РОТОР ЭЛЕКТРОМАШИНЫ Российский патент 2012 года по МПК H02K1/27 H02K21/12 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано при проектировании синхронных высокооборотных генераторов и электродвигателей, обеспечивающих высокую мощность при малых массогабаритных параметрах.

Известен ротор электрической машины, содержащий ярмо с расположенными на нем постоянными магнитами разноименной полярности, на которых размещены полюсные наконечники. На наружной поверхности полюсных наконечников концентрично оси ротора выполнены кольцевые канавки, служащие для размещения бандажа, охватывающего все полюсные наконечники (см. SU 1677806 A1, H02K 21/14, 1989).

При высоких частотах вращения ротора у него снижается надежность работы из-за повышенных механических напряжений в бандаже. Надежность устройства можно повысить за счет увеличения поперечного сечения бандажа, что приведет к увеличению массы и габаритов устройства и незначительному увеличению прочности.

Наиболее близким к данному изобретению устройством является ротор электромашины, содержащий полый вал из немагнитного материала и надетый на него цилиндр, выполненный из магнитно-мягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, в продольных радиальных пазах которого размещены постоянные магниты, зафиксированные немагнитными металлическими клиньями, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра (см. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.30, рис.1.27).

Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения высокой мощности при ограниченных массогабаритных показателях устройства, которую можно было бы получить за счет повышения частоты вращения ротора, в связи с недостаточной механической прочностью ротора, приводящей к возможности его разрушения при эксплуатации в режиме повышенных частот вращения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение механической прочности длинного ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости без увеличения его массогабаритных параметров, и предотвращение чрезмерных радиальных расширений ротора при вращении с целью использования наружной поверхности ротора в качестве цапфы газового подшипника.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности использования газового слоя в зазоре между втулкой, размещенной в статоре и зафиксированной в торцевых щитах, и ротором электромашины для организации газового подшипника и за счет этого отказа от подшипников качения. Кроме того, повышается ресурс электромашины при работе на повышенных и высоких частотах вращения. При этом прогиб вала электромашины отсутствует, что очень существенно для длинных мощных электромашин.

Для решения поставленной задачи ротор электромашины, содержащий полый вал из немагнитного материала и надетый на него цилиндр, выполненный из магнитно-мягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, в продольных радиальных пазах которого размещены постоянные магниты, зафиксированные немагнитными металлическими клиньями, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра, отличается тем, что цилиндр жестко скреплен с полым валом и немагнитными металлическими клиньями по всей площади их контактов, при этом торцы ротора жестко скреплены с цилиндрическими втулками, выполненными из немагнитного металла, соосными и жестко скрепленными с полым валом, кроме того, цилиндрические втулки снабжены сквозными проточками, ориентированными параллельно продольной оси цилиндра, при этом сквозные проточки совпадают по количеству и местоположению с продольными радиальными пазами цилиндра и превышают их размеры на величину, достаточную для свободного прохода через них постоянных магнитов, кроме того, постоянные магниты снабжены средствами их фиксации в продольных радиальных пазах цилиндра, кроме того, наружная поверхность цилиндра снабжена бандажом, выполненным намоткой на него гибкой нити из высокопрочного немагнитного материала, например углеродного волокна, при этом внешней поверхности бандажа придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости поверхности цилиндрическим втулкам. При этом нити в бандаже скреплены пропиткой твердеющими синтетическими смолами.

Средства фиксации постоянных магнитов в продольных радиальных пазах цилиндра выполнены в виде деталей из немагнитного металла, повторяющих поперечное сечение сквозных проточек цилиндрических втулок, и размещены с натягом в сквозных проточках, в контакте с торцами постоянных магнитов. Кроме того, свободный торец, по меньшей мере, одной цилиндрической втулки закрыт ввинчиваемой или запрессованной крышкой. Кроме того, для скрепления жестко соединяемых деталей ротора использована вакуумно-диффузионная сварка.

Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак «…цилиндр жестко скреплен с полым валом и немагнитными металлическими клиньями по всей площади их контактов, при этом торцы ротора жестко скреплены с цилиндрическими втулками, выполненными из немагнитного металла, соосными и жестко скрепленными с полым валом…» обеспечивает возможность работы электрической машины и позволяет увеличить прочность цилиндрических втулок, значительно уменьшить их расширение в радиальном направлении от действия центробежных сил и тем самым предотвратить заклинивание газового подшипника при высоких окружных скоростях ввиду малости радиального зазора газового подшипника.

Признак «…цилиндрические втулки снабжены сквозными проточками, ориентированными параллельно продольной оси цилиндра, при этом сквозные проточки совпадают по количеству и местоположению с продольными радиальными пазами цилиндра и превышают их размеры на величину, достаточную для свободного прохода через них постоянных магнитов…» позволяет выполнить сборку индуктора после вакуумно-диффузионной сварки.

Признак «…постоянные магниты снабжены средствами их фиксации в продольных радиальных пазах цилиндра…» позволяет предотвратить смещение магнитов в осевом направлении и тем самым предотвратить разбалансировку ротора при вращении.

Признаки «…наружная поверхность цилиндра снабжена бандажом, выполненным намоткой на него гибкой нити из высокопрочного немагнитного материала, например углеродного волокна…» позволяют увеличить прочность ротора и значительно уменьшить его расширение от действия центробежных сил при окружных скоростях на внешнем диаметре ротора до 400 м/с и более, предотвратить заклинивание газового подшипника при высоких окружных скоростях,

Признак «…внешней поверхности бандажа придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости поверхности, цилиндрическим втулкам…» предназначен для обеспечения необходимой цилиндрической формы поверхности цапфы и шероховатости ее поверхности для использования этой поверхности в качестве цапфы газового подшипника.

Признак «…нити в бандаже скреплены пропиткой твердеющими синтетическими смолами…» позволяет повысить класс чистоты поверхности бандажа.

Признак «…средства фиксации постоянных магнитов в продольных радиальных пазах цилиндра выполнены в виде деталей из немагнитного металла, повторяющих поперечное сечение сквозных проточек цилиндрических втулок, и размещены с натягом в сквозных проточках, в контакте с торцами постоянных магнитов…» конкретизирует возможный вариант исполнения средств фиксации.

Признак «…свободный торец, по меньшей мере, одной цилиндрической втулки закрыт ввинчиваемой или запрессованной крышкой…» позволяет выполнить сборку индуктора после вакуумно-диффузионной сварки всего ротора, а наличие крышек позволяет уменьшить вентиляционные потери.

Признак «…для скрепления жестко соединяемых деталей ротора использована вакуумно-диффузионная сварка…» позволяет обеспечить дополнительную прочность и жесткость конструкции.

Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез ротора, на фиг.2, 3 - его поперечные сечения, на фиг.4 показан продольный разрез электромашины.

Ротор электромашины содержит полый вал 1 из немагнитного материала и надетый на него цилиндр 2, выполненный из магнитно-мягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, в продольных радиальных пазах 3 которого размещены постоянные магниты 4, зафиксированные немагнитными металлическими клиньями 5, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра 2. Цилиндр 2 жестко скреплен с полым валом 1 и немагнитными металлическими клиньями 5 по всей площади их контактов. При этом торцы ротора жестко скреплены с цилиндрическими втулками 6, 7, выполненными из немагнитного металла, соосными и жестко скрепленными с полым валом 1. Цилиндрические втулки 6, 7 снабжены сквозными проточками 8, ориентированными радиально и параллельно продольной оси цилиндра 2, при этом сквозные проточки 8 совпадают по количеству и местоположению с продольными радиальными пазами 3 цилиндра 2 и превышают их размеры на величину, достаточную для свободного прохода через них постоянных магнитов 4. Постоянные магниты 4 снабжены средствами их фиксации 9 в продольных радиальных пазах 3 цилиндра 2. Средства фиксации 9 постоянных магнитов 4 в продольных радиальных пазах 3 цилиндра 2 выполнены в виде деталей из немагнитного металла, повторяющих поперечное сечение сквозных проточек 8 цилиндрической втулки 7, и размещены с натягом в сквозных проточках 8 цилиндрической втулки 7, в контакте с торцами постоянных магнитов 4. Торец цилиндрической втулки 6 закрыт крышкой 10, которая жестко скреплена с этой втулкой. На вал 1 надевают стопорное кольцо 11 для предотвращения осевого перемещения магнитов 4 в пазах 3. Втулка 7 закрыта съемной крышкой 12. Наружная поверхность цилиндра 2 снабжена бандажом 13, выполненным намоткой на него гибкой нити из высокопрочного немагнитного материала, например углеродного волокна. При этом внешней поверхности бандажа 13 придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости поверхности цилиндрическим втулкам 6, 7. При этом нити в бандаже 13 скреплены пропиткой твердеющими синтетическими смолами.

