РОТОР ВЫСОКООБОРОТНОЙ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Область техники
[1] Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам. В контексте настоящей полезной модели под электрической машиной понимается электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот, а именно генераторы электрического тока и электродвигатели.
[2] Обращая внимание на тот факт, что полезная модель может быть использована для изготовления любой из указанных электрических машин, авторы полезной модели полагают, что основным направлением для использования полезной модели являются высокооборотные синхронные электрические машины, преимущественно предназначенные для применения в авиационном электромашиностроении.
Предпосылки к созданию полезной модели
[3] Традиционная синхронная электрическая машина содержит корпус, в полости которого размещены статор и ротор. Статор выполнен в виде электрического контура (обмотки), прикрепленного к корпусу, и окружающего ротор в радиальном направлении. Ротор содержит вал, установленный в корпусе на подшипниках, магнитопровод (далее также - сердечник), закрепленный на валу, и магнитную систему, образованную, по меньшей мере, одним соединенным с магнитопроводом постоянным магнитом.
[4] Применительно к роторам высокооборотных синхронных электрических машин (>40000 об/мин), становится актуальной задача по обеспечению надежного удержания магнитной системы на сердечнике, для чего постоянные магниты помимо приклеивания к сердечнику могут быть заключены в закрепляемую на сердечнике немагнитную обойму. Однако, как будет показано ниже, исполнение синхронной электрической машины в данной конфигурации сопровождается технологической проблемой, не нашедшей до настоящего времени эффективного решения.
[5] Патентная публикация RU 2505908 C1, 27.01.2014 раскрывает ротор синхронной электрической машины, в котором сердечник имеет призматическую, а именно - квадратную в поперечном сечении, наружную поверхность. На гранях сердечника закреплены постоянные магниты, которые заключены в немагнитную обойму, снабженную радиальными выступами на ее внутренней поверхности. Указанные выступы входят в пазы, выполненные на ребрах сердечника, в результате чего обойма надежно удерживается на сердечнике в тангенциальном направлении.
[6] Недостаток описанного выше решения, являющегося прототипом полезной модели, связан с тем, что внутренняя поверхность элемента обоймы, расположенного напротив грани сердечника (далее - удерживающий элемент), и внутренняя поверхность элемента обоймы, на котором расположен упомянутый выступ (далее - опорный элемент), соединяются под углом, близким к прямому углу. Вместе с тем удерживающий элемент подвергается значительной нагрузке, воспринимая радиально направленную центробежную силу со стороны постоянного магнита, в то время как опорный элемент такую нагрузку не испытывает.
[7] Поскольку напряжение в каждом элементе обоймы определяется отношением силы, воспринимаемой данным элементом, к площади поперечного сечения данного элемента, то при очевидно меньшем поперечном сечении удерживающего элемента, напряжение в нем будет значительно выше, чем напряжение в опорном элементе. В этих условиях резкий переход между внутренними поверхностями удерживающего и опорного элементов становится причиной концентрации напряжений в области их соединения. Данное обстоятельство способно привести к разрушению обоймы и выходу электрической машины из строя.
[8] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в предотвращении возникновения концентрации напряжений в отдельных областях обоймы, удерживающей магнитную систему на сердечнике, что в конечном итоге будет способствовать повышению надежности ротора синхронной электрической машины.
Сущность полезной модели
[9] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложен ротор электрической машины, содержащий сердечник, имеющий центральное отверстие для установки вала, и обойму, окружающую сердечник. Наружная поверхность сердечника выполнена в виде призматической поверхности, образующей основные грани сердечника. На каждой основной грани сердечника расположен постоянный магнит, находящийся в контакте с внутренней поверхностью обоймы. Между каждыми двумя соседними основными гранями сердечника выполнен соединительный паз, углубляющийся в радиальном направлении, а внутренняя поверхность обоймы образует соединительные выступы, каждый из которых входит в соединительный паз. Толщина обоймы на каждом ее элементе, расположенном напротив основной грани сердечника, увеличивается с продвижением от середины данного элемента к соединительным выступам.
