СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF MANUFACTURING ROTOR FOR JET MOTOR

Изобретение относится к способу изготовления ротора для реактивного электродвигателя.
Электрическая машина является устройством, которое преобразует электрическую энергию в механическую энергию, в частности энергию движения (режим электродвигателя) и/или механическую энергию в электрическую энергию (режим генератора). Вращающаяся электрическая машина является электрической машиной, в которой статор имеет, как правило, круглое отверстие, в котором установлен с возможностью вращения ротор. Статор расположен относительно ротора без возможности проворачивания. Статор и ротор связаны друг с другом магнитным потоком, за счет чего в режиме электродвигателя создается силовое действие, которое приводит во вращение ротор относительно статора, а в режиме генератора подводимая к ротору механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.
Ротор для реактивного электродвигателя известен из US 5 818 140 А. В нем приведено описание ротора, листовой пакет которого состоит из роторных листов, которые имеют каждый вырубки. Этот ротор называется здесь также ротором Вагати. За счет вырубок получаются изогнутые, имеющие форму полос листовые участки, которые служат в качестве направляющих поток участков, которые проводят магнитный поток необходимым для обеспечения требуемой реактивности ротора образом. Между отдельными направляющими поток участками находится за счет вырубок воздух, т.е. не магнитная зона, которая действует в качестве барьера для магнитного потока. За счет имеющих форму полос направляющих поток участков получается большой выход крутящего момента.
Эффективная мощность такого ротора зависит в решающей степени от выполнения зон с высокой магнитной проводимостью, которые называются в последующем ламелями. Эти зоны расположены вокруг одной или нескольких осей с высокой магнитной проводимостью (ось d) и чередуются в окружном направлении с зонами меньшей магнитной проводимости, которые расположены вокруг одной или нескольких осей с меньшей магнитной проводимостью (ось q). Для обеспечения этих различных магнитных проводимостей внутри ротора, роторные листы снабжены, например, штампованными выемками. Для этого имеются самые различные варианты выполнения.
Для получения возможно большего крутящего момента роторные листы имеют такие размеры, что реактивное сопротивление эквивалентной схемы является возможно меньшим в направлении оси q. Поэтому в направлении оси q обычно предусмотрены многие и/или имеющие большую поверхность вырубки в роторных листах. Однако это приводит к ослаблению механической стабильности, так что ограничивается скорость вращения. Для улучшения механической стабильности роторные листы имеют окружное наружное кольцо. Такие роторные листы показаны, например, в JP 2001238418 А. Кроме того, выемки или вырубки примерно в середине прерываются перемычкой, которая соединяет друг с другом в радиальном направлении две магнитные ламели роторного листа.
В ЕР 0 621 677 А2 приведено описание другой роторной системы для реактивного электродвигателя, которая не имеет наружного кольца. Внутренние пространства заполнены стекловолокном и затвердевающей при нагревании эпоксидной смолой. Роторная система имеет на обоих концах соответствующий концевой колпачок. Для повышения механической стабильности роторной системы предусмотрены четыре роторные перемычки (rotor bars), которые проходят в окружной зоне роторных листов между концевыми дисками. Дополнительно к этому, каждые две противоположно лежащие перемычки соединены друг с другом с помощью проходящих в радиальном направлении винтов, так что отдельные роторные листы, через которые проходят винты, имеют дополнительное, диаметрально проходящее отверстие (receiving bore). Таким образом, требуется сложная крепежная система, которая содержит множество крепежных элементов в осевом и радиальном направлении, с целью удерживания вместе роторной системы.
В сборнике рефератов патентов Японии в реферате к JP 2000-299947 А приведено описание реактивного электродвигателя, в котором для повышения коэффициента полезного действия на роторе без соединительных перемычек закреплены образующие путь прохождения магнитного потока элементы. Образующие путь прохождения магнитного потока элементы отделены друг от друга промежуточными пространствами, которые заполнены клейкой смолой. Клейкая смола, с одной стороны, магнитно отделяет друг от друга образующие путь прохождения магнитного потока элементы и, с другой стороны, соединяет их друг с другом механически.
