Ротор для электрической вращающейся машины

Изобретение относится к области электротехники, в частности к явнополюсному ротору. Технический результат – повышение надежности. Ротор содержит вал и по меньшей мере один полюсный наконечник. Между валом и полюсным наконечником находится металлический лист. При этом металлический лист имеет первую контактную поверхность, которая находится в контакте с контактной поверхностью полюсного наконечника. Металлический лист и полюсный наконечник выполнены из различных материалов. Первая контактная поверхность металлического листа имеет большую шероховатость поверхности, чем контактная поверхность полюсного наконечника. 5 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к ротору для электрической вращающейся машины, в частности синхронной машины, содержащему вал и по меньшей мере один полюсный наконечник.

Кроме того, изобретение относится к электрической вращающейся машине, в частности, синхронной машине, содержащей такой ротор.

Кроме того, изобретение относится к способу изготовления такого ротора.

Такой ротор используется, в частности, в синхронных явнополюсных машинах прямого пуска с установленными сверху полюсными наконечниками. Установленные сверху полюсные наконечники используются по существу в больших приводах с мощностью по меньшей мере 1 МВт. Между полюсным наконечником и валом, на который установлен полюсный наконечник, образуется стык. При асинхронном пуске синхронной явнополюсной машины в установленных сверху полюсных наконечниках индуцируются вихревые токи, при этом, в частности, поверхность полюсных наконечников сильно нагревается вихревыми токами. В ходе нагревания полюсные наконечники расширяются. Возникающая за счет этого поперечная сила в стыке предпочтительно выдерживается с помощью фрикционного замыкания. При преодолении трения сцепления происходит вызванный нагреванием относительный сдвиг в стыке между полюсным наконечником и валом. Такой относительный сдвиг происходит в большинстве случаев скачкообразно и произвольно. Связанные с этим сдвиги массы отрицательно сказываются на состоянии балансировки ротора и создают в конечном итоге опасность для работы машины.

Полюсные наконечники предпочтительно соединяются с валом винтами. Поэтому трение сцепления в стыке между полюсным наконечником и валом определяются силами предварительного натяжения и величинами трения. В частности, на величины трения можно оказывать влияние посредством целенаправленного изменения свойств материалов и свойств поверхностей пар трения. Однако непосредственная модификация свойств материалов и свойств поверхности на контактных поверхностях возможна лишь ограниченно, поскольку изменения основного материала сказываются на функциональных свойствах конструктивных элементов. Для локальных изменений свойств требуются инструмент и машины, такие как фрезерные станки, печи, погружные ванны и т.д., соответствующего размера. Следовательно, непосредственная обработка контактных поверхностей связана с большими техническими и финансовыми затратами.

Из патента US 9 077 223 В2 известна электрическая вращающаяся машина, содержащая ротор с полюсными наконечниками, который имеет полюсные тела. Полюсные тела выполнены в виде единого целого из вала. Полюсные наконечники образуют полюсные головки. Каждый полюсный наконечник соединен неподвижно несколькими винтами с соответствующим полюсным телом. Каждый полюсный наконечник или его соответствующее полюсное тело имеют по меньшей мере один выступ или выемку, с целью ограничения конусной зоны сжатия в одной зоне сжатия. Конусная зона сжатия выступает в одной зоне сжатия, когда полюсный наконечник соединен винтами с соответствующим полюсным телом.

Из выложенной заявки DE 44 15 224 А1 известна электрическая машина с полюсным колесом с несколькими полюсами, в которой для каждого полюса предусмотрен соединенный в виде единого целого с ярмом полюсный хвостовик с окружающей его обмоткой возбуждения и закрепленной на конце полюсного хвостовика с помощью винтов системой полюсного наконечника. За счет этого должно более эффективно осуществляться восприятие возникающих при вращении, воздействующих на систему полюсного наконечника и на обмотку возбуждения центробежных сил. Для этого система полюсного наконечника содержит навинченную на полюсный хвостовик удерживающую пластину и свинченный исключительно с удерживающей пластиной полюсный наконечник. Таким образом, возникающие за счет обмотки возбуждения центробежные силы воспринимаются удерживающей пластиной.

