PL182491B1 - Wirnik maszyny elektrycznej z biegunami pazurowymi - Google Patents

Abstract

magnetycznego polaczone elementem lacznikowym z mate- rialu niemagnetycznego, przy czym kazda polowa wirnika posiada N biegunów pazurowych rozciagajacych sie osio- wo, rozstawionych obwodowo w równych odstepach i ogra- niczajacych pomiedzy soba wolny obszar, ponadto dwie polowy wirnika maja przeciwna polaryzacje i sa usytuowa- ne naprzeciwko siebie, a kazdy biegun pazurowy jednej polowy wirnika jest umieszczony pomiedzy dwoma biegu- nami pazurowymi naprzeciwleglej drugiej polowy wirnika o przeciwnej polaryzacji, znam ienny tym, ze polowy wirnika skladaja sie z jednoczesciowego pierwszego elementu (1) z materialu magnetycznego oraz z jednoczesciowego drugie- go elementu (1') z materialu magnetycznego, majacego taka sama postac co pierwszy element (1), przy czym pierwszy element (1) i drugi element (1') zawieraja bieguny pazurowe (5,5'), oraz kazdy z nich zawiera osiowa piaste tworzaca wal, do którego sa zamocowane bieguny pazurowe odpowiednie- go elementu, a ponadto element lacznikowy ma postac niemagnetycznych rozporek (7) umieszczonych pomiedzy wolnymi koncami (8, 8') biegunów pazurowych a spodem wolnego obszaru (6) umieszczonym naprzeciw polowy wir- nika, oraz tym, ze zawiera niemagnetyczne zespoly oslaniajace (9) wirnik. FIG.3 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazkujest wirnik maszyny elektrycznej z biegunami pazurowymi, przeznaczony do stosowania w szybkobieżnych maszynach synchronicznych.

Takie wirniki z biegunami pazurowymi są utworzone z licznych elementów niemagnetycznych i magnetycznych, które są spolaryzowane i zamocowane do siebie. Prędkości, które mogą być osiągane w niektórych szybkich maszynach synchronicznych są większe lub równe od 50 000 obr/min. Jak wspomniano, takie wirniki są złożone z wielu elementów, w związku z czym konstruktorzy wirników z biegunami pazurowymi dążą do uzyskania wirników jak najbardziej odpornych na eksplozję odśrodkową przy zachowaniu optymalnego profilu aerodynamicznego.

Znane są wirniki pełne. Ich duża masa ogranicza ich prędkość obrotową. W czasie obrotu powstająca siła odśrodkowa jest proporcjonalna do ruchomej masy. W takich typach wirników pełnych konieczne jest zastosowanie sposobów montażu typu kompresji izostatycznej lub innej odpowiedniej po to, by wiernik nie eksplodował przy dużych prędkościach działania. Te sposoby

182 491 montażu są drogie i trudne w realizacji w przypadku produkcji seryjnej. Poza tym, w tym typie wirnika pełnego elementy składowe mają skomplikowane kształty, a ich montaż nie jest łatwy.

Najbardziej zbliżonym ze stanu techniki jest rozwiązanie według FR2 087 516, który opisuje wirnik bezstykowej maszyny elektrycznej. Według powołanego opisu każda z połów wirnika utworzona przez bieguny pazurowe jest przedstawiona na oddzielnym wale, składającym się z dwóch części zmontowanych za pomocą elementu niemagnetycznego.

Ponadto, znana jest maszyna według opisu patentowego US 215 878, w której wirnikjest wydrążonym wirnikiem z biegunami pazurowymi, który obraca się wokół środkowego statora. Wirnik taki nie może obracać się z bardzo dużą prędkością.

