СПОСОБ НАМАГНИЧИВАНИЯ РОТОРА ЭЛЕКТРОМАШИНЫ, НАМАГНИЧИВАЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РОТОРА ЭЛЕКТРОМАШИНЫ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРА ЭЛЕКТРОМАШИНЫ Российский патент 2015 года по МПК H01F13/00 H02K15/03 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Изобретение относится в целом к электромашинам и, более конкретно, к намагничиванию роторов с постоянными магнитами в электромашинах.

[0002] В целом, электромашина, такая как двигатель или генератор, содержит ротор, расположенный в статоре и используемый для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. В некоторых электромашинах используются типы роторов с постоянными магнитами, причем такие роторы обеспечивают уменьшение размеров и повышение результирующего КПД указанной машины. Такой ротор в целом содержит кольцевой постоянный магнит, расположенный вокруг шпинделя ротора. В крупногабаритных машинах постоянный магнит по существу выполняют путем сборки нескольких постоянных магнитов вокруг шпинделя ротора. В целом, сегменты постоянных магнитов намагничивают до сборки на шпинделе ротора. Например, сегменты постоянного магнита разрезают и вытачивают с получением необходимой формы из более крупных необработанных магнитных блоков, после чего указанные сегменты индивидуально намагничивают в соленоидной катушке. В некоторых областях применения, особенно в крупногабаритных машинах, намагничивание сегментов постоянного магнита достигается с помощью вектора намагниченности, предложенного К.Хальбахом (известного также как намагниченность Хальбаха), который при приложении к поверхности постоянных магнитов дает в результате более синусоидальную форму распределения магнитного потока в электромашине, благодаря чему уменьшаются потери гармоник переменного тока, а также снижаются пульсации вращающего момента, вибрация и акустический шум. Затем сегменты постоянного магнита приклеивают к шпинделю ротора.

[0003] Однако сборка ротора из предварительно намагниченных сегментов постоянных магнитов может быть трудоемким процессом, особенно в крупногабаритных электромашинах, поскольку может быть продолжительной и неудобной. Указанный процесс может требовать приложения значительных усилий и выполнения центрирования с помощью механических устройств для обеспечения установки и удерживания возбужденных сегментов постоянных магнитов. Процесс может вызвать физические повреждения в случае, если возбужденные блоки постоянных магнитов перестают удерживаться. Таким образом, для удобства изготовления ротор собирают с ненамагниченными магнитами и сразу намагничивают путем приложения необходимых магнитных полей к указанным магнитам. Кроме того, электромашины, например высокоскоростной электродвигатель, могут также содержать удерживающее кольцо или стопорное кольцо, установленное вокруг узла постоянного магнита на роторе и обеспечивающее предотвращение разламывания и рассыпания указанного узла под действием центробежных сил. Часто стопорное кольцо выполнено из металлического материала и, следовательно, обладает присущей металлам значительной электрической проводимостью. Во время намагничивания магнитов металлическое стопорное кольцо или удерживающее кольцо, расположенное вокруг узла постоянного магнита, возбуждается вихревыми токами, которые препятствуют намагничиванию указанных магнитов.

[0004] Соответственно, существует необходимость в более простом и эффективном способе намагничивания ненамагниченных сегментов магнита в роторах электромашин, в которых для удержания магнита в синхронной машине переменного тока с постоянным магнитом используется металлическое стопорное кольцо.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] В соответствии с одним вариантом выполнения изобретения предложен способ намагничивания ротора электромашины. Указанный способ включает сборку массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита вокруг шпинделя ротора, заключенного в стопорное кольцо. Способ также включает определение оптимальных направлений ориентации намагничивания указанных сегментов. Кроме того, способ включает позиционирование собранных ненамагниченных сегментов вокруг шпинделя ротора, так что оптимальные направления ориентации намагничивания указанных сегментов выровнены в направлении линий магнитного потока, созданного намагничивающим устройством. Наконец, способ включает возбуждение намагничивающего устройства для намагничивания сегментов с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса.

[0006] В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения предложена намагничивающая система для ротора электромашины. Указанная система содержит намагничивающее ярмо, содержащее отходящие от него полюсные наконечники. Система также содержит катушки, намотанные вокруг указанных полюсных наконечников. Кроме того, намагничивающая система содержит намагничивающую цепь для возбуждения намагничивающего устройства с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса.

