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 (см. 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 (см. 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 цилиндрический вал из немагнитного материала, на который надет индуктор, при этом внешняя поверхность ротора снабжена средством удержания элементов индуктора при его вращении. (см. RU 2385524, 2010). 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.
Недостатком известного устройства является радиальная деформация краевых полых цилиндрических втулок ротора при высоких частотах вращения и, как следствие, возможность заклинивания ротора.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение прочности ротора при высоких окружных скоростях, увеличение индукции магнитного поля на поверхности индуктора и уменьшение дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении механической прочности ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости мощных электромашин без увеличения массогабаритных параметров, в увеличении магнитной индукции на поверхности индуктора с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности его поверхности, приводящих к уменьшению дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.
Для решения поставленной задачи ротор электромашины, содержащий цилиндрический вал из немагнитного материала, на который надет индуктор, при этом внешняя поверхность ротора снабжена средством удержания элементов индуктора при его вращении, отличается тем, что индуктор выполнен в виде составной магнитной втулки из планок, ориентированных вдоль продольной оси ротора, выполненных из постоянных магнитов, причем между планками, намагниченными тангенциально, в контакте с ними размещены планки, намагниченные радиально, с реализацией магнитной схемы Хальбаха, кроме того, средство удержания элементов индуктора при его вращении выполнено в виде тонкостенной фиксирующей втулки из немагнитного материала, предпочтительно из титанового сплава, надетой на индуктор, в контакте с обращенными к ней торцами магнитных планок, при этом поверхность полости составной магнитной втулки, контактирующая с валом, выполнена цилиндрической, причем торцы тангенциально намагниченных планок конгруэнтны обращенной к ним поверхности тонкостенной фиксирующей втулки, а торцы радиально намагниченных планок выступают над торцами тангенциально намагниченных планок и выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности тонкостенной фиксирующей втулки на ее контакте с ними, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора, кроме того, на внешней поверхности фиксирующей втулки выполнен бандаж, предпочтительно из высокопрочного волоконного материала, например из углеволокна. Кроме того, вал выполнен монолитным, предпочтительно из титанового или алюминиевого сплава или композита. Кроме того, цапфы выполнены из немагнитного материала в виде выступов, сторона которых, обращенная к торцу ротора, снабжена юбкой в виде диска, выполненного с возможностью жесткого, предпочтительно разъемного скрепления с торцами ротора. Кроме того, торцы магнитных планок уперты в юбки цапф.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «…индуктор выполнен в виде составной магнитной втулки из планок, ориентированных вдоль продольной оси ротора, выполненных из постоянных магнитов, причем между планками, намагниченными тангенциально, в контакте с ними размещены планки, намагниченные радиально, с реализацией магнитной схемы Хальбаха…» формирует магнитную систему ротора с сильным магнитным полем.
Признак «…средство удержания элементов индуктора при его вращении выполнено в виде тонкостенной фиксирующей втулки из немагнитного материала, предпочтительно из титанового сплава, надетой на индуктор, в контакте с обращенными к ней торцами магнитных планок…» формирует жесткую и прочную конструкцию ротора, снижает его деформацию от действия центробежных сил при высоких окружных скоростях.
Признаки «…поверхность полости составной магнитной втулки, контактирующая с валом, выполнена цилиндрической, причем торцы тангенциально намагниченных планок конгруэнтны обращенной к ним поверхности тонкостенной фиксирующей втулки, а торцы радиально намагниченных планок выступают над торцами тангенциально намагниченных планок и выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности тонкостенной фиксирующей втулки на ее контакте с ними, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора …» обеспечивают синусоидальность графика распределения индукции магнитного поля, уменьшение дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.
Признак «…на внешней поверхности фиксирующей втулки выполнен бандаж, предпочтительно, из высокопрочного волоконного материала, например, из углеволокна …» обеспечивает дополнительную прочность ротора.
Признак «…вал выполнен монолитным, предпочтительно, из титанового или алюминиевого сплава или композита…» формирует жесткую и прочную конструкцию ротора и снижает его деформацию от действия центробежных сил при высоких окружных скоростях.
Признак «…цапфы выполнены из немагнитного материала, в виде выступов, сторона которых, обращенная к торцу ротора, снабжена юбкой в виде диска, выполненного с возможностью жесткого, предпочтительно, разъемного скрепления с торцами ротора…» обеспечивает формирование прочной конструкции цапф и вала ротора.
