NO831052L - Rotor for elektrisk maskin - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår rotorer for synkronmaskiner med utragende magnetpoler, og den angår særlig utførelsen av rotorens magnetiske krets, som her vil bli kalt "kransen", og som rotorens induksjonspoler er festet til.

En velkjent og prisbillig løsning går ut på at rotorkransen utføres i "segmenter" av tynt magnetisk blikk. Hvert segment opptar en vinkelsektor av en flat ring, og segmentene fremstilles ved utstansing av den ønskede form i en stanse-presse. Segmentene blir så stablet på hverandre og innbyrdes sideforskjøvet for å danne en aksial rekke av full-stendige ringer omkring rotorens akse. Antallet segmenter langs en sådan ring og deres vinkelutstrekning (segmenta-sjonen) er bestemt som en funksjon av antall polstykker og av den største segmentstørrelse som kan stanses ut fra emnematerialet (kan være bestemt av den største tilgjenge-lige stansepresse-størrelse, av emnematerialets bredde, eller av den andel avfallsmaterial som kan godtas). Segmentene klemmes sammen aksialt mellom tykkere endesegmen-ter og ved hjelp av flere klemstenger. Under den forut-setning at den ferdige rotor kan transporteres til mon-teringsstedet, kan rotorkransen settes sammen på tilvirk-ningsstedet, men ellers må rotoren settes sammen på det sted hvor den skal anvendes.

Den ferdige rotorkrans omfatter et stort antall lamineringslag som vanligvis er 2 - 4 mm tvkke. Hvert sådant lamineringslag foreligger i form av en ring med et antall segmenter, som hver strekker seg over en vinkel tilsvarende et helt antall polstykker (se fig. 1).

De segmenter sem utgjør de enkelte ringer kan omfatte en enkelt laminering eller også et lite antall lamineringer som er stablet på hverandre, men i begge tilfeller vil aksialt inntilliggende segmenter være innbyrdes forskjøvet en viss vinkel som er lik en eller flere poldelinger, eller i visse tilfeller en eller flere halvpoldelinger. Denne vinkelforskyvning tjener til å gi rotorsammenstil-lingen mekanisk styrke, slik som det vil bli nærmere forklart nedenfor. Den relative vinkelforskyvning mellom aksialt inntilliggende segmenter vil her bli henvist til som "segmentenes overlappingsvinkel".

Magnetpolstykkene er festet til rotorkransens omkrets

ved hjelp av T-formede, svalehaleformede eller andre hen-siktsmessige utformede låsestykker. Hvert polstykke omfatter ett eller flere låsestykker. Låsestykkenes akser forløper alle parallelt med vedkommende polstykkes akse.

En rotorkrans som er bygget opp på denne måte er rør-formet, og når rotoren er i dreiebevegelse vil den hoved-påkjenning som den er utsatt for være strekkspenning i omkrets- eller tangensialretningen. Denne påkjenning skriver seg fra virkningen av de sentrifugalkrefter som virker på rotorkransen selv samt også på de polstykker som er festet til kransen.

Rotorkransens radiale tykkelse bestemmer tverrsnittet av det metall som må motstå nevnte påkjenning. Et radial-gap mellom tilstøtende segmenter i samme blikkring gjør det imidlertid umulig for ringene lokalt å overføre nevnte strekkspenning. Kransen som helhet vil ikke falle fra hverandre,på grunn av at kreftene overføres over gapene ved kombinasjon av to kraftvirkninger, nemlig skiærkraft i klemstengene og friksjonskraft mellom tilstøtende seg-mentringer som gjør det mulig å overføre kraft over seg-mentgapet ved hjelp av de tilstøtende ringer, forutsatt at segmentringene er innbyrdes vinkelforskjøvet .på "sådan måte at deres aap ikke ligger på linie. Når beregninger utføres for å fastlegge rotorkransens maksimale styrke, vil det således forstås at disse beregninger er basert på det aksiale snitt gjennom rotorkransen som om fatter størst antall gap, hvilket vil si på et "svakeste plan".i Figur 2 som viser den ytre overflate av en tidligere kransutførelse rettet ut i figurplanet, er det svakeste plan vist som en linje P-l. De forskjellige gap er vist ved F. Sammenlignet med en krans som ikke har noen gap, vil det effektive metalltverrsnitt i det svakeste plan være nedsatt i forholdet (p-l)/p, hvor p er forholdet mellom segmentenes vinkelutstrekning og den minste mulige segmentoverlappingsvinkel. Det er kjent rotorkranser hvor forholdet p er lik antallet poldelinger pr. segment, eller i blant antallet halve poldelinger pr. segment.

