РОТОР ВЫСОКООБОРОТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к технологии изготовления высокоскоростных электрических машин с постоянными магнитами.
Из всего спектра электрических машин наиболее экономичными при частотах вращения более 3000 об/мин являются высокоскоростные синхронные электрические машины (электродвигатели и генераторы) с постоянными магнитами на роторе. Удельная мощность электрической машины пропорциональна частоте вращения ротора, поэтому при увеличении частоты вращения массогабаритные показатели высокоскоростных машин уменьшаются. Вследствие этого генеральная тенденция развития электромеханических устройств в настоящее время ориентирована на поиск и разработку новых конструкций роторов и соответствующих им технологий изготовления, позволяющих повысить предельную частоту вращения ротора. Физическим пределом для увеличения этой частоты является прочность материалов деталей ротора, в первую очередь постоянных магнитов.
Известен ротор высокоскоростной электрической машины, на валу которого размещена ферромагнитная втулка с зафиксированными на ней магнитами дугообразной формы и на эту конструкцию напрессовано с натягом предварительно нагретое упрочняющее кольцо из высокопрочной стали, см. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 29. Недостатком является необходимость операции нагрева упрочняющего кольца, которая необходима для создания натяга между магнитами и кольцом, обеспечивающего сопряжение между частями ротора при высоких скоростях его вращения. Большинство сталей можно нагреть, например, до 500°C без вреда для их механических свойств, магнитные же характеристики современных высокоэнергетических постоянных магнитов ухудшаются уже при температуре выше 120-150°C. Для защиты магнитов от переохлаждения можно охлаждать ротор перед сборкой, например, жидким азотом, что в еще большей степени усложняет технологию сборки ротора.
Известна также конструкция ротора высокоскоростной электрической машины, в ферромагнитной втулке (кольцевом магнитопроводе) которого выполняют аксиально-радиальные прорези, после чего втулку размещают на валу, а магниты устанавливают на втулке, ориентируя при этом оси симметрии прорезей относительно осей полюсов. В прорезях дополнительно размещают пластины из магнитомягкого материала. Полученную магнитную систему охватывают предварительно нагретым упрочняющим кольцом, см. а.с. СССР №955.393. Температура нагрева в данном случае может быть снижена благодаря меньшему требуемому уровню натяга между упрочняющим кольцом и магнитной системой, что достигается созданием прорезей в магнитной втулке; при этом в меньшей степени ухудшаются механические и магнитные свойства деталей ротора. Недостатком является необходимость операции нагрева упрочняющего кольца, усложняющей технологию сборки ротора.
Известна конструкция ротора высокоскоростной электрической машины, в которой на валу втулки размещают постоянные магниты и упрочняющие кольца, при этом предварительно собирают кольцевой пакет, для чего магниты размещают между втулкой и упрочняющим кольцом, при этом внутреннюю поверхность втулки и сопряженную с ней поверхность вала выполняют коническими, после чего собранный кольцевой пакет напрессовывают на вал, прикладывая усилие вдоль оси вала, см. патент РФ №2155430. Кроме указанного, упрочняющее кольцо выполняют из высокопрочного материала, а втулку - из пластичного материала, а упрочняющее кольцо кроме того деформируют в радиальном направлении до увеличения его диаметра на 0,1-3%.
Недостатком данного технического решения, принятого нами за прототип, является сложность конструкции и неизбежное возникновение изгибающих напряжений, как в осевом, так и в тангенциальном направлениях, в постоянных магнитах при работе ротора, которые снижают механические свойства магнитов и, соответственно, предельную частоту вращения ротора.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции ротора высокоскоростной электрической машины при одновременном повышении механической прочности постоянных магнитов ротора и, следовательно, удельной мощности электрической машины.
Сущность заявляемой полезной модели как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Ротор высокоскоростной электрической машины, включающий напрессованный на вал кольцевой пакет, в котором постоянные магниты размещены между втулкой, внутренняя поверхность которой и сопряженная с ней поверхность вала выполнены коническими, и упрочняющим кольцом, характеризующийся тем, что постоянные магниты, как в осевом, так и в тангенциальном направлениях, разделены на сегменты, которые размещены в полости между упрочняющим кольцом и конической втулкой, при этом геометрические размеры этой полости выбраны с запасом, обеспечивающим отсутствие механических напряжений на постоянные магниты и сохранение их механической прочности при разгоне ротора до рабочей скорости, при которой постоянные магниты претерпевают воздействие центробежных сил и тепловое воздействие.
В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных признаков, а именно:
- ротор может быть снабжен разгрузочными кольцами, установленными в радиальном направлении между упрочняющим кольцом и конической втулкой и образующими совокупность полостей, в которых размещены постоянные магниты.
Обеспечиваемый полезной моделью технический результат заключается в том, что разделение постоянных магнитов на мелкие сегменты направлено на выравнивания контактного давления от центробежной нагрузки на упрочняющее кольцо, что разгружает собственно магнитные сегменты от изгибающих напряжений. В осевом направлении магнитные сегменты, образующие кольцевые зоны, разделены разгрузочными кольцами, обеспечивающими передачу необходимых усилий при напрессовки всей магнитной системы на вал и позволяющими разгрузить магниты от излишних напряжений сжатия. При разгоне ротора до рабочей скорости все элементы его конструкции претерпевают воздействие центробежных сил и тепловое воздействие, приводящие к изменению геометрических размеров полости, в которой размещены постоянные магниты, но, поскольку ее размеры выбраны с соответствующим запасом, то постоянные магниты при этом не подвергаются воздействию механических изгибающих напряжений и сохраняют свою механическую прочность и магнитные свойства.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен разрез по ротору высокоскоростной электрической машины заявленной конструкции.
Ротор высокоскоростной электрической машины включает напрессованный на вал кольцевой пакет, в котором постоянные магниты 1 размещены в полостях 2 между втулкой 3, внутренняя поверхность которой и сопряженная с ней поверхность вала 4 выполнены коническими, и упрочняющим кольцом 5. Размер полости 2 выбран из условия надежного закрепления постоянных магнитов 1 в полости 2 между упрочняющим кольцом 5 и конической втулкой 3 при рабочей скорости вращения ротора, при одновременном отсутствии изгибающих напряжений в постоянных магнитах 1. Ротор снабжен разгрузочными кольцами 6, установленными в радиальном направлении между упрочняющим кольцом 5 и конической втулкой 3 и образующими совокупность полостей 2, в которых размещены постоянные магниты 1.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Предварительно собирают кольцевой пакет. Для этого постоянные магниты 1 размещают между упрочняющим кольцом 5 и втулкой 3, после чего кольцевой пакет с требуемым натягом напрессовывают на вал. Внутреннюю поверхность втулки 3 и сопрягаемую с ней поверхность вала 4 выполняют коническими, а усилие напрессовки прилагают вдоль оси вала 4.
Магниты 1 расположены в полостях 2 свободно. При рабочей скорости ротора втулка 3 увеличивается в диаметре и поджимает магниты 1 к упрочняющему кольцу 5, обеспечивая монолитность ротора и сохраняя его механическую прочность, на предельных частотах вращения. При этом максимально используются магнитные и механические свойства магнитов 1.
Разгрузочные кольца 6 обеспечивают передачу необходимых усилий при напрессовки всей магнитной системы на вал и разгружают магниты от излишних напряжений сжатия.
Предложенное устройство может быть изготовлено промышленным способом из известных материалов с использованием известных технологий и технических средств.