Магнитная система ротора с постоянными магнитами и способ ее изготовления
ROTOR MAGNETIC SYSTEM WITH CONSTANT MAGNETS AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к устройству роторов электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов, расположенных на роторе, и может быть использовано в электромашиностроении при производстве электродвигателей и генераторов.
Известна магнитная система ротора (патент RU 2244370, МПК H02K 1/06, опубл. 10.01.2005), содержащая закрепленный на валу магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала без разрывов по внешнему и внутреннему диаметрам и с отверстиями под размещение в них постоянных магнитов. Отверстия выполнены прямоугольной формы с наклоном к радиальным осям (расположены вдоль хорд) таким образом, что расстояние между обращенными друг к другу и к валу боковыми поверхностями их по мере приближения к расточке ротора уменьшается, а между противоположными поверхностями тех же отверстий и в том же направлении увеличивается. Магнитная система ротора с требуемым по условию ее работоспособности чередованием вдоль расточки ротора полярностью полюсов образуется путем установки в указанные прямоугольной формы отверстия ротора намагниченных перпендикулярно боковым поверхностям призматических постоянных магнитов, причем таким образом, что каждая пара обращенных друг к другу и в сторону расточки ротора поверхности соседних магнитов имеет одинаковую магнитную полярность и полярность следующих друг за другом и ориентированных указанным образом пар магнитов вдоль расточки чередуется.
Известна магнитная система ротора (патент RU №2316103, МПК H02K 1/27, МПК H02K 21/14, опубл. 27. 01. 2008 г.), которая содержит закрепленный на валу магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала без разрывов по внутреннему и внешнему диаметрам и с отверстиями под размещение в них постоянных магнитов. Отверстия выполнены прямоугольными с наклоном к радиальным осям (расположены вдоль хорд) таким образом, что расстояние между обращенными друг к другу и к валу боковыми поверхностями их по мере приближения к расточке ротора уменьшается, а между противоположными поверхностями тех же отверстий и в том же направлении увеличивается. Магнитная система ротора с требуемой по условию ее работоспособности чередующейся по расточке ротора полярностью полюсов образуется путем установки в указанные прямоугольной формы отверстия ротора намагниченных перпендикулярно боковым поверхностям постоянных магнитов, причем таким образом, что каждая пара обращенных друг к другу и в сторону расточки ротора поверхностей соседних призматических магнитов имеет одинаковую магнитную полярность, а полярность следующих друг за другом таких пар магнитов вдоль расточки чередуется.
Недостатком является наличие воздушной полости, прилегающей к торцам постоянных магнитов со стороны вала, что способствует лишь уменьшению магнитных потоков рассеяния в этой области, но не устраняет их полностью.
Наиболее близкой к заявляемой магнитной системе является система постоянных магнитов для применения в электрической машине (US №5349258, H02K 21/12, H02K 23/04, H02K 21/26, опубл. 20.09.1994), представляющая собой кольцевой цилиндр, состоящий из полюсных, намагниченных радиально, постоянных магнитов чередующейся полярности и межполюсных постоянных магнитов, намагниченных тангенциально. Полюсные и межполюсные магниты прилегают друг к другу разноименными полюсами, образуя мозаичную структуру. Благодаря межполюсным элементам из тангенциально намагниченных постоянных магнитов изменяется не только направление магнитного потока, но и увеличивается индукция рабочего потока за счет увеличения активной длины магнитов в направлении их намагниченности.
Недостатком представленной системы постоянных магнитов для применения в электрической машине является сложность конструкции, несинусоидальное распределение магнитного поля на внешней стороне ротора, отсутствие возможности организовать магнитный поток одновременно в двух радиальных направлениях от магнитной системы.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, упрощение конструкции, минимизация высших гармоник, благодаря однонаправленной магнитной сборки постоянных магнитов.
Техническим результатом является повышение энергетических характеристик: мощности, механического момента, коэффициента мощности, КПД, при снижении массогабаритных показателей благодаря однонаправленной магнитной сборки постоянных магнитов.
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в магнитной системе ротора с постоянными магнитами, содержащей кольцевой цилиндр, состоящий из постоянных магнитов, согласно изобретению кольцевой цилиндр имеет однонаправленное намагничивание постоянных магнитов, выполненное в виде двухполюсной магнитной системы, причем внутренняя часть кольцевого цилиндра установлена на внешней части магнитопровода ротора, выполненного из высоколегированной стали.
Поставленная задача также достигается тем что, способ изготовления способ изготовления магнитной системы ротора с постоянными магнитами осуществляют путем сборки ненамагниченных заготовок постоянных магнитов в кольцевой цилиндр, затем намагничивают их в однонаправленном диаметральном направлении с возможностью образования двухполюсной магнитной системы с магнитным полем, максимально приближенным к синусоиде на внешней стороне кольцевого цилиндра магнита.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез магнитной системы ротора с постоянными магнитами.
