Устройство и способ сборки и фиксации постоянных магнитов внешнего ротора и улучшения охлаждения во вращающейся электрической машине
DEVICE AND METHOD FOR ASSEMBLING AND FIXING PERMANENT MAGNETS OF THE OUTER ROTOR AND IMPROVING COOLING IN A ROTATING ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области изготовления электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов и касается особенностей конструктивного выполнения устройства и способа для фиксации постоянных магнитов в роторе электрической машины и средства охлаждения в виде крыльчатки.
Принцип действия любой электрической машины с внешним ротором заключается в преобразовании электрической энергии в механическую через взаимодействие двух магнитных полей, одно из которых создается электрическим током электромагнитов статора, а другое – постоянными магнитами ротора. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который вращает ротор.
Одной из проблем, связанных с изготовлением электрических машин с постоянными магнитами, является крепление магнитов к ротору. Обычно, установленные на поверхности магниты, закрепляются посредством присоединения (приклеивания) к поверхности, как правило, эпоксидной смолой. Однако, это не обеспечивает надежное удержание постоянных магнитов на роторе, поскольку постоянные магниты и электромагниты испытывают сильное магнитное притяжение друг к другу в радиальном направлении, а крутящий момент вызывает касательные напряжения сдвига, что может привести к отклеиванию постоянного магнита и невозможности дальнейшей эксплуатации машины.
Потеря работоспособности электрической машины может возникнуть и при нагреве зоны взаимодействия постоянных магнитов и электромагнитов, воздушный зазор между которыми, как правило, составляет 1 мм, вследствие теплового действия электрического тока, проходящего через обмотки катушек статора. При нагреве, который в реальных условиях эксплуатации электрической машины достигает 130 градусов Цельсия и выше, может нарушиться изоляция обмоток электромагнитов с последующим межвитковым замыканием, произойти размагничивание постоянных магнитов, которое наступает при температуре свыше 80 градусов Цельсия, а также их отклеивание от ротора.
Известно устройство и способ зажима и фиксации постоянных магнитов и улучшения охлаждения во вращающейся электрической машине (RU 2 437 194, МПК H02K1/27, H02K21/12, дата публикации 20.12.2011), в котором используется механическое приспособление для закрепления постоянных магнитов, при этом постоянные магниты фиксируются на поверхности ротора с помощью зажимных профильных элементов, вставленных в паз, заглубленный от поверхности ротора. Выступающий зажимной профильный элемент при вращении ротора действует как вентилятор для обеспечения охлаждения. Данное устройство предполагает необходимость предварительного приклеивания постоянных магнитов, имеющих криволинейные формы, которые соответствуют форме поверхности ротора, а также наличие пазов для установки зажимных профильных элементов, что в значительной степени снижает область применения устройства.
Наиболее близким по техническому решению и выбранному авторами в качестве прототипа, является несущая магниты подвижная часть для синхронной машины с постоянными магнитами (патент RU2 641 896, МПК Н02К1/28, Н02К1/27, Н02К21/12, Н02К15/03, дата публикации 23.01.2018), состоящая из металлического каркаса и параллельных друг другу рядов постоянных магнитов. Подвижная часть содержит немагнитные крепежные ленты, размещенные продольно между двумя последовательными рядами постоянных магнитов и механически крепящиеся к каркасу с использованием винтов. Крепежная лента обеспечивает вертикальное блокирование соседних рядов постоянных магнитов и играет роль прокладки между этими рядами, обеспечивая поперечное блокирование магнитов. Постоянные магниты криволинейной формы крепятся к каркасу посредством склеивания. Таким образом, лента дополняет склеивание и обеспечивает надежное закрепление постоянных магнитов даже при высоких температурах.
Недостатки прототипа:
1. Сложность конструкции, поскольку необходимо крепить ленту к каркасу с помощью винтов.
2. Ограниченная область применения, поскольку не позволяет использовать стандартные постоянные магниты в форме прямоугольного параллелепипеда, а предполагает применение магнитов криволинейной формы, которая соответствует форме поверхности каркаса.
3. Низкая ремонтопригодность, поскольку предполагает приклеивание магнитов к каркасу, что создает сложности при необходимости замены постоянных магнитов.
4. Отсутствие элементов каркаса для рассеяния тепла в корпусе электрической машины.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, содержащем каркас с немагнитными прокладками между постоянными магнитами, каркас для крепления постоянных магнитов изготовлен из немагнитного материала и состоит из двух частей, которые фиксируют между собой прокладки, обеспечивающие равномерное распределение магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда в каркасе, и представляющие собой трапециевидный стержень, изготовленный из износостойкого упругого полимера, установленный на оси из металла, концы которой входят в глухие отверстия частей каркаса, при этом края постоянных магнитов опираются на выступ каждой части каркаса с лысками, размер которых соответствует ширине постоянного магнита.
