Ротор магнитоэлектрической машины и способы его изготовления (варианты)
ROTOR OF A MAGNETOELECTRIC MACHINE AND METHODS FOR ITS MANUFACTURE (OPTIONS)

Изобретение относится к электромеханике, а именно, к электрическим машинам с постоянными магнитами на внутреннем роторе и предназначено для высокооборотных электрических машин. Магнитоэлектрические машины с высокоэнергетическими постоянными магнитами (ПМ) из редкоземельных материалов (например, SmCo и NdFeB) на роторе обладают высокими удельными показателями. Отсутствие скользящих электрических контактов и обмоток на роторе позволяют достигать высоких окружных скоростей.
Особенность синхронных электрических машин с ПМ связана с конструкцией ротора, на котором расположены ПМ. Известны конструкции ротора с ПМ, такие как звездообразный ротор, когтеобразный ротор, ротор с призматическими ПМ (см. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. - М.: Высшая школа, 1985. - 255 с. стр. 60, рис. 2.20; стр. 61, рис. 2.21; стр. 62, рис. 2.22; также см. Ilyasov R. and Dezhin D. A Dovetail Joint for a Segment Permanent Magnet on a Rotor - (ICAM 2020). 2021, J. Phys.: Conf. Ser. 1891 (2021) 012005 doi: 10.1088/1742 6596/1891/1/012005; Патент RU 163830, Патент RU 2648677, Патент RU 126535, Патент RU 132642).
Традиционными техническими решениями крепления постоянных магнитов на роторе являются применение немагнитных бандажей из углеволоконных нитей или тонких полых цилиндров из титановых сплавов. Недостатками электрических машин с немагнитными бандажами конечной толщины является увеличение немагнитного зазора, увеличение магнитного сопротивления на пути основного магнитного потока и уменьшение магнитной индукции в зазоре, что ухудшает массогабаритные показатели машины. Повышение номинальной частоты вращения ротора электрической машины с целью увеличения ее удельной мощности, приводит к необходимости утолщения бандажа, что, в свою очередь, приводит к снижению индукции магнитного поля в рабочем зазоре.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является конструкция когтеобразного ротора с постоянным магнитом (см. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. - М.: Высшая школа, 1985. - 255 с. стр. 61, рис. 2.21), содержащая цилиндрический постоянный магнит, к торцам которого примыкают шайбы из магнитомягкой стали, имеющие чередующиеся по окружности когтеобразные выступы. Недостатками данной конструкции являются пониженная степень заполнения объема ротора постоянным магнитом, возможность отгиба концов когтеобразных выступов из-за центробежных сил, повышенные радиальные размеры.
Заявляемое изобретение направлено на решение следующих задач: увеличение предельно допустимой частоты вращения ротора электрической машины с магнитоэлектрическим возбуждением без снижения магнитной индукции в рабочем зазоре; увеличение магнитного потока возбуждения; повышение удельных мощностных и массогабаритных характеристик электрической машины; увеличение предельной мощности магнитоэлектрической машины.
Поставленные задачи решаются за счет того, что ротор магнитоэлектрической машины содержит постоянный магнит (ПМ), выполненный в виде диска равной прочности с профилем, расширяющимся от внешнего радиуса к оси вращения, немагнитные прижимные диски равной прочности, которые имеют квадратично-экспоненциальный профиль, вал или полувалы, причем ПМ диск обжат с торцов немагнитными прижимными дисками. При этом форма торцов диска постоянного магнита описывается соотношением (2), а форма внешних торцов прижимных дисков соотношением (3) (смотри далее по тексту описания).
Немагнитные прижимные диски могут быть выполнены с радиальным оребрением с внешних торцов.
Периферийные части внутренних торцевых поверхностей немагнитных прижимных дисков и торцевых поверхностей ПМ диска могут иметь хиртовые соединения.
На внешнем диаметре ротора дополнительно может быть установлен традиционный бандаж либо в виде углеволоконных нитей, либо металлического тонкостенного полого цилиндра, либо биметаллической обоймы с чередующимися ферромагнитными и немагнитными вставками.
