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 электрической машины, содержащий ярмо с расположенными на нем постоянными магнитами разноименной полярности, на которых размещены полюсные наконечники. На наружной поверхности полюсных наконечников концентрично оси ротора выполнены кольцевые канавки, служащие для размещения бандажа, охватывающего все полюсные наконечники (см. SU 1677806 A1, H02K 21/14, 1989).
При высоких оборотах у ротора снижается надежность работы из-за повышенных механических напряжений в бандаже. Надежность устройства можно повысить за счет увеличения поперечного сечения бандажа, что приведет к увеличению массы и габаритов устройства.
Известен также 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 недостаточной механической прочностью ротора, приводящей к возможности его разрушения при эксплуатации в режиме повышенных частот вращения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение механической прочности ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости без увеличения его массогабаритных параметров и предотвращение чрезмерных радиальных расширений ротора при вращении с целью использования наружной поверхности ротора в качестве цапфы газового подшипника.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности использования газового слоя в зазоре между втулкой, размещенной в статоре и зафиксированной в торцевых щитах, и ротором электромашины для организации газового подшипника и за счет этого отказа от подшипников качения. Кроме того, повышается ресурс электромашины при работе на повышенных и высоких частотах вращения. При этом прогиб вала электромашины отсутствует, что очень существенно для мощных электромашин.
Для решения поставленной задачи 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, отличается тем, что 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, причем внешний диаметр цилиндрических втулок равен диаметру ротора, 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, постоянные магниты снабжены средствами их фиксации в продольных радиальных пазах цилиндра.
Кроме того, 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 съемной крышкой. Кроме того, для скрепления жестко соединяемых деталей ротора использована вакуумно-диффузионная сварка.
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 «…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…» обеспечивает возможность работы электрической машины и позволяет увеличить прочность цилиндрических втулок, значительно уменьшить их расширение в радиальном направлении от действия центробежных сил и, тем самым, предотвратить заклинивание газового подшипника при высоких окружных скоростях ввиду малости радиального зазора газового подшипника.
Признак «…внешний диаметр цилиндрических втулок равен диаметру ротора…» позволяет использовать поверхности цилиндрических втулок 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».
Признак «…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…» позволяет выполнить сборку индуктора после вакуумно-диффузионной сварки.
Признаки «…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…» и «…свободный торец, по меньшей мере, одной цилиндрической втулки закрыт съемной крышкой» позволяют предотвратить смещение магнитов в осевом направлении и, тем самым, предотвратить разбалансировку ротора при вращении, а наличие крышек позволяет уменьшить вентиляционные потери.
Признак «…для скрепления жестко соединяемых деталей ротора использована вакуумно-диффузионная сварка» позволяет обеспечить дополнительную прочность и жесткость ротора.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез ротора и на фиг.2, 3 - его поперечные сечения, и на фиг.4 показан продольный разрез электромашины.
Ротор электромашины (см. фиг.1-3) содержит полый вал 1 из немагнитного материала и надетый на него цилиндр 2, выполненный из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, в продольных радиальных пазах 3 которого размещены постоянные магниты 4, зафиксированные немагнитными металлическими клиньями 5, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра 2. Цилиндр 2 жестко скреплен с полым валом 1 и немагнитными металлическими клиньями 5 по всей площади их контактов. При этом торцы ротора жестко скреплены с цилиндрическими втулками 6, 7, выполненными из немагнитного металла, соосными и жестко скрепленными с полым валом 1, причем внешний диаметр цилиндрических втулок 6, 7 равен диаметру ротора. Цилиндрические втулки 6, 7 снабжены сквозными проточками 8, ориентированными параллельно продольной оси цилиндра 2, при этом сквозные проточки 8 совпадают по количеству и местоположению с продольными радиальными пазами 3 цилиндра 2 и превышают их размеры на величину, достаточную для свободного прохода через них постоянных магнитов 4. Постоянные магниты 4 снабжены средствами их фиксации 9 от осевого перемещения в продольных радиальных пазах 3 цилиндра 2. Средства фиксации 9 постоянных магнитов 4 в продольных радиальных пазах 3 цилиндра 2 выполнены в виде деталей из немагнитного металла, повторяющих поперечное сечение сквозных проточек 8 цилиндрической втулки 7 и размещены с натягом в сквозных проточках 8 цилиндрической втулки 7, в контакте с торцами постоянных магнитов 4. Торец цилиндрической втулки 6 закрыт крышкой 10, которая жестко скреплена с этой втулкой. На вал 1 надевается стопорное кольцо 11 для предотвращения осевого перемещения магнитов 4 в пазах 3. Втулка 7 закрыта съемной крышкой 12. Для скрепления жестко соединяемых деталей ротора использована вакуумно-диффузионная сварка.
