ES3037524T3 - Flux directing, pole span setting, feature on rotor lamination of air-cooled electric motor/generator - Google Patents
Flux directing, pole span setting, feature on rotor lamination of air-cooled electric motor/generatorInfo
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Abstract
Un rotor con varias láminas unidas y montables en un eje para su rotación con respecto a un estator de una máquina eléctrica rotativa presenta una sección sólida que rodea una abertura por la que se aloja el eje. La sección sólida incluye un diámetro exterior, huecos para la recepción de imanes y escalones que delimitan varios tramos polares desde elementos de dirección de flujo en los laterales de cada tramo polar. Los elementos de dirección de flujo adyacentes entre tramos polares adyacentes están dispuestos en lados opuestos de áreas festoneadas u otros rebajes similares, lo que permite el flujo de aire de refrigeración a través del rotor. La invención también se refiere a una lámina que puede utilizarse junto con otras láminas para proporcionar dicho rotor, así como a una configuración, como un motor de CA, un generador o un motor/generador, que incluye un estator y dicho rotor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dirección de flujo, establecimiento de tramo de polo, característica sobre la laminación de rotor de motor/generador eléctrico enfriado por aire
Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud provisional de EE. UU. de n.° de serie 61/618.259, presentada el 30 de marzo de 2012, cuya divulgación completa se incorpora por referencia en la presente solicitud.
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una característica de definición de tramo de polo incluida en una laminación de rotor que forma parte de una pila de laminación que constituye el rotor de una máquina eléctrica, tal como un motor de CA, generador o motor/generador con rebajes o canales para promover el enfriamiento de rotor.
Descripción de la técnica relacionada
La Figura 1 de la presente solicitud ilustra una laminación 50 de rotor de imán permanente interior conocida. Las características de alas ilustradas en la Figura 1 establecen un tramo que influye en el flujo de flujo(flux flow)a través del espacio de aire entre las características de alas. Durante las condiciones de carga, cuando la reacción de inducido influye en el flujo de flujo desde el rotor al estátor, el tramo de polo establecido por las características de alas proporciona una trayectoria de flujo optimizada para maximizar la potencia de salida desde el generador. Durante las condiciones de descarga, el tramo de polo optimizado permite una tensión de generador interna más alta (BEMF maximizada de la máquina). Después de la prueba, se determinó que los canales de enfriamiento de polos internos en el rotor formados por una pila de las laminaciones 50 deberían estar presentes para permitir el flujo de aire a través del generador y, en diseños posteriores, se insertaron festones en las áreas de polos internos de la laminación de rotor, eliminando la posibilidad de usar enfoques de tramo de polo tradicionales, tal como los que incorporan laminaciones de rotor que tienen configuraciones como se muestra en la Figura 1.
La publicación de solicitud de patente de EE. UU. 2012/0074801 de Brownet al.divulga un rotor magnético con puentes insertados para promover el enfriamiento. La Figura 2 de la presente solicitud corresponde a la Figura 1 de la publicación de Brownet al.('801) e ilustra una laminación 10 de rotor de imán permanente interior conocida, en vista en planta, con festones o muescas 12 en el diámetro exterior de rotor 13. La laminación de rotor ilustrada en la Figura 2, de nuevo, es una laminación de rotor de imán permanente interior de una sola capa. Cada muesca 12 está ubicada entre pares adyacentes de huecos u orificios de recepción de imán 14 y 16, 18 y 20, 22 y 24 y 26 y 28 y cada hueco u orificio de recepción de imán de estos pares está separado de tal otro hueco u orificio por un puente delgado 30 de material de laminación de rotor. En operación, los imanes permanentes (no mostrados) se fijan dentro de los huecos u orificios para cooperar con los devanados dispuestos alrededor de los polos de un estátor, dentro del cual la laminación 10 de rotor es rotatoria. Un árbol de rotor (no mostrado) puede recibirse dentro de una abertura de árbol 32 para impartir movimiento de rotación al rotor.
Otros documentos que pueden ser de interés son la patente de EE. UU. 3.364.672 de Pfeffer, la patente de EE. UU.
5.051.634 de Overton, la patente de EE. UU. 7.057.323 de Horst, la publicación de solicitud de patente de EE. UU.
