Ротор высокоскоростной электрической машины Советский патент 1983 года по МПК H02K21/14 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высокоскоростным электрическим машинам, в частности синхронным и вентильным машинам, и может быть использовано в электроприводах турбокомпрессоров высоконапорных и других высокооборотных механизмов.

Известны роторы высокоскоростных электрических машин, содержащие вал и магнитопровод с расположенными на нем постоянными магнитами, скрепленными упрочняющей оболочкой. Наличие упрочняющей оболочки позволяет увеличить окружную скорость ротора Cl3 и 23Недостаток известной конструкци заключается в неполном использовании- прочностных свойств упрочняющей оболочки и вследствие этого в недостаточно высокой окружной скорости ротора, поскольку, помимо усиЛИЙ, создаваемых под действием центробежных сил магнитов, оболочка воспринимает также усилия от остаточного натяга между оболочкой и магнитами, который необходим для ,передачи вращающего момента с магнитов на вал.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ротор высокоскоростной электрической машины, содержащий вал, магнитопровод и магнитосвязанные с ним постоянные магниты, образующие многополюсную систему возбуждения, охваченные упрочняющей оболочкой и закрепленные на ее внутренней поверхности. В даннрм роторе упрочняющая оболочка соединена с валом с помощью радиальных йеремычек, а постоянные магниты закреплены на внутренней поверхности оболочки с зазором относ1 тельно расположенного на вгшу магнитопровода.

В известной конструкции имеет место более полное использование прочностных свойств упрочняющей оболочки, так как вращающи й момент, с магнитов на вал передается не за счет наличия остаточного натяга между оболочкой и магнитами, а за счет жесткого соединения оболочки с .валом с пo 4oщью перемычки, включающей в себя радиально упругие элементи tS.

Недостаток данного устройства состоит в том, что оболочка ротора .может быть выполнена лишь из металлических высокопрочных материалов, например сплавов титана. Для оболочки не могут быть эффективно использованы композиционные материалы а именно пластики с одноосно-армиро. ванными упрочняющими волокнами, которые характеризуются однонаправленностью своих прочностных свойств. Изготовленная из таких материалов

оболочка будет иметь более высокие прочностные показатели на растяжение, чем оболочка из металлов, однако в известной конструкции ротора она не может быть достаточно жестко соединена с валом с помощью какойлибо перемьп.ки, что необходимо для передачи на вал вращающего момента.

Цель изобретения - увеличение окружной скорости ротора.

Указанная цель достигается тем, что ротор высокоскоростной электрической машины, содержаиций вал, магнитопровод, постоянные магниты, образующие многополюсную систему возбуждения,, упрочняющую оболочку, на внутренней поверхности которой закреплены постоянные магниты, установленные с зазором относительно магнитопровода, и радиально упругие элементы, соединяющие вал с упрочняющей оболочкой, дополнительно снабжен немагнитными элементами, жестко установленными на магнитопроводе и размещенными в межполюсйых промежутках, а радиально упругие элементы закреплены на валу и выполнены в виде стаканов с размещенными по их периферии Г-образными ребрами подпружинивающими упрочняющую оболочку.

На фиг. 1 показан ротор, продольный разрез, на фиг. 2 - то же, вид с торца на фиг. 3 и 4 - роторы с различным выполнением немагнитных элементов, поперечные разрезы.

Ротор (фиг. 1 и 2 ) содержит вал 1, на который напрессован магнитопровод 2 с постоянными магнитами 3, охваченными упрочняющей оболочкой 4 На валу 1 закреплены упругодемпферные элементы 5 с Г-образными ребрами б, подпружинивающими оболочку 4 в радиальных направлениях. Между упрочняющей оболочкой 4 и ребрами 6 помещена разрезная втулка 7. На магнитопроводе 2 закреплены немагнитные элементы 8 из немагнитного материала, например стеклотекстолита. Остальное межполю ьное пространство заполнено диэлектрическими пластинами 9. Между магнитами 3 с пластинами 9, с одной стороны, и магнитопроводом 2 с немагнитными элементами 8, с другой стороны. Нанесен слой 10 материала, обладающего антиадгезионными свойствами в отношении связующего материала упрочняющей оболочки 4.

