью переменного тока, что обеспечивает электропитание подключенных к нему потребителей.

В настоящее время (пока не освоен серийный выпуск подобных машин) для изготовления ДЭМ-Г используются магнитопроводы якоря с щеточно-коллекторным узлом серийных машин постоянного тока и статора серийных машин переменного тока, используемого в качестве внешнего ротора. Однако магнитопроводы ротора и якоря в подобных двухмерных электрических машинах-генераторах не согласованы.

Представляя, с одной стороны, большие удобства, связанные с отсутствием необходимости в дорогостоящих штампах для изготовления (штамповки) листов ротора и якоря ДЭМ-Г, способ изготовления таких ДЭМ-Г имеет существенный недостаток, который заключается в том, что трудно (а порой - невозможно) подобрать магнитопроводы серийных электрических машин постоянного и переменного тока нужных диаметральных (впрочем - и осевых) размеров магнитопроводов, обеспечивающих расчетный воздушный зазор между одновременно (но с различными скоростями) вращающимися внешним ротором и внутренним якорем изготавливаемой таким образом двухмерной электрической машины-генератора. При этом уменьшенный (а тем более - нулевой) воздушный зазор неприемлем по условиям необходимости обеспечения свободного вращения внутреннего якоря в расточке также вращающегося (но с другой скоростью) внешнего ротора.

Но с другой стороны, увеличенный воздушный зазор недопустим, так как это приводит к резкому увеличению рассеяния магнитного поля машины, что, в конечном счете, сказывается на уменьшении мощности машины, и как результат - на уменьшении ее КПД - η и коэффициента мощности - cos ϕ, т.е. энергетического показателя машины - η cos ϕ.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятым авторами за прототип является способ согласования магнитопроводов ротора и якоря в двухмерных электрических машинах-генераторах, изготовленных с использованием магнитопроводов якоря с щеточно-коллекторным узлом машин постоянного тока и статора машин переменного тока, используемого в качестве внешнего ротора (пат. РФ №2496211 авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М., Гайтова Т.Б., Кашин А.Я.), характеризующийся тем, что определяют начальный существующий воздушный зазор δ_н между ротором и якорем по формуле δ_н=(Dp-Da)/2, где Dp - внутренний диаметр ротора, Da - внешний диаметр якоря, затем рассчитывают необходимый конечный воздушный зазор δ_кр по формуле где А - линейная нагрузка, B_{δ o}≈0,95B_{δ ном} - максимальная индукция в воздушном зазоре при холостом ходе и номинальном напряжении, τ - полюсное деление, x_d* - синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, находят разность Δ=δ_н-δ_кр={[(Dp-Da)/2]-δ_кр} между начальным воздушным зазором δ_н и расчетным конечным воздушным зазором δ_кр, затем наращивают по наружной окружности цилиндрическую поверхность якоря, покрывая ее одним или несколькими слоями листовой электротехнической стали и доводя суммарную толщину слоев листовой электротехнической стали до величины, равной рассчитанной разности Δ, обеспечивая тем самым целесообразный по энергетическим соображениям конечный воздушный зазор δ_к≈δ_кр между ротором и якорем. Согласно этому способу электротехническую сталь на поверхности якоря закрепляют точечной электросваркой.

Однако в связи с тем, что в высокоскоростных ДЭМ-Г внутренний якорь вращается с большой скоростью, лист электротехнической стали под действием центробежных сил может разорваться в местах сварки, что в свою очередь может повлечь за собой заклинивание якоря в роторе ДЭМ-Г. Это существенно снижает надежность ДЭМ-Г.

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование способа согласования магнитопроводов внешнего ротора и внутреннего якоря в двухмерных электрических машинах-генераторах, изготовленных с использованием магнитопроводов якоря с щеточно-коллекторным узлом машин постоянного тока и статора машин переменного тока, используемого в качестве внешнего ротора, позволяющее повысить надежность двухмерных электрических машин-генераторов.

Технический результат заявленного изобретения - минимизация вероятности заклинивания магнитопровода внутреннего якоря в магнитопроводе внешнего ротора двухмерных электрических машин-генераторов (ДЭМ-Г).

Технический результат достигается тем, что в способе согласования магнитопроводов ротора и якоря в двухмерных электрических машинах-генераторах, изготовленных с использованием магнитопроводов якоря с щеточно-коллекторным узлом машин постоянного тока и статора машин переменного тока, используемого в качестве внешнего ротора, при котором определяют начальный существующий воздушный зазор δ_н между магнитопроводами внешнего ротора и внутреннего якоря по формуле:

где Dp - внутренний диаметр магнитопровода внешнего ротора, Da - внешний диаметр магнитопровода внутреннего якоря,

затем рассчитывают необходимый расчетный конечный воздушный зазор δ_кр по формуле:

где А - линейная нагрузка, B_{δ o} - максимальная индукция в воздушном зазоре при холостом ходе и номинальном напряжении, τ - полюсное деление, x_d* - синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, находят разность между начальным воздушным зазором δ_н и расчетным конечным воздушным зазором δ_кр по формуле:

где Δ - разность между начальным воздушным зазором между магнитопроводами внутреннего якоря и внешнего ротора и расчетным конечным воздушным зазором, δ_н - начальный воздушный зазор между магнитопроводами внутреннего якоря и внешнего ротора, δ_кр - расчетный конечный воздушный зазор, при этом после определения разности между начальным воздушным зазором δ_н между магнитопроводами внутреннего якоря и внешнего ротора и расчетным конечным воздушным зазором δ_кр подбирают металлическую трубку с толщиной стенки, равной рассчитанной разности Δ=δ_н-δ_кр={[(Dp-Da)/2]-δ_кр} между начальным воздушным зазором δ_н и расчетным конечным воздушным зазором δ_кр, в которую затем впрессовывают магнитопровод внутреннего якоря.