[10] Техническим результатом полезной модели является увеличение площади поперечного сечения обоймы в тех областях ее элемента, расположенного напротив основной грани сердечника (далее - удерживающий элемент), которые приближены к упомянутым выступам (далее - краевые области). Это естественным образом снижает напряжение в краевых областях удерживающего элемента и приближает его к напряжению в средней области удерживающего элемента и к напряжению в элементе обоймы, на котором расположен упомянутый выступ (далее - опорный элемент).
[11] Одновременно с этим, увеличение толщины удерживающего элемента в его краевых областях позволяет увеличить угол между внутренними поверхностями удерживающего и опорного элементов и, по существу, сгладить переход между ними. Приближенные друг к другу напряжения в удерживающем и опорном элементах обоймы в совокупности с плавным переходом между внутренними поверхностями данных элементов позволяют исключить возникновение концентрации напряжений в обойме.
[12] Кроме того, при осуществлении полезной модели надлежащая прочность обоймы обеспечивается без увеличения толщины удерживающего элемента обоймы в его малонагруженной средней области. Это позволяет минимизировать расстояние между магнитной системой ротора и обмоткой статора, а значит, уменьшить рассеивание магнитного потока и повысить КПД электрической машины.
[13] В частном случае полезной модели наружная поверхность обоймы выполнена в виде цилиндрической поверхности, при этом внутренняя поверхность каждого элемента обоймы, расположенного напротив основной грани сердечника, выполнена в виде цилиндрической поверхности, ось которой смещена относительно оси наружной поверхности обоймы в сторону наружной поверхности данного элемента обоймы.
[14] Цилиндрическая форма наружной поверхности обоймы является предпочтительной с точки зрения аэродинамики, являясь, по существу, традиционным решением. В то же время выполнение внутренней поверхности обоймы на каждом ее удерживающем элементе в виде указанной цилиндрической поверхности, позволяет плавно увеличивать толщину удерживающего элемента с продвижением к опорному элементу, одновременно обеспечивая плавное изменение напряжений, а в предпочтительном случае - их выравнивание.
[15] В частном случае полезной модели каждый постоянный магнит занимает все внутреннее пространство между основной гранью сердечника и элементом обоймы, расположенным напротив основной грани сердечника. Данное исполнение позволяет использовать постоянный магнит наибольшего объема, в результате чего может быть максимизирован магнитный поток между статором и ротором.
[16] В частном случае полезной модели на каждой основной грани сердечника выполнена выемка, позволяющая постоянному магниту быть размещенным на основной грани с заглублением в тело сердечника. Данное исполнение направлено на создание дополнительной опоры постоянного магнита в тангенциальном направлении, что снижает воздействие на удерживающий элемент обоймы, а значит, и напряжения в его краевых областях.
[17] В частном случае полезной модели сердечник имеет четыре основные грани. Благодаря этому ротор получает четыре магнитных полюса, что является предпочтительным именно для высокооборотной синхронной электрической машины, в которой большое число магнитных полюсов приводит к снижению КПД.
[18] В частном случае полезной модели число основных граней сердечника в N раз превышает число магнитных полюсов ротора, при этом каждый магнитный полюс образован N одинаково ориентированными постоянными магнитами, расположенными на соседних основных гранях, а N является целым числом. Под одинаково ориентированными постоянными магнитами понимаются постоянные магниты, которые расположены так, что их одноименные полюса в радиальном направлении обращены в одну и ту же сторону. Данное исполнение, позволяет снизить массу отдельного постоянного магнита, а значит, и его центробежную силу, воздействующую на удерживающий элемент обоймы. В результате этого толщина удерживающих элементов может быть уменьшена, а постоянные магниты могут быть приближены к статору электрической машины, что повышает ее КПД.
