ротор высокооборотной электрической машины

Формула изобретения

1. Ротор высокооборотной электрической машины, содержащий вал с укрепленной на нем переменно-полюсной магнитной системой, выполненной в виде стянутых друг с другом в осевом направлении идентичных кольцевых пластин, в которых предусмотрены окна для размещения постоянных магнитов, намагниченных в тангенциальном направлении, в каждой из кольцевых пластин сформированы немагнитные зоны, одна из которых представляет собой охватывающее вал кольцо, а остальные - расположенные по наружному диаметру кольцевые фрагменты, ограничивающие снаружи пространство окон, причем длина дуги кольцевых фрагментов на 10-20% меньше, чем ширина окон, при этом кольцевые пластины изготовлены из сплошного магнитного материала, обладающего возможностью изменять свои магнитные свойства.

2. Ротор высокооборотной электрической машины, содержащий переменно-полюсную магнитную систему, выполненную в виде стянутых друг с другом в осевом направлении идентичных кольцевых пластин, в которых предусмотрены окна для размещения равномерно чередующихся по полярности постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении, в каждой из кольцевых пластин сформированы немагнитные зоны, расположенные между торцевыми поверхностями соседних окон и между достигающими наружного диаметра их геометрическими продолжениями, при этом каждый из постоянных магнитов разделен проходящими через ось вращения плоскостями на части, для индивидуального размещения которых в окнах кольцевых пластин выполнены перегородки, имеющие немагнитные зоны, высота которых на 10-20% меньше, чем высота окон, причем кольцевые пластины изготовлены из сплошного магнитного материала, обладающего возможностью изменять свои магнитные свойства

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано при проектировании синхронных высокооборотных двигателей и генераторов.

Известна конструкция ротора высокооборотной электрической машины, выполненная в виде закрепленной на валу переменно-полюсной магнитной системы, состоящей из постоянных магнитов, намагниченных в тангенциальном направлении, и размещенных между ними полюсов. Полюса имеют вид клиновидных вставок, каждая из которых состоит из двух частей, разделенных между собой клиньями (1). Недостатком известного устройства являются сложность конструкции и низкая технологичность изготовления.

Известен ротор высокооборотной электрической машины, содержащий переменно-полюсную магнитную систему, состоящую из ярма, на котором установлены намагниченные в радиальном направлении постоянные магниты чередующейся полярности. Между постоянными магнитами с установленными на их внешней поверхности полюсными наконечниками имеются немагнитные зазоры (2). Недостатком известного устройства является сложность конструкции, обусловленная необходимостью установки удерживающих элементов и использования внешнего бандажа.

Относительное упрощение устройств (1, 2) достигнуто путем выполнения магнитной системы в виде равномерно чередующихся магнитных и немагнитных пластин с окнами для размещения постоянных магнитов. В зависимости от выбора конструкции постоянные магниты могут быть намагничены в тангенциальном (3) либо радиальном (4) направлении.

Наиболее близким к изобретению устройством по первому варианту является ротор высокооборотной электрической машины (3), содержащий закрепленную на валу переменно-полюсную магнитную систему из постоянных магнитов, намагниченных в тангенциальном направлении, и размещенных между ними магнитных полюсов. Магнитная система выполнена в виде стянутых друг с другом в осевом направлении равномерно чередующихся магнитных и немагнитных кольцевых пластин (дисков), в которых предусмотрены окна для размещения постоянных магнитов. Недостатком известного устройства (3) является сложность и недостаточно высокая механическая прочность конструкции, обусловленная необходимостью использования двух типов пластин, выполненных из магнитного и немагнитного материалов.

Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения по первому варианту, является упрощение конструкции и повышение ее механической прочности.

Технический результат достигается за счет того, что в роторе высокооборотной электрической машины, содержащем вал с укрепленной на нем переменно-полюсной магнитной системой, выполненной в виде стянутых друг с другом в осевом направлении идентичных кольцевых пластин, в которых предусмотрены окна для размещения постоянных магнитов, намагниченных в тангенциальном направлении, в каждой из кольцевых пластин сформированы немагнитные зоны, одна из которых представляет собой охватывающее вал кольцо, а остальные - расположенные по наружному диаметру кольцевые фрагменты, ограничивающие снаружи пространство окон, причем длина дуги кольцевых фрагментов на 10-20% меньше, чем ширина окон, при этом кольцевые пластины изготовлены из сплошного магнитного материала, обладающего возможностью изменять свои магнитные свойства.

Наиболее близким к изобретению по второму варианту является ротор высокооборотной электрической машины, содержащий переменно-полюсную магнитную систему, выполненную в виде чередующихся магнитных и немагнитных кольцевых пластин с окнами для размещения постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении (4). Недостатком известного устройства является сложность конструкции и недостаточно высокая механическая прочность, обусловленная необходимостью использования двух типов дисков.

Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения по второму варианту, является упрощение конструкции и повышение ее механической прочности.

