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 (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 (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, содержащий цилиндрический вал из немагнитного материала, на который надет магнитный индуктор, содержащий планки из магнитного материала, чередующиеся с контактирующими с ними своими боковыми поверхностями полюсами, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью, при этом внешняя поверхность ротора выполнена с возможностью удержания элементов индуктора при вращении. 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 (RU 2385524, 2010).
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 прочности ротора при высоких окружных скоростях, уменьшение массы и массовых моментов инерции ротора и уменьшение дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении механической 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, содержащий цилиндрический вал из немагнитного материала, на который надет магнитный индуктор, содержащий планки из магнитного материала, чередующиеся с контактирующими с ними своими боковыми поверхностями полюсами, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью, при этом внешняя поверхность ротора выполнена с возможностью удержания элементов индуктора при вращении, согласно изобретению вал выполнен из дисков равного сопротивления с одинаковым внешним диаметром, выполненных предпочтительно из титанового сплава, жестко скрепленных друг с другом торцевыми поверхностями ободов, при этом на внешней поверхности вала выполнены продольные канавки округлого сечения, равномерно удаленные друг от друга, симметричные радиально ориентированным плоскостям, причем планки из магнитного материала выполнены в виде пластин, торцы которых, обращенные к валу, конгруэнтны его поверхности, а торцы, обращенные к внешней поверхности ротора, конгруэнтны контактирующей с ними поверхности тонкостенной фиксирующей втулки, выполненной из немагнитного материала, предпочтительно из титанового сплава, надетой на индуктор, при этом тонкостенная фиксирующая втулка жестко скреплена с обращенными к ней поверхностями полюсов, а цилиндрический вал жестко скреплен с обращенными к нему противоположными поверхностями полюсов, кроме того, поверхности полюсов, обращенные к тонкостенной фиксирующей втулке, выступают по отношению к поверхностям магнитных планок и выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны поверхности тонкостенной фиксирующей втулки на ее контакте с магнитными планками, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора, кроме того, магнитные планки намагничены тангенциально, кроме того, на внешней поверхности тонкостенной фиксирующей втулки 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 магнитных планок уперты в юбки цапф.
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 торцевыми поверхностями ободов…» формирует жесткую и прочную основу конструкции ротора, имеющую малые массы и массовые моменты инерции и снижает его деформацию от действия центробежных сил при высоких окружных скоростях.
Признак «…на внешней поверхности вала выполнены продольные канавки округлого сечения, равномерно удаленные друг от друга, симметричные радиально ориентированным плоскостям…» снижает концентрацию напряжений от действия центробежных сил в местах соединения дисков и полюсов.
Признаки «…планки из магнитного материала выполнены в виде пластин, торцы которых, обращенные к валу, конгруэнтны его поверхности, а торцы, обращенные к внешней поверхности ротора, конгруэнтны контактирующей с ними поверхности тонкостенной фиксирующей втулки, выполненной из немагнитного материала, предпочтительно из титанового сплава, надетой на индуктор…» формируют продольный канал для размещения магнитных планок и препятствуют их перемещению под действием центробежных сил, кроме того, обеспечивают равномерное контактное давление между магнитными планками и тонкостенной фиксирующей втулкой.
Признаки «…тонкостенная фиксирующая втулка жестко скреплена с обращенными к ней поверхностями полюсов, а цилиндрический вал жестко скреплен с обращенными к нему противоположными поверхностями полюсов…» обеспечивают повышение прочности ротора при высоких окружных скоростях, формируют возможность размещения постоянных магнитов в продольных каналах.
Признаки «…поверхности полюсов, обращенные к тонкостенной фиксирующей втулке, выступают по отношению к поверхностям магнитных планок и выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны поверхности тонкостенной фиксирующей втулки на ее контакте с магнитными планками, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора …» обеспечивают прочность перемычек каналов при высоких окружных скоростях для размещения постоянных магнитов, снижают концентрацию напряжений и обеспечивают приближение к синусоидальности графика индукции магнитного поля.
Признак «…магнитные планки намагничены тангенциально…» формирует направление магнитного потока индуктора, обеспечивает возможность работы электрической машины.
Признак «…на внешней поверхности фиксирующей втулки выполнен бандаж предпочтительно из высокопрочного волоконного материала, например из углеволокна…» повышает прочность ротора.
Признаки «…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 и вала ротора.
Признак «…торцы магнитных планок уперты в юбки цапф…» 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 равного сопротивления 1, магнитные планки 2 в виде пластин, полюса 3, фиксирующая втулка 4, бандаж 5, торцевые цапфы 6, 7, винты 8, продольные канавки 9, юбки 10 цапф 6, 7.