При этом изготовление описанной выше конструкции ротора магнитоэлектрической машины может быть осуществлено следующими 3-мя способами: либо постоянный магнит в виде диска равной прочности выполняется с отверстиями в периферийной части диска, причем оси отверстий параллельны оси вращения ротора, немагнитные прижимные диски выполняются с полувалами и отверстиями, оси которых коллинеарны с осями отверстиий в ПМ диске, причем отверстия одного из прижимных дисков выполняются с резьбой, немагнитные прижимные диски с ПМ диском стягиваются винтами, установленными в отверстиях ПМ диска и немагнитных прижимных дисков, либо постоянный магнит в виде диска равной прочности выполняется с центральным отверстием и утолщением на посадочном диаметре, немагнитные прижимные диски выполняются также с центральными отверстиями, в центральных отверстиях ПМ диска и немагнитных прижимных дисков устанавливается вал и с помощью прижимных гаек, расположенных на резьбовом соединении вала, осуществляется стягивание немагнитных прижимных дисков с ПМ диском, либо постоянный магнит в виде диска равной прочности выполняется в виде цельного ПМ диска, немагнитные прижимные диски выполняются с полувалами, на которых размещаются радиально упорные подшипники, с помощью которых осуществляется стягивание немагнитных прижимных дисков с ПМ диском в процессе сборки.
Техническим результатом осуществления заявленного изобретения являются: повышение предельно допустимой окружной скорости ротора электрической машины с магнитоэлектрическим возбуждением, увеличение магнитного потока возбуждения за счет повышения объема постоянного магнита в центральной зоне ПМ диска ротора, увеличение удельных мощностных и массогабаритных характеристик, уменьшение поперечной и размагничивающей постоянный магнит реакций якоря, уменьшение индуктивного сопротивления обмотки якоря, возможность увеличения линейной нагрузки, увеличение предельной мощности магнитоэлектрической машины.
Совокупность существенных признаков каждого из трех вариантов заявляемого изобретения обеспечивает достижение одного и того же технического результата.
Технический результат в части повышения предельно допустимой окружной скорости ротора электрической машины с магнитоэлектрическим возбуждением достигается путем выполнения ротора в виде ПМ диска равной прочности, обжимаемого с торцов немагнитными прижимными дисками также равной прочности (см. Д.А. Бут, Б.Л. Алиевский, С.Р. Мизюрин, П.В. Васюкевич. Накопители энергии. М.: Энергоатомиздат, 1991.- 400 с. Стр. 250, рис. 4.6, е).
Для диска с квадратично - экспоненциальным профилем (равной прочности) толщина диска изменяется по радиусу как (см. там же, стр. 251)
0
где b=b(0) - толщина диска на оси при r=0, γ - плотность материала, Ω - угловая частота, σ - разрывающее напряжение материала.
Исходя из соотношения (1), получена функция, описывающая криволинейную форму торцов (фиг. 1 поз. 1) равнопрочного диска постоянного магнита ротора (фиг.1 поз.4), которая может быть записана в следующем виде:
0
пм
пм
где b - осевая полутолщина магнита на внешнем диаметре ротора d, r - текущая координата по радиусу, γ - плотность материала постоянного магнита, σ - прочность материала постоянного магнита на растяжение (с учетом коэффициента запаса), Ω - угловая частота вращения ротора, определяемая как:
Аналогично, функция, описывающая криволинейную форму внешнего торца (фиг. 1 поз. 2) равнопрочного прижимного диска (фиг. 1 поз. 4), может быть записана в следующем виде:
ст
ст
σγ
где γ и σ - плотность и прочность материала прижимного диска (например, стали), а k - отношение предельно допустимых окружных скоростей магнитного диска и немагнитных прижимных дисков:
0
Первое слагаемое в формулах (2) и (3) описывает криволинейную форму равнопрочного диска с полутолщиной b, соответствующей полутолщине диска в
его центральной части (см. формулу (1)). Однако для роторов электрических машин актуальной является расчетная осевая активная длина ротора, соответствующая толщине диска на его периферии. Также актуальной задачей является получение ротора заданного расчетного диаметра d. С этой целью формулы дополнительно содержат еще два слагаемых, которые смещают вверх по оси x функцию с целью получения заданной осевой полутолщины именно на внешнем диаметре ротора, а следовательно, и получения необходимого расчетного диаметра ротора.