Технический результат по второму варианту достигается за счет того, что в роторе высокооборотной электрической машины, содержащем переменно-полюсную магнитную систему, выполненную в виде стянутых друг с другом в осевом направлении идентичных кольцевых пластин, в которых предусмотрены окна для размещения равномерно чередующихся по полярности постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении, в каждой из кольцевых пластин сформированы немагнитные зоны, расположенные между торцевыми поверхностями соседних окон и между достигающими наружного диаметра их геометрическими продолжениями, при этом каждый из постоянных магнитов разделен проходящими через ось вращения плоскостями на части, для индивидуального размещения которых в окнах кольцевых пластин выполнены перегородки, имеющие немагнитные зоны, высота которых на 10 - 20% меньше, чем высота окон, причем кольцевые пластины изготовлены из сплошного магнитного материала, обладающего возможностью изменять свои магнитные свойства.

Оба варианта объединены единым техническим замыслом, направленным на достижение одного и того же технического результата - упрощение конструкции и повышение механической прочности ротора высокооборотной электрической машины с помощью использования идентичных технических средств, а именно: выполнения конструкции магнитной системы в виде стянутых друг с другом в осевом направлении одинаковых кольцевых пластин, в которых предусмотрены окна для размещения постоянных магнитов. По толщине каждой из изготовленных из сплошного магнитного материала пластин сформированы немагнитные зоны (соответственно вариантам конструкции).

Из источников информации известно о возможности формирования немагнитных зон в сплошных массивных элементах конструкции электрических машин (Справочник «Постоянные магниты» под ред. Ю.М.Пятина, М. Энергия 1980 г.). Однако из известной информации явным образом не следует очевидность исполнения конкретной конструкции дисков (пластин) для изготовления роторов, что позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения (по обоим вариантам) критерию «изобретательский уровень».

На Фиг.1 и Фиг.2 изображено поперечное сечение ротора по первому и второму вариантам соответственно.

Устройство (Фиг.1, Фиг.2) содержит вал 1 с укрепленной на нем переменно-полюсной магнитной системой, выполненной в виде стянутых друг с другом в осевом направлении идентичных кольцевых пластин (дисков), в которых предусмотрены окна, предназначенные для размещения постоянных магнитов 2. В устройстве но первому варианту выполнения (Фиг.1) постоянные магниты намагничены в тангенциальном направлении, а по второму варианту (Фиг.2) - в радиальном. В каждой из кольцевых пластин сформированы немагнитные зоны. Одна из немагнитных зон (Фиг.1) представляет собой охватывающее вал кольцо 3, а остальные - расположенные по наружному диаметру пластины кольцевые фрагменты 4 (секторы), ограничивающие снаружи пространство окон. Длина дуги кольцевых фрагментов меньше на 10-20% ширины окон. Кольцевые пластины изготовлены из сплошного магнитного градиентного материала, обладающего возможностью изменять свои магнитные свойства.

В каждой из пластин (Фиг.2) немагнитные зоны расположены между торцевыми поверхностями соседних окон и между достигающими наружного диаметра поверхности пластины их геометрическими продолжениями. Каждый из постоянных магнитов разделен на части проходящими через ось вращения плоскостями. Для индивидуального размещения частей постоянных магнитов в окнах дисков выполнены перегородки, имеющие немагнитные зоны, высота которых меньше на 10-20% высоты окон.

Магнитные зоны стянутых между собой в осевом направлении кольцевых пластин выполняют функции ярма и наконечников, а немагнитные зоны - немагнитных зазоров в стандартных конструкциях роторов (2). Разделение постоянных магнитов на части и размещение их между выполненными в окнах перегородками позволяет увеличить механическую прочность конструкции на высоких оборотах вращения за счет перераспределения нагрузок, возникающих от действия центробежных сил.

Различие (на 10-20%) в размерах дуг кольцевых фрагментов и ширины окон для размещения постоянных магнитов (по первому варианту), а также высот торцевых поверхностей окон и разделяющих их перегородок (по второму варианту) направлено на достижение одного и того же технического результата, а именно - повышение механической прочности конструкции в углах окон, в которых возникают максимальные механические напряжения от действия центробежных сил.

Для изготовления кольцевых пластин использован материал, обладающий способностью изменять свои магнитные свойства. Таким материалом может служить магнитная аустенитная сталь (хромоникелевая марки Х18Н9Т), которая после специальной термической иди механической обработки обретает свойства немагнитного материала. Данное свойство аустенитных сталей позволяет изготавливать детали с любой комбинацией магнитных и немагнитных зон.

В процессе сборки диски (кольца) закрепляют на валу, стягивая друг с другом в осевом направлении, например торцевыми фланцами.

Выполнение магнитной системы ротора в виде набора стянутых между собой одинаковых сплошных монолитных кольцевых пластин, в которых сформированы (в заданных согласно конструкции ротора местах) немагнитные зоны, позволяет значительно упростить конструкцию ротора и повысить на 30-40% его механическую прочность. Реализация данной задачи достигнута за счет выбора новой конструкции пластин ротора, изготовленных из материала, обладающего возможностью изменять свои магнитные свойства.

Изобретение может быть использовано при создании высокооборотных синхронных электрических машин с постоянными магнитами.

Источники информации

1. SU 1534640 А2, Н02K 1/28, 1988 г.

2. RU 2212748 С2, Н02K 1/28, 2001 г.

3. RU 66603, Н02K 1/28, 2007 г.

4. RU 2223585 С1, Н02K 1/28, 2002 г.