[19] В частном случае полезной модели наружная поверхность сердечника помимо основных граней имеет также дополнительные грани, каждая из которых расположена между двумя соседними основными гранями, причем соединительные пазы выполнены на дополнительных гранях сердечника. Данное исполнение позволяет уменьшить радиальный размер сердечника, и еще больше увеличить толщину обоймы в краевых областях удерживающих элементов. Кроме того, в силу отсутствия необходимости изготовления и последующего соединения деталей с узкими элементами, что имеет место, когда соединительные пазы выполняются непосредственно на ребрах сердечника, упрощается технология изготовления ротора.
[20] В частном случае полезной модели обойма и сердечник выполнены путем шихтовки. Шихтованные обойма и сердечник препятствуют циркуляции в них паразитных токов, что повышает КПД электрической машины. Кроме того, данное исполнение упрощает технологию изготовления и последующего соединения тех деталей ротора, которые должны быть прикреплены друг к другу путем посадки с натягом.
Краткое описание чертежей
[21] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 - поперечный разрез ротора синхронной электрической машины, выполненного согласно полезной модели;
Фиг. 2 - вид в перспективе на поперечный разрез ротора синхронной электрической машины, выполненный согласно полезной модели.
Фиг. 3 - поперечный разрез ротора синхронной электрической машины, выполненного согласно частному случаю полезной модели.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов ротора, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов ротора и их причинно-следственную связь с заявленным техническим результатом.
Осуществление полезной модели
[22] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах реализации полезной модели, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[23] Ротор 1 синхронной электрической машины (Фиг. 1, 2), вращающийся в направлении стрелки D, содержит сердечник 10, магнитную систему 20 и обойму 30. Сердечник 10 выполнен из магнитной стали и является магнитопроводом. Отверстие 11 для запрессовки вала ротора 1 (не показан) проходит в продольном направлении сердечника 10 и имеет с сердечником 10 общую ось О1. Сердечник 10 с магнитной системой 20, которая включает в себя четыре постоянных магнита 21 (далее - магниты 21), заключены в обойму 30, выполненную из немагнитного материала. Наружная поверхность 31 обоймы 30 представляет собой цилиндрическую поверхность, ось которой совпадает с осью О1. Внутренняя поверхность 32 обоймы 30 на своем поперечном сечении обладает симметрией относительно оси О1.
[24] Наружная поверхность 12 сердечника 10 выполнена в виде призматической поверхности 12, поперечное сечение которой обладает симметрией относительно оси О1. Призматическая поверхность 12 образует четыре основные грани 13 и четыре дополнительные грани 14, каждая из которых расположена между двумя соседними основными гранями 13. На каждой из основных граней 13 расположен магнит 21, а по центру каждой из дополнительных граней 14 выполнен радиально направленный соединительный паз 15.
[25] Магниты 21 прикреплены к основным граням 13 при помощи клея. Одновременно с этим на основных гранях 13 выполнены выемки 16, которые вмещают в себя часть объема магнитов 21. Каждая выемка 16 имеет прямоугольное поперечное сечение и занимает всю площадь основной грани 13. За счет свои боковых поверхностей выемки 16 позволяют создать для магнитов 21 опору в тангенциальном направлении, а также предоставляют возможность увеличить площадь клеевого соединения.
[26] Обойма 30 включает в себя удерживающие элементы 33, каждый из которых расположен напротив основной грани 13 и находится в контакте с магнитом 21. Каждый удерживающий элемент 33 имеет наружный поверхностный участок 331, представляющий собой часть наружной поверхности 31, и внутренний поверхностный участок 332, представляющий собой часть внутренней поверхности 32. Удерживающие элементы 33 контактируют с магнитами 21 посредством своих внутренних поверхностных участков 332.
[27] Границами внутреннего поверхностного участка 332 на внутренней поверхности 32 являются линии пересечения внутренней поверхности 32 и плоскостей E1 и E2, перпендикулярных основной грани 13 и проходящих через ребра призматической поверхности 12, ограничивающие данную основную грань 13. Границами наружного поверхностного участка 331 на наружной поверхности 31 являются линии пересечения наружной поверхности 31 и плоскостей F1 и F2, проходящих через ось О1 и границы внутреннего поверхностного участка 332. Заметим, что признак «удерживающий элемент 33 расположен напротив основной грани 13» следует понимать так, что именно внутренний поверхностный участок 332 расположен напротив основной грани 13.
