СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ НАМАГНИЧИВАНИЯ РОТОРОВ ТИПА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ Российский патент 2011 года по МПК H02K1/27 H02K15/03 H02K21/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится, в общем, к электрическим машинам, а в частности, - к электрическим машинам, имеющим роторы типа постоянных магнитов. Конкретные варианты осуществления данного способа относятся к системе и способу для намагничивания сегментов постоянных магнитов в таких роторах.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Электрическая машина, такая как двигатель или генератор, обычно содержит ротор, расположенный в статоре и используемый для преобразования электрической энергии в механическую энергию или наоборот. Некоторые электрические машины используют роторы типа постоянных магнитов, которые уменьшают размер и повышают общую эффективность машины. Такой ротор обычно содержит кольцевой постоянный магнит, расположенный над шпинделем ротора. В некоторых вариантах осуществления постоянный магнит является монолитным, полым, цилиндрическим элементом. В больших машинах постоянный магнит обычно формируется средством сборки множества постоянных магнитов вокруг шпинделя ротора. Высокоскоростные электрические машины могут также содержать удерживающее или стопорное кольцо вокруг узла постоянного магнита для предотвращения разрушения или нарушения конструкции узла постоянного магнита центробежными силами.

Обычно сегменты постоянного магнита намагничиваются перед сборкой на шпинделе ротора. Например, сегменты постоянного магнита нарезают из больших необработанных магнитных блоков и обрабатывают для формирования, после чего сегменты намагничивают индивидуально в соленоиде. В некоторых случаях, особенно в больших машинах, намагничивание сегментов постоянного магнита достигается через вектор намагничивания, предложенный K.Halbach (также известный как намагничивание Halbach), который при приложении к поверхности постоянных магнитов приводит к более синусоидальной форме распределения потока в пределах электрической машины, тем самым уменьшая потери гармоник переменного тока и уменьшая пульсации вращающего момента, вибрацию и акустический шум. Сегменты постоянного магнита впоследствии соединяют со шпинделем ротора с использованием адгезии.

Однако сборка ротора из предварительно намагниченных сегментов постоянного магнита может быть затруднительным процессом, особенно в больших электрических машинах, так как он может занимать много времени и быть неуправляемым. Этот процесс может содержать существенное форсирование и настройку механическими устройствами для позиционирования и закрепления энергизированных сегментов постоянного магнита. Этот процесс имеет тенденцию к физическим повреждениям, если нарушается крепление активированных блоков постоянного магнита.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей настоящего изобретения является создание более простого и эффективного способа намагничивания сегментов постоянного магнита в роторах электрических машин.

Данный способ обеспечивает новый подход к намагничиванию сегментов постоянного магнита в роторах электрических машин. В соответствии с одним аспектом изобретения предложен способ изготовления электрической машины, заключающийся в том, что осуществляют сборку множества сегментов постоянного магнита вокруг шпинделя ротора электрической машины. Для сегментов постоянного магнита задают желательные направления ориентации. Дополнительно осуществляют позиционирование собранных сегментов постоянного магнита в оснастке намагничивания таким образом, чтобы желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита совмещались с соответствующими направлениями потока намагничивающей оснастки.

В аспекте данного изобретения предложена электрическая машина, предназначенная для реализации указанного способа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятными из приведенного подробного описания со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает электрическую машину, имеющую ротор типа постоянного магнита, изготовленный согласно изобретению;

фиг.2 - схему устройства намагничивания ротора, согласно изобретению;

фиг.3 - схему желательной ориентации сегментов постоянного магнита относительно направлений намагничивания магнитного потока намагничивающей оснастки согласно изобретению;

фиг.4 - блок-схему последовательности операций способа изготовления ротора электрической машины согласно изобретению;

фиг.5 - схему распределения потока в двигателе или генераторе, имеющем ротор, намагниченный заявленным способом согласно изобретению; и

фиг.6 - сравнительные диаграммы электромагнитных характеристик номинальной нагрузки для роторов, имеющих радиальную ориентацию и ориентацию Halbach их постоянных магнитов согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению предложены система и способ для намагничивания сегментов постоянного магнита в роторе электрической машины. В соответствии с одним аспектом данного способа каждый полюс магнита ротора содержит множество Halbach сегментов постоянного магнита. Способ обеспечивает одношаговое намагничивание всей сборки ротора в многополюсной намагничивающей оснастке, чтобы получить оптимальное намагничивание ориентированных магнитов.