В выложенном изобретении US 2003/141776 А1 приведено описание состоящего из двух частей опорного блока для катушек ротора, при этом расположенная между обеими половинами блока пружина обеспечивает возможность теплового расширения намотанных вокруг составленного вместе блока катушек.

В выложенном изобретении GB 458 381 А приведено описание полюсной каппы для применения в электрическом генераторе переменного тока или синхронном электродвигателе, которая выполнена из сжатого листового пакета с имеющим форму ласточкина хвоста или подобного соединением со стальной или железной плитой, так что каппа, когда она закреплена, нагревания с помощью винтов или болтов на полюсном валу, имеет достаточную жесткость, с целью обеспечения прочного соприкосновения центробежной силе.

В выложенном изобретении US 2015/0228300 А1 приведено описание шпиндельного электродвигателя, состоящего из базовой части и опорного устройства. Зона крепления, имеющая первую зону, в которой базовая часть и опорное устройство скреплены друг с другом, и вторую зону, в которой задана уплотнительная щель между базовой частью и опорным устройством, расположен между внутренним окружным участком базовой части и наружным окружным участком опорного устройства. Внутренний окружной участок базовой части имеет по меньшей мере во второй зоне шероховатость поверхности, которая больше шероховатости поверхности наружного окружного участка опорного устройства.

В основу изобретения положена задача создания ротора для электрической вращающейся машины, который по сравнению с уровнем техники имеет более высокую надежность и при этом является простым и дешевым в изготовлении.

Эта задача решена, согласно изобретению, с помощью ротора для электрической вращающейся машины, в частности синхронной машины, содержащего вал и по меньшей мере один полюсный наконечник, при этом между валом и полюсным наконечником находится металлический лист, при этом металлический лист имеет первую контактную поверхность, которая находится в контакте с контактной поверхностью полюсного наконечника, и при этом металлический лист и полюсный наконечник выполнены из различных материалов, при этом первая контактная поверхность металлического листа имеет большую шероховатость поверхности, чем контактная поверхность полюсного наконечника.

Кроме того, задача решена с помощью ротора для электрической вращающейся машины, в частности синхронной машины (20), содержащего вал и по меньшей мере один полюсный наконечник, при этом между валом (5) и полюсным наконечником (7) находится металлический лист (8), при этом металлический лист (8) имеет первую контактную поверхность (12), которая находится в контакте с контактной поверхностью (14) полюсного наконечника (7), при этом металлический лист (8) и полюсный наконечник (7) выполнены из различных материалов, при этом металлический лист (8) имеет вторую контактную поверхность (13), которая находится в контакте с контактной поверхностью (15) вала (5), при этом вторая контактная поверхность (13) металлического листа (8) имеет большую шероховатость поверхности, чем контактная поверхность (15) вала (5).

Кроме того, задача решена с помощью электрической вращающейся машины, в частности, синхронной машины, содержащей такой ротор.

Кроме того, задача решена с помощью способа изготовления ротора для электрической вращающейся машины, в частности синхронной машины, при этом электрическая вращающаяся машина имеет вал, полюсный наконечник и металлический лист, при этом металлический лист вкладывается между полюсным наконечником и валом, при этом первая контактная поверхность металлического листа приводится в контакт с контактной поверхностью полюсного наконечника, при этом металлический лист и полюсный наконечник изготавливаются из различных материалов, при этом для первой контактной поверхности металлического листа устанавливается большая шероховатость поверхности, чем для контактной поверхности полюсного наконечника.

Кроме того, задача решена с помощью способа изготовления ротора для электрической вращающейся машины, в частности синхронной машины, при этом электрическая вращающаяся машина имеет вал, полюсный наконечник и металлический лист, при этом металлический лист вкладывается между полюсным наконечником и валом, при этом первая контактная поверхность металлического листа приводится в контакт с контактной поверхностью полюсного наконечника, при этом металлический лист и полюсный наконечник изготавливаются из различных материалов, при этом металлический лист имеет вторую контактную поверхность, при этом для второй контактной поверхности металлического листа устанавливается большая шероховатость поверхности, чем для контактной поверхности вала.

