Ротор высокоскоростной электрической машины

Ротор высокоскоростной электрической машины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. РОТОР ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ гомополярного г у в « J 7 f .ХАЛ S типа, содержащий вгш, по меньшей мере две соосно расположенные на нем полюсные систекн в виде явновыраженных магнитомягких полюсов и межполюсных впадин, соединенные между собой магнитопроводом, о т л ичающий ся тем, что, с целью улучшения условий охлаждения и снижения потерь, он снабжен вентиляционными лопатками, укрепленными на межполюсных впадинах, и кольцами , выполненными из чередующихся между собой магнитомягких полюсных наконечников и .немагнитных вставок , причем кольца установлены на полюсных системах и жестко соединены с вентиляционными, лопаткси ш. @ (Л с о Од vl ел ф V Cpuf.t

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„ ll 067566 А

Зуд Н 02 К, 9/04 g Н 02 К 19/00

Ф

I 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCXOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГИЙ (54) (57) 1 ° РОТОР ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ

ЭЛЕКТРИЧВСКОЙ МММИНЫ гомополярного

:p7 ф ) 7Ю

/Ю (21 ) 3440798/24-07 (22) 24.05 ° 82 (46) 15.01.84. Бюл. В 2 (72) Н.П. Адволоткин и И.Е. Овчинников (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения (53) 621.313.713(088 ° 8) (56) 1. Красовский Б.И. Вопросы прочности электрических машин. М., АН СССР, 1951, с. 38.

2. "Revue generale de electricite

1978, Р 7, р. 86-104. типа, содержащий вап, по меньшей мере две соосно расположенные на нем полюсные системы в виде явновыраженных магнитомягких полюсов и межполюсных впадин, соединенные между собой магнитопроводом, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью улучшения условий охлаждения и снижения потерь, он снабжен вентиляционными лопатками, укрепленными на межполюсных впадинах, и кольцами, выполненными из чередующихся между собой магнитомягких полюсных наконечников и .немагнитных вставок, причем кольца .установлены на полюсных системах и жестко соединены с вентиляционными. лопатками. 9

1067566 ционными лопатками.

2. Ротор по п. 1, о т л и—

-ч а ю щ н и с я тем, что,полюсные наконечники колец установлены с воздушным зазором относительно явновыраженных полюсов.

3. Ротор по п. 1, .о т л и ч а ю шийся тем, что магнитопровод охвачен немагнитным кольцом, установленным относительно него с зазором, образующим кольцевой вентиляционный канал.

4. Ротор по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью охлаждения, на наружной поверхности магнитопровода аксиально расположены вентиляционные ребра.

5. Ротор по пп. 1 и 4, о тл и ч а ю шийся тем, что венИзобретение относится к электрическим машинам, а именно к синхронным двигателям и генераторам, а так же вентильным двигателям и может быть использовано в приводах центробежных компрессоров, насосов, прокатных станов и других высокооборотных механизмов.

Известен ротор высокоскоростной электрической машины, содержащий вал, насаженный на него шихтованный магнитопровод, в пазы которого уложена обмотка, и бандажные кольца, служащие для удержания роторной обмотки, испытывающей действие центробежных сил при его вращении (13.

Недостатком этих роторов является невысокая прочность вызванная наличием на ней обмотки, и как следетвие, низкая окружная скорость ротора.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ротор высокоскоростной электрической машины гомополярного типа, содержащий вал, по меньшей мере две .соосно расположенные на нем полюсные системы в виде явновыраженных магнитомягких полюсов и межполюсных впадин, соединенные между собой магнитопроводом (2).

Недостатками этого ротора являются плохие условия охлаждения ротора и высокие потери. Большие потери в роторе и плохие условия охлаждения вызывают его сильный перегрев, зачастую недопустимый.

Нагрев ротора вызван значительными аэродинамическими потерями и потерями на перемагничивание, в которых преобладающими являются потери в поверхностном слое ротора, тиляционные ребра выполнены в виде скошенных полюсов, являющихся продолжением явновыраженных полюсов каждой полюсной caacrema и переходящих в межполюсные впадины соседней полюсной системя.

6 ° Ротор по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что явновыраженные полюса полюсных систем выполнены укороченными со стороны выходных концов вала по сравнению с полюсными наконечниками.

7. Ротор по лп. 1 и 6, о тл и ч а ю шийся тем, что вентиляционные лопатки расположены с наклоном относительно плоскости осевого аксиального сечения. обусловленные высокочастотными зубцовыми гармониками.

Несмотря на наличие межполюсных промежутков, нагрев ротора увеличивается, так как аэродинамические потери, вызванные явнополюсностью ротора превосходят потери, отводимые проходящим через него аксиальным . воздушным потоком. Эффективность осе о вого продува воздуха через ротор такой. конструкции весьма мала, так как воздух отбрасывается полюсами (выполняющими роль лопастей вентилятора только в радиальных направлениях. Отсутствие каналов для выхода отбрасываемого полюсами воздуха вызывает его постоянное перемешивание, т.е. имеют место большие аэродинамические потери и прак, тически отсутствие акспального про20 дува. Кроме того, наличие межполюсных воздушных промежутков осложняет выполнение демпфирующих контуров . по поверхности ротора, так как желательно их наличие также и в межпо25 люсных промежутках.