На фиг.1 представлена часть электрической машины 10 согласно изобретению. Электрическая машина 10 содержит многофазный синхронный электродвигатель или генератор. На фиг.1 представлено поперечное сечение, в направлении, перпендикулярном оси 12 вращения электрической машины 10.

Электрическая машина 10 содержит статор 14 и ротор 16. Статор 14 включает в себя шихтованный сердечник 18 статора, обычно образованный из электромагнитных стальных листов. Прорези 20 образованы на сердечнике 18 статора для размещения обмоток 22 статора. Ротор 16 расположен в статоре 14 таким образом, чтобы иметь возможность вращения вокруг оси 12 вращения на подшипниках (не показаны). Ротор 16 содержит шпиндель 24 ротора, установленный на валу 26. В некоторых вариантах осуществления вал 26 может быть образован интегрально со шпинделем 24 ротора. В одном варианте осуществления шпиндель 24 ротора и вал 26 образованы из ферромагнитного материала.

Ротор 16 в данном варианте осуществления является ротором типа постоянного магнита, включающим в себя множество кольцевых сегментов 28 постоянного магнита, расположенных над шпинделем 24 ротора. Стрелки 29 иллюстрируют уникальное направление ориентации каждого из сегментов 28 постоянного магнита. Направление ориентации является направлением, в котором постоянный магнит получает свое самое сильное намагничивание, и оно передается сегментам магнита во время их изготовления как индивидуальных сегментов. Формы поперечного сечения сегментов 28 постоянного магнита могут включать в себя арочную форму, как показано на фиг.1, или другие подходящие формы, например, трапециевидную, многоугольную или треугольную форму. Сегменты 28 постоянного магнита могут быть выполнены из любых ферритов, например, NdFeB, Sm-Co, SmFeN, и любых других, которые обладают некоторой ориентированной характеристикой. Ориентация материала постоянного магнита осуществляется посредством приложения магнитного поля, когда материал прессуется в мягких, влажных условиях. Ориентация сформованного сегмента может быть установлена посредством ориентации пресс-формы в приложенном магнитном поле или посредством вырезания сформованного сегмента соответствующим образом из большего обработанного блока, направление ориентации которого известно. Сегменты 28 постоянного магнита могут быть соединены адгезией или соединены спеканием со шпинделем 24 ротора. В описываемом варианте осуществления ротор 16 содержит четыре полюса 30, 32, 34, 36 (34 и 36 не показаны на фиг.1), причем каждый полюс образован восемью сегментами 28 постоянного магнита. Удерживающее кольцо 38 расположено вокруг сегментов 28 постоянного магнита для предохранения сегментов 28 постоянного магнита от действия центробежных сил, вызываемых вращением ротора 16. Удерживающее кольцо 38 может быть выполнено из углеродных волокон или из высокопрочного металла. Электромагнитный экран 40 может быть желательным в устройствах, когда удерживающее кольцо 32 имеет неметаллический состав.

