РОТОР ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
SUBMERGED MOTOR ROTOR

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электродвигателям с постоянными магнитами, применяемым, например, в погружном электроприводе для подъема пластовой жидкости.
Особенностью конструкции погружных электродвигателей является относительно малый диаметр и большая длина, причем вал выполняется, как правило, из магнитопроводящего материала. Полость между статором и ротором в погружных электродвигателях заполнена жидкостью, поэтому желательно, чтобы постоянные магниты в таких электродвигателях были механически защищены.
Известны роторы погружных электродвигателей, в которых постоянные магниты намагничены в радиальном направлении и размещены в «окнах», выштампованных в листах из электротехнической стали, из которых выполнен магнитопровод ротора [Сагаловский А.В. Новое поколение вентильных электродвигателей компании «Борец» - новый шаг в энергосбережении//Инженерная практика. 2010. №8. С.28].
Недостатком таких роторов является относительно низкое значение индукции в рабочем зазоре электродвигателя, что приводит к невысоким значениям удельного развиваемого момента.
Известен ротор магнитоэлектрической машины, содержащий пакет пластин магнитопроводящей стали с отверстиями, и постоянные магниты призматической формы с тангенциальной намагниченностью N-S, установленные в отверстиях пластин под наклоном к радиальной оси таким образом, что расстояние между разноименными полюсами двух соседних магнитов по наружной дуге меньше, чем по внутренней, причем отверстия выполнены V-образными, а установленные в них магниты, образующие полюсное деление, соприкасаются одноименными полюсами [Патент №2316103 РФ, МПК H02K 1/27, H02K 21/14, 2005].
Отсутствие перемычки между полюсом и внутренним кольцом магнитопровода снижает механическую прочность ротора. При вращении ротора к наружному кольцу прикладывается центробежная сила от веса полюса и двух магнитов. Это заставляет увеличивать радиальный размер внешнего кольца магнитопровода, что приводит к увеличению потока рассеяния уже по внешнему кольцу, не позволяя значительно увеличить полезный поток.
Известен ротор погружного электродвигателя, содержащий вал со шпоночным пазом, пакет магнитопровода из пластин электротехнической стали с полюсами чередующейся полярности, каждый из которых образован двумя обращенными к полюсу одной полярностью V-образно расположенными постоянными магнитами призматической формы с тангенциальной намагниченностью, не соприкасающимися друг с другом и находящимися в пазах пакета пластин, имеющих внутреннюю и наружную поверхности без разрывов, причем число магнитов в два раза больше числа полюсов [Патент №2244370 РФ, МПК Н02К 1/06, Н02К 21/12, 2003].
По совокупности признаков этот объект наиболее близок к заявляемому. Благодаря тому, что в магнитной системе данного ротора складываются магнитные потоки, она обладает потенциальной возможностью получения в зазоре электродвигателя значений индукции, превышающих значение индукции короткого замыкания постоянного магнита. Это обеспечивает повышение электромеханических и энергетических показателей электродвигателя.
Недостатком известного ротора является повышенное рассеяние магнитного потока в магнитной системе. Действительно, рассеяние на участке «полюс-вал» ограничивается только насыщением чрезвычайно малых по протяженности участков между сходящимися гранями постоянных магнитов, примыкающих к валу, а механическая связь с валом осуществляется за счет выступа на внутренней поверхности магнитопровода. Для сохранения механической прочности листа ширина насыщающихся участков составляет 0,5-1,5 мм, а проходящий через них и вал поток рассеяния составляет значительную часть полного потока полюса.
Настоящее изобретение направлено на повышение электромеханических и энергетических характеристик электродвигателя за счет снижения рассеяния магнитного потока, при сохранении механической прочности ротора.
Указанный технический результат достигается тем, что в роторе погружного электродвигателя, содержащем вал со шпоночным пазом, пакет магнитопровода из пластин электротехнической стали с полюсами чередующейся полярности, каждый из которых образован двумя обращенными к полюсу одной полярностью V-образно расположенными постоянными магнитами призматической формы с тангенциальной намагниченностью, не соприкасающимися друг с другом и находящимися в пазах пакета пластин, имеющих внутреннюю и наружную поверхности без разрывов, причем число магнитов в два раза больше числа полюсов, согласно изобретениюна внутренней поверхности полюсов обеих полярностей по оси полюсов выполнены пазы.
Для упрощения сборки пазы по оси полюсов одной полярности целесообразно выполнять с шириной, меньшей ширины пазов, расположенных по оси полюсов другой полярности.
Предпочтительно, чтобы радиальный размер паза по центру был больше, чем по краям, это позволит сохранить одинаковую степень насыщения по всей длине насыщающихся участков (перемычек).
