РОТОР ВЫСОКООБОРОТНОЙ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Область техники
[1] Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам. В контексте настоящей полезной модели под электрической машиной понимается электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот, а именно генераторы электрического тока и электродвигатели.
[2] Обращая внимание на тот факт, что полезная модель может быть использована для изготовления любой из указанных электрических машин, авторы полезной модели полагают, что основным направлением для использования полезной модели являются высокооборотные синхронные электрические машины, преимущественно предназначенные для применения в авиационном электромашиностроении.
Предпосылки к созданию полезной модели
[3] Традиционная синхронная электрическая машина содержит корпус, в полости которого размещены статор и ротор. Статор выполнен в виде электрического контура (обмотки), прикрепленного к корпусу, и окружающего ротор в радиальном направлении. Ротор содержит вал, который установлен в корпусе на подшипниках, и магнитную систему, образованную, по меньшей мере, одним прикрепленным к валу постоянным магнитом. Применительно к высокооборотным синхронным электрическим машинам (>40000 об/мин), становится актуальным обеспечение надежного удержания магнитной системы в радиальном направлении, для чего магнитная система может быть размещена внутри вала. Однако, как будет показано ниже, исполнение синхронной электрической машины в данной конфигурации сопровождается технологической проблемой, не нашедшей до настоящего времени эффективного решения.
[4] Патентная публикация US2005099079A1, 12.05.2005 раскрывает ротор синхронной электрической машины, в котором вал снабжен двумя торцевыми элементами, удерживающими ротор в подшипниках, и гильзой, соединяющей торцевые элементы. Магнитная система из постоянных магнитов размещена внутри гильзы между торцевыми элементами. Соединительный элемент обеспечивает продольную фиксацию магнитной системы и торцевых элементов, что в ходе сборки ротора позволяет выполнить заготовку из торцевых элементов и магнитной системы с тем, чтобы до установки в гильзу обработать полученную заготовку как одно целое.
[5] Жесткое соединение между торцевыми элементами, магнитной системой и гильзой, т.е. такое соединение, которое позволяет скрепить соединяемые части как одно целое и передавать крутящий момент без проскальзывания, возникает в результате посадки гильзы на заготовку с натягом, что происходит после выравнивания температур между предварительно разогретой гильзой и введенной в нее предварительно охлажденной заготовкой. Данное решение надежно скрепляет торцевые элементы и магнитную систему с гильзой, однако, его недостатком является существенное снижение магнитных свойств постоянных магнитов, наблюдаемое после их резкого разогрева из охлажденного состояния.
[6] Патентная публикация RU97015U1, 20.08.2010 раскрывает ротор синхронной электрической машины, в котором первый торцевой элемент вала и гильза выполнены заодно. Магнитная система расположена в гильзе, которая соединена со вторым торцевым элементом по сопрягающимся радиальным поверхностям, имеющим цилиндрическую форму, и сопрягающимся торцевым поверхностям, являющимися плоскими. Данное решение, являющееся прототипом полезной модели, не требует теплового воздействия на элементы вала и потому позволяет сохранить изначально высокие магнитные свойства магнитной системы.
[7] Заметим, что хотя в состоянии покоя гильза и второй торцевой элемент по своим сопрягающимся радиальным поверхностям соединены с некоторым натягом, в ходе эксплуатации синхронной электрической машины на высоких частотах вращения под действием центробежной силы происходит расширение гильзы, и в отсутствие радиального прижимающего усилия передача крутящего момента через сопрягающиеся радиальные поверхности прекращается. Тем не менее, соединительный элемент создает между первым и вторым торцевыми элементами продольное прижимающее усилие, которое при достижении определенной величины могло бы обеспечить передачу крутящего момента от гильзы ко второму опорному элементу посредством силы трения между сопрягающимися торцевыми поверхностями.
[8] Однако площадь контакта между сопрягающимися торцевыми поверхностями гильзы и второго торцевого элемента по объективным компоновочным причинам оказывается достаточно малой, при этом упомянутое прижимающее усилие должно иметь сравнительно большую величину. Даже если принять, что сила трения не зависит от номинальной (т.е. непосредственно наблюдаемой) площади контакта, указанное обстоятельство приводит к значительному давлению, воспринимаемому сопрягающимися торцевыми поверхностями гильзы и второго торцевого элемента. В результате этого указанные элементы вала могут оказаться не в состоянии выдержать ту величину прижимающего усилия, которая необходима для передачи крутящего момента посредством трения, и подвергнуться деформации.