В соответствии с одним аспектом изобретения сегменты 28 постоянного магнита ротора 16 образуют массив Halbach (т.е. полученный намагничиванием Halbach, как указано выше) для получения более синусоидальной формы распределения потока в пределах электрической машины 10. Это снижает потери гармоник переменного тока, приводя к последующему снижению пульсаций вращающего момента, вибрации и акустического шума. В массиве Halbach направление 29 ориентации каждого сегмента 28 постоянного магнита таково, что направление 29 является почти касательным к направлению вращения ротора по оси, сдвинутой на 90 градусов (далее называемой Q-осью), каждого полюса 30, 32, 34 и 36 ротора и почти нормальным к направлению вращения по прямой оси (далее называемой D-осью) каждого из полюсов 30, 32, 34 и 36 ротора. D-ось может быть определена как местоположение в магнитном полюсе, в котором магнитное поле радиально направлено, тогда как Q-ось обычно соответствует местоположению в магнитном полюсе, в котором магнитное поле направлено по касательной. Следует отметить, что хотя Q и D оси магнитного полюса различаются электрически на 90 градусов, их относительные физические местоположения зависят от геометрии и числа полюсов ротора. Например, в четырехполюсном роторе Q и D оси каждого полюса разделены на угол около 45 градусов.

На фиг.2 представлено схематически устройство 42 намагничивания согласно изобретению. Устройство 42 намагничивания содержит многополюсную намагничивающую оснастку 44, в пределах которой надежно размещен ротор 16 для намагничивания сегментов 28 постоянного магнита. Намагничивающая оснастка 44 содержит намагничивающие катушки индуктивности, намотанные вокруг сердечника или ярма 46 намагничивающего элемента. Число намагничивающих катушек обычно выбирается равным числу полюсов ротора. Соответственно, в показанном варианте осуществления оснастка 44 содержит четыре катушки 48, 50, 52 и 54, размещенных в прорезях 56, 58, 60 и 62 на сердечнике 46 намагничивающего элемента. Ротор 16 размещен в пределах оснастки 44 таким образом, что Q-оси полюсов 30, 32, 34 и 36 ротора совмещены с намагничивающими катушками 48, 50, 52 и 54 соответственно. Катушки 48, 50, 52 и 54 возбуждаются источником 64 питания. Источник 64 питания желательно является импульсным источником питания постоянного тока, чтобы уменьшить длительность тока, протекающего через катушки. Катушки 48, 50, 52 и 54 могут быть подключены к источнику питания последовательно, как показано на фиг.2, или параллельно. При возбуждении намагничивающие катушки 48, 50, 52 и 54 создают магнитный поток через полюса 66, 68, 70, 72 намагничивающего элемента, центры (или D-оси) которых совпадают с D-осями полюсов 30, 32, 34 и 36 ротора, и через сегменты 28 постоянного магнита.

Ориентацию 29 сегментов 28 магнита определяют a priori магнитным анализом, таким как метод конечных элементов. Ориентацию осуществляют относительно физической формы сегмента во время изготовления сегментов постоянного магнита. Направление ориентации может быть помечено, например, краской на индивидуальных сегментах постоянного магнита для облегчения процесса монтажа. На фиг.3 схематично показана ориентация 29 сегментов 28 постоянного магнита относительно магнитного потока 74 намагничивающей оснастки 44, причем магнитный поток 74 рассчитывается методом конечных элементов. На фиг.3 представлена ориентация сегментов в полюсе 30 ротора 16. В описываемом варианте осуществления направление 29 намагничивания для каждого сегмента 28 соответствует ориентации Halbach, как указано выше. Как показано на фиг.3, направление 29 ориентации индивидуальных сегментов 28 постоянного магнита таково, что почти совпадает по направлению с магнитным потоком 74, созданным возбужденными намагничивающими катушками. Кроме того, как показано, магнитная ориентация сегментов постоянного магнита постепенно изменяется от почти касательной по Q-оси 76 полюса ротора до почти нормальной по D-оси 78 полюса ротора.

