RU2633382C2

RU2633382C2 - Ротор электрической машины с изготовленной, исходя из гранулята, короткозамкнутой клеткой

Info

Publication number: RU2633382C2
Application number: RU2015150982A
Authority: RU
Inventors: Андреас БЕТГЕ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2013-04-29
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2017-10-12
Also published as: US20160079821A1; EP2979349A1; RU2015150982A; CA2910502A1; WO2014177303A1; CN105191082B; SA515370078B1; BR112015027232A2; AU2014261727A1; AU2014261727B2; CN105191082A; CA2910502C; EP2800254A1

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к ротору и способу изготовления ротора электрической машины. Технический результат - улучшение механических свойств ротора. Ротор имеет расположенный концентрично оси роторный сердечник (1) из материала сердечника, содержащий канавки (2), которые проходят по существу в осевом направлении. Сердечник (1) на каждом осевом конце канавок (2) имеет соответствующую кольцеобразную, расположенную концентрично оси ротора выемку (3), которая соединяет канавки (2). Сердечник (1) имеет диффузионный слой (4), который содержит диффузионный материал и который покрывает по меньшей мере частично соответствующую поверхность канавок (2) и/или кольцеобразной выемки (3). В канавки (2) и/или соответствующую кольцеобразную выемку (3) вводится гранулят (5) электрически проводящего материала, который с подводом тепла и с приложением давления соединяется с замыканием по материалу с роторным сердечником (1). 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к способу изготовления ротора электрической машины, при этом ротор имеет расположенный концентрично оси ротора роторный сердечник из материала сердечника, при этом роторный сердечник имеет канавки, которые проходят по существу в осевом направлении, при этом роторный сердечник на каждом осевом конце канавок имеет соответствующую кольцеобразную, расположенную концентрично оси ротора выемку, которая соединяет канавки, при этом роторный сердечник имеет диффузионный слой, который содержит диффузионный материал и который по меньшей мере частично покрывает соответствующую поверхность канавок и/или соответствующей кольцеобразной выемки.

Кроме того, изобретение относится к ротору для электрической машины, при этом ротор имеет расположенный концентрично оси ротора роторный сердечник из материала сердечника, при этом роторный сердечник имеет канавки, которые проходят по существу в осевом направлении, при этом роторный сердечник на каждом осевом конце канавок имеет соответствующую кольцеобразную, расположенную концентрично оси ротора выемку, которая соединяет канавки, при этом роторный сердечник имеет диффузионный слой, который содержит диффузионный материал и который по меньшей мере частично покрывает соответствующую поверхность канавок и/или соответствующей кольцеобразной выемки.

Наконец, изобретение относится также к электрической машине с ротором, согласно изобретению.

Такие роторы известны, например, в виде асинхронных массивных роторов, которые пригодны для скоростей вращения больше 1400 об/мин и мощностей больше 1 МВт. Такие асинхронные массивные роторы должны отвечать высоким механическим требованиям на основании, например, больших центробежных нагрузок и на основании их характеристик при нагревании и при вибрациях.

До настоящего времени, с применением заранее изготовленных по отдельности медных частей, которые затем еще никелируются и составляются вместе с образованием короткозамкнутой клетки, трубчатая клетка в виде отдельных частей укладывается в пазы вала, герметично закрывается и с помощью диффузионной сварки при горячей изостатической запрессовке (HIP) соединяется с силовым замыканием с образованием клетки и со стальным валом. При этом форма стержней и короткозамыкающих колец ограничена тем, что должна обеспечивается возможность их вложения в радиальном направлении и в осевом направлении во фрезерованные, соответственно, выточенные пазы вала. Изготовление, как частей короткозамкнутой клетки, так и стального вала осуществляется с высокими требованиями к точности посадки и с большим количеством стадий проверки.

Такой способ и такой ротор известны, например, из WO 2005/124973 А1, в котором короткозамкнутая клетка, состоящая из короткозамкнутых стержней и двух короткозамыкающих колец из меди, закреплена с помощью горячей изостатической запрессовки (HIP) на центральном валу ротора. Для этого центральный вал или соответствующий элемент короткозамкнутой клетки снабжен в месте соединения короткозамкнутой клетки с центральным валом диффузионным слоем.

В основу изобретения положена задача улучшения указанного в начале способа, соответственно, указанного в начале ротора так, что обеспечивается возможность более дешевого изготовления ротора, и при этом он имеет улучшенные механические свойства.

Эта задача решена относительно способа указанного в начале вида тем, что в канавки и/или соответствующую кольцеобразную выемку вводят гранулят электрически проводящего материала, который при подводе тепла и при приложении давления соединяется с замыканием по материалу с роторным сердечником.

