Неявнополюсный и явнополюсный массивные роторы электрической машины со слоем шихтованного градиентного материала Российский патент 2021 года по МПК H02K1/26 H02K3/12 H02K15/02 

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано при разработке высокооборотных синхронных электрических машин повышенной мощности.

Наиболее близкими по технической сущности являются следующие изобретения.

1. Роторная система асинхронной электрической машины RU 2104608, 10.02.1998, где неявнополюсный массивный ротор, напрессованный на вал, выполнен с кольцевыми канавками, заполненными на всю глубину ферромагнитным диэлектрическим материалом, а также с осевыми канавками, заполненными электропроводящим немагнитным материалом на определенную высоту.

Недостатками этого устройства являются: недостаточная технологичность - сложность фрезерования и проточки кольцевых и осевых канавок на поверхности массивного ротора и их заполнения на определенную глубину ферромагнитным диэлектрическим и электропроводящим немагнитным материалами. Недостаточная прочность - так как неявнополюсный массивный ротор напрессован на вал, то при достижении высоких скоростей вращения (24000 оборотов в минуту) будут наблюдаться образования критических частот в рабочем диапазоне частоты вращения, а также значительный прогиб вала. Низкая единичная мощность - конструкция данной роторной системы подходит только для асинхронных электрических машин малой и средней мощности, что не позволяет применять данное изобретение в других типах электрических машин высокой мощности.

2. Ротор высокооборотной синхронной электрической машины RU 2382472, 01.12.2008, где ротор выполнен в виде стянутых друг с другом в осевом направлении идентичных кольцевых пластин, в каждой из которых сформированы немагнитные зоны в форме кольцевых фрагментов, расположенные по наружному диаметру и ограничивающие снаружи пространство пазов. При этом, кольцевые пластины изготовлены из сплошного магнитного градиентного материала (например, из магнитной аустенитной стали), обладающего возможностью изменять свои магнитные свойства с помощью специальной механической или термической обработки.

Недостатками этого устройства являются: недостаточная прочность - так как стянутые друг с другом в осевом направлении идентичные кольцевые пластины закреплены на валу, то при достижении высоких скоростей вращения (24000 оборотов в минуту) будут наблюдаться образования критических частот в рабочем диапазоне частоты вращения, а также значительный прогиб вала. Также, на высоких скоростях вращения центробежные силы могут стать причиной смещения стянутых идентичных кольцевых пластин друг относительно друга, что может привести к образованию неравномерности воздушного зазора и риску зацепа пакета листов ротора о статор.

Задачей предлагаемого изобретения является изменение конструкции ротора, с целью увеличения единичной мощности роторной системы для последующего ее применения в высокооборотных синхронных электрических машинах повышенной мощности, а также повышение прочности конструкции.

Техническим результатом является повышение уровня единичной мощности роторной системы, технологичности конструкции, и ее прочности.

Заявленный технический результат достигается тем, что ротор высокооборотной электрической машины выполнен в виде ферромагнитного массива, в котором изготовлены пазы для размещения обмоток из проводников, на наружной поверхности ротора установлена цилиндрическая шихтованная обойма из магнитного градиентного материала, при этом на обойме сформированы немагнитные зоны, ограничивающие снаружи пространство пазов для размещения обмоток.

Ротор может быть выполнен в виде неявнополюсного ферромагнитного массива.

Ротор может быть выполнен в виде явнополюсного ферромагнитного массива Технический результат достигается следующими путями:

1. Отказ от фрезерования и проточки кольцевых канавок на поверхности массивного ротора, вместо этого на поверхности массива помещается шихтованная обойма из градиентного материала (например - хромоникелевая сталь марки Х18Н9Т) цилиндрической формы, которая уменьшает добавочные потери в поверхностном слое массивного ротора от высших гармоник вихревых токов. А также ограничивает величину намагничивающего тока, в виду неизменности эквивалентного воздушного зазора для магнитного потока взаимной индукции. Поскольку основная часть добавочных потерь в массивном роторе от высших гармоник поля (около 80%) определяется первой парой зубцовых гармоник, и их затухание в массиве велико, то глубина шихтов в обойме ограничена и, как правило, не превышает 1,5-3,0 мм.

