РОТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к области электротехники, а конкретно к электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов и может быть использована в общем и специальном электромашиностроении при производстве электрических машин для бытовой техники, станочного привода, ветроэнергетических установок, систем электроснабжения и электропривода автономных объектов.
Известен ротор электрической машины (патент US №6987342, рис. 7 МПК H02K 1/14, опубл. 28.10.2004, содержащий закрепленный на валу цилиндрический по наружной поверхности магнитопровод в виде пакета набранного из листов магнитомягкого материала с равномерно распределенными по окружности, отстоящими на одинаковом расстоянии от его расточки и открытыми со стороны вала отверстиями, в которых размещены постоянные магниты таким образом, что каждая пара обращенных друг к другу и к расточке ротора боковых их поверхностей и заключенная между ними и расточкой часть магнитопровода (полюс) имеют одинаковую полярность и полярность этих элементов ротора чередуется вдоль его расточки. Отверстия для размещения постоянных магнитов и сами постоянные магниты имеют призматическую форму, расположены радиально и намагничены тангенциально. Вал ротора может быть изготовлен из магнитного или немагнитного материала.
Недостатком ротора является сложная конфигурация внутренних полостей магнитопровода, обусловленная отличием форм и размеров магнитомягких полюсов, заключенных между поверхностями магнитов противоположной полярности, а также существенное ограничение радиального размера поверхностей соприкосновения постоянных магнитов с полюсами и как следствие этого ограничение магнитного потока полюсов.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является ротор электрической машины (патент RU 2241296, МПК H02K 1/27, H02K 1/24, опубл. 27.11.04). Этот ротор содержит закрепленный на немагнитном валу цилиндрический по наружной поверхности магнитопровод, в виде пакета, набранного из листов магнитомягкого материала с расположенными в нем вдоль оси вала стержнями, изготовленными также из магнитомягкого материала и с равномерно распределенными по окружности, отстоящими на одинаковом расстоянии от его расточки и открытыми со стороны вала отверстиями, в которых размещены постоянные магниты таким образом, что каждая пара обращенных друг к другу и к расточке ротора боковых их поверхностей и заключенная между ними и расточкой часть магнитопровода (полюс) имеют одинаковую полярность и полярность всех этих элементов ротора чередуется вдоль расточки. Отверстия для размещения постоянных магнитов и сами постоянные магниты выполнены призматической формы и расположены равномерно по окружности вдоль радиусов. Постоянные магниты намагничены перпендикулярно их боковым, расположенным полностью в теле магнитопровода сторонам (применительно к призматическим радиально расположенным магнитам - намагниченным тангенциально). Стержни из магнитомягкого материала располагаются в отверстиях полюсов.
Недостатком ротора является ограничение максимальной длины постоянного магнита в плоскости поперечного его сечения предельным ее значением, равным разности длин радиусов расточки ротора и вала, что ограничивает возможность увеличения площади постоянного магнита и величины магнитного потока, поступающего из магнита в полюс при фиксированном значении диаметра ротора, и по этой причине является фактором, ограничивающим его мощность. Помимо этого открытые со стороны вала отверстия существенно ограничивают нижнюю границу частот вращения, на которые могут быть изготовлены электрические машины в случае применения в них таких роторов.
Техническая задача полезной модели состоит в увеличении поверхности полюсов постоянных магнитов и исходящего из них магнитного потока в рамках одного и того же диаметра расточки ротора и его длины.
Техническим результатом полезной модели является увеличение мощности электрических машин, а также расширение области их применения по частоте вращения и по мощности.
Это достигается тем, что в известном роторе электрической машины, содержащем закрепленный на немагнитном валу цилиндрический по наружной поверхности магнитопровод, в виде пакета, набранного из листов магнитомягкого материала, с расположенными в нем вдоль оси вала стержнями, изготовленными также из магнитомягкого материала, и с равномерно распределенными по окружности, отстоящими на одинаковом расстоянии от расточки ротора и открытыми со стороны вала отверстиями, в которых размещены постоянные магниты таким образом, что каждая пара обращенных друг к другу и к расточке ротора боковых их поверхностей и заключенный между ними и расточкой ротора полюс имеют одинаковую полярность и полярность полюсов ротора чередуется вдоль расточки ротора, вал в пределах пакета магнитопровода выполнен с Т-образными выступами, число которых равно числу полюсов ротора и верхние поверхности которых выполнены плоскими, отверстия в магнитопроводе для размещения постоянных магнитов выполнены цилиндрическими и каждый постоянный магнит образован двумя частями разрезанного по диаметру полого цилиндра, причем обе составные части магнита намагничены радиально относительно осевой его линии, но в противоположных направлениях и установлены в отверстия так, что их продольные сечения соприкасаются на линии радиуса ротора, причем в нижней своей части все магниты срезаны по плоскостям, перпендикулярным разделяющим их на составные части радиусам и эти плоские участки постоянных магнитов соприкасаются с верхними плоскими поверхностями Т-образных выступов, при этом расположенные перпендикулярно радиальным участкам Т-образных выступов участки вала своими краями плотно входят в выполненные в нижней части полюсов идентичные им по форме и размерам углубления, а стержни расположены во внутренних полостях постоянных магнитов вплотную к их поверхностям.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором показано поперечное сечение четырехполюсного ротора (р=4), вал которого выполнен с Т-образными выступами, а поверхности между основаниями выступов выполнены плоскими.
