Магнитная система ротора
ROTOR MAGNETIC SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники, в частности - к конструктивному исполнению магнитных систем роторов электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов и может быть использовано в электромашиностроении при производстве электродвигателей и генераторов.
Известен ротор электрической машины с постоянными магнитами [патент РФ №75110 U1, МПК H02K 19/02, опубликовано 20.07.2008 г.], выполненный в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его. С целью концентрации магнитного потока, полюса индукторов образованы постоянными магнитами, расположенными в промежутках между сегментами ярем из магнитомягкого материала, магниты намагничены в тангенциальном направлении.
Недостатки аналога заключаются в высоких массогабаритных показателях, сложном исполнении конструкции ротора в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов, а также перегреве постоянных магнитов и ослаблении их магнитных свойств при высоких температурах.
Известна магнитная система ротора для применения в электрической машине с постоянными магнитами (US №5349258, МПК H02K 21/12, H02K 23/04, H02K 21/26, опубликовано 20.09.1994 г.), представляющая собой кольцевой цилиндр, состоящий из полюсных, намагниченных радиально, постоянных магнитов чередующейся полярности и межполюсных постоянных магнитов, намагниченных тангенциально. Полюсные и межполюсные магниты прилегают друг к другу разноименными полюсами, образуя мозаичную структуру. Благодаря межполюсным элементам из тангенциально намагниченных постоянных магнитов изменяется не только направление магнитного потока, но и увеличивается индукция рабочего потока за счет увеличения активной длины магнитов в направлении их намагниченности.
Недостатком известной магнитной системы ротора для применения в электрической машине с постоянными магнитами является несинусоидальное распределение магнитного поля на внешней стороне ротора, перегрев постоянных магнитов и ослабление их магнитных свойств при высоких температурах.
Известна магнитная система ротора [патент РФ №2316103 C2, МПК H02K 1/27, H02K 21/14, опубликовано 27.01.2008 г.], содержащая пакет пластин с V-образными отверстиями, выполненных из магнитопроводящей стали, и из постоянных магнитов призматической формы с тангенциальной намагниченностью N-S. Магниты, образующие полюсное деление, установлены в отверстиях пластин с наклоном к радиальной оси и соприкасаются одноименными полюсами. Под магнитами, образующими полюсное деление, могут быть установлены немагнитные вкладыши. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, заключается в снижении потоков рассеивания при наклонной установке магнитов и, как следствие, в увеличении рабочего магнитного потока при заданном радиальном габарите ротора.
Недостатки аналога заключаются в перегреве постоянных магнитов и ослаблении их магнитных свойств при высоких температурах, в наличии воздушной полости, прилегающей к торцам постоянных магнитов со стороны вала, что способствует лишь уменьшению магнитных потоков рассеяния в этой области, но не устраняет их полностью.
Известна магнитная система ротора [патент РФ №2244370 C1, МПК H02K 1/06, H02K 21/12, опубликовано 10.01.2005 г.], состоящая из более чем двух пластин магнитопроводящей стали с полюсными выступами, образованными постоянными магнитами призматической формы с тангенциальной намагниченностью N-S, находящимися внутри пакета пластин, внутренний и наружный диаметр пластин выполнены без разрывов, магниты прямоугольной призматической формы внутри них установлены таким образом, что расстояние по наружной дуге между наружными плоскостями двух соседних магнитов разноименных полюсов меньше, чем расстояние по внутренней дуге между теми же плоскостями, магниты между собой не соприкасаются, а на внутреннем диаметре имеется хотя бы один выступ для соединения с валом ротора.
Недостатки аналога заключаются в сложности конструкции ввиду установки магнитов внутри металлического пакета, перегреве и ослаблении магнитных свойств постоянных магнитов при высоких температурах.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является магнитная система ротора [патент US №8269390 B2, МПК H02K 1/2766, опубликовано 18.09.2012 г.], содержащая постоянные магниты. На валу последовательно расположены постоянные магниты различных типов: Nd-Fe-B, Al-Ni-Co и Fe-Cr-Co. Данные магниты обладают разными значениями коэрцитивной силы от 100 кА/м до 950 кА/м. При работе устройства поле реакции якоря, создаваемое током, протекающим в обмотке статора, воздействует на постоянные магниты, расположенные на валу, в результате чего магниты с минимальными значениями коэрцитивной силы размагничиваются и тем самым отключаются дополнительные полюса.
