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 полый вал из немагнитного материала и надетый на него магнитный индуктор цилиндрической формы, содержащий постоянные магниты, полюса из материала с высокой магнитной проницаемостью и немагнитные металлические клинья. 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 (см. RU 2385524, 2010).
Недостатком известного устройства является большая масса полюсов ротора и малоэффективное использование постоянных магнитов индуктора, что и утяжеляет ротор.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является значительное снижение массы и массовых моментов инерции ротора и, следовательно, динамических нагрузок на подшипники электромашины, повышение механической прочности ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости мощных электромашин без увеличения массогабаритных параметров, и предотвращение чрезмерных радиальных расширений ротора при вращении.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в существенном снижении массы ротора, массовых моментов инерции ротора, снижении динамических нагрузок на подшипники электромашины, за счет уменьшения гироскопического момента, в повышении ресурса электромашины при работе на повышенных и высоких частотах вращения с минимальным прогибом вала путем использования газового слоя в зазоре между немагнитной изоляционной втулкой, размещенной в статоре и зафиксированной в торцевых щитах, и ротором электромашины для организации газового подшипника и пассивных магнитных подшипников и за счет этого отказа от подшипников качения. Это особенно существенно для длинных мощных электромашин.
Для решения поставленной задачи ротор электромашины, содержащий полый вал из немагнитного материала и надетый на него магнитный индуктор цилиндрической формы, содержащий постоянные магниты, полюса из материала с высокой магнитной проницаемостью и немагнитные металлические клинья, отличается тем, что индуктор содержит планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составной магнитной втулки, при этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные магниты, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, при этом полюса и клинья выполнены в виде желобообразных планок, контактирующих друг с другом своими продольными кромками, при этом их внутренние поверхности конгруэнтны обращенной к ним поверхности соответствующих участков составной магнитной втулки, а внешние составляют цилиндрическую поверхность, кроме того, радиально намагниченные магниты уперты в обращенные к ним внутренние поверхности полюсов, а тангенциально намагниченные магниты уперты в обращенные к ним внутренние поверхности клиньев, кроме того, торцевые поверхности вала и индуктора скреплены с днищами цилиндрических торцевых стаканов из немагнитного материала, внешний диаметр которых соответствует диаметру ротора, причем днище одного из стаканов жестко скреплено с приводным валом, соосным с продольной осью полого вала, кроме того, внешняя поверхность ротора снабжена бандажом из высокопрочного немагнитного материала, например, углеволокна, при этом внутренняя поверхность стенок стаканов выполнена с возможностью их использования как обоймы магнитного радиального подшипника.
Кроме того, на внутренней поверхности стенок стаканов жестко закреплены составные постоянные магниты одинаковой высоты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха.
Кроме того, полый вал из немагнитного материала выполнен из алюминия, его сплавов или композитного материала, например, на основе стекла или углеволокна, при этом вал содержит цилиндрический шток и обечайку, жестко связанные друг с другом продольными ребрами. Кроме того, шток снабжен выступом, снабженным резьбой, пропущенным через отверстие в днище цилиндрического торцевого стакана, свободного от приводного вала, и зафиксирован гайкой.
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.
Признаки «…индуктор содержит планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составной магнитной втулки, при этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха…» формируют эффективную магнитную систему индуктора при минимальной массе.
Признаки «…полюса и клинья выполнены в виде желобообразных планок, контактирующих друг с другом своими продольными кромками, при этом их внутренние поверхности конгруэнтны обращенной к ним поверхности соответствующих участков составной магнитной втулки, а внешние составляют цилиндрическую поверхность…» формируют направление магнитного потока индуктора, обеспечивают возможность работы электрической машины.
Признаки «…радиально намагниченные магниты уперты в обращенные к ним внутренние поверхности полюсов, а тангенциально намагниченные магниты уперты в обращенные к ним внутренние поверхности клиньев…» формируют жесткую конструкцию ротора и предотвращают его деформацию от действия центробежных сил.