Для скрепления жестко соединяемых деталей ротора использована вакуумно-диффузионная сварка.

На чертеже (фиг.4) показан корпус 14, в полости которого установлен сердечник статора 15, выполненный известным образом из одного или нескольких пакетов электротехнической стали с обмоткой 16. В полости статора 15 установлена цилиндрическая втулка 17, выполненная из изоляционного немагнитного материала, например стеклотекстолита, с антифрикционным покрытием внутренней поверхности втулки, например, ВАП-3. Втулка 17 жестко зафиксирована от проворачивания своими концевыми участками в торцевых щитах 18, 19 корпуса 14 машины.

Между наружной поверхностью цилиндрических втулок 6, 7, бандажа 13 и внутренней поверхностью изоляционной немагнитной втулки 17 оставлен небольшой зазор, открытый со стороны торцевых щитов 18, 19. Газодинамический подшипник составляют внутренняя поверхность втулки 17, наружная поверхность цилиндрических втулок 6, 7, бандажа 13 и зазор между ними. На чертеже (см. фиг.3) показаны также перемычки 20, формирующие проточки 8 грушевидной формы.

Ротор собирают в следующем порядке (фиг.2). На вал 1 надевают цилиндр 2. Подбор материалов позволяет использовать вакуумно-диффузионную сварку для получения заготовки ротора, представляющей из себя монолитную композицию (после первого этапа вакуумно-диффузионной сварки), включающую вал 1 из немагнитной стали и цилиндр 2 из магнитно-мягкого материала с высокой магнитной проницаемостью.

Далее заготовку ротора подвергают механической обработке, в процессе которой по периметру цилиндра 2 на одинаковом расстоянии друг от друга вырезают радиальные пазы 3 на всю длину цилиндра. Из немагнитного материала, например нержавеющей стали, изготавливают две цилиндрические втулки 6 и 7 с пазами необходимой конфигурации и торцевые крышки 10, 12. Во втулку 6 устанавливают стопорное кольцо 11. В пазы 3 цилиндра 2 вставляют немагнитные клинья 5, на вал 1 надевают цилиндрические втулки 6, 7 с необходимой ориентацией и устанавливают крышку 10. Полученную сборку подвергают вакуумно-диффузионной сварке. Затем на наружную поверхность цилиндра наматывают нить 13 из высокопрочного немагнитного материала, например углеродного волокна, которую связывают твердеющими синтетическими смолами. После отвердевания смолы наружную поверхность бандажа 13 подвергают механической обработке, например шлифованию с последующей притиркой с целью формирования гладкой цилиндрической поверхности необходимого диаметра и шероховатости.

Затем полученную конструкцию подвергают термическому расширению, для чего ее помещают в нагревательную печь и нагревают до рабочей температуры магнитов 4, обеспечивающей достаточное расширение для свободного проталкивания постоянных магнитов 4 в пазы 8 через цилиндрическую втулку 7. Постоянные магниты 4 фиксируют средствами фиксации 9 и устанавливают крышку 12.

Заявленное устройство работает следующим образом. Приводной механизм (на чертеже не показан) приводит во вращение ротор. При вращении газ в зазоре увлекается наружной поверхностью ротора и создает газодинамическую подъемную силу за счет разности зазоров в верхней и нижней частях подшипника (за счет эксцентричности продольной оси ротора и втулки), обеспечивающую поддержание ротора в подвешенном положении относительно втулки 17, неподвижной относительно статора 15.

Работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано при проектировании синхронных высокооборотных генераторов и электродвигателей, обеспечивающих высокую мощность при малых массогабаритных параметрах. Предлагаемый ротор электромашины содержит полый вал из немагнитного материала и надетый на него цилиндр, выполненный из магнитно-мягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, в продольных радиальных пазах которого размещены постоянные магниты, зафиксированные немагнитными металлическими клиньями, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра, при этом согласно настоящему изобретению цилиндр жестко скреплен с полым валом и немагнитными металлическими клиньями по всей площади их контактов, при этом торцы ротора жестко скреплены с цилиндрическими втулками, выполненными из немагнитного металла, соосными и жестко скрепленными с полым валом, кроме того, цилиндрические втулки снабжены сквозными проточками, ориентированными параллельно продольной оси цилиндра, при этом сквозные проточки совпадают по количеству и местоположению с продольными радиальными пазами цилиндра и превышают их размеры на величину, достаточную для свободного прохода через них постоянных магнитов, кроме того, постоянные магниты снабжены средствами их фиксации в продольных радиальных пазах цилиндрических втулок, кроме того, наружная поверхность цилиндра снабжена бандажом, выполненным намоткой на него гибкой нити из высокопрочного немагнитного материала, например углеродного волокна, при этом внешней поверхности бандажа придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости поверхности указанным цилиндрическим втулкам. Нити в бандаже скреплены пропиткой твердеющими синтетическими смолами. Средства фиксации постоянных магнитов в продольных радиальных пазах цилиндра выполнены в виде деталей из немагнитного металла, повторяющих поперечное сечение сквозных проточек цилиндрических втулок, и размещены с натягом в сквозных проточках, в контакте с торцами постоянных магнитов. Кроме того, свободный торец, по меньшей мере, одной цилиндрической втулки закрыт ввинчиваемой или запрессованной крышкой. При этом для скрепления жестко соединяемых деталей ротора использована вакуумно-диффузионная сварка. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в значительном повышении механической прочности предлагаемого ротора электромашины, а также в увеличении ее ресурса при работе на повышенных и высоких частотах вращения за счет организации газового подшипника между ротором и втулкой, размещенной в статоре и закрепленной в торцевых щитах, и тем самым в обеспечении возможности отказа от подшипников качения. Кроме того, у предложенного ротора электромашины отсутствует прогиб, так как в качестве цапфы используется вся поверхность ротора. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ротор электромашины, содержащий полый вал из немагнитного материала и надетый на него цилиндр, выполненный из магнитно-мягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, в продольных радиальных пазах которого размещены постоянные магниты, зафиксированные немагнитными металлическими клиньями, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра, отличающийся тем, что цилиндр жестко скреплен с полым валом и немагнитными металлическими клиньями по всей площади их контактов, при этом торцы ротора жестко скреплены с цилиндрическими втулками, выполненными из немагнитного металла, соосными и жестко скрепленными с полым валом, кроме того, цилиндрические втулки снабжены сквозными проточками, ориентированными параллельно продольной оси цилиндра, при этом сквозные проточки совпадают по количеству и местоположению с продольными радиальными пазами цилиндра и превышают их размеры на величину, достаточную для свободного прохода через них постоянных магнитов, кроме того, постоянные магниты снабжены средствами их фиксации в продольных радиальных пазах цилиндра, кроме того, наружная поверхность цилиндра снабжена бандажом, выполненным намоткой на него гибкой нити из высокопрочного немагнитного материала, например углеродного волокна, при этом внешней поверхности бандажа придана цилиндрическая форма, соответствующая по диаметру и шероховатости поверхности цилиндрическим втулкам.

2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что нити в бандаже скреплены пропиткой - твердеющими синтетическими смолами.

3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что средства фиксации постоянных магнитов в продольных радиальных пазах цилиндра выполнены в виде деталей из немагнитного металла, повторяющих поперечное сечение сквозных проточек цилиндрических втулок, и размещены с натягом в сквозных проточках, в контакте с торцами постоянных магнитов.

4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что свободный торец, по меньшей мере, одной цилиндрической втулки закрыт ввинчиваемой или запрессованной крышкой.

5. Ротор по п.1, отличающийся тем, что для скрепления жестко соединяемых деталей ротора использована вакуумно-диффузионная сварка.