Из сборника рефератов патентов Японии из реферата к JP 2002-095227 А известен ротор реактивного электродвигателя, который имеет набранный из листов ротор. В листах выполнены дугообразные прорези, которые имеют на своем периметре имеющие форму ласточкина хвоста выемки. Прорези и выемки заполнены смолой.
В сборнике рефератов патентов Японии в реферате к JP 09-117082 А приведено описание ротора и способа его изготовления, который выполнен из множества расположенных слоями роторных элементов. Роторные элементы имеют расположенные рядом друг с другом, имеющие форму полос и изогнутые магнитные и не магнитные зоны. Для изготовления роторных элементов исходят из магнитной металлической пластины с толщиной от 0,3 мм до 2 мм. В пластине выполняется множество имеющих форму полос и изогнутых проходных отверстий, которые затем заполняются не магнитным металлическим порошком (порошком из марганцевой стали), который спекается, с целью получения соединительной структуры. Для изготовления роторного элемента, наружные окружные части роторного элемента пластины обрезаются от конца проходных отверстий до края соединительной структуры. Роторные элементы для ротора укладываются в штабель и склеиваются или спрессовываются друг с другом.
Задача изобретения состоит в создании ротора, который имеет простую конструкцию при улучшенной работоспособности и является простым в изготовлении.
Задача решена, согласно изобретению, с помощью способа изготовления ротора для реактивного электродвигателя, при этом
- изготавливают множество роторных листов, содержащих расположенные внутри наружного кольца магнитные ламели, которые отделены друг от друга не магнитными дуговыми выемками,
- штабелируют друг за другом роторные листы вдоль оси вращения,
- удаляют наружные кольца отдельных роторных листов, за счет чего оба конца дуговых выемок заканчиваются в наружном периметре роторных листов,
- заполняют выемки по меньшей мере части роторных листов текучим, магнитно нейтральным материалом, который затвердевает.
Указанные ниже относительно ротора преимущества и предпочтительные варианты выполнения могут быть перенесены по смыслу на способ изготовления ротора.
Данное изобретение исходит из понимания того, что за счет конструкции ротора, который имеет достаточную механическую стабильность, можно отказаться как от наружных колец роторных листов, так и от других крепежных элементов в окружной зоне роторных листов. За счет различных состояний намагничивания, наружные кольца имеют колеблющиеся состояния насыщения, которые в свою очередь неблагоприятно сказываются на рабочих характеристиках реактивного электродвигателя. Таким образом, за счет отказа от наружных колец улучшаются рабочие характеристики реактивного электродвигателя. Поскольку также не предусмотрены дополнительные крепежные элементы в окружном направлении роторных листов, то изготовление реактивного электродвигателя значительно проще, чем, например, согласно ЕР 0 621 677 А2.
При этом данное изобретение основывается на идее, что механически стабильное соединение роторных листов реализуется тем, что роторные листы соединяются друг с другом лишь в направлении оси вращения, т.е. в продольном или осевом направлении. При этом не предусмотрено соединение по периметру роторных листов, т.е. без помех для прохождения магнитного потока, а также сложной конструкции, например, за счет проходящих в радиальном направлении винтов. Другим преимуществом такого ротора является то, что все роторные листы выполнены идентично (ни один из листов не снабжается отверстиями, соответственно, прерываниями для крепежных элементов в радиальном направлении), так что ротор изготавливается особенно простым образом.
