РОТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
ROTOR OF ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электрических машинах с постоянными магнитами.
Известен ротор электрической машины, в котором имеются магнитопровод, постоянные магниты и бандаж для обеспечения механической прочности [Волокитина, Е.В. Исследование и разработка быстродействующего вентильного электропривода органов управления новых самолетов: дис… канд. техн. наук: 05.09.03 / Волокитина Елена Владимировна. - Чебоксары, 2006. - 196 с.].
Недостатком описанного аналога является расположение бандажа в рабочем магнитном зазоре между неподвижным статором и вращающимся ротором. Этот зазор увеличивается на толщину бандажа, что ведет к уменьшению магнитного потока и ухудшению рабочих характеристик электрической машины.
Известен ротор электрической машины [RU 144527 Н02K 1/27, Н02K 1/28. Опубл. 27.08.2014], содержащий магнитопровод и установленные на него постоянные магниты. Магниты крепятся бандажными кольцами, установленными в выемках на постоянных магнитах.
Недостатком предложенной конструкции ротора является способ крепления магнитов на роторе, который способствует ослаблению магнитного поля из-за рассеяния магнитного потока у магнита по граням с выемками, неэффективное использование объема постоянных магнитов, а также увеличение аксиальной длины электрической машины на величину бандажных колец.
Известен ротор электрической машины [RU 81009 Н02K 1/27, Н02K 15/03. Опубл. 27.02.2009. Бюл. №6], в котором удерживающие элементы выполнены в виде дисков, установленных на торцах ротора и стянутых между сбой в осевом направлении ротора, а на наружных диаметрах торцевых поверхностей полюсных наконечников выполнены кольцевые конусы либо кольцевые выборки, прилегающие к аналогичным ответным поверхностям удерживающих элементов.
Недостатком предложенного ротора является способ крепления магнитов, при котором происходит ослабление магнитного поля за счет рассеивания магнитного потока у магнитов со скошенными гранями или с выборками на гранях, а также за счет снижения площади полюса со стороны воздушного зазора.
Известен ротор электромашины [RU 2444108 Н02K 1/27, Н02K 21/12. Опубл. 27.02.2012. Бюл. №6], принятый за прототип. Ротор содержит 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, при этом цилиндр жестко скреплен с полым валом и немагнитными металлическими клиньями по всей площади их контактов, при этом торцы ротора жестко скреплены с цилиндрическими втулками, выполненными из немагнитного металла, соосными и жестко скрепленными с полым валом, кроме того, цилиндрические втулки снабжены сквозными проточками, ориентированными параллельно продольной оси цилиндра, при этом сквозные проточки совпадают по количеству и местоположению с продольными радиальными пазами цилиндра и превышают их размеры на величину, достаточную для свободного прохода через них постоянных магнитов. Кроме того, наружная поверхность цилиндра снабжена бандажом, выполненным намоткой на него гибкой нити из высокопрочного немагнитного материала с пропиткой их твердеющими синтетическими смолами. Средства фиксации постоянных магнитов в продольных радиальных пазах цилиндра выполнены в виде деталей из немагнитного металла, повторяющих поперечное сечение сквозных проточек цилиндрических втулок, и размещены с натягом в сквозных проточках, в контакте с торцами постоянных магнитов. Кроме того, свободный торец, по меньшей мере, одной цилиндрической втулки закрыт ввинчиваемой или запрессованной крышкой.
Недостатком предложенного ротора является сложность его изготовления, зафиксированные немагнитные металлические клинья, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра, и наличие бандажа из немагнитного материала с пропиткой его твердеющими синтетическими смолами увеличивают воздушный зазор между магнитами ротора и магнитопроводом статора, что ведет к рассеиванию магнитного поля и, соответственно, уменьшению мощности электромашины. Кроме того, предложенная конструкция ротора не позволяет осуществлять прямой пуск малоинерционных электрических машин.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании ротора электрической машины с максимальной энергией магнитного поля при минимальном рабочем воздушном зазоре со статором в малоинерционных машинах с прямым пуском.
