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 полый вал из немагнитного материала и надетый на него магнитный индуктор цилиндрической формы, содержащий постоянные магниты, полюса из материала с высокой магнитной проницаемостью и немагнитные металлические клинья. 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 недостаточная прочность ротора при высоких окружных скоростях.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение прочности ротора электромашины при высоких окружных скоростях, уменьшение массы и массовых моментов инерции ротора и, следовательно, динамических нагрузок на подшипники электромашины.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении окружной скорости ротора и тем самым снижении массы ротора, массовых моментов инерции ротора, снижении динамических нагрузок на подшипники электромашины за счет уменьшения гироскопического момента, в повышении ресурса электромашины при работе на повышенных и высоких частотах вращения с минимальным прогибом вала путем использования газового слоя в зазоре между немагнитной изоляционной втулкой, размещенной в статоре и зафиксированной в торцевых щитах, и ротором электромашины для организации газового подшипника и пассивных магнитных подшипников и за счет этого отказа от подшипников качения. Это особенно существенно для длинных мощных электромашин.
Для решения поставленной задачи в роторе электромашины, содержащем полый вал из немагнитного материала и надетый на него магнитный индуктор цилиндрической формы, содержащий постоянные магниты, полюса из материала с высокой магнитной проницаемостью и немагнитные металлические клинья, согласно изобретению полый вал сформирован из дисков равного сопротивления, с одинаковым внешним диаметром, выполненных из немагнитного материала, жестко скрепленных торцевыми поверхностями друг с другом, при этом индуктор содержит магнитные планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, намагниченных в тангенциальном направлении, чередующихся с полюсами, выполненными как планки, при этом магнитные планки зафиксированы немагнитными клиньями, выполненными в виде желобчатых планок, размещенных над магнитными планками, кроме того, диски равного сопротивления, полюса и немагнитные клинья жестко скреплены друг с другом, например вакуумно-диффузионной сваркой, а магнитные планки жестко связаны с упомянутой сборкой, например, установлены с натягом между соседними полюсами, кроме того, один торец ротора жестко скреплен, предпочтительно сварен, с днищем торцевого стакана, выполненного из немагнитного материала, внешняя поверхность которого соответствует поверхности ротора, причем обращенная наружу поверхность его днища жестко скреплена с валом, соосным продольной оси ротора, при этом второй торец ротора жестко скреплен, предпочтительно сварен, с торцевой втулкой, выполненной из немагнитного материала, внешняя поверхность которой соответствует поверхности ротора, кроме того, этот торец ротора и внутренняя поверхность втулки жестко скреплены, предпочтительно склеены, соответственно с дном и стенками фиксирующего стакана, предпочтительно алюминиевого. Кроме того, поверхность ротора, торцевого стакана и торцевой втулки снабжены бандажом, единым для названных поверхностей, выполненным из высокопрочного немагнитного материала, например углеволокна.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий что «полый вал сформирован из дисков равного сопротивления, с одинаковым внешним диаметром, выполненных из немагнитного материала, жестко скрепленных торцевыми поверхностями друг с другом», формирует прочную и легкую конструкцию внутренней втулки и направляет магнитный поток магнитных планок на наружную поверхность полюса.
Признаки, указывающие что «индуктор содержит магнитные планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, намагниченных в тангенциальном направлении, чередующихся с полюсами, выполненными как планки, при этом магнитные планки зафиксированы немагнитными клиньями, выполнеными в виде желобчатых планок, размещенных над магнитными планками», формируют эффективную магнитную систему индуктора с тангенциальным направлением намагниченности постоянных магнитов при минимальной массе, обеспечивают возможность работы электрической машины.
Признаки, указывающие что «диски равного сопротивления, полюса и немагнитные клинья жестко скреплены друг с другом, например вакуумно-диффузионной сваркой» формируют жесткую и прочную конструкцию ротора и предотвращают его деформацию от действия центробежных сил.
