ПЛАСТИНА РОТОРА

Изобретение относится к области электротехники и касается конструктивного исполнения магнитных систем роторов бесколлекторных электрических машин с постоянными магнитами. Заявляемое устройство может быть использовано как в электродвигателях, так и генераторах, и позволяет улучшить технические характеристики электрических машин этих классов.
При преобразовании электрической энергии в механическую и обратном - механической в электрическую, магнитный поток, связанный с постоянными магнитами, называется магнитным потоком возбуждения. Устройство, создающее магнитный поток возбуждения называется индуктором. В качестве индуктора используется ротор с размещенными на нем постоянными магнитами определенной формы и толщины.
Возможно изготовление как сборного ротора с постоянными магнитами, так и из монолитного магнита. Изготовление ротора и монолитного магнита является нерациональным и применяется в тех случаях, когда по конструктивным соображениям выполнить ротор сборным трудно. Это относится в первую очередь к миниатюрным электрическим машинам.
В том случае, когда ротор изготавливается сборным, возможны два конструктивных исполнения: первый - ротор собирается без использования пластин и второй - с использованием пластин. Конструкции сборных роторов без пластин достаточно широко описаны в технической литературе,
например /1/. В случае, когда используются пластины, ротор называется шихтованным. Применение шихтованных роторов позволяет улучшить технические характеристики электрических машин за счет уменьшения потерь, возникающих в стали ротора от вихревых токов 121. При использовании шихтованных роторов в тело ротора устанавливаются постоянные магниты, которые могут иметь либо тангенциальную намагниченность N-S, либо радиальную /3, с.19/. Для упрощения как технологии изготовления самих магнитов, так и машин в целом, магниты изготавливаются простой геометрической формы. Различное размещение их внутри тела ротора обеспечивает различные технические характеристики электрических машин.
Известна электрическая машина с постоянными магнитами /4/, в роторе которой используются постоянные магниты в форме прямоугольного параллелепипеда или сектора полого цилиндра, установленные в шихтованный ротор. Отсутствие зазоров с боковых сторон магнитов приводит к увеличению потока рассеяния магнитов, росту потерь и снижению коэффициента использования магнитов.
Известен также генератор с постоянными магнитами /5/, в котором для магнитов такой же формы имеются боковые зазоры, как с одной стороны для кольцевых магнитов, так и с двух сторон для прямоугольных магнитов. Вместе с тем, если для кольцевых магнитов постоянство зазора между магнитом и полюсом статора за счет кольцеобразной формы магнита получается автоматически, то для магнитов в форме параллелепипеда с прямоугольной формой отверстия в пластине для вращательной машины этого достигнуть в принципе невозможно в силу самой геометрии отверстия. Удаление постоянных магнитов от полюсов статора приводит к снижению степени преобразования энергии и создает дополнительные требования к магнитным свойствам вала и ширине перемычек. Для прямоугольных магнитов также с целью точного их позиционирования в отверстии
необходимы либо специальные технологические мероприятия, либо применение дополнительных элементов конструкции, позволяющих правильно выставить по ширине магниты в отверстии. Вместе с тем, магниты в форме прямоугольного параллелепипеда отличаются высокой универсальностью и технологичностью. Магниты одного сечения могут использоваться в машинах различных типоразмеров с различным числом пар полюсов. Но получение оптимального сочетания размера магнита с рабочим зазором между магнитом и статором является в каждом конструктивном исполнении трудной технической задачей. Поэтому, несмотря на то, что кольцевые магниты являются весьма нетехнологичными и требуют точного изготовления, так как могут соответствовать только строго определенному радиусу, но все же из-за постоянства рабочего зазора между магнитами и полюсами статора они находят применение. Технологические отклонения формы, как магнитов, так и отверстий в листах стали, возникающие в процессе производства, заставляют повышать технологические требования к изготовлению магнитов и пластин, что в свою очередь ведет к росту стоимости изделия.
Известны также другие конструкции роторов с радиальной намагниченностью постоянных магнитов, так, например, безщеточный электродвигатель с ротором с внутренними постоянными магнитами с оптимальным соотношением толщины магнитов к воздушному зазору /6/, в котором магниты в форме прямоугольного параллелепипеда с радиальной намагниченностью установлены в теле ротора. Однако такая конструкция не обеспечивает высокой механической прочности при больших скоростях вращения, так как требует специального крепления сегментов расположенных над магнитами, что ведет к усложнению конструкции, а также открытое расположение магнитов ограничивает применение таких машин при работе с охлаждением или в агрессивных средах.
Наиболее близкой по своей сути является конструкция пластины ротора электрической машины, описанная в /б/ и взятая за прототип.
Целью изобретения является улучшение технических характеристик бесколлекторных магнитоэлектрических машин и повышение технологичности конструкции их роторов, что позволит расширить сферу применения электрических машин данного класса.
