Ротор синхронной машины с постоянными магнитами

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к технологии изготовления роторов синхронных машин со сниженным уровнем их перегрева.
Известен явнополюсный ротор синхронной электрической машины, в котором каждый из сердечников массивных полюсов ротора разделен относительно продольной оси машины в поперечном направлении на среднюю и торцевые части, из которых средняя часть выполнена заодно целое с ярмом, при этом торцевые части, скрепленные со средней частью, содержат радиальные проходные отверстия с крепежными элементами и полки, расположенные под катушками, а в полках выполнены радиальные резьбовые отверстия с установленными в них крепежными элементами, поджимающими катушки к полюсным башмакам. Катушки на сердечниках полюсов закреплены распорными элементами, размещенными в радиальных зазорах между внутренними поверхностями катушек и наружными сторонами сердечников, а образованные тем самым каналы, по которым проходит охлаждающий воздух, снабжены выходами в расточку статора, см. а.с. СССР №1274074.
Недостатком данной конструкции является большая величина потерь, отнесенных к единице площади тех поверхностей машины, которые отдают тепло в окружающую атмосферу. Для предупреждения чрезмерного повышения температуры частей машины ее необходимо интенсивно охлаждать. В большинстве случаев охлаждение электрических машин осуществляется потоком воздуха.
РИФЛ
РИФЛ
РИФЛ
Известна конструкция турбогенераторов серии Т2 с воздушным охлаждением (n=3000 об/мин, изготовитель - завод «Электросила»). Роторы этих машин выполняются с рифлениями: h=5 мм, b=5 мм, t=10 мм (Турбогенераторы. Расчет и конструкция./Под ред. Иванова Н.П., Р.А.Лютера, Энергия, 1967).
Данное техническое решение принято нами в качестве прототипа.
Недостатком конструкции постоянных магнитов на роторе у машин с высоким уровнем электромагнитного использования является повышенный уровень перегрева этих магнитов; повышенный перегрев отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики магнитов. Для его устранения обычно используют интенсивную систему вентиляции, которая связана с добавочными механическими потерями на ее реализацию и снижением КПД машины. Для высокооборотных машин (скорость вращения ротора n>6000 об/мин) эти магниты удерживаются на роторе с помощью немагнитных бандажей. Недостатком конструкции высокооборотных машин является повышенный уровень перегрева этих бандажей.
Полезная модель направлена на снижение перегрева постоянных магнитов на роторе для конструкции машин без бандажей на роторе и снижение перегрева бандажей на роторе для высокооборотных машин.
Сущность заявляемой полезной модели как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
РИФЛ
РИФЛ
РИФЛ
РИФЛ
РИФЛ
РИФЛ
Ротор синхронной машины с постоянными магнитами, снабженными рифлениями, характеризуется тем, что магниты выполнены с рифлениями на внешней поверхности, обращенной к воздушному зазору машины, при этом глубина рифлений h выбрана равной ширине рифления b, так что шаг t равен: t=h+b.
В этом заключается совокупность существенных признаков полезной модели, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Кроме того, заявленное решение характеризуется наличием дополнительных факультативных признаков.
Ротор может быть снабжен немагнитными бандажами для удерживания постоянных магнитов, при этом бандажи ротора могут быть снабжены рифлениями, выполненными аналогично рифлениям на магнитах.
Обеспечиваемый полезной моделью технический результат заключается в том, что, во-первых, поверхность охлаждения магнитов и бандажей увеличивается практически вдвое, что снижает их перегрев, а, во-вторых, рифления увеличивают длину пути для возникающих при работе машины вихревых токов, что снижает тепловыделение на магнитах и бандаже.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид постоянного магнита с рифлениями на внешней поверхности, обращенной к воздушному зазору машины, на фиг. 2 - продольный разрез по постоянному магниту с линиями вихревых токов.
Ротор синхронной машины имеет постоянные магниты 1, которые снабжены рифлениями 2 на внешней поверхности, обращенной к воздушному зазору машины, Бандажи ротора также выполняются с рифлениями, выполненными аналогично рифлениям на магнитах (на чертежах не показаны).
Заявленная конструкция работает следующим образом.
Перегрев постоянных магнитов 1 определяется конвективным теплоперепадом  с его поверхности
ТР
где Р - потери трения о воздух, возникающие в теле магнита при вращении ротора,
ВИХР
Р - потери от вихревых токов, возникающие в теле магнита от воздействия полей высших гармоник,
α - коэффициент теплоотдачи с поверхности магнита, определяемый скоростью воздуха у поверхности ротора машины в зоне расположении магнитов,
ОХЛ
F - поверхность его охлаждения.
При наличии рифлений 2 на внешней поверхности постоянных магнитов 1 потери Ртр имеют две составляющие:
1
2
1
2
где k, k - коэффициенты пропорциональности (k<<k),
ВНШ
D - диаметр внешней поверхности магнита,
МАГН
L - длина магнита (вдоль оси машины).
ТР
ТР
ТР
ТР
Первая составляющая Р' соответствует потерям магнита при отсутствии рифлений, вторая (Р'') - дополнительным потерям, возникающим в нем при рифлении. Расчеты подтверждают, что отношение Δ=Р''/Р' для выполненных машин находится в пределах 0,12<Δ<0,15.
Следовательно, увеличение потерь на трение при выполнении рифлений составляет 12%-15%.
С учетом этого конвективный теплоперепад  с поверхности магнита при выполнении рифлений изменяется следующим образом:
ВИХР
ТР
- для машин при Р>>Р перепад  уменьшается вдвое;
ВИХР
ТР
- для машин при Р<<Р перепад  уменьшается в 1,7-1,8 раза.
РИФЛ, МАГН
Практически (с запасом) эффективность рифлений для постоянных магнитов следует оценить снижением перегрева величиной * ≈ 1,75.
Для снижения перегрева бандажей на роторе высокооборотных машин рифления выполняются конструктивно аналогично.
Для них соответственно:
1
2
где k, k - коэффициенты пропорциональности,
ВНШ
D - диаметр внешней поверхности бандажа,
БАНД
L - длина бандажа (вдоль оси машины).
РИФЛ. БАНД
Практически (с запасом) эффективность рифлений для бандажей следует также оценить снижением перегрева величиной* ≈ 1,75.