Цель изобретения — улучшение условий охлаждения и снижение потерь в роторе. указанная цель достигается тем, gp что ротор снабжен вентиляционными

1 опатками, укрепленными на межполюсных впадинах, и кольцами, выполненными из черсдунхцихся между собой магнитомягких полюсных наконечников и немагнитных вставок, причем кольца установлены на полюсные системы и жестко соединены с вентиляПри этом полюсные наконечники колец установлены с воздушным зазором относительно явяовыраженных по1067566 люсов, магнитопровод охвачен немагнитным кольцом, установленным относительно него с зазором, образующим кольцевой вентиляционный канал.

На наружной поверхности магнитопровода могут быть аксиально расположены вентиляционные ребра, выполненные в виде скошенных полюсов, являющихся продолжением явновыраженных полюсов каждой полюсной сис темы и переходящих в межполюсные впадины соседней полюсной системы.

Явновыраженные полюса могут быть выполнены укороченными со стороны выходных концов вала по сравнению с полюсными наконечниками, Вентиляционные лопатки расположены с наклоном относительно плоскости осевого аксиального сечения.

На фиг. 1 приведена конструкция ротора с аксиальным продувом воздуха через две полюсные системы в одном направлении, на фиг. 2— ротор в области вентиляционных лопаток, поперечное сечение; на фиг. 3 -. конструкция ротора с аксиально-радиальным продувом воздуха; на фиг. 4 — то же, вид сбоку; на фиг. 5 и 6 радиальные сечения ротора на фиг. 3 в области магнитопровода с вентиляционными ребрами, соединякицего полюсные системы> на фиг. 7 - сечение В-В на фиг. 4; на фиг. 8 — вид на торец ротора с наклоненными вентиляционными лопатками (сходные элементы на фиг. 1-8 обозначены одинаково ).

Ротор (фиг. 1 и 2) содержит вал

1, две полюсные системы 2 и 3, магнитопровод 4 и кольца 5 — 7. Каждая полюсная система, например, полюсная система 2, включает в себя явновыраженные полюса 8-10 и межполюсные впадины 11 — 13. Магнитопро" вод 4, соединяющий между собой полюсные системы, выполнен цилиндрическим. В отличие от известных конструкций предлагаемый ротор содержит вентиляционные лопатки 14 - 16, укрепленные на межполюсных впадинах

11 — 13 соответственно. На полюсные системы 2 и 3 насажены кольца 5 и 7 состоящие иэ магнитомягких полюсных наконечников 17 и немагнитных вставок 18. Кольца 5 и 7 могут быть выполнены либо в виде цельных колец иэ стали Х18Н9Т/(ЭЯТ1) отдельным участкам которого, а именно вставкам 18 приданы не магнитные свойства, либо из различных по магнитным свойствам материалов, сваренных между собой. Толщина колец 5 и 7 выбирается исходя из соображений обеспечения технологичности сварки 19 (фиг. 2), отсутствия резонансных колебаний в процессе работы машины, а также из того, чтобы высокочастотная составляющая перемагничивания

Особенность выполнения магиито60 провода 35 с вентиляционными ребрами 36 в виде скошенных лолюсоов заключается в том, что площадь любого из его поперечных сечений равна площади сечения полюсной системы.

Благодаря этому уменьшается диаметр ротора, вызванная наличием зубцов, не Распространялась вглубь эа пределы полюсных наконечников 17 и немагниIных вставок 18. Ориентировочно для роторов диаметром 200600 мм толщина кольца выбирается в пределах -10-30 мм. Немагнитное коль" цо б служит для уменьшения аэродинамического сопротивления ротора.

Оно, в сочетании с магнитопроводом

)9 4 образует кольцевой возд „ шный -про» межуток 20. Вентиляционные лопатки

14 — 16 расположены относительно продольной оси ротора под углом, обеспечивающим прохождение через ротор однонаправленного воздушного потока. Наличие скоса вентиляционных лопаток 14-16 относительно про« дольной оси ротора под углом, обес печивающим прохождение через ротор однонаправленного воздушного потока, Наличие скоса вентиляционных лопаток 14 — 16 относительно продольной оси ротора показано на фиг. 2, где видны сечения лопаток и их боковые стороны соответственно.

При вращении ротора в направлении, обозначенном стрелкой 21, создается воздушный поток, направленный по стрелкам 22.