Wirnik maszyny elektrycznej z biegunami pazurowymi o 2N biegunach, zawierający dwie połowy z materiału magnetycznego połączone elementem łącznikowym z materiału niemagnetycznego, przy czym każda połowa wirnika posiada N biegunów pazurowych rozciągających się osiowo, rozstawionych obwodowo w różnych odstępach i ograniczających pomiędzy sobą wolny obszar, ponadto dwie połowy wirnika mają przeciwną polaryzację i są usytuowane naprzeciwko siebie, a każdy biegun pazurowy jednej połowy wirnika jest umieszczony pomiędzy dwoma biegunami pazurowymi naprzeciwległej drugiej połowy wirnika o przeciwnej polaryzacji, według wynalazku charakteryzuje się tym, że połowy wirnika składają się z jednoczęściowego pierwszego elementu z materiału magnetycznego oraz z jednoczęściowego drugiego elementu z materiału magnetycznego, mającego takąsamąpostać co pierwszy element. Pierwszy element i drugi element zawierają bieguny pazurowe, oraz każdy z nich zawiera osiową piastę tworzącą wał, do którego są zamocowane bieguny pazurowe odpowiedniego elementu, a ponadto element łącznikowy ma postać niemagnetycznych rozporek umieszczonych pomiędzy wolnymi końcami biegunów pazurowych a spodem wolnego obszaru umieszczonym naprzeciw połowy wirnika, oraz tym, że zawiera niemagnetyczne zespoły osłaniające wirnik.

Korzystnie, każdy biegun pazurowy posiada zewnętrzną wzdłużną powierzchnię posiadającą strefy boczne magnetycznych zwiększających się szczelin powietrznych.

Każdy biegun pazurowy jednoczęściowego elementu posiada wewnętrzne rozbieżne powierzchnie, których punkt zbieżności jest umieszczony w pobliżu środka wolnego obszaru.

Każdy biegun pazurowy posiada wielokątną podstawę stykającą się z osiową piastą, oraz wolny koniec.

Wirnik posiada przynajmniej jedną jednoczęściową rozpórkę mającą postać wielorozpórkowego elementu dla licznych biegunów pazurowych.

Wirnik zawiera korzystnie dwie niemagnetyczne rozporki dla sztywnego bezpośredniego połączenia pomiędzy przeciwległymi biegunami pazurowymi.

Wirnik według wynalazku ma prostą konstrukcję i wykonany jest znanym sposobem. Może obracać się z dużymi prędkościami, a koszt wytwarzania jest odpowiedni dla produkcji w dużych seriach.

Pierwszą zaletą wirnika według wynalazku jest środkowe wycięcie w wirniku uzyskane dzięki wolnym przestrzeniem elementów magnetycznych. Ma to za zadanie zmniejszenie ciężaru wirnika i w związku z tym, dla odpowiedniej prędkości, zmniejszenie naprężeń odśrodkowych w porównaniu z naprężeniami odśrodkowymi występującymi w wirnikach pełnych.

Druga zaleta wynika z pierwszej zalety: mniejsze naprężenia wywoływane siłami odśrodkowymi powodują, że wzajemne mocowanie różnych elementów składowych wirnika może być wykonane sposobami spawania bardziej klasycznymi i mniej kosztownymi.

Inna zaleta wynika ze szczególnego kształtu biegunów pazurowych, który umożliwia ograniczenie z jednej strony rozproszenia strumienia magnetycznego, oraz z drugiej strony, naprężeń odśrodkowego uginania obracających się biegunów pazurowych.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem każda połowa wirnika jest jednoczęściowa, to znaczy jest elementem jednoczęściowym. Nie występuje więc montaż pomiędzy każdym z tych elementów i wałem. Wał, utworzony przez trzpień z szeregiem biegunów pazurowych, a więc ma on postać jednoczęściowego elementu z biegunami pazurowymi.