На фиг.4 представлена блок-схема последовательности операций способа 80 изготовления электрической машины согласно изобретению. Процесс начинается с монтажа шпинделя ротора, как указано на шаге 82. В некоторых вариантах осуществления вал может быть сформован интегрально со шпинделем ротора. На шаге 84 сегменты постоянного магнита монтируют вокруг шпинделя ротора. Эти сегменты соединяются друг с другом и со шпинделем ротора посредством адгезии. Удерживающее кольцо может быть расположено вокруг сегментов постоянного магнита на шаге 86. Процесс затем переходит к шагу 88, т.е. осуществляют позиционирование узла ротора в пределах намагничивающей оснастки. Как пояснялось ранее, на шаге 88 обеспечивают совмещение направления намагничивания сегментов постоянного магнита с направлением потока от намагничивающей оснастки. На шаге 90 намагничивающие катушки затем возбуждают источником питания. Как только сегменты постоянного магнита намагничиваются, узел ротора удаляют из намагничивающей оснастки и закрепляют в статоре на шаге 92. Как будет оценено специалистами в данной области техники, способ 80 может быть реализован на полностью автоматизированной сборочной линии, или полуавтоматически, или даже вручную.

На фиг.5 представлен пример распределения потока в результирующем намагниченном роторе 16. Сегменты постоянного магнита формируют магнитный поток 94, который связан с сердечником 18 статора для создания вращающего момента на роторе 16. Вращающий момент, созданный на роторе, зависит от формы распределения потока в воздушном слое 96 между статором 14 и ротором 16. Поток 94, созданный намагниченным ротором, ориентирован вдоль направления намагничивания сегментов 28 постоянного магнита, которое изменяется от касательного по Q-осям полюса ротора до нормального по D-оси полюса ротора. Следовательно, магнитная индукция (т.е. магнитный поток на единицу площади) направлена радиально по D-оси полюса ротора и направлена по касательной по Q-осям полюса ротора. Это приводит к более синусоидальному распределению плотности магнитного потока 94 в воздушном слое 96, чем магнитный поток, сформированный сегментами, имеющими полностью радиальное направление намагничивания. Вышесказанное наилучшим образом иллюстрировано на фиг.6, где кривая 98 является диаграммой электромагнитных характеристик номинальной нагрузки для ротора, имеющего радиальную ориентацию намагничивания, и кривая 100 изображает то же самое для ротора, имеющего ориентацию Halbach постоянных магнитов. На фиг.6 показано изменение магнитной индукции (в Тесла) в воздушном зазоре 96 по оси Y в зависимости от положения ротора (в электрических координатах), представленным по оси X. Следует понимать, что электрические координаты представлены как доля 180 электрических градусов, которые соответствуют углу, разделенному на 180 градусов. Распределение магнитной индукции намагниченного Halbach ротора является по существу более синусоидальным по сравнению с распределением магнитной индукции радиально намагниченного ротора.

Таким образом, данный способ облегчает намагничивание ротора электрической машины в одношаговом процессе, тем самым исключается необходимость монтажа ротора из предварительно намагниченных блоков, что является затруднительным и сложным. Результирующий намагниченный ротор создает распределение потока с более синусоидальной формой в пределах электрической машины. Данный способ может быть использован для широкого диапазона электрических машин, включая двигатели, и в частности, большие высокоскоростные синхронные машины для компрессоров газопроводов, аэрокосмических двигателей, аэрокосмических генераторов, двигателей для морских судов.

Многие модификации изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники.