Кроме того, эта задача решена в роторе указанного в начале вида тем, что в канавки и/или соответствующую кольцеобразную выемку введен электрически проводящий материал, который в виде гранулята при подводе тепла и при приложении давления соединен с замыканием по материалу с роторным сердечником.

Наконец, эта задача решена также с помощью электрической машины, содержащей ротор, согласно изобретению.

При этом гранулят имеет множество небольших твердых частиц, таких как зерна или шарики, электрически проводящего материала, и называется также сыпучим материалом.

Диффузионный материал диффузионного слоя можно наносить, например, гальванически. Предпочтительно, диффузионный слой покрывает роторный сердечник по меньшей мере в той зоне, в которой электрически проводящий материал короткозамкнутой клетки необходимо соединять с роторным сердечником. Возможно также, что весь роторный сердечник покрыт диффузионным слоем. При этом нанесение диффузионного материала на роторный сердечник, что можно осуществлять без больших технических затрат и при низкой стоимости, позволяет также отказаться от технического сложного нанесения диффузионного материала на короткозамкнутую клетку.

Во время подвода тепла и при приложении давления, диффузионный слой вызывает диффузию диффузионного материала, с одной стороны, в материал сердечника и, с другой стороны, в гранулят электрически проводящего материала, так что обеспечивается стабильное соединение с замыканием по материалу между материалом сердечника и электрически проводящим материалом образованной из гранулята короткозамкнутой клетки.

При этом соединение с замыканием по материалу расположенного в канавках и/или в соответствующей кольцеобразной выемке гранулята с роторным сердечником достигается, например, с помощью горячего изостатического прессования. Для этого, например, на роторный сердечник может быть установлена опалубка, которая может охватывать непроницаемо для газа по меньшей мере канавки и/или соответствующую кольцеобразную выемку роторного сердечника, при этом гранулят вводится по меньшей мере в канавки и/или соответствующую кольцеобразную выемку, а затем опалубка закрывается непроницаемо для газа вокруг роторного сердечника, и из нее удаляется воздух. Опалубка может быть, например, металлической трубой, которая окружает ротор и расположена концентрично оси ротора. При этом металлическая труба является лишь вспомогательным приспособлением, которая после процесса HIP при обтачивании ротора удаляется, т.е. при удалении грата с ротора и т.п. посредством обточки. Предпочтительно, в опалубку вводится избыточное количество гранулята электрически проводящего материала.

По сравнению со способами изготовления, в которых части короткозамкнутой клетки изготавливаются предварительно, а затем закрепляются на роторе, способ, согласно изобретению, позволяет полностью отказаться от требующего больших затрат и времени предварительного изготовления частей короткозамкнутой клетки. Стоимость может быть уменьшена за счет того, что больше не требуются части короткозамкнутой клетки, в частности фасонные части из меди, которые необходимо изготавливать с особенно высокой точностью посадки и тем самым со сравнительно малыми допусками, а следовательно, со сравнительно высокой стоимостью. Кроме того, полностью отпадают требования логистики относительно получения специально согласованных частей. Дополнительно к этому, гранулят является сравнительно дешевым и его можно хранить и транспортировать в больших количествах. Кроме того, в способе, согласно изобретению, больше нет ограничений относительно геометрии отдельных частей клетки, таких как, например, форма стержней и форма короткозамыкающих колец.

С помощью способа, согласно изобретению, можно изготавливать ротор, который на основании очень хорошего соединения находящегося в канавках и в соответствующих кольцеобразных выемках электрически проводящего материала с материалом сердечника имеет высокую механическую прочность. Кроме того, ротор, согласно изобретению, имеет очень хороший коэффициент полезного действия, поскольку короткозамкнутая клетка образована из соединенного с замыканием по материалу электрически проводящего материала, а не как до настоящего времени из отдельных короткозамкнутых стержней и короткозамыкающих колец, соединение которых друг с другом вызывало до настоящего времени большие электрические потери. Таким образом, согласно данному изобретению можно реализовывать формы канавок, которые обеспечивают возможность электрической и/или механической оптимизации.

Ротор, согласно изобретению, особенно пригоден для больших скоростей вращения, поскольку способ, согласно изобретению, обеспечивает особенно прочное соединение изготовленной, исходя из гранулята, короткозамкнутой клетки с роторным сердечником, и ротор также при возникновении очень больших центробежных сил сохраняет свою механическую стабильность и целостность.

