ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ Российский патент 1997 года по МПК H02K29/00 H02K23/04 H02K1/24 H02K15/03 

Изобретение относится к вращающимся электрическим машинам и может быть использовано в вентильных электродвигателях с постоянными магнитами на роторе.

Известны вентильные электродвигатели, содержащие индуктор коллекторного типа и кольцевой статор с распределенной по окружности обмоткой, запитываемой от источника постоянного тока через соответствующий электронный коммутатор. Индуктор содержит немагнитный вал, на котором закреплены распределенные по окружности полюса, выполненные в виде сегментов, образующих межполюсные пазы, в которых размещены призматические постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении.

Устройства закрепления магнита в пазу наиболее часто представляют собой разного рода клинья, пластины или накладки, перекрывающие паз [1]
Основным недостатком указанных вентильных электродвигателей является то, что такие устройства закрепления постоянных магнитов либо не допускают, либо весьма затрудняют установку намагниченных постоянных магнитов, особенно магнитов большого размера, составленных из магнитов меньшего размера, в ротор заранее собранного электродвигателя. Сборка же электродвигателя с намагниченным ротором, особенно при большом диаметре ротора, значительно усложняет изготовление двигателя. Кроме того, указанные устройства закрепления способствуют увеличению остаточной неуравновешенности и магнитного дисбаланса ротора.

Известен вентильный электродвигатель с постоянными магнитами, содержащий кольцевой статор с распределенной по окружности обмоткой, цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал, распределенные по окружности ферромагнитные полюса, выполненные в виде сегментов, образующих межполюсные пространства в виде параллельных оси вала пазов, расположенные в пазах намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты, устройства закрепления магнита в пазу, выполненные в виде цилиндрической оболочки, охватывающей ротор. Постоянные магниты вставляются в пазы в процессе изготовления ротора в намагниченном состоянии [2]
Основными недостатками электродвигателя с таким устройством закрепления магнитов, которые особенно проявляются с ростом габаритов машины являются:
ротор заводится в статор полностью намагниченным, что требует разработки специальной технологической оснастки, необходимой для преодоления усилий тяжения магнитов и ротора к ферромагнитным узлам машины и оборудования;
магниты вставляются в пазы с определенными допусками по основным размерам и массе, что сопряжено с возможностью увеличения остаточной неуравновешенности ротора как вращающегося элемента и затрудняет его балансировку;
усложняется замена магнита в случае ухудшения его рабочих характеристик в действующей машине, поскольку это связано с разборкой машины и вскрытием паза. Кроме того, после замены магнита может понадобиться повторная балансировка ротора вследствие возможных отступлений от первоначального положения магнита в пазу, отклонений в массе и т.п.

затруднена установка и вывод соответствующих сигналов датчиков, определяющих необходимые характеристики и условия работы магнита.

Эти недостатки усложняют изготовление двигателя, снижают его надежность и эффективность применения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение технологии изготовления, повышение надежности и эффективности применения двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в вентильном электродвигателе с постоянными магнитами, содержащем кольцевой статор с распределенной по окружности многофазной обмоткой, цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал, распределенные по окружности ферромагнитные полюса, выполненные в виде сегментов, образующих межполюсные пространства в виде параллельных оси вала пазов, расположенные в пазах намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты, устройства закрепления магнита в пазах; устройство закрепления магнита в пазу выполнено в виде охватывающего магнит призматического футляра, стенки которого с торцов, со стороны вала и статора выполнены из неферромагнитного материала, а прилегающие к полюсам из ферромагнитного материала. Футляр закреплен разъемными соединениями торов ротора и футляра с возможностью установки и выдвигания его из паза в осевом направлении.

В частном случае неферромагнитные стенки призматического футляра выполнены из высокоэлектропроводного материала и имеют электрический контакт друг с другом.