Признак «…торцы магнитных планок уперты в юбки цапф…» предотвращает осевое смещение магнитов при вращении ротора.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез ротора электромашины, а на фиг. 2 - его поперечное сечение.
На чертежах показаны цилиндрический монолитный вал 1, магнитные планки 2 и 3, фиксирующая втулка 4, бандаж 5, цапфы 6 и 7, винты 8, юбки 9, цапфы 6 и 7.
Ротор электромашины содержит цилиндрический монолитный вал 1, выполненный из немагнитного материала, например из высокопрочного титана ВТ22, на который надет индуктор цилиндрической формы.
Индуктор выполнен в виде составной магнитной втулки из планок 2, 3, ориентированных вдоль продольной оси ротора, выполненных из постоянных магнитов, при этом планки размещены так, что между планками 3, намагниченными в тангенциальном направлении, в контакте с ними размещены планки 2, намагниченные в радиальном направлении, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха. При этом поверхность полости составной магнитной втулки, контактирующая с монолитным валом 1, выполнена цилиндрической. Средство удержания элементов индуктора при его вращении выполнено в виде тонкостенной фиксирующей втулки 4 из немагнитного материала, например из высокопрочного титана ВТ22, надетой на индуктор, в контакте с обращенными к ней торцами магнитных планок 2, 3. Торцы тангенциально намагниченных планок 3 конгруэнтны обращенной к ним поверхности тонкостенной фиксирующей втулки 4, а торцы радиально намагниченных планок 2 выступают над торцами тангенциально намагниченных планок 3 и выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности тонкостенной фиксирующей втулки 4 на ее контакте с ними, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора. При этом тангенциально намагниченные планки 3 уперты в обращенные к ним внутренние поверхности тонкостенной фиксирующей втулки 4. На наружную поверхность тонкостенной фиксирующей втулки 4 намотан бандаж 5 из высокопрочного материала, например углеволокна.
Цапфы 6, 7 выполнены из немагнитного материала, в виде выступов, сторона которых, обращенная к торцу ротора, снабжена юбкой 9 в виде диска, выполненного с возможностью жесткого, предпочтительно разъемного скрепления с торцами ротора.
Наружные торцевые поверхности цилиндрического вала 1 жестко скреплены с выступами цилиндрических торцевых цапф 6, 7. Торцы магнитных планок 2, 3 уперты в юбки 9 цапф 6, 7. К одному торцу цилиндрического вала 1 соосно приварена цапфа 7, например, вакуумно-диффузионной сваркой. Торцевая цапфа 6 соосно скреплена с цилиндрическим валом 1 винтами 8 и снабжена приводным валом.
Ротор изготавливают в следующем порядке (фиг.1, 2). Цилиндрический вал 1 изготавливают из высокопрочного титанового сплава ВТ22. Из немагнитного материала, например титанового сплава ВТ22, изготавливают цилиндрические цапфы 6, 7. К одному торцу цилиндрического вала 1 соосно устанавливают и приваривают торцевую цапфу 7, например, вакуумно-диффузионной сваркой. На цилиндрический вал 1 устанавливают на клей предварительно намагниченные магнитные планки 2, 3 с формированием магнитной схемы Хальбаха. На магнитные планки 2, 3 надевают предварительно нагретую до температуры, не превышающей точку Кюри постоянных магнитов, тонкостенную фиксирующую втулку 4 из титанового сплава. На наружную поверхность наматывают бандаж 5 из углеволокна и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. Ко второму торцу цилиндрического вала соосно устанавливают цапфу 6 и закрепляют ее винтами 8 с цилиндрическим валом 1. Ротор подвергают динамической балансировке.
Заявленное устройство работает следующим образом (см. фиг.1). При вращении ротора в цилиндрическом вале 1, планках 2, 3, постоянных магнитов, тонкостенной фиксирующей втулке 4 и цапфах 6, 7 возникают напряжения от действия центробежных сил и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Для предотвращения разрушения цилиндрического ротора на наружную поверхность тонкостенной фиксирующей втулки 4 намотан бандаж 5 из высокомодульного материала, например углеволокна. При отсутствии центрального отверстия в цилиндрическом вале 1 напряжения минимальны (отсутствует эффект «булавочного укола»). С внешним механизмом ротор электромашины связан через цапфу 6 и цилиндрический вал 1.