Ротор электрической машины с постоянными магнитами Российский патент 2025 года по МПК H02K1/278 H02K21/14 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.

Аналогом является, например, «Индуктор синхронной электрической машины» с постоянными магнитами, предложенный в патенте РФ №2030065, H02K 1/27, опубликованном 27.02.1995. В аналоге индуктор (ротор) состоит из вала, втулки, постоянных магнитов и бандажа. Ротор, имеющий форму цилиндра, содержит полюсные и межполюсные постоянные магниты. Полюсные постоянные магниты намагничены радиально, а межполюсные постоянные магниты намагничены тангенциально. Межполюсные постоянные магниты прилегают к полюсным участкам разноименными полюсами. Полюсные и межполюсные магниты ротора размещаются на магнитопроводящем (магнитомягком) валу, материал которого намагничивается магнитами таким образом, что увеличивает магнитный поток в зазоре.

Наиболее близка к предлагаемому ротору электрической машины с постоянными магнитами конструкция ротора, приведенная в патенте EP 3 694 083 H02K 1/27, опубликованном 12.08.2020, «High speed compact rotor having high magnetic field» («Высокоскоростной компактный ротор с сильным магнитным полем»). В прототипе на валу ротора или на дополнительном опорном элементе, закрепленном на валу, установлена магнитная система из постоянных магнитов, например, из восьми постоянных магнитов. Половина из восьми постоянных магнитов имеет радиальную намагниченность, а четыре других постоянных магнитов имеет тангенциальную намагниченность. Постоянные магниты располагаются на валу таким образом, чтобы каждый из четырех магнитов, имеющих радиальную намагниченность, соприкасался с двумя из четырех магнитов, имеющих тангенциальную намагниченность. Два из четырех постоянных магнитов с радиальной намагниченностью имеют направление намагниченности от продольной оси вала к наружной поверхности ротора, эти постоянные магниты создают северные полюсы магнитного поля ротора. Два других постоянных магнита с радиальной намагниченностью имеют направление намагниченности от наружной поверхности ротора к продольной оси вала, эти постоянные магниты создают южные полюсы магнитного поля ротора. Постоянные магниты с радиальной намагниченностью установлены на валу так, чтобы полярность полюсов при обходе поверхности ротора по окружности чередовалась. Постоянные магниты с тангенциальной намагниченностью установлены на валу между постоянными магнитами с радиальной намагниченностью так, чтобы их намагниченность была направлена от постоянных магнитов с радиальной намагниченностью южных полюсов к постоянным магнитам с радиальной намагниченностью северных полюсов. Наружная поверхность всех постоянных магнитов имеет цилиндрическую форму, и для закрепления системы постоянных магнитов на наружную поверхность постоянных магнитов установлена внешняя цилиндрическая втулка (бандаж). В осевом направлении постоянные магниты зафиксированы двумя кольцами, закрепленными на валу и выполненными из латуни или «мягкой» стали (из нержавеющей немагнитной стали). При этом важно отметить, что осевой размер магнитов, то есть длина активной части ротора, ограниченная кольцами на валу, в прототипе равен осевой длине пакета магнитопровода статора, как показано на фиг. 1 прототипа. Ротор описанной выше конструкции имеет две пары полюсов магнитного поля. В прототипе указано, что аналогичная конструкция ротора может быть использована для создания другого числа пар полюсов магнитного поля и приведено описание конструкции ротора, имеющего три пары полюсов магнитного поля. В роторе, имеющем три пары полюсов магнитного поля, устанавливаются двенадцать постоянных магнитов, шесть из которых имеют радиальную намагниченность, а шесть других имеют тангенциальную намагниченность. Способ установки постоянных магнитов в роторе, имеющим две или три пары полюсов магнитного поля аналогичен. В прототипе сделан вывод, что конструкция ротора обеспечивает сильное магнитное поле и, следовательно, высокие характеристики двигателя с таким ротором. Постоянные магниты, установленные на роторе в прототипе, образуют магнитную систему Хальбаха, позволяющую получить в рабочем зазоре электрических машин между ротором и магнитопроводом статора высокую индукцию магнитного поля, и, значит, высокие момент и мощность на выходе электрической машины.