182 491

Wspomniany trzpień służy jednocześnie jako wał, taki jak wał w powołanym opisie FR 2 087 516, oraz bierze udział w przechodzeniu strumienia magnetycznego. Jednocześnie, fakt że każdy z elementów jest jednoczęściowy, a nie powstaje w wyniku montażu, zapewnia lepszą odporność mechanicznąna działanie siły odśrodkowej. Wirnik charakteryzuje się lepszymi wsłasnościami mechanicznymi. W rezultacie, prędkość krytyczna odpowiada mniejszej częstotliwości niż w urządzeniu posiadającym przechodzący, oddzielny wał, tak jak to pisano we wspomnianym opisie francuskim. Inna różnica polega na łączeniu elementów niemagnetycznymi rozporkami.

Wirnik według wynalazku jest zaprojektowany w taki sposób, by był jak najlżejszy i miał jak najprostszą budowę.

Dążenie do uzyskania małego ciężaru wirnika doprowadziło do zastąpienia maksymalnej ilości materiału niemagnetycznego przez powietrze. Rozwiązaniem zaproponowanym przez wynalazek jest wirnik wydrążony lub posiadający wycięcia, posiadający powietrzną szczelinę magnetyczną promieniowo zwiększającą się w danej strefie, oraz aerodynamiczną powietrzną szczelinę mechaniczną, stałą i gładką.

Dążenie do uzyskania prostej konstrukcji doprowadziło do ograniczenia liczby elementów składowych wirnika.

Przedmiot wynalazkujest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie element magnetyczny z dwoma biegunami dla wirnika czterobiegunowego według wynalazku, fig. 2 - schemat niemagnetycznego elementu z dwiema rozporkami, wchodzącego w skład czterobiegunowego wirnika według wynalazku, fig. 3 - schemat czterobiegunowego wirnika według wynalazku, bez osłony, fig. 4A, 4B, 4C - przekroje poprzeczne czterobiegunowego wirnika według wynalazku.

Wirnik ze złączkami z 2N biegunami według wynalazku zawiera jednoczęściowy pierwszy element 1 z materiału magnetycznego, zawierający osiowąpiastę 2 posiadającąjeden swobodny koniec 3, oraz jeden koniec 4 posiadający N biegunów pazurowych 5 rozciągających się osiowo, rozmieszczonych obwodowo w równych odstępach, ograniczających miedzy sobą wolny obszar 6. Drugi element 1' z materiału magnetycznego, spolaryzowany przeciwnie do pierwszego elementu 1 z materiału magnetycznego, mający kształt taki jak pierwszy element 1 z materiału magnetycznego, umieszczony jest naprzeciw pierwszego elementu 1, każdy biegun pazurowy 5' drugiego elementu 1' z materiału magnetycznego jest rozmieszczony pomiędzy dwoma biegunami pazurowymi 5 pierwszego elementu 1, i na odwrót. Niemagnetyczne rozporki 7 rozmieszczone są pomiędzy swobodnymi końcami 8, 8' biegunów pazurowych 5, 5' każdego elementu magnetycznego 1,1' i spodem wolnego obszaru 6, 6' naprzeciwko elementu magnetycznego. Ponadto, wirnik ma niemagnetyczne zespoły osłaniające 9.

W przykładzie realizacji pokazanym na rysunku, N wynosi 2. Tak więc, koniec 4,4' piasty 2, 2' posiada dwa bieguny pazurowe 5, 5' rozmieszczone przeciwlegle na okręgu.

Bieguny pazurowe 5, 5 posiadają zewnętrzną wzdłużną powierzchnię 10, która posiada promieniowe strefy magnetycznej zwiększającej się szczeliny powietrznej.

W przykładzie realizacji wynalazku pokazanym na rysunku, zewnętrzna wzdłużna powierzchnia 10 posiada środkową strefę 11, której promieniem jest zewnętrzny promień wirnika bez zespołu osłaniającego 9, oraz dwie strefy boczne 12a, 12b po obu stronach strefy środkowej 11. Ukosowane kształty tworzą powietrzne szczeliny magnetyczne promieniowo zwiększające się.

Ogólny kształt zewnętrznej powierzchni wzdłużnej 10 pozwala zoptymalizować przechodzenie strumienia magnetycznego pomiędzy strefą środkowa 11 i stojanem maszyny obrotowej.

