ротор синхронной машины

Формула изобретения

1. Ротор синхронной машины, содержащий полюсы, поверхность которых обеспечивает постоянный аэродинамический зазор, отличающийся тем, что полюсы имеют поверхность, которая обеспечивает, по крайней мере, одну зону магнитного последовательно увеличивающегося зазора.

2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна зона магнитного последовательно увеличивающегося зазора выполнена из немагнитного материала.

3. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что полюсы 1 имеют поверхность 2, изогнутую в центре и плоскую в, по крайней мере, одной из зон магнитного последовательно увеличивающегося зазора, и, по крайней мере, один край 3 с острым углом.

4. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что полюсы 1 имеют поверхность 2, изогнутую в центре и плоскую в, по крайней мере, одной из зон магнитного последовательно увеличивающегося зазора, и, по крайней мере, один скошенный край 3.

5. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что полюсы 1 имеют поверхность 2, изогнутую в центре и плоскую в, по крайней мере, одной из зон магнитного последовательно увеличивающегося зазора, и, по крайней мере, один закругленный край 3.

6. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что полюсы 1 имеют поверхность 2, изогнутую в центре, и в, по крайней мере, одной из зон магнитного последовательно увеличивающегося зазора, и, по крайней мере, один край 3 с острым углом.

7. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что полюсы 1 имеют поверхность 2, изогнутую в центре и в, по крайней мере, одной из зон магнитного последовательно увеличивающегося зазора, и, по крайней мере, один скошенный край 3.

8. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что полюсы 1 имеют поверхность 2, изогнутую в центре, и в, по крайней мере, одной из зон магнитного последовательно увеличивающегося зазора, и, по крайней мере, один закругленный край 3.

9. Ротор по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что полюсы снабжены угловыми деталями 4, 6, дополненными боковыми деталями 7, 8, выполненными из немагнитного электропроводного материала.

10. Ротор по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что магнитный последовательно увеличивающийся зазор выполнен на единственной стороне, по крайней мере, одного из полюсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к магнитоэлектрическим роторам вообще и в особенности касается ротора синхронной машины.

Известны патенты US 3321652 Лоренса Ж.Опеля и FR 2057147 Нормана Климмека и др., относящиеся к синхронной многополюсной машине с нефазным ротором со статическим индуктирующим полем.

В указанном уровне техники описывается ротор синхронной машины, используемой с большой скоростью.

Такой ротор должен обладать большим сопротивлением центробежной силе, большим сопротивлением изгибу, чтобы ограничить вибрации, и высокой механической и тепловой устойчивостью.

Полностью металлический ротор состоит из деталей из магнитной стали и немагнитного металла, соединенных между собой. Периферическая поверхность вращения ротора является предпочтительно гладкой, чтобы избежать аэродинамических потерь.

Так как обмотка возбуждения находится в статоре, ротор не нагревается этой обмоткой. Следовательно, ротор не является местом, которое стремятся ограничить, уберечь от электромагнитных потерь поверхности.

Отсутствие значительных потерь в роторе обеспечивает ему тепловую и механическую устойчивость балансировки.

Эта синхронная машина соединяет в себе многочисленные преимущества, которые делают ее пригодной для применения при больших скоростях и/или высокой температуре.

Неподвижная обмотка возбуждения, помещенная в статоре, не подвергается усилиям, напряжениям вращения, а следовательно, более легко охлаждается газом или жидкостью. Эта обмотка возбуждения не нуждается ни в кольцах, ни в щетках.

Ротор может быть одной законченной металлической деталью, составленной из нескольких частей: - одних магнитных и одной или других - немагнитных, собранных при металлической неразрывности, непрерывности (случай сплошного ротора), общей или значительной непрерывности для больших скоростей, частичной - для обычных скоростей.

Ротор не является местом потерь, исходящих от обмотки возбуждения, а следовательно, не нуждается в каналах охлаждения.

Ротор может быть изготовлен сплошным, следовательно, прочным на изгиб и высокую критическую скорость и сопротивляющимся центробежной силе. Эти два качества делают его способным вращаться с большой скоростью.

Ротор может быть изготовлен с гладкой внешней поверхностью вращения с целью свести до минимума потери от трения воздуха, или газа, или жидкости, если ротор погружен в жидкость.

Учитывая, что ротор является монолитным и без внутренних потерь, он не подвергается тепловому искривлению, деформации или перемещению внутренних элементов, отсюда вытекает очень устойчивая балансировка (уравновешивание).

Ротор является стойким к температурному воздействию и может без специальных устройств выдержать температуры, которые могут достигать величины порядка 300^oC.

Механическая прочность, жесткость, монолитность, устойчивость балансировки способствуют высокой надежности ротора.

Структура роторов, описанная в известном уровне техники, имеет, однако, недостаток.

Описанные роторы имеют гладкую наружную поверхность вращения с важной целью уменьшить потери от трения с воздухом, или газом, или жидкостью.

Из этого следует, что магнитный зазор между полярными дугами и статором является постоянным.

