СТАТОР МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Область техники
Полезная модель относится к магнитоэлектрическим машинам, в которых ротор, являющийся якорем, вращается внутри статора, содержащего постоянные магниты и являющегося индуктором. Полезная модель может быть использована в коллекторных электродвигателях или генераторах.
Одновременно с этим, авторы полезной модели полагают, что основной областью использования полезной модели являются электродвигатели, предназначенные для единоразового использования в любой непрогнозируемый момент времени в течение длительного запланированного периода простоя. Такие электродвигатели могут быть применены в спасательном или военном оборудовании, например, в боевых ракетах.
Предпосылки к созданию полезной модели
Электродвигатели, относящиеся к описанной выше преимущественной области использования полезной модели, должны обеспечивать свои номинальные характеристики даже после многих лет простоя. Ввиду данного требования в таких электродвигателях для закрепления постоянных магнитов на ярме статора должны быть использованы средства, не подверженные старению, а сами постоянные магниты (далее – магниты) должны характеризоваться длительным сроком сохранения магнитных свойств.
Традиционно магниты, имеющие вид фрагмента цилиндрической стенки (сегмента), приклеивают к внутренней поверхности ярма статора в чередовании с разделительными вставками, выполненными из немагнитного материала. Однако вследствие длительного срока нахождения электродвигателя в режиме ожидания, клеевой слой может потерять клеящие свойства и растрескаться, в результате чего под действием вибрации магнит может отделиться от ярма и переместиться в радиальном направлении. Наступление этого события выводит электродвигатель из строя, что недопустимо при его использовании в составе спасательного или военного оборудования.
Патентная публикация US 4973871 A, 27.11.1990 раскрывает статор электродвигателя, в котором магниты, выполненные из композиции самарий-кобальт, прижаты своей внешней поверхностью к внутренней поверхности ярма статора. Прижимающее усилие создают клиновидные в поперечном сечении разделительные вставки, заостряющиеся в сторону ярма. Данное решение, являющееся прототипом полезной модели, обеспечивает надежное прикрепление магнитов к ярму статора, тем не менее, ему присущ и серьезный недостаток. Композиция самарий-кобальт не способна обеспечить магнитам требуемую длительность срока сохранения магнитных свойств, а значит, выход электродвигателя на номинальные характеристики при его запуске после длительного простоя не гарантирован.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в увеличении срока сохранения работоспособного состояния электродвигателя при его нахождении в режиме ожидания, при этом под работоспособным состоянием понимается состояние, в котором вероятности успешного запуска электродвигателя и выхода его на номинальные характеристики близки к таковым для нового электродвигателя.
Сущность полезной модели
Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложен статор магнитоэлектрической машины, ярмо которого содержит внутреннюю цилиндрическую поверхность, на которой закреплены постоянные магниты, выполненные из композиции неодим-железо-бор, и разделительные вставки, выполненные из немагнитного материала, причем между каждыми двумя соседними постоянными магнитами расположена разделительная вставка. Разделительные вставки прикреплены к ярму при помощи винтов, ввинчиваемых в тело разделительных вставок со стороны внешней поверхности ярма. Каждый постоянный магнит и каждая разделительная вставка имеет внешнюю окружную поверхность, обращенную к внутренней цилиндрической поверхности ярма, внутреннюю окружную поверхность, обращенную к продольной оси электрической машины, и две плоские боковые поверхности, соединяющие внешнюю и внутреннюю окружные поверхности и лежащие в плоскостях, параллельных продольной оси. Внешняя окружная поверхность каждого постоянного магнита сопрягается с к внутренней цилиндрической поверхностью ярма, а боковые поверхности каждого постоянного магнита сопрягаются с боковыми поверхностями разделительных вставок, расположенных по обе стороны от него. Плоскости боковых поверхностей каждого постоянного магнита пересекаются, а линия их пересечения по отношению к данному постоянному магниту лежит со стороны продольной оси электрической машины.
Технический результат полезной модели состоит в том, что магниты, выполненные из композиции неодим-железо-бор (далее также – неодимовые магниты), благодаря своей высокой стойкости к размагничиванию способны сохранять свои магнитные свойства в течение более длительного периода времени по сравнению с магнитами, используемыми в прототипе. В результате этого увеличивается срок нахождения электродвигателя в режиме ожидания с обеспечением требуемой надежности запуска и функционирования электродвигателя.