[9] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в таком усовершенствовании ротора синхронной электрической машины, которое сможет обеспечить жесткое соединение элементов вала, исключающее чрезмерное давление на сопрягающиеся поверхности данных элементов, способное вызвать их деформацию, и которое при этом не будет сопровождаться температурным воздействием на размещаемую внутри вала магнитную систему.
Сущность полезной модели
[10] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложен ротор электрической машины, который содержит вал, имеющий полость, и расположенную в полости магнитную систему, состоящую, по меньшей мере, из одного постоянного магнита. Вал образован первым и вторым вальными элементами, расположенными продольно и соединенными между собой с замыканием упомянутой полости. Первый вальный элемент содержит опорную поверхность первого вального элемента, а второй вальный элемент содержит опорную поверхность второго вального элемента. Обе указанные опорные поверхности имеют коническую форму, являются сопрягающимися и находятся в контакте друг с другом. Кроме того, первый и второй вальные элементы способны воспринимать усилие в направлении друг друга (далее также - прижимающее усилие) со стороны соединительного элемента, пролегающего по центру вала.
[11] Технический результат полезной модели состоит в существенном увеличении номинальной площади контакта между опорными поверхностями первого и второго вальных элементов относительно прототипа, что позволяет увеличить прижимающее усилие без риска деформационного повреждения вальных элементов. Далее, благодаря своей конической форме под воздействием увеличенного прижимающего усилия опорные поверхности могут незначительно сдвинуться друг по другу, что приведет к срезанию фактически контактирующих микроскопических выступов, увеличивая уже фактическую площадь контакта, а значит, и допустимое прижимающее усилие.
[12] Следует отметить, что увеличение прижимающего усилия, приложенного к вальным элементам, вызывает пропорциональное увеличение силы трения покоя между опорными поверхностями вальных элементов, благодаря которой обеспечивается передача крутящего момента от одного вального элемента к другому без взаимного проскальзывания. Таким образом, достигаемый технический результат позволяет успешно решить стоящую перед полезной моделью техническую проблему, которая заключается в обеспечении жесткого соединения вальных элементов.
[13] В частном случае полезной модели первый и второй вальный элементы дополнительно имеют шпоночное соединение, расположенное в месте контакта их опорных поверхностей. Данное решение гарантирует жесткое соединение первого и второго вального элементов путем зацепления, а значит, появляется возможность снизить величину прижимающего усилия между ними. В результате этого радиальный размер соединительного элемента может быть уменьшен с одновременным увеличением пространства для размещения магнитной системы.
[14] В другом частном случае полезной модели соединительный элемент выполнен в виде болта или шпильки, что позволяет выполнить разъемное соединение вальных элементов, а также благодаря резьбе произвести плавную регулировку прижимающего усилия.
[15] В предпочтительном случае полезной модели (далее - указанный предпочтительный случай полезной модели) первый вальный элемент содержит гильзу, в которой размещается постоянный магнит, и торцевой элемент, воспринимающий прижимающее усилие, причем на одном определенном в продольном направлении конце гильзы выполнена опорная поверхность первого вального элемента, а на другом своем конце гильза соединена с торцевым элементом. Данное решение позволяет выполнить участок соединения первого и второго вальных элементов за пределами магнитной системы в продольном направлении, что в свою очередь обеспечивает равномерность магнитного потока, проходящего через внешнюю радиальную поверхность ротора, на всей длине магнитной системы.
[16] В указанном предпочтительном случае полезной модели гильза и торцевой элемент могут быть выполнены заодно. В этом случае достигается упрощение конструкции первого вального элемента за счет снижения числа составляющих его компонентов.
[17] Далее, в указанном предпочтительном случае полезной модели опорная поверхность первого вального элемента может являться охватывающей поверхностью, а опорная поверхность второго вального элемента может являться охватываемой поверхностью. Данное решение предоставляет возможность минимизировать внешний диаметр второго вального элемента, что по сравнению со случаем, когда охватывающей поверхностью является опорная поверхность второго вального элемента, дает преимущество при выработке компоновочных решений синхронной электрической машины, например, позволяет использовать подшипники меньшего радиального размера.
