Способ защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа и устройство для его реализации
Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу. Способ и устройство защиты от возгорания при межвитковом замыкании электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа заключаются в том, что ротор разделяют в радиальном направлении на две части, внутреннюю часть ротора неподвижно соединяют с немагнитной втулкой, закрепленной на валу, а внешнюю часть ротора устанавливают поверх внутренней части так, чтобы при нормальной работе машины полярность полюсов, расположенных на одном радиусе ротора, на внешней и внутренней частях совпадала. При возникновении межвиткового замыкания внешнюю часть ротора разворачивают в такое положение, при котором полярность полюсов, расположенных на одном радиусе ротора, на внешней и внутренней частях ротора будет противоположной, тогда индукция магнитного поля в зазоре и ток в обмотке статора будут равны нулю. Техническим результатом изобретения является устранение опасности возгорания машины при межвитковом замыкании любой части обмотки статора и сокращение времени перехода машины из положения нормального функционирования в аварийное положение. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.
Аналогом является, например, электрическая машина с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа (Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами / М.: Энергоатомиздат, 1985, рис. 2.2, с. 19; рис. 5.6, с. 137), содержащая статор с обмоткой и ротор коллекторного типа с постоянными магнитами, установленными на немагнитную втулку, намагниченными в тангенциальном направлении и расположенными так, чтобы полярность смежных постоянных магнитов была одинакова, а между постоянными магнитами размещены полюсы из магнитной стали.
Наиболее близок к предлагаемому способу защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе способ, приведенный в статье Калмыков А.Н., Михайлов В.М., Сеньков А.П. «Способ снижения токов коротких замыканий в обмотке статора электродвигателей с постоянными магнитами на роторе», опубликованный в журнале Морской вестник. Специальный выпуск. 2013, №2(11), с. 51-53. В статье указано, что в судовых гребных установках с электродвигателем с постоянными магнитами на роторе при возникновении межвиткового замыкания в обмотке статора может произойти возгорание электродвигателя, так как при движении судна по инерции под действием набегающего на винт потока воды ротор электродвигателя будет продолжать вращаться и машина перейдет в генераторный режим. Поскольку магнитное поле в зазоре между ротором и статором, созданное постоянными магнитами на роторе, сохраняется, в витках обмотки статора будет индуцироваться электродвижущая сила, в части обмотки статора замкнутой межвитковым замыканием появится ток, обмотка будет нагреваться и может возникнуть возгорание электродвигателя. Подобная опасная ситуация может возникнуть и в турбогенераторе с постоянными магнитами на роторе. При межвитковом замыкании в обмотке статор генератора будет отключен коммутационно-защитными аппаратами от внешних электрических цепей, но ротор генератора вместе с турбиной будет продолжать вращаться по инерции. Из-за высокой частоты вращающиеся части турбогенератора обладают большой кинетической энергией, поэтому вращение роторов турбины и генератора может продолжаться длительное время. Магнитное поле ротора будет создавать электродвижущую силу в витках обмотки статора генератора, в части обмотки статора, охваченной межвитковым замыканием, появится ток, обмотка будет нагреваться, и может возникнуть возгорание генератора.
Для защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе при межвитковом замыкании в обмотке статора в прототипе предложен способ, при котором ротор в осевом направлении разделен на две втулки, одна из этих втулок - неподвижная, закреплена на валу двигателя, а вторая втулка - поворотная, установлена на валу на подшипниках. При нормальном функционировании электрической машины поворотная втулка ротора должна быть зафиксирована стопорным устройством относительно неподвижной втулки таким образом, чтобы полярность полюсов поворотной втулки и неподвижной втулки в осевом направлении совпадали. При возникновении межвиткового замыкания в обмотке статора стопорное устройство должно освободить поворотную втулку ротора, которая под действием сил магнитного взаимодействия полюсов поворотной втулки и неподвижной втулки ротора развернется в аварийное положение так, что на одной оси на неподвижной втулке и поворотной втулке ротора будут располагаться полюсы разной полярности. Тогда суммарный магнитный поток, связанный с каждым витком статора, будет равен нулю, так как с витком обмотки статора будет связан магнитный поток полюсов неподвижной втулки и магнитный поток полюсов поворотной втулки, равные по абсолютной величине, но разной полярности. Вследствие этого электродвижущая сила и ток короткого замыкания в замкнутой части обмотки статора уменьшится и уменьшится опасность возгорания электрической машины.
