РОТОР ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ (ВАРИАНТЫ)
ROTOR FOR ELECTROMECHANICAL ENERGY CONVERTER WITH PERMANENT MAGNETS (VERSIONS)

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в электрических генераторах с постоянными магнитами.
Известен ротор электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов [патент РФ №123254 U1, H02K 21/12, 20.12.2012], постоянные магниты установлены в пазы магнитопровода ротора в непосредственной близости к наружной поверхности ротора.
Недостатками данной конструкции являются несиносуидальность магнитного потока в воздушном зазоре, высокая величина третьей и пятой гармоник в кривой ЭДС и повышенные потери в обмотке генератора, обусловленные этими гармониками, а также значительные потери энергии в бандажной оболочке ротора, обусловленные зубцовыми гармониками.
Известен ротор магнитоэлектрической машины, преимущественно синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов [патент РФ №2308139 C2, H02K 1/27, 10.10.2007], который содержит жестко скрепленную с опорным валом кольцевую обойму магнитопровода с упорным фланцем. На внутренней боковой стенке кольцевой обоймы смонтирован кольцевой магнитный вкладыш, образованный постоянными магнитами возбуждения с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами. Внутренняя боковая стенка кольцевой обоймы магнитопровода выполнена с кольцевой проточкой. Кольцевой магнитный вкладыш выполнен из группы одинаковых монолитных кольцевых магнитов с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами, размещенными в упомянутой кольцевой проточке на внутренней боковой стенке кольцевой обоймы магнитопровода и сопряженными между собой по своим торцам и с боковой стенкой указанной кольцевой проточки. Одноименные чередующиеся в окружном направлении магнитные полюсы в смежных монолитных кольцевых магнитах расположены соразмерно друг другу в одних радиальных плоскостях.
Недостатками данной конструкции являются несиносуидальность магнитного потока в воздушном зазоре, высокая величина третьей и пятой гармоник в кривой ЭДС и повышенные потери в обмотке генератора, обусловленные этими гармониками, а также значительные потери энергии в бандажной оболочке ротора, обусловленные зубцовыми гармониками.
Известно устройство, реализующее способ установки постоянных магнитов в роторе электрической машины [патент РФ №2230420 C1, H02K 15/00, H02K 15/03, 10.06.2004], содержащее статор, запрессованный в корпус, ротор, установленный на валу, постоянные магниты, установленные в роторе, в соответствии с их магнитными характеристиками (магнитной индукции на поверхности магнита или магнитной индукцией в воздушном зазоре).
Недостатками данной конструкции являются несиносуидальность магнитного потока в воздушном зазоре, высокая величина третьей и пятой гармоник в кривой ЭДС и повышенные потери в обмотке генератора, обусловленные этими гармониками, а также значительные потери энергии в бандажной оболочке ротора, обусловленные зубцовыми гармониками.
Известен ротор на постоянных магнитах [патент РФ №2406209 C2, H02K 1/27, 10.12.2010], в котором постоянные магниты во внутренней части ротора расположены параллельно оси вращения ротора, и в области радиально внешних продольных кромок постоянных магнитов на внешнем периметре ротора выполнены открытые наружу пазы, которые соответственно проходят наклонно или с изгибом к продольным кромкам смежных постоянных магнитов в направлении периметра или, по меньшей мере, один раз пересекают; пазы на внешней стороне ротора в направлении периметра имеют меньшую ширину, чем в лежащей радиально ближе к центру области паза, и форма поперечного сечения паза по длине ротора постоянна.
Недостатками данной конструкции являются несиносуидальность магнитного потока в воздушном зазоре, высокая величина 3 и 5 гармоник в кривой ЭДС и повышенные потери в обмотке генератора, обусловленные этими гармониками, а также значительные потери энергии в бандажной оболочке ротора, обусловленные зубцовыми гармониками.