[0007] В соответствии с еще одним вариантом выполнения изобретения предложен способ изготовления ротора электромашины. Указанный способ включает выполнение роторного узла с массивом ненамагниченных сегментов постоянного магнита, расположенных вокруг шпинделя ротора, заключенного в стопорное кольцо. Способ также включает выполнение намагничивающей системы, присоединенной к роторному узлу. Указанная система содержит намагничивающее ярмо, дополнительно содержащее отходящие от него полюсные наконечники. Система также содержит катушки, намотанные вокруг указанных полюсных наконечников, и намагничивающую цепь для возбуждения намагничивающего устройства с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса. Наконец, способ включает намагничивание указанного массива ненамагниченных сегментов роторного узла с помощью магнитного поля, созданного при возбуждении намагничивающего устройства.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны после прочтения нижеследующего подробного описания, выполненного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на всем протяжении которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:

[0009] Фиг.1 изображает систему намагничивания ротора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения.

[0010] Фиг.2 изображает намагничивающую цепь системы намагничивания ротора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения.

[0011] Фиг.3 схематически иллюстрирует распределение магнитного потока при пиковом значении тока в четверти сечения намагничивающего устройства и ротора постоянного тока в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения.

[0012] Фиг.4 изображает иллюстративный график импульса намагничивающего тока в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

[0013] Фиг.5 изображает блок-схему способа намагничивания ротора электромашины в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения.

[0014] Фиг.6 изображает блок-схему иллюстративного способа изготовления ротора электромашины в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0015] Как подробно рассмотрено ниже, варианты выполнения изобретения направлены на намагничивание ротора электромашины с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса. Используемое в данном документе выражение «закорачивающая перемычка» относится к электрической цепи, применяемой для предотвращения повреждения цепей, присоединенных к блоку питания, в результате перенапряжения указанного блока. Данное изобретение относится к способам сборки ротора, содержащего ненамагниченные сегменты постоянного магнита с металлическим стопорным кольцом, и намагничивания ротора в намагничивающей системе, которое включает протекание тока в течение оптимальной длительности импульса. Данное изобретение также направлено на расчет оптимального «времени включенного состояния» переключателя, управляющего током, которое необходимо для эффективного намагничивания сегментов постоянного магнита ротора путем подавления вихревых токов в стопорном кольце ротора.

[0016] При введении элементов различных вариантов выполнения данного изобретения подразумевается, что использование их названий в единственном числе и термина «указанный» означает наличие одного или более определяемых элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» являются включающими и означают, что возможно наличие дополнительных элементов, отличающихся от перечисленных. Любые примеры рабочих параметров не исключают других параметров описанных вариантов выполнения.

[0017] На фиг.1 изображена намагничивающая система 10 для намагничивания ротора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения. Система 10 содержит намагничивающее устройство 12, проходящее вдоль продольной оси 13 и имеющее внутреннюю поверхность 11, которая ограничивает полость 14. Намагничивающее устройство 12 выполнено с возможностью генерации магнитных полей в полости 14. Для намагничивания ненамагниченных сегментов постоянного магнита роторного узла 16 указанный узел 16 надежно установлен вдоль продольной оси 13 в полости 14 устройства 12.