Однако индукция магнитного поля в рабочем зазоре между ротором и магнитопроводом статора, которую обеспечивает прототип не является предельно возможной, и ниже будет предложена конструкция ротора, позволяющая увеличить индукцию магнитного поля в рабочем зазоре.

Таким образом, недостатком прототипа является малая величина индукции магнитного поля, а значит, малая величина момента и мощности электрической машины.

Предлагаемое изобретение представляет ротор электрической машины с постоянными магнитами, позволяющий по сравнению с прототипом увеличить индукцию магнитного поля в рабочем зазоре, момент и мощность электрической машины.

Это достигается тем, что ротор электрической машины с постоянными магнитами, содержащий установленную на вал немагнитную втулку, на которой размещены постоянные магниты, образующие в сборке цилиндрическую наружную поверхность, при этом половина постоянных магнитов имеет радиальное направление намагничивающей силы, а вторая половина постоянных магнитов имеет тангенциальное направление намагничивающей силы, причем каждый постоянный магнит, имеющий радиальную намагниченность, соприкасается боковыми поверхностями с двумя постоянными магнитами, имеющими тангенциальную намагниченность, и постоянные магниты с радиальной намагничивающей силой, направленной от продольной оси ротора к его наружной поверхности образуют северные полюсы ротора, а постоянные магниты с радиальной намагничивающей силой, направленной от наружной поверхности ротора к его продольной оси образуют южные полюсы ротора, и осевой размер полюсов ротора равен осевой длине пакета магнитопровода статора, и полюсы установлены так, чтобы при обходе по окружности наружной поверхности ротора полярность полюсов ротора чередовалась, а постоянные магниты с тангенциальным направлением намагничивающей силы, установлены на роторе так, что их намагничивающая сила направлена к постоянным магнитам с радиальным направлением намагничивающей силы, образующим северные полюсы ротора, и элементы ротора закреплены цилиндрическим бандажом, охватывающим наружную поверхность ротора, выполнен со втулкой ротора, постоянными магнитами с тангенциальным направлением намагничивающей силы и бандажом, осевая длина которых превышает осевую полюсов ротора и пакета магнитопровода статора, при этом ротор расположен симметрично относительно магнитопровода статора, и на боковых сторонах втулки ротора, выступающих за пределы осевого размера постоянных магнитов, имеющих радиальное направление намагничивающей силы и образующих полюсы ротора, между постоянными магнитами с тангенциальным направлением намагничивающей силы, расположены постоянные магниты с осевым направлением намагничивающей силы, прилегающие к постоянным магнитам с радиальным направлением намагничивающей силы, образующим полюсы ротора, и имеющие такую же форму поперечного сечения в диаметральной плоскости ротора, как и торцевая поверхность постоянных магнитов с радиальным направлением намагничивающей силы, при этом при контакте постоянных магнитов с осевым направлением намагничивающей силы с северными полюсами ротора, их намагничивающие силы направлены к северным полюсам, а при контакте постоянных магнитов с осевым направлением намагничивающей силы с южными полюсами ротора, их намагничивающие силы направлены от южных полюсов ротора.

