СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Полезная модель относится к вращающимся электрическим машинам и может быть использована в конструкциях вентильных электродвигателей и генераторов.
Известны электрические машины, в которых магнитный поток возбуждения создается постоянными магнитами, имеющими как радиальную намагниченность (Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.19, рис.2.1/, так и тангенциальную /1, с.19, рис.2.2/, причем магниты, имеющие призматическую форму, размещены в теле сборного ротора. Для обеспечения механической прочности конструкции на собранные магниты и втулку надевается сварной бандаж сложной конструкции. Такая конструкция магнитной системы ротора нетехнологична из-за большого количества деталей и сложности сборки. Также не полностью используется объем редкоземельных магнитов, а наличие полюсных башмаков из магнитной стали обеспечивает уменьшение, рабочего зазора, но увеличивает индуктивность машины, что снижает жесткость внешней характеристики и усложняет совмещение двигательного и генераторного режимов. Кроме того, такая конструкция увеличивает диаметральный размер ротора, что неприемлемо для таких применений, например, как забойные телеметрические системы, где диаметральный размер электрической машины ограничен диаметром арматуры забойной телеметрической системы (внешний диаметр 50 мм), а также необходимой величиной зазора для прохождения охлаждающей жидкостью.
В качестве прототипа была выбрана электрическая машина с постоянными магнитами, использованная в вентильном электродвигателе по патенту РФ №2100893. Электрическая машина в указанном двигателе содержит кольцевой статор с распределенной по окружности обмоткой, цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал, распределенные по окружности ферромагнитные полюса, выполненные в виде сегментов, образующих межполюсные пазы, расположенные в пазах, намагниченные в тангенциальном направлении, постоянные призматические магниты. Устройство закрепления магнита в пазу выполнено в виде охватывающего магнит призматического футляра, стенки которого с торцов, со стороны вала и статора выполнены из неферромагнитного материала, а прилегающие к полюсам - из ферромагнитного материала. Футляр закреплен разъемными соединениями торцов ротора и футляра.
Недостаток такой конструкции в том, что она предназначена для машин большого диаметра, а при малых диаметрах, ограниченных 50 мм, невозможно выполнить такое крепление магнитов, а также невозможно обеспечить достаточную величину зазора для прохождения охлаждающей жидкости при сохранении малого диаметра машины.
Задача полезной модели - уменьшить внешний диаметральный размер электрической машины, не снижая выходных показателей, в частности выходной мощности, а, следовательно, и величины напряженности магнитного поля, при этом обеспечивая достаточную величину зазора для прохождения охлаждающей жидкости.
Поставленная задача решается тем, что синхронная электрическая машина с постоянными высококоэрцитивными магнитами, так же как и прототип, содержит кольцевой беспазовый статор в виде шихтованного цилиндрического магнитопровода с распределенной по окружности многофазной обмоткой с лобовыми соединениями, немагнитный сепаратор, и цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал, и распределенные по окружности ферромагнитные полюсы в виде намагниченных в тангенциальном направлении постоянных призматических магнитов из редкоземельных материалов, и вставки из магнитного материала, а также устройство закрепления указанных магнитов и вставок (устройство обеспечения механической прочности ротора).
В отличие от прототипа, устройство закрепления магнитов (устройство обеспечения механической прочности ротора) выполнено в виде оболочки из карбоновых или кевларовых нитей, толщиной 0,2-0,3 мм, размещенной с наружной стороны магнитов и вставок.
Техническим результатом такого решения явилось уменьшение толщины бандажа. В результате воздушный зазор становится больше, что улучшает циркуляцию охлаждающей жидкости (масла) и снижает тепловую нагрузку машины.
Кроме того, снизить диаметральный размер при сохранении выходной мощности (напряженности магнитного поля) можно задействовав лобовые соединения. Поскольку предлагаемая машина имеет беспазовое исполнение, а крепление обмотки осуществляется посредством немагнитного сепаратора, то с технологической точки зрения возможен вариант исполнения машины с разными длинами ротора и пакета статора. В предлагаемой полезной модели ротор выполнен длиной, сопоставимой с длиной прямолинейных участков вылета лобовых соединений.
