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

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано для изготовления роторов магнитоэлектрических машин.
Известен ротор электрической машины [патент РФ №2273084 С2, Н02K 1/24, 27.03.2006], состоящий из магнитопровода, на поверхности которого размещены постоянные магниты, попарно одноименными полюсами, притом расстояние между магнитами пары меньше, чем между соседними магнитами разных пар, соседняя боковая поверхность каждого из магнитов одной пары составляет с плоскостью, проходящей через внешнее ребро соответствующего магнита и ось ротора, отличный от нуля угол, который находится в пределах от 0 до 30 геометрических градусов.
Недостатками аналога являются: во-первых, невозможность его применения на высоких частотах в силу отсутствия надежной фиксации постоянных магнитов на магнитопроводе ротора, во-вторых, высокие потери в постоянных магнитах при использовании данного ротора в электрических машинах с высоким уровнем гармонических искажений в токах статора (например, машины с зубцовой обмоткой, работающие на выпрямитель или инвертор). И, как следствие высоких потерь в магнитах, их нагрев и ухудшение энергетических характеристик.
Известен ротор электрической машины [патент РФ №2696852С2, Н02K 1/28, Н02K 1/27, 07.08.2019], содержащий вал из магнитомягкого материала, постоянные магниты, размещенные в продольных пазах, и кольцевой контур из диамагнитного материала, при этом кольцевой контур жестко закреплен на цилиндрической вставке из шихтованной электротехнической стали, неподвижно установленной на стальном валу.
Недостатком аналога являются высокие потери в постоянных магнитах при использовании данного ротора в электрических машинах с высоким уровнем гармонических искажений в токах статора (например, машины с зубцовой обмоткой, работающие на выпрямитель или инвертор). И, как следствие высоких потерь в магнитах, их нагрев и ухудшение энергетических характеристик.
Известен ротор магнитоэлектрической машины, преимущественно синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов [патент РФ №2308139С2, Н02K 21/12, Н02K 1/27, 10.10.2007], содержащий жестко скрепленную с опорным валом кольцевую обойму магнитопровода с упорным фланцем, на внутренней боковой стенке которой смонтирован кольцевой магнитный вкладыш, образованный постоянными магнитами возбуждения с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами, при этом внутренняя боковая стенка кольцевой обоймы магнитопровода выполнена с кольцевой проточкой, а указанный кольцевой магнитный вкладыш выполнен из группы одинаковых монолитных кольцевых магнитов с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами, размещенных в упомянутой кольцевой проточке на внутренней боковой стенке кольцевой обоймы магнитопровода и сопряженных между собой по своим торцам и с боковой стенкой указанной кольцевой проточки, при этом одноименные чередующиеся в окружном направлении магнитные полюсы в смежных монолитных кольцевых магнитах расположены конгруэнтно друг другу в одних радиальных плоскостях.
Недостатком аналога являются высокие потери в постоянных магнитах при использовании данного ротора в электрических машинах с высоким уровнем гармонических искажений в токах статора (например, машины с зубцовой обмоткой, работающие на выпрямитель или инвертор). И, как следствие высоких потерь в магнитах, их нагрев и ухудшение энергетических характеристик.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является ротор высокооборотной электрической машины [патент РФ №2270512 С2, Н02K 21/14, Н02K 1/27, 20.02.2006], содержащий вал, на котором установлен магнитопровод с размещенными на нем постоянными магнитами, наружная цилиндрическая поверхность которых охвачена удерживающим бандажом, выполненным из немагнитного материала, при этом магнитопровод состоит из трех выполненных заодно цилиндрических частей: первой, граничащей с валом, второй, имеющей наибольшую длину, и третьей, длина которой равна длине граничащих с нею постоянных магнитов, торцевые поверхности постоянных магнитов и третьей цилиндрической части магнитопровода также охвачены упомянутым удерживающим бандажом, который выполнен с боковыми фланцами, напрессованными на вторую цилиндрическую часть магнитопровода, а удерживающий бандаж разделен на две части плоскостью, перпендикулярной оси вращения ротора.
Главным недостатком ближайшего аналога являются высокие потери в постоянных магнитах при использовании данного ротора в электрических машинах с высоким уровнем гармонических искажений в токах статора (например, машины с зубцовой обмоткой, работающие на выпрямитель или инвертор). И, как следствие высоких потерь в магнитах, их нагрев и ухудшение энергетических характеристик.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет увеличения мощности машины при сохранении массогабаритных показателей.
Техническим результатом является повышение энергоэффективности магнитоэлектрической машины и снижение тепловыделений в ее роторе.
По первому варианту поставленная задача решается и технический результат достигается тем, ротор электрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов, содержащий магнитопровод ротора с закрепленными на нем постоянными магнитами, при этом согласно изобретению, в области воздушного зазора установлен электропроводящий цилиндр, соединенный с валом посредством торцевых дисков, при этом между электропроводящим цилиндром и магнитами расположен слой неэлектропроводящего, неферромагнитного материала с низкой теплопроводностью.