[28] Кроме того, обойма 30 включает в себя опорные элементы 34, каждый из которых расположен между двумя соседними удерживающими элементами 33, при этом посредством опорных элементов 34 обойма 30 опирается на сердечник 10. Каждый опорный элемент 34 имеет внутренний поверхностный участок 342, представляющий собой часть внутренней поверхности 32 и образующий соединительный выступ 35. По своим форме и размеру соединительный выступ 35 совпадает с соединительным пазом 15. Соединительные выступы 35 размещены в соединительных пазах 15, в результате чего обойма 30 жестко зафиксирована на сердечнике 10.
[29] Следует отметить, что в высокооборотной синхронной электрической машине центробежная сила, действующая на магнит 21, настолько велика, что закрепление магнита 21 на основной грани 13 при помощи клея, даже усиленное выполнением выемки 16, не способно надежно удержать магнит 21 на основной грани 13. В то же время, обойма 30 через свои удерживающие элементы 33 создает каждому магниту 21 опору, обеспечивающую жесткую фиксацию магнита 21 на основной грани 13 в радиальном направлении, в результате чего гарантируется вращение магнитной системы 20 и сердечника 10 как одного целого.
[30] Удерживающие элементы 33 воспринимают радиально направленную центробежную силу со стороны магнитов 21, в то время как опорные элементы 34 такой нагрузке не подвержены. Как было показано выше на примере прототипа, данное обстоятельство в совокупности с меньшей толщиной удерживающего элемента относительно опорного элемента, усугубленное резким переходом между ними, способно вызвать концентрацию напряжений в месте соединения удерживающего и опорного элементов с риском последующего разрушения в краевых областях удерживающего элемента.
[31] Следует отметить, что повышенные напряжения потенциально могут возникать именно в краевых областях 333 и 334 удерживающего элемента 33 ввиду их близости к опорному элементу 34, соединение с которым может являться фактором концентрации напряжений, при этом средняя область 335 удерживающего элемента 33 повышенных напряжений не испытывает.
[32] В данном варианте осуществления полезной модели внутренний поверхностный участок 332 удерживающего элемента 33 выполнен в виде цилиндрической поверхности, ось О2 которой смещена относительно оси О1 наружной поверхности 31 в сторону наружного поверхностного участка 331. В результате этого толщина удерживающего элемента 33 плавно увеличивается от средней области 335 к опорным элементам 34, а значит, увеличивается и поперечное сечение удерживающего элемента 33, что способствует снижению напряжений в краевых областях 333 и 334 и усреднению напряжений в материале обоймы 30. Заметим, что под толщиной удерживающего элемента 33 понимается величина отрезка W, лежащего на прямой, проходящей перпендикулярно оси О1, и ограниченного наружным поверхностным участком 331 и внутренним поверхностным участком 332.
[33] Обратим внимание, что одновременно с этим спрямляется (относительно прототипа) угол между внутренним поверхностным участком 332 удерживающего элемента 33 и внутренним поверхностным участком 342 опорного элемента 34, что предотвращает возникновение областей с высокой вероятностью концентрации напряжений.
[34] Кроме того, толщина средней области 335 удерживающего элемента 33 является минимальной относительно других областей удерживающего элемента 33, а значит магнит 21 своей центральной частью максимально приближен к статору электрической машины. Как было показано выше, это повышает эффективность электромагнитной связи между ротором и статором электрической машины с соответствующим повышением КПД электрической машины.
[35] В описанном выше варианте осуществления полезной модели магнит 21 занимает все внутреннее пространство между основной гранью 13 и удерживающим элементом 33. Данное исполнение позволяет использовать магнит 21 наибольшего объема, в результате чего может быть максимизирован магнитный поток между статором и ротором. Тем не менее, данное исполнение не является обязательным, а магнит 21 может не занимать все внутреннее пространство между основной гранью 13 и удерживающим элементом 33.