Bieguny pazurowe 5,5' według wynalazku posiadają rozbieżne powierzchnie wewnętrzne 13, których punkt zbieżności 14 jest umieszczony w pobliżu środka wolnego obszaru 6.

Ta własność ma na celu zapewnienie dużej przestrzeni niemagnetycznej pomiędzy dwiema sąsiednimi masami magnetycznymi o przeciwnych polaryzacjach (sąsiednie bieguny pazurowe). Ta przestrzeń niemagnetyczna umożliwia ograniczenie rozproszenia strumienia magnetycznego przechodzącego bezpośrednio pomiędzy dwoma sąsiednimi biegunami o przeciwnej polaryzacji, zamiast przenikania przez stojan.

182 491

W przykładzie realizacji, bieguny pazurowe posiadają ponadto układ powierzchni takich, że posiadają podstawę w kontakcie na dużym obszarze z osiową piastą w celu przejmowania naprężeń uginania biegunów pazurowych pod wpływem działania siły odśrodkowej, oraz wysmukły swobodny koniec w celu ograniczenia ruchomej masy na wierzchołku bieguna pazurowego, oraz również w celu zmniejszenia naprężeń uginania wywieranych na podstawę.

Niemagnetyczne rozporki 7, umieszczone pomiędzy wolnymi końcami 8,8' biegunów pazurowych 5,5' każdego elementu magnetycznego 1,1' i spodem wolnej przestrzeni 6,6' elementu 1, 1', mają za zadanie utworzenie niemagnetycznego obszaru, pomiędzy spolaryzowanymi złączkami jednego z elementów magnetycznych i spodem wolnego obszaru innego elementu magnetycznego o przeciwnej polaryzacji, wystarczającej do zminimalizowania strat strumienia magnetycznego pomiędzy biegunami pazurowymi i przeciwległym elementem.

Rozporki 7 pełnią również rolę mechaniczną mającą na celu zapewnienie spójności osiowej i promieniowej wirnika. Jest ona zapewniana dzięki temu, że rozporki zapewniają sztywne połączenie mechaniczne pomiędzy końcami biegunów pazurowych jednego elementu magnetycznego i spodem wolnego obszaru innego elementu magnetycznego.

W przykładzie realizacji pokazanym na rysunku, zastosowano podwójne niemagnetyczne rozporki, które poza sztywnym łączeniem końców biegunów pazurowych jednego elementu magnetycznego ze spodem wolnego obszaru innego elementu magnetycznego, zapewniają sztywne bezpośrednie połączenie pomiędzy przeciwległymi biegunami pazurowymi. Ma to udział w ulepszeniu spójność promieniowej wirnika.

Figura 2 pokazuje jednoczęściową podwójną rozpórkę według wynalazku.

Dodatkową własnością tej jednoczęściowej podwójnej rozporki jestjej kształt, statycznie i dynamicznie wyważony względem osi obrotu wirnika. Tak więc, przy obrocie, siły odśrodkowe zerują się w jednoczęściowej podwójnej rozpórce. To, że jest ona jednoczęściowa, zapewnia dodatkowe zabezpieczenie.

W innym przykładzie realizacji, nie pokazanym, pojedynczy jednoczęściowy element spełnia funkcje rozporki dla zestawu biegunów pazurowych.

Rozporki i wielokrotne rozporki są ukształtowane w taki sposób, by zapewniać funkcje niemagnetyczne i mechaniczne, które muszą być spełnianie przy zastosowaniu jak najmniejszej ilości materiału.

Mocowanie rozporek do biegunów pazurowych i/lub spodów wolnego obszaru może być realizowane z pomocą wszystkich znanych sposobów, jak na przykład spawanie, przyśrubowanie, sklejenie. Zgodnie z wynalazkiem, wymagania mechaniczne dla takiego mocowania nie są tak duże jak dla wirnika pełnego.

