МНОГОПОЛЮСНЫЙ РОТОР ВЕНТИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК H02K21/14 H02K21/12 H02K29/00 

Изобретение относится к области электромашиностроения - к производству вентильных электрических машин (генераторов, двигателей). Одной из основных частей таких машин является ротор с постоянными магнитами для создания магнитного поля возбуждения.

В классических вентильных электрических машинах цилиндрический ротор помещается внутри цилиндрической полости, образованной полюсами статора. Известны также классические вентильные электрические машины с многополюсным мозаичным ротором типа РОМС-ротор оптимизированный мозаичный сборный (Электротехнический справочник: В 4 т. / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г.Герасимова и др. (гл. ред. И.Н.Орлов)-518 с.(т.2). Магнитная система такого ротора в радиальном сечении представляет кольцо, собранное из полюсных и межполюсных магнитов, имеющих радиально-тангенциальное намагничивание. При этом каждый полюсный магнит намагничен в радиальном направлении, а каждый межполюсный - в тангенциальном. Ротор типа РОМС имеет также вал, на котором обычно клеем крепятся полюсные и межполюсные магниты, а также бандаж для обеспечения прочности мозаичной системы постоянных магнитов. Вал и бандаж изготавливают из немагнитных материалов.

Сущность оптимизации РОМС поясняется в описаниях изобретений SU 1731012 A1, SU 1835580 А2, которые являются аналогами данного изобретения. Более близким аналогом предлагаемому изобретению является изобретение 1731012 A1, хотя оно не имеет существенных отличий от изобретения SU 1835580 А2. В обоих изобретениях описаны роторы, содержащие одинаковые комплекты деталей. Эти роторы отличаются только формой межполюсных магнитов. В описаниях этих аналогов даны формулы для определения угла между отрезками хорд, ограничивающими радиальное сечение полюсного магнита. В данных описаниях утверждается, что при соблюдении условий, определенных этими формулами, наиболее эффективно используется объем ротора, т.е. создается наибольший магнитный поток с полюса полюсного магнита. При выводе названных формул сделано ошибочное предположение о том, что на плоской границе раздела полюсных и межполюсных магнитов должны возникать магнитные заряды, увеличивающие поток полюсных магнитов. Это предположение ошибочно потому, что появление таких зарядов приводит к появлению размагничивающего поля, уменьшающего поток полюсных магнитов в рабочем зазоре машины. Другим существенным недостатком указанных аналогов является неполное использование цилиндрической поверхности ротора для создания магнитного потока в рабочем зазоре машины. Участки наружной цилиндрической поверхности всех полюсных магнитов составляют только часть наружной поверхности ротора, а другую часть этой поверхности составляют участки наружной поверхности всех межполюсных магнитов. Этот недостаток также является причиной уменьшения потока полюсных магнитов в рабочем зазоре машины.

Цель данного изобретения - увеличение магнитного потока полюсных магнитов путем оптимизации формы полюсных и межполюсных магнитов.