Признак, указывающий что «магнитные планки жестко связаны с упомянутой сборкой, например, установлены с натягом между соседними полюсами», предотвращает перемещение магнитных планок в роторе и тем самым препятствует разбалансировке ротора при высоких окружных скоростях.
Признаки, указывающие что «один торец ротора жестко скреплен, предпочтительно сварен, с днищем торцевого стакана, выполненного из немагнитного материала, внешняя поверхность которого соответствует поверхности ротора, причем обращенная наружу поверхность его днища жестко скреплена с валом, соосным продольной оси ротора», позволяют передавать значительный крутящий момент от приводного двигателя к индуктору или наоборот, использовать поверхности цилиндрического стакана и ротора в качестве цапфы газового подшипника, увеличить площадь его опорной поверхности и тем самым значительно повысить несущую способность, жесткость газового слоя подшипника, повысить устойчивость ротора к «полускоростному вихрю», использовать внутреннюю поверхность стакана для формирования пассивного магнитного подшипника.
Признаки, указывающие что «второй торец ротора жестко скреплен, предпочтительно сварен, с торцевой втулкой, выполненной из немагнитного материала, внешняя поверхность которой соответствует поверхности ротора, кроме того, этот торец ротора и внутренняя поверхность втулки жестко скреплены, предпочтительно склеены, соответственно с дном и стенками фиксирующего стакана, предпочтительно алюминиевого», позволяют использовать поверхность цилиндрической втулки и ротора в качестве цапфы газового подшипника, увеличить площадь его опорной поверхности и тем самым значительно повысить несущую способность, жесткость газового слоя подшипника, повысить устойчивость ротора к «полускоростному вихрю», использовать внутреннюю поверхность втулки для формирования пассивного магнитного подшипника, а также зафиксировать магнитные планки индуктора от осевого смещения.
Признак, указывающий что «поверхность ротора, торцевого стакана и торцевой втулки снабжены бандажом, единым для названных поверхностей, например, выполненным из высокопрочного немагнитного материала, например углеволокна» позволяет увеличить прочность, индуктора, торцевого стакана и втулки, значительно уменьшить их деформацию в радиальном направлении от действия центробежных сил и тем самым предотвратить заклинивание газового подшипника при высоких окружных скоростях ввиду малости радиального зазора газового подшипника.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез ротора электромашины, и на фиг. 2 - его поперечное сечение.
На чертежах показаны диски 1 равного сопротивления, магниты 2, намагниченные в тангенциальном направлении, полюса 3, немагнитные клинья 4, торцевой стакан 5, цилиндрическая втулка 6, фиксирующий стакан 7, приводной вал 8, бандаж 9, магниты радиально-упорных магнитных подшипников 10, 11.
Ротор электромашины содержит полый вал, сформированный из дисков 1 равного сопротивления, жестко скрепленных друг с другом торцевыми поверхностями, например сваркой, с одинаковым внешним диаметром, выполненных из немагнитного материала, например из нержавеющей стали или титана, на который надет магнитный индуктор цилиндрической формы.
Индуктор содержит планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов 2, которые образуют составную втулку, при этом планки размещены так, что между магнитами 2, 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, и немагнитные металлические клинья 4, например, из нержавеющей стали или титана, контактируют друг с другом своими продольными боковыми кромками и жестко скреплены друг с другом. Внутренние поверхности полюсов 3 конгруэнтны обращенной к ним поверхности соответствующих участков дисков 1, а внешние составляют цилиндрическую поверхность.
При этом магниты 2 с тангенциальным направлением намагниченности уперты в обращенные к ним внутренние поверхности немагнитных клиньев 4. Полюса 3 внутренними поверхностями жестко скреплены с наружными цилиндрическими поверхностями дисков 1 равного сопротивления. Торцевые поверхности полюсов 3, немагнитных металлических клиньев 4 жестко скреплены с днищами цилиндрических торцевых стакана 5 из немагнитного материала и втулки 6 из немагнитного материала, внешний диаметр которых соответствует диаметру ротора. Торцевой стакан 5 снабжен приводным валом 8.