Поставленная задача решается тем, что ротор содержит вал из магнитомягкого материала, в продольных пазах которого размещены постоянные магниты, закрепленные средствами фиксации в форме стержней, концы которых замкнуты в единый контур кольцами, расположенными по торцам ротора, а сами средства фиксации уложены в проточки, которые расположены на боковых поверхностях продольных радиальных пазов и постоянных магнитов друг напротив друга, причем средства фиксации и кольца выполнены из меди или другого диамагнитного материала, а постоянные магниты в поперечном сечении имеют прямоугольную форму, причем внешняя плоскость закруглена по радиусу ротора.
Изобретение поясняется чертежами - на фиг. 1 изображена часть ротора электродвигателя в поперечном сечении, на фиг. 2 - продольное сечение А-А ротора электродвигателя, на фиг. 3 - компьютерное моделирование расположения магнитного поля в электродвигателе для магнитов с различной формой поперечного сечения.
Ротор содержит магнитопровод 1 с продольными пазами 2, в которые установлены постоянные магниты 3. Магниты крепятся в пазах посредством средств фиксации 4, в форме стержней, например проволоки, установленными в продольные канавки 5 на боковой поверхности магнитов 2 и продольные канавки 6 на боковой поверхности продольных пазов 3. Концы средств фиксации соединяются между собой посредством колец 7, установленных по торцам ротора, и образуют единый замкнутый контур. Средства фиксации и кольца выполнены из меди или другого диамагнитного материала. Образованный контур из диамагнитного материала создает короткозамкнутую обмотку, которая позволяет осуществлять прямой асинхронный пуск в малоинерционных электродвигателях, а также демпфирование раскачки ротора при работе электрической машины в синхронном режиме.
Исследование влияния формы поперечного сечения магнита на величину основного магнитного потока, выполненное с использованием программного продукта Ansys Maxwell, показало, что оптимальной формой магнита в поперечном сечении для обеспечения максимального основного магнитного потока является прямоугольник (фиг. 3). По сравнению с магнитом, у которого прямоугольная форма поперечного сечения (фиг. 3, а) и величина основного магнитного поля принята за 100%, для магнита со скошенными гранями (в форме трапеции) основное магнитное поле составляет 88,7% (фиг. 3, б), для магнита с выемками (выборкой) для крепления - 82,2% (фиг. 3, в), для магнита с предлагаемым способом крепления - 98,5% (фиг. 3, г). Поэтому для обеспечения максимального основного магнитного потока оптимальной формой магнита в поперечном сечении является прямоугольник.
На фиг. 3 римскими цифрами обозначены: I - ротор электродвигателя, II - статор электродвигателя, III - воздушный зазор, IV - магнит, V - средство фиксации.
С целью уменьшения воздушного зазора между ротором и статором внешняя (свободная) плоскость магнита закруглена по радиусу ротора.
Таким образом, использование средств фиксации в форме стержней или проволоки, установленными в продольные канавки на боковой поверхности магнитов и на боковой поверхности продольных пазов в роторе, позволяет надежно закреплять магниты в роторе даже для быстровращающихся машин. Дополнительную прочность и плотность крепления магнитов можно придавать, используя клеящие составы между ротором, магнитами и средствами фиксации. Короткозамкнутая обмотка из диамагнитного материала, созданная средствами фиксации и кольцами, создает условия для осуществления прямого пуска в малоинерционных синхронных электродвигателях.
Предложенная конструкция ротора позволяет после установки и фиксации постоянных магнитов в роторе обработать наружную цилиндрическую поверхность ротора совместно с магнитами, добиваясь минимального зазора между ротором и статором, что дополнительно увеличивает магнитный поток и улучшает рабочие характеристики электрической машины.