CZ287892B6 - Vylehčený rotor - Google Patents

Abstract

Vylehčený rotor se 2N póly obsahuje první rotorový díl (1) z magnetického materiálu, obsahující axiální náboj (2), mající volný konec (3) a konec (4), opatřený N ramenovitými výběžky (5), uspořádanými axiálně s rovnoměrným rozmístěním po obvodě, vymezujícími mezi sebou volný prostor (6), dále druhý rotorový díl (1') z magnetického materiálu s opačnou polaritou vzhledem k prvnímu dílu z magnetického materiálu, uložený proti prvnímu rotorovému dílu (1) a mající stejný tvar jako první díl (1), přičemž každý ramenovitý výběžek (5') druhého rotorového dílu (1') je uložen mezi dvěma ramenovitými výběžky (5) prvního rotorového dílu a naopak. Mezi volnými konci ramenovitých výběžků (5, 5') každého z rotorových dílů a dnem (6A, 6A') volného prostoru (6, 6') protilehlého rotorového dílu (1, 1') jsou uloženy nemagnetické distanční prvky (7). Rotor dále obsahuje nemagnetické krycí prostředky (9).ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká vylehčeného magnetoelektrického rotoru a zejména vylehčeného magnetoelektrického rotoru, určeného pro použití v rychlém synchronním stroji.

Dosavadní stav techniky

Vylehčené rotory jsou tvořeny skupinou vzájemně spojených nemagnetických a polarizovaných magnetických prvků. Rychlosti mohou u některých rychlých synchronních strojů dosáhnout hodnoty 50 000 ot./min a mohou být i vyšší. Jelikož jsou tyto rotory sestavou dílů, vede to konstruktéry vylehčeného rotoru ke snaze získat rotory s co možná nejvyšší odolností proti roztržení odstředivou silou při současném zachování optimálního aerodynamického profilu.

Jsou známé plné rotory. Jejich značná hmota omezuje jejich rychlost otáčení. Při otáčení je totiž odstředivá síla, která se vyvíjí, úměrná pohybující se hmotě. S tímto typem plného rotoru je zapotřebí používat montážní postupy typu izostatického stlačení apod., aby rotor mohl odolávat nebezpečí roztržení při zvýšených pracovních rychlostech. Tyto montážní postupy jsou drahé a obtížně použitelné při sériové výrobě. Kromě toho mají u tohoto typu plného rotoru části, které ho tvoří, složité tvary a jejich montáž není snadná.

Vynález si klade za úkol vytvořit kompaktní vylehčený rotor jednoduché konstrukce a při použití běžných technologických postupů, který by se mohl otáčet při velkých rychlostech otáčení a jehož výrobní náklady by byly přiměřené velkosériové výrobě.

Podstata vynálezu

Vynález přináší vylehčený rotor se 2N póly, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje první rotorový díl z magnetického materiálu, obsahující axiální náboj, mající volný konec a konec opatřený N ramenovitými výběžky, uspořádanými axiálně s rovnoměrným rozmístěním po obvodě, vymezujícími mezi sebou volný prostor, dále druhý rotorový díl z magnetického materiálu s opačnou polaritou vzhledem k polaritě prvního rotorového dílu z magnetického materiálu, mající stejný tvar jako první rotorový díl včetně odpovídajících ramenovitých výběžků, a uložený proti prvnímu rotorovému dílu, přičemž každý ramenovitý výběžek druhého rotorového dílu je uložen mezi dvěma ramenovitými výběžky prvního rotorového dílu a naopak, přičemž mezi volnými konci ramenovitých výběžků a dnem volného prostoru protilehlého rotorového dílu jsou uloženy nemagnetické distanční prvky, a přičemž rotor dále obsahuje nemagnetické krycí prostředky rotoru.

Podle dalšího znaku vynálezu má každý ramenovitý výběžek podélnou vnější plochu, obsahující střední obvodový úsek a šikmé postranní plošky, v nichž se vnější povrch ramenovitého výběžku radiálně šikmo vzdaluje od válcové obalové geometrické plochy, definované středními obvodovými úseky na ramenovitých výběžcích rotoru.

Magnetická vzduchová mezera mezi neznázoměným statorem, obklopujícím válcovou obalovou geometrickou plochu, definovanou středními obvodovými úseky, a vnějším povrchem příslušných pólů rotoru, tvořených ramenovitými výběžky, se tak radiálně progresivně mění podél šikmých postranních plošek na každé straně středního obvodového úseku.

-1 CZ 287892 B6

Podle dalšího znaku vynálezu obsahuje každý ramenovitý výběžek jednoho magnetického dílu sbíhavé ustupující vnitřní plochy, jejichž bod sbíhání leží v blízkosti osy rotoru.