Недостатком прототипа является то, что при возникновении межвиткового замыкания в обмотке статора и вращении ротора по инерции или под действием внешнего момента электродвижущая сила и ток короткого замыкания в замкнутой части обмотки будут равны нулю только в том случае, если межвитковым замыканием замкнуто целое число витков обмотки статора. В этом случае каждый виток будет охватывать два примерно равных магнитных потока, но разных по направлению. Но если в замкнутой части обмотки будет не целое число витков, то электродвижущая сила в замкнутой части обмотки не будет равна нулю, и ток короткого замыкания в замкнутой части обмотки появится, что может привести к возгоранию. Причиной этого является то, что после перехода поворотной втулки ротора в аварийное положение, индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором под полюсами и неподвижной, и поворотной втулки не равна нулю. Еще одним недостатком является относительно большое время перехода электрической машины из положения нормального функционирования в аварийное положение, то есть большое время поворота поворотной втулки относительно неподвижной втулки и вала. Поскольку полюсы неподвижной и поворотной втулки взаимодействуют своими торцевыми частями, магнитный поток через которые мал, поэтому силы магнитного взаимодействия полюсов неподвижной и поворотной втулки ротора невелики.
Предлагаемое изобретение предлагает способ и устройство защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа, которые устраняют опасность возгорания машины при межвитковом замыкании любой части обмотки статора и позволяют уменьшить время перехода машины из положения нормального функционирования в аварийное положение.
Это достигается тем, что в электрической машине, содержащей статор с обмоткой и ротор коллекторного типа с постоянными магнитами, установленными на немагнитную втулку, намагниченными в тангенциальном направлении и расположенными так, чтобы полярность смежных постоянных магнитов была одинакова, а между постоянными магнитами размещены полюсы из магнитной стали, ротор разделяют в радиальном направлении на две части - внутреннюю часть и внешнюю часть. Внутреннюю часть ротора, имеющую постоянные магниты и полюсы, неподвижно соединяют с немагнитной втулкой, закрепленной на валу двигателя. Внешнюю часть ротора, также имеющую постоянные магниты и полюсы, соединенные по торцам немагнитными кольцами, выполняют в виде полого цилиндра и устанавливают поверх внутренней части на подшипниках. При нормальной работе машины внешнюю часть ротора разворачивают и фиксируют таким образом, чтобы полярность полюсов, расположенных на одном радиусе ротора, на внешней и внутренней частях ротора совпадала. В этом положении внешней части ротора индукция магнитного поля в зазоре машины между ротором и статором и электродвижущая сила в обмотке статора при вращении ротора максимальны. При возникновении межвиткового замыкания внешнюю часть ротора освобождают от фиксации, и тангенциальные силы взаимодействия полюсов внутренней и внешней части ротора заставят внешнюю часть ротора развернуться в такое положение, при котором полярность полюсов, расположенных на одном радиусе ротора, на внешней и внутренней частях ротора будет противоположной. В этом положении внешней части ротора индукция в зазоре машины между ротором и статором будет равна нулю, значит, и электродвижущая сила в обмотке статора при вращении ротора будет отсутствовать, и возгорания машины из-за межвиткового замыкания не произойдет.
