УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЗАЖИМА И ФИКСАЦИИ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ И УЛУЧШЕНИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЕ Российский патент 2011 года по МПК H02K1/27 H02K21/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в целом, к устройствам и способам сборки электрических машин с постоянными магнитами и, более конкретно, к устройству и способу крепления магнитов в роторе машины.

Уровень техники

Постоянные магниты делают целесообразным создание электрических машин (определяемых здесь как электродвигатели и генераторы) посредством использования данных магнитов, а не электромагнитов, для генерации поля. Как правило, магниты закрепляют на внутреннем роторе, но также используется крепление на наружном роторе. В генераторе вращения магнитных полей магнитов на роторе индуцируют напряжения и токи в радиально наружном статоре. В электродвигателе магниты реагируют на напряжения и токи, подаваемые к статору, и вызывают вращение ротора.

Электрические машины с постоянными магнитами являются более компактными и простыми и требуют меньшего технического обслуживания, чем электрические машины с электромагнитами, за счет того, что в них не требуются обмотки электромагнитов. Современные магниты из редкоземельных элементов образуют характеризующийся значительно большей плотностью источник сильного магнитного потока по сравнению с обмотками и имеют большой поток и способны выдерживать достаточно высокие температуры. Получающиеся в результате компактные машины находят применения в конструкциях, в которых размеры, масса и эффективность (кпд) имеют важное значение, таких как генераторы в гондолах ветровых генераторов мощности, расположенных наверху высоких опор, или таких как электродвигатели, для которых пространство имеет исключительно важное значение.

Постоянные магниты устанавливают с обеспечением так называемой конфигурации поверхностного крепления на поверхности ротора, где их полюса ориентируют в радиальном и аксиальном направлениях.

Одна из проблем, связанных с изготовлением машин с постоянными магнитами, - это крепление магнитов к ротору. Обычно устанавливаемые на поверхности магниты закрепляют посредством присоединения (приклеивания) их к поверхности ротора. Хотя клей, как правило, представляет собой эпоксидную смолу, данный клей сам по себе часто недостаточен при условии сильного магнитного притяжения магнитов к ферромагнитному материалу статора, который отделен от них только очень малым воздушным зазором. Крепление на роторе еще более затруднено при условии воздействия центростремительных сил на магниты вследствие вращения ротора, что имеет место при нормальной работе, но в особенности при завышении скорости вращения. В случае магнитов, закрепленных на роторе, также используется «обвязывание» бандажом из не содержащего железа материала (такого как лента из стекловолокна, углеродного волокна или кевлара), при этом ленту плотно наматывают вокруг окружной периферии приклеенных магнитов и затем подвергают термоотверждению.

Требуется более надежное средство для крепления устанавливаемых на поверхности магнитов в электрической машине, которое и является предметом данного изобретения.

Раскрытие изобретения

Соответственно, задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и устройства для зажима и фиксации постоянных магнитов на поверхности ротора электрической машины.

Охлаждение электрических машин всегда представляет собой проблему, и дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение средства для охлаждения ротора.

Дополнительные задачи и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из нижеприведенного описания предпочтительных вариантов осуществления, которое при рассмотрении его совместно с сопровождающими чертежами проиллюстрирует в качестве примера принципы изобретения.

Краткое описание чертежей

Лучшее понимание вышеуказанных и других задач, особенностей и преимуществ может быть обеспечено посредством нижеприведенного подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на чертежи, в которых:

фиг.1 иллюстрирует ротор электрической машины с магнитами, приклеенными к его наружной поверхности;

фиг.2 иллюстрирует ротор и статор электрической машины в сечении с магнитами, приклеенными к поверхности ротора, а также зафиксированными на месте посредством имеющих форму двутавровой балки, зажимных профильных элементов (gripping bars), установленных в аксиальных пазах в конструкции ротора, при этом также проиллюстрированы теплоотдача и охлаждение, обеспечиваемые посредством зажимного продольного элемента;

фиг.3 иллюстрирует ротор и статор электрической машины на частичном поперечном разрезе с магнитами, приклеенными к поверхности ротора, а также зафиксированными на месте посредством имеющих форму двутавровой балки, зажимных профильных элементов, установленных в аксиальных пазах в конструкции ротора, посредством использования уступа на каждом магните; также проиллюстрированы теплоотдача и охлаждение, обеспечиваемые зажимными профильными элементами;