Достаточная стабильность такого ротора обеспечивается посредством сжимания вместе роторных листов, и дополнительно к этому в выемки и внутренние пространства впрыскивается затвердевающий материал, который имеет низкую магнитную проницаемость (в частности, магнитную проницаемость, равную примерно 1), не оказывает влияния на магнитный поток и одновременно после своего затвердевания удерживает вместе магнитные ламели роторных листов. При этом материал заполняет, в частности, все выемки и внутренние пространства по длине ротора в направлении оси вращения. Однако возможно также, что материал проходит лишь по части длины ротора.
r
r
При этом под «магнитными ламелями» понимаются зоны роторного листа с относительно высокой относительной магнитной проницаемостью μ>>1, в частности с μ≈1000.
r
r
«Не магнитные зоны» означают выемки, такие как вырубки в материале роторного листа, которые имеют низкую относительную магнитную проницаемость μ, в частности μ≈1, т.е. они является магнитно нейтральными. Эти зоны остаются при подходящем выборе материала (в частности, пластмассы), которым они заполняются в составленном вместе состоянии ротора, также магнитно нейтральными.
Предпочтительно характеристики ротора дополнительно улучшаются за счет того, что выемки являются сквозными на их длине между обоими заканчивающимися на периметре роторного листа концами. При этом не предусмотрены радиальные перемычки между ламелями роторного листа, т.е. выемки вдоль всей их длины между обоими заканчивающимися на периметре роторного листа концами не прерываются. Таким образом, ламели роторного листа являются свободными относительно друг друга, однако затвердевший материал между ламелями обеспечивает достаточную прочность, так что ламели не сдвигаются относительно друг друга.
Предпочтительно магнитные ламели имеют соединительные элементы, с помощью которых они находятся в соединении с геометрическим замыканием материалом. Соединительные элементы обеспечивают дополнительную стабильность ротора, так что ламели и материал надежнее соединяются друг с другом на основании геометрического замыкания.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, соединительные элементы расположены вокруг периметра магнитных ламелей, так что достигается взаимодействие между ламелями и материалом в радиальном направлении в плоскости роторных листов. При этом особенно предпочтительным является соединение типа ласточкин хвост. Таким образом, для получения соединения типа ласточкин хвост соединительные элементы предпочтительно выполнены в виде трапециевидных зубьев и/или трапециевидных вырезов на крае ламелей. При этом еще текучий материал заполняет затыловки соединительных элементов типа ласточкин хвост и вызывает сцепление материала и соединительных элементов. При этом возможны также другие геометрические формы соединительных элементов, а также другие виды соединения с геометрическим замыканием.
Согласно другим предпочтительным вариантам выполнения, соединение между отдельными роторными листами усиливается за счет выполнения соединительных элементов в виде отверстий в ламелях. Таким образом, при множестве штабелированных друг над другом роторных листах в зоне отверстий возникают каналы, которые заполнены затвердевшим материалом.
Предпочтительно дополнительно к этому предусмотрены концевые диски, которые удерживают вместе роторные листы. Концевые диски прикладывают силу осевого давления к листовому пакету за счет того, что по меньшей мере один из концевых дисков закреплен на валу, на котором расположены роторные листы, например с помощью крепежных колец или сварного соединения с валом. Таким образом, между обоими концевыми дисками возникает прессовая посадка для роторного пакета.
Ниже приводится более подробное пояснение примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 – роторный лист без наружного кольца, на виде спереди;
фиг. 2 – половина роторного листа с имеющими форму ласточкина хвоста соединительными элементами на ламелях, на виде спереди;
фиг. 3 – половина роторного листа, который имеет отверстия в ламелях, на виде спереди;
фиг. 4 – удерживание вместе ротора с помощью концевых дисков;
фиг. 5 – разрез в плоскости V-V на фиг. 4;
фиг. 6 – разрез в плоскости VI-VI на фиг. 4; и
фиг. 7 – разрез реактивного электродвигателя в осевом направлении.
Одинаковыми позициями на чертежах обозначены одинаковые элементы.
