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, выполненный в виде цилиндрического вала из немагнитного материала, содержащего продольные радиальные полости для размещения магнитных планок, параллельные оси вращения ротора, и цапфы по торцам (см. RU 2385524, 2010). 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.
Недостатком известного устройства является радиальная деформация краевых полых цилиндрических втулок ротора при высоких частотах вращения и, как следствие, возможность заклинивания ротора.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение прочности при высоких окружных скоростях и уменьшение дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении механической прочности ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости мощных электромашин без увеличения массогабаритных параметров, и в обеспечении приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора, что позволяет уменьшить дополнительные потери и паразитные моменты, вызванные высшими гармониками магнитного поля индуктора.
Для решения поставленной задачи ротор электромашины, выполненный в виде цилиндрического вала из немагнитного материала, содержащего продольные радиальные полости для размещения магнитных планок, параллельные оси вращения ротора, и цапфы по торцам, отличается тем, что вал выполнен монолитным, предпочтительно из титанового сплава, при этом продольные радиальные полости выполнены в виде каналов, предпочтительно сквозных, не имеющих сообщения с наружной поверхностью ротора, при этом участки поверхности каналов, обращенные к ней и к оси вращения ротора, выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности ротора, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности, причем участки магнитных планок, обращенные к наружной поверхности ротора, конгруэнтны поверхности каналов, а их противоположные участки выполнены уплощенными, кроме того, магнитные планки намагничены радиально.
Кроме того, торцы сквозных каналов перекрыты, предпочтительно, юбками цапф, скрепленных с торцами ротора.
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.
Признак «…вал выполнен монолитным, предпочтительно из титанового сплава…» формирует жесткую и прочную конструкцию ротора и предотвращает его деформацию от действия центробежных сил при высоких окружных скоростях.
Признаки «…продольные радиальные полости выполнены в виде каналов, предпочтительно сквозных, не имеющих сообщения с наружной поверхностью ротора…» обеспечивают прочность перемычек каналов для размещения постоянных магнитов при высоких окружных скоростях,
Признаки «…при этом участки поверхности каналов, обращенные к ней и к оси вращения ротора, выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности ротора, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности…» снижают концентрацию напряжений и обеспечивают синусоидальность графика распределения индукции магнитного поля по окружности.
Признак «…участки магнитных планок, обращенные к наружной поверхности ротора, конгруэнтны поверхности каналов…» формирует соединение между магнитными планками и каналом и тем самым обеспечивает равномерное контактное давление от действия центробежных сил между магнитными планками и перемычкой канала.
Признак «…противоположные участки выполнены уплощенными…» уменьшает поток рассеивания магнитов.
Признак «…магнитные планки намагничены радиально…» формирует направление магнитного потока индуктора, обеспечивает возможность работы электрической машины.
Признак «…торцы сквозных каналов перекрыты предпочтительно юбками цапф, скрепленных с торцами ротора…» обеспечивает формирование прочной конструкции цапф и вала ротора и предотвращает осевое смещение магнитов при вращении ротора.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез ротора электромашины и на фиг. 2 - его поперечное сечение.
На чертежах показаны цилиндрический вал 1, продольные каналы 2, магнитные планки 3, бандаж 4, скругления 5 каналов 2, цапфы 6 и 7, винты 8, юбки 9 цапф 6 и 7.
Ротор электромашины выполнен монолитным в виде цилиндрического вала 1 из немагнитного материала, например, из высокопрочного титанового сплава ВТ22. В периферийной части цилиндрического вала 1 по всей длине формируют продольные радиальные полости для размещения магнитных планок 3, параллельные оси вращения ротора.
Радиальные полости выполнены в виде продольных каналов 2, предпочтительно сквозных, не имеющих сообщения с наружной поверхностью ротора. Участки поверхности продольных каналов 2, обращенные к наружной поверхности ротора и к оси вращения ротора, выполнены со скруглением 5, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности ротора, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности.
Параллельно оси вращения ротора в продольных каналах 2 размещены магнитные планки 3, выполненные из постоянных магнитов, которые образуют полюса с возможностью образования магнитной схемы с радиальным направлением намагниченности. Участки магнитных планок 3, обращенные к наружной поверхности ротора, конгруэнтны поверхности продольных каналов 2, а их противоположные участки выполнены уплощенными. При этом внутренние поверхности каналов 2, где размещены магнитные планки 3, скруглены с меньшим радиусом, чем радиус участков магнитных планок 3, обращенных к наружной поверхности ротора, чтобы сформировать синусоидальное распределение индукции магнитного поля по окружности и уменьшить напряжения от центробежных сил. Кроме того, магнитные планки 3 с радиальным направлением намагниченности уперты в обращенные к ним внутренние поверхности каналов 2 цилиндрического вала 1, имеющих существенно меньший радиус закругления, чем наружный радиус участков магнитных планок 3, обращенных к наружной поверхности ротора, с целью получения распределения магнитного поля по окружности поверхности магнитных планок 3, близкого к синусоидальному.
Наружные торцевые поверхности цилиндрического вала 1 жестко скреплены с днищами цилиндрических торцевых цапф 6, 7 из немагнитного материала, при этом торцы сквозных продольных каналов 2 перекрыты предпочтительно юбками 9 цапф 6 и 7. Торцевая цапфа 6 соединена с приводным валом (не показан). На наружную поверхность цилиндрического вала 1 намотан бандаж 4 из углеволокна.
Ротор изготавливают в следующем порядке (фиг.1, фиг.2). Цилиндрический вал 1 изготавливают из высокопрочного титанового сплава ВТ-22. В цилиндрическом вале 1 фрезеруют продольные каналы 2. Из немагнитного материала, например, титанового сплава ВТ-22, изготавливают цилиндрические цапфы 6 и 7. К торцу цилиндрического вала 1 соосно устанавливают и приваривают торцевую цапфу 7. Нагревают сваренную конструкцию цилиндрического вала 1, цапфы 7 до температуры, не превышающей точку Кюри постоянных магнитов. В продольные каналы 2 вставляют предварительно намагниченные магнитные планки 3 из постоянных магнитов. На наружную поверхность цилиндрического вала 1 наматывают бандаж 4 из углеволокна и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. К торцу цилиндрического вала 1 устанавливают цапфу 6 и закрепляют ее винтами 8 с цилиндрическим валом 1. Ротор подвергают динамической балансировке.
Заявленное устройство работает следующим образом (см. фиг.1). При вращении ротора в цилиндрическом вале 1, магнитных планках 3, цапфах 6, 7 возникают напряжения от действия центробежных сил и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Для предотвращения разрушения цилиндрического вала 1 на его наружную поверхность намотан бандаж 4 из высокомодульного материала, например, углеволокна. При отсутствии центрального отверстия в цилиндрическом вале 1 напряжения минимальны (отсутствует эффект «булавочного укола»). Крутящий момент от приводного двигателя на ротор передается от приводного вала, через цапфу 5, цилиндрический вал 1.
Работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.