фиг.4 иллюстрирует ротор электрической машины на частичном поперечном разрезе с магнитами, приклеенными к поверхности ротора, а также зафиксированными на месте посредством имеющего форму сдвоенного ласточкина хвоста, зажимного профильного элемента, установленного в аксиальном пазу в конструкции ротора, при использовании магнитов, имеющих сопрягаемые поверхности; также проиллюстрированы теплоотдача и охлаждение, обеспечиваемые зажимным профильным элементом;

фиг.5 иллюстрирует ротор электрической машины на частичном поперечном разрезе с профильным элементом с двутавровым профилем, когда его устанавливают в сильно нагретом и расширенном состоянии, и когда он затем охлаждается и подвергается усадке для фиксации примыкающих магнитов;

фиг.6 иллюстрирует применение закрепленных на поверхности магнитов, при этом показано использование зажимного профильного элемента из неферромагнитного материала;

фиг.7 иллюстрирует один из многих пазов в литом или механически обработанном роторе;

фиг.8 иллюстрирует один из многих контуров пазов, образованных путем пробивки на пластинах шихтованного ротора;

фиг.9 иллюстрирует один из многих контуров пазов, образованных путем пробивки на пластинах шихтованного ротора, с вентиляционными зазорами между выбранными пластинами, при этом зазоры образованы через заданные интервалы;

фиг.10 иллюстрирует частичное поперечное сечение вентилируемого ротора в вентиляционном зазоре;

фиг.11 иллюстрирует вентилируемый ротор с двумя круговыми рядами постоянных магнитов, удерживаемых зажимными профильными элементами с вентиляционными отверстиями, обеспечивающими отвод охлаждающего воздуха из центральной камеры, при этом имеются вентиляционные зазоры между круговыми рядами постоянных магнитов; и

фиг.12 иллюстрирует вентилируемый ротор и статор с вентиляционными зазорами, расположенными с заданными интервалами.

Осуществление изобретения

В нижеприведенном описании настоящего изобретения сделана ссылка на сопровождающие чертежи, которые образуют часть описания и в которых в качестве иллюстрации показаны приведенные в качестве примера варианты осуществления, иллюстрирующие принципы настоящего изобретения и то, каким образом оно может быть реализовано на практике. Следует понимать, что другие варианты осуществления могут быть использованы для реализации настоящего изобретения на практике и что могут быть выполнены конструктивные и функциональные изменения данных вариантов без отхода от объема настоящего изобретения.

Обычное крепление магнитов: Как проиллюстрировано на фиг.1, обычный способ крепления постоянных магнитов 1 - это простое приклеивание их к поверхности 2 ротора 3 посредством использования клея 4. Также показан вал 5, обеспечивающий вращение ротора 3. Лучший способ, представляющий собой предмет данного изобретения, проиллюстрирован на фиг.2, где зажимной профильный элемент 10 зафиксирован в сердечнике 17 ротора и контактирует с магнитами 1. Зажимной профильный элемент 10, например, имеет поперечное сечение, подобное форме сечения двутавровой балки, и имеет такую же длину, как ротор 3, при этом нижняя часть двутаврового профиля вставлена в имеющий аналогичную форму внутренний паз 11, образованный в сердечнике 17 ротора, посредством чего сердечник 17 ротора и другой конец зажимного профильного элемента 10 перекрывают два соседних магнита 1 и, таким образом, обеспечивают прочное удерживание их на поверхности 2 ротора.

Магниты 1 приклеивают на поверхности 2 просто в качестве сборочной операции для удерживания их на месте для установки зажимного профильного элемента, и не требуется образование бандажа на роторе.

Магниты 1 имеют простые криволинейные формы, которые соответствуют форме поверхности 2 ротора, и зажимной профильный элемент 10 просто перекрывает наружную в радиальном направлении поверхность 16 магнита. Зажимной профильный элемент 10 обязательно находится ближе к статору 13, чем магниты 1, и в воздушном зазоре 15 между ротором 3 и статором 13.

Часть зажимного профильного элемента 10, выступающая в сердечник 17 ротора, обеспечивает канал 14 для охлаждения, посредством которого теплота от окружающих магнитов 1 и сердечника 17 отводится наружу.