Указанные ниже относительно ротора преимущества и предпочтительные варианты выполнения могут по смыслу переноситься на электрическую вращающуюся машину и способ.

Под металлическим листом понимается плоское катаное изделие, в частности из металлического материала, с толщиной в несколько миллиметров.

При этом под различными материалами понимается, что материал металлического листа по меньшей мере в зоне первой контактной поверхности металлического листа имеет другой состав (например, другой материал) или другие физические или механические свойства (например, твердость, проницаемость, электрическую или тепловую проводимость, деформируемость или шероховатость поверхности), чем материал полюсного наконечника.

За счет использования металлического листа в стыке между валом и полюсным наконечником (металлический лист называется в последующем стыковым металлическим листом) может осуществляться, например, локальная модификация свойств материала и/или свойств поверхности в зоне контактных поверхностей стыкового металлического листа, предпочтительно относительно величин трения, без необходимости выполнения изменений на самом полюсном наконечнике или на валу. За счет такой модификации свойств материала и/или свойств поверхности оказывается просто и экономично противодействие вызванному нагреванием относительному сдвигу между полюсным наконечником и валом. За счет применения такого ротора улучшается надежность, в частности при работе с асинхронным пуском.

Первая контактная поверхность металлического листа имеет большую шероховатость поверхности, чем контактная поверхность полюсного наконечника. За счет большей шероховатости поверхности повышается коэффициент трения сцепления между контактными поверхностями, за счет чего затрудняется относительный сдвиг.

В качестве альтернативного решения, металлический лист имеет вторую контактную поверхность, которая находится в контакте с контактной поверхностью вала, при этом вторая контактная поверхность металлического листа имеет большую шероховатость поверхности, чем контактная поверхность вала. это является предпочтительным, поскольку тем самым не требуются дополнительные меры для приведения в контакт металлического листа с валом.

Целесообразно, первая контактная поверхность металлического листа имеет шероховатость поверхности более 25 мкм, в частности в диапазоне от 60 мкм до 80 мкм. Такая шероховатость поверхности может достигаться, например, с помощью струйной обработки. На практике такая шероховатость поверхности оказалась особенно предпочтительной.

Особенно предпочтительно, что металлический лист выполнен из более твердого материала, чем полюсный наконечник. Это является предпочтительным, поскольку, например, в частности металлический лист с шероховатостью из более твердого материала, при соответствующем давлении сжатия сцепляется с более мягким материалом полюсного наконечника, за счет чего затрудняется относительный сдвиг между находящимися в контакте поверхностями.

Предпочтительно, металлический лист выполнен из пружинной стали с твердостью по меньшей мере 650, в частности, 700 по шкале Виккерса. Применяется, в частности, закаленная пружинная сталь типа C75S. Это является предпочтительным, поскольку высокая твердость обеспечивает, например, стабильное сцепление.

В другом предпочтительно варианте выполнения металлический лист имеет толщину по меньшей мере 2 мм, в частности примерно 5 мм. На практике такая толщина оказалась особенно предпочтительной.

В одном предпочтительном варианте выполнения первая контактная поверхность металлического листа находится в контакте по всей поверхности с контактной поверхностью полюсного наконечника. За счет максимизации контактной поверхности оптимируются магнитный поток и тепловой контакт полюсного наконечника с валом.

Особенно предпочтительно, металлический лист находится в контакте с валом посредством геометрического замыкания и/или силового замыкания, в частности, с помощью соединительного элемента. Нагревание, например, вызванное вихревыми токами при асинхронном пуске, происходит первично на поверхности полюсного наконечника. Поскольку вал нагревается не так сильно и поэтому расширяется не значительно, то металлический лист закрепляется на валу, например, с помощью простого и дешевого винтового соединения.

Особенно предпочтительно, металлический лист соединен с валом посредством соединения с замыканием по материалу, в частности, с помощью сварного соединения. Например, металлический лист соединяется с валом с помощью способа диффузионной сварки, поскольку такое сварное соединение имеет большую механическую и термическую стабильность.