Не обязательно, ротор с роторным валом и соединенным с замыканием по материалу с роторным валом электрически проводящим материалом короткозамкнутой клетки могут быть покрыты по меньшей мере частично защитным слоем, при этом защитный слой наносится, например, с помощью наплавки на роторный вал. Для защитного слоя могут использоваться стойкие к коррозии сплавы на основе никеля, такие как, например, инконель. Защитный слой особенно предпочтителен для роторов, которые работают в агрессивных условиях. Такие условия имеются, например, для приводного электродвигателя компрессора, который сжимает содержащий сероводород природный газ, и этот газ одновременно применяется для охлаждения приводного электродвигателя.

Канавки могут быть расположены вдоль осевого направления роторного сердечника и тем самым коаксиально оси ротора. Возможно также, что канавки расположены вдоль винтовой траектории вокруг оси ротора, так что положение соответствующей канавки в окружном направлении изменяется в осевом направлении.

Предпочтительно, гранулят вводится как в канавки, так и в соответствующую кольцеобразную выемку, при этом диффузионный слой по меньшей мере частично покрывает канавки и соответствующую кольцеобразную выемку.

В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения электрически проводящий материал содержит по меньшей мере медь, при этом диффузионный материал содержит по меньшей мере никель. Медь имеет хорошую электрическую проводимость и при этом не дорога, в частности, в виде гранулята. Никель является материалом, который хорошо может диффундировать в гранулят меди. Кроме того, никель является предпочтительным, поскольку в качестве материала сердечника обычно применяется сталь, и никель дополнительно имеет свойство хорошей диффузии в сталь. Таким образом, достигается особенно стабильное соединение с замыканием по материалу меди короткозамкнутой клетки с роторным сердечником.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения гранулят для соединения с замыканием по материалу с роторным сердечником нагревается до температуры от 1010°С до 1060°С при воздействии на него давления от 950 бар до 1050 бар, в частности 1000 бар. Стойкое к большим нагрузкам соединение гранулята с роторным сердечником достигается, когда гранулят и, возможно, также поверхность роторного сердечника, с которой должен соединяться гранулят, нагревается до температуры в указанном температурном диапазоне при одновременном воздействии давления в указанном диапазоне давления. При этом наилучшие результаты достигаются, когда температура лежит в диапазоне 1030°С до 1040°С, а давление составляет примерно 1000 бар. Хорошие результаты достигаются, когда температура немного, в частности на 3-5°С, лежит ниже температуры плавления электрически проводящего материала, и при этом прикладывается сравнительно высокое давление, в частности, выше 800 бар.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения расположенный в канавках и в соответствующей кольцеобразной выемке гранулят удерживается в вакууме во время подвода тепла и приложения давления. За счет вакуума предотвращается окисление электрически проводящего материала, при этом с той же целью, соответственно, дополнительно применяется в процессе газ в виде защитного газа, соответственно, технологического газа. Такой газ может содержать, например, аргон или азот.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения диффузионный слой имеет толщину слоя от 1 м км до 10 мкм, в частности, от 15 мкм до 40 мкм. Такая толщина слоя обеспечивает достаточное количество диффузионного материала для хорошего соединения с замыканием по материалу роторного сердечника с изготовленной из гранулята короткозамкнутой клеткой. При этом диффузионный слой можно наносить гальванически на роторный сердечник, соответственно, по меньшей мере на те участки роторного сердечника, которые должны быть соединены с короткозамкнутой клеткой.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения канавки в роторном сердечнике выполнены закрытыми. Таким образом, закрытые канавки выполнены в виде каналов внутри роторного сердечника. За счет этого также такие закрытые канавки могут быть снабжены короткозамкнутыми стержнями, которые, согласно изобретению, выполнены из гранулята и соединены с замыканием по материалу с роторным сердечником.

Независимо от того, выполнены ли канавки закрытыми, т.е. внутри роторного сердечника, или открытыми, т.е. на боковой поверхности роторного сердечника, канавки могут при этом иметь по существу прямоугольное, трапециевидное, треугольное, круглое или другое поперечное сечение. С помощью способа, согласно изобретению, независимо от формы канавок, всегда обеспечивается хорошее соединение с замыканием по материалу образованной из гранулята короткозамкнутой клетки с роторным сердечником. Кроме того, соответствующая кольцеобразная выемка может также иметь любое поперечное сечение, например, по существу прямоугольное, трапециевидное, треугольное, круглое поперечное сечение. Возможно также выполнение соответствующей кольцеобразной выемки в форме конуса.

