РОТОР ВЫСОКООБОРОТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
ROTOR FOR HIGH-REVOLUTION ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области электромашиностроения, и может быть использовано при проектировании электрических машин различного назначения.
Известен ряд сборных конструкций роторов электрических машин с постоянными магнитами. Наиболее распространенные конструкции содержат вал, магнитную систему из постоянных магнитов, ферромагнитные детали магнитопровода для замыкания магнитного потока (при необходимости), пусковые и демпферные обмотки (при необходимости) [Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: «Высшая школа», 1990, стр.77, рис.2.20, 2.22]. Известные конструкции роторов с постоянными магнитами обеспечивают высокие энергетические характеристики электрических машин, в особенности при использовании редкоземельных постоянных магнитов, и обладают достаточной надежностью при невысоких скоростях вращения. Однако для работы на повышенных частотах вращения в большинстве конструкций роторов требуется применение крепежных деталей из немагнитного, как правило, материала, предохраняющих ротор от разрушения центробежными силами при вращении.
Наиболее близким к изобретению устройством является ротор по [Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины. Синхронные машины. М.: «Высшая школа», 1990, стр.174, рис.9.1(б)], который содержит вал, постоянные магниты и охватывающий их по наружной поверхности бандаж из немагнитной стали. Для закрепления магнитов на валу в подобных конструкциях широко используется клей. Данная конструкция является простой, технологичной и надежной при невысоких частотах вращения, однако при работе на повышенных частотах вращения надежность конструкции снижается ввиду того, что центробежные усилия, действующие на постоянные магниты, вызывают их радиальные перемещения и, таким образом, изменение первоначальных размеров конструкции. Это происходит по причине того, что адгезионные свойства клея не обеспечивают с достаточной надежностью удержание магнитов на валу при действии на магниты центробежных усилий, и под давлением радиально перемещающихся магнитов происходит упругое растяжение обоймы с образованием зазоров в магнитной системе, что может привести к несоосности обоймы и вала и к дисбалансу ротора. Последнее существенно снижает ресурс электрической машины и ее надежность.
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения, является улучшение показателей надежности и технологичности, а также улучшение энергетических характеристик электрической машины за счет дальнейшего повышения ее частоты вращения.
Технический результат достигается за счет того, что в роторе высокооборотной электрической машины, содержащем вал, магнитную систему с постоянными магнитами и цилиндрическую немагнитную обойму, удерживающую магнитную систему от центробежных перемещений, вал имеет сечение правильного многоугольника, на месте вершин которого выполнены прямоугольные пазы, при этом стенки пазов параллельны плоскостям их симметрии, проходящим через ось вращения ротора, а обойма имеет ответные выступы на ее внутренней цилиндрической поверхности, которые располагаются в пазах вала без зазоров (фиг.1). При работе конструкции на повышенных частотах вращения под действием центробежных усилий выступы обоймы могут перемещаться только в радиальном направлении вдоль стенок паза, в тангенциальном направлении перемещения отсутствуют, т.е. выполняется центрирование перемещений. За счет отсутствия перемещений в тангенциальном направлении зазоры, образующиеся при радиальном перемещении магнитов, для всех полюсов равны. Таким образом, баланс вращающихся масс ротора, обеспеченный при сборке конструкции, не нарушается при выходе ротора на повышенную частоту вращения и последующей его остановке и сохраняется в течение всего срока службы электрической машины. Следовательно, улучшаются условия работы подшипниковых опор и увеличивается вероятность безотказной работы электрической машины.
Также благодаря исключению возможности нарушения балансировки вращающихся масс исключаются и возможные ее последствия в виде неравномерного распределения по окружности цилиндрической части обоймы механических напряжений от центробежных усилий (образования концентраторов напряжений). В отсутствие выраженных концентраторов механических напряжений максимальные напряжения приближаются по модулю к средним, что ведет к наилучшему использованию крепежного материала и дает возможность дальнейшего повышения максимальной частоты вращения ротора при неизменных размерах электрической машины. Таким образом, решение позволяет также улучшить энергетические характеристики электрических машин.
Дополнительные возможности по улучшению энергетических характеристик машин дает вариант изобретения, содержащий вышеописанные особенности одновременно с посадкой обоймы с натягом на вал по опорным поверхностям (поверхности А на фиг.2). В этом случае увеличение наружного диаметра ротора, происходящее под воздействием центробежных усилий при максимальной частоте вращения, будет меньше на величину натяга по сравнению с основным вариантом изобретения. Стабильность размеров ротора в рабочем диапазоне частот вращения дает возможность выбрать воздушный зазор электрической машины меньшим, что ведет к некоторому увеличению магнитной энергии магнитной системы и, как следствие, увеличению мощности и перегрузочной способности электрической машины.
Технологичность данной конструкции может быть улучшена путем выполнения обоймы из пакета листов вместо заготовки цилиндрической формы (фиг.3). В этом случае возможно изготовление листов путем штамповки или лазерной резки, повышается точность выполнения внутренней поверхности обоймы, в т.ч. ее выступов, что ведет к упрощению сборки изобретения при сохранении им всех остальных его функций.
В варианте 1 изобретения (фиг.1) ротор содержит цилиндрическую с выступами на внутренней поверхности немагнитную обойму 1, охватывающую сборную многополюсную магнитную систему из постоянных магнитов 2, и вал 3, который имеет сечение в форме правильного многоугольника, на месте вершин которого выполнены прямоугольные пазы, при этом стенки пазов параллельны плоскостям их симметрии, проходящим через ось вращения ротора, а обойма 1 имеет ответные выступы на ее внутренней цилиндрической поверхности, которые располагаются в пазах вала 3 без зазоров.
Вариант 2 изобретения (фиг.2) имеет конструкцию, аналогичную варианту 1, и отличается тем, что немагнитная обойма 1, охватывающая сборную многополюсную магнитную систему из постоянных магнитов 2, имеет посадку с натягом по поверхностям А на вал 3.
Вариант 3 изобретения (фиг.3) имеет конструкцию, аналогичную варианту 1, и отличается тем, что немагнитная обойма 1 набрана в виде шихтованного пакета листов.
Устройство может быть использовано в электрических машинах различного назначения.