На фиг. 2 показано замыкание силовых линий магнитного поля электрической машины в поперечном разрезе (результаты компьютерного моделирования в программном комплексе Ansoft Maxwell).
На фиг. 3 показано распределение магнитной индукции в электрической машины в поперечном разрезе (результаты компьютерного моделирования в программном комплексе Ansoft Maxwell).
Предложенная конструкция магнитной системы ротора с постоянными магнитами содержит кольцевой цилиндр 1 (фиг. 1), состоящий из постоянных магнитов 2 (стрелками показана намагниченность), которые имеют однонаправленное намагничивание и представляют собой двухполюсную магнитную систему. На внутреннюю часть кольцевого цилиндра 1 установлена внешняя часть цилиндрического магнитопровода ротора 3, выполненного из высоколегированно стали, а на внешнюю часть кольцевого цилиндра 1 установлен бандажный цилиндр 4, для механической прочности магнитной системы ротора с постоянными магнитами. Для уменьшения массы магнитной системы ротора с постоянными магнитами вырезаны отверстия 5 и 6. На фиг. 2 и фиг. 3 изображен статор с обмотками 7, внутри которого расположена предлагаемая магнитная система ротора с постоянными магнитами.
Магнитная система ротора с постоянными магнитами работает следующим образом: при работе электрической машины, к примеру в режиме генератора, вращается магнитная система ротора с постоянными магнитами, по магнитопроводу статора (на фиг. 2 и фиг. 3) начинает протекать магнитный поток возбуждения. По закону электромагнитной индукции в обмотке статора наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки, частоты вращения магнитной системы ротора с постоянными магнитами и магнитного потока возбуждения. Магнитный поток возбуждения зависит от намагниченности постоянных магнитов, геометрии магнитных полюсов. Неправильная геометрия и намагниченность постоянных магнитов может повлечь за собой усиление негативного влияния высших гармоник, тормозных моментов ротора, несинусоидальное напряжение на выходе генератора. Чтобы этого не произошло, на внешнюю часть цилиндрического магнитопровода ротора 3, выполненного из высоколегированной стали, установлен кольцевой цилиндр 1, состоящий из постоянных магнитов 2, которые имеют однонаправленное намагничивание и выполнены в виде двухполюсной магнитной системы, с синусоидальным распределением магнитного поля по внешней стороне кольцевого цилиндра 1. Замыкание силовых линий магнитного поля электрической машины в поперечном разрезе показано на фиг. 2.
Пример конкретной реализации способа.
Способ реализуется на примере магнитоэлектрического генератора на 700 Вт, активная длина равна 50 мм. Магнитную систему ротора из постоянных магнитов изготавливают из ненамагниченных заготовок постоянных магнитов, состоящих из сплава меди, кобальта, серы, никеля, железа, алюминия и титана, заготовки из постоянных магнитов выполнены в виде секторов 2 (количество секторов 6, внутренний диаметр 24 мм, внешний 31 мм). Данные секторы монтируются на внешнюю часть цилиндрического магнитопровода ротора 3, выполненного из высоколегированной стали 30ХГСА (с внешним диаметром 31 мм) с отверстиями 5 (диаметр 3 мм) для облегчения конструкции магнитопровода ротора 3 и с отверстием 6 для осевой шпильки (на фиг не показано). В результате сектора заготовок постоянных магнитов 2 образуют кольцевой цилиндр 1. Данную конструкцию помещают в намагничивающую установку, намагничивание производят в одном диаметральном направлении. В результате сектора постоянных магнитов 2 намагничиваются в одном направлении, и конструкция с позициями 1, 2, 3 образует двухполюсную магнитную систему с постоянными магнитами. После, на внешнюю часть кольцевого цилиндра 1 устанавливают бандажный цилиндр 4 (внутренний диаметр 31 мм, внешний диаметр 33 мм), представляющий из себя фторопластовую втулку. Бандажный цилиндр 4 устанавливают для механической прочности магнитной системы ротора с постоянными магнитами.
В результате технология сборки магнитной системы ротора с постоянными магнитами становится проще, т.к. намагничивание постоянных магнитов можно произвести за одну технологическую операцию, а не за несколько (как в прототипе).
Итак, заявленное изобретение позволяет расширить функциональные возможности, упростить конструкцию, повысить КПД, минимизировать негативное влияние высших гармоник, уменьшить массогабаритные показатели, благодаря однонаправленному намагничиванию постоянных магнитов в магнитной системе ротора с постоянными магнитами.