SU1720127A1 - Бесконтактна торцова синхронна машина - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электрическим машинам, а именно к бесконтактным торцовым синхронным машинам перемен- нололюсного типа электрбмагнитного возбуждени  или с возбуждением от посто нных магнитов, предназначенных дл  использовани  в системах электропитани , например, в высокоскоростных автономных источниках питани  средней мощности, и в системах электропривода. Целью изобретени   вл етс  повышение быстродействи  и надежности путем снижени  массы ротора машины. В устройстве ротор выполнен с дополнительным сердечником 3, на котором размещены полюсы 5 первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью 7 наружного сердечника 6. Полюсы 8 второй системы примыкают к указанной поверхности. В индукторе размещен дополнительный кольцевой элемент 15, образующий аксиальный зазор 24 с торцовой поверхностью 4 дополнительного сердечника 3 ротора. Неподвижный кольцевой источник потока возбуждени  может быть выполнен в виде двух коаксиальных катушек 16 и 17, разделенных дополнительным кольцевым элементом 15, который выполнен из магнитом гкого материала. Дополнительный кольцевой элемент 15 индуктора может быть выполнен из магнитотвердого материала и намагничен в аксиальном направлении . Индуктор может быть выполнен с кольцевым посто нным магнитом, намагниченным в аксиальном направлении, Магнит 25 установлен с аксиальным зазором 24 с торцовой поверхностью дополнительного сердечника 3 ротора. Изобретение дает возможность уменьшить массу ротора, улучшить энергетические и электромагнитные характеристики и повысить надежность машины. 5 з.п. ф-лы, 6 ил, (Л С vi ю о ю VJ

Description

Изобретение относитс  к электрическим машинам, а именно к бесконтактным торцовым синхронным машинам перемен- нополюсного типа, и может быть использовано как в системах электропитани , например, в высокоскоростных автономных источниках питани  средней мощности, так и в системах электропривода.

При разработке указанных машин одной из основных задач  вл етс  обеспечение надежности их работы при больших величинах окружной скорости ротора (более 200 + 300 м/с). Снижение массогабаритных показателей вращающихс  частей машин  вл етс  одним из путей снижени  механических нагрузок на опоры и улучшени  их условий работы.

Кроме того, одним из основныхтребова- ний, предъ вл емых к электрическим машинам ,  вл етс  обеспечение высоких

массоэнергетических показателей. К таким машинам относ тс  бесконтактные торцовые синхронные машины с неподвижным источником потока возбуждени , в которых в св зи с малой длиной магнитной линии потока возбуждени  по сравнению с другими бесконтактными машинами (например, с внешнезамкнутым магнитным потоком) существенно уменьшаетс  масса и габариты. Торцовые синхронные машины выполн ютс  с относительно большим диаметром статора и малой аксиальной длиной, что позвол ет повысить использование машины .

Известны бесконтактные торцовые синхронные машины переменнополюсного типа , содержащие пакет статора с обмоткой, ротор с двум  первой и второй системами полюсов противоположной пол рности, расположенными между наружным и внутренним сердечниками, причем полюсы одной системы размещены между полюсами другой, а полюсы первой системы образуют радиальный зазор с наружной поверхностью внутреннего сердечника, к которой примыкают полюсы второй системы, индуктор с неподвижным кольцевым источником потока возбуждени , наружным и внутренним магнитопроводами и  рмом.

В известной машине подшипниковые опоры работают в неблагопри тных услови х из-за наличи  осевой силы магнитного, прит жени . Величина этих усилий может быть уменьшена путем соответствующего выбора формы и размеров сечений добавочных воздушных зазоров, в которых возникают осевые усили , направленные встречно соответствующим силам в рабочих зазорах. Однако при этом размеры вращающихс  частей практически не мен ютс , поэтому дл  уменьшени  нагрузок на подшипниковые опоры необходимо уменьшать размеры ротора , а так как мощность торцовой машины определ етс  радиальными размерами статора (следовательно, ротора), то необходимо стремитьс  к уменьшению аксиальных размеров вращающихс  частей ротора.