Признаки «…торцевые поверхности вала и индуктора скреплены с днищами цилиндрических торцевых стаканов из немагнитного материала, внешний диаметр которых соответствует диаметру ротора, причем днище одного из стаканов жестко скреплено с приводным валом, соосным с продольной осью полого вала…» позволяют передавать значительный крутящий момент от приводного двигателя к индуктору или наоборот, использовать поверхности цилиндрических стаканов 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», использовать внутреннюю поверхность стаканов для формирования пассивного магнитного подшипника.
Признак, указывающий, что «внешняя поверхность ротора снабжена бандажом из высокопрочного немагнитного материала, например, углеволокна», позволяет увеличить прочность индуктора, торцевых стаканов, значительно уменьшить их деформацию 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 «…внутренняя поверхность стенок стаканов выполнена с возможностью их использования как обоймы магнитного радиального подшипника…» формирует цапфу пассивного магнитного подшипника электромашины.
Признак «…на внутренней поверхности стенок стаканов жестко закреплены составные постоянные магниты одинаковой высоты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха…» формирует эффективные пассивные магнитные подшипники.
Признаки «…полый вал из немагнитного материала выполнен из алюминия, его сплавов или композитного материала, например, на основе стекла или углеволокна, при этом вал содержит цилиндрический шток и обечайку, жестко связанные друг с другом продольными ребрами…» уменьшают массу полого вала и снижают его деформацию при вращении ротора.
Признак «…шток снабжен выступом, снабженным резьбой, пропущенным через отверстие в днище цилиндрического торцевого стакана, свободного от приводного вала, и зафиксирован гайкой...» предотвращает смещение стакана с оси вращения и фиксирует его на штоке, тем самым предотвращая разбалансировку ротора при вращении.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез ротора электромашины и на фиг. 2 поперечное сечение.
На чертежах показаны цилиндрический шток 1, обечайка 2, продольные ребра 3, магниты 4, 5, намагниченные в тангенциальном и радиальном направлениях, соответственно, полюса 6, немагнитные клинья 7, торцевые стаканы 8 и 9, приводной вал 10, гайка 11, бандаж 12, магниты радиальных подшипников 14, 15. На чертеже также показан канал 16 охлаждения постоянных магнитов.
Ротор электромашины содержит полый вал из немагнитного материала, на который надет магнитный индуктор цилиндрической формы.
Полый вал из немагнитного материала выполнен из алюминия, его сплавов или композитного материала, например, на основе углеволокна, при этом вал содержит цилиндрический шток 1 и обечайку 2, жестко связанные друг с другом продольными ребрами 3.
Индуктор содержит планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов 4 и 5, которые образуют составную магнитную втулку, при этом планки намагничены так, что между магнитами 5, намагниченными в радиальном направлении, размещены магниты 4, намагниченные в тангенциальном направлении, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха. Полюса 6 из материала с высокой магнитной проницаемостью, например, из сплава 48КНФ, и немагнитные металлические клинья 7, например, из нержавеющей стали, выполнены в виде желобообразных планок, которые контактируют друг с другом своими продольными кромками. Внутренние поверхности полюсов 6 и немагнитных клиньев 7 конгруэнтны обращенной к ним поверхности соответствующих участков составной магнитной втулки, а внешние составляют цилиндрическую поверхность. При этом радиально намагниченные магниты 5 уперты в обращенные к ним внутренние поверхности полюсов 6, а тангенциально намагниченные магниты 4 уперты в обращенные к ним внутренние поверхности немагнитных клиньев 7. Торцевые поверхности вала и индуктора жестко скреплены с днищами цилиндрических торцевых стаканов из немагнитного материала 8 и 9, внешний диаметр которых соответствует диаметру ротора. Шток 1 снабжен выступом, снабженным резьбой, пропущенным через отверстие в днище цилиндрического торцевого стакана 9, свободного от приводного вала 10, и зафиксирован гайкой 11.