Известен ротор электрической машины с постоянными магнитами [патент РФ 2309514 C2, H02K 15/02, 27.10.2007], который содержит приклеенные постоянные магниты из редкоземельных металлов, залитые компаундом и герметично защищенные от воздействия рабочей среды посредством сварки обоймы с торцевыми дисками. С целью упрощения технологии изготовления, в промежутке между постоянными магнитами и одним из торцевых дисков, установлен дополнительный диск с осевыми отверстиями для заливки компаунда и заходной фаской для облегчения напрессовки обоймы. За счет применения дополнительного диска исключаются технологические операции заливки компаунда в форму и пригоночной механической обработки по компаунду.
Недостатками данной конструкции являются несиносуидальность магнитного потока в воздушном зазоре, высокая величина 3 и 5 гармоник в кривой ЭДС и повышенные потери в обмотке генератора, обусловленные этими гармониками, а также значительные потери энергии в бандажной оболочке ротора, обусловленные зубцовыми гармониками.
Известен ротор электрической машины с постоянными магнитами [патент РФ №2231896 C2, H02K 21/16, H02K 21/14, 27.06.2004], который содержит вал, магнитомягкое ярмо, плоские постоянные магниты, цилиндрические постоянные магниты, полюсные сердечники с полюсными наконечниками, короткозамкнутую обмотку. Согласно изобретению ярмо выполнено в виде правильной призмы с радиальными пазами, в которые установлены плоские и цилиндрические постоянные магниты, цилиндрические полюсные сердечники с полюсными наконечниками и кольцевая короткозамкнутая обмотка.
Недостатками данной конструкции являются несиносуидальность магнитного потока в воздушном зазоре, высокая величина 3 и 5 гармоник в кривой ЭДС и повышенные потери в обмотке генератора, обусловленные этими гармониками, а также значительные потери энергии в бандажной оболочке ротора, обусловленные зубцовыми гармониками.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является ротор высокоскоростного электромеханического преобразователя энергии постоянными магнитами с малыми потерями в железе ротора [патент US 2309514 C2, H02K 1/28, 16.04.2009], содержащий вал, ярмо вала, постоянные магниты цилиндрической формы и бандажную оболочку ротора, выполненную из множества тонких колец, отделенных друг от друга изоляционным материалом.
Недостатками данной конструкции являются несиносуидальность магнитного потока в воздушном зазоре, высокая величина 3 и 5 гармоник в кривой ЭДС и повышенные потери в обмотке генератора, обусловленные этими гармониками.
Задача изобретения - повышение энергетических показателей электромеханического преобразователя с постоянными магнитами, благодаря применению постоянных магнитов в виде определенной геометрической формы, минимизация механических нагрузок на бандажную оболочку ротора при максимальной величине магнитной индукции в воздушном зазоре, благодаря использованию оптимальных геометрических соотношений высококоэрцитивных постоянных магнитов.
Техническим результатом является повышение синусоидальности кривой магнитной индукции в воздушном зазоре и снижение омических потерь в электрической машине от высших гармоник, а также снижение амплитуды высших гармоник.
Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается по первому варианту тем, что в роторе электромеханического преобразователя энергии, содержащем вал, ярмо, постоянные магниты, бандажную оболочку, выполненную из множества тонких колец, отделенных друг от друга изоляционным материалом, согласно изобретению, постоянные магниты выполнены в форме двояковыпуклой линзы, при этом форма ярма профилирует форму постоянных магнитов, причем безразмерное отношение радиуса внутренней выпуклости линзы к радиусу внешней выпуклости линзы не менее пяти сотых и не более двадцати пяти сотых.
Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается по второму варианту тем, что в роторе электромеханического преобразователя энергии, содержащем вал, ярмо, постоянные магниты, бандажную оболочку, выполненную из множества тонких колец, отделенных друг от друга изоляционным материалом, согласно изобретению, постоянные магниты выполнены в форме фигуры, образуемой полукругом и равнобедренным треугольником, при этом форма ярма профилирует форму постоянных магнитов, причем безразмерное отношение медианы треугольника к радиусу полукруга не менее пяти сотых и не более двадцати пяти сотых.
Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается по третьему варианту тем, что в роторе электромеханического преобразователя энергии, содержащем вал, ярмо, постоянные магниты, бандажную оболочку, выполненную из множества тонких колец, отделенных друг от друга изоляционным материалом, согласно изобретению, постоянные магниты выполнены в форме фигуры, образуемой полукругом и равнобедренной трапецией, при этом форма ярма профилирует форму постоянных магнитов, причем безразмерное отношение высоты трапеции к радиусу полукруга не менее пяти сотых и не более двадцати пяти сотых.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен продольный разрез электромеханического преобразователя энергии с постоянными магнитами по первому варианту. На фиг. 2 изображен поперечный разрез электромеханического преобразователя энергии с постоянными магнитами по первому варианту. На фиг. 3 изображен продольный разрез электромеханического преобразователя энергии с постоянными магнитами по второму варианту. На фиг. 4 изображен поперечный разрез электромеханического преобразователя энергии с постоянными магнитами по второму варианту. На фиг. 5 изображен продольный разрез электромеханического преобразователя энергии с постоянными магнитами по третьему варианту. На фиг. 6 изображен поперечный разрез электромеханического преобразователя энергии с постоянными магнитами по третьему варианту.
Предложенное устройство по первому варианту содержит (фиг. 1, фиг. 2) вал 1, с напрессованным на него ярмом 2, профилирующим форму постоянных магнитов, постоянные магниты 3, выполненные в форме двояковыпуклой линзы, намагниченные в радиальном направлении N-S и установленные на ярме 2, постоянные магниты 4, выполненные в форме двояковыпуклой линзы, намагниченные в радиальном направлении S-N и установленные на ярме 2, бандажную оболочку 5, напрессованную на постоянные магниты 3, намагниченные в радиальном направлении N-S и установленные на ярме 2 и на постоянные магниты 4, намагниченные в радиальном направлении S-N. Бандажная оболочка 5 состоит из множества тонких колец 6, отделенных друг от друга изоляционным материалом 7.
Предложенное устройство по второму варианту содержит (фиг. 3, фиг. 4) вал 1, с напрессованным на него ярмом 2, профилирующим форму постоянных магнитов, постоянные магниты 3, выполненные в форме фигуры, образованной полукругом и равнобедренным треугольником, намагниченные в радиальном направлении N-S и установленные на ярме 2, постоянные магниты 4, выполненные в форме фигуры, образованной полукругом и равнобедренным треугольником, намагниченные в радиальном направлении S-N и установленные на ярме 2, бандажную оболочку 5, напрессованную на постоянные магниты 3, намагниченные в радиальном направлении N-S и установленные на ярме 2 и на постоянные магниты 4, намагниченные в радиальном направлении S-N. Бандажная оболочка 5 состоит из множества тонких колец 6, отделенных друг от друга изоляционным материалом 7.
Предложенное устройство по третьему варианту содержит (фиг. 5, фиг. 6) вал 1, с напрессованным на него ярмом 2, профилирующим форму постоянных магнитов, постоянные магниты 3, выполненные в форме фигуры, образованной полукругом и равнобокой трапецией, намагниченные в радиальном направлении N-S и установленные на ярме 2, постоянные магниты 4, выполненные в форме фигуры образованной полукругом и равнобокой трапецией, намагниченные в радиальном направлении S-N и установленные на ярме 2, бандажную оболочку 5, напрессованную на постоянные магниты 3, намагниченные в радиальном направлении N-S и установленные на ярме 2 и на постоянные магниты 4, намагниченные в радиальном направлении S-N. Бандажная оболочка 5 состоит из множества тонких колец 6, отделенных друг от друга изоляционным материалом 7.
