Ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов
ROTOR OF MAGNETOELECTRIC MACHINE WITH LOW LEVEL OF HEATING OF PERMANENT MAGNETS

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к устройству роторов электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов, расположенных на роторе, и может быть использовано в электромашиностроении при производстве электродвигателей и генераторов.
Известно устройство, реализующее способ установки постоянных магнитов в роторе электрической машины [патент РФ №2230420 C1, H02K 15/00, H02K 15/03, 10.06.2004], содержащее статор, запрессованный в корпус, ротор, установленный на валу, постоянные магниты, установленные в роторе, в соответствии с их магнитными характеристиками (магнитной индукции на поверхности магнита или магнитной индукцией в воздушном зазоре).
Недостатками данной конструкции являются невысокая механическая прочность и ограниченные функциональные возможности, обусловленные незначительными скоростями вращения ротора.
Известен ротор на постоянных магнитах [патент РФ №2406209 С2, H02K 1/27, 10.12.2010], в котором постоянные магниты во внутренней части ротора расположены параллельно оси вращения ротора, на внешнем периметре ротора выполнены открытые наружу пазы, которые соответственно проходят наклонно или с изгибом к продольным кромкам смежных постоянных магнитов в направлении периметра или, по меньшей мере, один раз пересекают; пазы на внешней стороне ротора в направлении периметра имеют меньшую ширину, чем в лежащей радиально ближе к центру области паза, и форма поперечного сечения паза по длине ротора постоянна.
Недостатками данной конструкции являются невысокая механическая прочность и ограниченные функциональные возможности, обусловленные незначительными скоростями вращения ротора.
Известен ротор электрической машины с постоянными магнитами [патент РФ 2309514 С2, H02K 15/02, 27.10.2007], который содержит приклеенные постоянные магниты из редкоземельных металлов, залитые компаундом и герметично защищенные от воздействия рабочей среды посредством сварки обоймы с торцевыми дисками. С целью упрощения технологии изготовления в промежутке между постоянными магнитами и одним из торцевых дисков установлен дополнительный диск с осевыми отверстиями для заливки компаунда и заходной фаской для облегчения напрессовки обоймы. За счет применения дополнительного диска исключаются технологические операции заливки компаунда в форму и пригоночной механической обработки по компаунду.
Недостатками данной конструкции являются невысокая механическая прочность и ограниченные функциональные возможности, обусловленные незначительными скоростями вращения ротора.
Известен ротор электрической машины с постоянными магнитами [патент РФ №2231896 С2, H02K 21/16, H02K 21/14, 27.06.2004], который содержит вал, магнитомягкое ярмо, плоские постоянные магниты, цилиндрические постоянные магниты, полюсные сердечники с полюсными наконечниками, короткозамкнутую обмотку. Согласно изобретению, ярмо выполнено в виде правильной призмы с радиальными пазами, в которые установлены плоские и цилиндрические постоянные магниты, цилиндрические полюсные сердечники с полюсными наконечниками и кольцевая короткозамкнутая обмотка.
Недостатками данной конструкции являются невысокая механическая прочность и ограниченные функциональные возможности, обусловленные незначительными скоростями вращения ротора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому приходится ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов (варианты) [патент RU 2728276 C1, H02K 1/27 (2006.01), H02K 1/28 (2006.01), 27.01.2020], который содержит внешний ротор, состоящий из полого цилиндрического вала, внутри которого установлен магнитопровод ротора, на внутренней поверхности магнитопровода ротора уложены постоянные магниты, на внутреннем диаметре магнитов расположен теплоизоляционный слой неэлектропроводящего, неферромагнитного материала с низкой теплопроводностью, а поверх него - электропроводящий цилиндр, который соединяется с валом при помощи торцевых дисков.
Недостатками данной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, сложность конструкции, обусловленная монтажом электропроводящего слоя и слоя материала с низкой теплопроводностью, проходящий ток в электропроводящем слое искажает поле возбуждения, что негативно отражается на рабочих характеристиках электрической машины. Кроме того, наличие электропроводящего слоя и слоя материала с низкой теплопроводностью увеличивает немагнитный зазор, что ухудшает рабочие характеристики и негативно сказывается на массогабаритных характеристиках электрической машины.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, благодаря увеличению мощности машины при сохранении массогабаритных показателей.
Техническим результатом является повышение надежности, энергоэффективности и КПД на 1-2%.