[36] В описанном выше варианте осуществления полезной модели внутренний поверхностный участок 332 удерживающего элемента 33 выполнен в виде цилиндрической поверхности. Данное исполнение является предпочтительным с точки зрения обеспечения плавного перехода между внутренним поверхностным участком 332 удерживающего элемента 33 и внутренним поверхностным участком 342 опорного элемента 34, однако, это не является обязательным. Внутренний поверхностный участок 332 удерживающего элемента 33 может иметь иную форму при том условии, что толщина удерживающего элемента 33 будет увеличиваться с продвижением от его середины к опорным элементам 34 с соединительными выступами 35.
[37] Далее, в описанном выше варианте осуществления полезной модели выемка 16 имеет прямоугольное поперечное сечение и занимает всю площадь основной грани 13, однако это не является обязательным. Выемка 16 может иметь иную форму и занимать лишь часть площади основной грани 13. Кроме того, основная грань 13 может вообще не иметь выемки 16.
[38] В описанном выше варианте осуществления полезной модели сердечник 10 имеет четыре основные грани 13. Другими словами, наружная поверхность 12 сердечника 10 на поперечном сечении, по существу, имеет форму квадрата. Ротор 1 в данном исполнении имеет четыре магнитных полюса, что является предпочтительным именно для высокооборотной синхронной электрической машины, в которой большое число магнитных полюсов приводит к снижению КПД. Тем не менее, число основных граней 13 может быть равным иному числу магнитных полюсов, при том условии, что число магнитных полюсов является четным числом.
[39] Следует отметить, что объем полезной модели включает в себя случай, когда число магнитных полюсов, например, остается по прежнему равным четырем, в то время как число основных граней 13 увеличивается вдвое и становится равным восьми. В этом случае каждый магнитный полюс образован двумя одинаково ориентированными магнитами 21, расположенными на соседних основных гранях 13. Данное исполнение, показанное на Фиг. 3, позволяет снизить массу отдельного магнита 21, а значит, и его центробежную силу, воздействующую на удерживающий элемент 33 обоймы 30. В результате этого толщина удерживающих элементов 33 может быть уменьшена, а магниты 21 приближены к статору электрической машины, что повышает ее КПД. Тем не менее, сердечник 10 может иметь любое другое число основных граней 13 при том условии, что это число будет кратным числу магнитных полюсов, являющемуся, в свою очередь, четным числом.
[40] Далее, в описанном выше варианте осуществления полезной модели наружная поверхность 12 сердечника 10 помимо четырех основных граней 13 имеет такое же число дополнительных граней 14, на которых выполнены радиально направленные соединительные пазы 15. Данное исполнение позволяет уменьшить радиальный размер сердечника 10, и еще больше увеличить толщину обоймы 30 в краевых областях 333 и 334 ее удерживающих элементов 33. Кроме того, в силу отсутствия у сердечника 10 острых углов и образованных ими узких элементов, которые осложняют обработку сердечника 10 и его последующее соединение с обоймой 30, упрощается технология изготовления ротора 1. Следует, однако, отметить, что дополнительные грани 14 выполняются опционально, а соединительные пазы 15 могут быть выполнены непосредственно на ребрах призматической наружной поверхности 12 сердечника 10.
[41] Далее, в описанном выше варианте осуществления полезной модели сердечник 10 и обойма 30 выполнены путем шихтовки, т.е. в виде пакета предварительно изготовленных и наложенных друг на друга листовых элементов. Шихтованные сердечник 10 и обойма 30 препятствуют циркуляции в них паразитных токов, что повышает КПД электрической машины. Кроме того, в этом случае упрощается выполнение соединения с натягом между сердечником 10 и валом ротора 1 или между сердечником 10 и обоймой 30. Тем не менее, данное исполнение не является обязательным, и по меньшей мере, один из сердечника 10 и обоймы 30 может быть выполнен монолитным.