Однако в известных конструкци х это ограничиваетс  допустимой величиной магнитной индукции в полюсах и сердечниках ротора.

Целью изобретени   вл етс  повышение быстродействи  и надежности путем снижени  массы ротора машины.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в бесконтактной торцовой синхронной машине переменнополюсного типа, содержащей пакет статора с обмоткой, ротор с двум  первой и второй системами полюсов противоположной пол рности, расположенными между наружным и внутренним сердечниками, причем полюсы одной системы размещены полюсами другой, а полюсы первой системы образуют радиальный зазор с наружной поверхностью внутреннего сердечника, к которой примыкают полюсы второй системы, индуктор с неподвижным кольцевым источником потока возбуждени , наружным и внутренним магнитопроводами и  рмом, ротор выполнен с дополнительным сердечником, на котором размещены полюсы первой магнитной системы , которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружного

сердечника, а полюсы второй системы выполнены примыкающими к указанной поверхности, в индуктор введен дополнительный кольцевой элемент, образующий аксиальный зазор с торцовой поверхностью

дополнительного сердечника ротора.

Кроме того, неподвижный кольцевой -источник потока возбуждени  выполнен в виде двух коаксиальных катушек, разделенных упом нутым кольцевым элементом,

который выполнен из магнитом гкого материала .

Кроме того, дополнительный кольцевой элемент индуктора выполнен из магнито- твердого материала и намагничен ваксиальном направлении.

Кроме того, индуктор снабжен кольцевым посто нным магнитом, намагниченным в аксиальном направлении и установленным с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительного сердечника ротора.

Дальнейшее снижение массы ротора в предлагаемой конструкции за счет уменьшени  магнитного потока, проход щего по

част м полюсных систем ротора, возможно путем увеличени  числа параллельных ветвей в магнитной цепи машины.

Дл  этого индуктор снабжен п дополнительными кольцевыми элементами, каждый из которых установлен с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы, ротора и соответственно п катушек возбуждени , где

0 п - целое четное число, причем смежные катушки возбуждени  включены встречно.

Кроме того, индуктор снабжен п дополнительными кольцевыми элементами, каж- 5 дый из которых установлен с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы ротора, где п - целое четное число, при этом смежные до- полнительные кольцевые элементы индуктора намагничены встречно друг относительно друга.

Введение в ротор дополнительного сердечника , на котором размещены полюсы первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружного сердечника, а выполнение полюсов второй системы примыкающими к указанной поверхности, а также введение в индуктор дополнительного кольцевого элемента, образующего аксиальный зёзор с торцовой поверхностью дополнительного сердечника ротора, позвол ет выполнить в предлагаемой машине разветвленную магнитную цепь дл  потока возбуждени , при этом через наружный и внутренний сердечники и полюса второй полюсной системы проходит не полный поток как в прототипе, а только часть (почти половина) магнитного потока полюсов первой магнитной системы. .Это позвол ет уменьшить сечени  наружного и внутреннего сердечников и полюсов второй полюсной системы ротора почти в два раза за счет уменьшени  их аксиальных длин (при неизменных радиальных размерах), а также уменьшить сечение астей магнитопровода, по которым проходит поток возбуждени .

Таким образом, масса вращающихс  частей ротор машины уменьшаетс .

Уменьшение массы ротора улучшает услови  работы подшипниковых опор, а уменьшение аксиальной длины диска ротора приводит к снижению потерь от трени  поверхности ротора об окружающую среду, которые в высокоскоростных машинах составл ет значительную величину, что улучшает энергетический показатель машины.

Снижение массы ротора приводит к уменьшению его момента инерции, а следовательно , к повышению быстродействи , т.е. улучшению пусковых характеристик машины . Создание параллельной магнитной цепи дл  потока возбуждени  приводит к уменьшению внешнего магнитного пол , охватывающего машину, по сравнению с прототипом.

Кроме того, выполнение дополнительного кольцевого элемента индуктора из маг- нитотвердого материала, например, из редкоземельного (железо-неодим-бор),  вл ющегос  неподвижным источником потока возбуждени , уменьшает массу машины, увеличивает ее КПД и надежность.