[18] Более того, в дальнейшем развитии указанного предпочтительного случая опорная поверхность первого вального элемента может являться первой охватывающей опорной поверхностью, а опорная поверхность второго вального элемента может являться первой охватываемой опорной поверхностью. В этом случае на втором конце гильзы выполнена вторая охватывающая опорная поверхность, а на торцевом элементе выполнена вторая охватываемая опорная поверхность, причем обе вторые опорные поверхности имеют коническую форму, являются сопрягающимися и находятся в контакте друг с другом.
[19] Данное решение позволяет изготовить гильзу и торцевой элемент по отдельности, а потом соединить их с образованием первого вального элемента, что может быть актуально при выполнении торцевого элемента как части сложной детали, например, турбинного колеса. Жесткое соединение гильзы и торцевого элемента реализуется аналогично таковому для первого и второго вальных элементов, обеспечивая все описанные выше технические результаты.
[20] В указанном предпочтительном случае полезной модели магнитная система может быть закреплена на расположенной в гильзе втулке, которая прикреплена ко второму вальному элементу или выполнена с ним заодно, и внутри которой проходит соединительный элемент. Данный случай раскрывает компоновочное решение по размещению и закреплению постоянных магнитов в гильзе, которое по мнению авторов полезной модели является наиболее выигрышным с точек зрения жесткости конструкции ротора и количества выполняемых при его сборке технологических операций.
Краткое описание чертежей
[21] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 - продольный разрез ротора синхронной электрической машины, выполненного согласно полезной модели;
Фиг. 2 - поперечный разрез ротора синхронной электрической машины по плоскости А-А, обозначенной на Фиг. 1;
Фиг. 3 - продольный разрез ротора синхронной электрической машины, выполненного согласно частному случаю полезной модели.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов ротора, отображенных на фигурах, являются условными и показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов ротора и их причинно-следственную связь с заявленным техническим результатом.
Осуществление полезной модели
[22] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах реализации полезной модели, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[23] Ротор 1 синхронной электрической машины (Фиг. 1) содержит вал 2 с полостью 3, проходящей вдоль оси вала 2, и постоянный магнит 4, расположенный в полости 3. Постоянный магнит 4 является частью магнитной системы ротора 1, которая может включать в себя один, два, три, четыре или больше постоянных магнитов 4. В рассматриваемом случае магнитная система ротора 1 содержит четыре постоянных магнита 4 (Фиг. 2). Таким образом, признак формулы полезной модели «ротор содержит постоянный магнит» включает в себя также случаи, когда указанный постоянный магнит не является единственным, или другими словами, те случаи, когда ротор содержит любое множество постоянных магнитов, в т.ч. множество из четырех постоянных магнитов 4.
[24] Вал 2 включает в себя первый вальный элемент 10 и второй вальный элемент 20, расположенные продольно и соединенные между собой с замыканием полости 3. Понятие «замыкание полости 3» следует понимать как ограничение сообщения полости 3 с внешней средой для макроскопических предметов или частиц, таких как частицы пыли, капли жидкости и т.п., в частности, через участок соединения первого и второго вальных элементов 10 и 20. В то же время понятие «замыкание полости 3» не обязательно включает в себя герметизацию полости 3 для предотвращения прохождения в нее газов или паров. Хотя герметизирующий эффект в целом достигается полезной моделью и является желательным, данная проблема перед полезной моделью не ставится. Таким образом, первый и второй вальные элементы 10 и 20 при соединении друг с другом замыкают в полости 3 постоянные магниты 4, одновременно обеспечивая их фиксацию в продольном и радиальном направлениях.
[25] Срединная в продольном направлении часть 5 вала 2, в которой расположена полость 3 с постоянными магнитами 4, размещается в корпусе синхронной машины так, чтобы она была окружена статором синхронной электрической машины, при этом по обе стороны срединной части 5 вал 2 имеет удерживающие участки 6 и 7, предназначенные для размещения во внутренних кольцах подшипников. Следует отметить, что в случае ротора 1 удерживающие участки 6 и 7 расположены соответственно на первом вальном элементе 10 и втором вальном элементе 20, что не является обязательным. Например, второй вальный элемент 20 может быть целиком расположен внутри первого вального элемента 10 и не иметь собственной открытой радиальной поверхности. В последнем случае оба удерживающих участка 6 и 7 будут расположены на первом вальном элементе 10.