Эта машина входит в категорию машин с явно выраженными полюсами. В обычных конструкциях роторов с явно выраженными полюсами наружная поверхность полюсов, находящаяся напротив внутреннего диаметра статора, оставляет между магнитными поверхностями минимальный зазор в полярной оси и поблизости. Полярные выступы - закруглены (здесь не рассмотрены более тонкие изменения, связанные с пазами статора и возможными, случайными пазами амортизатора на полюсах).

Постоянный воздушный зазор массивного ротора с зажимом, захватом известного уровня техники не является решающим недостатком, когда машина работает вхолостую или мало загруженной. Однако при работе под нагрузкой зазор имеет в соответствии с явлением, хорошо известным конструкторам машин с явно выраженными полюсами, концентрацию магнитного потока на единственный тангенциальный край, выступ каждого полюса. Этой концентрации способствует постоянный зазор, тогда как согласно изобретению она будет смягчена, ослаблена с помощью полюсов с постепенным зазором, а в случае необходимости с закругленными или скошенными выступами.

Концентрация потока на тангенциальном выступе полюса имеет следующие основные недостатки:

- В зоне концентрации индукция является максимальной в полюсе и в малой дуге статора, которая находится напротив его. Когда в этой зоне достигнуты пределы магнитных материалов, составляющих ротор и статор, эти пределы еще не достигнуты в других зонах, из чего следует, что конструкция не используется эффективным образом. Кроме того, из-за того что все зубцы последовательно узнают эту высокую индукцию, потери в стали являются высокими.

- Если пытаются ограничить индукцию зубьев статора в концентрированной зоне, увеличивая ширину всех зубьев, увеличивают массу зубьев и уменьшают сечение, имеющееся в наличии для обмотки. В этом случае конструкция также используется неэффективно.

Поэтому можно считать заслугой заявителя предложить усовершенствование ротора без обмотки и без щеток синхронной машины, называемой машиной с зажимом (захватом) с массивным ротором, или машиной РАЙСА-ЛАНДЕЛЛА, или модифицированной машиной ЛАНДЕЛЛА.

Предложенный ротор синхронной машины отличается от известных постепенным магнитным зазором и постоянным аэродинамическим зазором.

Другими отличительными признаками предлагаемого ротора синхронной машины являются следующие:

- полюсы включают поверхность, изогнутую в ее центре и плоскую в по крайней мере одной из указанных зон прогрессирующего, постепенного магнитного зазора, и хотя бы один край с острым углом;

- полюсы включают поверхность, изогнутую в своем центре и плоскую в хотя бы одной из указанных зон магнитного прогрессирующего зазора, и по крайней мере один скошенный край;

- полюсы имеют поверхность, изогнутую в центре и плоскую в хотя бы одной из указанных зон магнитного прогрессирующего, постепенного зазора, и по крайней мере один закругленный край;

- полюсы имеют поверхность, изогнутую в центре и по крайней мере в одной из указанных зон магнитного прогрессирующего, последовательно увеличивающегося зазора, и хотя бы один край с острым углом;

- полюсы включают поверхность, изогнутую в центре и в по крайней мере одной из указанных зон магнитного последовательно увеличивающегося зазора, и хотя бы один скошенный край;

- полюсы включают поверхность, изогнутую в центре и в хотя бы одной из указанных зон магнитного последовательно увеличивающегося зазора, и по крайней мере один закругленный край.

Другим отличием изобретения является то, что у ротора синхронной машины угловые детали дополнены боковыми деталями таким образом, чтобы составить виток затухания, амортизации из немагнитного материала и проводника электричества.

Усовершенствование приводит к увеличению мощности по крайней мере на 20% при том же объеме, а также к увеличению коэффициента использования.

Следовательно, очень полезно придавать ротору машины с захватом форму поверхности полюса, которая приближается к классическим формам явно выраженных полюсов, сохраняя важное преимущество быстроходности, обеспечиваемой постоянным аэродинамическим зазором.

Другое преимущество ротора с последовательно увеличивающимся зазором согласно изобретения - уменьшение концентрации потока на касательный, тангенциальный край полюсов, уменьшение потерь и увеличение мощности для данной массы.

Другими словами для машины данного объема и данной массы увеличивается ее мощность и коэффициент использования.

Другие цели, отличительные признаки и преимущества предлагаемого ротора синхронной машины будут ясны из описания предпочтительных вариантов изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1-6 - изображения в поперечном разрезе полюсов с последовательно увеличивающимся зазором в соответствии с изобретением согласно различным вариантам выполнения; и

фиг. 7 представляет виток затухания, амортизации из немагнитного материала.

Обычные явно выраженные полюсы имеют как правило профиль симметричный относительно полюсной оси.

Это необходимо, если машина должна иметь возможность работать в двух направлениях вращения так, чтобы использовать тот или другой из рабочих (действующих) моментов вращения с одними и теми же максимальными параметрами, рабочими характеристиками.

Предпочтительно, чтобы полюсы были симметричными даже в машинах с единственным направлением действия момента. В обычных машинах с явно выраженными полюсами последовательно увеличивающийся зазор получается посредством резки шихтованного пакета листов. Полученные полюсы не будут в этом случае более дорогими, чем полюсы с последовательно увеличивающимся зазором, выполненным из одной стороны боковой поверхности.