В частном случае полезной модели постоянные магниты образуют по меньшей мере две пары полюсов. Магнитоэлектрические машины с двумя парами полюсов и более характеризуются повышенной надежностью и плавностью работы, благодаря чему они являются более востребованными в описанной выше преимущественной области использования полезной модели. Тем не менее, предложенный статор магнитоэлектрической машины может быть выполнен с любым количеством пар полюсов.
В другом частном случае полезной модели постоянные магниты прикреплены к ярму при помощи клея, размещенного между внешними окружными поверхностями постоянных магнитов и внутренней цилиндрической поверхностью ярма. Клей позволяет обеспечить жесткое соединение постоянных магнитов и ярма в случае низких температур, когда вследствие различия коэффициентов теплового расширения между разделительными вставками и постоянными магнитами может образоваться зазор.
В еще одном частном случае полезной модели между боковыми поверхностями постоянных магнитов и соответствующими боковыми поверхностями разделительных вставок размещен клей. Данное исполнение не допускает возникновения зазоров между разделительными вставками и постоянными магнитами при низких температурах, что способствует монолитности конструкции статора.
В еще одном частном случае полезной модели линия пересечения плоскостей боковых поверхностей постоянного магнита совпадает с продольной осью электрической машины. В данном исполнении сила, действующая на магнит со стороны разделительной вставки и возникающая в результате посадки с натягом или температурного расширения магнитов и разделительных вставок, имеет окружное направление, в котором предельное напряжение магнита является максимальным. Вероятность разрушения магнита под действием указанной силы в этом случае минимизируется.
В еще одном частном случае полезной модели боковые поверхности каждой разделительной вставки расположены параллельно друг другу. В данном исполнении упомянутая сила, действующая на магнит со стороны разделительной вставки, имеет направление, близкое к окружному, что снижает вероятность разрушения магнита. Одновременно с этим обеспечивается возможность монтажа разделительных вставок после установки всех магнитов, что повышает технологичность и точность сборки статора.
В еще одном частном случае полезной модели между внешней окружной поверхностью разделительной вставки и внутренней цилиндрической поверхностью ярма расположена прокладка из фольги, выполненной из немагнитного металла. За счет демпфирующих свойств прокладки данное исполнение позволяет контролировать силу, действующую на магнит со стороны разделительной вставки, сохраняя жесткость конструкции.
Краткое описание чертежей
Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
фиг. 1 - статор электродвигателя, выполненный согласно полезной модели, в предпочтительном варианте исполнения, поперечный разрез;
фиг. 2 - статор электродвигателя, выполненный согласно полезной модели, в предпочтительном варианте исполнения, продольный разрез (разрез А-А с фиг. 1);
фиг. 3 - статор электродвигателя, выполненный согласно полезной модели, в возможном варианте исполнения, поперечный разрез;
фиг. 4 - статор электродвигателя в сравнительном примере, поперечный разрез.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов статора электродвигателя, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов статора и их причинно-следственную связь с заявленным техническим результатом.
Осуществление полезной модели
Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах реализации полезной модели, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав. Хотя статор магнитоэлектрической машины, выполненный согласно полезной модели, может без изменения конструкции быть как статором электродвигателя, так и статором генератора, в дальнейшем изложении он будет описан как статор электродвигателя.
Статор 1 электродвигателя (фиг. 1), выполненный согласно полезной модели и выступающий в качестве индуктора, содержит ярмо 10, а также магниты 20 и разделительные вставки 30, которые размещены в отверстии ярма 10. Указанное отверстие образовано внутренней цилиндрической поверхностью 11, продольная ось О которой совпадает с продольной осью электродвигателя.
Ярмо 10 выполнено из электротехнической стали путем шихтовки, т.е. в виде пакета предварительно изготовленных и наложенных друг на друга листовых элементов. Магниты 20 представляют собой постоянные магниты, выполненные из композиции неодим-железо-бор. Разделительные вставки 30 выполнены из немагнитного материала и могут быть неметаллическими. Магниты 20 образуют две пары полюсов, что повышает надежность электродвигателя, при этом полюса, соседние друг с другом, имеют разную полярность N и S, а между каждыми двумя соседними магнитами 20 расположена разделительная вставка 30.