Každý ramenovitý výběžek má podle dalšího znaku vynálezu mnohoúhelníkovou základnu ve styku s axiálním nábojem a volný zúžený konec.

Distanční prvky mohou být integrovány do jednoho nemagnetického monoblokového distančního dílu, sloužícího pro více dvojic ramenovitých výběžků.

Podle výhodného provedení vynálezu obsahuje rotor dvojité nemagnetické distanční prvky, přiřazené každý jedné dvojici diametrálně protilehlých ramenovitých výběžků jednoho rotorového dílu a opřené o dno volného prostoru na druhém rotorovém dílu, a zajišťující přímé tuhé spojení mezi diametrálně protilehlými ramenovitými výběžky jednoho rotorového dílu.

První výhoda rotoru podle vynálezu vyplývá ze středního vybrání v důsledku ramenovité konstrukce rotorových dílů s volným prostorem (šatonem). To umožňuje vylehčit rotor a vést k tomu, že při stejné rychlosti vznikne odstředivé namáhání menší, než jaké by vzniklo při plném rotoru. Druhá výhoda vyplývá z předchozí výhody. Vzhledem ke sníženým namáháním odstředivou silou, která se vyskytují, může být spojení jednotlivých prvků, tvořících rotor, vytvořeno klasičtějšími a méně náročnými svařovacími postupy.

Další výhoda vyplývá u obzvláštního tvaru ramenovitých výběžků, který dovoluje jednak omezit úniky toku, a jednak odstředivá namáhání ramenovitých výběžků v ohybu při otáčení.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, na kterých znázorňuje obr. 1 schéma magnetického dvoupólového rotorového dílu pro čtyřpólový rotor podle vynálezu, obr. 2 schéma dvojitého nemagnetického distančního prvku pro čtyřpólový rotor podle vynálezu, obr. 3 schéma čtyřpólového rotoru podle vynálezu bez jeho krycích prostředků a obr. 4A, 4B, 4C schémata čtyřpólového rotoru podle vynálezu v příčném řezu.

Příklady provedení vynálezu

Jak je patrné z výkresů, obsahuje vylehčený rotor se 2N póly podle vynálezu první rotorový díl 1 z magnetického materiálu, obsahující axiální náboj 2, mající volný konec 3 a konec 4, opatřený N ramenovitými výběžky 5, uspořádanými axiálně s rovnoměrným rozmístěním po obvodě, vymezujícími mezi sebou volný prostor 6, dále druhý rotorový díl Γ z magnetického materiálu s opačnou polaritou vzhledem k prvnímu rotorovému dílu 1 z magnetického materiálu, uložený proti rotorovému prvnímu dílu 1 z magnetického materiálu a mající stejný tvar jako první díl J, přičemž každý ramenovitý výběžek 5' druhého rotorového dílu Γ je uložen mezi dvěma ramenovitými výběžky 5 prvního rotorového dílu L Ramenovité výběžky 5, 5', každého z rotorových dílů 1, Γ vymezují volný prostor 6, 6' rotorového dílu (šaton - vymezovaný volný prostor je možno tvarově přirovnat k šatonu šperku, vymezujícímu lůžko pro kámen), který lze definovat jako volnou část geometrického prostoru, vymezovaného odpovídajícím dnem 6A, 6A' na konci 4, 4' příslušného náboje 2, 2', rovinou procházející volnými konci 8, 8' ramenovitých výběžků 5, 5', válcovou plochou obvodově obklopující uvedené ramenovité výběžky 5, 5', a samotnými ramenovitými výběžky 5, 5'. Mezi volnými konci ramenovitých výběžků 5, 5' každého z magnetických rotorových dílů a dnem 6A, 6A' volného prostoru 6, 6' (šatonu) protilehlého rotorového dílu 1, Γ jsou uloženy nemagnetické distanční prvky 7. Jak je patrné z obr. 5A, rotor dále obsahuje nemagnetické krycí prostředky 9 rotoru ve tvaru válce, vymezující

-2CZ 287892 B6 vzhledem k neznázoměnému statoru mechanickou vzduchovou mezeru mezi válcovitými krycími prostředky 9 a statorem.

V provedení, znázorněném na výkresech, je počet N rovný dvěma. Konec 4, 4' náboje 2, 2' tak obsahuje dva diametrálně protilehlé ramenovité výběžky 5, 5'. Ramenovité výběžky mají podélné vnější plochy 10, 10’, obsahující oblasti, podél nichž se postupně v radiálním směru mění vzduchová mezera vzhledem k neznázoměnému statoru.