2005/0140236 A1 de Jeonget al.,la publicación de solicitud de patente de EE. UU. 2006/0119203 A1 de Brownet al.,la publicación de solicitud de patente de EE. UU. 2007/0103024 A1 de Nakayamaet al.,la publicación de solicitud de patente de EE. UU. 2008/0030108 A1 de Tragoet al.,la publicación de solicitud de patente de EE. UU. 2008/0224558 A1 de lonel y la publicación de solicitud de patente de EE. UU. 2009/0224624 de Kumaret al.El documento CN1476146A divulga un rotor de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
El documento de IEEEWaveform Optimization of an AC Converter Machine,publicado el 25 de mayo de 1989, identificando a F. Wang como su autor, enseña el valor de las formas de onda de onda cuadrada para mejorar la potencia de salida de una máquina para un tamaño dado. Esto se logra mediante una máquina de seis fases y un espacio linealmente variable.
La Figura 3 ilustra la conformación de polo estándar para grandes generadores síncronos que se usa para crear una BEMF más sinusoidal, en lugar de aumentar una magnitud de la BEMF fundamental.
Sumario de la invención
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un rotor de acuerdo con la reivindicación 1. Se proporciona una tapa de polo de dirección de flujo en el diámetro exterior de la laminación de rotor. Esta tapa de polo es una característica no circular y sirve para establecer el tramo de polo de la máquina. La tapa de polo no circular se implementa en la laminación cortando un arco en el diámetro exterior directamente sobre el polo de imán. Al incluir tales características en las laminaciones de rotor, se intenta proporcionar la tensión máxima a la carga de generador bajo condiciones de carga. Los beneficios de la tapa de polo de dirección de flujo son la tensión de generador interna optimizada, inductancia reducida, reactancia reducida y un factor de potencia aumentada. Estas combinaciones ayudan a aumentar la eficiencia de generador.
En el proceso de diseño de un generador de imanes permanentes trifásico, se observó que diferentes establecimientos de tramos de polos proporcionaban diferentes tensiones de salida bajo ciertas condiciones de carga. Un objetivo de diseño es optimizar el tramo de polo para proporcionar la tensión más alta en las cargas de generador. Esta característica ayuda a minimizar el material de imán y las vueltas de bobina. La selección de tramo de polo también afecta directamente a otros parámetros de generador, tal como la inductancia y la reactancia.
En una disposición preferida, un rotor, formado a partir de una pluralidad de laminaciones unidas entre sí, se puede montar en un árbol para rotación en relación con un estátor de una disposición de máquina eléctrica rotatoria. El rotor laminado multicapa tiene una sección sólida que rodea una abertura dentro de la cual se puede recibir el árbol. La sección sólida incluye un diámetro exterior, huecos de recepción de imán y escalones que delimitan una pluralidad de tramos de polos de las características de dirección de flujo en los lados de cada uno de los tramos de polos. Las características de dirección de flujo adyacentes entre tramos de polos adyacentes están dispuestas en lados opuestos de áreas festoneadas u otros tales rebajes que permiten el flujo de aire de enfriamiento más allá del rotor.
Cada uno de los rebajes mencionados que permiten el flujo de aire de enfriamiento define un área festoneada en la sección sólida y la sección sólida mencionada define una pluralidad de polos de rotor, cada uno de los cuales incluye un par de características de dirección de flujo, un tramo de polo solo entre las características de dirección de flujo y uno de los escalones ubicados entre cada una de las características de dirección de flujo y el tramo de polo solo. Cada uno de los polos de rotor, asimismo, incluye un par de huecos de recepción de imán y cada uno de los escalones está dispuesto directamente sobre uno de los huecos de recepción de imán. Las características de dirección de flujo permiten el flujo de aire más allá del rotor entre los rebajes y los tramos de polos.
La selección de los tramos de polos puede hacerse basándose en al menos una de una tensión de generador interna máxima, una inductancia de fase mínima y una reactancia de generador mínima. En una disposición particular contemplada, el rotor incluye cuatro polos de rotor que cooperan con un estátor de treinta y seis ranuras. Los tramos de polos, escalones y características de dirección de flujo mencionados proporcionan un espacio de aire de sección transversal variable entre el rotor y un estátor asociado con el rotor, estando el espacio de aire en un mínimo entre los tramos de polos y el estátor.
Breve descripción de las figuras de dibujos
La Figura 1, tratada anteriormente, es una vista en planta de una laminación de rotor de imán permanente interior conocida que tiene características de alas que influyen en el flujo de flujo.