По второму варианту поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов, содержащий магнитопровод ротора с закрепленными на нем постоянными магнитами, при этом, согласно изобретению, в области воздушного зазора установлен цилиндр из шихтованной электротехнической стали, соединенный с валом посредством торцевых дисков, при этом между цилиндром из шихтованной электротехнической стали и магнитами расположен слой неэлектропроводящего, неферромагнитного материала с низкой теплопроводностью.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показан продольный разрез ротора магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов по первому варианту, на фиг. 2 показан продольный разрез ротора электрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов по первому варианту. На фиг. 3 показан продольный разрез ротора магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов по второму варианту, на фиг. 4 показан продольный разрез ротора электрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов по второму варианту.
Ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов по первому варианту (фиг. 1 и фиг. 2) 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, на внутреннем диаметре магнитов расположен теплоизоляционный слой неэлектропроводящего, неферромагнитного материала с низкой теплопроводностью 5, а поверх него - электропроводящий цилиндр 6, который соединяется с валом при помощи торцевых дисков7, также для пояснения принципа работы на фиг. 1 и фиг. 2 показан магнитопровод внутреннего статора 8 с уложенной в нем обмоткой 9.
Ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов по второму варианту (фиг. 3 и фиг. 4) 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, на внутреннем диаметре магнитов расположен теплоизоляционный слой неэлектропроводящего, неферромагнитного материала с низкой теплопроводностью 5, а поверх него - цилиндр из шихтованной электротехнической стали 10, который соединяется с валом при помощи торцевых дисков 7, также для пояснения принципа работы на фиг. 3 и фиг. 4 показан магнитопровод внутреннего статора 8 с уложенной в нем обмоткой 9.
Ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов по первому варианту работает следующим образом(фиг. 1 и фиг. 2): при вращении внешнего ротора 1 магнитный поток возбуждения, создаваемый постоянными магнитами 4, проходя через магнитопровод статора 8, пересекает обмотку статора 9 и создает в ней электродвижущую силу. Эта электродвижущая сила, при подключении к обмотке статора 9 нагрузки, создает ток, который в свою очередь создает магнитное поле реакции якоря. Магнитное поле реакции якоря от высших гармоник тока вращается несинхронно с внешним ротором 1, поэтому оно наводит в элементах внешнего ротора 1 (электропроводящий цилиндр 6, постоянные магниты 4, магнитопровод ротора 3, полый цилиндрический вал 2) вихревые токи, приводящие к их нагреву, сильнее всего нагреваются элементы внешнего ротора 1, находящиеся в непосредственной близости к воздушному зазору (электропроводящий цилиндр 6, постоянные магниты 4), нагрев постоянных магнитов 4 негативно сказывается на их энергетических характеристиках. Поэтому для защиты постоянных магнитов 4 от вихревых токов применяется электропроводящий цилиндр 6, закрепленный на валу при помощи торцевых дисков 7, которые также выполняют роль теплоотводов. При пересечении электропроводящего цилиндра 6 потоком реакции якоря, создаваемым высшими гармоникамитока, протекающего по обмотке 9, в нем наводятся вихревые токи, которые создают собственное магнитное поле, направленное в противоположную магнитному полю реакции якоря сторону. Таким образом магнитное поле, создаваемое токами электропроводящего цилиндра 6 ослабляет магнитное поле реакции якоря. Этим достигается уменьшение величины магнитного потока реакции якоря, пересекающего постоянные магниты 4, и, как следствие, снижение в них тепловыделений. Для теплоизоляции постоянных магнитов 4 от электропроводящего цилиндра между ними укладывается слой неэлектропроводящего, неферромагнитного материала с низкой теплопроводностью (например, аэрогель) 5.
Ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов по второму варианту работает следующим образом(фиг. 3 и фиг. 4): при вращении внешнего ротора 1 магнитный поток возбуждения, создаваемый постоянными магнитами 4, проходя через магнитопровод статора 8, пересекает обмотку статора 9 и создает в ней электродвижущую силу. Эта электродвижущая сила, при подключении к обмотке статора 9 нагрузки, создает ток, который в свою очередь создает магнитное поле реакции якоря. Магнитное поле реакции якоря от высших гармоник тока вращается несинхронно с внешним ротором 1, поэтому оно наводит в элементах внешнего ротора 1 (цилиндр из шихтованной электротехнической стали 10, постоянные магниты 4, магнитопровод ротора 3, полый цилиндрический вал 2) вихревые токи, приводящие к их нагреву, сильнее всего нагреваются элементы внешнего ротора 1, находящиеся в непосредственной близости к воздушному зазору (цилиндр из шихтованной электротехнической стали 10, постоянные магниты 4), нагрев постоянных магнитов 4 негативно сказывается на их энергетических характеристиках. Поэтому для защиты постоянных магнитов 4 от вихревых токов применяется цилиндр из шихтованной электротехнической стали 10, закрепленный на валу при помощи торцевых дисков 7, которые также выполняют роль теплоотводов. Цилиндр из шихтованной электротехнической стали 10 шунтирует магнитное поле реакции якоря, таким образом магнитное поле реакции якоря замыкается через цилиндр из шихтованной электротехнической стали 10, практически не пересекая постоянные магниты 4. Этим достигается снижение тепловыделений в постоянных магнитах 4. Для их теплоизоляции от электропроводящего цилиндра между ними укладывается слой неэлектропроводящего, неферромагнитного материала с низкой теплопроводностью (например, аэрогель) 5.
Итак, ротор магнитоэлектрической машины с низким уровнем нагрева постоянных магнитов позволит расширить функциональные возможности за счет увеличения мощности машины при сохранении массогабаритных показателей благодаря повышению энергетических характеристик постоянных магнитов.