Поставленная задача решается, а результат достигается тем, что ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов, имеющий внешний ротор, состоящий из полого цилиндрического вала, внутри которого установлен магнитопровод ротора, на внутренней поверхности магнитопровода ротора уложены постоянные магниты, согласно изобретению, постоянные магниты в радиальном направлении имеют два слоя - внутренний, расположенный в непосредственной близости к немагнитному зазору, и внешний, расположенный в непосредственной близости к магнитопроводу ротора, внутренний слой выполнен из высокотемпературных постоянных магнитов, а внешний - из более высококоэрцитивных, но менее устойчивых к воздействию высоких температур постоянных магнитов, а внутренний и внешний слои постоянных магнитов в аксиальном направлении разбиты на секторы, при этом количество секторов внутреннего слоя более чем в два раза больше количества секторов внешнего слоя, между секторами и слоями постоянных магнитов расположен компаунд с низкой теплопроводностью, а на внутренней поверхности внутреннего слоя постоянных магнитов расположен неэлектропроводящий бандаж.
Например, внутренний слой постоянных магнитов может быть выполнен из высокотемпературных магнитов SmCo, а внешний слой - из более высококоэрцитивных (мощных постоянных магнитов), но менее устойчивых к воздействию высоких температур магнитов NdFeB.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 и фиг. 2 изображены соответственно продольный и поперечный разрезы ротора магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов.
Предложенный ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов содержит внешний ротор 1 (при этом предложенное устройство может также использоваться и с внутренним ротором), состоящий из полого цилиндрического вала 2, внутри которого установлен магнитопровод ротора 3, на внутренней поверхности магнитопровода ротора 3 уложены постоянные магниты 4. Постоянные магниты 4 в радиальном направлении имеют два слоя - внутренний 5, расположенный в непосредственной близости к немагнитному зазору, и внешний 6, расположенный в непосредственной близости к магнитопроводу ротора. Внутренний слой 5 выполнен из высокотемпературных постоянных магнитов (например, SmCo), а внешний слой 6 - из более высококоэрцитивных, но менее устойчивых к воздействию высоких температур постоянных магнитов (например, NdFeB). Внутренний 5 и внешний 6 слои постоянных магнитов 4 в аксиальном направлении разбиты на секторы, при этом количество секторов внутреннего слоя 5 более чем в два раза больше количества секторов внешнего слоя 6. Между секторами и слоями 5 и 6 постоянных магнитов 4 расположен компаунд 7 с низкой теплопроводностью. На внутренней поверхности внутреннего слоя 5 постоянных магнитов 4 расположен неэлектропроводящий бандаж 8.
Для пояснения принципа работы на фиг. 1 и фиг. 2 показан магнитопровод статора 9 с уложенной в нем обмоткой 10.
Предложенный ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов работает следующим образом (фиг. 1, фиг. 2). При вращении внешнего ротора 1 магнитный поток возбуждения, создаваемый в постоянных магнитах 4, проходя через магнитопровод статора 9, пересекает обмотку статора 10 и создает в ней электродвижущую силу. При подключении к обмотке статора 10 нагрузки электродвижущая сила создает ток, который в свою очередь приводит к возникновению магнитного поля реакции якоря. Из-за высших гармоник тока магнитное поле реакции якоря вращается несинхронно с внешним ротором 1, поэтому наводит в постоянных магнитах 4 вихревые токи. Нагрев постоянных магнитов 4 негативно сказывается на их энергетических характеристиках, поэтому постоянные магниты 4 имеют внутренний слой 5 и внешний слой 6. Контуры вихревых токов замыкаются в аксиальном направлении и сконцентрированы в непосредственной близости к немагнитному зазору. Основную концентрацию потерь на вихревые токи берет на себя внутренний слой 5, поэтому он выполнен из высокотемпературных постоянных магнитов (например, SmCo). Внутренний слой 5 и внешний слой 6 постоянных магнитов в аксиальном направлении разбиты на секторы, при этом количество секторов внутреннего слоя более чем в два раза больше количества секторов внешнего слоя. Это необходимо для минимизации потерь на вихревые токи во внутреннем слое 5, при этом концентрация потерь на вихревые токи в слое 6 значительно меньше чем в слое 5, поэтому количество секторов в аксиальном направлении в слое 6 меньше, чем в слое 5, и слой 5 выполнен из более высококоэрцитивных (мощных постоянных магнитов), но менее устойчивых к воздействию высоких температур постоянных магнитов (например, NdFeB). Для минимизации контуров вихревых токов между секторами и слоями 5 и 6 постоянных магнитов 4 расположен компаунд 7 с низкой теплопроводностью. Для увеличения механической прочности ротора 1 во внутренней поверхности внутреннего слоя 5 постоянных магнитов 4 расположен неэлектропроводящий бандаж 8.
Итак, заявленный ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов позволит расширить функциональные возможности, повысить надежность, энергоэффективность и повысить КПД на 1-2%, благодаря минимизации тепловыделений магнитоэлектрической машины и увеличению мощности машины при сохранении массогабаритных показателей.