В прототипе магнитный поток каждого полюса ротора, созданный постоянными магнитами с радиальным направлением намагниченности, увеличивается за счет намагничивающей силы постоянных магнитов с тангенциальным направлением намагниченности, расположенными между полюсами ротора, как это происходит в магнитной системе Хальбаха. При этом полюсы ротора и постоянные магниты с тангенциальным направлением намагниченности в прототипе имеют осевой размер равный осевой длине пакета магнитопровода статора. В предлагаемом роторе электрической машины с постоянными магнитами осевой размер постоянных магнитов с радиальным направлением намагниченности так же, как и в прототипе равен длине пакета магнитопровода статора. Магнитный поток каждого полюса ротора также, как в прототипе, увеличивается за счет намагничивающей силы частей постоянных магнитов с тангенциальным направлением намагниченности, которые имеют осевой размер равный осевому размеру полюсов ротора. Но втулка предлагаемого ротора, постоянные магниты с тангенциальным направлением намагничивающей силы и бандаж выполнены с осевым размером, превышающим осевую длину полюсов ротора и пакета магнитопровода статора. И на боковых сторонах втулки ротора, выступающих за пределы осевого размера полюсов ротора и пакета магнитопровода статора, между постоянными магнитами с тангенциальным направлением намагничивающей силы, расположены постоянные магниты с осевым направлением намагничивающей силы, прилегающие к торцевым поверхностям постоянных магнитов с радиальным направлением намагничивающей силы. За счет намагничивающей силы постоянных магнитов с осевым направлением намагничивающей силы и намагничивающей силы частей постоянных магнитов с тангенциальным направлением намагничивающей силы, выступающих с двух сторон за пределы осевого размера полюсов ротора, магнитный поток каждого полюса ротора увеличивается дополнительно по сравнению с прототипом. В результате в предлагаемом роторе электрической машины с постоянными магнитами магнитный поток каждого полюса ротора будет выше, чем в прототипе.

Значит, предлагаемый ротор электрической машины обеспечит выше индукцию магнитного поля в рабочем зазоре машины, выше момент и мощность электрической машины.

Один из возможных вариантов конструкции предлагаемого ротора электрической машины с постоянными магнитами приведен ниже.

На фиг. 1а приведено осевое сечение предлагаемого ротора электрической машины с постоянными магнитами. На фиг. 1б, фиг. 1в и фиг. 1г показаны диаметральные сечения ротора, которые обозначены на фиг. 1а.

На фиг. 1а приведено осевое сечение предлагаемого ротора 1 и статора электрической машины, состоящего из пакета магнитопровода 2 и обмотки 3. Предлагаемое изобретение не затрагивает конструкцию статора, но здесь необходимо показать расположение предлагаемого ротора относительно пакета магнитопровода статора. Конструктивные элементы электрической машины - корпус, подшипниковые щиты, подшипники и другие элементы на фиг. 1а не показаны.

На фиг. 1б, фиг. 1в и фиг. 1г приведены диаметральные сечения ротора 1, пакета магнитопровода 2 и обмотки 3 в сечениях А-А, В-В и С-С, обозначенных на фиг. 1а.

На валу 4 ротора 1 закреплена немагнитная втулка 5, на которой собирается магнитная система ротора 1, состоящая из постоянных магнитов 6 и 7, имеющих радиальное направление намагничивающей силы, постоянных магнитов 8, имеющих тангенциальное направление намагничивающей силы, и постоянных магнитов 9, имеющих осевое направление намагничивающей силы. При необходимости получить минимальный диаметр ротора 1 система постоянных магнитов 6, 7, 8 и 9 может быть собрана непосредственно на валу 4. Намагничивающая сила постоянных магнитов 6 направлена от продольной оси ротора 1 к наружной поверхности ротора 1, постоянные магниты 6 образуют северные полюсы ротора 1. Намагничивающая сила постоянных магнитов 7 направлена от наружной поверхности ротора 1 к продольной оси ротора 1, и постоянные магниты 7 образуют южные полюсы ротора 1. Осевая длина постоянных магнитов 6 и 7 равна осевой длине L пакета магнитопровода 2 статора.

Между постоянными магнитами 6 и 7, имеющими радиальное направление намагничивающей силы, расположены постоянные магниты 8, имеющие тангенциальное направление намагничивающей силы, направленное от постоянных магнитов 7, образующих южные полюсы, к постоянным магнитам 6, образующим северные полюсы ротора 1. Постоянные магниты 6, 7 и 8 создают в средней части ротора 1, имеющей такую же осевую длину L, как и пакет магнитопровода 2 статора, кольцевую магнитную систему Хальбаха.