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

фиг. 1 - первый вариант выполнения ротора, в изометрической проекции;

фиг. 2 - поперечное сечение первого варианта выполнения ротора;

фиг. 3 - часть поперечного сечения второго варианта выполнения ротора, в увеличенном масштабе;

фиг. 4 - часть поперечного сечения третьего варианта выполнения ротора, в увеличенном масштабе; и

фиг. 5 - поперечное сечение электрической вращающейся машины.

Одинаковыми позициями на фигурах обозначены имеющие одинаковое значение компоненты.

На фиг. 1 показан в изометрической проекции первый вариант выполнения ротора 3. Ротор 3 установлен с возможностью вращения вокруг оси 4 вращения, при этом ось 4 вращения задает осевое направление и радиальное направление. Ротор 3, который пригоден для синхронной явнополюсной машины прямого пуска (такой как показана на фиг. 5) с максимальной мощностью по меньшей мере 1 МВт, имеет вал 5 с ортогонально расположенными в качестве примера выступающими полюсами 5а, при этом выступающие полюса 5 снабжены полюсными наконечниками 7. Полюсные наконечники 7 состоят из первого материала 10, в частности из магнитомягкой стали, в частности из термически улучшенной стали. Вал 5 с четырьмя выступающими полюсами 5а изготовлен из массивного сплошного материала и состоит в показанном примере выполнения из третьего материала 30, предпочтительно из магнитомягкой стали. Первый материал 10 полюсного наконечника 7 может соответствовать третьему материалу 30 вала 5.

Между каждым полюсным наконечником 7 и валом 5 находится соответствующий металлический лист 8, который проходит в осевом направлении параллельно оси 4 вращения. Металлический лист 8 имеет первую контактную поверхность 12 и вторую контактную поверхность 13, при этом в показанном примере выполнения первая контактная поверхность 12 лежит по всей поверхности на контактной поверхности 14 полюсного наконечника 7, и при этом вторая контактная поверхность 13 лежит по всей поверхности на контактной поверхности 15 вала 5. Металлический лист 8 имеет приблизительно постоянную толщину по меньшей мере 2 мм, в частности, примерно 5 мм, и состоит из второго материала 11, который более твердый, чем первый материал 10, и предпочтительно более твердый, чем третий материал 30. Предпочтительно, в качестве второго материала 11 применяется закаленная пружинная сталь C75S с твердостью в диапазоне 650, в частности, 700 по шкале Виккерса. Такая твердость достигается, в частности, за счет выполнения термического улучшения посредством закалки и отпуска.

Полюсные наконечники 7 привинчиваются с помощью выполненных в виде винтов соединительных элементов 16 (см. фиг. 2-4) на вал 5, при этом металлический лист 8 лежит между волом 5 и полюсным наконечником 7, и при этом винты 16 проходят через металлический лист 8. Винты 16, а также необходимые для работы ротора 3 полюсные обмотки не изображены для сохранения наглядности.

При асинхронном пуске в полюсных наконечниках 7 индуцируются вихревые токи, при этом, в частности поверхность полюсных наконечников 7, сильно нагревается вихревыми токами, при этом полюсный наконечник 7 расширяется. Для предотвращения вызванного расширением сдвига полюсного наконечника 7 относительно вала 5, контактные поверхности 12, 13 металлического листа 8 имеют шероховатость 9, при этом шероховатость контактных поверхностей 12, 13 составляет больше 25 мкм, в частности, в диапазоне от 60 мкм до 80 мкм. За счет большей шероховатости поверхности повышается коэффициент трения сцепления между соприкасающимися контактными поверхностями 12, 14; 13, 15. Такая шероховатость 9 достигается, например, посредством струйной обработки с помощью струйных материалов, например твердых частиц. В качестве альтернативного решения, контактные поверхности 12, 13 могут быть структурированы с помощью шлифовки, тиснения, накатки и/или фрезерования так, что коэффициент трения сцепления между соприкасающимися контактными поверхностями 12, 14; 13, 15 повышается. Металлический лист 8 изготавливается тем, что после термического улучшения посредством закалки и отпуска по меньшей мере на первую контактную поверхность 12 наносится шероховатость 9.