V provedení vynálezu znázorněném na výkresech, obsahuje podélná vnější plocha ]0 ramenovitého výběžku 5 střední obvodový úsek 11, mající jako poloměr vnější poloměr rotoru před osazením krycích prostředků (krytu) 9, a dvě šikmé postranní plošky 12a. 12b po obou stranách střední oblasti H. Obdobně má podélná vnější plocha ]0' ramenovitého výběžku 5' střední obvodový úsek 1Γ a dvě šikmé postranní plošky 12a'. 12b' po obou stranách střední oblasti Η,'.

Celkový tvar podélné vnější plochy 10, 10' dovoluje optimalizovat průchod magnetického toku mezi střední oblastí 11, H' a statorem točivého stroje.

Ramenovité výběžky podle vynálezu mají s výhodou vnitřní sbíhavé ustupující plochy 13, jejichž bod 14 sbíhání leží v blízkosti osy rotoru.

Toto řešení má za cíl vytvořit značný nemagnetický prostor mezi dvěma přilehlými magnetickými hmotami opačných polarit (přilehlými ramenovitými výběžky). Tento nemagnetický prostor dovoluje omezit úniky magnetického toku, procházejícího přímo mezi přilehlými póly opačných polarit, místo aby procházel statorem.

V provedení znázorněném na výkresech, ramenovité výběžky dále mají uspořádání ploch takové, že mají základnu ve styku s axiálním nábojem se značnou velikostí pro zachycení ohybových namáhání ramenovitých výběžků, vyvolaných působením odstředivé síly, a zúžený volný konec pro omezování pohybující se hmoty na konci ramenovitého výběžku, takže se tak tlumí uvedená namáhání v ohybu na základně.

Nemagnetické distanční prvky 7, vložené mezi volné konce 8, 8' ramenovitých výběžků 5, 5' každého z magnetických dílů 1, Γ a dno 6A. 6A' volného prostoru 6, 6' protilehlého rotorového dílu 1, Γ, slouží k vytvoření nemagnetického prostoru 60 mezi polarizovanými ramenovitými výběžky jednoho z magnetických rotorových dílů 1, Γ a dnem 6A, 6A' volného prostoru 6, 6' druhého z rotorových dílů 1, Γ opačné polarity, dostatečného pro minimalizování ztrát magnetického toku mezi ramenovitými výběžky a protilehlým dílem. Na rozdíl o termínu volný prostor rotorového dílu (šaton), který se vztahuje ke geometrii příslušného rotorového dílu jakožto části rotoru, se termín nemagnetický prostor 60 vztahuje ke smontovanému stavu rotoru a tento nemagnetický prostor 60 obsahuje části volných prostorů 6, 6' rotorových dílů 1, Γ které se vzájemně pronikají.

Tyto nemagnetické distanční prvky 7 mají také mechanickou roli, zaměřenou na zajišťování axiální a radiální soudržnosti rotoru. Toho je dosaženo tím, že distanční prvky zajišťují tuhé mechanické spojení mezi konci 8, 8' ramenovitých výběžků jednoho magnetického dílu 1, Γ a dnem 6A, 6A¹ volného prostoru 6,6' druhého rotorového dílu 1, V.

V provedení znázorněném na výkresech jsou použity dvojité distanční prvky, které kromě tuhého spojení mezi konci ramenovitých výběžků jednoho rotorového dílu a dnem volného prostoru druhého rotorového zajišťují tuhé přímé spojení mezi diametrálně opačnými ramenovitými výběžky. Tento znak se podílí na zlepšování radiální soudržnosti rotoru.

-3 CZ 287892 B6

Obr. 2 znázorňuje dvojitý distanční prvek 7 podle vynálezu. Tento dvojitý monoblokový distanční prvek má jako přídavný znak svůj tvar staticky a dynamicky vyvážený vzhledem k ose otáčení rotoru. Při otáčení se odstředivé síly ve dvojitém monoblokovém distančním prvku ruší. Skutečnost, že má strukturu monobloku, přináší další zvýšení bezpečnosti.

V dalším neznázoměném provedení zajišťuje jediný monoblokový distanční díl funkci distančního prvku pro soubor ramenovitých výběžků.

Distanční prvky nebo vícečlenné distanční díly jsou vytvořeny tak, že zajišťují nemagnetické a mechanické funkce, které jsou od nich požadovány, s minimální hmotností. Pevná spojení mezi distančními prvky a ramenovitými výběžky a/nebo dny volných prostorů mohou být vytvořena jakýmkoli známým způsobem typu svařování, šroubování, lepení. Podle vynálezu jsou mechanické vlastnosti, potřebné pro toto spojení, podstatně méně náročné, než u plného rotoru.