Кроме того, введение в индуктор кольцевого посто нного магнита, намагниченного в аксиальном направлении и установленного с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительного сердечника ротора, обеспечивает самовозбуждение , повышение КПД и надежности машины.

Кроме того, дальнейшее снижение массы ротора в предлагаемой конструкции за 5 счет уменьшени  магнитного потока, проход щего по част м полюсных систем ротора, возможно путем увеличени  числа параллельных ветвей в магнитной цепи дл  потока возбуждени . Таким образом,

0 предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение быстродействи  и надежности путем снижени  массы ротора, а также позвол ет улучшить энергетические и электромагнитные характеристики маши5 ны.

На фиг.1 изображена машина электромагнитного возбуждени , продольный разрез; на фиг.2 - вид на полюсные системы со стороны статора дл  числа полюсов 2р 6;

0 на фиг.З - предлагаема  машина с посто нным магнитом, продольный разрез; на фиг.4 - предлагаема  машина со смешанным возбуждением, продольный разрез; на фиг.5 - машина электромагнитного возбуж5 дени  с несколькими дополнительными кольцевыми элементами индуктора, продольный разрез; на фиг.6 - машина с возбуждением от трех посто нных магнитов, продольный разрез,

0 Бесконтактна  торцова  синхронна  машина (фиг.1 и 2) содержит пакет статора

Iс обмоткой 2, ротор с двум  (первой и второй) системами полюсов противоположной пол рности, причем перва  система по5 люсов состоит из дополнительного сердечника 3 с торцовой поверхностью 4, на котором размещены полюсы 5, а втора  система полюсов содержит наружный сердечник 6 с внутренней поверхностью 7 и

0 полюсами 8 и внутренний сердечник 9 с наружной поверхностью ТО и полюсами 11, индуктор, состо щий из наружного 12 и внутреннего 13 магнитопроводов,  рма 14 и дополнительного кольцевого элемента 15,

5 раздел ющего две коаксиальные катушки возбуждени  16 и 17, подшипниковый щит 18, подшипники 19 и 20 на вапу 21, основной воздушный зазор 22 между полюсами.5, 8,

I1и торцовой поверхностью пакета статора 0 1, добавочные воздушные зазоры: радиальный 23 - между наружной цилиндрической поверхностью наружного сердечника 6 и внутренней цилиндрической поверхностью наружного магнитопровода 12 и аксиаль5 ные - 24 - между торцовой поверхностью 4 дополнительного сердечника 3 ротора и торцовой поверхностью дополнительного кольцевого элемента 15 и - между торцовыми поверхност ми внутреннего сердечника 9 и внутреннего магнитопровода 13.

Полюсные системы ротора, магнито- проводы 12 и 13,  рмо 14 и дополнительный кольцевой элемент 15 индуктора выполнены из магнитом гкой стали, подшипниковый щит 18 - из немагнитного материала (например, немагнитной стали, титана и

ДР.).

Полюсы 8 и 11 второй полюсной системы ротора имеют одну пол рность (на фиг. 1 и 2 северную) и чередуютс  с полюсами 5 первой полюсной системы, имеющими противоположную пол рность (на фиг. 1 и 2 южную ). Суммарна  активна  длина полюсов 8 и 11 равна длине полюса 5, длина которого равна активной длине пакета статора 1, при этом полюсы 8 и 11 могут быть различной длины (на фиг.1 и 2 активна  длина полюсов 8 и 11 равна половине длины статора). Перва  и втора  полюсные системы ротора могут соединитьс  между собой, например, путем заливки промежутков между ними немагнитными сплавом или с помощью сварки .

Дл  обеспечени  работы машины в двигательном режиме может быть предусмотрена в роторе беличь  клетка (на фиг.1 и 2 не показана). Внутренний магнитопровод 13 может быть как неподвижным и  вл ющимс  частью  рма 14, так и вращающимс , выполненным за одно целое с внутренним сердечником 9, образующим дополнительный радиальный зазор с магнитопроводом. индуктора (на фиг.1 не отражено).

