ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно к роторам электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известны конструкции роторов с постоянными магнитами

(Бут Д. А. «Бесконтактные электрические машины», М. «Высшая школа», 1985 г.) которые содержат втулку, к которой примыкают постоянные магниты с расположенными между ними сектора из магнитомягкой стали. Для удержания постоянных магнитов и полюсов на роторе при воздействии на них центробежной силы используется наружный металлический цилиндр с чередующимися в нем магнитными и немагнитными участками. Толщина цилиндра определяется величиной действующей центробежной нагрузки и механическими свойствами материала цилиндра. Такая конструкция ротора имеет ограниченную механическую прочность, связанную с ограниченными механическими свойствами составного цилиндра из различных материалов, что, в свою очередь, ограничивает скорость вращения, и приводит к ограничению по максимальному диаметру ротора и, соответственно, по предельной мощности машины. Другим недостатком такой конструкции также является значительные тепловые потери от вихревых токов, связанных с зубцовыми гармониками поля. Эти токи наводятся в приповерхностном проводящем монолитном слое цилиндра, что снижает КПД машины.

Известны также конструкции роторов синхронных машин (В. В. Домбровский, Г. М. Хуторецкий «Основы проектирования электрических машин переменного тока», Изд. «Энергия» 1974г.) которые содержат остов (колесо) на котором крепятся полюса. Полюса в свою очередь выполняются монолитными или шихтованными из электротехнической стали. Закрепляются полюса на остове с помощью замков различного типа: в виде ласточкиного хвоста, в виде головки молотка и т.п. Хвосты замков устанавливаются в ответные пазы выполненные на остове с последующим их креплением способом расклиновки.

Такая конструкция ротора также имеет ряд недостатков. В замках в процессе эксплуатации из-за большого количества пусков - остановок происходит ослабление расклиновки полюса и его расшатывание. Это приводит к нарушению балансировки и повышению вибрации и соответственно к снижению ресурса работы машины. Другим недостатком такой конструкции является ограниченная механическая прочность узла крепления полюсов. На полюс действует центробежная сила и удерживается полюс за счет хвостовика замка. Сечение хвостовика работает на разрыв и по величине меньше сечения самого полюса. Поэтому механическая прочность соединения определяется прочностью материала хвостовика, механическая прочность которого ограничена. Это, в свою очередь, ограничивает скорость вращения, и приводит к ограничению по максимальному диаметру ротора и, соответственно, по предельной мощности машины. Также данный вариант конструкции имеет большую трудоемкость изготовления связанную с изготовлением дополнительных точных пар клиньев и выполнением достаточно трудоемкой операции по расклиновке полюсов, что приводит соответственно к увеличению стоимости машины. А при относительно малых диаметрах роторов, ограниченных высокой скоростью вращения (10000-20000 об/мин и более), размеры замков становятся небольшими из-за ограниченного места, и качественную расклиновку просто не осуществить из-за низкой жесткости замка.

Для снижения величины тепловыделений в поверхностном слое полюсов верхнюю часть полюса выгодно выполнять из шихтованного железа, что приводит к снижению величины вихревых токов в приповерхностном слое. Но в этом случае из- за меньшей прочности шихтованного электротехнического железа по сравнению с прочностью магнитных сталей уровень достигаемых скоростей также ограничен и соответственно ограничивается уровень мощности машины

Сущность изобретения

Ротор электрической машины по настоящему изобретению лишен выше указанных недостатков и в тоже время решает дополнительные задачи. Одной из задач является увеличение надежности конструкции ротора и обеспечение возможности его использования на более высоких оборотах. Согласно другой задаче, настоящее изобретение также направлено на снижение размеров и повышение максимальной скорости вращения ротора.

Предлагаемый ротор электрической машины, содержит вал, на котором закреплены сборные диски с постоянными магнитами.

Ротор отличается тем, что

- сборные диски содержат центральные кольца, выполненные из прочной немагнитной стали, с закрепленными на них полюсными пластинами из прочной магнитной стали, оканчивающиеся наконечниками из шихтованной электротехнической стали,

- полюсные пластины закреплены на дисках с помощью замков, имеют жесткое соединение по контуру замка с дисками и образуют зазоры клиновой формы с основанием к центру диска между обращенными друг к другу торцевыми гранями соседних полюсных пластин,

- постоянные магниты размещены вдоль оси ротора в зазорах между полюсными пластинами,

- между боковыми гранями постоянных магнитов и пазами полюсных пластин установлены тонкие прокладки из материала, имеющего величину модуля упругости меньше величин модулей упругости материала полюсных пластин и постоянных магнитов.

В одном из вариантов центральные кольца сборных дисков имеют относительную магнитную проницаемость в пределах от 1 ,05 до 1 ,1 . Замок предпочтительно представляет собой соединение типа «ласточкин хвост». Кроме того, жесткое соединение полюсных пластин с дисками может быть выполнено с использованием сварки, а отношение модуля упругости материала постоянных магнитов к-модулю упругости материала прокладок составляет величину от 2 до 3.

Предлагаемая конструкция ротора обеспечивает надежную и безопасную работу при высоких скоростях вращения ротора за счет снижения механических напряжений в конструкции ротора (в частности, в постоянных магнитах) вследствие применения прокладок с меньшим модулем упругости по сравнению с окружающими элементами. Кроме того, поскольку ротор изготавливается из разнородных материалов, имеющих различные магнитные свойства, появляется возможность оптимизировать магнитные потоки, проходящие в роторе, за счет чего удается, с одной стороны, снизить размеры ротора, а с другой стороны, увеличить скорость вращения.