Немагнитная втулка 5 и постоянные магниты 8 с тангенциальным направлением намагничивающей силы имеют осевой размер, превышающий осевую длину L пакета магнитопровода 2 статора. Немагнитная втулка 5 располагается симметрично относительно пакета магнитопровода 2 статора и боковые части втулки 5 вместе с постоянными магнитами 8 выступают с двух сторон за пределы осевой длины L пакета магнитопровода 2 статора. На боковых сторонах на немагнитной втулке 5 между постоянными магнитами 8 установлены постоянные магниты 9, имеющие такую же форму поперечного сечения, как и торцевая поверхность постоянных магнитов 6 и 7 с радиальным направлением намагничивающей силы, к которым постоянные магниты 9 прилегают. Число постоянных магнитов 9, установленных на каждой из двух боковых сторон втулки 5 равно числу постоянных магнитов 6 и 7 с радиальным направлением намагниченности, то есть числу полюсов ротора 1. Постоянные магниты 9 имеют осевое направление намагничивающей силы. Если постоянные магниты 9 прилегают к торцевым поверхностям постоянных магнитов 6, образующих северные полюсы ротора 1, то намагничивающие силы этих постоянных магнитов 9 направлены к северным полюсам. У постоянных магнитов 9, прилегающих к торцевым поверхностям постоянных магнитов 7, образующих южные полюсы ротора 1, намагничивающие силы направлены от южных полюсов. На фиг. 1б и фиг. 1г направление намагничивающих сил постоянных магнитов 9 с осевым направлением намагниченности показано крестом, если намагничивающая сила постоянного магнита 9 направлена от наблюдателя, и точкой, если намагничивающая сила направлена к наблюдателю.

Элементы ротора 1 на валу 2 электрической машины в осевом направлении фиксируются торцевыми кольцами 10 (фиг. 1а). В радиальном направлении элементы ротора 1 фиксируются в сборке бандажом 11 из немагнитного материала, имеющим осевую длину, равную осевой длине втулки 5 и постоянных магнитов 8. Бандаж 11 покрывает всю цилиндрическую поверхность ротора между кольцами 10. С правой стороны ротора кольцо 10 упирается в буртик вала 4, а левое кольцо 10 поджимается либо гайкой, либо кольцом 12, закрепленным на валу 4 штифтом.

Конструктивная реализация предлагаемой магнитной системы ротора 1 с постоянными магнитами может отличаться от приведенной выше, но принципиальными отличительными признаками предлагаемого ротора 1 электрической машины с постоянными магнитами от прототипа и других вариантов конструкции ротора являются выполнение втулки 5 ротора 1 и постоянных магнитов 8 с тангенциальным направлением намагничивающей силы с осевой длиной превышающей осевую длину пакета магнитопровода 2 статора и установка на роторе с торцевых сторон каждого полюса 6 и 7 между постоянными магнитами 8 с тангенциальным направлением намагничивающей силы постоянных магнитов 9, имеющих форму поперечного сечения такую же, как форма торцевой поверхности полюсов 6 и 7 ротора 1. При этом постоянные магниты 9 имеют осевое направление намагничивающей силы, которая направлена при контакте постоянных магнитов 9 с торцевыми поверхностями северных полюсов 6 к северным полюсам 6 ротора 1, а при контакте с торцевыми поверхностями южных полюсов 7 от южных полюсов ротора 1.