Неподвижные кольцевые коаксиальные катушки возбуждени  16 и 17 обеспечивают магнитные потоки, направленные согласно в дополнительном кольцевом элементе 15. Направление магнитных потоков, создаваемых катушками возбуждени  16 и 17, определ ет пути замыкани  магнитных потоков и пол рность полюсов соответствующих систем ротора.

Пакет статора 1 и с обмоткой 2 крепитс  на подшипниковом щите 18, который в свою очередь крепитс  к индуктору. Бесконтактна  торцова  синхронна  машина, изображенна  на фиг.З, отличаетс  от машины, изображенной на фиг.1, выполнением индуктора , в котором неподвижным источником возбуждени   вл етс  дополнительный кольцевой элемент 15, который выполнен из магнитотвердого, например редкоземельного материала (железо-неодим-бор), и намагничен в аксиальном направлении. Бесконтактна  торцова  синхронна  машина , изображенна  на фиг.4, отличаетс  от машины фиг.1 тем, что в индуктор дополнительно введен кольцевой посто нный магнит 26, намагниченный аксиально и примыкающий к дополнительному кольцевому элементу 15, которые образуют добавочный аксиальный воздушный зазор 24 с торцовой поверхностью 4 дополнительного сердечника 3 ротора.

Посто нный магнит 26 обеспечивает

магнитный поток, направленный согласно с магнитным потоком, проход щим в дополнительном кольцевом элементе 15, обеспечиваемым катушками возбуждени  16 и 17.

0 На фиг.5 и 6 представлены варианты выполнени  предлагаемой машины с электромагнитным возбуждением и возбуждением от посто нных магнитов, в которых индуктор содержит три дополнительных

5 кольцевых элемента (аналогичных дополнительному кольцевому элементу 15 фиг.1), каждый из которых образует аксиальный зазор с торцовой поверхностью каждого дополнительного введенного сердечника

0 (аналогичного дополнительному сердечнику 3 фиг.1), соответствующей полюсной систе- мы ротора.

Количество дополнительных сердечников ротора должно соответствовать количе5 ству дополнительных кольцевых элементов индуктора.

Таким образом, перва  система 1 полюсов (фиг.5 и 6) содержит два дополнительных сердечника с полюсами одинаковой

0 пол рности с общей активной длиной полюсов , равной активной длине пакета статора при длине одного полюса, равной половине активной длины пакета статора.

Между полюсами первой полюсной си5 стемы 1 расположены полюса одинаковой пол рности второй полюсной системы II ротора , причем пол рность полюсов второй полюсной системы II противоположна пол рности полюсов первой полюсной систе0 мы I ротора.

Втора  полюсна  система И состоит из дополнительного сердечника, на котором расположены полюсы с активной длиной, равной половине активной длины пакета

5 статора, и наружного и внутреннего сердечников с расположенными на них полюсами, обща  длина которых равна половине активной длины пакета статора. Таким образом , обща  длина полюсов второй

0 полюсной системы II равна Длине полюсов первой полюсной системы I, равной активной длине пакета статора.

Машина работает следующим образом. При выполнении машины по фиг.1 маг5 нитный поток, создаваемый двум  кольцевыми катушками возбуждени  16 и 17, проходит аксиально по дополнительному кольцевому элементу 15 индуктора и разветвл етс  на две параллельные ветви. Одна часть общего потока возбуждени  проходит

по части  рма 14, наружному магнитопрово- ду 12, радиальному добавочному воздушному зазору 23, наружному сердечнику 6, полюсам 8 одной пол рности второй полюсной системы ротора, основному воздушному зазору 22, пакету статора 1 и основному воздушному зазору 22. Друга  часть общего потока возбуждени  проходит по другой части  рма 14, внутреннему маг- нитопроводу 13, добавочному аксиальному воздушному зазору 25, внутреннему сердечнику 9, полюсам 11 одинаковой пол рности с пол рностью полюсов 8 второй полюсной системы, основному воздушному зазору 22, пакету статора 1 и основному воздушному зазору 22. Оба эти потока замыкаютс  через полюсы 5 и дополнительный сердечник 3 первой полюсной системы ротора, при этом пол рность полюсов 5 противоположна пол рности полюсов 8 и 11 второй полюсной системы ротора, и аксиальный добавочный воздушный зазор 24 по добавочному коль: цевому элементу 15 индуктора.