Таким образом, в целом, способ, согласно изобретению, обеспечивает возможность оптимизации электрических и/или механических свойств ротора посредством выбора формы короткозамкнутой клетки так, что достигаются особенно предпочтительные или желаемые свойства. Желаемая форма короткозамкнутой клетки может быть достигнута за счет соответствующего выполнения канавок и/или соответствующей кольцеобразной выемки. Когда, например, канавки и соответствующая кольцеобразная выемка сужаются радиально наружу, или, в частности, канавки выполнены закрытыми, то получается особенно стабильный ротор, который пригоден для особенно больших скоростей вращения.

Ротор, согласно изобретению, может быть выполнен, в частности, в виде асинхронного массивного ротора, и/или использоваться в электрической машине. При этом электрическая машина может работать, например, с мощностью больше 1 МВт и/или скоростью вращения больше 4000 оборотов в минуту. В частности, электрическая машина может быть выполнена в качестве привода для мельницы или компрессора.

Ниже приводится более подробное описание и пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - роторный сердечник для изготовления примера выполнения ротора, согласно изобретению, и

фиг.2 - пример выполнения ротора, согласно изобретению.

На фиг.1 показан роторный сердечник 1 для изготовления примера выполнения ротора, согласно изобретению. В роторном сердечнике 1 выполнены канавки 2, которые проходят по существу в осевом направлении. Как в данном примере выполнения, канавки 2 могут быть выполнены открытыми и иметь по существу прямоугольное поперечное сечение. На каждом осевом конце канавок 2 роторный сердечник 1 имеет кольцеобразную, расположенную концентрично оси ротора выемку 3.

При этом возможно, что канавки 2 имеют альтернативное поперечное сечение, такое как, например, имеющее форму треугольника, сужающейся наружу или внутрь трапеции, круга или т.п. Кроме того, канавки 2 могут быть выполнены закрытыми с таким поперечным сечением, что канавки 2 проходят между соответствующими кольцеобразными выемками 3 внутри роторного сердечника 1. Кроме того, канавки 1 могут проходить точно в осевом направлении или могут быть расположены вдоль винтовой траектории вокруг оси ротора, так что положение соответствующей канавки 2 в окружном направлении изменяется в осевом направлении. Наконец, соответствующая кольцеобразная выемка 3 может также иметь любое поперечное сечение, например, по существу прямоугольное, трапециевидное, треугольное, круглое поперечное сечение. Также соответствующая кольцеобразная выемка 3 может быть выполнена, например, в форме конуса. Это позволяет выполнять подлежащую образованию в канавках 2 и в соответствующей кольцеобразной выемке 3 короткозамкнутую клетку так, что ротор имеет особенно предпочтительные электрические и механические свойства.

Роторный сердечник 1 имеет диффузионный слой 4, который в рамках примера выполнения покрывает наружную поверхность роторного сердечника 1 в зоне соответствующей кольцеобразной выемки 3. При этом диффузионный слой 4 содержит диффузионный материал, такой как, например, никель, и имеет толщину, в частности, между 15 мкм и 40 мкм.

Роторный сердечник 1 особенно пригоден для изготовления асинхронного массивного ротора, который можно использовать в электрической машине с мощностью больше 1 МВт, соответственно, со скоростью вращения больше 4000 об/мин.

На фиг.2 показан пример выполнения ротора, согласно изобретению. Показанный на фиг.2 ротор может быть получен, в частности, исходя из показанного на фиг.1 роторного сердечника 1. Для этого гранулят электрически проводящего материала вводят в канавки 2 и в соответствующую кольцеобразную выемку 3, что, однако, изображено на фиг.2 для лучшей наглядности лишь для одной канавки 4 и лишь для одного участка кольцеобразной выемки 3. Расположенный в канавках 2 и в соответствующей кольцеобразной выемке 3 гранулят 5 затем соединяется с замыканием по материалу с роторным сердечником 1 при подводе тепла и воздействии давления. За счет этого электрически проводящий материал, который имеется сначала в виде гранулята 5, образует короткозамкнутую клетку, которая имеет короткозамкнутые стержни в канавках 2 и короткозамыкающее кольцо в соответствующей кольцеобразной выемке 3.

Для соединения с замыканием по материалу гранулята 5 с роторным сердечником, на роторном сердечнике может быть сначала установлена опалубка, которая охватывает непроницаемо для газа по меньшей мере канавки 2 и соответствующую кольцеобразную выемку 3 роторного сердечника. При этом гранулят 5 сначала вводят в канавки 2 и соответствующую кольцеобразную выемку 3, а затем закрывают опалубку непроницаемо для газа вокруг роторного сердечника 1, и удаляют из нее воздух. Опалубка может быть, например, металлической трубой, которая окружает ротор и расположена концентрично оси ротора. Предпочтительно, в опалубку вводят излишнее количество гранулята электрически проводящего материала.