W celu zachowania optymalnego profilu aerodynamicznego wirnika, bieguny pazurowe są osłonięte przez niemagnetyczne zespoły osłaniające (9).

Z racji szczególnej konstrukcji wirnika, zespół osłaniający (9) może nie stanowić elementu wirnika osiowo i promieniowo spójnego, a więc może być wykonany z dowolnego materiału niemagnetycznego o grubości tak dobranej, by wytrzymywał jedynie swą własną inercję.

W przykładzie realizacji, zespoły osłaniające (9) zawierają wydrążony cylinder zakrywający bieguny pazurowe i dwa pierścieniowe kołnierze o końcu otaczającym piastę i zamykającym podstawę cylindra.

Oczywiście, wynalazek nie ogranicza się do przedstawionego sposobu realizacji i może być poddawany licznym zmianom bez wychodzenia poza jego ramy. W szczególności, bez wychodzenia poza zakres wynalazku można zwiększyć ilość biegunów wirnika.

182 491

FIG. 4B

FIG. 4C

- 5'

182 491

FIG.3

FIG. 4A

182 491

FIG. 1

FIG. 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (6)

Zastrzeżenia patentowe

1. Wirnik maszyny elektrycznej z biegunami pazurowymi o 2N biegunach, zawierający dwie połowy z materiału magnetycznego połączone elementem łącznikowym z materiału niemagnetycznego, przy czym każda połowa wirnika posiada N biegunów pazurowych rozciągających się osiowo, rozstawionych obwodowo w równych odstępach i ograniczających pomiędzy sobą wolny obszar, ponadto dwie połowy wirnika mają przeciwną polaryzację i są usytuowane naprzeciwko siebie, a każdy biegun pazurowy jednej połowy wirnika jest umieszczony pomiędzy dwoma biegunami pazurowymi naprzeciwległej drugiej połowy wirnika o przeciwnej polaryzacji, znamienny tym, że połowy wirnika składają się z jednoczęściowego pierwszego elementu (1) z materiału magnetycznego oraz zjednoczęściowego drugiego elementu (1') z materiału magnetycznego, mającego taką samą postać co pierwszy element (1), przy czym pierwszy element (1) i drugi element (1') zawierają bieguny pazurowe (5,5'), oraz każdy z nich zawiera osiowąpiastę tworzącą wał, do którego są zamocowane bieguny pazurowe odpowiedniego elementu, a ponadto element łącznikowy ma postać niemagnetycznych rozporek (7) umieszczonych pomiędzy wolnymi końcami (8,8') biegunów pazurowych a spodem wolnego obszaru (6) umieszczonym naprzeciw połowy wirnika, oraz tym, że zawiera niemagnetyczne zespoły osłaniające (9) wirnik.

2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy biegun pazurowy (5, 5') zawiera zewnętrzną wzdłużną powierzchnię (10) posiadającą strefy boczne (12a, 12b) zwiększającej się powietrznej szczeliny magnetycznej.

3. Wirnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że każdy biegun pazurowy (5, 5') elementu (1,1') posiada wewnętrzne rozbieżne powierzchnie (13), których punkt zbieżności (14) jest umieszczony w pobliżu środka wolnego obszaru (6, 6').

4. Wirnik według zastrz. 3, znamienny tym, że każdy biegun pazurowy (5,5') posiada wielokątną podstawę stykającą się z osiową piastą (2), oraz wolny koniec (8).

5. Wirnik według zastrz. 4, znamienny tym, że zawiera przynajmniej jedną jednoczęściową niemagnetyczną rozpórkę (7) mającą postać wielorozpórkowego elementu dla licznych biegunów pazurowych (5, 5').

6. Wirnik według zastrz. 5, znamienny tym, że zawiera dwie niemagnetyczne rozporki (7) dla sztywnego bezpośredniego połączenia pomiędzy przeciwległymi biegunami pazurowymi (5, 5').

* * *