Кроме того, в частном случае неферромагнитные стенки призматического футляра электрически изолированы от ферромагнитных стенок и ротора, а одна из торцевых неферромагнитных стенок разделена диэлектриком в тангенциальном направлении и по обе стороны от линии раздела на ней выполнены зажимы для присоединения электрических проводников.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является следующее:
монолитность всего блока футляр-магнит, достигаемая за счет жесткой фиксации магнита в достаточно массивном футляре и повышающая механическую прочность блока и его надежность как вращающегося элемента;
существенно облегчается изготовление и установка на роторе больших магнитных блоков, не выпускаемых промышленностью, за счет того, что использование футляра превращает составной магнит, выполненный из магнитов меньшего размера, в единый монолитный блок, облегчая изготовление крупных машин и расширяя возможности применения постоянных магнитов;
значительно упрощается, а для крупных машин кардинально решается задача одной из основных операций изготовления машины заведение в статор ротора с предварительно намагниченными постоянными магнитами за счет простоты и легкости заведения футляра с постоянными магнитами в пазы ротора, предварительно заведенного в статор;
облегчается первоначальная балансировка ротора, повышается ее качество и устраняется необходимость повторной, после установки футляров с магнитами, балансировки ротора за счет возможности сведения остаточной неуравновешенности ротора к минимуму, что обеспечивается как идентичностью самих блоков футляр-магнит по магнитным параметрам, весу и посадочным размерам, достигаемой калибровкой блоков, так и идентичностью их торцевых креплений на роторе, обеспечивающей высокую точность фиксации блоков в радиальном и тангенциальном направлениях;
повышается эксплуатационная надежность машины за счет возможности несложной замены футляра с магнитом, не требующей выведения ротора из статора и последующей балансировки ротора;
за счет использования футляра, при сохранении простоты конструкции, облегчается размещение в пазу различных датчиков контроля работы магнита: температуры, остаточной намагниченности, механических напряжений и т.п. необходимых для повышения надежности машины;
в частном случае:
повышается надежность и эксплуатационные качества машины за счет большей надежности постоянного магнита, устойчивости электромагнитного момента и эффективности двигателя, которые обеспечиваются путем защиты постоянного магнита от возмущений внешних магнитных полей с помощью короткозамкнутого контура, образованного высокоэлектропроводными неферромагнитными стенками футляра;
кроме того, в частном случае:
упрощается технология изготовления, повышается эксплуатационная надежность и эффективность применения машины за счет возможности намагничивания постоянных магнитов непосредственно в собранной машине путем пропускания импульса тока по витку, образованному изолированными высокоэлектропроводными неферромагнитными стенками футляра.

На фиг. 1 показана принципиальная конструктивная схема двигателя; на фиг. 2 вид ротора с торца.

Двигатель содержит кольцевой статор 1 с распределенной по окружности обмоткой 2 и цилиндрический ротор. Ротор включает немагнитный вал 3, распределенные по окружности ферромагнитные полюса 4, выполненные в виде сегментов, образующих межполюсные пазы 5. В каждый паз помещен создающий рабочий магнитный поток постоянный магнит 6, заключенный в призматический футляр 7. Футляр 7 с постоянным магнитом 6 калиброван по магнитным характеристикам, весу и посадочным размерам. Футляр 7 вставлен в паз 5 и охватывает магнит 6 плотно, с минимально возможным технологическим зазором. Торцевые стенки 8, 9 футляра 7, закрывающие паз с торцов, и боковые стенки 10, 11 со стороны статора 1 и вала 3 выполнены из неферромагнитного материала для уменьшения полей рассеяния магнита. Стенки 12, 13 футляра 7, прилегающие к полюсам 4, выполнены из ферромагнитного материала для уменьшения общего магнитного сопротивления основному магнитному потоку, замыкающемуся через примыкающие к магниту полюса и статор. Торцы 8 и 9 призматического футляра 7 скреплены с торцами ротора разъемными соединениями: например, штифтовым 14, вставляемым в паз нажимной платы 17 с одного торца и штифтами 15 и болтами через фланцы 16 с другого.

В частном случае, все неферромагнитные стенки торцевые 8, 9 и боковые 10, 11 призматического футляра 7 выполнены из высокоэлектропроводного материала, например, меди, алюминия, титана или их сплавов и т.п. имеют хороший электрический контакт друг с другом, например, сварены между собой и образуют короткозамкнутый контур, охватывающий постоянный магнит 6 в направлении вдоль оси ротора.