Например, электрически проводящий материал имеет медь. При этом гранулят 5 предпочтительно нагревают до температуры от 1020°С до 1050°С и прикладывают давление от 980 бар до 1020 бар. Дополнительно к этому, гранулят 5 может удерживаться в вакууме или в защитном газе, соответственно, технологическом газе, таком как, например, аргон или азот.

Таким образом, изобретение относится к способу изготовления ротора электрической машины, при этом ротор имеет расположенный концентрично оси ротора роторный сердечник из материала сердечника, при этом роторный сердечник имеет канавки, которые проходят по существу в осевом направлении, при этом роторный сердечник на каждом осевом конце канавок имеет соответствующую кольцеобразную, расположенную концентрично оси ротора выемку, которая соединяет канавки, при этом роторный сердечник имеет диффузионный слой, который содержит диффузионный материал и который покрывает по меньшей мере частично по меньшей мере соответствующую поверхность канавок и/или соответствующей кольцеобразной выемки. Кроме того, изобретение относится к такому ротору и к электрической машине с таким ротором. Для улучшения указанного в начале способа, соответственно указанного в начале ротора, с обеспечением более дешевого изготовления ротора и при этом улучшенных механических свойств предлагается, что в канавки и/или соответствующую кольцеобразную выемку вводится гранулят электрически проводящего материала, который с подводом тепла и с приложением давления соединяется с замыканием по материалу с роторным сердечником.

Claims

1. Способ изготовления ротора электрической машины,

- при этом ротор имеет расположенный концентрично оси ротора роторный сердечник (1) из материала сердечника,

- при этом роторный сердечник (1) имеет канавки (2), которые проходят по существу в осевом направлении,

- при этом роторный сердечник (1) на каждом осевом конце канавок (2) имеет соответствующую кольцеобразную, расположенную концентрично оси ротора выемку (3), которая соединяет канавки (2),

- при этом роторный сердечник (1) имеет диффузионный слой (4), который содержит диффузионный материал и который по меньшей мере частично покрывает соответствующую поверхность канавок (2) и/или соответствующей кольцеобразной выемки (3),

отличающийся тем, что в канавки (2) и/или соответствующую кольцеобразную выемку (3) вводят гранулят (5) электрически проводящего материала, который при подводе тепла и при приложении давления соединяется с замыканием по материалу с роторным сердечником (1).

2. Способ по п.1, в котором электрически проводящий материал содержит по меньшей мере медь, при этом диффузионный материал содержит по меньшей мере никель.

3. Способ по п.2, в котором гранулят (5) для соединения с замыканием по материалу с роторным сердечником (1) нагревают до температуры от 1010°С до 1060°С и воздействуют на него давлением от 950 бар до 1050 бар.

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором расположенный в канавках (2) и в соответствующей кольцеобразной выемке (3) гранулят (5) удерживают в вакууме во время подвода тепла и приложения давления.

5. Способ по любому из пп.1-3, в котором диффузионный слой (4) имеет толщину слоя от 1 мкм до 100 мкм.

6. Способ по п.4, в котором диффузионный слой (4) имеет толщину слоя от 1 мкм до 100 мкм.

7. Способ по любому из пп.1-3 или 6, в котором канавки (2) в роторном сердечнике (1) выполнены закрытыми.

8. Способ по п.4, в котором канавки (2) в роторном сердечнике (1) выполнены закрытыми.

9. Способ по п.5, в котором канавки (2) в роторном сердечнике (1) выполнены закрытыми.

10. Ротор для электрической машины,

отличающийся тем, что в канавки (2) и/или соответствующую кольцеобразную выемку (3) введен электрически проводящий материал, который в виде гранулята (5) при подводе тепла и при приложении давления соединен с замыканием по материалу с роторным сердечником (1).

11. Ротор по п.10, в котором электрически проводящий материал содержит по меньшей мере медь, при этом диффузионный материал содержит по меньшей мере никель.

12. Ротор по п.10 или 11, в котором канавки (2) в роторном сердечнике (1) выполнены закрытыми.

13. Ротор по п.10 или 11, в котором ротор выполнен в виде асинхронного массивного ротора.

14. Ротор по п.12, в котором ротор выполнен в виде асинхронного массивного ротора.

15. Электрическая машина, содержащая ротор по любому из пп.10-14.

16. Электрическая машина по п.15, при этом электрическая машина предназначена для работы с мощностью больше 1 МВт и/или скоростью вращения больше 4000 оборотов в минуту.