[0018] Как показано в данном документе, узел 16 содержит шпиндель 18 ротора, установленный на валу 20. В одном варианте выполнения вал 20 может быть выполнен за одно целое с валом 18 ротора. В другом варианте выполнения шпиндель 18 и вал 20 выполнены из ферромагнитного материала. В иллюстративном варианте выполнения узел 16 содержит роторные полюсные наконечники 21, 22, 23 и 24, расположенные вокруг шпинделя 18. Каждый полюсный наконечник содержит ненамагниченные сегменты 19 постоянного магнита. Указанные сегменты 19 расположены вокруг шпинделя 18 с образованием кольцевого массива. В соответствии с одним аспектом данного изобретения сегменты роторного узла 16 образуют массив Хальбаха (т.е. массив, полученный путем намагничивания по способу Хальбаха, описанного выше), обеспечивающий создание по существу синусоидального распределения магнитного потока с низким содержанием гармоник в электромашине. Это уменьшает потери от гармоник переменного тока, пульсации вращающего момента, вибрацию и акустический шум. В массиве Хальбаха (как показано в полюсном наконечнике 21) направление 17 ориентации каждого сегмента 19 таково, что оно проходит приблизительно по касательной к направлению вращения ротора на поперечной оси (далее называемой Q-осью) каждого наконечника 21, 22, 23 и 24 и приблизительно по нормали к направлению вращения на продольной оси (далее называемой D-осью) каждого наконечника 21, 22, 23 и 24. D-ось может быть определена как местоположение в магнитном полюсе, где магнитное поле направлено в наибольшей степени радиально, тогда как Q-ось обычно соответствует местоположению в магнитном полюсе, где магнитное поле направлено в наибольшей степени по периферии. Следует отметить, что, хотя Q- и D-оси магнитного полюса отличаются электрически на 90º, их относительное физическое расположение зависит от геометрических параметров и числа полюсов ротора. Например, в четырехполюсном роторе Q- и D-оси каждого полюса разнесены на угол, составляющий ровно 45º.

[0019] Как показано на фиг.1, роторный узел 16 также содержит стопорное кольцо 26, покрывающее внешнюю периферию узла 16 с обеспечением закрепления сегментов 19 в заданном положении в указанном узле 16. В одном конкретном варианте выполнения стопорное кольцо 26 выполнено из высокопрочного металла для обеспечения существенного центробежного удерживания магнитных сегментов. Намагничивающее устройство 12 выполнено с возможностью генерации магнитных полей в полости 14 для намагничивания ненамагниченных анизотропных сегментов 19 постоянного магнита роторного узла 16.

[0020] Кроме того, намагничивающее устройство 12 содержит намагничивающие катушки, намотанные вокруг намагничивающего ярма 28. В целом число намагничивающих катушек выбирают равным числу полюсных наконечников ротора. Соответственно, устройство 12 содержит четыре намагничивающие катушки 30, 32, 34 и 36, расположенные в случае четырехполюсного ротора, например, в пазах 38, 40, 42 и 44, выполненных на ярме 28. Указанные катушки 30, 32, 34 и 36 соответствующим образом расположены в намагничивающей цепи 46. Катушки 30, 32, 34 и 36 дополнительно возбуждаются источником 48 энергии, выполненным в цепи 46. Намагничивающее устройство 44 также содержит намагничивающие полюсные наконечники 50, 52, 54 и 56, проходящие в направлении внутрь от ярма 28. Намагничивающие катушки 30, 32, 34 и 36 намотаны вокруг указанных наконечников 50, 52, 54 и 56 и создают магнитное поле в полости 14 при возбуждении источником 48 энергии. Источник 48 возбуждает намагничивающее устройство 44 для намагничивания сегментов с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности воздействующего импульса. В одном варианте выполнения катушки 30, 32, 34 и 36 содержат полые трубчатые катушки, выполненные с возможностью пропускания через них охладителя. Как показано на чертеже, намагничивающая цепь 46 также содержит полупроводниковый переключатель 47, выполненный с возможностью управления током во время зарядки или разрядки источника 48 в катушках 30, 32, 34 и 36. Цепь 46 также содержит по меньшей мере один закорачивающий диод 49 для обеспечения прохождения тока при нахождении переключателя 47 в непроводящем состоянии. Следует отметить, что намагничивающая система 10 может обеспечивать импеданс источника, равный импедансу намагничивающего устройства 44.

[0021] На фиг.2 изображена схема, показывающая намагничивающую цепь 100 (обозначенную номером 46 позиции на фиг.1) системы 10 в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения. Как показано на чертеже, указанная цепь 100 содержит источник 102 энергии для возбуждения катушек 104 (обозначенных как намагничивающие катушки 30, 32, 34 и 36 на фиг.1), расположенных в намагничивающем устройстве 12 системы 10 на фиг.1. Катушки 104 являются по существу индуктивными для создания магнитного поля, которое, в свою очередь, намагничивает ненамагниченные сегменты ротора. В одном варианте выполнения источник 102 представляет собой источник импульсного постоянного тока. Ток в цепи 100 возрастает от нуля до максимума в импульсном режиме. В одном варианте выполнения источник 48 представляет собой конденсаторный блок большой емкости. В другом варианте выполнения источник 102 представляет собой электрическую батарею. Следует отметить, что катушки 104, показанные на фиг.2, являются упрощенным изображением намагничивающих катушек в устройстве 12, показанном на фиг.1.