В альтернативном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.3, форма магнита 1 включает в себя уступ 20 для приема зажимного профильного элемента 10, который находится дальше от статора 13, чем магнит 1.

В дополнительном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4, зажимной профильный элемент 10 имеет поперечное сечение с формой в виде сдвоенного ласточкина хвоста 30, при этом магнит 1 и паз 11 имеют сопрягающиеся поверхности 31.

В дополнительном варианте осуществления зажимной профильный элемент 10 имеет поперечное сечение с формой в виде комбинации двутаврового профиля и ласточкина хвоста.

Предпочтительно магниты 1 приклеивают на месте, и зажимной нагревательный элемент 10 нагревают и, следовательно, обеспечивают его расширение и затем вставляют в паз 11 в еще горячем состоянии. Как проиллюстрировано на фиг.5, нагретый зажимной профильный элемент 40 расширен и не удерживает магнит 1, но холодный зажимной профильный элемент 41 подвергается усадке и образует плотный зажим между наружной в радиальном направлении поверхностью 42 паза 11 и наиболее удаленной в радиальном направлении поверхностью 16 магнитов.

Как проиллюстрировано на фиг.6, закрепленные на поверхности магниты имеют радиальные полюса 71, и для поддержания заданного радиального магнитного потока 70, излучаемого полюсами 71, неферромагнитный зажимной профильный элемент 72 должен быть выполнен из неферромагнитного материала с тем, чтобы не оказывать воздействия на траекторию нормального магнитного потока 70. Материал представляет собой алюминий, нержавеющую сталь, углеродное волокно, подвергнутое полтрузии стекловолокно или другой немагнитный материал.

Ротор 3 или представляет собой литой черный металл, или образован шихтованными секциями, которые уменьшают вихревые токи. Как проиллюстрировано на фиг.7, для литого ротора литейная форма обеспечивает образование внутренних пазов 11 для заделывания зажимного профильного элемента 10. Альтернативно, пазы 11 образуют посредством механической обработки или фрезерования.

Как проиллюстрировано на фиг.8, для шихтованного ротора 60 паз 11 с определенным поперечным сечением образуют путем пробивки на каждой пластине 61, и полный паз 11 образуется, когда пластины 61 будут склеены вместе.

Как проиллюстрировано на фиг.9, для вентилируемого шихтованного ротора 80 с вентиляционными зазорами 73 паз 11 с определенным поперечным сечением образуют путем пробивки на каждой пластине 61, и полный паз 11 образуется, когда пластины 61 будут склеены вместе. Через заданные интервалы в пластинах имеется вентиляционный зазор 73, который обеспечивает возможность прохода потока воздуха из камеры 74 вала радиально наружу. Пластина 61, расположенная рядом с каждым вентиляционным зазором 73, удерживается разделительными стержнями 18, которые установлены в радиальном направлении между выбранными пластинами.

Как проиллюстрировано на фиг.10, охлаждающий воздух 14 проходит вдоль вала 5 ротора и из камеры 74 вала радиально наружу через сердечник ротора, параллельно разделительным стержням 18, и проходит мимо зажимных профильных элементов 10.

Как дополнительно проиллюстрировано на фиг.11, при данной конфигурации вращающиеся зажимные профильные элементы 10 выступают в воздушный зазор за магниты и служат в качестве вентиляторов для обеспечения движения воздуха 14 в воздухе, окружающем ротор (в воздушном зазоре 15), и это способствует охлаждению ротора. Вентиляционные зазоры 73, как правило, находятся в зазорах между разнесенными в продольном направлении магнитами 1 для избежания ситуации, при которой разнесенные в окружном направлении зажимные профильные элементы 10 полностью блокируют проход потока.

Как проиллюстрировано на фиг.12, вентилирование ротора внутри обеспечивается посредством вентиляционных зазоров 73, которые обеспечивают проход охлаждающего воздуха 14 из камеры 74 вала радиально наружу через сердечник ротора 3 к воздушному зазору 15. Вентиляционные зазоры 73 также выполнены в статоре 13, чтобы обеспечить возможность того, что воздушный поток 14 будет способствовать отводу тепла от статора 13 и обмоток 6 статора.