Изобретение относится к области электротехники и касается электрических машин, в частности электрических машин, имеющих роторы типа постоянных магнитов. Предлагаются система и способ изготовления ротора (16), а также способ намагничивания цилиндрического элемента электрической машины (10), в соответствии с которыми множество сегментов (28) постоянного магнита закрепляют вокруг шпинделя (24) ротора, Определяют желательные направления (29) ориентации сегментов (28) постоянного магнита. Затем смонтированные сегменты (28) постоянного магнита помещают в оснастку (44) намагничивания таким образом, что желательные направления (29) ориентации сегментов (28) постоянного магнита совмещают с соответствующими направлениями (74) потока намагничивающей оснастки (44). При этом желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита имеют такую конфигурацию, что направления последующей ориентации изменяются от направления, по существу нормального к направлению вращения ротора по D-оси полюса ротора, до направления, по существу касательного к направлению вращения ротора по Q-оси полюса ротора, желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита определяют путем магнитного анализа методом конечных элементов, согласно основной характеристике которого желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита таковы, что почти совпадают по направлению с магнитным потоком, сформированным намагничивающей оснасткой. Технический результат - упрощение, повышение эффективности и сокращение процесса намагничивания сегментов постоянного магнита в роторах электрических машин. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления ротора электрической машины, при котором:
осуществляют сборку множества сегментов постоянного магнита вокруг шпинделя ротора,
определяют желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита,
размещают сборку сегментов постоянного магнита в оснастке намагничивания таким образом, что желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита совмещают с соответствующими направлениями потока намагничивающей оснастки,
при этом желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита имеют такую конфигурацию, что направления последующей ориентации изменяются от направления, по существу, нормального к направлению вращения ротора по D-оси полюса ротора, до направления, по существу, касательного к направлению вращения ротора по Q-оси полюса ротора,
причем желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита определяют путем магнитного анализа методом конечных элементов, согласно основной характеристике которого желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита таковы, что почти совпадают по направлению с магнитным потоком, сформированным намагничивающей оснасткой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют намагничивающую оснастку, которая содержит множество катушек индуктивности, намотанных вокруг магнитного сердечника, причем количество катушек индуктивности намагничивающей оснастки равно количеству полюсов ротора.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно совмещают Q-оси полюса ротора с катушками индуктивности намагничивающей оснастки и совмещают D-оси полюса ротора с центрами полюсов намагничивающего элемента намагничивающей оснастки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают намагничивающую оснастку посредством импульсного постоянного тока.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют электрическую машину, содержащую многофазную синхронную машину.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют сборку сегментов постоянного магнита путем адгезионного соединения сегментов постоянного магнита друг с другом и со шпинделем ротора.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что располагают удерживающее кольцо над смонтированными сегментами постоянного магнита.

8. Способ изготовления ротора электрической машины, при котором:
осуществляют сборку множества ненамагниченных сегментов постоянного магнита в виде круглой структуры,
определяют желательные направления ориентации ненамагниченных сегментов постоянного магнита так, что направления последующей ориентации изменяются от направления, по существу, нормального к направлению вращения ротора по D-оси полюса ротора, до направления, по существу, касательного к направлению вращения ротора по Q-оси полюса ротора,
размещают сборку ненамагниченных сегментов постоянного магнита в оснастке намагничивания таким образом, что желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита совмещают с соответствующими направлениями потока намагничивающей оснастки,
активируют намагничивающую оснастку для намагничивания сегментов,
причем желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита определяют путем магнитного анализа методом конечных элементов, согласно основной характеристике которого желательные направления ориентации сегментов постоянного магнита таковы, что почти совпадают по направлению с магнитным потоком, сформированным намагничивающей оснасткой.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что направления ориентации сегментов постоянного магнита, по существу, совпадают с направлением магнитного потока, сформированного намагничивающей оснасткой.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что сборку множества ненамагниченных сегментов постоянного магнита осуществляют на роторном шпинделе до размещения ненамагниченных сегментов постоянного магнита в намагничивающей оснастке.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют намагничивающую оснастку, которая содержит множество катушек индуктивности, намотанных вокруг магнитного сердечника, причем количество катушек индуктивности намагничивающей оснастки равно количеству полюсов ротора.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что дополнительно совмещают Q-оси полюса ротора с катушками индуктивности намагничивающей оснастки и совмещают D-оси полюса ротора с центрами полюсов намагничивающего элемента намагничивающей оснастки.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что возбуждают намагничивающую оснастку посредством импульсного постоянного тока.