Для машин с захватом (зажимом) с массивным ротором с одним направлением действия момента, как например турбогенераторы переменного тока или компрессорные агрегаты, более экономично выполнить последовательно увеличивающийся зазор на единственной рабочей стороне полюсов.

Следовательно, ротор синхронной машины согласно изобретению способен иметь магнитный последовательно увеличивающийся зазор на одной стороне хотя бы одного из полюсов.

Магнитный последовательно увеличивающийся зазор получается при обработке полюсов фрезерованием перед или после их сварки или их соединения.

Центральная зона поверхности полюса оставлена постоянному зазору с определенным углом.

Поверхность полюса, окаймляющая последовательно увеличивающийся зазор, будет обычно плоскостью с простой обработкой, но возможно также обработать изогнутую цилиндрическую поверхность, имеющую оптимальную вариацию зазора в зависимости от угла.

Край полюса может быть оставлен острым, скошенным или закругленным.

Фиг. 1 более детально показывает полюс 1, имеющий изогнутую поверхность 2 в ее центре и плоскую на одном из своих концов, и край 3 с острым углом.

Поверхность 2 составляет магнитно активную зону полюса.

Элементы 4 из немагнитного металла расположены по обе стороны от этой магнитно активной зоны и более часто по обе стороны полюса 1.

Элемент 5 состоит из немагнитного металла, заполняющего пространство между полюсами.

Фиг. 2 более детально показывает полюс 1, имеющий поверхность 2, изогнутую в центре и плоскую на одном из своих концов, и край 3 - скошенный.

Фиг. 3 показывает более детально полюс 1, имеющий поверхность 2, изогнутую в центре и плоскую на одном из своих концов, и край 3 - закругленный.

Фиг. 4 показывает более детально полюс 1, имеющий поверхность 2, изогнутую в центре, а также на своих концах, и край 3 - с острым углом.

Фиг. 5 показывает более детально полюс 1, имеющий поверхность, изогнутую в центре, а также на своих концах, и скошенный край 3.

Фиг. 6 показывает более детально полюс 1, имеющий поверхность 2, изогнутую в центре, а также на своих концах, и закругленный край 3.

Как правило и согласно первому варианту исполнения полюсы имеют поверхность, изогнутую в центре и плоскую в по крайней мере одной из указанных зон магнитного последовательно увеличивающегося зазора, и хотя бы один край с острым углом, скошенный или закругленный.

Как правило и согласно второму варианту исполнения полюса имеют поверхность, изогнутую в центре и по крайней мере в одной из указанных зон магнитного последовательно увеличивающегося зазора, и хотя бы один край с острым, скошенным или закругленным углом.

Чтобы восстановить постоянный аэродинамический зазор недостающая магнитная сталь заменена согласно изобретению угловой (клиновой) деталью 4, состоящей из соответствующего немагнитного материала, такого, например, как аустенитная нержавеющая сталь, из-за ее низкой стоимости или из сплава на базе никеля, меди, алюминия или магния или, кроме того, из изоляционного материала.

Угловые детали 4, насаженные таким образом на каждый тангенциальный край полюса, имеют, как правило, форму уголков, клиньев.

Эти детали соединяются с полюсом при помощи сварки, приклеивания, или приклеивания и скрепления кольцами, или, кроме того, в зависимости от стоимости и желаемых механических параметров с помощью классического механического соединения, например болтовым соединением, клепкой, фальцовкой, врубкой посредством ласточкина хвоста или скрепления кольцами.

Вместо того чтобы насаживать угловые детали 4, возможно и экономично наплавлять полюсы 1 в зоне последовательно увеличивающегося зазора электрической дугой с немагнитным металлом.

После соединения между собой по известному способу двух групп полюсов, составляющих блок ротора, и сборки угловых деталей на полюсах блок ротора обрабатывается на токарном станке, чтобы получить постоянный аэродинамический зазор, тогда как магнитный зазор является последовательно увеличивающимся, прогрессирующим.

Когда полюсы снабжены, таким образом, угловыми деталями на своих касательных краях, может оказаться очень полезным использовать эти угловые детали, образуя структуру, монолитную с ротором, и их дополнить двумя другими боковыми деталями, также приваренными к ротору с целью составить виток затухания, амортизации вокруг каждого полюса.

Такой немагнитный виток затухания и электрический проводник представлен, например, на фиг. 7.

Материалом для угловых деталей 4, 6 и боковых деталей 7, 8 служит металл, имеющий хорошую электропроводность, например медь, слабо легированная медь, медь-алюминий или алюминий.

Боковые детали 7, 8, расположенные на осевых краях полюсов, приварены или присоединены тем же способом, как и угловые детали 4, 6, т.е. на металл, составляющий полюс, или немагнитный металл, расположенный в конце магнитно активной зоны и по обе стороны от полюса.

Виток может быть предпочтительно витком из одной детали, приваренной к полюсу.