Ротор высокоскоростной электрической машины с постоянными магнитами Российский патент 2024 года по МПК H02K1/28 H02K1/2753 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в высокоскоростных электрических машинах с постоянными магнитами коллекторного типа с тангенциально намагниченными магнитами, расположенными между ферромагнитными полюсами. Техническим результатом является повышение надежности и долговечности электрической машины.

Известен ротор электрической машины с тангенциально намагниченными магнитами, расположенными между полюсами, выполненными в виде секторов из электротехнической стали, служащих для концентрации магнитного потока [Электрические машины c постоянными магнитами: учебное пособие / А.Ф. Шевченко, А.Г. Приступ. - Новосибирск, изд-во НГТУ, 2016. - 64 с. 2. Высокооборотные электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами: учебное пособие/ Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, В.Е. Вавилов. - М.: Изд-во «Инновационное машиностроение», 2017. - 248 с.]. В такой конструкции магниты устанавливаются между полюсами на немагнитную втулку (вал) таким образом, чтобы оси намагничивания были направлены тангенциально, а полярность смежных постоянных магнитов была одноименна (ротор «коллекторного типа»). Для обеспечения механической прочности ротора на магниты накладывается немагнитная вставка, привариваемая к полюсам.

Недостатками данной конструкции являются низкая механическая прочность, дополнительный нагрев полюсов ротора и постоянных магнитов от высших гармоник поля, ограниченные функциональные возможности, обусловленные незначительными скоростями вращения ротора.

Известен ротор электрической машины (высокоскоростного генератора) [патент РФ № 2552846 С1, Н02К 1/27, Н02К 15/03, 10.06. 2015, БИ №16], содержащий вал, на котором установлено ярмо ротора с постоянными магнитами, бандажную оболочку и стержни в торцевых поверхностях ярма для крепления магнитной системы.

Недостатком данной конструкции является наличие бандажной оболочки, увеличивающей величину воздушного зазора. Кроме того, в случае выполнения бандажной оболочки в виде металлического стакана, требующего дополнительно в технологическом плане предварительного напряженного состояния, в ней наводятся вихревые токи от высших гармонических составляющих, что приводит к дополнительным потерям и разогреву ротора.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является ротор, состоящий из слоистого стального тела, сформированного путем укладки в осевом направлении одна на другую множества магнитных пластин сердечника, образующих фактически, индуктор [патент РФ № 2597218 С2 H02K 1/27, Н02К 1/06, 10.04.2016 БИ №10]. В предложенной конструкции, тангенциально намагниченные магниты располагаются в прямоугольных пазах пластин сердечника, а пазы для удержания магнитов в радиальном направлении от действия центробежных со стороны воздушного зазора имеют перемычки.

Недостатками данной конструкции являются наличие магнитных перемычек, шунтирующих часть магнитного потока постоянных магнитов, поэтому их нельзя выполнить широкими в радиальном направлении. С другой стороны, прочность ротора определяется, фактически, шириной указанных перемычек в радиальном направлении. Низкая для больших окружных скоростей ротора механическая прочность мест крепления и удержания постоянных магнитов и полюсов, при дополнительном нагреве магнитных перемычек от высших гармоник поля, приводит к снижению надежности работы долговечности электрической машины с постоянными магнитами коллекторного типа.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности и долговечности электрической машины с постоянными магнитами коллекторного типа.

Технический результат достигается тем, что в магнитной системе, включающей постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, размещенные между ними полюсы ротора выполнены в виде ряда ферромагнитных электрически изолированных друг от друга секторных пластин, сопрягаемых в аксиальном направлении между собою посредством двух кольцевых соединений типа «шип-паз», расположенных на поверхностях секторов друг над другом в радиальном направлении. При этом набор секторных пластин фиксируется с торцов фланцами из немагнитной высокопрочной стали, например, 36НХТЮ, 5Х4Г18 или титана посредством аналогичных соединений типа «шип-паз», а фланцы соединены жестко с валом электрической машины. Также между кольцевыми соединениями пластин индуктора и фланцев расположены отверстия для фиксирующих шпилек, дополнительно скрепляющих секторы полюсов и фланцы в аксиальном направлении.