На фиг.4 показан корпус 13 электромашины, в полости которого установлен сердечник статора 14, выполненный известным образом из одного или нескольких пакетов электротехнической стали, с обмоткой 15. В полости сердечника статора 14 установлена цилиндрическая втулка 16, выполненная из изоляционного немагнитного материала, например, стеклотекстолита, с антифрикционным покрытием (например, ВАП-3) внутренней поверхности втулки 16. Втулка 16 жестко зафиксирована от проворачивания своими концевыми участками в торцевых щитах 17, 18 корпуса 13 электромашины.
Между наружной цилиндрической поверхностью цилиндра 2, наружной цилиндрической поверхностью втулок 6, 7 и внутренней поверхностью изоляционной немагнитной втулки 16 оставлен небольшой зазор, открытый со стороны торцевых щитов 17, 18. Газодинамический подшипник составляет внутреннюю поверхность втулки 16, наружную цилиндрическую поверхность цилиндра 2, наружную цилиндрическую поверхность втулок 6, 7 и зазор между ними.
Ротор изготавливают в следующем порядке (фиг.1, 2, 3). На вал 1 надевают цилиндр 2. Подбор материалов позволяет использовать вакуумно-диффузионную сварку для получения заготовки ротора, представляющей из себя монолитную композицию (после первого этапа вакуумно-диффузионной сварки), включающую вал 1 из немагнитной стали и цилиндр 2 из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью. Далее заготовку ротора подвергают механической обработке, в процессе которой по периметру цилиндра 2 на одинаковом расстоянии друг от друга вырезают радиальные пазы 3 на всю длину цилиндра 2. Из немагнитного материала, например, нержавеющей стали, изготавливают две цилиндрические втулки 6 и 7 с пазами необходимой конфигурации и торцевые крышки 10, 12. Во втулку 6 устанавливают стопорное кольцо 11. В пазы 3 цилиндра 2 вставляют немагнитные клинья 5, на вал 1 надевают цилиндрические втулки 6, 7 с необходимой ориентацией и устанавливают крышку 10. Полученную сборку подвергают вакуумно-диффузионной сварке. Затем полученную конструкцию подвергают термическому расширению, для чего ее помещают в нагревательную печь и нагревают до рабочей температуры магнитов, обеспечивающей достаточное расширение для свободного проталкивания постоянных магнитов 4 в пазы 3 через втулку 7. Постоянные магниты 4 фиксируют средствами фиксации 9 и устанавливают крышку 12.
Заявленное устройство работает следующим образом (см. фиг.4). При вращении ротора газ в зазоре, образованном внутренней поверхностью втулки 16, наружной цилиндрической поверхностью цилиндра 2, наружной цилиндрической поверхностью втулок 6, 7, увлекается наружной поверхностью цилиндра 2 и наружной цилиндрической поверхностью втулок 6, 7, создает газодинамическую подъемную силу за счет разности зазоров в верхней и нижней частях подшипника (за счет эксцентричности продольной оси цилиндра 2 и втулки 16, обеспечивающей поддержание ротора в подвешенном состоянии относительно втулки 16, неподвижной относительно статора 14. При вращении ротора в цилиндрических втулках 6, 7, продольных перемычках 19 и вале 1 возникают напряжения от центробежных сил и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Продольные перемычки 19 и вал 1 препятствуют расширению наружных поверхностей цилиндрических втулок 6, 7 от действия центробежных сил и тем самым снижают эквивалентные напряжения. При отсутствии центрального отверстия в вале 1 напряжения минимальны (отсутствует эффект «булавочного укола»). Профилируя соответствующим образом продольные перемычки 19, можно уменьшить массу ротора, значительно уменьшить радиальные расширения цилиндрических втулок и тем самым предотвратить заклинивание газового подшипника при высоких частотах вращения ротора.
Работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.