[26] Первый вальный элемент 10 содержит гильзу 15 и торцевой элемент 16. Гильза 15, располагаясь в срединной части 5 вала 2, ограничивает полость 3 в радиальном направлении по всей ее длине и полностью вмещает в себя постоянные магниты 4. На первом определенном в продольном направлении конце гильзы 15 выполнена опорная поверхность 11 первого вального элемента 10, в то время как на втором своем конце гильза 15 соединена с торцевым элементом 16.
[27] Второй вальный элемент 20, в свою очередь, содержит опорную поверхность 21, при этом обе опорные поверхности 11 и 21 имеют коническую форму, являются сопрягающимися и находятся в контакте друг с другом. Как будет показано ниже, представляется целесообразным, если опорная поверхность 11 является охватывающей поверхностью, а опорная поверхность 21 является охватываемой поверхностью. Отметим, что понятие «сопрягающиеся поверхности» в контексте настоящей заявки относится к поверхностям с одинаковыми параметрами, что позволяет ввести их в контакт на большой площади. В случае, если сопрягающиеся поверхности имеют цилиндрическую, коническую или иную криволинейную в поперечном сечении форму, то одна из них является охватывающей, а другая - охватываемой.
[28] Далее, первый и второй вальные элементы 10 и 20 способны воспринимать продольно направленное усилие, прижимающее их друг к другу в месте контакта опорных поверхностей 11 и 21. В результате этого между опорными поверхностями 11 и 12 возникает сила трения покоя, позволяющая передавать крутящий момент между первым и вторым вальными элементами 10 и 20 без взаимного проскальзывания. Отметим, что сила трения покоя между опорными поверхностями 11 и 21 пропорциональна величине прижимающего усилия, приложенного к первому и второму вальным элементам 10 и 20.
[29] Выполнение опорных поверхностей 11 и 21 в конической форме существенно увеличивает номинальную площадь контакта между ними относительно прототипа, что позволяет увеличить прижимающее усилие без риска деформационного повреждения первого и второго вальных элементов 10 и 20. Далее, благодаря своей конической форме под воздействием увеличенного прижимающего усилия опорные поверхности 11 и 21 могут незначительно сдвинуться друг по другу, что приведет к срезанию фактически контактирующих микроскопических выступов, увеличивая уже фактическую площадь контакта, а значит, и допустимое прижимающее усилие.
[30] Таким образом, выполнение опорных поверхностей 11 и 21 в конической форме позволяет через увеличение силы трения между ними успешно решить стоящую перед полезной моделью техническую проблему, которая заключается в обеспечении жесткого соединения первого и второго вальных элементов 10 и 20 для надежной передачи крутящего момента.
[31] Далее, выполнение первого вального элемента 10 так, что он вмещает в себя всю полость 3 целиком, позволяет выполнить участок соединения первого и второго вальных элементов 10 и 20 за пределами постоянных магнитов 4 в продольном направлении. В результате этого на всей длине постоянных магнитов 4 вал 2 остается сплошным, а значит обеспечивается равномерность магнитного потока, проходящего через внешнюю радиальную поверхность вала 2.
[32] Кроме того, выполнение опорных поверхностей 11 и 21 в виде охватывающей и охватываемой поверхностей соответственно, предоставляет возможность минимизировать внешний диаметр удерживающего участка 7 второго вального элемента 20, что по сравнению с обратным случаем, т.е. когда охватывающей поверхностью является опорная поверхность второго вального элемента 20, а охватываемой - опорная поверхность первого вального элемента 10, дает преимущество при выработке компоновочных решений синхронной электрической машины, например, позволяет использовать подшипники меньшего радиального размера.
[33] Первый и второй вальные элементы 10 и 20 воспринимают прижимающее усилие через выполненные на них крепежные поверхности 12 и 22 соответственно. Крепежные поверхности 12 и 22 являются плоскими и расположены перпендикулярно оси вала 2, при этом прижимающее усилие оказывается на них со стороны соединительного элемента 40, пролегающего по центру вала 2 внутри описанной ниже втулки 50.
[34] Соединительный элемент 40 выполнен в виде болта 41, который проходит через сквозное отверстие во втором вальном элементе 20, на котором расположена крепежная поверхность 22, и сквозное отверстие в торцевом элементе 16, на котором расположена крепежная поверхность 12. Головка 42 болта 41 упирается в крепежную поверхность 12, а навинченная на резьбу болта 41 гайка 43 - в крепежную поверхность 22. Затяжка резьбового соединения болта 41 и гайки 43 позволяет осуществить упомянутое прижимающее усилие для первого и второго вальных элементов 10 и 20.