Forholdet (p-l)/p vil her bli henvist til som "overlappfaktoren". I store synkronmaskiner hvor segmenterte rotorkranser vanligvis anvendes, er antallet poldelinger pr. segment 2, 3, 4 eller en. sjelden gang 5. Det tilsvarende verdier av overlappfaktoren vil da være 0,5, 0 , 66, 0,75 og 0,80.

Det vil således innses at den mekaniske størrelse av en rotorkranse av denne type vil være direkte påvirket av overlappfaktoren, og de praktiske konstruksjonsgrenser for hurtiggående maskiner fører til at segmenterte kranser erstattes av ikke-segmentert eller "faste" kranser hvor hver ring i rotorkransen utgjøres av et enkelt stykke av smidd eller støpt stål. Sådanne faste rotorkranser har imidlertid følgende ulemper:

1) De er dyre å fremstille,

2) Mengden av kåsert material på grunn av indre feil i kransringene kan være ganske stor, således at til-virkningstiden for rotorkransen forlenges,

3) Det kreves store verktøymaskiner, og

4) Størrelsen av de fremstilte deler kan føre til trans-portvanskeligheter.

Foreliggende oppfinnelse har som formål å frembringe en rotorkrans sammensatt av segmenter som er stanset ut av blikk av magnetisk material og som er sammenstilt hovedsakelig som beskrevet ovenfor, idet imidlertid en øket overlappfaktor, f.eks. 0,90 eller mer, gjør det mulig å anvende denne utførelse i henhold til oppfinnelsen ved rotorhastigheter som tidligere bare har vært forbeholdt faste rotorkranser.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en rotor for

en elektrisk maskin og som omfatter en laminert rotorkrans med polstykker festet til kransen og utstyrt med elektriske viklinger, idet nevnte rotorkrans opptar et hovedsakelig ringformet område mellom en indre og en ytre koaksial sylinderflate omkring en aksel samt omfatter en aksialt anordnet stabel av plane laminerte ringer viss ytterkanter tilsammen utgjør kransens ytre sylinder-overflate, og viss innerkanter sammen danner kransens indre sylinderflate, hvorunder: hver sådan ring utgjøres av et antall segmenter som hver strekker seg over en vinkelsektor og er lagt etter hverandre omkring akselen for å danne en hovedsakelig fullstendig sirkelring med radialt forløpende gap mellom til-støtende segmenter, idet nevnte gap i to inntilliggende ringer er vinkelforskjøvet med en "segmentoverlappvinkel"

(som nødvendigvis er den samme for alle par av tilstøtende ringer), og nevnte sammenstilling av segmenter som tilsammen danner rotorkransen holdes sammen ved hjelp av klemstenger som forløper parallelt med rotorakslen og er ført gjennom påfølgende ringer i kransstablen for å klemme sammen stabelen i aksial retning,

segmentenes ytterkanter er fortannet ved hensiktsmessig utstansing av det blikkmateriale som segmentlamineringen er utført i, således at den ytre overflate av den sammen-

stilte rotorkrans får festespor med aksial utstrekning for feste av nevnte polstykker,

segmentoverlappviklen er valgt slik at to påfølgende ringer i kransstablen og som er innbyrdes vinkelforskjøvet med nenvte vinkel har innbyrdes tilpassende fortanninger, således at låsesporene forløper kontinuerlig langs utsiden av rotorkransen, og

polstykkene strekker seg aksialt langs rotorkransen og rager ut fra kransens ytre overflate samt er festet til et antall nevnte låsespor og følger på hverandre med en "poldeling".