Радиальное сечение оптимальной конструкции ротора классической вентильной электрической машины показано на фигуре 1. Эта конструкция состоит из 2р геометрически одинаковых полюсных магнитов 1, намагниченных радиально, 2р геометрически одинаковых межполюсных магнитов 2, намагниченных тангенциально, вала 3 и бандажа 4; р - число пар полюсов ротора. Направления намагничивания полюсных и межполюсных магнитов показаны на фигуре стрелками. Вал и бандаж изготавливаются из немагнитных материалов. Часть окружности - дуга каждого полюсного магнита 1 ограничена отрезками хорд, пересекающимися на оси полюса в точке на внутреннем контуре магнитной системы. Эта дуга соответствует центральному углу α=π/р. Совокупность дуг всех 2р полюсных магнитов образует окружность. Совокупность всех одинаковых участков цилиндрической поверхности полюсных магнитов образует замкнутую наружную цилиндрическую поверхность ротора, обращенную к рабочему зазору машины. Радиальное сечение каждого межполюсного магнита 2 представляет собой равнобедренный треугольник, две равные стороны которого обращены к соседним полюсным магнитам, а третья сторона обращена к валу 3. Этой третьей стороне соответствует центральный угол α=π/р, поэтому совокупность всех 2р таких сторон образует правильный многоугольник. Совокупность всех одинаковых плоских поверхностей межполюсных магнитов, граничащих с валом, образует замкнутую внутреннюю поверхность мозаичной магнитной системы. Эта поверхность имеет 2р одинаковых плоских граней. Для такой системы магнитный поток полюсных магнитов 1 в рабочем зазоре будет максимальным при условии равенства нормальных составляющих вектора остаточной магнитной индукции B_r на любой плоской границе между полюсными и межполюсными магнитами: B_r1n=B_r2n, где индекс 1 относится к полюсному магниту, а индекс 2 - к межполюсному. Указанное равенство выполняется при следующих условиях: величина остаточной магнитной индукции в полюсных и межполюсных магнитах одинакова (B_r1=B_r2) и угол скоса границ между полюсными и межполюсными магнитами равен σ=π(р-1)/(4p). Это угол от указанной границы до нормали к оси полюсного магнита, проведенной из точки пересечения хорд на оси полюсного магнита. Эти условия должны выполняться для многополюсного мозаичного ротора с любым числом пар полюсов при р≥2.

Выше рассмотрены роторы классических вентильных электрических машин и предложена оптимальная конструкция ротора для таких машин. Известны также обращенные вентильные электрические машины, в которых цилиндрический статор помещается внутри цилиндрической полости, образованной полюсами ротора (Лыу Тхе Винь. Автономный электротехнический комплекс на основе двухроторного генератора с постоянными магнитами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Иваново, 2001; PRODUCTS KATALOG, AXi, 2006, www.modelmotors.cz.). Роторы таких машин имеют консольную конструкцию и состоят из полюсных магнитов, намагниченных радиально, обоймы, на внутренней цилиндрической поверхности которой закреплены полюсные магниты, фланца и вала. Обойма из магнитного материала закреплена на фланце, фланец из немагнитного материала закреплен на валу. Радиальное сечение полюсных магнитов ограничено двумя отрезками прямых, параллельных оси магнита, и двумя дугами окружностей; одна из этих окружностей - это внутренний контур обоймы, а другая - это внутренний контур ротора. Существенным недостатком указанных аналогов является неполное использование внутренней цилиндрической поверхности ротора для создания магнитного потока в рабочем зазоре машины. Участки внутренней цилиндрической поверхности всех полюсных магнитов занимают только часть внутренней цилиндрической поверхности ротора, обращенной к рабочему зазору, а другая часть этой поверхности ротора не занята межполюсными магнитами. Этот недостаток является причиной уменьшения потока полюсных магнитов в рабочем зазоре машины. Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является ротор вентильной электрической машины, описанный в PRODUCTS KATALOG, AXi, 2006, www.modelmotors.cz, имеющий рассмотренную выше конструкцию и названный недостаток.

Цель данного изобретения - увеличение магнитного потока полюсных магнитов путем применения межполюсных магнитов и оптимизации формы полюсных и межполюсных магнитов.