Перечень фигур чертежей

На фиг. 1 схематично изображено поперечное сечение возможного варианта осуществления ротора машины по настоящему изобретению.

На фиг. 2 схематично изображено продольное сечение примерного варианта осуществления ротора машины по настоящему изобретению.

На фиг. 3 схематично изображено поперечное сечение зоны ротора, где размещены постоянные магниты. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 представлен ротор электрической машины, имеющий вал 1 , на котором закреплены сборные диски 2 с постоянными магнитами 3, выполненными в виде блоков.

Сборные диски 2 в свою очередь состоят из центральной части, выполненной в виде кольца 4, на наружной поверхности которого, выполнены замки 5, в одном из вариантов типа «ласточкин хвост». Кольца 4 устанавливаются на вал 1 по прессовой посадке. В каждый замок 5 установлены полюсные пластины 6 и жестко соединены по контуру замка, например сваркой. Полюсные пластины б в окружном направлении образуют воздушные пазы трапециидального вида и имеют на наружной части также замки, в данном примере также типа «ласточкиного хвоста» 7, в которые установлены по прессовой посадке наконечники 8. Центральные кольца сборных дисков выполнены из прочной немагнитной стали, относительная магнитная проницаемость которой предпочтительно находится в пределах от 1 ,05 до 1 ,1. Полюсные пластины выполнены из прочной магнитной стали, а наконечники 8 набираются из листовой электротехнической стали, покрытой электроизоляционным лаком, причем эти листы, как можно увидеть на продольном сечении ротора на фиг. 2, склеены между собой. Толщина пластин наконечников 8 равна толщине пластин дисков 2.

В образованные полюсными пластинами 6 трапециидальные пазы установлены блоки постоянных магнитов 3 имеющие аналогичную трапециидальную форму. Между боковыми сторонами блока постоянных магнитов 3 и пазами полюсных пластин 6 расположены прокладки 9 (см. фиг. 3).

Механическая прочность ротора при действии центробежных нагрузок, возникающих при вращении ротора, обеспечивается следующим образом. Наконечники 8 удерживаются за счет замка 7 расположенного в полюсной пластине 6. Полюсные пластины 6 удерживаются за счет замка 5, который расположен в диске 2. Диск 2 удерживает закрепленные на нем элементы магнитной системы за счет прочной стали кольца 4 и обеспечивает общую механическую прочность ротора.

Установка наконечников 8 по прессовой посадке по всему контуру замка создает эффект заделки и равноценна по жесткости замку с расклиновкой, что позволяет клиновую пару не использовать. Это упрощает конструкцию крепления наконечника и повышает его надежность.

Выполнение диска 2 из разнородных материалов позволяет: - устранить прохождение шунтирующих основной магнитный поток магнитных потоков по кольцу 4 и валу 1 за счет выполнения диска 2 из немагнитной высокопрочной стали;

- обеспечить прохождение основного магнитного потока от постоянных магнитов по полюсным пластинам б с минимальными потерями;

- снизить тепловые потери от зубцовых гармоник магнитного поля в воздушном зазоре за счет выполнения верхней части полюсной пластины 6 из шихтованного электротехнического железа, конструктивно оформленного в виде наконечника 8.

В предлагаемом варианте выполнения крепления полюсной пластины 6

(полюса) с помощью замка 5 , например, в виде головки молотка головка хвостовика в паз кольца 4 устанавливается по горячей посадке и после приваривается по контуру сопряжения к диску. Сварка обеспечивает жесткое скрепление полюсной пластины б с диском 2, повышает жесткость и прочность замка 5 и тем самым снижается уровень механических напряжений в замке 5. Это позволяет повысить скорость вращения ротора и соответственно повысить мощность машины. Также предлагаемое решение устраняет полностью возможность расшатывания замка, отпадает необходимость в пары клиньев и расклиновке замка, что упрощает конструкцию замка и уменьшает стоимость его изготовления. По размерам замок 5 становиться малогабаритным и позволяет его применить для высокооборотных роторов, у которых ограничены размеры из-за ограничения по механической прочности материалов.

При протекании переменного тока в обмотке статора в воздушном зазоре возникает переменная индукция магнитного поля, которая наводит в поверхностном слое магнитопровода ротора вихревые токи, что приводит к нагреву данного слоя.

Для уменьшения величины наведенных вихревых токов, данную часть магнитопровода выполняют из шихтованной электротехнической стали.

Для выравнивания механических напряжений и снижения максимальной величины этих напряжений в блоке постоянных магнитов 3 по их высоте, между боковыми гранями блоков постоянных магнитов 3 и боковыми гранями полюсных пластин 6, устанавливаются тонкие прокладки 9 (толщиной 0.2-0.3 мм) из материала, имеющего величину модуля упругости меньше, чем величины модулей упругости материала полюсных пластин 6 и блока постоянных магнитов 3, например, из стеклопластика или алюминия. В предпочтительном варианте отношение модуля упругости материала постоянных магнитов к модулю упругости материала прокладок составляет величину от 2 до 3. Более мягкий материал прокладки под действием сил сжатия в зоне с большими механическими напряжениями деформируется, и произойдет выравнивание (перераспределение) механических напряжении в блоке постоянных магнитов, и уменьшение их максимального значения. Это позволяет увеличить скорость вращения ротора и соответственно увеличить мощность машины.