Представленный на фиг. 3 и 4

30 вариант конструкции отличается от укаэанного тем, что в нем обеспечивается аксиально-радиальная вентиляция ротора. Полюсные системы

23 и 24 ротора содержат явновыра35 женные полюса 25 — 30 соответственно, сдвинутые относительно друг друга на 180 зл. град. На межполюсных впадинах, например, межполюсных впадинах 31 — 33 полюсной системы

4О 23 закреплены вентиляционные лопатки 34. На фиг. 5 и 6 показаны два сечения магнитопровода 35, с расположенными на нем вентиляционными реб рами 36, соединяющего полюсные системя 23 и 24, на которы пунктиром обозначены явновыраженные полюса 25 и 30 полюсных систем 23 и

24 соответственно.

Вентиляционные ребра 36 магнитопровода 35 выполнены в виде ско50 шенных полюсов 37 — 39, являющихся продолжением полюсов 25 — 27 со! ответственно, и скошенные полюса

40-42, продолжающие полюса 28-30 °

Каждый скошенный полюс, например, 55 скошенный полюс 40, переходит в Межполюсную впадину соседней полюсной системы, а именно в межполюсную впадину 33.

1067566 ротора, выбираемый исходя из условия обеспечения заданной индукции в магнитопроводе 35, что позволяет увеличить его частоту вращения.

Помимо функции проведения магнитного потока, вентиляционные. ребра

36 выполняют функции вентиляционных лопаток центробежного вентилятора, обеспечивая выброс воздуха из об,ласти 43 в радиальных направлениях.

Для уменьшения аэродинамического сопротивления за счет сокращения длины вентиляционных каналов полюсные системы 23 и 24 выполнены укороченными со стороны выходных концов 44 и 45 вала ротора. При этом желательно, чтобы длина явновыраженных полюсов, например, полюсов 25-27, не изменялась в сторону уменьшения по сравнению с областью ограниченной пунктирной линией 46 (фиг, 3).

На фиг. 7 приведено сечение вентиляционной лопатки 34, приваренной к межполюсной впадине 33.

Для того, чтобы обеспечить увеличение радиальных размеров колец

5.и 7, вызванное центробежными силами, ae,нтиляционные лопатки, например, лопатки 47-49, устанавливают под некоторым углом (фиг. Sl к плоскости осевого сечения. Тогда разница в изменении размеров ко.лец 5 и 7 и полюсных систем компенсируется изменением величины угла за счет изгиба лопаток 47-49, лежащего в области упругих деформаций.

Работа ротора осуцествляется следующим образом.

При вращении ротора, например в направлении, обозначенном стрелкой 21 (фиг. 1 и 2 ), воздух, находящийся в межполюсных каналах, отбрасывается вентиляционными лопатками 14-16 в направлении, обозначенном стрелками 22, обеспечивая аксиальную вентиляцию ротора. Часть воздушного потока проходит в зазоре между явновыраженными полюсами

8-10 и полюсными наконечниками 17, обеспечивая съем тепла с последних. В роторе (фиг. 3 и 4! создаются два встречно направленных потока.

Направление одного из них обозначено

50 стрелками 50, другого - стрелками

51. Попадая на вентиляционные ребра

36 магнитопровсда 35, выполненные в виде скошенных полюсов 37-39, воздушный поток отбрасывается в радиальных направлениях. Ротор такой конструкции используется в машине с аксиально-радиальным продувом, выход воздуха в которой осуцествляется через межпакетное пространство статора и среднюю часть корпуса.

Поскольку наиболее нагретой частью ротора явлйется переферийная эона активной части, в которой выделяются потери на перемагничивание, в том числе их основная составляющая, вызванная зубцовыми гармониками и аэродинамические потери, предлагаемая конструкция в сравнении с известными обеспечивает высокую эффективность отвода потерь и их снижение.

Снижение потерь объясняется наличием колец 5 и 7, уменьшающих аэродинамические потери, а также наличием демпфируюцих контуров в межполюсных промежутках благодаря наличию тех we колец. Высокая эффективность охлаждения связана с обеспечением продува воздуха с помощью вентиляционных лопаток через аксизльные каналы ротора, образованные наиболее нагретыми его частями - кольцами 5 и 7 и явновыраженыыми полюсами, например, полюсами 8-10.

Технико-экономический эффект, обусловленный снижением потерь и улучшением условий охлаждения, заключается в повышении надежности машины, увеличении ее срока службы и повышении моциости в габарите.

Повышение надежности и долговечности машины объясняется уменьшением нагрева не только ротора, но также и подшипниковых узлов, статор ной обмотки и обмотки возбуждения.

Хороший отвод тепла от наиболее нагретых участков ротора позволяет также повысить электромагнитные нагрузки в элементах ротора, в частности индукцию в полюсных наконечниках 17, явновыраженных полюсах и магнитопроводе 4 или 35 и за счет этого, повысить мощность машины при тех же ее габаритах.

1067566

Фае 3

ГБ

Фиг 5

В-В

1667566

Составитель Л. Карцева

Редактор А. Химчук Техред Ж.Кастелевич Корректор Л Патай

Заказ 11223/55 Тираж 672 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, МОсквр, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4