La Figura 2, tratada anteriormente, ilustra una laminación de rotor de imán permanente interior conocida, en vista en planta, con festones o muescas en el diámetro exterior de rotor para permitir el flujo de fluido de enfriamiento.
La Figura 3, tratada anteriormente, ilustra la conformación de polo estándar para grandes generadores síncronos.
La Figura 4 ilustra un rotor que tiene características de tapa de polo de dirección de flujo de acuerdo con la presente invención.
La Figura 5 es una vista ampliada de una parte de la Figura 4.
La Figura 6 es una ilustración esquemática de las líneas de flujo magnético en una disposición que tiene un rotor configurado de conformidad con la presente invención.
Descripción detallada de la invención
Como se muestra en la Figura 4, de acuerdo con la presente invención, se proporciona una característica de tapa de polo de dirección de flujo 100 en el diámetro exterior 102 de una laminación de rotor que forma parte de un rotor laminado global 106. Esta característica de tapa de polo 100 no es circular y sirve para establecer el tramo de polo 108 de la máquina. La característica de tapa de polo no circular 100 se implementa en la laminación cortando arcos en el diámetro exterior 102 directamente sobre el polo de imán. Aunque tales características no deben considerarse limitativas, en una configuración de la invención, la máquina es un generador de cuatro polos, de 36 ranuras diseñado para operar a de 45 a 60 Hz y proporcionar un mínimo de 338 VCA a 45 Hz y 449 VCA a 60 Hz.
En disposiciones convencionales, los diseños de imán enterrado o imán permanente interior originalmente tenían pequeños canales de enfriamiento de polos internos y un tramo de polo podía establecerse de una manera tradicional, apoyada por la técnica anterior. En la laminación 50 de rotor de imán permanente interior conocida de la Figura 1, por ejemplo, este enfoque se logró utilizando características de ala que se extienden una hacia la otra y establecen una distancia angular por encima del polo.
En el enfoque de delimitación de tramo de polo alternativo de la presente invención, se implementan arcos de tapa de polos no circulares u otras características 100 en la laminación diseñando arcos por encima del polo de imán en el diámetro exterior 102 del rotor 106 justo por encima de los huecos de recepción de imán, orificios o ranuras 109. Las áreas del rotor 106 entre los polos (de polo interno) incluyen áreas festoneadas 104 que permiten que el aire fluya axialmente a través del rotor 106. El espacio de aire magnético radial 110 (Figura 6) está en un mínimo en el diámetro exterior de laminación de rotor 102 en el área por encima de los imanes permanentes recibidos en los huecos 109 y se hace más grande en el área de la laminación fuera de un tramo de polo 108, pero entre los arcos de tapa de polo u otras características 100 y las áreas festoneadas 104 que forman regiones de flujo de aire. Este espacio de aire variable influye en el flujo y lo dirige a la sección arqueada del rotor 106, más exactamente por encima de los imanes. Esto se vuelve particularmente importante para maximizar el enlace de flujo con cargas reactivas; a medida que las cargas se vuelven más reactivas, el ángulo de corriente se aleja de la tensión en el sistema de generador. Cuando esto ocurre, la reacción de inducido intentará desviar el flujo en áreas que no son beneficiosas para la producción de tensión. La tapa de polo sirve para guiar el flujo a través del espacio, minimizando el efecto de la reacción de inducido y maximizando la tensión de salida de generador. La Figura 6 es una ilustración esquemática de las líneas de flujo magnético en una disposición que tiene el rotor 106 dispuesto de manera rotatoria dentro de un estátor 112 que tiene dientes de estátor 114 y bobinas de alambre asociadas (no mostradas).
La Figura 5 es una vista ampliada de una parte de la Figura 4 que muestra una de las áreas festoneadas 104 adyacente a uno de los huecos de recepción de imán, orificios o ranuras 109 del rotor 106. Los arcos de tapa de polos no circulares u otras características 100 están delineados con respecto al tramo de polo 108 (Figura 4) de la laminación de rotor ilustrada por una característica de escalón abajo 116 que puede denominarse de manera más concisa simplemente como un "escalón". Tales características de escalón abajo sirven para aumentar la tensión de salida y, como se muestra en la Figura 6, enfocar el flujo en los dientes alineados con los imanes recibidos dentro de los huecos.
Como se ha señalado anteriormente, al incluir tales características en las laminaciones de rotor, se intenta proporcionar la tensión máxima a la carga de generador bajo condiciones de carga. Los beneficios de la tapa de polo de dirección de flujo son la tensión de generador interna optimizada, inductancia reducida, reactancia reducida y un factor de potencia aumentada. Estas combinaciones ayudan a aumentar la eficiencia de generador.