Получившие шероховатость контактные поверхности 12, 13 металлического листа 8 из более твердого второго материала 11 сцепляются за счет соответствующего давления сжатия, которое создается с помощью свинчивания, с более мягким вторым материалом 10 полюсного наконечника 7 и более мягким третьим материалом 30 вала 5.

На фиг. 2 показано поперечное сечение первого варианта выполнения ротора 3. Показаны соединительные элементы 16, в частности винты, которые проходят в радиальном направлении через металлические листы 8 и закрепляют полюсные наконечники 7 вместе с металлическими листами 8 на валу 5. Остальное выполнение ротора 3 соответствует выполнению на фиг. 1.

На фиг. 3 показана в увеличенном масштабе часть поперечного сечения второго варианта выполнения ротора 3. Первая контактная поверхность 12 металлического листа 8 имеет, как указывалось применительно к фиг. 1, шероховатость 9 для увеличения трения между металлическим листом 8 и полюсным наконечником 7. В противоположность этому, с валом 5 металлический лист 8 соединен с помощью соединительных элементов 16, в частности винтов, так что вторая контактная поверхность 13 лежит на контактной поверхности 15 вала 5. Остальное выполнение ротора 3 соответствует показанному на фиг. 1 выполнению.

На фиг. 4 показана в увеличенном масштабе часть поперечного сечения третьего варианта выполнения ротора 3. Показанный на фиг. 4 вариант выполнения отличается от варианта выполнения на фиг. 3 тем, что вторая контактная поверхность 13 соединена с контактной поверхностью 15 вала 5 с помощью соединения 17 с замыканием по материалу. Такое соединение 17 с замыканием по материалу выполняется, в частности, с помощью сварного соединения, например, посредством диффузионной сварки.

На фиг. 5 показано поперечное сечение электрической вращающейся машины 1, которая выполнена в виде синхронной машины 20. Синхронная машина 20, которая предназначена для работы с мощностью по меньшей мере 1 МВт, имеет ротор 3, согласно одной из предыдущих фигур. Кроме того, синхронная машина 20 имеет окружающий ротор 3 статор 2, при этом между ротором 3 и статором 2 находится воздушный зазор 6. Катушки статора 2 и ротора 3 не изображены для обеспечения наглядности.

1. Ротор (3) для электрической вращающейся машины (1), в частности синхронной машины (20), содержащий вал (5) и по меньшей мере один полюсный наконечник (7),

при этом между валом (5) и полюсным наконечником (7) находится металлический лист (8),

при этом металлический лист (8) имеет первую контактную поверхность (12), которая находится в контакте с контактной поверхностью (14) полюсного наконечника (7),

при этом металлический лист (8) и полюсный наконечник (7) выполнены из различных материалов,

отличающийся тем, что при этом первая контактная поверхность (12) металлического листа (8) имеет большую шероховатость поверхности, чем контактная поверхность (14) полюсного наконечника (7).

2. Ротор (3) для электрической вращающейся машины (1), в частности синхронной машины (20), содержащий вал (5) и по меньшей мере один полюсный наконечник (7),

при этом между валом (5) и полюсным наконечником (7) находится металлический лист (8),

при этом металлический лист (8) имеет первую контактную поверхность (12), которая находится в контакте с контактной поверхностью (14) полюсного наконечника (7),

при этом металлический лист (8) и полюсный наконечник (7) выполнены из различных материалов,

отличающийся тем, что металлический лист (8) имеет вторую контактную поверхность (13), которая находится в контакте с контактной поверхностью (15) вала (5),

при этом вторая контактная поверхность (13) металлического листа (8) имеет большую шероховатость поверхности, чем контактная поверхность (15) вала (5).

3. Ротор (3) по любому из пп. 1 или 2, в котором первая контактная поверхность (12) металлического листа (8) имеет шероховатость поверхности более 25 мкм, в частности в диапазоне от 60 мкм до 80 мкм.