Последнее слагаемое в формуле (3), описывающей функцию профиля прижимного диска, смещает функцию вверх по оси x с целью утолщения прижимного диска для увеличения его прочности. Это обеспечивает взятие на себя прижимными дисками значительной части механической нагрузки, что в достаточной степени разгружает ПМ диск.
Современные системы автоматизированного проектирования, например SolidWorks, позволяют параметрически задавать кривые, описываемые функцией. Это позволяет применять указанные функции с соответствующими значениями всех переменных для автоматической прорисовки расчетных профилей равнопрочных дисков постоянных магнитов и прижимных дисков. В дальнейшем прорисованные профили могут эффективно применяться для автоматизированного написания программ обрабатывающих станков с ЧПУ.
0
Пример графиков, иллюстрирующих описанные выше функции, показан на фиг. 1. Вертикальная ось x соответствует оси вращения ротора. Горизонтальная ось r - ось симметрии по радиусу; d/2 - внешний радиус ротора; b - осевая полутолщина магнитного диска на внешнем радиусе. 1 - Внешняя граница прижимного диска. 2 - внешняя граница магнитного диска. Область 3 между графиками 1 и 2 соответствует телу прижимного диска. Область 4 ниже внешней границы магнитного диска соответствует телу магнитного диска.
Высококоэрцитивные постоянные магниты из редкоземельных материалов, спеченные из порошков, обладают существенно различными пределами прочности на сжатие и растяжение. Как у всякого порошкового материала, прочность на растяжение в разы меньше. При вращении незабандажированного ПМ диска под действием возникающих центробежных сил на ПМ диск действуют наиболее опасные растягивающие усилия. Наибольшие усилия концентрируются на оси вращения из-за того, что внешние слои массы магнита под действием центробежных сил тянут за собой внутренние слои. Благодаря равнопрочному профилю, расширяющемуся от внешнего радиуса к оси вращения, площадь приложения центробежных сил увеличена, и растягивающее давление уменьшается, что позволяет повысить предельно допустимые окружные скорости ротора.
Магнитный диск ротора может быть выполнен цельным или с отверстием для посадки на вал. Указанное отверстие ослабляет магнитный диск, что ведет для повышения прочности к существенному утолщению диска у оси вращения. Особенно ослабляют прочность магнитного диска крепежные шпоночные соединения.
Известно, что удельная мощность электрической машины напрямую зависит от удельной массы ее активных материалов и, в первую очередь, массы постоянных магнитов. По этому критерию максимальной массой активного материала, а следовательно и мощностью, по сравнению с индуктором из отдельных магнитов на валу будет обладать индуктор из цельного магнитного диска.
Площадь прохождения магнитного потока внутри традиционного магнитного диска с плоскими параллельными торцами сильно меняется по радиусу. Утолщение у оси магнитного диска равной прочности, позволяет увеличить площадь магнитного потока ближе к оси, а значит и весь магнитный поток (при условии равенства остаточной намагниченности по всему объему магнита). Утолщение у оси ротора не повлияет на увеличение габаритной осевой длины электрической машины, поскольку это утолщение, как правило, не выходит за габариты вылетов лобовых частей обмоток якоря.
Дополнительным достоинством цельного диска постоянного магнита является малая магнитная проницаемость ротора и значительное уменьшение размагничивающих потоков реакции якоря, а также снижение индуктивных сопротивлений обмотки якоря. Снижение величины размагничивающего постоянный магнит потока якоря позволяет увеличить магнитодвижущую силу (МДС) обмоток якоря, повысить линейную нагрузку и дополнительно уменьшить габаритные размеры электрической машины. Особо актуально размагничивающее магнит действие реакции якоря для сверхпроводниковых обмоток якоря. Для магнитоэлектрических машин со сверхпроводниковыми обмотками якоря выбор предельно допустимой номинальной линейной нагрузки ограничивают не тепловыделения вследствие омических потерь, а именно превышение величиной напряженности магнитного поля реакции якоря значения коэрцитивной силы постоянного магнита.
Магнитный диск может быть намагничен на различное количество пар полюсов. Поскольку основной предполагаемой областью применения заявляемого изобретения являются высокооборотные электрические машины, то с целью снижения магнитных потерь в ферромагнитных сердечниках якоря и обмотках якоря из высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП-2) необходимо снижать электрическую частоту путем уменьшения количества полюсов до одной или двух пар. Двухполюсный (одна пара полюсов) магнитный диск максимально использует внутренний объем для создания магнитного потока. С увеличением количества полюсов внутренняя (осевая) область практически не задействуется. Значительная многополюсность магнитного диска может быть востребована только для специальных высокочастотных генераторов, например для индукционного нагрева.