Предложенное устройство по первому варианту работает следующим образом: при вращении ротора высокоскоростного магнитоэлектрического генератора двояковыпуклые постоянные магниты 3, намагниченные в радиальном направлении N-S и установленные на ярме 2, и двояковыпуклые постоянные магниты 4, намагниченные в радиальном направлении S-N, и также установленные на ярме 2, ввиду своей формы позволяют создавать синусоидальное распределение магнитного потока в воздушном зазоре. Так как поверхность ярма 2 профилирует форму постоянных магнитов 3, 4, увеличивается площадь взаимодействия между ярмом 2 и постоянными магнитами 3, 4. Это снижает механические нагрузки на бандажную оболочку ротора 5, состоящую из множества тонких колец 6, отделенных друг от друга изоляционным материалом 7. Кроме того, отношением радиуса внутренней выпуклости линзы к радиусу внешней выпуклости линзы не менее пяти сотых и не более двадцати пяти сотых, достигается оптимальная конструкция ротора с точки зрения гармонического состава создаваемого магнитного поля и механической прочности ротора.
Предложенное устройство по второму варианту работает следующим образом: при вращении ротора высокоскоростного магнитоэлектрического генератора постоянные магниты 3, выполненные в форме фигуры образованной полукругом и равнобедренным треугольником, намагниченные в радиальном направлении N-S и установленные на ярме 2 и постоянные магниты 4, выполненные в форме фигуры, образованной полукругом и равнобедренным треугольником, намагниченные в радиальном направлении S-N и также установленные на ярме 2, ввиду своей формы позволяют создавать синусоидальное распределение магнитного потока в воздушном зазоре, кроме того, благодаря тому, что поверхность ярма 2 профилирует форму постоянных магнитов 3, 4, увеличивается площадь взаимодействия между ярмом 2 и постоянными магнитами 3, 4, что снижает механические нагрузки на бандажную оболочку ротора 5, состоящую из множества тонких колец 6, отделенных друг от друга изоляционным материалом 7. Кроме того, отношением медианы равнобедренного треугольника к радиусу полукруга не менее пяти сотых и не более двадцати пяти сотых, достигается оптимальная конструкция ротора с точки зрения гармонического состава создаваемого магнитного поля и механической прочности ротора.
Предложенное устройство по третьему варианту работает следующим образом: при вращении ротора высокоскоростного магнитоэлектрического генератора постоянные магниты 3, выполненные в форме фигуры, образованной полукругом и равнобокой трапецией, намагниченные в радиальном направлении N-S и установленные на ярме 2, и постоянные магниты 4, выполненные в форме фигуры, образованной полукругом и равнобокой трапецией, намагниченные в радиальном направлении S-N и также установленные на ярме 2, ввиду своей формы позволяют создавать синусоидальное распределение магнитного потока в воздушном зазоре. Так как поверхность ярма 2 профилирует форму постоянных магнитов 3, 4, увеличивается площадь взаимодействия между ярмом 2 и постоянными магнитами 3, 4, что снижает механические нагрузки на бандажную оболочку ротора 5, состоящую из множества тонких колец 6, отделенных друг от друга изоляционным материалом 7. Кроме того, отношением высоты равнобокой трапеции к радиусу полукруга не менее пяти сотых и не более двадцати пяти сотых, достигается оптимальная конструкция ротора с точки зрения гармонического состава создаваемого магнитного поля и механической прочности ротора.
Таким образом, повышаются энергетические показатели электромеханического преобразователя с постоянными магнитами и минимизируются механические нагрузки на бандажную оболочку ротора при максимальной величине магнитной индукции в воздушном зазоре, благодаря использованию оптимальных геометрических соотношений высококоэрцитивных постоянных магнитов.
Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить синусоидальность кривой магнитной индукции в воздушном зазоре и снизить омические потери в электрической машине от высших гармоник, а также снизить амплитуды высших гармоник.