В способе сборки и фиксации постоянных магнитов внешнего ротора, включающем установку постоянных магнитов в каркас с прокладками и последующую их фиксацию, постоянные магниты располагают в окна, созданные двумя частями каркаса и прокладками, и с внешней стороны предварительно обжимают ферромагнитной лентой из электротехнической стали, толщина которой обеспечивает возможность деформации ленты под воздействием механической нагрузки, при этом ленту располагают между частями каркаса, а после установки каркаса в ротор электрической машины осуществляют окончательную деформацию ленты, которая прижимается к внешней поверхности каждого постоянного магнита с помощью установочных винтов с плоским основанием, количество которых соответствует количеству постоянных магнитов, и расположенных в радиальных резьбовых отверстиях обечайки ротора, при этом для обеспечения позиционирования каждого установочного винта над центром постоянного магнита совмещают точечный выступ на внутренней поверхности крышки ротора с отверстием в боковой поверхности одной из частей каркаса, причем каркас с постоянными магнитами устанавливают в ротор электрической машины на крыльчатки с лопастями, которые крепят к боковым крышкам ротора, при этом лопасти при вращении ротора функционируют как вентилятор для обеспечения рассеяния тепла из зоны взаимодействия постоянных и электромагнитов.
В предлагаемом изобретении решаются задачи бесклеевого крепления постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда в каркасе с возможностью их замены без использования специальных инструментов и технологий, использования элементов ротора для рассеяния тепла из зоны взаимодействия постоянных и электромагнитов.
Устройство содержит каркас для крепления постоянных магнитов, изготовленный из немагнитного материала и состоящего из двух частей, которые фиксируют между собой прокладки, обеспечивающие равномерное распределение магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда в каркасе, и представляющие собой трапециевидный стержень, изготовленный из износостойкого упругого полимера, например, из полиуретана, установленный на оси из металла, концы которой входят в глухие отверстия частей каркаса, при этом края постоянных магнитов опираются на выступ каждой части каркаса с лысками, размер которых соответствует ширине постоянного магнита.
Постоянные магниты располагают в окна, созданные двумя частями каркаса и прокладками, и с внешней стороны предварительно обжимают ферромагнитной лентой из электротехнической стали, толщина которой обеспечивает возможность деформации ленты под воздействием механической нагрузки, при этом ленту располагают между частями каркаса, а после установки каркаса в ротор электрической машины осуществляют окончательную деформацию ленты, которая прижимается к внешней поверхности каждого постоянного магнита с помощью установочных винтов (без головки) с плоским основанием, количество которых соответствует количеству постоянных магнитов, и расположенных в радиальных резьбовых отверстиях обечайки ротора, при этом для обеспечения позиционирования каждого установочного винта над центром постоянного магнита совмещают точечный выступ на внутренней поверхности крышки ротора с отверстием в боковой поверхности одной из частей каркаса, причем каркас с постоянными магнитами устанавливают в ротор электрической машины на крыльчатки с лопастями, которые крепят к боковым крышкам ротора, при этом лопасти при вращении ротора функционируют как вентилятор для обеспечения рассеяния тепла из зоны взаимодействия постоянных и электромагнитов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан конструктивный вариант электрической машины; на фиг.2 показано сечение А-А по фиг. 1 сердечника электромагнита, установленного во внутренний паз статора; на фиг. 3 – фрагмент крыльчатки с лопастями в аксонометрической проекции (увеличено); на фиг. 4 – каркас с постоянными магнитами и ферромагнитной лентой в аксонометрической проекции; на фиг. 5 – сечение Б-Б по фиг.4 прокладки между постоянными магнитами вдоль оси (повернуто и увеличено); на фиг. 6–сечение В-В по фиг. 5 прокладки перпендикулярно оси (увеличено); на фиг. 7 – вид Г по фиг. 4 с лыской на выступе части каркаса для опоры края постоянного магнита в аксонометрической проекции с отверстием для установки  оси прокладки (увеличено); на фиг. 8 – вид Д по фиг.1 с деформацией ферромагнитной ленты (повернуто и увеличено).
Электрическая машина с внешним ротором состоит из неподвижной части – статора 1 и внешней подвижной части – ротора 2 (фиг. 1).
На статоре 1 с помощью круглых шлицевых гаек 3 закреплены электромагниты 4, состоящие из ферромагнитного сердечника 5 и катушки с медной обмоткой 6, при этом сердечник 5 своей нижней частью входит в имеющий аналогичную форму внутренний паз статора 1. Нижняя часть сердечника 5 электромагнита 4 и паз статора 1 выполнены в поперечном сечении, например, в форме ласточкиного хвоста (фиг. 2). Статор 1 расположен на оси 7 с буртиком и с двух сторон закреплен гайками 8.