Альтернативные варианты осуществления: Несмотря на то что ряд иллюстративных вариантов осуществления изобретения был показан и описан, многочисленные разновидности и альтернативные варианты осуществления могут быть придуманы специалистами в данной области техники. Например, магниты закреплены на поверхности статора, а не ротора, и зажимной профильный элемент и паз используются для статора; ротор может представлять собой наружный ротор, вращающийся вокруг якоря; и зажимной профильный элемент имеет другие формы, отличные от формы двутавра и ласточкина хвоста, например, такие как форма гантели с криволинейными поверхностями. Подобные разновидности и альтернативные варианты осуществления, а также другие предусмотрены и могут быть выполнены без отхода от сущности и объема изобретения в том виде, как оно определено в приложенной формуле изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами, и касается особенностей конструктивного выполнения устройства для зажима и фиксации постоянных магнитов на поверхности ротора электрической машины, а также способа осуществления зажима и фиксации постоянных магнитов. Согласно настоящему изобретению устройство, предназначенное для удерживания, по меньшей мере, одного создающего магнитный поток постоянного магнита на поверхности ротора электрической машины во время охлаждения машины, содержит, по меньшей мере, один паз, заглубленный от поверхности и простирающийся от одного конца указанной поверхности и, по меньшей мере, один зажимной профильный элемент, вставленный в соответствующий, по меньшей мере, один паз, имеющий выступ, выступающий за поверхность для входа в контакт с, по меньшей мере, одним магнитом, при этом, по меньшей мере, один паз и, по меньшей мере, один зажимной профильный элемент выполнены с формой, обеспечивающей возможность удерживания, по меньшей мере, одного зажимного профильного элемента в соответствующем, по меньшей мере, одном пазу для удерживания, по меньшей мере, одного введенного в контакт магнита на поверхности устройства. Технический результат - обеспечение надежного зажима и фиксации постоянных магнитов на поверхности ротора электрической машины при одновременном обеспечении средства для его охлаждения. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство, предназначенное для удерживания, по меньшей мере, одного создающего магнитный поток постоянного магнита на поверхности электрической машины во время охлаждения машины, причем устройство содержит:
(a) по меньшей мере, один паз, заглубленный от поверхности и простирающийся от одного конца поверхности; и
(b) по меньшей мере, один зажимной профильный элемент, вставленный в соответствующий, по меньшей мере, один паз, причем упомянутый зажимной профильный элемент имеет выступ, выступающий за поверхность для сцепления, по меньшей мере, с одним магнитом, при этом упомянутый, по меньшей мере, один паз и упомянутый, по меньшей мере, один зажимной профильный элемент выполнены в форме, обеспечивающей возможность удерживания, по меньшей мере, одного зажимного профильного элемента в соответствующем, по меньшей мере, одном пазу для удерживания, по меньшей мере, одного сцепленного магнита на поверхности, при этом зажимной профильный элемент обеспечивает канал для отвода теплоты из объема машины, окруженного поверхностью.

2. Устройство по п.1, в котором дополнительно, по меньшей мере, один зажимной профильный элемент вставлен в соответствующий, по меньшей мере, один паз, при этом данный элемент находится в нагретом и расширенном состоянии, и, по меньшей мере, один зажимной профильный элемент удерживается в соответствующем, по меньшей мере, одном пазу и сцепляется, по меньшей мере, с одним магнитом, когда, по меньшей мере, один зажимной профильный элемент охлаждается и подвергается усадке.

3. Устройство по п.1, дополнительно содержащее клей, нанесенный между, по меньшей мере, одним магнитом и поверхностью для дополнительного удерживания, по меньшей мере, одного магнита на поверхности.

4. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, один зажимной профильный элемент дополнительно выполнен из неферромагнитного материала, чтобы не оказывать воздействия на магнитный поток, по меньшей мере, одного магнита.

5. Устройство по п.1, в котором выступ зажимного профильного элемента дополнительно выполнен с формой двутаврового профиля.

6. Устройство по п.1, в котором магнит выполнен ступенчатым для сцепления с выступом зажимного профильного элемента.

7. Устройство по п.1, в котором выступ зажимного профильного элемента выполнен в форме ласточкина хвоста.

8. Устройство по п.7, в котором магнит дополнительно выполнен в форме с наклонной стороной для сцепления с выступом зажимного профильного элемента.