4. Ротор (3) по любому из пп. 1-3, в котором металлический лист (8) выполнен из более твердого материала, чем полюсный наконечник (7).

5. Ротор (3) по любому из пп. 1-4, в котором металлический лист (8) выполнен из пружинной стали с твердостью по меньшей мере 650, в частности 700, по шкале Виккерса.

6. Ротор (3) по любому из пп. 1-5, в котором металлический лист (8) имеет толщину (d) по меньшей мере 2 мм, в частности 5 мм.

7. Ротор (3) по любому из пп. 1-6, в котором первая контактная поверхность (12) металлического листа (8) находится в контакте по всей поверхности с контактной поверхностью (14) полюсного наконечника (7).

8. Ротор (3) по любому из пп. 1-7, в котором металлический лист (8) находится в контакте с валом (5) с помощью соединения с геометрическим замыканием и/или силовым замыканием, в частности, с помощью соединительного элемента (16).

9. Ротор (3) по любому из пп. 1-7, в котором металлический лист (8) соединен с валом (5) посредством соединения (17) с замыканием по материалу, в частности, с помощью сварного соединения.

10. Электрическая вращающаяся машина (1), в частности синхронная машина (20), содержащей ротор (3) по любому из пп. 1-9.

11. Способ изготовления ротора (3) для электрической вращающейся машины (1), в частности синхронной машины (20), при этом электрическая вращающаяся машина (1) имеет вал (5), полюсный наконечник (7) и металлический лист (8), при этом металлический лист (8) вкладывается между полюсным наконечником (7) и валом (5), при этом первая контактная поверхность (12) металлического листа (8) приводится в контакт с контактной поверхностью (14) полюсного наконечника (7), при этом металлический лист (8) и полюсный наконечник (7) изготавливаются из различных материалов,

отличающийся тем, что для первой контактной поверхности (12) металлического листа (8) устанавливается большая шероховатость поверхности, чем для контактной поверхности (14) полюсного наконечника (7).

12. Способ изготовления ротора (3) для электрической вращающейся машины (1), в частности синхронной машины (20), при этом электрическая вращающаяся машина (1) имеет вал (5), полюсный наконечник (7) и металлический лист (8), при этом металлический лист (8) вкладывается между полюсным наконечником (7) и валом (5),

при этом первая контактная поверхность (12) металлического листа (8) приводится в контакт с контактной поверхностью (14) полюсного наконечника (7),

при этом металлический лист (8) и полюсный наконечник (7) изготавливаются из различных материалов,

отличающийся тем, что металлический лист (8) имеет вторую контактную поверхность (13),

при этом для второй контактной поверхности (12) металлического листа (8) устанавливается большая шероховатость поверхности, чем для контактной поверхности (15) вала (5).

13. Способ по любому из пп. 11 или 12, в котором для первой контактной поверхности (12) металлического листа (8) устанавливается шероховатость поверхности более 25 мкм, в частности в диапазоне от 60 мкм до 80 мкм.

14. Способ по любому из пп. 11-13, в котором для металлического листа (8) выбирается более твердый материал, чем для полюсного наконечника (7).

15. Способ по любому из пп. 11-14, в котором металлический лист (8) выполняется из пружинной стали с твердостью по меньшей мере 650 по шкале Виккерса.

16. Способ по любому из пп. 11-15, в котором для металлического листа (8) выбирается толщина (d) по меньшей мере 2 мм.

17. Способ по любому из пп. 11-16, в котором первая контактная поверхность (12) металлического листа (8) приводится в контакт по всей поверхности с контактной поверхностью (14) полюсного наконечника (7).

18. Способ по любому из пп. 11-17, в котором металлический лист (8) приводится в контакт с валом (5) с помощью соединения с геометрическим замыканием и/или силовым замыканием, в частности, с помощью соединительного элемента (16).

19. Способ по любому из пп.11-18, в котором металлический лист (8) соединяется с валом (5) посредством соединения (17) с замыканием по материалу, в частности с помощью сварного соединения.