2. Отказ от напресовки ферромагнитного массивного ротора на вал, вместо этого, ротор с валом точатся из единого массива и представляют собой единую конструкцию, что позволяет избежать: критического влияния центробежных сил, прогиба вала на высоких скоростях вращения и образования критических частот в рабочем диапазоне частот вращения.

На поверхности неявнополюсного ферромагнитного массива цилиндрической размещают шихтованную обойму из градиентного материала, который имеет возможность изменять свои магнитные свойства, а именно обретать свойства немагнитных материалов в местах воздействия механической обработки. Таким материалом, например, может служить магнитная хромоникелевая сталь марки Х18Н9Т, на которой, с помощью специальной механической обработки, формируют немагнитные зоны, представляющие собой фрагменты, расположенные по наружному диаметру ротора и ограничивающие снаружи пространство пазов для размещения обмоток.

На поверхности явнополюсного ферромагнитного массива размещают цилиндрическую шихтованной обоймы из градиентного материала, на которой, с помощью специальной механической обработки, сформированы немагнитные зоны, представляющие собой фрагменты, расположенные по наружному диаметру ротора и ограничивающие снаружи пространство пазов для размещения обмоток и клиньев.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема ротора четырехполюсной неявнополюсной машины, а на фиг. 2 - схема ротора четырехполюсной явнополюсной машины.

На фигурах обозначены: 1 - массив ротора, 2 - обмотка, размещенная в пазе, 3 - обойма, 4 - немагнитные зоны, 5 - клин.

В обоих случаях образованные немагнитные зоны 4 по магнитоэлектрической проницаемости эквивалентны воздуху и заменяют собой элементы конструкции (например - клинья или бандаж) из классических схем компоновки. Расположение сформированных немагнитных зон 4 обусловлено отсутствием в данных местах ротора распределения магнитного потока. Специальная механическая обработка представляет собой воздействие с необходимым механическим усилием (согласно техническим условиям на конкретную градиентную сталь) на отведенные участки градиентного материала (например - хромоникелевой стали Х18Н9), после которого обработанные участки обретают свойства немагнитного материала. Магнитные зоны выполняют функции ярма, а немагнитные зоны - немагнитных участков над пазами и клиньями 5 в классических конструкциях роторов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании высокооборотных синхронных электрических машин повышенной мощности. Ротор представляет собой ферромагнитный неявнополюсный или явнополюсный массив. На поверхности ферромагнитного массива располагают цилиндрическую шихтованную обойму из градиентного материала, имеющую магнитные и немагнитные зоны. Немагнитные зоны представляют собой фрагменты, расположенные по наружному диаметру и ограничивающие сверху пространство пазов. Шихтованная обойма изготовлена из материала, который имеет возможность изменять свои магнитные свойства, а именно обретать свойства немагнитных материалов в местах воздействия механической обработки. Таким материалом, например, может служить магнитная хромоникелевая сталь марки Х18Н9Т. Технический результат заключается в повышении уровня единичной мощности роторной системы, технологичности конструкции и ее прочности. Технический результат достигается за счет отказа от фрезерования и проточки кольцевых канавок на поверхности ферромагнитного массивного ротора, а также отказа от напрессовки ротора на вал и совместной обработки ротора и вала из единого массива. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ротор высокооборотной электрической машины, выполненный в виде ферромагнитного массива, в котором изготовлены пазы для размещения обмоток из проводников, на наружной поверхности ротора установлена цилиндрическая шихтованная обойма из магнитного градиентного материала, при этом на обойме сформированы немагнитные зоны, ограничивающие снаружи пространство пазов для размещения обмоток.

2. Ротор высокооборотной электрической машины, выполненный в виде ферромагнитного массива по п. 1, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде неявнополюсного ферромагнитного массива.

3. Ротор высокооборотной электрической машины, выполненный в виде ферромагнитного массива по п. 1, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде явнополюсного ферромагнитного массива.