[0022] Кроме того, намагничивающая цепь 100 содержит полупроводниковый переключатель 106, последовательно соединенный с катушками 104 и источником 102 энергии. При работе переключатель 106 способен коммутировать ток во время разряда конденсаторного блока 102 в катушках 104. Это вызывает протекание непрерывного большого тока в катушках 104 только в течение короткого времени и предотвращает любое повреждение катушек 104. Цепь 100 дополнительно содержит закорачивающую цепь 110, присоединенную к катушкам 104. Таким образом, указанная цепь 110 обеспечивает путь разряда для энергии, запасенной в намагничивающем устройстве, после открытия переключателя 106. В одном варианте выполнения цепь 110 присоединена параллельно катушкам 104. Цепь 110 содержит по меньшей мере один закорачивающий диод 108. В одном варианте цепь 110 содержит несколько закорачивающих диодов 108. К неограничивающим примерам закорачивающего диода 108 относится обычный выпрямительный диод.

[0023] Фиг.3 схематически иллюстрирует распределение 200 магнитного потока намагничивающего устройства в четверти сечения намагничивающей системы 202 и роторного узла 204 с постоянным магнитом в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения. В четверти 200 сечения показаны линии 206 магнитного потока при пиковом значении тока в намагничивающей цепи 100 (показанной на фиг.2). При возбуждении намагничивающие катушки 208 создают линии 206 магнитного потока, проходящие через намагничивающий полюсный наконечник 209, стопорное кольцо 210 и роторный узел 204. Как проиллюстрировано в данном документе, распределение 200 намагничивающего потока полностью проникает в узел 204, содержащий стопорное кольцо 210 толщиной T_RR. Центр каждого намагничивающего полюса совпадает с D-осью полюса 210 ротора. Как показано в четверти сечения, полюс 210 ротора содержит сегменты 212 постоянного магнита, через которые проходят линии магнитного потока, вызывающие намагничивание. Магнитный поток также индуцирует вихревые токи в стопорном кольце 210. Вихревые токи в стопорном кольце действуют в качестве токов реакции, имеющих тенденцию к отклонению магнитного потока, созданного в намагничивающей системе 202. Указанные токи реакции в стопорном кольце, таким образом, препятствуют намагничиванию ненамагниченных сегментов 212 постоянного магнита в роторе 204. Для обеспечения исключения токов реакции в кольце 210 ток системы 10 (показанной на фиг.1) в цепи 100 (показанной на фиг.2) поддерживают на достаточном уровне в течение оптимальной длительности импульса намагничивающего тока.

[0024] Фиг.4 изображает график 300 приблизительно четверти синусоиды импульса 302 намагничивающего тока в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения. График 300 представляет собой зависимость намагничивающего тока от времени. По оси 304 абсцисс отложено время в миллисекундах. По оси 306 ординат отложен ток в амперах. На графике 300 отмечено время T₁, которое соответствует наклону S₁ в указанном импульсе 302. Наклон S₁ представляет собой крутой подъем линии импульса тока во время разряда тока от источника 102 энергии (показанного на фиг.2) к намагничивающим катушкам 208 (показанным на фиг.3). Период времени в импульсе 302 до времени T₁ иллюстрирует ненасыщенное намагничивание в устройстве 12, показанном на фиг.1. Кроме того, на графике 300 также отмечено время T₂, которое соответствует точке 82 в импульсе 302. Точка S₂ отображает пиковое значение тока и, кроме того, обозначает насыщенное намагничивание в устройстве 12, показанном на фиг.1. В момент времени Т₂ происходит переключение полупроводникового переключателя 106 (фиг.2), в результате чего протекание тока от источника 102 (фиг.2) прекращается. Таким образом, период времени от 0 до Т₂ (обозначаемый далее «T_RISE») представляет собой оптимальную длительность импульса 302 намагничивающего тока, в течение которой ток протекает через намагничивающие катушки 208 (показанные на фиг.3) и при этом возрастает до достижения полного проникновения магнитного потока в сегменты 212 магнита. После момента времени Т₂ ток в цепи 100 на фиг.2 начинает плавно спадать в результате резистивной разрядки через закорачивающий диод 108 в цепи 110 (показанной на фиг.2).