På denne bakgrunn'har så rotoren følgende særtrekk i henhold til oppfinnelsen: a) alle nevnte låsespor er anordnet med en jevn "feste"-deling rundt utsiden av rotorkransen, således at en dreining av en hvilken som helst ring en vinkel tilsvarende nevnte festedeling eller et helt antall sådanne delinger på nytt vil bringe ringens forbanning på linje med låsesporene i kransens ytre overflate, b) det er anordnet flere låsespor enn det som er nødven-dig for å feste polstykkene, således at en viss andel av

sporene langs rotorkransens utside faktisk ikke anvendes,

c) overlappvinkelen er lik et helt antall festedelinger, men er mindre enn en enkelt poldeling, således at rotorkransens styrke overfor tangensiale kraftpåvirkninger øker, og d) klemstengene er utført for å utøve tilstrekkelig aksial klemkraft til å sikre at når rotoren under dreiebevegelse

utøver sentrifugalkraft på ringene, vil den resulterende

tangensiale strekkraft i hver ring bli overført over gapet mellom ringsegmentene ved hjelp av de friksjonskrefter som frembringes mellom inntilliggende ringer av nevnte aksiale klemkraft fra klemstengene.

Rotoren er fortrinnsvis utført med følgende konstruksjons-trekk: overlappvinklen er mindre enn halvparten av poldelingen, festedelingen er valgt lik en brøkdel av overlappvinkelen, og er tilstrekkelig liten til å tillate forandring av antall poler som er montert på rotoren uten nedbygging av rotorkransen,

poldelingen er jevn over hele rotorkransens omkrets og festedelingen er et undermultipel av den jevne poldeling, således at aksen for hvert polstykke kan anordnes i samme vinkelforskyvning i forhold til festesporene som de øvrige polstykker, idet nevnte vinkelforskyvning eventuelt veksler i fortegn fra hvert polstykke til det nærmest påfølgende, og

festedelingen er et undermultipel av poldelingen på sådan måte at hvert polstykkes akse kan anordnes i et symmetriplan for det sett av låsespor som vedkommende polstykke er tilordnet.

Segmentene i hver ring kan strekke seg over samme vinkelområde eller de kan ha forskjellig vinkelutstrekning.

I begge tilfeller har imidlertid alle segmenter i sin ytterkant et stort antall spor som er egnet for feste av polstykker, men hvorav bare en viss andel faktisk utnyttes .

Disse spor avviker fra tidligere kjent teknikk på følg-ende måte:

a) sporene er fordelt med jevn innbyrdes avstand rundt hele rotorkransens omkrets, i stedet for at de er sammen-trengt i symmetriske grupper omkring hver polstykkeakse, b) sporene er alle radialt anordnet, i stedet for at alle spor i hver gruppe forløper parallelt med aksen for

det tilsvarende polstykke,

c) antall spor er bare begrenset av det minste mulige mellomrom mellom sporene, som vil være fastlagt av polstykkets krav eller av behovet for å oppfylle visse minste styrkekrav til kransmaterialet. Det vil således være mulig å velge innenfor et gitt område av mulige segmente-ringsmønstre. Spesielt vil det ikke lenger være nødvendig at antallet segmenter er et undermultipel av antallet poler, og d) de tilpassede festenøkler på polstykkene behøver nød-vendigvis ikke å være anordnet symmetrisk i forhold til

polstykkets akse, og heller ikke behøver alle polstykker å være like. Det vil således være mulig å ha forskjellige "sett" av polstykkerrsom alle eventuelt kan monteres på samme rotorkrans, således at forskjellige antall poler kan påføres rotorkransen etter behov (f.eks. med hensyn til driftsfrekvensen for vedkommende maskin), eller således at noen poler kan forskvves.

Det er således funnet at øknin<g>av antallet festespor

for polene innenfor visse orenser Sfjør det mulia å ha store valcrmulioheter med hensvn til segmenterinaen, sam-tidia som det blir mulia å fremstille en segmentert rotorkrans som er i stand til å rotere ved^hastigheter som tidligere gjorde det nødvendig å anvende ikke segmenterte rotorkranser.