Недостатком данного устройства является температурное ограничение режима работы из-за используемых в данном устройстве постоянных магнитов, которые обладают рабочей температурой до 180 градусов.
Задача изобретения - повышение эффективности электрических машин с постоянными магнитами за счет улучшения энергетических свойств магнитной системы ротора.
Техническим результатом является повышение энергетических свойств магнитной системы ротора благодаря применению нижнего ряда расположенных в аксиальном направлении постоянных магнитов с чередующимися полюсами, которые дополнительно усиливают магнитное поле, образованное верхним рядом постоянных магнитов.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в магнитной системе ротора, содержащей постоянные магниты, согласно изобретению, постоянные магниты на роторе установлены в два ряда и выполнены с различными допустимыми рабочими температурами, причем верхний ряд выполнен шихтованным из высокотемпературных постоянных магнитов с возможностью уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис, а нижний ряд выполнен цельным из постоянных магнитов с более высокими энергетическими характеристиками, но с более низкой рабочей температурой и расположен в аксиальном направлении с чередующимися полюсами.
Верхний ряд постоянных магнитов за счет того, что выполнен из высокотемпературных постоянных магнитов (например, Sm2Co17) незначительно ослабевает под действием температуры, а также защищает нижний ряд от перегрева. Верхний ряд постоянных магнитов выполнен шихтованным для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис, а нижний ряд постоянных магнитов из сплава, обладающего большими энергетическими характеристиками (например, Nd-Fe-B), выполнен цельным, так как глубина проникновения магнитного поля достигает лишь верхнего ряда постоянных магнитов. Вследствие того, что нижний ряд постоянных магнитов не так сильно прогревается как верхний, то он может быть выполнен постоянных магнитов с более низкой рабочей температурой. Это обеспечивает повышение энергетических свойств магнитной системы ротора.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фигуре 1 изображен поперечный разрез магнитной системы ротора. На фигуре 2 изображен поперечный и продольный разрез постоянных магнитов.
Магнитная система ротора (фиг. 1, фиг.2) содержит нижний ряд постоянных магнитов 1, верхний ряд постоянных магнитов 2, расположенных на роторе 3.
По сравнению со сплавом нижнего ряда постоянных магнитов 1, который обладает максимальной рабочей температурой до 180°С, постоянные магниты верхнего ряда 2 обладают предельной рабочей температурой до 500°С, что определяет возможность работы электрической машины с постоянными магнитами верхнего ряда 2 при повышенных температурах. К тому же, постоянные магниты нижнего ряда 1 подвержены коррозии, для уменьшения которой требуется дополнительное покрытие, тогда как постоянные магниты верхнего ряда 2 обладают лучшей коррозионной стойкостью. Но тем не менее постоянные магниты нижнего ряда 1 обладают более высокими энергетическими характеристиками: высокими показателями коэрцитивной силы, максимальной магнитной энергией и магнитной индукцией.
Верхний ряд постоянных магнитов 2 (фиг.2) из высокотемпературного сплава выполнен шихтованным для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис, а нижний ряд постоянных магнитов 1 (фиг.2)  - из сплава с большими энергетическими характеристиками расположен в аксиальном направлении с чередующимися полюсами, которые дополнительно усиливают магнитное поле, образованное верхним рядом постоянных магнитов и выполнен цельным, так как глубина проникновения магнитного поля достигает лишь верхнего ряда постоянных магнитов. Вследствие того, что нижний ряд постоянных магнитов 1 (фиг.2) не так сильно прогревается, как верхний 2 (фиг.2), то он может быть выполнен из постоянных магнитов с более низкой рабочей температурой.
Итак, заявляемая конструкция магнитной системы ротора позволяет повысить эффективность электрических машин с постоянными магнитами за счет улучшения энергетических свойств магнитной системы ротора, благодаря применению нижнего ряда постоянных магнитов, дополнительно усиливающих магнитное поле, образованное верхним рядом постоянных магнитов, а также благодаря выполнению верхнего ряда из высокотемпературных постоянных магнитов, обеспечивающих защиту нижнего ряда постоянных магнитов от перегрева.