Для уменьшения времени перехода электрической машины, содержащей статор с обмоткой и ротор коллекторного типа с постоянными магнитами, из положения нормального функционирования в аварийное внешнюю часть ротора при нормальной работе машины устанавливают относительно внутренней части ротора таким образом, чтобы между осями симметрии одноименных полюсов внешней части и внутренней части ротора был угол, не превышающий половины полюсного деления ротора. При наличии в нормальном положении ротора машины углового смещения между осями симметрии одноименных полюсов внешней части и внутренней части ротора тангенциальные силы взаимодействия полюсов внутренней и внешней части ротора будут больше и внешняя втулка ротора развернется в аварийное положение быстрее. Время перехода электрической машины из нормального положения в аварийное будет сокращено. Устанавливать поворотную втулку ротора при нормальной работе машины с угловым смещением между осями симметрии одноименных полюсов внешней части и внутренней части ротора более половины полюсного деления ротора нецелесообразно, так как при этом индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором будет существенно меньше, чем при отсутствии углового смещения, и момент двигателя также уменьшится.
Таким образом, предлагаемый способ устраняет возможность возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа при возникновении межвиткового замыкания в обмотке статора.
Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства защиты от возгорания, содержащего статор с обмоткой и ротор с постоянными магнитами, установленными на немагнитную втулку, намагниченными в тангенциальном направлении и расположенными так, чтобы полярность смежных постоянных магнитов была одинакова, а между постоянными магнитами размещены полюсы из магнитной стали. Ротор разделен в радиальном направлении на две части, на внутреннюю часть ротора, полюсы которой неподвижно соединены с немагнитной втулкой, закрепленной на валу двигателя, и внешнюю часть ротора, полюсы которой соединены по торцам немагнитными кольцами. Внешняя часть выполнена в виде полого цилиндра и установлена поверх внутренней части на подшипниках, закрепленных на немагнитной втулке, на которой со стороны одного из торцов установлен диск. Во внутреннем отверстии диска выполнены шлицы, входящие в соединение со шлицами, выполненными на наружной поверхности немагнитной втулки ротора. Со стороны того же торца на немагнитной втулке ротора закреплено упорное кольцо, и между упорным кольцом и диском размещена пружина, которая одним торцом упирается в упорное кольцо, а другим торцом - в упорный диск, прижимая диск к выступу на немагнитной втулке ротора. На наружной поверхности диска выполнен зубчатый венец, который входит в зацепление с зубчатым венцом, выполненным на немагнитном кольце внешней части ротора, и на подшипниковом щите машины со стороны расположения диска закреплен кольцевой электромагнит, а на другом подшипниковом щите машины установлен электропривод с редуктором и выдвижным выходным валом, на котором установлена шестерня, и на втором немагнитном кольце внешней части ротора выполнен зубчатый венец.
На фиг. 1 приведена схема осевого сечения, а на фиг. 2, 3 и 4 - схема диаметрального сечения электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа, поясняющая предлагаемый способ защиты электрической машины от возгорания; на фиг. 5 показана схема и состояние устройства для защиты от возгорания при нормальном функционировании электрической машины; на фиг. 6 показано состояние устройства для защиты от возгорания при аварийном состоянии электрической машины, на фиг. 7 показано, каким образом устройство для защиты от возгорания возвращает электрическую машину из аварийного состояния в нормальное.
В изображенной на фиг. 1 схеме машины в корпусе 1 установлен статор 2 с обмоткой 3. Вал 4 установлен в подшипниках 5 и 6, закрепленных в подшипниковых щитах 7 и 8 соответственно. На валу 4 неподвижно установлена внутренняя часть 9 ротора, которая состоит из втулки 10, выполненной из немагнитного материала, и прикрепленных к втулке 10 полюсов 11, выполненных из магнитной стали, с расположенными между полюсами 11 постоянными магнитами 12. Направление намагниченности постоянных магнитов 12 и полярность полюсов 11 чередуется в тангенциальном направлении. Внешняя часть 13 ротора в виде полого цилиндра состоит из двух немагнитных колец 14 и 15, к которым прикреплены полюсы 16, выполненные из магнитной стали. Между полюсами 16 размещены постоянные магниты 17, намагниченные в тангенциальном направлении, направление намагниченности постоянных магнитов 17 и полярность полюсов 16 чередуется. Внешняя часть 13 ротора установлена на немагнитной втулке 10 на подшипниках 18 и 19.