Днище торцевого стакана 5 жестко скреплено с торцевой поверхностью немагнитных клиньев 4, полюсов 3 и крайнего диска равного сопротивления 1, например, сваркой и с приводным валом 8, соосным продольной оси диска 1, что позволяет передавать на ротор значительные крутящие моменты. Внешняя поверхность ротора, образованная поверхностью полюсов 3, немагнитных клиньев 4, цилиндрического торцевого стакана 5 и цилиндрической втулки 6, снабжена бандажом 9 из высокопрочного немагнитного материала, например углеволокна. При этом внутренняя поверхность стенок торцевых стакана 5 и втулки 6 выполнена с возможностью их использования как обоймы радиально-упорных магнитных подшипников 10, 11.
На внутренней поверхности стенок торцевых стакана 5 и втулки 6 жестко закреплены составные постоянные магниты радиально-упорных подшипников 10, 11 одинаковой высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха. Между торцевыми поверхностями магнитов 11 и магнитами радиально упорного подшипника размещен стакан 7 для предотвращения осевого смещения магнитов 2.
Ротор изготавливают в следующем порядке (фиг. 1, 2). Диски 1 равного сопротивления сваривают между собой по наружному диаметру и протачивают после сварки. На внешнюю поверхность дисков 1 устанавливают равномерно полюса 3 и сваривают их с дисками 1, например, вакуумно-диффузионной сваркой. Подбор материалов позволяет использовать вакуумно-диффузионную сварку для получения заготовки ротора, представляющей из себя монолитную конструкцию (после первого этапа вакуумно-диффузионной сварки), включающую полюса 3 из стали с высокой магнитной проницаемостью, составной вал из немагнитного материала. Между полюсами 3 устанавливают технологические планки-имитаторы постоянных магнитов, а на них устанавливают немагнитные клинья 4 и сваривают их боковые поверхности с полюсами 3, например, электронно-лучевой сваркой. Из немагнитного материала, например, нержавеющей стали, изготавливают цилиндрические торцевые стакан 5 и втулку 6. К торцам составного кольца, состоящего из полюсов 3, немагнитных клиньев 4 и крайнего диска 1 соосно устанавливают и приваривают торцевой стакан 5. К торцу составного кольца, состоящего из полюсов 3 и немагнитных клиньев 4, соосно устанавливают и приваривают торцевую втулку 6. Охлаждают планки постоянных магнитов 2 и вставляют их в пазы сваренной конструкции полюсов 3, немагнитных клиньев 4, составных дисков 1, стакана 5 и втулки 6. Устанавливают во внутрь цилиндрической втулки 6 на клей торцевой стакан 7. На наружную поверхность ротора, образованную полюсами 3, немагнитными клиньями 4, стаканом 4 и втулкой 6, наматывают бандаж 9 из углеволокна и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. Во внутрь торцевых стакана 5 и втулки 6 вклеивают кольцевые постоянные магниты радиально-упорных магнитных подшипников 10, 11. Ротор электромашины подвергают динамической балансировке.
Заявленное устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). При вращении ротора в цилиндрических втулках (торцевых стакане 5 и втулке 6), составных дисках 1, полюсах 3 и немагнитных клиньях 4 возникают напряжения от действия центробежных сил и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Диски 1 равного сопротивления препятствуют расширению обода диска 1, полюсов 3 и немагнитных клиньев 4 от действия центробежных сил и тем самым снижают напряжения в них. Магнитные планки (магниты) 2 под действием центробежных сил создают значительные напряжения в составном кольце, состоящем из полюсов 3, немагнитных клиньев 4 и составных дисков 1. Для повышения прочности составного кольца на его наружную поверхность намотан бандаж 9 из высокомодульного материала, например углеволокна. При отсутствии центрального отверстия в дисках 1 напряжения минимальны (отсутствует эффект «булавочного укола»). Крутящий момент от приводного двигателя на ротор передается от приводного вала 8 через торец стакана 5, полюса 3 и немагнитные клинья 4. Работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.