Ротор электромашины
ELECTRIC MACHINE ROTOR

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано при проектировании электрогенераторов и электродвигателей с высокой частотой вращения.
Известен ротор электромашины, содержащий полый вал из немагнитного материала и надетый на него цилиндр, выполненный из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, в продольных радиальных пазах которого размещены постоянные магниты, зафиксированные немагнитными металлическими клиньями, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра (см. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. – М.: Энергоатомиздат, 1988, с.30, рис.1.27).
Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения высокой мощности при ограниченных массогабаритных параметрах устройства, которую можно было бы получить за счет повышения частоты вращения ротора, в связи с недостаточной механической прочностью ротора, приводящей к возможности его разрушения при эксплуатации в режиме повышенных частот вращения.
Известен также ротор электрогенератора, содержащий втулку из немагнитного материала и надетый на нее цилиндр, составленный полюсами, выполненными из магнитомягкого материала, чередующимися с постоянными магнитами, радиальные наружные торцы которых перекрыты немагнитными металлическими клиньями, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра. При этом немагнитная втулка, цилиндр и немагнитные клинья скреплены вакуумно-диффузионной сваркой (см. RU 2386200, 2010).
Недостатком известного устройства является невозможность использования ротора значительной осевой длины из-за прогиба для создания высокооборотной электромашины большой мощности.
Известен также ротор электромашины, выполненный в виде цилиндрического вала из немагнитного материала, содержащего продольные радиальные полости, равноудаленные друг от друга, и размещенные в них магнитные планки, параллельные оси вращения ротора и цапфы по торцам (см. RU 2385524, 2010). Краевые участки ротора выполнены в виде полых цилиндрических немагнитных втулок, внешний диаметр которых равен диаметру ротора, при этом длина опорной поверхности этих втулок и ротора превышает длину индуктора.
Недостатком известного устройства является радиальная деформация краевых полых цилиндрических втулок ротора при высоких частотах вращения и, как следствие, возможность заклинивания ротора.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение механической прочности ротора при высоких окружных скоростях и уменьшение дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении прочности ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости мощных электромашин, уменьшении массы и массовых моментов инерции ротора, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора, что приводит к уменьшению дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.
Для решения поставленной задачи ротор электромашины, выполненный в виде цилиндрического вала из немагнитного материала, содержащего продольные радиальные полости, равноудаленные друг от друга, и размещенные в них магнитные планки, параллельные оси вращения ротора, и цапфы по торцам, отличается тем, что вал выполнен из дисков равного сопротивления с одинаковым внешним диаметром, выполненных, предпочтительно, из титанового сплава, жестко скрепленных друг с другом торцовыми поверхностями ободьев, ширина которых превышает радиально ориентированный размер сечения сквозных продольных радиальных полостей, выполненных по периметру обода диска равноудаленно друг от друга, при этом продольные радиальные полости всех дисков соосны и составляют сквозные каналы, не имеющие сообщения с наружной поверхностью обода диска, при этом участки поверхности названных каналов, обращенные к ней и к оси вращения ротора, выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности обода диска с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора, причем участки магнитных планок, обращенные к наружной поверхности ротора, конгруэнтны поверхности каналов, а их противоположные участки выполнены уплощенными, кроме того, магнитные планки намагничены радиально, при этом на внешней поверхности ротора выполнен бандаж, предпочтительно, из высокопрочного волоконного материала, например из углеволокна.
Кроме того, цапфы выполнены из немагнитного материала в виде выступов, сторона которых, обращенная к торцу ротора, снабжена юбкой в виде диска, выполненного с возможностью жесткого, предпочтительно, разъемного скрепления с торцами ротора.
Кроме того, торцы сквозных каналов перекрыты юбками цапф, скрепленных с торцами ротора.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «…вал выполнен из дисков равного сопротивления с одинаковым внешним диаметром, выполненных, предпочтительно, из титанового сплава, жестко скрепленных друг с другом торцовыми поверхностями ободьев…» формирует жесткую и прочную конструкцию ротора, имеющего малую массу и массовые моменты инерции ротора, и предотвращает его деформацию от действия центробежных сил при высоких окружных скоростях.
Признак, указывающий, что ширина торцовых поверхностей ободьев «превышает радиально ориентированный размер сечения сквозных продольных радиальных полостей», позволяет выполнить указанные каналы не имеющими сообщения с наружной поверхностью обода диска, не устраивать пазовые клинья для удержания магнитных планок и тем самым повысить прочность ротора.
Признаки, указывающие, что сквозные продольные радиальные полости выполнены «по периметру обода диска равноудаленно друг от друга, при этом продольные радиальные полости всех дисков соосны и составляют сквозные каналы, не имеющие сообщения с наружной поверхностью обода диска…», формируют каналы для размещения магнитных планок, обеспечивая при этом прочность перемычек каналов для размещения постоянных магнитов при высоких окружных скоростях.
Признаки, указывающие, что участки поверхности сквозных продольных каналов, «обращенные к наружной поверхности ротора и к оси вращения ротора, выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности ротора, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора…», снижают концентрацию напряжений и обеспечивают синусоидальность графика индукции магнитного поля.
