ПАКЕТ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ РОТОРА Российский патент 2004 года по МПК H02K1/27 H02K21/12 

Изобретение относится к области электротехники и касается конструктивного исполнения магнитных систем роторов бесколлекторных электрических машин с электромагнитным возбуждением. Максимальный эффект может быть достигнут при использовании заявляемого устройства в бесколлекторных вентильных электродвигателях и генераторах. Заявляемое устройство позволяет улучшить технические характеристики электрических машин этих классов.

Вентильные электродвигатели с электромагнитным возбуждением являются устройствами преобразования электрической энергии в механическую /1, с.3-8/. В основе их конструкции лежит принцип взаимодействия магнитного потока якоря с магнитным потоком возбуждения, создаваемым электромагнитами. Преобразование электрической энергии, расходуемой на создание магнитного потока, в механическую, снимаемую с вала электродвигателя в виде вращающего момента, описывается выражением, представляющим собой векторное произведение двух магнитных потоков

,

где М - вращающий момент на валу электродвигателя,

Ф_я - магнитный поток якоря,

Ф_в - магнитный поток возбуждения,

k - коэффициент пропорциональности, учитывающий конструктивные особенности.

Генераторы осуществляют обратное преобразование энергии - механической в электрическую. При наличии магнитного потока возбуждения и вращающего момента, приложенного к валу генератора и достаточного для его вращения, возникает переменный магнитный поток, связанный с обмотками якоря, который приводит к появлению электродвижущей силы вращения (ЭДС вращения). При замыкании цепи в ней будет протекать электрический ток. Чем больше величина и скорость изменения магнитного потока, тем большую ЭДС вращения можно получить, тем выше коэффициент использования магнитного потока.

Как при преобразовании электрической энергии в механическую, так и обратном - механической в электрическую, магнитный поток, связанный с обмотками, размещенными на статоре, называется магнитным потоком якоря. Получение электрической или механической энергии невозможно без взаимодействующего магнитного потока, называемого магнитным потоком возбуждения, который может создаваться либо постоянными магнитами, либо электромагнитами. Устройство, создающее магнитный поток возбуждения, называется индуктором.

В качестве индуктора в магнитоэлектрических машинах используется ротор, на котором устанавливают постоянные магниты 1 определенной формы и толщины (фиг.1). Такие машины получили название бесколлекторных вентильных машин с постоянными магнитами. В этих машинах постоянные магниты специальным образом закрепляют на роторе двигателя. При этом для фиксации магнитов на роторе могут использоваться металлические кольца, устанавливаемые снаружи /2, с.1-12/. Известны также синхронные бесконтактные машины с постоянными магнитами /3, с.205/, в которых магнитная система ротора тоже создается за счет постоянных магнитов (N-S), размещенных на роторе двигателя. В таких машинах магнитная система ротора формируется только за счет постоянных магнитов.

Известен ротор электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов /4, с.1-4/, в котором постоянные магниты установлены между безобмоточными полюсами с креплением по боковым граням. В этой конструкции магнитная система ротора формируется только за счет постоянных магнитов. При такой конструкции невозможно обеспечить большие скорости вращения ротора из-за возрастания центробежных сил действующих на магниты и вырывающих их из пазов. Рост потерь энергии из-за замыкания магнитных потоков от нескольких магнитов через безобмоточные полюсы приводит к ухудшению характеристик машин, использующих роторы такой конструкции.

Известны также конструкции роторов для индукторных генераторов с комбинированным возбуждением, в которых магнитная система ротора создается раздельным применением “звездочки”, представляющей собой постоянный магнит, и пакета пластин с зубцами для создания подмагничивающего потока /5. с.129-132/.

В сверхпроводниковой вентильной индукторной машине /6, с.8/ применяется ротор, в котором магнитный поток возбуждения, связанный с ротором, также формируется комбинированным способом за счет размещения на роторе электродвигателя между пакетами пластин постоянного магнита. Такая магнитная система ротора при согласном или встречном включении с встроенным магнитом (“вмороженным” магнитным потоком) независимой обмотки возбуждения позволяет изменять величину магнитного потока возбуждения, чем достигается изменение величины вращающего момента. При этом растут продольные размеры машины и усложняется технология изготовления ротора.