Композиция неодим-железо-бор характеризуется чрезвычайно высокой стойкостью к размагничиванию, например, по данным ресурса https://ru.wikipedia.org/wiki/Неодимовый_магнит неодимовые магниты теряют 0,1-2% своей намагниченности за 10 лет. Таким образом, выполненные из композиции неодим-железо-бор магниты 20 способны воспроизводить до 90% своей изначальной магнитной индукции и после 40 лет хранения, что в полной мере отвечает решению технической проблемы, поставленной перед полезной моделью. Тем не менее, неодимовые магниты являются весьма хрупкими изделиями, что предъявляет особые требования к технологии закрепления магнитов 20 на ярме 10, которая будет раскрыта ниже.
Каждый из магнитов 20 и разделительных вставок 30 выполнен в виде фрагмента цилиндрической стенки, разрезанной на фрагменты в продольном направлении, и на поперечном сечении имеет форму сектора кольца. Магниты 20 и разделительные вставки 30 имеют внешние окружные поверхности 21 и 31 соответственно, каждая из которых находится в контакте с внутренней цилиндрической поверхностью 11 и является сопрягающейся с ней.
Отметим, что понятие «сопрягающиеся поверхности» в контексте настоящей заявки относится к поверхностям с одинаковыми параметрами, что обеспечивает их контакт на большой площади. В случае, если сопрягающиеся поверхности имеют цилиндрическую форму, то одна из них является охватывающей, а другая - охватываемой.
Магниты 20 и разделительные вставки 30 имеют также внутренние окружные поверхности 22 и 32 соответственно, которые обращены к продольной оси О электрической машины и все вместе образуют отверстие статора 1, которое предназначено для размещения ротора электродвигателя.
Далее, каждый магнит 20 имеет две плоские боковые поверхности 23 и 24, соединяющие внешнюю и внутреннюю окружные поверхности 21 и 22 и лежащие в плоскостях, параллельных продольной оси О. Каждая разделительная вставка 30 имеет две плоские боковые поверхности 33 и 34, соединяющие внешнюю и внутреннюю окружные поверхности 31 и 32 и лежащие в плоскостях, параллельных продольной оси О. Боковые поверхности 23 и 24 каждого магнита 20 сопрягаются с соответствующими боковыми поверхностями 33 и 34 разделительных вставок 30, расположенных по обе стороны от него.
На фиг. 3 один из магнитов 20 статора 1 обозначен позицией 200, а соседние с ним разделительные вставки 30 обозначены позициями 310 и 320. Как видно на фиг. 3, плоскости, в которых лежат боковые поверхности 203 и 204 магнита 200 пересекаются, а линия их пересечения по отношению к данному магниту 200 лежит со стороны продольной оси О. Поскольку боковые поверхности 313 и 324 разделительных вставок 310 и 320 являются сопрягающимися с боковыми поверхностями 203 и 204, то плоскости, в которых лежат указанные боковые поверхности 313 и 324 также пересекаются со стороны продольной оси О. Это означает, что разделительные вставки 310 и 320 препятствуют выходу внешней окружной поверхности 201 магнита 200 из контакта с внутренней цилиндрической поверхностью 11 ярма 10, или другими словами, надежно фиксируют магнит 200 на ярме 10.
В отношении конфигурации разделительных вставок 30 следует отметить, что при том условии, что боковые поверхности 23 и 24 каждого магнита 20 пересекаются по линии пересечения, лежащей по отношению к данному магниту 20 со стороны продольной оси О, в объем полезной модели входят:
(а) исполнение статора 1, в котором плоскости боковых поверхностей 33 и 34 каждой разделительной вставки 30 пересекаются по линии пересечения, лежащей по отношению к данной разделительной вставке 30 со стороны продольной оси О, как это показано на фиг. 1;
(б) исполнение статора 1, в котором плоскости боковых поверхностей 33 и 34 каждой разделительной вставки 30 параллельны друг другу, как это показано на фиг. 3;
(в) исполнение статора 1, в котором плоскости боковых поверхностей 33 и 34 каждой разделительной вставки 30 пересекаются по линии пересечения, лежащей по отношению к данной разделительной вставке 30 со стороны ярма 10, как это раскрыто в прототипе полезной модели.
Во всех указанных исполнениях статора 1 разделительные вставки 30 препятствуют выходу магнита 20 из контакта с внутренней цилиндрической поверхностью 11 ярма 10.