Pro zachování optimálního aerodynamického rotoru jsou ramenovité výběžky kryty nemagnetickými krycími prostředky. Vzhledem k obzvláštní konstrukci rotoru mohou krycí prostředky tvořit prvek, který je axiálně nebo radiálně soudržný s rotorem, a být tak z jakéhokoli nemagnetického materiálu a mít takovou tloušťku, že vzdoruje pouze svou vlastní setrvačností.

V provedení, znázorněném na výkresech, obsahují krycí prostředky dutý válec, kryjící ramenovité výběžky, a dvě koncové prstencové příruby, obklopující náboje a uzavírající základny válce.

Rotor podle vynálezu je tak řešen tak, aby byl co nejlehčí a měl jednoduchou konstrukci. Úsilí po vylehčení vedlo k maximálnímu nahrazení nemagnetického materiálu vzduchem. Řešení navrhované vynálezem představuje rotor, který je dutý nebo je opatřen vybráními, a má magnetickou vzduchovou mezeru, která se místně radiálně postupně mění, a mechanickou vzduchovou mezeru, která je aerodynamicky konstantní a hladká vzhledem k použití krycích prostředků z nemagnetického materiálu, které mají válcovitý tvar, jsou hladké a obklopují rotor. Snaha po jednoduché konstrukci vedla k omezení počtu dílů, z nichž rotor sestává.

Rozumí se, že se vynález neomezuje na popsané a znázorněné provedení, ale že může být podroben více variantám, přístupným pro odborníka v oboru, aniž by se opustila jeho myšlenka. Zejména je možné zvýšit počet pólů rotoru, aniž by se opustil rámec vynálezu.

Claims (6)

1. Vylehčený rotor se 2N póly, vyznačený tím, že obsahuje první rotorový díl (1) z magnetického materiálu, obsahující axiální náboj (2), mající volný konec (3) a konec (4) opatřený N ramenovitými výběžky (5), uspořádanými axiálně s rovnoměrným rozmístěním po obvodě, vymezujícími mezi sebou volný prostor (6), dále druhý rotorový díl (Γ) z magnetického materiálu s opačnou polaritou vzhledem k polaritě prvního rotorového dílu (1) z magnetického materiálu, mající stejný tvar jako první rotorový díl (1) včetně odpovídajících ramenovitých výběžků (5'), a uložený proti prvnímu rotorovému dílu (1), přičemž každý ramenovitý výběžek (5') druhého rotorového dílu (Γ) je uložen mezi dvěma ramenovitými výběžky (5) prvního rotorového dílu (1) a naopak, přičemž mezi volnými konci (8, 8') ramenovitých výběžků (5, 5') a dnem (6A, 6A') volného prostoru (6, 6') protilehlého rotorového dílu (1, Γ) jsou uloženy nemagnetické distanční prvky (7), a přičemž rotor dále obsahuje nemagnetické krycí prostředky (9) rotoru.

-4CZ 287892 B6

2. Vylehčený rotor podle nároku 1, vyznačený tím, že každý ramenovitý výběžek (5, 5') má podélnou vnější plochu (10, 10'), obsahující střední obvodový úsek (11, 1Γ) a šikmé postranní plošky (12a, 12b, 12a', 12b'), v nichž se vnější povrch ramenovitého výběžku (5, 5') radiálně šikmo vzdaluje od válcové obalové geometrické plochy, definované středními obvodovými úseky (11, 1Γ) na ramenovitých výběžcích (5, 5') rotoru.

3. Vylehčený rotor podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím, že každý ramenovitý výběžek (5, 5') rotorového dílu (1, Γ) obsahuje sbíhavé ustupující vnitřní plochy (13), jejichž bod sbíhání (14) leží v blízkosti osy rotoru.

4. Vylehčený rotor podle kteréhokoli z nároků laž3, vyznačený tím, že každý ramenovitý výběžek (5, 5') má mnohoúhelníkovou základnu ve styku s axiálním nábojem (2, 2') a volný zúžený konec (8, 8').

5. Vylehčený rotor podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačený tím, že distanční prvky (7) jsou integrovány do jednoho nemagnetického monoblokového distančního dílu, sloužícího pro více dvojic ramenovitých výběžků (5, 5').

6. Vylehčený rotor podle kteréhokoli z nároků laž5, vyznačený tím, že obsahuje dvojité nemagnetické distanční prvky (7), přiřazené každý jedné dvojici diametrálně protilehlých ramenovitých výběžků (5, 5 nebo 5', 5') jednoho rotorového dílu (1, Γ) a opřené o dno (6A', 6A) volného prostoru (6, 6') na druhém rotorovém dílu (Γ, 1), a zajišťující přímé tuhé spojení mezi diametrálně protilehlými ramenovitými výběžky (5, 5') jednoho rotorového dílu (1, Γ).