La selección de tramo de polo se optimiza proporcionando una tensión de generador interna máxima, una inductancia de fase mínima y una reactancia de generador mínima. Al disminuir la reactancia de generador, el factor de potencia del sistema completo aumentó, aumentando la eficiencia. La reducción de la inductancia debido a un tramo de polo optimizado reduce la caída de tensión a través de la impedancia interna de generador durante las condiciones de carga, aumentando la potencia de salida de generador.
La invención debe ser fácilmente observable, es operable como se evidencia por medio de su uso en ciertos prototipos y aumenta la tensión generada en un 5,6 % en relación con las disposiciones sin una característica de escalón abajo.
La divulgación anterior se ha expuesto simplemente para ilustrar la invención y no pretende ser limitativa. Las modificaciones de las realizaciones divulgadas que incorporan la sustancia de la invención pueden ocurrírseles a los expertos en la técnica y la invención debe interpretarse para incluir todo dentro del alcance de la invención reivindicada en última instancia.
Claims (10)
1. Un rotor (106) que se puede montar en un árbol para rotación en relación con un estátor (112) de una disposición de máquina eléctrica rotatoria, que comprende:
una sección sólida que rodea una abertura dentro de la cual se puede recibir el árbol, incluyendo la sección sólida un diámetro exterior (102), huecos de recepción de imán (109) y pares de escalones (116) que delimitan una pluralidad de tramos de polos (108) de las características de dirección de flujo (100) en los lados de cada uno de los tramos de polos (108),
en donde las características de dirección de flujo adyacentes (100) entre tramos de polos adyacentes (108) están dispuestas en lados opuestos de rebajes (104) que permiten el flujo de aire de enfriamiento más allá del rotor, siendo las características de dirección de flujo (100) a cada lado de cada rebaje (104) de igual longitud, en donde la sección sólida define una pluralidad de polos de rotor,
en donde cada uno de dichos polos de rotor incluye un par de huecos de recepción de imán (109) y un par de escalones (116) y cada uno de los escalones (116) está dispuesto directamente sobre uno de los huecos de recepción de imán (109) y
en donde cada uno de dichos polos de rotor incluye, además, un par de dichas características de dirección de flujo (100), uno solo de dichos tramos de polos (108) entre las características de dirección de flujo (100) y los escalones (116) ubicados entre cada una de las características de dirección de flujo (100) y el tramo de polo solo (108),caracterizado por que
las características de dirección de flujo (100) a cada lado de cada rebaje (104) son rectas y por que
el rotor (106) tiene una pluralidad de laminaciones unidas entre sí.
2. El rotor (106) de la reivindicación 1, en donde las características de dirección de flujo (100) están configuradas para permitir el flujo de aire más allá del rotor (106) entre los rebajes (104) y los tramos de polos (108).
3. El rotor (106) de la reivindicación 1, en donde los polos de rotor están configurados, además, para proporcionar al menos uno de un voltaje de generador interno máximo, una inductancia de fase mínima y una reactancia de generador mínima.
4. El rotor (106) de la reivindicación 1, en donde el rotor (106) incluye cuatro polos de rotor para cooperar con un estátor de treinta y seis ranuras.
5. El rotor (106) de la reivindicación 1, en donde los tramos de polos (108), escalones (116) y características de dirección de flujo (100) proporcionan un espacio de aire de sección transversal variable entre el rotor (106) y un estátor (112) asociado con el rotor (106).
6. El rotor (106) de la reivindicación 5, en donde el espacio de aire está en un mínimo entre los tramos de polos (108) y el estátor (112).
7. Una disposición de máquina eléctrica rotatoria que incluye un rotor (106) de acuerdo con la reivindicación 1 y el estátor (112).
8. La disposición de la reivindicación 7, en donde las características de dirección de flujo (100) permiten el flujo de aire más allá del rotor (106) entre los rebajes (104) y los tramos de polos (108).
9. La disposición de la reivindicación 7, en donde los polos de rotor están configurados para proporcionar al menos uno de un voltaje de generador interno máximo, una inductancia de fase mínima y una reactancia de generador mínima.
10. La disposición de la reivindicación 7, en donde el rotor (106) incluye cuatro polos de rotor para cooperar con un estátor de treinta y seis ranuras.
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