[0025] Временной период T_RISE, требуемый для полного проникновения магнитного потока в кольцо 210 и сегменты 212 (как показано на фиг.3), может быть удовлетворительно рассчитан с использованием многочисленных параметров стопорного кольца роторного узла. К неограничивающим примерам таких параметров могут относиться удельное электрическое сопротивление (ρ), магнитная проницаемость (µ) и толщина T_RR стопорного кольца. Указанная толщина T_RR может быть связана с глубиной 5 электрического скин-эффекта. Указанная глубина (δ) представляет собой фактическую толщину, в пределах которой возникающие вихревые токи удерживаются при конкретной частоте (f) приложенного осциллирующего магнитного поля в материале, имеющем свойства стопорного кольца 210. Частоту (f) обычно называют частотой скин-эффекта. При любой заданной частоте глубина (δ) скин-эффекта может быть рассчитана с помощью уравнения следующего вида:

$$\delta =\sqrt{\frac{c}{\rho f\mu }}(1)$$

[0026] Поскольку период T_RISE в целом равен ¹/₄ периода основной гармоники импульса 302 намагничивающего тока, то указанный период T_RISE может быть связан с частотой (f) скин-эффекта следующим образом:

$$T_{RISE}=\frac{1}{4}\cdot \frac{1}{f}(2)$$

[0027] В конкретном варианте выполнения толщина T_RR стопорного кольца меньше одной десятой глубины (δ) скин-эффекта для указанного кольца. Данное соотношение обеспечивает существенное уменьшение вихревых токов в стопорном кольце и, кроме того, обеспечивает полное проникновение магнитного потока в стопорное кольцо и сегменты магнита. Соответственно, оптимальный период T_RISE для случая, когда толщина стопорного кольца равна одной десятой глубины скин-эффекта, может быть выражен с использованием вышеупомянутых уравнений (1) и (2) следующим образом:

$$T_{RISE}>25T_{RR}^2\frac{\rho \mu }{c}(3)$$

[0028] Таким образом, период T_RISE в уравнении (3) обеспечивает оптимальную длительность тока для полного проникновения магнитного потока в стопорное кольцо и сегменты магнита. Оптимальным «временем включенного состояния» переключателя во время импульса 302, как проиллюстрировано на фиг.4, является временной период T_RISE.

[0029] На фиг.5 изображена блок-схема способа 400 намагничивания ротора электромашины в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения. На этапе 402 способа выполняют сборку массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита вокруг шпинделя ротора, заключенного в стопорное кольцо. Способ также включает определение оптимальных направлений ориентации намагничивания указанных сегментов на этапе 404. Некоторые магнитные материалы имеют анизотропные магнитные свойства и обладают предпочтительной направленностью для намагничивания. Сегменты постоянных магнитов изготавливают и располагают на роторе, так что направление предпочтительного намагничивания приблизительно выровнено в направлении ожидаемых линий магнитного потока на пике импульса намагничивания. Кроме того, на этапе 406 выполняют позиционирование собранных ненамагниченных сегментов постоянного магнита на основании определенных направлений ориентации в намагничивающем устройстве. Наконец, на этапе 408 выполняют возбуждение намагничивающего устройства для намагничивания сегментов с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса. В одном варианте выполнения при указанном возбуждении выполняют управление импульсным постоянным током, проходящим через намагничивающие катушки намагничивающего устройства в течение определенного периода. Таким образом, этап 408 по существу включает электрическое соединение источника энергии с намагничивающим устройством в течение оптимального промежутка времени. Как изложено выше, указанный период времени является определенным временным периодом T_RISE, представляющим собой время нарастания приблизительно одной четверти синусоиды импульса намагничивающего тока. Возбуждение намагничивающего устройства в течение периода T_RISE обеспечивает оптимальное проникновение магнитного потока через стопорное кольцо в роторный узел. Это уменьшает возникновение вихревых токов в стопорном кольце и предотвращает, таким образом, любое сопротивление намагничиванию сегментов постоянного магнита роторного узла.