Признак «…участки магнитных планок, обращенные к наружной поверхности ротора, конгруэнтны поверхности каналов…» формирует соединение между магнитными планками и каналом и тем самым обеспечивает равномерное контактное давление от действия центробежных сил между магнитными планками и перемычкой канала.
Признак «…противоположные участки выполнены уплощенными…» уменьшает поток рассеивания магнитов.
Признак «…магнитные планки намагничены радиально …» формирует направление магнитного потока индуктора, обеспечивает возможность работы электрической машины.
Признак «…на внешней поверхности ротора выполнен бандаж, предпочтительно, из высокопрочного волоконного материала, например из углеволокна…» повышает прочность ротора от действия центробежных сил.
Признак «…цапфы выполнены из немагнитного материала в виде выступов, сторона которых, обращенная к торцу ротора, снабжена юбкой в виде диска, выполненного с возможностью жесткого, предпочтительно, разъемного скрепления с торцами ротора…» обеспечивает формирование прочной конструкции цапф для размещения подшипников и передачи крутящего момента.
Признак «…торцы сквозных каналов перекрыты, предпочтительно, юбками цапф, скрепленных с торцами ротора…» предотвращает осевое смещение магнитов при вращении ротора.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез ротора электромашины, на фиг. 2 - его поперечное сечение.
На чертежах показаны диски 1 равного сопротивления, сквозные каналы 2, планки 3 постоянных магнитов, намагниченные в радиальном направлении, бандаж 4 из углеволокна, цапфы 5, 6 подшипников, скругления 7 каналов 2, винты 8, юбки 9 цапф 5, 6.
Ротор электромашины выполнен в виде цилиндрического вала из дисков 1 равного сопротивления с одинаковым внешним диаметром, выполненных из немагнитного материала, например из высокопрочного титанового сплава ВТ22, жестко скрепленных друг с другом торцовыми поверхностями ободьев дисков 1, например, вакуумно-диффузионной сваркой, на который намотан бандаж 4 из высокопрочного материала, например из углеволокна.
По окружности ободьев дисков 1 равноудаленно друг от друга выполнены сквозные продольные радиальные полости, которые формируют каналы для размещения магнитных планок 3. При этом продольные радиальные полости всех дисков соосны и составляют сквозные каналы 2, не имеющие сообщения с наружной поверхностью ободьев дисков 1. Ширина торцовых поверхностей ободьев дисков 1 превышает радиально ориентированный размер сечения сквозных продольных радиальных каналов 2.
Участки поверхности сквозных продольных каналов 2, обращенные к наружной поверхности ободьев дисков 1 и к оси вращения ротора, выполнены со скруглением 7, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности ротора, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора.
Магнитные планки 3, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполнены из постоянных магнитов, которые образуют полюса с возможностью образования магнитной схемы с радиальным направлением намагниченности. Участки магнитных планок 3, обращенные к наружной поверхности ротора, конгруэнтны поверхности сквозных продольных каналов 2, обращенных к наружной поверхности ободьев дисков 1, а противоположные участки выполнены уплощенными.
Цапфы 5, 6 подшипников выполнены из немагнитного материала в виде выступов, сторона которых, обращенная к торцу ротора, снабжена юбкой 9 в виде диска.
Наружная торцевая поверхность одного крайнего диска 1 равного сопротивления жестко скреплена с юбкой 9 цапфы 6 из немагнитного материала, например, вакуумно-диффузионной сваркой, а наружная поверхность другого крайнего диска 1 равного сопротивления соединена винтами 8 с юбкой 9 цапфы 5. Цапфа 5 соединена с приводным валом. Торцы сквозных продольных каналов 2 перекрыты юбками 9 цапф 5, 6.
Ротор изготавливают в следующем порядке (фиг.1, фиг.2). Цилиндрические диски 1 изготавливают из высокопрочного титанового сплава ВТ22, которые сваривают между собой по торцевым поверхностям, например, вакуумно-диффузионной сваркой. В сваренных цилиндрических дисках 1 фрезеруют продольные каналы 2. Из немагнитного материала, например титанового сплава ВТ22, изготавливают цилиндрические цапфы 5 и 6. К торцу одного крайнего цилиндрического диска 1 соосно устанавливают и приваривают торцевую цапфу 6, например, вакуумно-диффузионной сваркой. Нагревают сваренную конструкцию цилиндрических дисков 1 и цапфы 6 до температуры, не превышающей точку Кюри постоянных магнитов, и вставляют вовнутрь продольных каналов 2 цилиндрических дисков 1 магнитные планки 3. На наружную поверхность цилиндрических дисков 1 наматывают бандаж 4 из углеволокна и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. К торцу второго крайнего цилиндрического диска 1 соосно устанавливают цапфу 5 и закрепляют ее винтами 8 на цилиндрическом диске 1. Ротор подвергают динамической балансировке.
Заявленное устройство работает следующим образом (см. фиг.1). При вращении ротора в цилиндрических дисках 1, магнитных планках 3 и цапфах 5, 6 возникают напряжения от действия центробежных сил, и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Для предотвращения разрушения цилиндрических дисков 1 на его наружную поверхность намотан бандаж 4 из высокомодульного материала, например углеволокна. При отсутствии центрального отверстия в цилиндрических дисках 1 напряжения минимальны (отсутствует эффект «булавочного укола»). Момент от внешнего механизма передается на ротор через цапфу 5.
Работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.