При этом диаметр якоря увеличивается от значения Da до величины (Da+2Δ), где Δ - толщина выбранной металлической трубки, а воздушный зазор ДЭМ-Г уменьшается от начального значения δн до конечного (близкого к расчетному) значения δ_к≈δ_{кр р} на величину Δ.

Повышение надежности двухмерных электрических машин-генераторов при согласовании их внутреннего якоря с внешним ротором заявляемым способом достигается минимизацией вероятности заклинивания магнитопровода внутреннего якоря в магнитопроводе внешнего ротора двухмерных электрических машин-генераторов (ДЭМ-Г) за счет подбора металлической трубки с толщиной стенки, равной рассчитанной разности Δ=δ_н-δ_кр={[(Dp-Da)/2]-δ_кр} между начальным воздушным зазором между магнитопроводами внешнего ротора и внутреннего статора и расчетным воздушным зазором между ними, и впрессовывания в эту трубку магнитопровода внутреннего якоря, обеспечивая тем самым целесообразный по энергетическим соображениям конечный воздушный зазор δ_к≈δ_кр между магнитопроводами внешнего ротора и внутреннего якоря, где Δ - разность между начальным воздушным зазором между магнитопроводами внутреннего якоря и внешнего ротора и расчетным конечным воздушным зазором, δ_н - начальный воздушный зазор между магнитопроводами внутреннего якоря и внешнего ротора, δ_кр - расчетный конечный воздушный зазор.

Металлическая трубка, в которую впрессовывают магнитопровод внутреннего якоря, обладает большей прочностью, чем используемый в прототипе лист электротехнической стали, закрепленный точечной сваркой, который может разорваться в местах сварки под действием центробежных сил. Разрыв металлической трубки, используемой в заявляемом способе, ввиду отсутствия в ней сварочных швов исключен. Соответственно и заклинивание магнитопровода внутреннего якоря в магнитопроводе внешнего ротора по причине разрыва сварочных швов исключено.

Исходя из этого согласование магнитопроводов внутреннего якоря и внешнего ротора посредством заявляемого способа минимизирует вероятность заклинивания магнитопровода внутреннего якоря в магнитопроде внешнего ротора ДЭМ-Г, и, соответственно повышает надежность ДЭМ-Г, особенно высокоскоростных.

Таким образом, совокупность предлагаемых признаков позволяет минимизировать вероятность заклинивания магнитопровода внутреннего якоря в магнитопроводе внешнего ротора двухмерных электрических машин-генераторов, и соответственно повысить их надежность.

На фиг. 1 изображены в разрезе магнитопроводы ДЭМ-Г в начальном (несогласованном) виде, имеющей воздушный зазор δ_н, определяемый соотношением размеров внутреннего диаметра Dp магнитопровода внешнего ротора 1 и внешнего диаметра Da магнитопровода внутреннего якоря 2, причем

На фиг. 2 представлены в разрезе те же магнитопроводы ДЭМ-Г, но уже с впрессованным в металлическую трубку 3 с толщиной стенки Δ магнитопроводом внутреннего якоря 2, в результате чего воздушный зазор между магнитопроводами внешнего ротора 1 и внутреннего якоря 2 ДЭМ-Г уменьшается до конечного (расчетного) уровня

При этом, подбирая металлическую трубку 3 с различной толщиной Δ стенки для запрессовки в нее внутреннего якоря 2, можно добиться наилучшего эффекта повышения энергетического показателя ДЭМ-Г, т.е. η cos ф.

На фиг. 3 приведен спрямленный (развернутый в линию) фрагмент ДЭМ-Г с нормализованным, уменьшенным воздушным зазором от начальной величины δ_н до конечного значения δ_к за счет впрессовывания магнитопровода внутреннего якоря 2 в металлическую трубку 3 с соответствующей толщиной Δ стенки.

Способ реализуется следующим образом.

К расчетному (выбранному) пакету якоря серийной электрической машины постоянного тока заданных геометрических размеров подбирается соответствующий по размерам пакет статора серийной асинхронной или синхронной машины, используемой в качестве внешнего ротора. Затем определяют начальный существующий воздушный зазор δ_н между магнитопроводами внешнего ротора и внутреннего якоря по формуле:

где Dp - внутренний диаметр магнитопровода внешнего ротора, Da - внешний диаметр магнитопровода внутреннего якоря.

Затем рассчитывают необходимый конечный воздушный зазор δ_кр по формуле:

где А - линейная нагрузка, В_{δ о} - максимальная индукция в воздушном зазоре при холостом ходе и номинальном напряжении, τ - полюсное деление, x_d* - синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, находят разность Δ=δ_н-δ_кр={[(Dp-Da)/2]-δ_кр} между начальным воздушным зазором δ_н и расчетным конечным воздушным зазором δ_кр.

После этого подбирают металлическую трубку с толщиной стенки, равной рассчитанной разности Δ=δ_н-δ_кр={[(Dp-Da)/2]-δ_кр} между начальным воздушным зазором δ_н и расчетным конечным воздушным зазором δ_кр, в которую затем впрессовывают магнитопровод внутреннего якоря.