En utførelse av foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet som et eksempel under henvisning til de vedføyde teg-r ninger, hvorpå: Fig. 1 er en perspektivskisse av en ytterende av en rotor i henhold til oppfinnelsen for en elektrisk maskin, Figurene 2 og 3 viser den ytre overflate av rotorer utfoldet i figurplanet, idet fig. 2 viser overflaten av en tidligere kjent rotor og fig. 3 viser den ytre overflate av en rotor i henhold til foreliggende oppfinnelse, mens begge figurer er forenklet idet seg-mentforskyvningen over alt er vist å være en og samme retning, og Figurene 4 og 5 er planskisser av henholdsvis et krans-segment av tidligere kjent art og et segment i samsvar med foreliggende oppfinnelse, idet polstykket er vist montert på plass på segmentet i fig. 5. Fig. 1 viser den ene ytterende av en rotor for en syn-kronmaskin, slik som en vekselstrømgenerator beregnet på å avgi en effekt på 330 MVA ved 600 omdreininger pr. minutt under normale driftsbetingelser, og som er i stand til fartsøkning opp til 9 30- omdreininger pr. minutt under forbigående driftsforhold. Rotorens mag-netkrets omfatter ti poler montert på en rotorkrans av segmentformede lamineringer. Rotoren er 3,060 mm lang og rotorer på en aksel 2. Dens rotorkrans omfatter en aksialt oppbygd stabel av plane lamineringer i form av flate ringer, slik som Cl, C2 osv., idet hver ring har en innerdiameter på 2,370 mm og en ytterdia-meter på 3,440 mm. Ringene utgjøres av 2,5 mm tykke segmenter av stålblikk som er montert på akslen 2 ved hjelp av et sentralt hjulkors 6 for å danne en stiv

sammenstilling. Hjulkorset 6 er vist skjematisk å omfatte et sett eker som bærer et ytre rørformet hylster 8, som er sammenhengende og som lamineringsblikkene er festet til. Det vil forstås at hjulkorset 6 i praksis er av mer komli-sert utførelse, og særlig at det er utført for å føre en kjølegass radialt gjennom rotorkransens magnetiske lamineringer.

Hver ring Cl, C2 osv. er. bygget opp i lengderetningen av et antall stålblikklamineringer samt i omkretsretningen av fire ringsegmenter, slik som Sla, Slb, Sic og Sid for ringen Cl, S2a, S2b, S2c samt S2d for ringen C2 osv.

Alle segmenter i alle ringer er like. Innenfor en enkelt ring strekker segmentene seg over et vinkelområde på 90° og et lite gap eller en sliss F vil befinne seg mellom på-følgende segmenter i omkretsretningen rundt ringen. Disse gap kan med fordel utnyttes for en radial strømning av kjølegass, slik som f.eks. luft, og de bør strekke seg aksialt over omkring 10 mm for å sikre at kjølegassen får gode strømningsbetingelser. Dette fører til at hver av ringene er bygd opp av to til fem lamineringslag som ikke er vinkelforskjøvet i forhold til hverandre.

Segmentsammenstillingen er avstivet på sådan måte at rotorkransen mekanisk virker som et enkelt stykke, ved hjelp av 120 klemstenger G som strekker seg parallelt med akslen 2. Disse klemstenger er utført i en stållege-ring av type 35 CD4, som er beskrevet i fransk standard AFNOR A-35557 og deres elastisitetsgrense ligger på omkring 700 MPa. Ytterendene av klemstengene er påført muttere 10.som ligger an mot endeplater 11, således at hele stablen av blikklamineringer kan klemmes sammen mellom endeplatene 11 ved å trekke til mutrene 10. Hvis mutrene er trukket til slik at klemstengene er utsatt for en strekkraft på 300 MPa, vil friksjonen mellom lami- neringssjiktene være tilstrekkelig til å hindre inntilliggende segmenter fra å gli i omkretsretningen i forhold til hverandre under påvirkning av strekkrefter i omkretsretningen i rotorkransen på grunn av sentrifugalkrefter . Figurene 2 og 3 er opptegnet med forskyvningene mellom tilstøtende ringer alltid i en og samme retning. Dette gjør figurene lettere å forstå, men det vil være åpenbart at det i praksis vil være fordelaktig og vende om for-skyvningsretningen periodisk, således at gapene mellom segmentene danner et symmetrisk sikksakk-mønster på rotorkransens sylinderformede utside. Fig. 2 viser den sylinderformede ytterflate av en rotorkrans av tidligere kjent utførelse og utbrettet i figurplanet. Hver ring omfatter to topolede segmenter og to trepolede segmenter, således at et radialt plan gjennom et gap F, f.eks. planet Pl vil passere gjennom fire gap F for hver tiende påfølgende sammensatte ring planet pas-serer.