Цель достигается за счет применения новой конструкции пластины ротора для создания его магнитной системы. Пластина ротора (фиг.1-6, 9-12) представляет собой цилиндр 1 без разрывов по внешнему диаметру, внутри которого по окружности выполнены отверстия 2 для установки магнитов в количестве равном удвоенному числу пар полюсов. Эти отверстия, выполнены так, что общая площадь отверстия 2 (фиг.1-6, 11, 12) образуется путем добавления к боковым сторонам прямоугольного отверстия по размеру магнитов 15 (фиг.9, 10) площадей воздушных зазоров 18 и 19 (фиг.9, 10), имеющих треугольную форму. В центре пластины имеется отверстие 3 для вала. Для соединения магнитной системы в сборе с валом в центральном отверстии могут выполняться либо шпоночные пазы 4 (фиг.1) или выступы 5 (фиг.2), либо шлицевые б (фиг.3). Передача вращающего момента может также осуществляться за счет специальных проставочных пластин, устанавливаемых как с концов пакета, образованного несколькими пластинами, так и находящимися посередине, в центральных отверстиях которых имеются либо шпоночные пазы или выступы, либо шлицевые. В этом случае в пластине выполняются отверстия 7, в которые устанавливаются стержни, соединяющие пакет с этими проставочными пластинами. И таким образом передача вращающего момента осуществляется с пластины через стержни на проставочные пластины и далее на вал двигателя. Число отверстий может быть произвольным, но они должны иметь не менее одной плоскости симметрии.
Сущность изобретения заключается в следующем. В магнитоэлектрической машине полюсы ротора формируются за счет постоянных магнитов 15 (фиг.7, 8) с радиальной намагниченностью N-S. Число магнитов N определяется в зависимости от числа пар полюсов р в соответствии с выражением
N=2p.
Поэтому в зависимости от конструктивного исполнения двигателя число магнитов может быть любым, начиная с двух, но при этом всегда четное число (т.е. 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 и т.д.). Для установки магнитов в пластине ротора выполнены отверстия. В зависимости от толщины магнита возможны два случая: первый - ограничения по высоте магнита 15 есть на обе стороны (фиг.7) и второй - ограничение есть только на верхнюю сторону (фиг.8). Отверстия прямоугольной формы (фиг.7, 8) из-за наличия боковых зазоров 16, 17 не позволяют получить минимальный размер перемычки 22 над магнитом по внешнему радиусу пластины при заданной ширине магнитов 15, т.е. приблизить магнит к полюсам статора и уменьшить рабочий зазор между магнитами и полюсом статора, что улучшает характеристики машины, как в предлагаемой конструкции пластины. Кроме того, значительная величина перемычек 20 и 21 (фиг.7, 8) увеличивает поток рассеяния магнитов, что снижает коэффициент использования энергии магнитов. Решение задачи достигается за счет скоса верхней стороны прямоугольника (фиг.9, 10) с расстояния от оси отверстия равного половине ширины магнита 15 (фиг.9, 10), так что между верхней стороной прямоугольника и скошенной стороной образуется тупой угол и создаются перемычки 10. В зависимости СП-ширины магнита величина этих перемычек такова, что позволяет поднять магнит в теле ротора, приблизив его к статору, и таким образом уменьшить величину зазора между магнитом и полюсами статора, что ведет к улучшению энергетических характеристик электрической машины по сравнению с аналогами, либо оставить их в таком положении, что
обеспечивает целостность ротора после сборки пакета и установки его на вал и позволяет применить жидкостное охлаждение или использовать его для работы в агрессивных средах, чего не позволяет конструкция прототипа. Также целостность наружного диаметра пластины обеспечивает более высокие прочностные и эксплуатационные характеристики ротора, чем у прототипа.
С подъемом магнитов в направлении наружного диаметра расстояние между смежными боковыми сторонами отверстий под разные магниты увеличивается, что ведет к увеличению размеров перемычек 20 (фиг.7) и 21 (фиг.8) между ними и соответственно к росту потока рассеяния и потерь в стали. Для исключения этого выполняются скосы нижней стороны отверстия с расстояния в половину ширины магнита 15 (фиг.9, 10) от центра симметрии магнита. Угол наклона выбирается таким, чтобы образующаяся при этом перемычка 9 обеспечивала уменьшение потока рассеяния до требуемых пределов. Следует заметить, что в пластине с отверстиями под два магнита такой перемычки не образуется (фиг.12). За счет того, что магнит имеет прямоугольную форму, а в сечении отверстия сохранен контур магнита, то при последующей сборке не требуется дополнительного или специального позиционирования магнита внутри отверстия как у аналогов, а также обеспечивается его надежное крепление в боковом направлении. В условиях крупносерийного производства при изготовлении штампа для заявляемой пластины ротора упрощается технология его изготовления, так как поверхности являются простыми и их число минимальное.
Установка магнитов 15 осуществляется в отверстия пакета, собираемого из пластин 1 (фиг.1-6, 11, 12) электротехнической стали путем склеивания пластин между собой, либо соединения механическим путем за счет стержней. Для этого в пластинах дополнительно выполняют отверстия 8 (фиг.5) для установки этих стержней. Число отверстий может быть
произвольным, но при этом у них должно быть не менее одной плоскости симметрии.
Воздушные зазоры 18, 19 (фиг.9, 10), уменьшающие поток рассеяния магнитов, при сборке пакета могут заполняться клеящим составом для дополнительной фиксации магнитов в осевом направлении и увеличения жесткости конструкции.
Таким образом, заявляемое устройство, пластина ротора, соответствует критерию изобретения "новизна" и позволяет улучшить технические характеристики бесколлекторных магнитоэлектрических машин, использующих заявляемое устройство, упростить технологию изготовления их роторов и таким образом расширить область применения электрических машин этого класса.
Необходимость применения заявляемой пластины ротора возникает при использовании бесколлекторных магнитоэлектрических машин в погружных насосах для добычи нефти, работающих в агрессивной среде, в машинах большой мощности, при ограничении радиальных габаритов и при жидкостном охлаждении, а также при использовании одного типоразмера магнитов в электрических машинах различных типоразмеров, что повышает их универсальность при упрощении технологии изготовления.