В качестве индуктора в машинах с электромагнитным возбуждением используется ротор, изготовленный с использованием зубчатых пакетов. Известны различные конструкции индукторов, применяемых в вентильных двигателях и генераторах с электромагнитным возбуждением. Основным элементом таких индукторов, предназначенным для формирования магнитной системы ротора, являются зубчатые пакеты (фиг.2), состоящие из пластин электротехнической стали (фиг.3) определенной формы и толщины с полюсными выступами 1 в форме зубцов, расположенных по окружности.

Известны также индукторные одноименнополюсные генераторы с постоянным потоком зубца ротора, элементами ротора которых являются зубчатые пакеты /5, с.99/, набранные из листов электротехнической стали (шихтованные) /7. с.10-12/, способы расчетов параметров которых приведены там же /7. с.152-153/.

Для электрических машин с роторами, имеющими зубчатые пакеты (фиг.4), применение жидкостного охлаждения ротора не всегда возможно. Из-за интенсивного перемешивания охлаждающей жидкости возникают большие потери энергии и появляются ощутимые вибрации, что заставляет ограничивать частоту вращения роторов. При такой конструкции ротора достижение больших скоростей вращения ротора с применением жидкостного охлаждения из-за турбулентного режима движения охлаждающей жидкости оказывается невозможным. Снижение частоты вращения ротора при постоянстве мощности ведет к росту вращающего момента и, как следствие, к увеличению габаритов и массы машины, что не всегда приемлемо.

В генераторах с электромагнитным возбуждением с роторами, использующими зубчатые пакеты, для получения ЭДС вращения под нагрузкой первоначально требуется наличие источника тока возбуждения, т.е. делает их не самовозбуждающимися, в отличие от генераторов на постоянных магнитах, которые всегда являются машинами с гарантированным самовозбуждением.

Принципиальные конструктивные различия роторов электрических машин этих классов позволяют сделать вывод, что предлагаемый пакет для формирования магнитной системы ротора является новым. Заявляемое устройство позволит улучшить технические характеристики электрических машин, где оно будет использовано, и расширить области применения машин этих классов. За счет увеличения амплитуды изменения магнитного потока путем искусственного увеличения эквивалентной глубины межзубцовой впадины, превосходящей реальную, улучшаются процессы преобразования энергии как механической в электрическую, так и наоборот. Появляется возможность сделать генераторы, роторы которых изготовлены с использованием заявляемых пакетов для формирования магнитной системы ротора с гарантированным самовозбуждением. Также появляется возможность увеличить частоту вращения ротора за счет увеличения прочности его конструкции, что ведет к уменьшению габаритов и массы, применить жидкостное охлаждение из-за уменьшения гидравлических потерь, обусловленных формой пакета пластин. При такой форме пакетов упрощается балансировка ротора, а для тихоходных электрических машин зачастую и не требуется совсем. Изготовление электрических машин особо большой мощности также невозможно без применения заявляемого устройства. Так для мощных бесколлекторных машин с постоянными магнитами при большой массе постоянных магнитов операция сборки ротора оказывается либо невозможной, либо чрезвычайно дорогостоящей.

Для машин с электромагнитным возбуждением, кроме того, что можно выполнить нечетное число полюсных выступов в пакете, гораздо проще увеличить число выступов, чего нельзя достигнуть в магнитоэлектрических машинах. При увеличении числа выступов сглаживаются пульсации вращающего момента и напряжения, что улучшает технические характеристики электрических машин этого класса.

Наиболее близким по своей сути является пакет для формирования магнитной системы ротора бесколлекторных электрических машин с электромагнитным возбуждением (фиг.2), описанный выше и взятый за прототип.

Целью изобретения является улучшение технических характеристик бесколлекторных электрических машин с электромагнитным возбуждением за счет формирования магнитной системы ротора путем применения специальных пакетов с вставками из постоянных магнитов, что позволит расширить сферу применения электрических машин данного класса.