При выполнении машины по фиг.З магнитный поток, создаваемый дополнительным кольцевым элементом 15 индуктора, изготовленным из магнитотвердого матери- лаа и  вл ющимс  источником потока возбуждени , проходит по участкам магнитной цепи аналогично фиг.1.

При выполнении машины по фиг.4 магнитный поток создаетс  как посто нным магнитом 26, так и катушкам возбуждени  16 и 17.

Распределение магнитных потоков аналогично фиг.1.

Таким образом, на роторе образуетс  переменнополюсна  система полюсов, а магнитные потоки, создаваемые источником (источниками) возбуждени , создают суммарную ЭДС в обмотке 2 пакета статора при работе машины генератором.

Работы машины в двигательном режиме аналогична работе известных бесконтактных синхронных двигателей переменополюсного типа. У машины мощностью 30 кВа масса ротора примерно в 1,5 раза меньше по сравнению с массой ротора машины той же мощности известной конструкции , а уменьшение аксиальных размеров позвол ет снизить потери трени  ротора об окружающую среду примерно в 1,4 раза при той же частоте вращени  ротора .

Кроме того, предлагаема  конструкци  обеспечивает возможность использовани  неподвижных посто нных магнитов в качестве источника потока возбуждени , что позвол ет дополнительно уменьшить массу

машины в целом и улучшить ее энергетические характеристики.

У машины мощностью 30 кВа с возбуждением от посто нных магнитов (железо-не- 5 одим-бор) масса машины уменьшаетс  на 40%, а КПД увеличиваетс  на 4%.

Claims (6)

1.Бесконтактна  торцова  синхронна  машина переменнополюсного типа, содер0 жаща  пакет статора с обмоткой, ротор с первой и второй системами полюсов противоположной пол рности, расположенными между наружными и внутренним сердечниками , причем полюсы одной системы разме5 щены между полюсами другой, а полюсы первой системы образуют радиальный, зазор с наружной поверхностью внутреннего сердечника, к которой примыкают полюсы второй системы, индуктор с неподвижным

0 кольцевым источником потока возбуждени , наружным и внутренним магнитопро- водами и  рмом, отличающа с  тем, что. с целью повышени  быстродействи  и надежности путем снижени  массы ротора

5 машины, ротор снабжен дополнительным сердечником, на котором размещены полюсы первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружного сердечника, по0 люсы второй системы примыкают к указанной поверхности, а в индуктор введен дополнительный кольцевой элемент, образующий аксиальный зазор с торцовой поверхностью дополнительного сердечника

5 ротора.

2.Машина по п.1,отличающа с  тем, что неподвижный кольцевой источник потока возбуждени  выполнен в виде двух коаксиальных катушек, разделенных упом 0 нутыми кольцевым элементом, который выполнен из магнитом гкого материала.

3.Машина по п.1,отличающа с  тем, что дополнительный кольцевой элемент индуктора, выполнен из магнитотвер5 дого материала и намагничен в аксиальном направлении.

4.Машина по п.2. отличающа с  тем, что индуктор снабжен кольцевым посто нным магнитом, намагниченным в акси0 альном направлении и установленным с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительного сердечника ротора.

5.Машина по п.2, отличающа с  тем, что индуктор снабжен п дополнитель5 ными кольцевыми элементами, каждый из которых установлен с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы ротора, и соответственно , п катушками возбуждени , где п.- целое

четное число, причем смежные катушки возбуждени  включены встречно.

6. Машина по п.З, отличающа с  тем, что индуктор снабжен п дополнительными кольцевыми элементами, каждый из которых установлен с аксиальным зазором

с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы ротора, где п - целое четное число, при этом смежные дополнительные кольцевые элементы индуктора намагничены встречно друг относительно друга.

61534

III ц

//.

Фиг.1

00

Оз

г- см

о

CN

г00

Ј J 4 /4

1916

24

cpueJ

(pU2.6