Тем не менее, предпочтительным является исполнение, в котором линия пересечения плоскостей боковых поверхностей 23 и 24 каждого магнита 20 совпадает с продольной осью О (фиг. 1), что в определенном приближении справедливо также и для линии пересечения плоскостей боковых поверхностей 33 и 34 каждой разделительной вставки 30. В данном исполнении сила, действующая на магнит 20 со стороны разделительной вставки 30, и возникающая в результате посадки с натягом или температурного расширения магнитов 20 и разделительных вставок 30, имеет строго окружное направление, в котором предельное напряжение магнита 20 является максимальным. Соответственно, вероятность разрушения магнита 20 под действием указанной силы в этом случае минимизируется.
В другом предпочтительном исполнении плоскости боковых поверхностей 33 и 34 каждой разделительной вставки 30 параллельны друг другу. Данное исполнение обеспечивает возможность монтажа разделительных вставок 30 после установки всех магнитов, что повышает технологичность и точность сборки статора 1. Одновременно с этим упомянутая сила, действующая на магнит 20 со стороны разделительной вставки 30, имеет направление, близкое к окружному, что по указанным выше причинам снижает вероятность разрушения магнита 20.
С другой стороны, если боковые поверхности 23 и 24 каждого магнита 20 не пересекаются, как это показано на иллюстрирующей сравнительный пример фиг. 4, или пересекаются по линии пересечения, лежащей по отношению к данному магниту 20 со стороны ярма 10, то в случае растрескивания клея, связывающего внешнюю окружную поверхность 21 и внутреннюю цилиндрическую поверхность 11, магнит 20 может свободно переместиться по направлению продольной оси О, выводя электродвигатель из строя. Статор 2, выполненный согласно данному сравнительному примеру, не может гарантировать надежность функционирования электродвигателя после длительного срока нахождения в режиме ожидания и не входит в объем полезной модели.
Далее, разделительные вставки 30 прикреплены к ярму 10 при помощи винтов 40, ввинчиваемых в тело разделительных вставок со стороны внешней поверхности ярма 10 (фиг. 2). В этих целях в теле разделительных вставок 30 выполнены отверстия 35 с внутренней резьбой. Использование винтов 40 для прикрепления разделительных вставок 30 к ярму 10 позволяет через регулировку момента затяжки не допустить чрезмерного давления на магниты 20 со стороны разделительных вставок 30, что является важным ввиду хрупкости композиции неодим-железо-бор.
Одновременно с этим между внешней окружной поверхностью 31 разделительных вставок 30 и внутренней цилиндрической поверхностью 11 может быть расположена прокладка (не показана), выполненная из фольги немагнитного металла, например алюминия или меди, и деформируемая при прижатии разделительных вставок 30 к ярму 10. За счет своих демпфирующих свойств такая прокладки позволяет контролировать силу, действующую на магнит 20 со стороны разделительной вставки 30, или другими словами, регулировать усилие затяжки винтов 40, сохраняя жесткость конструкции статора 1.
В этом исполнении разделительные вставки 30 выполняются с меньшим радиальным размером относительно магнитов 20, чтобы при размещении прокладок разделительные вставки 30 не выходили в радиальном направлении за пределы магнитов 20. Таким образом, поверхность отверстия статора 1, которая образована внутренними окружными поверхностями 22 и 32, может оставаться бесступенчатой даже при использовании указанных прокладок.
Магниты 20 прикреплены к ярму 10 при помощи клея, размещенного между внешними окружными поверхностями 21 магнитов 20 и внутренней цилиндрической поверхностью 11 ярма 10. Клей позволяет обеспечить жесткое соединение магнитов 20 и ярма 10 в случае низких температур, когда вследствие различия коэффициентов теплового расширения между разделительными вставками 30 и магнитами 20 может образоваться зазор. Предпочтительно использование компаундного клея, сохраняющего свои свойства в широком диапазоне температур.
В дополнение к этому или в отдельном случае клеевой слой может быть размещен между боковыми поверхностями 23, 24 магнитов 20 и соответствующими боковыми поверхностями 33, 34 разделительных вставок 30. Данное исполнение статора 1 не допускает возникновения упомянутого зазора и обеспечивает монолитность конструкции при низких температурах.