9. Устройство по п.1, в котором упомянутая поверхность выполнена с возможностью вращения, указанный объем вентилируется для обеспечения прохода охлаждающего воздуха, и в упомянутом канале для отвода теплоты дополнительно имеет место движение воздуха через упомянутые вентиляционные зазоры, вызванное вращающимся зажимным профильным элементом.

10. Электрическая машина, содержащая:
(a) ротор и окружающий статор, причем ротор имеет центральную ось;
(b) по меньшей мере, один постоянный магнит, создающий магнитный поток;
(c) поверхность, выбранную из группы, состоящей из поверхности ротора, самой дальней от оси, и поверхности статора, ближайшей к оси;
(d) по меньшей мере, одно зажимное устройство, предназначенное для удерживания, по меньшей мере, одного магнита на поверхности, содержащее:
i. паз, заглубленный от поверхности и простирающийся от одного конца поверхности; и
ii. зажимной профильный элемент, вставленный в паз и простирающийся за поверхность для сцепления, по меньшей мере, с одним магнитом; при этом зажимной профильный элемент обеспечивает канал для отвода теплоты из объема, окруженного поверхностью;
при этом зажимной профильный элемент и паз выполнены с такой формой, что зажимной профильный элемент удерживается в пазу, и сцепленный, по меньшей мере, один магнит удерживается на поверхности во время охлаждения машины с помощью канала для отвода теплоты в зажимном профильном элементе.

11. Электрическая машина по п.10, дополнительно содержащая клей, нанесенный между, по меньшей мере, одним магнитом и поверхностью для дополнительного удерживания, по меньшей мере, одного магнита на поверхности.

12. Электрическая машина по п.10, в которой, по меньшей мере, один зажимной профильный элемент выполнен из неферромагнитного материала, чтобы не оказывать воздействия на магнитный поток, по меньшей мере, одного магнита.

13. Электрическая машина по п.10, в которой выступ зажимного профильного элемента выполнен в форме двутаврового профиля.

14. Электрическая машина по п.10, в которой магнит выполнен ступенчатым для входа в контакт с выступом зажимного профильного элемента.

15. Электрическая машина по п.10, в которой выступ зажимного профильного элемента выполнен с формой в виде ласточкина хвоста.

16. Электрическая машина по п.15, в которой магнит выполнен в форме с наклонной стороной для сцепления с зажимным профильным элементом.

17. Электрическая машина по п.10, в которой упомянутая поверхность выполнена с возможностью вращения, объем вентилируется посредством зазоров для обеспечения прохода охлаждающего воздуха, и в упомянутом канале для отвода теплоты дополнительно имеет место движение воздуха через вентиляционные зазоры, вызванное вращающимся зажимным профильным элементом.

18. Способ удерживания, по меньшей мере, одного постоянного магнита на поверхности электрической машины во время охлаждения машины, причем способ содержит:
(a) формирование паза, заглубленного от поверхности и начинающегося у одного конца поверхности;
(b) формирование зажимного профильного элемента с формой, обеспечивающей возможность его вставки в паз, при этом формы зажимного профильного элемента и паза выбраны такими, чтобы обеспечить возможность удерживания зажимного профильного элемента в пазу, в то время как зажимной профильный элемент выступает за поверхность и входит в контакт с, по меньшей мере, одним магнитом и удерживает, по меньшей мере, один магнит на поверхности;
(c) дополнительное формирование зажимного профильного элемента для обеспечения канала для отвода теплоты из объема, окруженного поверхностью; и
(d) вставку зажимного профильного элемента в паз при одновременном его сцеплении, по меньшей мере, с одним магнитом, причем зажимной профильный элемент и паз выполнены с такой формой, что зажимной профильный элемент удерживается в пазу, и сцепленный, по меньшей мере, один магнит удерживается на поверхности во время охлаждения машины с помощью канала для отвода теплоты в зажимном профильном элементе.

19. Способ по п.18, в котором дополнительно зажимной профильный элемент вставляют в паз, пока паз находится в нагретом и расширенном состоянии, и, будучи охлажденным и суженным, паз обеспечивает удерживание, по меньшей мере, одного магнита у поверхности.

20. Способ по п.18, в котором упомянутый объем вентилируется для обеспечения прохода охлаждающего воздуха, причем объем выполнен с возможностью вращения, чтобы побуждать зажимной профильный элемент функционировать как вентилятор для обеспечения движения воздуха через вентиляционные зазоры и усиления охлаждения.