Относительный коэффициент полюсного перекрытия традиционных индукторов магнитоэлектрических машин составляет не более 0,7 с целью получения формы ЭДС, близкой к синусоидальной. Однако в современной электромеханике с развитием силовой полупроводниковой техники наблюдается тенденция работы электрической машины в генераторном режиме на выпрямитель, при которой строгая синусоидальность формы ЭДС непринципиальна. Питание двигателей также осуществляется, как правило, несинусоидальным напряжением от регулируемых частотных полупроводниковых преобразователей плавного пуска. Отдельное развитие получили вентильные двигатели. Известно, что мощность электрической машины пропорциональна величине генерируемой в обмотке якоря ЭДС, а ЭДС, в свою очередь, по закону электромагнитной индукции пропорциональна магнитному потоку. Поэтому максимально возможное увеличение относительного коэффициента полюсного перекрытия (в пределе до единицы, когда магнитный полюс полностью занимает полюсное деление), увеличивает мощность электрической машины.
Прижимной диск может быть изготовлен из немагнитной стали или титанового сплава, а также из композитных материалов типа углепластика. Модуль упругости (модуль Юнга) материала прижимного диска должен быть больше модуля упругости материала магнитного диска. Применение углепластика наиболее перспективно, т.к. углепластик обладает значительными прочностью и модулем Юнга по сравнению со всеми остальными конструкционными материалами.
Прижимной диск должен быть изготовлен из немагнитного материала, исключающего шунтирование через себя магнитного потока постоянного магнита соседних полюсов. Полу валы должны либо крепиться к прижимным дискам, либо быть изготовлены в виде монолитной конструкции с прижимными дисками.
Стягивание немагнитных прижимных дисков с ПМ диском в процессе сборки может быть осуществлено при использовании радиально упорных подшипников (см. фиг. 4). Преднатяг позволяет использовать прижимные диски подобно тарельчатым пружинам и в значительной степени компенсировать осевую составляющую центробежной силы, отгибающую внешнюю часть прижимного диска от магнитного диска.
Отгибание прижимных дисков можно также компенсировать осевым стягиванием винтами на внешнем радиусе (см. фиг. 2 поз. 5). Отверстия под винты
5 между полюсами магнитного диска, уменьшат прочность магнитного диска незначительно. Металлические электропроводящие винты совместно с электропроводящими прижимными дисками могут дополнительно выполнять функцию короткозамкнутой обмотки, позволяющей выполнять асинхронный пуск (в двигательном режиме) и препятствующую размагничиванию магнита в случае резкого изменения нагрузки (демпферная обмотка в генераторном режиме). Винты целесообразно использовать с потайной головкой и резьбой в ответном прижимном диске, чтобы уменьшить аэродинамические потери.
В случае выполнения ПМ диска ротора равнопрочным с центральным отверстием и утолщением на посадочном диаметре (см. фиг. 3), немагнитные прижимные диски равной прочности выполняются также с центральными отверстиями. В центральных отверстиях ПМ диска и немагнитных прижимных дисков устанавливается вал, и с помощью прижимных гаек, расположенных на резьбовом соединении вала, осуществляется стягивание немагнитных прижимных дисков с ПМ диском.
Одним из наиболее перспективных способов повышения осевой жесткости прижимных дисков является их радиальное оребрение (см. фиг. 2 поз. 6). Оребрение 6 также может выполнять дополнительную функцию центробежного вентилятора для охлаждения лобовых частей резистивной обмотки якоря на статоре. Для высокооборотных роторов оребрение может стать причиной значительных аэродинамических потерь. В этом случае ребра должны быть закрыты кожухом или пространство между ротором и статором должно быть заполнено газом с низкой вязкостью (например, газообразным водородом) и/или находиться при пониженном давлении.