[35] Следует отметить, что выполнение крепежных поверхностей 12 и 22 в виде плоских поверхностей, перпендикулярных оси вала 2, не является обязательным. Например, одна из крепежных поверхностей 12 и 22 может иметь вид внутренней резьбы, выполненной в теле соответствующего вального элемента. В этом случае целесообразно использовать соединительный элемент 40, выполненный в виде шпильки. Кроме того, соединительный элемент 40 может быть выполнен со вторым вальным элементом 20 заодно, и в этом случае крепежная поверхность 22 будет представлена внешней резьбой на соединительном элементе 40.
[36] Упомянутая выше втулка 50 имеет призматическое поперечное сечение (Фиг. 2). По длине втулки 50 выполнены пазы для вставки постоянных магнитов 4, которые, будучи размещенными в полости 3, имеют также контакт с внутренней радиальной поверхностью 31 гильзы 15. Стенки пазов обеспечивают передачу крутящего момента между постоянными магнитами 4 и вторым вальным элементом 20, с которым втулка 50 имеет жесткое соединение или выполнена заодно. Тем не менее, возможен случай, когда пазы выполнены не на втулке 50, а на гильзе 15, и тогда передача крутящего момента осуществляется между постоянными магнитами 4 и первым вальным элементом 10, в то время как втулка 50 обеспечивает лишь внутреннюю опору для постоянных магнитов 4.
[37] Следует обратить внимание, что в роторе 1 втулка 50 снабжена буртиком 51, входящим в контакт с внутренней поверхностью гильзы 15. Буртик 51 замыкает полость 3 с той определенной в продольном направлении стороны постоянных магнитов 4, которая является противоположной стороне контакта опорных поверхностей 11 и 21, т.е. со стороны торцевого элемента 16.
[38] В роторе 1 торцевой элемент 16 жестко соединен с приводным элементом 60, через который осуществляется передача или прием крутящего момента от внешнего вращающегося устройства. Более того, является предпочтительным, если гильза 15, торцевой элемент 16 и приводной элемент 60 выполнены заодно в виде единой детали, которая представляет собой первый вальный элемент 10. В последнем случае максимизируется жесткость первого вального элемента 10 и повышается технологичность его изготовления.
[39] Тем не менее, возможен случай, когда опорная поверхность 11 первого вального элемента 10 является первой охватывающей опорной поверхностью, а опорная поверхность 21 второго вального элемента 20 является первой охватываемой опорной поверхностью. В этом случае на втором конце гильзы 15 выполнена вторая охватывающая опорная поверхность, а на торцевом элементе 16 выполнена вторая охватываемая опорная поверхность, причем обе вторые опорные поверхности имеют коническую форму, являются сопрягающимися и находятся в контакте друг с другом аналогично первым опорным поверхностям.
[40] Такое исполнение позволяет изготовить гильзу 15 и торцевой элемент 16 по отдельности, а потом соединить их с образованием первого вального элемента 10, что может быть актуально при выполнении торцевого элемента 16 как части сложной детали, например, турбинного колеса. Жесткое соединение гильзы 15 и торцевого элемента 16 реализуется аналогично таковому для первого и второго вальных элементов 10 и 20, обеспечивая все описанные выше технические результаты.
[41] В частном случае полезной модели, показанном на Фиг. 3, первый и второй вальный элементы 10 и 20 дополнительно имеют шпоночное соединение 70, расположенное в месте контакта их опорных поверхностей 11 и 21. Данное решение позволяет гарантировать жесткое соединение первого и второго вального элементов 10 и 20 путем зацепления, а значит, появляется возможность снизить величину прижимающего усилия между ними и, соответственно, уменьшить радиальный размер соединительного элемента 40. В результате этого становится возможным увеличение размера полости 3 и размещенных в ней постоянных магнитов 4 с соответствующим повышением мощности электрической машины.
[42] В целях беспрепятственного прохождения магнитного потока между ротором 1 и статором синхронной электрической машины, все элементы вала 2, а именно: первый и второй вальные элементы 10 и 20, втулка 50, соединительный элемент 40 и приводной элемент 60 выполнены из немагнитного материала, например, цветного металла или сплава из цветных металлов.