На фиг. 1 показан роторный лист 2 для изготовленного согласно изобретению, здесь не изображенного, ротора 12 реактивного электродвигателя 18. Такой реактивный электродвигатель 18, который представляет электрическую машину, содержащую ротор 12 и статор 20, схематично показан на фиг. 7. Реактивный электродвигатель имеет корпус 22, в котором установлен ротор 12 с возможностью вращения на валу 24. Отдельные роторные листы 2 насажены друг за другом на вал 24 и образуют при этом единый листовой пакет. При работе ротор 12 вращается вокруг оси D. Кроме того, внутри корпуса 22 находится статор 20.
Роторный лист 2, согласно фиг. 1, имеет несколько магнитных ламелей 4 из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из железа. Ламели отделены друг от друга не магнитными зонами, которые в показанном примере выполнения являются дуговыми выемками 6, которые выполнены, в частности, с помощью способа разделения, такого как, например, штамповка.
Роторный лист 2 отличается тем, что в собранном состоянии ротора выемки 6 открыты в направлении периметра U соответствующего роторного листа 2, так что оба конца 7 выемок 6 заканчиваются в наружном периметре. При этом нет обычного для таких роторных листов наружного кольца или наружной перемычки. Это реализовано технологически тем, что листы сначала имеют обычное наружное кольцо, и наружное кольцо удаляется в последующей стадии обработки, например посредством стачивания. Дополнительно к этому, нет радиальных перемычек между ламелями, так что выемки 6 являются проходными от одного открытого конца к другому открытому концу.
При отсутствующем наружном кольце, а также при отсутствующих радиальных перемычках, стабильное соединение достигается за счет того, что во время изготовления ротора расположенные слоями друг над другом роторные листы 2 сжимаются вместе, и/или под давлением впрыскивается текучий материал, например текучая пластмасса. Таким образом, при затвердевании пластмассы возникает жесткое тело, в котором свободные ламели отдельных роторных листов 2 не могут сдвигаться. Текучая пластмасса впрыскивается, в частности, по всей длине ротора и соединяет тем самым все роторные листы друг с другом.
Для усиления соединения между ламелями и пластмассой дополнительно выполняется геометрическое замыкание в плоскости роторного листа 2 тем, что ламели 4 на своем периметре имеют соединительные элементы, например, в виде трапециевидных зубьев 8 для выполнения соединения типа ласточкин хвост. Это показано на фиг. 2. Дополнительно к зубьям 8 выполнены трапециевидные вырезы 10 по периметру ламелей 4. В собранном состоянии ротора пластмасса заполняет затыловки зубьев 8 или вырезов 10, так что пластмасса и ламели входят в зацеплении, и за счет этого возникает соединение типа ласточкин хвост.
Другая возможность выполнения соединения с геометрическим замыканием между ламелями 4 и пластмассой показана на фиг. 3. При этом ламели 4 имеют примерно посредине отверстия 11. Таким образом, при множестве штабелированных друг над другом роторных листов 2 в зоне отверстий 11 возникают каналы в осевом направлении, которые заполняются пластмассой.
Проходящий вдоль оси D вращения ротор 12, согласно другому варианту выполнения изобретения, показан на фиг. 4. В этом варианте выполнения пластмасса образует два концевых диска 14, которые сжимают вместе роторные листы 2. Как показано в разрезе на фиг. 5, внутреннее пространство в зоне концевых дисков 14 заполнено материалом 16, в показанном примере выполнения пластмассой (заштрихованная поверхность). На фиг. 6 можно видеть, что в зоне ротора 12 снаружи концевых дисков 14 имеются полые пространства, однако и в этой зоне роторные листы 2 и тем самым отдельные ламели 4 надежно удерживаются вместе за счет силы давления концевых дисков 14. В частности, концевые диски 14 неподвижно соединены с валом 24 ротора 12 (см. фиг. 7). Можно также отказаться от заполнения выемок 6 пластмассой, когда концевые диски 14 ограничивают листовой пакет в осевом направлении и при этом неподвижно фиксируют роторные листы 2.