Цель достигается за счет размещения на роторе пакетов, состоящих из пластин магнитопроводящей электротехнической стали (фиг.5). Пластины изготовлены таким образом, что на кольце 2 имеются полюсные выступы 1, в промежутках между которыми выполнены отверстия 3 для установки в них постоянных магнитов. Геометрическая форма отверстий 3 может быть любой, но должна обеспечивать необходимую ширину полюсного выступа 1, размещение отверстий 4 и возможность получения перемычек 7 и 6 для создания в них оптимальной концентрации магнитного потока. Отверстия 4 имеют клиновидную форму и выполнены таким образом, чтобы между отверстием 3 и отверстиями 4 оставались тонкостенные перемычки 5. Кроме того, форма отверстий 4 в совокупности с формой отверстий 3 должна обеспечивать наличие тонкостенных перемычек 6 в радиальном направлении. Для крепления пакета на вал ротора на внутреннем диаметре пластин изготовляют шпоночные 9 или шлицевые канавки. После сборки пакет пластин 10 (фиг.6) устанавливается на вал ротора для формирования его магнитной системы.

Сущность изобретения заключается в следующем. Обмотка возбуждения с продольной осью параллельной продольной оси машины, размещенная на статоре создает магнитный поток возбуждения, который замыкается через полюсные выступы одного пакета (фиг.2), металлический вал из магнитопроводящей стали, на который установлен пакет, и через полюсные выступы другого пакета по кратчайшему расстоянию, и далее через магнитопровод статора. При вращении ротора и замыкании магнитного потока через впадину происходит уменьшение магнитного потока за счет увеличения воздушного зазора и снижения магнитной проницаемости среды. Величина изменения магнитного потока в режиме генератора влияет на величину получаемой электродвижущей силы вращения. Чем больше амплитуда изменения магнитного потока, тем выше коэффициент использования магнитного потока, тем меньше потерь при преобразовании механической энергии в электрическую. Таким образом, изменение магнитного потока осуществляется за счет увеличения воздушного зазора в промежутках между полюсами. При наличии постоянных магнитов 8 (фиг.6), установленных в отверстия 3 (фиг.5) и имеющих радиальную намагниченность N-S, противоположную намагниченности создаваемой обмоткой возбуждения, образуется эквивалентная впадина, глубина которой превышает глубину впадины, получаемую просто за счет глубины паза. Крепление постоянных магнитов внутри тела пакета осуществляется в боковом направлении за счет перемычек 5 и в радиальном за счет перемычки 7 (фиг.5). Толщина перемычек 6 (фиг.5) должна быть такой, чтобы рассеяние магнитного потока сводилось к минимуму и не давало возможности из-за насыщения основному магнитному потоку от постоянных магнитов замкнуться через полюсный выступ 1. Этой цели служат также отверстия 4 (фиг.5 и фиг.6). Поэтому основная часть магнитного потока от постоянных магнитов оказывается направленной противоположно магнитному потоку от обмотки возбуждения. Таким образом, величина магнитного потока, замыкающегося через впадину, оказывается меньше на величину магнитного потока от постоянных магнитов за вычетом магнитного потока замкнувшегося через перемычки 6 (фиг.5). Это изменение оказывается большим, чем, если бы магнитный поток уменьшался просто за счет увеличения воздушного зазора, т.е. увеличения глубины впадины. За счет большего изменения магнитного потока улучшаются процессы преобразования энергий, повышаются технические характеристики электрических машин. Поскольку постоянные магниты оказываются внутри тела ротора, то специального их крепления не требуется. Они сами по себе являются элементами, скрепляющими пакет пластин.

Так как на роторе установлены пакеты, имеющие форму сплошного гладкого цилиндра 10 (фиг.6), а не зубчатки, применение жидкостного охлаждения ротора из-за уменьшения гидравлических потерь на перемешивание жидкости не вызывает затруднений. При этом также уменьшаются вибрации и разгружаются подшипники. Это позволяет повысить частоту вращения ротора и при постоянстве мощности достичь уменьшения массогабаритных показателей электрических машин. Такая форма пакетов также упрощает балансировку ротора.

Наличие постоянных магнитов 8 (фиг.6) внутри пакета для генераторов позволяет реализовать режим гарантированного самовозбуждения и при нагрузке. Незначительный магнитный поток, который замыкается через перемычки 6 и полюсные выступы 1 в начальный момент преобразования электрической энергии в механическую, используется в качестве потока возбуждения, что позволяет с использованием заявляемых пакетов изготовить генераторы с гарантированным самовозбуждением.