Днище торцевого стакана 8 жестко скреплено с торцевой поверхностью немагнитных клиньев 7 и полюсов 6, например, сваркой и с приводным валом 10, соосным с продольной осью штока 1, что позволяет передавать на индуктор значительные крутящие моменты. Внешняя поверхность ротора, образованная поверхностью полюсов 6, клиньев 7 и цилиндрических торцевых стаканов 8 и 9, снабжена бандажом 12 из высокопрочного немагнитного материала, например, углеволокна. При этом внутренняя поверхность стенок торцевых стаканов 8 и 9 выполнена с возможностью их использования как обоймы магнитных радиальных подшипников 14, 15.
На внутренней поверхности стенок торцевых стаканов 8 и 9 жестко закреплены составные постоянные магниты радиальных подшипников 14, 15 одинаковой высоты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха.
Ротор изготавливают в следующем порядке (фиг. 1, 2). На технологическую оправку устанавливают полюса 6 и немагнитные клинья 7. Подбор материалов позволяет использовать вакуумно-диффузионную или электронно-лучевую сварку для получения заготовки ротора, представляющей из себя монолитную композицию (после первого этапа вакуумно-диффузионной сварки), включающую клинья 7 из немагнитной стали и полюса 6 из материала с высокой магнитной проницаемостью. Из немагнитного материала, например, нержавеющей стали, изготавливают цилиндрические торцевые стаканы 8 и 9. К торцу составного кольца, состоящего из полюсов 6 и клиньев 7, соосно устанавливают и приваривают торцевой стакан 8. На обечайку 2, жестко скрепленную со штоком 1 продольными ребрами 3, приклеивают планки постоянных магнитов 4 и 5 с соблюдением направления намагниченности планок по схеме Хальбаха. Нагревают сваренную конструкцию полюсов 6, немагнитных клиньев 7 и стакана 8 до температуры, не превышающей точки Кюри постоянных магнитов, и вставляют вовнутрь этой конструкции планки магнитов 4 и 5 в сборе с полым валом. Устанавливают, например, на клей стакан 9 на шток 1 и закрепляют его гайкой 11. На наружную поверхность ротора, образованную полюсами 6, немагнитными клиньями 7, и стаканов 8 и 9 наматывают бандаж 12 из углеволокна и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. Вовнутрь стаканов 8 и 9 вклеивают кольцевые постоянные магниты 14 и 15.
Заявленное устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). При вращении ротора в цилиндрических втулках (торцевых стаканах 8 и 9), обечайке 2, продольных ребрах 3, штоке 1, полюсах 6 и немагнитных клиньях 7 возникают напряжения от действия центробежных сил, и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Продольные ребра 3 и шток 1 препятствуют расширению наружных поверхностей цилиндрической обечайки 2 от действия центробежных сил, и тем самым снижают радиальные деформации составного магнитного кольца 4, 5, что снижает напряжения в нем. Составное магнитное кольцо 4, 5 под действием центробежных сил создает значительные напряжения в составном кольце, состоящем из полюсов 6 и немагнитных клиньев 7. Для предотвращения разрушения составного кольца на его наружную поверхность намотан бандаж 12 из высокомодульного материала, например, углеволокна. При отсутствии центрального отверстия в штоке 1 напряжения минимальны (отсутствует эффект «булавочного укола»). Крутящий момент от приводного двигателя на ротор передается от приводного вала 10, через торец стакана 8, полюса 6 и немагнитные клинья 7. Для предотвращения прокручивания немагнитных клиньев 7 и полюсов 6 относительно магнитных планок они выполнены разной толщины. Это позволяет также избежать ошибки при сборке ротора электромашины. Охлаждающие каналы 16 позволяют понизить температуру магнитов из-за нагрева в подшипниках путем продувки через них охлаждающего агента.
Работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.