Ротор электромашины содержит цилиндрический вал, сформированный из дисков 1 равного сопротивления, с одинаковым внешним диаметром, выполненных из немагнитного материала, например из высокопрочного титана ВТ22, жестко скрепленных друг с другом торцевыми поверхностями ободов дисков 1, например, вакуумно-диффузионной сваркой, на который надет магнитный индуктор цилиндрической формы. На внешней поверхности вала выполнены продольные канавки 9 округлого сечения, равномерно удаленные друг от друга, симметричные радиально ориентированным плоскостям, предназначенные для снижения концентрации напряжений от центробежных сил в местах соединения дисков 1 и полюсов 3.
Магнитный индуктор содержит планки 2 из магнитного материала, чередующиеся с контактирующими с ними своими боковыми поверхностями полюсами 3, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью.
Планки 2 ориентированы вдоль продольной оси ротора, выполнены из постоянных магнитов в виде пластин, торцы которых, обращенные к валу, конгруэнтны его поверхности, а торцы, обращенные к внешней поверхности ротора, конгруэнтны контактирующей с ними поверхности тонкостенной фиксирующей втулки 4, выполненной из немагнитного материала, предпочтительно из титанового сплава, надетой на индуктор. При этом планки 2 размещены так, что между пластинами, намагниченными в тангенциальном направлении, размещены полюса 3 с возможностью образования магнитной схемы с тангенциальным направлением намагниченности. Полюса 3 выполнены из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из сплава 48КНФ.
Тонкостенная фиксирующая втулка 4 жестко скреплена с обращенными к ней поверхностями полюсов 3, а цилиндрический вал жестко скреплен с обращенными к нему противоположными поверхностями полюсов 3. При этом поверхности полюсов 3, обращенные к тонкостенной фиксирующей втулке 4, выступают по отношению к поверхностям магнитных планок 2 и выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны поверхности тонкостенной фиксирующей втулки 4 на ее контакте с магнитными планками 2, с целью получения распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора, близкого к синусоидальному. При этом магнитные планки 2 с тангенциальным направлением намагниченности уперты в обращенные к ним внутренние поверхности немагнитной тонкостенной фиксирующей втулки 4. Полюса 3 внутренними поверхностями жестко скреплены с наружными цилиндрическими поверхностями дисков 1 равного сопротивления, а наружными – с внутренними поверхностями немагнитной тонкостенной фиксирующей втулки 4, например, вакуумно-диффузионной сваркой. На внешней поверхности тонкостенной фиксирующей втулки 4 выполнен бандаж 5 из высокопрочного волоконного материала, например из углеволокна.
Наружные торцевые поверхности крайних дисков 1 равного сопротивления жестко скреплены с выступами цилиндрических торцевых цапф 6 и 7. Цапфы 6 и 7 выполнены из немагнитного материала в виде выступов, сторона которых, обращенная к торцу ротора, снабжена юбкой 10 в виде диска, выполненного с возможностью жесткого, предпочтительно разъемного скрепления с торцами ротора. При этом торцы магнитных планок 2 уперты в юбки 10 цапф 6 и 7.
Торцевая цапфа 6 снабжена валом.
Ротор изготавливают в следующем порядке (фиг.1 и 2). Цилиндрические диски 1 изготавливают из высокопрочного титанового сплава ВТ22, которые сваривают между собой по торцевым поверхностям ободов, например, вакуумно-диффузионной сваркой. На внешней поверхности дисков 1 фрезеруют продольные канавки 9. На полученную конструкцию устанавливают полюса 3, между которыми устанавливают технологические проставки, например, из текстолита, имеющих форму и размеры магнитных планок 2. На полюса 3 и технологические проставки надевают предварительно нагретую тонкостенную фиксирующую втулку 4 из титанового сплава и сваривают полученную конструкцию вакуумно-диффузионной сваркой. После сварки извлекают технологические проставки. Из немагнитного материала, например титанового сплава ВТ22, изготавливают цилиндрические торцевые цапфы 6, 7. К торцу одного крайнего цилиндрического диска 1 соосно устанавливают и приваривают торцевую цапфу 7, например, вакуумно-диффузионной сваркой. Нагревают сваренную конструкцию цилиндрических дисков 1, полюсов 3, цапфы 7 до температуры, не превышающей точку Кюри постоянных магнитов, и вставляют во внутрь каналов, образовавшихся после удаления технологических проставок, предварительно намагниченные планки 2 в виде пластин. На наружную поверхность тонкостенной фиксирующей втулки 4 наматывают бандаж 5 из углеволокна и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. К торцу второго крайнего цилиндрического диска 1 соосно устанавливают цапфу 6 и закрепляют ее винтами 8 с крайним цилиндрическим диском 1. Ротор подвергают динамической балансировке.
Заявленное устройство работает следующим образом (см. фиг.1). При вращении ротора в цилиндрических дисках 1, планках 2 в виде пластин постоянных магнитов, полюсах 3 и цапфах 6, 7 возникают напряжения от действия центробежных сил и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Для предотвращения разрушения цилиндрических дисков ротора на его наружную поверхность намотан бандаж 5 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 вал цапфы 6.
Работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.