Кроме того, в частном случае призматический футляр 7 выполнен таким образом, что неферромагнитные стенки 8, 9, 10, 11 футляра 7 электрически изолированы от ферромагнитных стенок 12, 13 и от других элементов ротора, но электрически соединены друг с другом. При этом одна из торцевых стенок (например 8) разделена диэлектриком, а по обе стороны от линии раздела на ней выполнены зажимы для присоединения электрических проводников так, что вокруг постоянного магнита 6 образован разомкнутый виток.

Процесс сборки вентильного электродвигателя с предложенным устройством закрепления постоянных магнитов заключается в следующем.

Предварительно подобранные по магнитным характеристикам и весу постоянные магниты 6 помещаются в призматический футляр 7. Для устранения возможных пустот между магнитами 6 и стенками призматического футляра 7 может быть использована фольга, причем между ферромагнитными стенками целесообразно использовать фольгу из ферромагнитного материала. Фиксация и герметизация магнитов 6 в футляре 7 может выполняться, например, застывающим компаундом. Затем призматические футляры 7 с магнитами 6 калибруются по массе и размерам. В случае недопустимых отклонений они дообрабатываются по наружным поверхностям стенок футляра.

Призматический футляр 7 с магнитами 6 вставляется в паз 5 с торца ротора вперед крепящим элементом, например, штифтом 14, выполненным заодно с торцевой стенкой футляра, и продвигается вдоль паза 5 до полного вхождения в соответствующее крепление на роторе, например, гнездо в нажимной плате 17. При этом элементы, крепящие противоположный торец футляра, например, штифты 15, выполненные заодно с другим торцом ротора, должны войти в соответствующие гнезда, например, в гнезда фланцев 16 призматического футляра 7. После крепления призматического футляра 7 к ротору фиксируются, например, фланцы 16 притягиваются к торцу ротора болтами. Для упрощения операции могут использоваться соответствующие технологические приспособления, например, направляющие шлицы, шпильки и т.п.

Указанная операция установки призматического футляра 7 с магнитами 6 выполняется преимущественно в собранной машине, когда ротор сначала заводится в статор без призматических футляров 7 с магнитами 6 и фиксируется опорами, а затем в пазы 5 поочередно вставляются призматические футляры 7 с магнитами 6, причем установка футляров производится попарно в диаметрально противоположные пазы с целью уравновешивания сил одностороннего магнитного тяжения ротора к статору.

Операция выдвижения футляра с магнитами, при необходимости замены их в действующей машине, может легко выполняться без выведения ротора из статора. Для этого удаляется фиксация креплений призматического футляра 7 к ротору и футляр 7 с магнитами 6 выдвигается из паза 5 с помощью простого технологического приспособления, например, выжимного винта.

Указанные операции установки и схема призматического футляра 7 с магнитами аналогично могут выполняться и на отдельно расположенном роторе.

В частном случае, когда все неферромагнитные стенки торцевые 8, 9 и боковые 10, 11 призматического футляра 7 выполнены из высокоэлектропроводного материала и имеют хороший электрический контакт между собой, замкнутый контур, охватывающий постоянный магнит 6, работает в качестве демпфера, стабилизирующего колебания основного магнитного потока и ослабляющего влияние на магнит полей рассеяния, создаваемых статорной обмоткой 2.

Кроме того, в частном случае, разомкнутый виток, образованный высокоэлектропроводными неферромагнитными стенками 8-11, изолированный от ферромагнитных стенок 12 и 13 футляра 7 и охватывающий постоянный магнит 6, может использоваться для намагничивания магнита 6.

Намагничивание постоянного магнита может выполняться как вне машины с помощью специального магнитопровода с рабочим зазором, в который вставляется футляр с магнитом, так и непосредственно в собранной машине. В последнем случае целесообразно поочередное намагничивание футляров с магнитами с целью уменьшения общей индуктивности контура намагничивания и, следовательно, мощности источника тока. Для этого футляр 7 с магнитом 6 вставляется в паз 5 ротора, а остальные пазы остаются свободными. Дополнительно, на время намагничивания, в зазор ротор-статор может быть введен ферромагнитный вкладыш. К зажимам, выполненным на футляре 7, подключают источник тока и пропускают соответствующий импульс тока. Дополнительно, соответствующая часть обмотки 2 статора может быть также подключена к источнику тока, усиливая поле намагничивания постоянного магнита 6.