При нормальном функционировании электрической машины внешняя часть 13 ротора должна быть зафиксирована на внутренней части 9 ротора в таком положении, чтобы полярность полюсов 16 и полярность полюсов 11, расположенных на одном радиусе ротора, совпадала (фиг. 2), то есть радиальная ось симметрии полюсов 11 и полюсов 16 одной и той же полярности должна совпадать. Фиксация внешней части 13 ротора относительно внутренней части 9 ротора должна осуществляться специальным устройством, которое на фиг. 1 и фиг. 2 не изображено. В таком положении внешней части 13 ротора магнитные потоки Ф, созданные постоянными магнитами 12 и 17, суммируются, проходят через воздушный зазор между ротором и статором 2 электрической машины и замыкаются в магнитопроводе статора 2 (фиг. 2). Индукция магнитного поля, созданного постоянными магнитами 12 и 17 в зазоре между ротором и статором 2, будет максимальной. Ниже это положение ротора будет называться нормальным.
При возникновении межвиткового замыкания в обмотке 3 статора 2 фиксатор должен освободить внешнюю часть 13 ротора. При взаимодействии полюсов 16 внешней части 13 ротора и полюсов 11 внутренней части 9 ротора возникают тангенциальные силы, которые заставляют внешнюю часть 13 ротора развернуться в такое положение, при котором полярность полюсов 16 внешней части 13 ротора и полярность полюсов 11 внутренней части 9 ротора, расположенных на одном радиусе ротора, будет противоположной (фиг. 3). В этом положении (ниже это положение ротора будет называться аварийным) внешнюю часть 13 относительно внутренней части 9 ротора зафиксируют силы магнитного взаимодействия полюсов 11 и полюсов 16. В аварийном положении ротора магнитные потоки Ф, созданные постоянными магнитами 12 и 17, будут замыкаться через полюсы 11 и 16, а индукция магнитного поля, созданного постоянными магнитами 12 и 17 в зазоре между ротором и статором 2, будет равна нулю. Вследствие этого при вращении ротора по инерции или под действием активного момента нагрузки электродвижущая сила в обмотке 3 статора 2 будет равна нулю и возгорания электрической машины при межвитковом замыкании в обмотке 3 статора 2 не произойдет.
Для сокращения времени разворота внешней части 13 ротора из нормального положения в аварийное положение, при котором индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором 2 равна нулю, внешнюю часть ротора 13 в нормальном положении ротора нужно установить так, чтобы между осью симметрии полюсов 16 внешней части 13 ротора и осью симметрии полюсов 11 такой же полярности внутренней части 9 ротора был угол α≠0 (фиг. 4), не превышающий половины полюсного деления. При таком исходном положении внешней части 13 ротора относительно внутренней части 9 ротора тангенциальные силы, возникающие при взаимодействии полюсов 16 и полюсов 11 и действующие на внешнюю часть 13 ротора, будут больше, чем при α=0, и время поворота внешней части 13 ротора относительно внутренней части 9 в аварийное положение после освобождения фиксатором внешней части 13 ротора уменьшится.
На фиг. 5 показана схема и состояние устройства для защиты от межвиткового замыкания в обмотке 3 при нормальном функционировании электрической машины. На втулке 10 установлен диск 20, выполненный из магнитной стали. Во внутреннем отверстии диска 20 и на цилиндрической поверхности втулки 10 со стороны левого торца выполнены шлицы, образующие шлицевое соединение 21, которое дает возможность диску 20 перемещаться на втулке 10 в осевом направлении без углового смещения. На наружной кромке диска 20 и внутренней поверхности кольца 14 выполнены зубцы. Зубцы диска 20 и кольца 14 в положении диска 20, показанном на фиг. 5, входят в зубчатое зацепление 22, которое фиксирует пружина 23, упирающаяся одним торцом в диск 20, а другим торцом в упорное кольцо 24, закрепленное на конце втулки 10. Благодаря зубчатому зацеплению 22 диска 20 и кольца 14 и шлицевому соединению 21 диска 20 и втулки 10 внешняя часть 13 ротора неподвижно зафиксирована относительно внутренней части 9 ротора. Это положение соответствует нормальному положению ротора электрической машины, показанному на фиг. 2, при котором индукция в зазоре между ротором и статором 2 максимальна.