Dette gir en overlappfaktor på 0,60. Dette skriver seg fra det forhold at overlappvinkelen mellom påfølgende ringer er lik poldelingen, hvilket vil si 36°, for å sikre at hver pol festes symmetrisk ved hjelp av en gruppe låsespor LI (se fig. 4). Det er fremmet forslag om å

øke denne lave overlappfaktor ved å feste polene asymm-etrisk, således at par av nærliggende poler og deres festespor er symmetrisk anordnet om samme aksialplan mellom polene. Et sådant kjent arrangement (ikke vist) kan føre til en overlappvinkel som er lik halvparten av poldelingen når hvert lamineringslag har fire segmenter, som hver strekker seg over fem halve poldelings-vinkler. Dette gir en overlappfaktor på 0,80, hvilket ville kreve en rotorkrans på 120 tonn for å kunne mot-

stå de sentrifugal-frembragte spenninger. En sådan stor rotormasse fører til at rotorens kritiske hastighet for utbøyning blir hovedsakelig lik den forventede "rusnings"-hastighet i overgangsperioder, hvilket vil gjøre en sådan rotorkrans uanvendbar. Dette har i praksis ført til at kranser på kjente rotorer utføres i meget dyre enkélt-stykke-lamineringer.

Fig. 3 viser den utfoldede ytre sylinderflate på en rotorkrans i henhold til foreliggende oppfinnelse. Et aksial plan P som er ført gjennom så mange gap F som mulig støter bare på et gap F for hver gruppe på ti påfølgende ringer C. Dette forhold er basert på følgende betraktninger: det foreligger 10 x 8 = 80 spor L som er jevnt fordelt rundt rotoromkretsen (fig. 5), og

disse spor er anordnet i fire segmenter som hver er for-synt med 20 spor og har en overlappvinkel lik to spordel-inger, således at det oppnås en overlappfaktor på 0,90. Denne spesielle overlappvinkel er blitt valgt som en funksjon av den økonomisk oppnåelige aksiale sammentrykning,

som på grunnlag av eksperimenter som er utført under ut-vikling av foreliggende oppfinnelse for å fastlegge virkningen av de resulterende friksjonskrefter.

Denne rotorkrans har en total masse på 105 tonn. Den oppnådde vektinnsparing er således 15 tonn, eller 12,5%.

I tillegg til den økonomiske fordel ved å anvende mindre materialmengder, er denne innsparing også fordelaktig ved at den gir en tilstrekkelig sikkerhetsmargin mellom de forbigående "rusnings"-hastigheter som kan forventes og den hastighet hvorved utbøyning blir kritisk. De has-tighetsgrenser som segmenterte rotorkranser kan anvendes innenfor, er bestemt ved mekaniske påkjenninger som øker med kvadratet av omdreiningshastigheten, samt proporsjonalt med rotorkransens masse som alltid vil være større enn ved en fast rotorkrans, på grunn av den nedsatte tverr-snittsflate for å motstå kraftpåkjenningene og som skriver seg både fra gapet mellom segmentene og klemstengene .

En rotorkrans i samsvar med foreliggende oppfinnelsen gjør det mulig å anvende segmenterte kranser utover de tidligere oppnåelige grenser, under driftsforhold som alltid tidligere har krevet faste kranser. Dete har sin grunn i både den reduserte masse og det økede nyttige tverrsnitt som kreftene kan overføres gjennom.