На фиг. 1 представлено продольно-осевое сечение ротора.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение ротора.

Ротор содержит полый немагнитный вал 1 с укрепленными на нем по гарантированной посадке фланцами 2 и 3, выполненными из немагнитной конструкционной стали. Между фланцами 2 и 3 находятся секторные пластины 4, сопрягаемые в аксиальном направлении между собою посредством двух кольцевых соединений типа «шип-паз», расположенных на поверхностях секторов друг над другом в радиальном направлении, и постоянные магниты 5, расположенные между секторными пластинами 4. Секторные пластины 4 в сборе образуют индуктор ротора (полюсы) и быть выполнены или из электротехнической стали или из конструкционной стали с хорошими магнитными свойствами по магнитной проницаемости и намагниченности, например, 12ХН3А или 30ХГСА. Радиальному перемещению магнитов 5 препятствует клин 6, выполненный из немагнитной конструкционной стали или титана. Секторные пластины индуктора и фланцы стягиваются в аксиальном направлении через отверстия шпильками 7, выполненными из конструкционной стали с хорошими магнитными свойствами по магнитной проницаемости и намагниченности.

При работе электрической машины с большой скоростью вращения в элементах ротора - полюсах и шпильках, возникают большие механические радиальные и тангенциальные напряжения. При этом шпильки, стягивающие пластины (секторы) ротора, деформируется в радиально-аксиальном направлении и без дополнительных мер не способны противостоять аксиальной деформации резьбового соединения, а также радиальной деформации ротора, приводящей к уменьшению величины воздушного зазора. Для обеспечения прочности индуктора в условиях высоких скоростей вращения при дополнительном его нагреве от высших пространственных и временных гармоник магнитного поля индуктор выполнен из секторных пластин, сопрягаемых в аксиальном направлении между собою посредством двух кольцевых соединений типа «шип-паз», расположенных на поверхностях секторов друг над другом в радиальном направлении. Фактически такое соединение является подобием распределенной по объему индуктора шпилькой. Количество секторных пластин индуктора, выполненных из высокопрочной конструкционной стали с хорошими магнитными свойствами по магнитной проницаемости и намагниченности, определяется с одной стороны снижением потерь в индукторе от вихревых токов, а с другой стороны - возможностью технологического выполнения секторной пластины с кольцевым соединением типа «шип - паз». Повышение прочности индуктора ротора приводит к повышению его надежности и долговечности. При этом удаленный от воздушного зазора клин из немагнитной конструкционной стали или титана, препятствующий радиальному перемещению магнитов, не создает замыкающих контуров магнитного потока полюсов.

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом является повышение надежности и долговечности электрической машины. Ротор высокоскоростной электрической машины содержит переменно-полюсную магнитную систему, включающую постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, и размещенные между ними полюсы. Особенностью изобретения является выполнение полюсов ротора в виде ряда ферромагнитных электрически изолированных друг от друга секторных пластин, сопрягаемых в аксиальном направлении между собою посредством двух кольцевых соединений типа «шип-паз», расположенных на поверхностях секторов друг над другом в радиальном направлении. Набор секторных пластин фиксируется с торцов фланцами из немагнитной высокопрочной стали или титана посредством аналогичных соединений типа «шип-паз», а также посредством стягивающих шпилек. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ротор высокоскоростной электрической машины, содержащий переменно-полюсную магнитную систему, включающую постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, и размещенные между ними полюсы, отличающийся тем, что полюсы ротора выполнены в виде ряда ферромагнитных электрически изолированных друг от друга секторных пластин, сопрягаемых в аксиальном направлении между собою посредством двух кольцевых соединений типа «шип-паз», расположенных на поверхностях секторов друг над другом в радиальном направлении, а набор секторных пластин фиксируется с торцов фланцами из немагнитной высокопрочной стали или титана посредством аналогичных соединений типа «шип-паз», а также посредством стягивающих шпилек.

2. Ротор высокоскоростной электрической машины по п.1, отличающийся тем, что секторные пластины выполнены из магнитной конструкционной стали и с предварительным фосфатированием поверхностей.