Затем футляр 7 с намагниченным магнитом 6 вынимают, на его место устанавливают следующий и повторяют операцию намагничивания. Направление намагничивания изменяют переключением полярности источника тока. Целесообразно сначала намагнитить все магниты с одним направлением намагниченности, а затем магниты с противоположным направлением намагниченности. Если после этого зажимы футляра 7 закоротить высокоэлектропроводящей накладкой, то виток будет выполнять роль вышеуказанного демпфера.

Предложенное изобретение было успешно опробировано в конструкции вентильного электродвигателя мощностью 75 кВт. Ротор двигателя имеет диаметр 400 мм и оснащен восемью указанными футлярами с составными постоянными магнитами размером 10х60х570 мм, выполненным из отдельных магнитов размером 10х60х60 мм и 10х40х60 мм.

Предлагаемое техническое решение более перспективно для крупных машин, когда достигаемые преимущества дают более высокий технико-экономический эффект вследствие возрастающей сложности решаемых задач и стоимости их реализации. Оно представляет большой интерес и в тех случаях, когда двигатель должен иметь высокую эксплуатационную надежность, например, при использовании на судах и других транспортных средствах.

Источники информации.

1. А.Н. Ледовский. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М. Энергоатомиздат, 1985, с. 19, 33.

2. В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М. Энергоатомиздат, 1988, рис. 1.28 (прототип).

Использование: в крупных двигателях с повышенной эксплуатационной надежностью для судов и других транспортных средств. Сущность изобретения: вентильный электродвигатель содержит кольцевой статор с распределенной по окружности многофазной обмоткой, цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал 3, распределенные по окружности ферромагнитные полюса 4, выполненные в виде сегментов, образующих межполюсные пазы 5; расположенные в пазах намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты 6. Устройство закрепления магнита 6 в пазу 5 выполнено в виде охватывающего магнит призматического футляра 7, стенки которого с торцов, со стороны вала 3 и статора 1 выполнены из неферромагнитного материала, а прилегающие к полюсам 4 - из ферромагнитного материала. Футляр 7 закреплен разъемными соединениями торцов ротора 1 и футляра 7 с возможностью установки и выдвижения его из паза 5 в осевом направлении. Стенки футляра 7 могут быть использованы в качестве демпферного витка или контура для намагничивания магнита. Изобретение позволяет вставлять магниты в уже собранную машину без повторной балансировки ротора, заменять магниты 6 в машине в случае выхода их из строя в эксплуатационных условиях, эффективно применять составные магниты, эффективно размещать датчики, фиксирующие характеристики и условия работы магнита, намагничивать магниты в уже собранной машине без использования статорной обмотки. Изобретение более перспективно для крупных двигателей или двигателей с повышенной эксплуатационной надежностью, например, размещаемых на транспортных средствах. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вентильный электродвигатель с постоянными магнитами, содержащий кольцевой статор с распределенной по окружности многофазной обмоткой, цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал, распределенные по окружности ферромагнитные полюса, выполненные в виде сегментов, образующих межполюсные пространства в виде параллельных оси вала пазов, расположенные в пазах намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты, устройства закрепления магнитов в пазах, отличающийся тем, что устройство закрепления магнита в пазу выполнено в виде охватывающего магнит призматического футляра, стенки которого с торцов, со стороны вала и статора выполнены из неферромагнитного материала, а прилегающие к полюсам из ферромагнитного материала, футляр закреплен разъемными соединениями торцов ротора и футляра с возможностью установки и выдвижения его из паза в осевом направлении. 2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что неферромагнитные стенки футляра выполнены из высокоэлектропроводного материала и имеют электрический контакт друг с другом. 3. Электродвигатель по п. 2, отличающийся тем, что неферромагнитные стенки футляра электрически изолированы от ферромагнитных стенок и ротора, а одна из торцевых стенок разделена диэлектриком в тангенциальном направлении и по обе стороны от линии раздела на ней выполнены зажимы для присоединения электрических проводников.