Техническим результатом заявляемой конструкции является ее упрощение за счет устранения необходимости применения сварного цилиндра, что упрощает конструкцию и позволяет уменьшить диаметр машины, сохраняя необходимую удельную мощность. Прочность и коррозионные свойства карбоновых или кевларовых нитей позволяют использовать нити толщиной не более 0,2-0,3 мм, и, таким образом, при ограничении внешнего диаметра, позволяют обеспечить достаточную величину зазора для прохождения охлаждающей жидкости. Кроме того, приращение электродвижущей силы за счет использования лобовых частей позволило уложиться в требуемые значения выходной мощности при уменьшении диаметра машины.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых представлено: фиг.1 - принципиальная конструктивная схема машины, фиг.2 - продольный разрез, показывающий использование лобовых соединений.
Синхронная электрическая машина содержит кольцевой статор, с магнитопроводом статора 1, с распределенной по окружности обмоткой 2, немагнитный сепаратор 3. Цилиндрический ротор включает немагнитный вал 4, распределенные по окружности ферромагнитные полюса 5, выполненные в виде магнитных вставок, закрепленных в теле ротора методом склеивания. Постоянный магнит 6, создающий рабочий магнитный поток, выполнен из редкоземельного высококоэрцитивного материала. С наружной стороны магнитов и вставок размещена сплошная оболочка 7 из карбоновых или кевларовых нитей, толщиной не более 0,2-0,3 мм, обеспечивающая необходимую механическую прочность. В зазоре 8 проходит поток охлаждающей жидкости (масла).
На фиг.2 представлен вид с торца на электрическую машину. Цифрой 9 обозначены лобовые соединения обмотки статора.
При работе такой синхронной машины в забойной телеметрической системе, где внешний диаметр ограничен диаметром трубы, одной из главных задач является уменьшение габаритных размеров, и в первую очередь, уменьшение радиального размера. Это обусловлено необходимостью перехода на меньшие диаметры арматуры забойной телеметрической системы, что позволяет существенно расширить ее функциональные и эксплуатационные возможности. Однако, снижение габаритных размеров не должно снизить выходные показатели генератора, и условия охлаждения генератора. При использовании сварного бандажа, зазор 8 становится крайне малым, и недостаточным для охлаждения. Свойства карбоновых или кевларовых нитей, а именно их механическая прочность, коррозионная стойкость и стойкость к маслам, позволяют существенно уменьшить толщину устройства обеспечения механической прочности электрической машины, а именно оболочки 7 при таких малых радиальных размерах, за счет чего появляется возможность сохранить достаточную ширину зазора 8 и сохранить условия охлаждения. Проведенные расчеты и эксперименты показали, что хорошая механическая прочность и достаточное охлаждение обеспечиваются при толщине оболочки 7 от 0,2 до 0,3 мм.
Кроме того, так как внешние габариты статора генератора заданы размерами забойной арматуры (внешний диаметр 50 мм и аксиальная длина 140 мм), то повышение его удельной мощности возможно только за счет оптимального использования магнитных и проводниковых материалов в заданном объеме. Наряду со многими и устоявшимися направлениями повышения удельных показателей электрической машины возможно улучшение использования внутреннего объема машины, занимаемого ее лобовыми соединениями 9. Рассматриваемая машина имеет беспазовое исполнение, а крепление обмотки осуществляется посредством немагнитного сепаратора 3. Поэтому с технологической точки зрения становится возможным вариант исполнения машины с разными длинами ротора и пакета статора. На основании проведенных расчетов длина ротора с каждой стороны была увеличена на величину, сопоставимую с длиной прямолинейных участков вылета лобовых соединений 9. Поскольку ротор выполнен из высококоэрцитивных постоянных магнитов 6, он наводит магнитное поле. Линии магнитного поля, создаваемого ротором, пересекают лобовые части 9 обмотки, соответственно. В них наводится ЭДС. В результате, за счет удлинения ротора и наведения в лобовых частях магнитного поля, полученное приращение электродвижущей силы составило 1,5-1,7 В, что позволило уложиться в требуемые значения выходных параметров, при снижении радиального размера до 50 мм. Дальнейшее увеличение длины ротора приводит к тому, что проводники лобовых частей располагаются практически вдоль силовых линий магнитного поля, и наведенная ЭДС в этих частях пренебрежимо мала, при этом ротор становится более массивным и нагруженным с механической точки зрения, что приводит к его удорожанию.
Таким образом, используемые признаки полезной модели позволили выполнить размеры машины на требуемом уровне, не снижая выходных показателей, а именно удельной мощности и увеличить зазор для прохождения охлаждающей жидкости и снизить тепловую нагрузку машины.