Внешний ротор 2, состоящий из двух крышек 9 и обечайки 10, установлен на двух радиальных шариковых однорядных подшипниках с защитными шайбами с обеих сторон 11, которые закреплены на статоре 1 гайками 8 с шайбами 12.Боковые крышки ротора прикреплены к обечайке 10 с помощью винтов 13. На внутренней поверхности крышки 9 ротора 2 установлен точечный выступ 14 в форме штыря.
На выступах внутренних поверхностей крышек 9 винтами 15 закреплены крыльчатки 16, представляющие собой диск 17 с лопастями 18, имеющих цилиндрическую наружную поверхность (фиг. 3).
Между крыльчатками 16 и обечайкой 10 расположен каркас19 (фиг. 1), состоящий из двух частей 20 в форме кольца с выступом, между которыми установлены постоянные магниты 21в форме прямоугольного параллелепипеда. На внешней стороне постоянных магнитов 21 между двумя частями 20 каркаса 19 расположена ферромагнитная лента 22, которая при установке не выступает за наружный диаметр частей 20 каркаса 19 (фиг. 1, 4).
Для равномерного распределения постоянных магнитов 21 в каркасе 19 установлены прокладки (фиг. 5), которые представляют собой  трапециевидный стержень 23 (фиг. 6), изготовленный, например, из полиуретана, при этом стержень 23 расположен на оси 24 из металла, концы которой входят в глухие отверстия частей 20 каркаса 19.Края постоянных магнитов 21 установлены на лысках 25 выступов каждой части 20 каркаса 19 (фиг. 7).
В сквозных резьбовых отверстиях обечайки 10 расположены установочные винты 26 (без головки) с плоским основанием, количество которых соответствует количеству постоянных магнитов 21 (фиг. 8).
Сборку каркаса 19 осуществляют следующим образом. Обе части 20 каркаса 19 соединяют с помощью осей 24, на которых установлены трапециевидные стержни 23, при этом параметры трапеции обеспечивают примыкание боковой поверхности стержня 23 к соответствующей боковой поверхности постоянного магнита 21 в зависимости от диаметра внешнего ротора 2. В образовавшиеся окна между частями 20 каркаса 19 и мягкими прокладками для компенсации погрешности установки располагают постоянные магниты 21, края которых опираются на лыски 25 для предотвращения разрушения от воздействия нагрузок при сильном магнитном притяжении постоянных и электромагнитов в радиальном направлении. Предварительную фиксацию постоянных магнитов 21 в каркасе 19 осуществляют с помощью  ферромагнитной ленты 22, которая притягивается к постоянным магнитам 21 и не дает им выпасть из каркаса 19. Каркас 19 с установленными постоянными магнитами 21 размещают во внешнем роторе 2 с опорой на крыльчатках 16 и фиксируют сверху обоймой 10, при этом для позиционирования установочных винтов 26 относительно центров постоянных магнитов 21 совмещают штырь 14 с отверстием в одной из частей 20 каркаса 19. Окончательную фиксацию постоянных магнитов 21 в каркасе 19 осуществляют путем ввинчивания винтов 26 в радиальном направлении, что приводит к деформации ленты 22, которая прилегает к поверхности постоянных магнитов 21 (фиг. 8). Взаимодействие ферромагнитной ленты 22, которая является магнитопроводом, с внешней стороной постоянных магнитов 21 обеспечивает повышение крутящего момента во вращающейся электрической машине. Деформация ленты 22 и прилегание к поверхности постоянных магнитов 21 обеспечивает надежную фиксацию каркаса 19 для избежания его проворота при вращении внешнего  ротора 2.
Охлаждение зоны взаимодействия верхней части сердечников 5 электромагнитов 4 и постоянных магнитов 21 путем рассеяния воздуха во внутреннем пространстве корпуса электрической машины происходит с помощью крыльчаток 16 при вращении внешнего ротора 2.Распределение тепла по всему объему внутреннего пространства ротора 2 способствует его быстрому отведению наружу через крышки 9, которые изготовлены из материала с высокой теплопроводностью, например, из алюминиевого сплава, что приводит к охлаждению вращающейся электрической машины.
Таким образом, при использовании электрической машины достигается следующий технический результат: обеспечивается возможность бесклеевого крепления постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда в каркасе, повышение ремонтопригодности путем замены постоянных магнитов без использования специальных инструментов и технологий, рассеяние тепла из зоны взаимодействия постоянных и электромагнитов.