Радиальное сечение оптимальной конструкции ротора обращенной вентильной электрической машины показано на фигуре 2. Эта конструкция состоит из 2р геометрически одинаковых полюсных магнитов 1, намагниченных радиально, 2р геометрически одинаковых межполюсных магнитов 2, намагниченных тангенциально, обоймы 3, фланца 4 и вала 5; р - число пар полюсов ротора. Направления намагничивания полюсных и межполюсных магнитов показаны на фигуре стрелками. Обойма 3 и фланец 4 изготавливаются из немагнитного материала. Часть окружности - дуга каждого полюсного магнита 1 ограничена отрезками хорд, пересекающимися на оси полюса в точке на наружном контуре магнитной системы. Эта дуга соответствует центральному углу α=π/р. Совокупность дуг всех 2р полюсных магнитов образует окружность. Совокупность всех одинаковых участков цилиндрической поверхности полюсных магнитов образует замкнутую внутреннюю цилиндрическую поверхность ротора, обращенную к рабочему зазору машины. Радиальное сечение каждого межполюсного магнита 2 представляет собой равнобедренный треугольник, две равные стороны которого обращены к соседним полюсным магнитам, а третья сторона обращена к обойме 3. Этой третьей стороне соответствует центральный угол α=π/р, поэтому совокупность всех 2р таких сторон образует правильный многоугольник. Совокупность всех одинаковых плоских поверхностей межполюсных магнитов, граничащих с обоймой, образует замкнутую наружную поверхность мозаичной магнитной системы. Эта поверхность имеет 2р одинаковых плоских граней. Для такой системы магнитный поток полюсных магнитов 1 в рабочем зазоре будет максимальным при условии равенства нормальных составляющих вектора остаточной магнитной индукции B_r на любой плоской границе между полюсными и межполюсными магнитами: B_r1n=В_r2n, где индекс 1 относится к полюсному магниту, а индекс 2 - к межполюсному. Указанное равенство выполняется при следующих условиях: величина остаточной магнитной индукции в полюсных и межполюсных магнитах одинакова (B_r1=В_r2) и угол скоса границ между полюсными и межполюсными магнитами равен σ=π(p+1)/(4p). Это угол от указанной границы до нормали к оси полюсного магнита, проведенной из точки пересечения хорд на оси полюсного магнита. Эти условия должны выполняться для многополюсного мозаичного ротора с любым числом пар полюсов при р≥2.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано при проектировании и производстве вентильных электрических машин (двигателей и генераторов) классической и обращенной конструкций для улучшения их энергетических характеристик. Технический результат - увеличение магнитных потоков в рабочих зазорах классической и обращенной вентильных электрических машин, что достигается путем создания оптимальных форм полюсных и межполюсных магнитов в мозаичных магнитных системах роторов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многополюсный ротор классической вентильной электрической машины с постоянными магнитами, содержащий полюсные магниты, намагниченные радиально, межполюсные магниты, намагниченные тангенциально, вал и бандаж, изготовленные из немагнитных материалов, отличающийся тем, что для увеличения магнитного потока полюсных магнитов формы полюсных и межполюсных магнитов изменены так, что совокупность всех 2р одинаковых участков цилиндрической поверхности полюсных магнитов образует замкнутую наружную цилиндрическую поверхность ротора, совокупность всех 2р одинаковых плоских поверхностей межполюсных магнитов, граничащих с валом, образует замкнутую внутреннюю поверхность мозаичной магнитной системы, при этом величина остаточной индукции полюсных и межполюсных магнитов одинакова (B_r1=В_r2), а угол скоса границы между полюсными и межполюсными магнитами равен σ=π(р-1)/(4р) и этот угол образован указанной границей и нормалью к оси полюсного магнита, проведенной из точки пересечения хорд на оси полюсного магнита, а р≥2 - число пар полюсов ротора.

2. Многополюсный ротор обращенной вентильной электрической машины с постоянными магнитами, содержащий полюсные магниты, намагниченные радиально, обойму из магнитного материала, фланец из немагнитного материала, а также вал, отличающийся тем, что для увеличения магнитного потока с полюсных магнитов между этими магнитами устанавливаются межполюсные магниты, намагниченные тангенциально, формы полюсных и межполюсных магнитов такие, что совокупность всех 2р одинаковых участков цилиндрической поверхности полюсных магнитов образует замкнутую внутреннюю цилиндрическую поверхность ротора, совокупность всех 2р одинаковых плоских поверхностей межполюсных магнитов, граничащих с обоймой, образует замкнутую наружную поверхность мозаичной магнитной системы, при этом величина остаточной индукции полюсных и межполюсных магнитов одинакова (B_r1=B_r2), угол скоса границы между полюсными и межполюсными магнитами равен σ=π(р+1)/(4p) и этот угол образован указанной границей и нормалью к оси полюсного магнита, проведенной из точки пересечения хорд на оси полюсного магнита, где р≥2 - число пар полюсов ротора, а обойма изготавливается из немагнитного материала.