На подшипниковом щите 8 закреплен кольцевой электромагнит, состоящий из магнитопровода 25 и кольцевой катушки 26. При возникновении межвиткового замыкания в обмотке 3 статора 2 в кольцевую катушку 26 подается ток и возникает магнитный поток Фм, проходящий через магнитопровод 25 электромагнита, воздушный зазор между магнитопроводом 25 и диском 20 и через диск 20 (фиг. 6). На диск 20 будут действовать силы магнитного притяжения, под действием которых диск 20 перемещается по шлицам 21 на втулке 10 в осевом направлении в сторону электромагнита, сжимая пружину 23. В конечном положении диск 20 прижимается силами магнитного притяжения к упорному кольцу 24. При этом между магнитопроводом 25 электромагнита и диском 20 остается воздушный зазор и диск 20 продолжает свободно вращаться вместе с ротором, а зубчатое зацепление 22 диска 20 и кольца 14 внешней части 13 ротора разрывается. Освободившаяся от фиксации внешняя часть 13 ротора под действием сил взаимодействия полюсов 16 внешней части 13 и полюсов 11 внутренней части 9 ротора разворачивается на подшипниках 18 и 19 относительно внутренней части 9 в аварийное положение ротора, показанное на фиг. 3. Как было отмечено выше, в этом положении ротора индукция в зазоре между ротором и статором 2 равна нулю и возгорания обмотки 3 статора 2 при межвитковом замыкании произойти не может.
Для возврата ротора машины из аварийного в нормальное положение после устранения неисправности или ошибочной подачи питания на катушку 26 электромагнита на подшипниковом щите 7 закреплен электропривод, состоящий из маломощного электродвигателя 27, редуктора 28 и шестерни 29, установленной на выдвижном выходном валу 30 редуктора 28. Для сцепления с зубцами шестерни 29 на кольце 15 внешней части 13 ротора выполнен зубчатый венец 31. При возврате ротора в нормальное положение необходимо подать питание на катушку 26, электромагнитные силы прижмут диск 20 к упорному кольцу 24, и диск 20 не будет создавать помех при вращении внешней части 13 ротора. Затем внешним устройством зафиксировать вал 4 электродвигателя и выдвинуть из корпуса редуктора 28 вал 30 с шестерней 29, зубцы которой войдут в зацепление с зубчатым венцом 31 кольца 15. После этого нужно включить электродвигатель 27, который через редуктор 28 будет вращать выходной вал 30 и шестерню 29. Шестерня 29, вошедшая в зацепление с зубчатым венцом 31 кольца 15, будет вращать кольцо 15 вместе с внешней частью 13 относительно внутренней части 9 ротора. После совмещения одноименных полюсов 16 внешней части 13 и полюсов 11 внутренней части 9 ротора, как показано на фиг. 2 или фиг. 4, обмотка 26 электромагнита выключается, диск 20 под действием пружины 23 смещается в осевом направлении вправо и зубцы на наружной кромке диска 20 входят в зацепление 22 с зубчатым венцом кольца 14. Ротор будет возвращен в нормальное положение, и машина готова к работе.
В прототипе в аварийном положении ротора индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором под полюсами неподвижной втулки ротора и под полюсами поворотной втулки ротора не может быть равна нулю, что сохраняет вероятность возгорания электрической машины при межвитковом замыкании. Предлагаемый способ защиты электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа обеспечивает в аварийном положении ротора равенство нулю индукции магнитного поля в зазоре между ротором и статором в любой точке, что полностью исключает возгорание машины при межвитковом замыкании в обмотке статора.