В режиме двигателя, т.е. при обратном преобразовании энергии - электрической в механическую, за счет более глубокой модуляции магнитного потока, можно уменьшить ток возбуждения при сохранении значения получаемого вращающего момента, что означает повышение эффективности преобразования энергии.

Заявляемое устройство - пакет для формирования магнитной системы ротора электрических машин с электромагнитным возбуждением отличается от существующих тем, что в нем, внутри пакета из стальных пластин, находятся постоянные магниты, предназначенные для создания впадины на роторе при цилиндрической форме пакета. За счет того, что на этапе изготовления отдельных пластин в них выполняются отверстия для установки постоянных магнитов, то при сборке пакета не требуется специальных способов крепления постоянных магнитов. Для создания машин большой мощности или работающих на больших частотах вращения такая форма пакета оказывается незаменимой. При этом упрощается технология изготовления ротора в целом.

Таким образом, заявляемое устройство соответствуют критерию изобретения "новизна".

Необходимость применения пакета для формирования магнитной системы ротора возникает при использовании бесконтактных индукторных вентильных электрических машин с электромагнитным возбуждением, где требуются повышение эффективности преобразования энергии, большие мощности, большие частоты вращения, жидкостное охлаждение или хорошие регулировочные свойства.

Заявляемое устройство, пакет для формирования магнитной системы ротора, позволяет улучшить технические характеристики бесколлекторных электрических машин с электромагнитным возбуждением и упростить технологию изготовления ротора с использованием постоянных магнитов, тем самым расширить сферу применения электрических машин этих классов.

Литература

1. И.П.Копылов, В.Л.Фрумин. Электормеханическое преобразование энергии в вентильных двигателях. М., Энергоатомиздат, 1986, 167 с.

2. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2155430.

3. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. Учебник для вузов. М., Высшая школа, 1976, 416 с.

4. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2178615.

5. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. Учебное пособие для электромеханических и электроэнергетических специальностей втузов. М., “Высшая школа”, 1985, 255 с.

6. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2178942.

7. Альпер Н.Я., Терзян А.А. Индукторные генераторы. М., Энергия, 1970, 192 с.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам и может быть использовано в различных областях для преобразования механическую энергию в электрическую и наоборот, например, в тяговых электроприводах и генераторах транспортных средств, грузоподъемных машинах в станочном приводе, в приводах насосов и компрессоров, а также в гидрогенераторах и ветрогенераторах. Сущность изобретения состоит в следующем. Пакет для формирования магнитной системы ротора, состоящий более чем из двух пластин магнитопроводящей стали, с полюсными выступами, согласно изобретению при цилиндрической форме пакета содержит постоянные магниты, установленные в отверстиях пластин между полюсными выступами, над постоянными магнитами, имеющими радиальную намагниченность, имеются перемычки. При этом между магнитами и полюсными выступами выполнены отверстия с сохранением перемычек между постоянными магнитами и полюсными выступами для фиксации магнитов от бокового смещения. Технический результат состоит в том, что изобретение позволит улучшить характеристики бесколлекторных индукторных вентильных электрических машин с электромагнитным возбуждением и расширить область применения этих машин. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Пакет для формирования магнитной системы ротора, предназначенный для электрической машины с обмоткой возбуждения, ось которой параллельна продольной оси электрической машины, состоящий более чем из двух пластин магнитопроводящей стали, с полюсными выступами, отличающийся тем, что при цилиндрической форме пакета между полюсными выступами в отверстиях пластин установлены постоянные магниты, имеющие радиальную намагниченность N-S, противоположную намагниченности, создаваемой обмоткой возбуждения, при этом над постоянными магнитами имеются перемычки, а между постоянными магнитами и полюсными выступами выполнены отверстия с сохранением перемычек между постоянными магнитами и полюсными выступами.2. Пакет для формирования магнитной системы ротора по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты имеют радиальную намагниченность, при которой северный полюс размещен снаружи.3. Пакет для формирования магнитной системы ротора по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты имеют радиальную намагниченность, при которой южный полюс размещен снаружи.