Крепление прижимных дисков к ПМ диску, а также передача механического момента могут быть осуществлены приклеиванием (для машин малой мощности). Моменты значительной величины могут быть переданы через хиртовые соединения на периферийных частях внутренних торцевых поверхностей немагнитных прижимных дисков и торцевых поверхностях ПМ диска, которые обеспечивают жесткость конструкции, а также соосность дисков ротора.
Возможно совместное применение заявленных способов крепления с использованием традиционного бандажа на внешнем диаметре магнитного диска ротора (в виде углеволоконных нитей, металлического тонкостенного полого цилиндра или биметаллической обоймы с чередующимися ферромагнитными и немагнитными вставками). В этом случае бандаж разгружается и имеет сравнительно малую толщину, увеличивающую магнитный зазор незначительно. Для сверхвысокооборотных роторов совместное применение всех возможных совместимых способов крепления является необходимостью.
0
На фиг. 1 показаны графики функций торцевых поверхностей магнитного диска равнопрочного профиля и прижимного немагнитного диска равной прочности (1 - внешняя граница немагнитного прижимного диска; 2 - внешняя граница магнитного диска; 3 - прижимной диск; 4 - магнитный диск; вертикальная ось x - ось симметрии вращения; горизонтальная ось r - ось симметрии по радиусу; d/2 - внешний радиус ротора; b - осевая полутолщина магнитного диска на внешнем радиусе).
0
На фиг. 2 показан эскиз продольного сечения ротора с полувалами и прижимными дисками, стягиваемыми винтами (1 - внешняя граница немагнитного прижимного диска; 2 - внешняя граница магнитного диска; 3 - прижимной диск; 4 - магнитный диск; 5 - оси стягивающих винтов; 6 - радиальные ребра осевой жесткости; x - ось вращения; d - внешний диаметр ротора; 2b - осевая толщина магнитного диска на внешнем радиусе).
0
На фиг. 3 показан эскиз продольного сечения ротора со сквозным валом и посадочными отверстиями в дисках (1 - внешняя граница немагнитного прижимного диска; 2 - внешняя граница магнитного диска; 3 - прижимной диск; 4 - магнитный диск; 6 - радиальные ребра осевой жесткости; 7 - сквозной вал; 8 - стягивающие гайки; x - ось вращения; d - внешний диаметр ротора; 2b - осевая толщина магнитного диска на внешнем радиусе).
0
На фиг. 4 показан эскиз продольного сечения ротора с прижимными подшипниками (1 - внешняя граница немагнитного прижимного диска; 2 - внешняя граница магнитного диска; 3 - прижимной диск; 4 - магнитный диск; 6 - радиальные ребра осевой жесткости; 9 - радиально упорные подшипники; x - вертикальная ось вращения; d - внешний диаметр ротора; 2b - осевая толщина магнитного диска на внешнем радиусе).
По мнению авторов, предлагаемое изобретение предназначено для высокооборотных и сверхвысокооборотных магнитоэлектрических машин и может быть использовано в транспортных системах, в том числе перспективных авиационных системах, автономных энергетических системах, генераторах и двигателях специального назначения (см. Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайрулин, В.Е. Вавилов. Высокооборотные электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. Москва "Инновационное машиностроение" 2017, с. 248).
Список источников
1. Д.А. Бут, Б.Л. Алиевский, С.Р. Мизюрин, П.В. Васюкевич. Накопители энергии. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с.
2. Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. - М.: Высшая школа, 1985. - 255 с.
3. Ilyasov R and Dezhin D. A Dovetail Joint for a Segment Permanent Magnet on a Rotor - (ICAM 2020). 2021, J. Phys.: Conf. Ser. 1891 (2021) 012005.
4. Патент RU 163830 Опубл. 10.08.2016 г., Бюл. №22. Сверхпроводниковая электрическая машина с аксиальным возбуждением и когтеобразным ротором с постоянными магнитами.
5. Патент RU 2648677 Опубл. 28.03.2018 г., Бюл. №10. Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала.
6. Патент RU 126535 Опубл. 27.03.2013 г., Бюл. №9. Многополюсная синхронная ВТСП электрическая машина.
7. Патент RU 132642 Опубл. 20.09.2013 г., Бюл. №26. Синхронный ВТСП электродвигатель с постоянными магнитами.
8. Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайрулин, В.Е. Вавилов. Высокооборотные электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. Москва "Инновационное машиностроение" 2017, с. 248.