Таким образом, в предлагаемом роторе электрической машины с постоянными магнитами магнитный поток каждого полюса ротора создают не только постоянные магниты с радиальным направлением намагниченности (полюсы ротора) и тангенциальным направлением намагниченности, расположенные по боковым сторонам полюса, как в прототипе, но кроме этих постоянных магнитов еще два постоянных магнита с осевым направлением намагниченности, расположенные по торцевым сторонам полюса. Поэтому магнитный поток полюса в предлагаемом роторе электрической машины с постоянными магнитами выше, чем в прототипе, значит выше индукция магнитного поля в рабочем зазоре и мощность электрической машины.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение индукции магнитного поля в рабочем зазоре, момента и мощности электрической машины. Ротор электрической машины содержит вал с закрепленной на нем немагнитной втулкой, на которой размещаются чередующиеся между собой постоянные магниты с радиальным намагничиваем, образующие северные и южные полюсы ротора, между которыми размещены постоянные магниты с тангенциальным намагничиванием, образуя вместе магнитную систему Хальбаха. Немагнитная втулка, постоянные магниты с тангенциальным направлением намагничивающей силы и бандаж имеют осевой размер, превышающий осевой размер полюсов ротора. На торцевых сторонах немагнитной втулки, выступающих по длине за пределы осевого размера полюсов ротора, между постоянными магнитами с тангенциальным намагничиванием установлены постоянные магниты с осевым намагничиванием, прилегающие к торцевым поверхностям постоянных магнитов с радиальным намагничиванием. При контакте постоянных магнитов с осевым намагничиванием с северными полюсами ротора их намагничивающие силы направлены к северным полюсам, а при контакте с южными полюсами – от южных полюсов. 1 ил.

Ротор электрической машины с постоянными магнитами, содержащий установленную на вал немагнитную втулку, на которой размещены постоянные магниты, образующие в сборке цилиндрическую наружную поверхность, при этом половина постоянных магнитов имеет радиальное направление намагничивающей силы, а вторая половина постоянных магнитов имеет тангенциальное направление намагничивающей силы, причем каждый постоянный магнит, имеющий радиальную намагниченность, соприкасается боковыми поверхностями с двумя постоянными магнитами, имеющими тангенциальную намагниченность, и постоянные магниты с радиальной намагничивающей силой, направленной от продольной оси ротора к его наружной поверхности, образуют северные полюсы ротора, а постоянные магниты с радиальной намагничивающей силой, направленной от наружной поверхности ротора к его продольной оси, образуют южные полюсы ротора, и осевой размер полюсов ротора равен осевой длине пакета магнитопровода статора, и полюсы установлены так, чтобы при обходе по окружности наружной поверхности ротора полярность полюсов ротора чередовалась, а постоянные магниты с тангенциальным направлением намагничивающей силы установлены на роторе так, что их намагничивающая сила направлена к постоянным магнитам с радиальным направлением намагничивающей силы, образующим северные полюсы ротора, и элементы ротора закреплены цилиндрическим бандажом, охватывающим наружную поверхность ротора, отличающийся тем, что ротор электрической машины с постоянными магнитами выполнен со втулкой ротора, постоянными магнитами с тангенциальным направлением намагничивающей силы и бандажом, осевая длина которых превышает осевую полюсов ротора и пакета магнитопровода статора, при этом ротор расположен симметрично относительно магнитопровода статора, и на боковых сторонах втулки ротора, выступающих за пределы осевого размера постоянных магнитов, имеющих радиальное направление намагничивающей силы и образующих полюсы ротора, между постоянными магнитами с тангенциальным направлением намагничивающей силы расположены постоянные магниты с осевым направлением намагничивающей силы, прилегающие к постоянным магнитам с радиальным направлением намагничивающей силы, образующим полюсы ротора, и имеющие такую же форму поперечного сечения в диаметральной плоскости ротора, как и торцевая поверхность постоянных магнитов с радиальным направлением намагничивающей силы, при этом при контакте постоянных магнитов с осевым направлением намагничивающей силы с северными полюсами ротора их намагничивающие силы направлены к северным полюсам, а при контакте постоянных магнитов с осевым направлением намагничивающей силы с южными полюсами ротора их намагничивающие силы направлены от южных полюсов ротора.