[0030] На фиг.6 изображена блок-схема иллюстративного способа изготовления 500 ротора электромашины в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Способ начинают со сборки шпинделя ротора вокруг вала, как указано на этапе 502. Как изложено выше, в некоторых вариантах выполнения вал может быть изготовлен за одно целое со шпинделем ротора. На этапе 504 сегменты постоянного магнита собирают вокруг шпинделя ротора, так что предпочтительное направление намагничивания в отдельных сегментах приблизительно соответствует линиям магнитного потока на пике импульса намагничивания. В одном варианте выполнения эти сегменты приклеивают друг к другу и к шпинделю ротора. Вокруг сегментов постоянного магнита может быть расположено стопорное кольцо, как указано на этапе 506. Таким образом, способ включает выполнение роторного узла с массивом ненамагниченных сегментов постоянного магнита, расположенных вокруг шпинделя ротора, заключенного в стопорное кольцо. Затем способ продолжают этапом 508, на котором выполняют позиционирование роторного узла в намагничивающем устройстве намагничивающей системы. Как объяснено выше, этап 508 включает выравнивание направлений намагничивания сегментов в рассчитанном направлении магнитного потока, созданного намагничивающим устройством. Затем намагничивающие катушки возбуждают с помощью источника энергии, как указано на этапе 510. Данный источник энергии может быть настроен в соответствии с намагничивающим устройством, так что внутренний импеданс источника при нагрузке приблизительно совпадает с импедансом намагничивающего устройства. Это обеспечивает возможность максимального использования способности передачи энергии указанного источника. После намагничивания сегментов постоянного магнита роторный узел удаляют из намагничивающего устройства и устанавливают в статор (этап 512). Специалистам должно быть понятно, что процесс 500 может быть осуществлен при помощи полностью автоматизированной сборочной линии, полуавтоматически или даже вручную.

[0031] Преимущественно данный способ обеспечивает выполнение полного намагничивания роторного узла путем формирования импульса намагничивающего тока таким образом, что токи реакции в стопорном кольце уменьшаются во время приложения импульса и не уменьшают намагничивающий поток в объеме материала постоянного магнита, подвергающегося намагничиванию. Данный способ может содействовать намагничиванию ротора электромашины с помощью одноступенчатого процесса и, таким образом, исключает необходимость сборки ротора из предварительно намагниченных блоков, которая может быть неудобной и сложной операцией, как указано выше. Готовый намагниченный ротор создает улучшенное синусоидальное распределение магнитного потока в электромашине. Данный способ может использоваться в широком диапазоне электрооборудования, в том числе в двигателях и, в особенности, в больших высокоскоростных синхронных машинах, предназначенных, среди прочего, для компрессоров газопроводов, авиакосмических двигателей, авиакосмических генераторов, морских гребных электродвигателей.

[0032] Кроме того, специалисту должна быть очевидна взаимозаменяемость различных особенностей разных вариантов выполнения. Аналогичным образом, специалистом могут быть выполнены комбинации и согласование различных описанных этапов и особенностей способа, а также другие известные эквиваленты для каждого такого способа, для создания дополнительных систем и способов в соответствии с принципами данной заявки. Разумеется, следует понимать, что все вышеописанные цели или преимущества необязательно могут достигаться в любом конкретном варианте выполнения. Так, например, специалистам должно быть понятно, что системы и способы, описанные в данном документе, могут быть реализованы или выполнены способом, который обеспечивает достижение или оптимизацию одного преимущества или группы преимуществ, указанных в данном документе, без обязательного достижения других целей или преимуществ, указанных или подразумевающихся в данном документе.

[0033] Несмотря на то что в данном документе проиллюстрированы и описаны лишь некоторые особенности изобретения, специалистами в данной области техники может быть предложено множество модификаций и изменений. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации и изменения как находящиеся в рамках идеи изобретения.

ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ

10 намагничивающая система

12 намагничивающее устройство

14 полость

16 роторный узел

18 шпиндель ротора

19 ненамагниченные анизотропные сегменты постоянного магнита

20 вал

21 полюсный наконечник ротора

22 полюсный наконечник ротора

23 полюсный наконечник ротора

24 полюсный наконечник ротора

26 стопорное кольцо

28 намагничивающее ярмо

30 намагничивающие катушки

32 намагничивающие катушки

34 намагничивающие катушки

36 намагничивающие катушки

38 паз

40 паз

42 паз

44 паз

46 намагничивающая цепь

47 полупроводниковый переключатель

48 источник энергии

49 закорачивающий диод

50 намагничивающие полюсные наконечники

52 намагничивающие полюсные наконечники

54 намагничивающие полюсные наконечники

56 намагничивающие полюсные наконечники

100 намагничивающая цепь

102 источник энергии

104 катушки

106 полупроводниковый переключатель

108 закорачивающий диод

110 закорачивающая цепь

200 распределение магнитного потока

202 намагничивающая система

204 роторный узел с постоянным магнитом

206 линии магнитного потока

208 намагничивающие катушки

209 намагничивающий полюсный наконечник

210 стопорное кольцо

212 сегменты магнита

300 графическая иллюстрация приблизительно четверти синусоиды

302 импульс намагничивающего тока

304 ось абсцисс

306 ось ординат

400 способ намагничивания

402 этап сборки массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита вокруг шпинделя ротора, заключенного в стопорное кольцо

406 этап определения оптимальных направлений ориентации намагничивания ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита

408 этап возбуждения намагничивающего устройства для намагничивания сегментов с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса

500 способ изготовления ротора электромашины

502 этап сборки шпинделя ротора вокруг вала

504 этап сборки сегментов постоянного магнита вокруг шпинделя ротора, так что предпочтительное направление намагничивания в отдельных сегментах приблизительно соответствует линиям магнитного потока, созданным на пике импульса намагничивания

506 этап расположения стопорного кольца вокруг сегментов постоянного магнита

508 этап позиционирования роторного узла в намагничивающем устройстве намагничивающей системы

510 этап возбуждения намагничивающих катушек с помощью источника энергии

512 этап удаления роторного узла из намагничивающего устройства и его установки в статор

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам. Технический результат состоит в упрощении намагничивания. Способ включает сборку массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита вокруг шпинделя ротора, заключенного в металлическое кольцо. Затем определяют оптимальные направления намагничивания указанных сегментов, позиционируют собранные сегменты вокруг шпинделя ротора так, чтобы оптимальные направления ориентации намагничивания анизотропных сегментов постоянного магнита выровнены в направлении линий магнитного потока, созданного намагничивающим устройством. Возбуждение намагничивающего устройства для намагничивания сегментов осуществляют импульсным постоянным током в течение оптимальной длительности импульса, которая зависит от толщины, магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления стопорного кольца. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ намагничивания ротора электромашины, включающий:
сборку массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита вокруг шпинделя ротора, заключенного в стопорное кольцо,
определение оптимальных направлений ориентации намагничивания указанных сегментов,
позиционирование собранных указанных ненамагниченных сегментов вокруг шпинделя ротора, так что оптимальные направления ориентации намагничивания указанных сегментов выровнены в направлении линий магнитного потока, созданного намагничивающим устройством, и
возбуждение намагничивающего устройства для намагничивания указанных сегментов с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса,
причем указанная оптимальная длительность импульса зависит от толщины, магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления стопорного кольца и удовлетворяет выражению

в котором T_RISE является периодом времени оптимальной длительности, T_RR является толщиной стопорного кольца, µ является магнитной проницаемостью стопорного кольца, и ρ является удельным электрическим сопротивлением стопорного кольца.

2. Способ по п. 1, в котором при указанном возбуждении выполняют электрическое соединение источника энергии с намагничивающим устройством в течение оптимального промежутка времени.

3. Способ по п. 1, в котором в результате возбуждения намагничивающего устройства в течение оптимальной длительности импульса обеспечивают оптимальное проникновение магнитного потока через стопорное кольцо.

4. Способ по п. 1, в котором оптимальная длительность импульса является функцией толщины стопорного кольца.

5. Способ по п. 4, в котором толщина стопорного кольца меньше одной десятой глубины электрического скин-эффекта в указанном кольце.