В прототипе силы магнитного взаимодействия полюсов неподвижной втулки ротора и полюсов поворотной втулки относительно невелики, так как полюсы неподвижной втулки ротора и поворотной втулки взаимодействуют торцевыми сторонами, через которые проходит только небольшая часть магнитных потоков полюсов. Поэтому быстродействие защиты в прототипе не может быть высоким. В предлагаемом способе полюсы неподвижной втулки ротора и полюсы поворотной втулки взаимодействуют цилиндрическими поверхностями, через которые проходит весь магнитный поток полюсов неподвижной втулки и полюсов поворотной втулки. Вследствие этого силы магнитного взаимодействия полюсов неподвижной втулки ротора и полюсов поворотной втулки будут максимальными и быстродействие предлагаемого способа защиты электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа будет выше, чем у прототипа.
1. Способ защиты от возгорания при межвитковом замыкании электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа, содержащей статор с обмоткой и ротор с постоянными магнитами, установленными на немагнитную втулку, намагниченными в тангенциальном направлении и расположенными так, чтобы полярность смежных постоянных магнитов была одинакова, а между постоянными магнитами размещают полюсы из магнитной стали, отличающийся тем, что ротор разделяют в радиальном направлении на две части, внутреннюю часть ротора неподвижно соединяют с немагнитной втулкой, закрепленной на валу двигателя, а внешнюю часть ротора выполняют в виде полого цилиндра и устанавливают поверх внутренней части таким образом, чтобы при нормальной работе машины полярность полюсов, расположенных на одном радиусе ротора, на внешней и внутренней частях ротора совпадала, в этом положении индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором и электродвижущая сила в обмотках статора будут максимальны, а при возникновении межвиткового замыкания внешнюю часть ротора разворачивают в такое положение, при котором полярность полюсов, расположенных на одном радиусе ротора, на внешней и внутренней частях ротора будет противоположной, тогда индукция магнитного поля в зазоре и электродвижущая сила в обмотке статора будут равны нулю.
2. Способ защиты от возгорания по п. 1, отличающийся тем, что при нормальной работе машины внешнюю часть ротора устанавливают относительно внутренней части ротора таким образом, чтобы между осями симметрии одноименных полюсов внешней части и внутренней части ротора был угол, не превышающий половины полюсного деления ротора.
3. Устройство защиты от возгорания при межвитковом замыкании электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа, содержащей статор с обмоткой и ротор с постоянными магнитами, установленными на немагнитную втулку, намагниченными в тангенциальном направлении и расположенными так, чтобы полярность смежных постоянных магнитов была одинакова, а между постоянными магнитами размещены полюсы из магнитной стали, отличающееся тем, что ротор разделен в радиальном направлении на две части, на внутреннюю часть ротора, полюсы которой неподвижно соединены с немагнитной втулкой, закрепленной на валу двигателя, и внешнюю часть ротора, полюсы которой соединены по торцам немагнитными кольцами, выполненную в виде полого цилиндра и установленную поверх внутренней части на подшипниках, закрепленных на немагнитной втулке, на которой со стороны одного из торцов установлен диск, во внутреннем отверстии которого выполнены шлицы, входящие в соединение со шлицами, выполненными на наружной поверхности немагнитной втулки ротора, со стороны того же торца на немагнитной втулке ротора закреплено упорное кольцо, и между упорным кольцом и диском размещена пружина, которая одним торцом упирается в упорное кольцо, а другим торцом - в упорный диск, прижимая диск к выступу на немагнитной втулке ротора, а на наружной поверхности диска выполнен зубчатый венец, который входит в зацепление с зубчатым венцом, выполненным на немагнитном кольце внешней части ротора, и на подшипниковом щите машины со стороны расположения диска закреплен кольцевой электромагнит, а на другом подшипниковом щите машины установлен электропривод с редуктором и выдвижным выходным валом, на котором установлена шестерня, и на втором немагнитном кольце внешней части ротора выполнен зубчатый венец.