Рассеяние будет минимальным, если для механического соединения пакета магнитопровода с валом используются шпонки из немагнитного материала.
Кроме того, на внешней поверхности пластин по междуполюсной оси каждой пары соседних полюсов могут быть выполнены выемки, а пластины, по крайней мере, части полюсов соединены сваркой по всей длине магнитопровода с образованием сварочного шва по дну выемок.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение ротора с пазами, выполненными на внутренней поверхности полюсов обеих полярностей по оси полюсов; на фиг. 2 - поперечное сечение ротора с пазами разной ширины, на фиг. 3 - фрагмент А фиг. 2 в увеличенном масштабе; на фиг. 4 - поперечное сечение ротора без пазов у двух соседних полюсов одной полярности; на фиг. 5 - поперечное сечение ротора с выемками на внешней поверхности.
Ротор погружного электродвигателя содержит вал 1, на котором расположен магнитопровод 2, набранный из пластин электротехнической стали (фиг. 1, 2, 4, 5). Внутренняя и наружная поверхности пластин выполнены без разрывов. В окнах магнитопровода 2 размещены постоянные магниты 3, намагниченные в тангенциальном направлении так, чтобы создать чередующиеся северные и южные полюса ротора. На внутренней поверхности магнитопровода 2 по оси полюсов выполнены пазы 4, в одном или нескольких из которых установлены шпонки 5, служащие для передачи полезного момента на вал 1. На внешней поверхности ротора по междуполюсной оси каждой пары соседних полюсов могут быть выполнены выемки 6 (фиг. 5), которые могут быть использованы для соединения пластин между собой с помощью сварки с тем, чтобы сварочный шов, проходящий по дну выемок 6, не выходил за образующую окружность полюсов. Наличие этих выемок дополнительно снижает поток рассеяния.
Окна для магнитов 3 и пазы 4 образуют в магнитопроводе 2 внутренние насыщающиеся участки 7 (фиг. 3).
п
s1
s2
Ротор электродвигателя является индуктором, т.е. источником магнитного потока. Создаваемый постоянными магнитами 3 поток полюса (фиг. 1, 5) содержит полезный поток Ф, замыкающийся через статор, и основные потоки рассеяния: поток Ф, замыкающийся через внутренние насыщающиеся перемычки 7 и вал 1, поток Ф, замыкающийся через перемычки 8, примыкающие к внешней образующей ротора (фиг. 3).
Чем меньше величина потоков рассеяния, тем совершеннее электродвигатель. Величина потоков рассеяния определяется степенью насыщения магнитопроводящих перемычек и их протяженностью.
s1
Чем больше протяженность насыщающихся участков 7, тем выше их магнитное сопротивление потокам рассеяния, которые замыкаются по цепи: полюс одной полярности - насыщающийся участок полюса одной полярности - вал - насыщающийся участок полюса другой полярности - полюс другой полярности. В известной магнитной системе протяженность насыщающегося участка для потока рассеяния Ф чрезвычайно мала, что приводит к повышенному рассеянию магнитного потока постоянных магнитов. В роторе предлагаемой конструкции протяженность насыщающихся участков минимум на порядок больше.
Оптимальное соотношение параметров «механическая прочность-коэффициент рассеяния» будет в том случае, когда толщина насыщающихся участков 7 будет одинаковой на всем их протяжении. Для этого пазы 4 целесообразно выполнять с радиальным размером по центру большим, чем по краям, например «крышеобразным» (фиг. 1-5).
В случае большого числа полюсов может оказаться недостаточной прочность участка между пазами 4, через который передается вращающий момент двигателя на вал 1. В этом случае пазы 4 не выполняют напротив полюсов, примыкающих к полюсу с реальным шпоночным пазом, в котором установлена шпонка 5, соединяющая вал 1 с магнитопроводом 2 (фиг. 4). Изготовление шпонки 5 из немагнитного материала снижает рассеяние магнитного потока.
При выполнении пазов 4 напротив всех полюсов возникает опасность, что при сборке электродвигателя часть пакетов может быть установлена так, что по одной оси окажутся полюса разной полярности. Для исключения такой возможности пазы, расположенные напротив разноименных полюсов, могут выполняться с разной шириной (фиг. 2-3).
Таким образом, заявляемая конструкция ротора за счет увеличения в несколько раз протяженности насыщающихся участков магнитопровода, образованных окнами для магнитов и верхними стенками пазов, позволяет снизить рассеяния магнитного потока, и как следствие, улучшить электромеханические и энергетические характеристики электродвигателя.