В роторе, представленном на фиг. 4, магнитопровод 2 содержит немагнитные элементы 8, выполненные в виде шпилек, на которые насажены пластины 9., На магнитопровод 2 и немагнитны ; элементы 8 нанесен антиадгезионный слой 10. . Упрочняющая оболочка 4 выполнена из композиционного материала путем намотки высокопрочной нити , упрочнитеЛя), например, из стекловолокна, органического волокна, углеволокна или волокон бора, пропитанной связующим материалом,в качестве которого используются эпоксидные, полиимидные или фенольные смолы. Наиболее предпочтительно использованне нитей углеволокна и бора, вви ду их высокого модуля упругости. Способ выполнения упрочняющей оболо ки определяет и последовательность сборки ротора. На магнитопровод 2, насаженный на вал 1, крепят-ся немагнитные элементы 8 и наносится антисщгезионный слой 10. Затем на магнитопровод 2 крепятся магниты 3 и пластины 9 с разрезной втулкой 7 после чего осуществляется намотка упрочняющей нити с последующей ее пропиткой связующим. Элементы 5 с Г-образными ребр.ами 6 крепятся к валу обязательным центрированием относительно него только после окончания пр цесса полимеризации связующего. Ана логично для ротора (,фиг. 4) на магнитопровод 2 с немагни-тными элементами 8 в виде шпилек наносится анти адгезионный слой 10, на шпильки насаживаются пластины 9, после чего крепятся магниты 3 с втулкой 7 и осуществляется намотка нити упрочняющей оболочки. Ротор работает следующим образом При вращении ротора на упрочняющую оболочку 4 действуют растягиваю щие усилия, вызванные центробежными силами собственной массы и массы магнитов. 1од действием растягивающих усилий упрочняющая оболочка уве личивается в диаметре на величину, зависящую от значений напряжения в упрочнянядей оболочке и модуля упр гости материала оболочки. Поскольку напряжения в упрочняющей оболочке 4 значительно превосходят напряжение в магнитопроводе 2, между магнитопроводом 2 с немагнитными элементами 8 и упрочняющей оболочкой 4с постоянными магнитами 3 и пластинами 9 появляется воздушный зазор, который увеличивается по мере увели чения окружной скорости ротора. За счет наличия Г-образных ребер б. подпружинивающих упрочняющую оболочку 4 в радиальных направлениях, обеспечивается ее соосность с валом при наличии указанного .воздушного зазора между магнитами и магнитопроводом. При этом зона упругости ребер 6 должна перекрывать зону максимального перемещения упрочняющей оболочки 4 в радиальном направлении, что достигается выбором соответству.ющей длины ребер 6. Величина усилий, создаваемых ребрами 6, должна во всем диапазоне частот вращения превосходить величину односторонних усилий, действующих на упрочняющую оболочку 4, обусловленных наличием дисбаланса ротора. Чтобы .эту величину свести к минимуму, балансировку ротора необходимо производить на рабочей частоте вращения. Передача вращающего момента с ва-. ла на магниты и наоборот, обеспечивается с. помощью немагнитных элементов 8 (фиг. 3). В конструкции на фиг. 4 передача вращающего момента с вала На магниты и наоборот обеспечивается с помощью немагнитных элементов 8 в виде шпилек, передающих усилия непосредственно на пластины 9 и далее на магниты 3. В этой конструкции полностью исключается возможность осевого смещения упрочняющей оболочки 4 с магнитами 3 относительно магнитопровода 2, что важно для машин вертикального исполнения. Технико-экономическая эффективность ротора заключается в увеличении его окружной скорости, что достигается применением более прочных упрочняющих материалов в сочетании с .предлагаемой конструкцией. Применение в качестве упрочнителя стекловолокна, органического волокна, углеволокна и волокон бора, имеющих в совокупности со связующим 2. прочность на разрыв 100-160 кгс/мм , позволяет, в сравнении с титаном, увеличить напряжение в упрочняющей оболочке примерно в 1,2-1,5 раза и, следовательно, в 1,1-1,2 раза увеличить окружную скорость ротора или его диаметр. Увеличение диаметра ротора в 1,2 раза позволяет примерно в 2 раза увеличить мощность машины.

(pufZ

to

fO

(pus.3

РОТОР ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, содержащий вал, магнитопровод, постоянные магниты, образующие многополюсную систему возбуждения, упрочняющую оболочку, на внутренней поверхности которой закреплены постоянные магниты, установленные с немагнитным зазором относительно магнитопровода, и ра- диально упругие элементы, соединяющие вал с упрочняющей оболочкой, отличающийся тем, что, с целью увеличения окружной скорости, он дополнительно снабжен немагнитными элементами, жестко уста новленными на магнитопроводе и размещенными в межполюсных промежутках, а радиально упругие элементы закреплены на валу и выполнены в виде | стаканов с размещенными по их периферии Г-образными ребрами, подпружи(Л нивающими упрочняющую оболочку. со ю ОЭ

/0 fO

8