Комбинированный ротор для высокоскоростной электрической машины
COMBINED ROTOR FOR HIGH-SPEED ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано при проектировании синхронных высокооборотных генераторов и электродвигателей.
Известна конструкция ротора электрической машины (патент RU №2211517, МПК Н02К 1/27 (2000.01), Н02К 1/28 (2000.01), Н02К 21/14 (2000.01), опубликовано 27.08.2003 г.), содержащий магнитопровод с размещенными на нем намагниченными в радиальном направлении постоянными магнитами чередующейся полярности с полюсными наконечниками, между постоянными магнитами с полюсными наконечниками имеются немагнитные зазоры, а на наружной поверхности полюсных наконечников выполнены концентрично оси ротора кольцевые канавки, образующие равномерно чередующиеся выступы и пазы, в кольцевых канавках размещен бандаж из немагнитного материала, охватывающий все полюсные наконечники, при этом магнитопровод состоит из равномерно чередующихся соответственно выступам и пазам полюсных наконечников магнитных и немагнитных кольцевых пластин, бандаж выполнен в виде колец, имеющих в местах расположения указанных зазоров повторяющие их форму и размеры перемычки, соединяющие кольца бандажа с немагнитными кольцевыми пластинами, при этом указанные кольца бандажа, перемычки и кольцевые немагнитные пластины выполнены заодно и одинаковыми по толщине, равной ширине соответствующих пазов полюсных наконечников, а магнитные кольцевые пластины, толщина которых равна ширине соответствующих выступов полюсных наконечников, имеют по внешнему диаметру буртики, служащие для плотной фиксации немагнитных кольцевых пластин, причем в местах расположения перемычек в буртиках выполнены сквозные выемки, размеры которых повторяют размеры перемычек.
Недостатком такого устройства является низкая технологичность сборки Наиболее близким по технической сущности является ротор электрической машины типа звездочка с призматическими постоянными магнитами и полюсными башмаками, описанный в книге А.Н. Дедовский, «Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами» М.: Энергоатомиздат 1985 г. стр. 19, содержащий постоянные магниты, намагниченные по одной из осей, установлены на втулке из магнитомягкого материала, которая в свою очередь закреплена на валу машины. Магниты устанавливаются таким образом, что по расточке образуются полюсы чередующейся полярности. Для обеспечения механической прочности конструкции на собранные магниты и втулку надевается сварной бандаж, который состоит из полюсных башмаков из магнитной стали и немагнитных вставок, сваренных в местах стыка. Полюсные башмаки позволяют уменьшить воздушных зазор. Промежутки между магнитами заполняются алюминиевой вставкой или компаундом
Недостатками прототипа являются низкое использование объема ротора из-за частичного его заполнения немагнитными материалами - алюминием или компаундом, низкая механическая прочность в виду того, что сварной шов расположен в механически нагруженном месте, а также ввиду того, что постоянные магниты и немагнитные участки имеют разную плотность и оказывают неравномерное давление на бандаж при вращении ротора.
Техническая задача изобретения заключается в улучшение массо-габаритных показателей электрических машин, и уменьшение механической нагрузки сварных швов.
Техническим результатом изобретения является увеличение надежности работы на высоких частотах вращения и повышение удельной мощности и эксплуатационных характеристик высокоскоростных электрических машин.
Это достигается тем, что известный в комбинированном роторе для высокоскоростной электрической машины, содержащим постоянные магниты, установленные на валу из магнитомягкого материала образуя полюсы, на собранные магниты надевается сварной бандаж, который состоит из полюсных наконечников из магнитной стали и немагнитных вставок, сваренных в местах стыка, постоянные магниты выполнены в виде сегментов и установлены вплотную друг к другу, без образования немагнитных промежутков, сегменты постоянных магнитов, формирующие полюса, намагничены радиально, сегменты постоянных магнитов, установленные между полюсами выполнены с тангенциальной намагниченностью, сегменты постоянных магнитов намагниченные в радиальном направлении расположены напротив полюсных наконечников, а сегменты магнитов с тангенциальной намагниченностью расположены напротив немагнитных вставок.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен поперечный разрез комбинированного ротора с распределением механических напряжений в бандаже при его вращении, на фиг. 2 показано распределение магнитной индукции по объему ротора.
Ротор высокоскоростной электрической машины содержит вал 1 из магнитомягкого материала, на внешней поверхности которой расположены сегменты постоянных магнитов 2 и 3.
Сегменты магнитов 2, формирующие полюса намагничены в радиальном направлении, а сегменты магнитов 3 расположены между полюсами сформированными магнитами 2 намагничены тангенциально. На внешнюю поверхность сегментов 2 и 3 постоянных магнитов надет комбинированный сварной биметаллический бандаж 4, состоящий из полюсных наконечников 5 из магнитной стали и немагнитных вставок 6, соединенных таким образом, что сварной шов 7 расположен в зоне минимальных механических напряжений, а сегменты постоянных магнитов 2 намагниченные в радиальном направлении расположены напротив полюсных наконечников 5, а сегменты магнитов 3 с тангенциальной намагниченностью расположены напротив немагнитных вставок 6.
Сегменты постоянных магнитов 2 и 3 расположены вплотную друг к другу без образования немагнитных промежутков по всей поверхности магнитного вала 1. Установка постоянных магнитов 3 с тангенциальной намагниченностью исключает наличие немагнитных промежутков. Полюсные наконечники 5 из магнитной стали и немагнитные вставки биметаллического бандажа 4 имеют одинаковую высоту.
Комбинированный ротор для высокоскоростной электрической машины работает следующим образом.
Намагниченные радиально сегменты 2 постоянных магнитов формируют магнитный поток, проходящий через вал 1 ротора и полюсные наконечники 5 из магнитомягкого материала. Постоянные магниты 3, намагниченные тангенциально корректируют распределение магнитного поля в роторе, усиливая его в зоне полюсных наконечников 5, и снижая внутри вала 1, тем самым уменьшая степень насыщения материала вала 1 ротора.
При вращении ротора сегменты постоянных магнитов 2 и 3 под действием центробежных сил оказывают давление на сварной биметаллический бандаж 4, вызывая в нем механические напряжения. Расположение сварного шва 7 в зоне минимальных напряжений обеспечивает повышение надежности работы ротора на высоких частотах вращения. Сегменты постоянных магнитов 2 и 3 установлены в стык без немагнитных промежутков, что позволяет более полно использовать объем ротора и повысить уровень магнитного потока, формируемого ротором.
Как видно на фиг. 2, индукция магнитного поля на поверхности полюсных наконечников 5 изменяется незначительно.
Расчетным путем было подтверждено, что выполнение комбинированного сварного биметаллического бандажа 4 из полюсных наконечников 5 из магнитной стали и немагнитных вставок 6 позволяет увеличить величину магнитного поля на поверхности бандажа 4, кроме того выполнение постоянных магнитов виде сегментов 3 с радиальной и тангенциальной намагниченностью обеспечивает эффективно использовать внутренний объем ротора, и тем самым повысить удельную мощность и эксплуатационные характеристики высокоскоростных электрических машин.
Использование изобретения позволяет при неизменном размере ротора создавать электрические машины большей мощности, что обеспечивает улучшение массо-габаритных показателей электрических машин.