Ротор высокоскоростной электрической машины
ROTOR OF A HIGH SPEED ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в высокоскоростных электрических машинах.
Известен ротор высокоскоростного двигателя и генератора [патент DE №3224904 A1, H02K 1/27, 12.01.1984], который содержит вал, на котором установлено ярмо ротора с постоянными магнитами, и бандажную оболочку.
Недостатками аналога являются низкие энергетические показатели, обусловленные значительной толщиной бандажной оболочки и нагревом постоянных магнитов.
Известен способ изготовления ротора электрической машины [RU 2583484 C1, H02K 15/03, H02K 21/02, H02K 1/27, 10.05.2016], содержащего вал с магнитопроводом, на котором закреплены постоянные магниты с установленным на них бандажом из высокопрочных волокон, изготовленный в виде цельного кольца или в виде нескольких колец, которые устанавливаются на один или несколько рядов магнитов.
Недостатками аналога являются пониженный коэффициент полезного действия, обусловленный наличием потерь на вихревые токи в постоянных магнитах, а также высокие аэродинамические потери в роторе при вращении.
Известно техническое решение [SU 1537884 A1, F03B 3/12, F03D 3/06, 23.01.1990] для улучшения аэродинамических характеристик. Лопасть содержит профилированное перо, снабженное с обеих сторон турбулизатором в виде чешуйчатого покрытия, образованного продольными рядами чешуек, частично перекрывающих друг друга в соседних рядах в направлении от входной к выходной кромке пера, смещенных в этих рядах на полшага и расположенных в задних рядах по контуру волнообразной выходной кромки. Благодаря чешуйкам на поверхности лопасти возникают минивихри, уменьшающие трение в пограничном слое. При увеличении напряженности минивихрей они захватываются потоком и уносятся к волнистой хвостовой части, где благодаря волнистой кромке образуются минивихри за лопастью, общая напряженность которых невелика, что значительно уменьшает лобовое сопротивление и улучшает обтекание потоком лопасти.
Недостатком аналога являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные областью использования.
Известен ротор высокоскоростной электрической машины [SU 773835 A, H02K 1/22, H02K 21/02, 27.10.1980], содержащий закрепленную на валу гладкую бочку, имеющую активную часть, который, с целью повышения КПД путем уменьшения аэродинамических потерь и нагрева ротора, снабжен тонкостенным цилиндром из диэлектрического материала, расположенным концентрично бочке ротора с зазором и связанным с валом посредством, по меньшей мере, одного подшипникового узла.
Недостатками данного аналога является пониженный коэффициент полезного действия ввиду большого воздушного зазора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому приходится ротор электрической машины [SU 1334273 А1, Н02К 1/22, 30.08.1987], который содержит магнитопровод, активную часть из арматуры в виде навитой спирально металлической проволоки и бандаж, представляющий собой по крайней мере один слой частиц металла чешуйчатой формы.
Недостатком ближайшего аналога является сложность технологии изготовления ротора. Недостаточное экранирование, а следовательно больший нагрев магнитов ротора ввиду применения диэлектрического материала, а также сложность конструкции.
Задача изобретения - повышение коэффициента полезного действия электрической машины, за счет снижения потерь на вихревые токи постоянных магнитов и аэродинамических потерь ротора.
Технический результат - снижение потерь на вихревые токи постоянных магнитов и аэродинамических потерь ротора благодаря нанесению, например, напылением на его упрочняющий бандаж слоя электропроводящего материала, например меди, и применения второго бандажа чешуйчатой структуры.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в роторе высокоскоростной электрической машины, содержащем магнитопровод, активную часть, согласно изобретению, активная часть представляет собой постоянные магниты, скрепленные упрочняющим бандажом, на который нанесен слой электропроводящего материала, толщиной не более 10% от толщины упрочняющего бандажа, а поверх нанесенного на упрочняющий бандаж слоя электропроводящего материала установлен другой бандаж, имеющий чешуйчатую структуру, выполненный из материала с высокой теплопроводностью и высокой прочностью.
С целью снижения потерь и нагрева постоянных магнитов на упрочняющий бандаж нанесен, например, напылением, слой электропроводящего материала, толщиной не более 10% от толщины упрочняющего бандажа.
С целью снижения аэродинамических потерь поверх нанесенного на упрочняющий бандаж слоя электропроводящего материала установлен другой бандаж, имеющий чешуйчатую структуру, выполненный из материала с высокой теплопроводностью и высокой прочностью.
Существо изобретения поясняется чертежом, на котором представлена предлагаемая конструкция ротора.
Ротор высокоскоростной электрической машины содержит магнитопровод 1, активную часть, представляющую собой постоянные магниты 2, скрепленные упрочняющим бандажом 3, на который с целью снижения нагрева постоянных магнитов нанесен, например, напылением слой электропроводящего материала 4 толщиной не более 10% от толщины упрочняющего бандажа 3, а с целью снижения аэродинамических потерь поверх электропроводящего материала 4 установлен другой бандаж 5, имеющий чешуйчатую структуру, выполненный из материала с высокой теплопроводностью и высокой прочностью.
Достижение повышенного коэффициента полезного действия обеспечивается снижением потерь в постоянных магнитах ротора путем нанесения, например, напылением слоя электропроводящего материала толщиной не более 10% от толщины упрочняющего бандажа, а также снижением аэродинамических потерь за счет чешуйчатой структуры бандажа, установленного поверх нанесенного на упрочняющий бандаж слоя электропроводящего материала.
Ротор высокоскоростной электрической машины работает следующим образом, при работе электрической машины поле реакции якоря, создаваемое обмоткой статора, пересекает ротор, у которого на поверхности установлен упрочняющий бандаж. Так как на поверхности упрочняющего бандажа ротора нанесен, например, напылением слой электропроводящего материала, например меди, толщиной не более 10% от толщины упрочняющего бандажа, то происходит экранирование постоянных магнитов ротора от проникновения магнитного поля, и потери наводятся в этом электропроводящем слое, что позволяет минимизировать возникновение потерь в постоянных магнитах. Также, ввиду наличия поверх слоя электропроводящего материала бандажа, имеющего чешуйчатую структуру и выполненного из материала с высокой теплопроводностью и высокой прочностью, происходит взаимодействие потока хладагента (например, воздух, жидкость) с поверхностью ротора, при котором происходит изменение направления потоков хладагента и возникновение на поверхности ротора минивихрей, позволяющих компенсировать потерю импульса, вызванную трением хладагента о поверхность ротора и тем самым уменьшить трение в пограничном слое. При увеличении напряженности минивихрей они захватываются потоком хладагента и отводятся с поверхности ротора, что улучшает обтекание ротора потоком хладагента.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает снижение потерь на вихревые токи и аэродинамических потерь ротора и как следствие увеличение коэффициента полезного действия электрической машины.