6. Способ по п. 1, в котором оптимальная длительность импульса является функцией магнитной проницаемости стопорного кольца.

7. Способ по п. 1, в котором стопорное кольцо выполнено из высокопрочного металла.

8. Способ по п. 1, в котором оптимальные направления ориентации намагничивания сегментов постоянного магнита в целом выравнивают в направлении магнитного потока, созданного намагничивающим устройством.

9. Способ по п. 1, в котором при указанной сборке выполняют сборку ненамагниченных сегментов постоянного магнита по окружности на шпинделе ротора, заключенного в стопорное кольцо, перед позиционированием указанных сегментов в устройстве намагничивания.

10. Способ по п. 1, в котором намагничивающее устройство содержит катушки, намотанные вокруг магнитного сердечника, причем число указанных катушек равно числу полюсов ротора.

11. Способ по п. 1, в котором при определении оптимальных направлений ориентации сегментов постоянного магнита используют анализ методом конечных элементов.

12. Намагничивающая система для ротора электромашины, содержащая:
намагничивающее ярмо, которое содержит отходящие от него полюсные наконечники,
катушки, намотанные вокруг указанных полюсных наконечников, и
намагничивающую цепь для возбуждения намагничивающего устройства с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса,
причем указанная оптимальная длительность импульса зависит от толщины, магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления стопорного кольца и удовлетворяет выражению

в котором T_RISE является периодом времени оптимальной длительности, T_RR является толщиной стопорного кольца, µ является магнитной проницаемостью стопорного кольца, и ρ является удельным электрическим сопротивлением стопорного кольца.

13. Намагничивающая система по п. 12, в которой катушки представляют собой полые трубчатые катушки, выполненные с возможностью пропускания через них охладителя.

14. Намагничивающая система по п. 12, в которой указанная намагничивающая цепь содержит конденсаторный блок большой емкости и полупроводниковый переключатель.

15. Намагничивающая система по п. 12, в которой указанная намагничивающая цепь содержит электрическую батарею или генератор.

16. Намагничивающая система по п. 12, в которой катушки соединены параллельно с закорачивающим диодом намагничивающей цепи.

17. Намагничивающая система по п. 12, в которой полупроводниковый переключатель в проводящем состоянии обеспечивает прохождение тока в катушках для создания магнитного потока в ярме.

18. Намагничивающая система по п. 12, в которой закорачивающий диод обеспечивает прохождение тока при нахождении полупроводникового переключателя в непроводящем состоянии.

19. Намагничивающая система по п. 12, которая дополнительно обеспечивает импеданс источника, равный импедансу намагничивающего устройства.

20. Способ изготовления ротора электромашины, включающий:
выполнение роторного узла с массивом ненамагниченных сегментов постоянного магнита, расположенных вокруг шпинделя ротора, заключенного в стопорное кольцо,
использование намагничивающей системы, присоединенной к роторному узлу и содержащей:
намагничивающее ярмо, которое содержит отходящие от него полюсные наконечники,
катушки, намотанные вокруг указанных полюсных наконечников,
намагничивающую цепь для возбуждения намагничивающего устройства с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса, и
намагничивание указанного массива ненамагниченных сегментов роторного узла с помощью магнитного поля, созданного при возбуждении намагничивающего устройства,
причем указанная оптимальная длительность импульса зависит от толщины, магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления стопорного кольца и удовлетворяет выражению

в котором T_RISE является периодом времени оптимальной длительности, T_RR является толщиной стопорного кольца, µ является магнитной проницаемостью стопорного кольца, и ρ является удельным электрическим сопротивлением стопорного кольца.

21. Способ по п. 20, в котором при выполнении роторного узла осуществляют:
определение оптимальных направлений ориентации намагничивания ненамагниченных сегментов постоянного магнита, и
позиционирование собранных ненамагниченных сегментов постоянного магнита на основании линий магнитного потока, созданного намагничивающим устройством, причем указанный поток имеет максимальное значение в сегментах постоянного магнита.

22. Способ по п. 20, в котором выполняют сборку шпинделя ротора вокруг вала перед сборкой ненамагниченных сегментов постоянного магнита.

23. Способ по п. 20, в котором дополнительно удаляют ротор из намагничивающего устройства и устанавливают его в статоре.