Claims (5)

1. Rotor for elektrisk maskin og med laminert rotorkrans med påførte polstykker (P) som bærer elektriske viklinger (E), idet rotorkransen opptar et hovedsakelig rørformet område mellom en indre og en ytre koaksial sylinderformet flate omkring en aksel (2)

samt omfatter en aksial stabel av plane laminerte ringer (Cl, C2 etc), hvis ytterkanter sammen danner rotorkransens ytre sylinderformede overflate, og hvis innerkanter sammen utgjør rotorkransens indre sylinderover-flate, hvorunder: hver ring (Cl) utgjøres av flere segmenter (Sla, Slb, Sic, Sid) som hver strekker seg over en vinkelsektor og følger på hverandre rundt akselen for å danne en hovedsakelig fullstendig sirkelring med radialt for-løpende gap (F) mellom tilstøtende segmenter, idet nevnte gap i hvilke som helst to inntilliggende ringer (Cl, C2) er vinkelforskjøvet med en "segmentoverlappvinkel" (som ikke nødvendigvis er den samme for alle par av inntilliggende ringer), og nevnte sammenstill ing av segmenter som danner rotorkransen holdes sammen ved hjelp av klemstenger (G) som strekker seg parallelt med akslen og er ført gjennom de påfølgende ringer i stabelen for å klemme sammen ringstablen aksialt, ytterkantene av segmentene er fortannet ved passende utstansing av de blikk som segmentlamineringene er utført fra, således at en ytre overflate av den sammenstilte rotorkrans får festespor med aksial utstrekning for feste av nenvte polstykker, segmentoverlappvinkelen velges slik at to påfølgende ringer som er innbyrdes vinkelforskjøvet med nevnte vinkel får tilpassede fortanninger, således at festesporene forløper kontinuerlig langs hele utsiden av kransen, og polstykkene strekker seg aksialt langs rotorkransen og rager ut fra kransens ytre overflate, samt er festet ved hjelp av flere festespor og følger på hverandre med en poldeling, karakterisert ved at: a) alle nevnte festespor (L, L') er anordnet med jevn "feste"-deling rundt utsiden av rotorkransen, således at dreining av en hvilken som helst ring over en vinkel tilsvarende festedelingen eller et helt multipel av denne deling på nytt bringer fortanningen på vedkommende ring på linje med festesporene i rotorkransens ytre overflate, b) det er anordnet flere festespor enn det som er nød-vendig for å feste polstykkene (P), således at en andel av disse spor (L') på rotoroverflaten faktisk ikke anvendes, c) overlappvinkelen er lik et helt antall festedelinger, men er mindre enn en enkelt poldeling (B), således at pol-kransens holdfasthet overfor tangensiale krefter økes, og d) klemstengene (G) er utført for å utøve tilstrekkelig aksial trykkraft til å sikre at når rotoren roterer og påfører sentrifugalkrefter på ringene, vil den resulterende tangensiale strekkspenning i hver ring bli overført over gapene (F) mellom segmentene ved hjelp av de friksjonskrefter som frembringes mellom inntilliggende ringer av nevnte aksiale trykkraft fra klemstengene.

2. Rotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at overlappvinkelen er mindre enn halve poldelingen.

3. Rotor som angitt i krav 2, karakterisert ved at festedelingen er valgt lik en brøkdel av overlappvinkelen, samt tilstrekkelig liten til å tillate antall poler montert på rotoren å forandres uten demontering av rotorkransen.

4. Rotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at poldelingen er jevn over hele rotorkransens omkrets, mens festedelingen er et undermultipel av den jevne poldeling, således at aksen for hvert polstykke kan anordnes med samme vinkelforskyvning i forhold til festesporene som de øvrige polstykker, idet vin-kelf orskyvningen eventuelt kan veksle i fortegn fra et polstykke til det nærmest påfølgende.

5. Rotor som angitt i krav 4, karakterisert ved at festedelingen er en undermultipel av poldelingen, således at aksen for hvert polstykke kan anordnes i et symmetriplan for det sett av festespor som vedkommende polstykke er tilordnet.