1
Ротор электрической машины содержит закрепленный на валу 1 цилиндрический по наружной поверхности магнитопровод 2 в виде пакета, набранного из листов магнитомягкого материала с равномерно распределенными по окружности, отстоящими на одинаковом расстоянии от его расточки и открытыми со стороны вала 1 цилиндрическими отверстиями 3, в которых размещены постоянные магниты 4 в виде полых цилиндров. При этом каждый из постоянных магнитов 4 образован двумя частями 5 и 6 разрезанного по диаметру полого цилиндра и обе эти части 5 и 6 магнита 4 намагничены радиально относительно осевой линии О этого цилиндра, но в противоположных направлениях и установлены в отверстия 3 так, что их продольные сечения ab с cd и ef с gk соприкасаются на линии радиусов ротора 1. Во внутренних полостях полых цилиндров постоянных магнитов 4 вплотную к их внутренней поверхности расположены стержни 7, изготовленные из магнитомягкого материала. Каждая пара обращенных друг к другу и к расточке ротора боковых поверхностей и заключенный между ними и расточкой ротора полюс из магнитомягкого материала 8 имеют одинаковую полярность. Полярность полюсов 8 ротора при указанной ориентации полюсов постоянных магнитов чередуется вдоль расточки ротора. В нижней своей части все магниты срезаны по плоскостям rs, перпендикулярным разделяющим их на составные части радиусам.
Постоянные магниты фиксируются в отверстиях магнитопровода жестко, например, клеящим составом. Для соединения пластин магнитопровода в пакет могут быть использованы стержни 7.
Немагнитный вал 1 в пределах пакета магнитопровода выполнен с Т-образными выступами 9, число которых равно числу полюсов p ротора и имеющими плоские верхние поверхности r′s′, соприкасающиеся с плоскими участками rs постоянных магнитов, и имеет в рассматриваемой конкретной конструкции ротора в пределах пакета магнитопровода плоские поверхности mn между основаниями Т-образных выступов (за пределами магнитопровода вал выполняется круглым). При этом перпендикулярные радиальным частям Т-образных выступов их участки своими краями 10, 11 плотно входят в выполненные в нижней части полюсов 8 идентичные им по форме и размерам углубления.
1
Такая форма вала 1, во-первых, исключает возможность поворота постоянных магнитов 4 относительно их осевых линий O и поворота магнитопровода 2 относительно вала 1 и, во-вторых, обеспечивает жесткую механическую связь магнитопровода 2 ротора с валом 1, тем самым способствуя разгрузке от механических напряжений тонкие прилегающие к расточке ротора над магнитами областей магнитопровода за счет восприятия значительной ее части валом 1, что позволяет использовать заявляемый в качестве полезной модели ротор на более высокие частоты вращения вала по сравнению с ротором прототипом, а следовательно, и на большие мощности.
Для фиксации постоянных магнитов 4 и магнитопровода 2 в рабочем положении достаточно выполнить срезы постоянных магнитов 4 по плоскости на глубину 1-1.5 мм.
Непосредственное соприкосновение постоянных магнитов с валом позволяет уменьшить потоки рассеяния с поверхностей магнитов, обращенных к валу.
Электрическая машина с заявляемым ротором работает следующим образом.
В генераторном режиме при вращении ротора магнитный поток каждого из чередующихся по расточке полюсов 4, замыкаясь по замкнутому контуру, включающему в себя сердечник 7, два полюса 8, два воздушных зазора и магнитопровод статора электрической машины образует изменяющееся по углу поворота ротора и во времени потокосцепление с секциями обмотки статора в результате чего в них индуцируется ЭДС. Если эти обмотки замкнуты на внешнюю электрическую цепь по ним протекает электрический ток, а в нагрузке в зависимости от ее функционального назначения выделяется тепло, либо происходит преобразование электрической энергии в механическую или другие виды энергии.
Для количественной оценки преимущества заявляемой конструкции ротора с цилиндрической формой магнитов 4 перед роторами с призматической их формой, расположенных радиально (как в роторе, принятом за прототип) справедлива формула
,
мц
мр
p
в
м
м
мц
мпр
где: S и S - площади полюсов постоянных магнитов 4 при цилиндрической и призматической их форме; D, D и D - диаметры соответственно ротора, вала 1 (расстояние между расположенными друг против друга плоскими верхними участками Т-образных выступов вала) и магнита 4. h - длина силовых линий в магнитах 4 (высота магнита). При принятых на чертеже 1 размерах конструктивных элементов ротора S/S=1,31. При равных значениях магнитной индукции в магнитах 4 цилиндрической и призматической форм магнитные потоки в прилегающих к ним полюсах 8 находятся в том же соотношении, то - есть в рамках одного и того же диаметра ротора вне зависимости от осевой длины магнитопровода применение магнитов цилиндрической формы вызывает увеличение магнитного потока полюсов 8 примерно на 30% по сравнению с применением призматических радиально расположенных магнитов.
Использование полезной модели обеспечивает увеличение мощности электрических машин, а также расширение области их применения по частоте вращения и по мощности.