РОТОР В СБОРЕ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ROTOR ASSEMBLY AND METHOD OF MANUFACTURING

Область техники
Настоящее изобретение относится, в общем, к роторам.
Уровень техники
Магнитные роторы являются неотъемлемой частью машин самого разного типа. Магнитные роторы широко используются в самых разных сферах. Однако механические напряжения, возникающие в роторах вследствие действия центробежных сил, могут ограничивать частоту вращения и удельную мощность электродвигателей, генераторов и прочего машинного оборудования, в котором используются роторы.
Сущность изобретения
В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения указанные и прочие проблемы могут быть эффективно устранены за счет предложенных роторов в сборе. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения ротор содержит следующие элементы: цилиндрический сердечник ротора, характеризующийся наличием проходящей между его боковыми концами стенки и, по меньшей мере, двух перемычек сжатия, каждая из которых сформирована в стенке вблизи одного из боковых концов, и которые отстоят друг друга на расстояние; набор из множества магнитов, расположенных на стенке и разнесенных по ее длине между перемычками сжатия и по окружности цилиндрического сердечника ротора; и одну или более обмотку предварительного напряжения, намотанную вокруг множества магнитов и цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора между перемычками сжатия; при этом перемычки сжатия обеспечивают возможность радиальной деформации сжатия, обусловленной радиальным сжатием цилиндрического сердечника ротора одной или более обмоткой предварительного напряжения, стенки цилиндрического сердечника ротора у перемычек сжатия относительно стенки цилиндрического сердечника ротора вблизи его боковых концов.
Кроме того, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения предлагают способ формирования ротора в сборе, включающий в себя следующие стадии: соединения цилиндрического сердечника ротора с двух его боковых концов с одним из двух хвостовиков, каждый из которых взаимодействует с цилиндрическим сердечником ротора и соединен с ним с боковых концов, причем цилиндрический сердечник ротора характеризуется наличием проходящей между его боковыми концами стенки и, по меньшей мере, двух перемычек сжатия, каждая из которых сформирована в стенке вблизи одного из боковых концов и отстоит от другой на расстояние; установку набора из множества магнитов на стенке цилиндрического сердечника ротора с их разнесением по ее длине и окружности между двумя перемычками сжатия, расположенными вблизи боковых концов цилиндрического сердечника ротора; наматывание одной или более обмотки предварительного напряжения вокруг множества магнитов и цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора между перемычками сжатия с давлением, вызывающим радиальную деформацию сжатия стенки цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора; и обеспечение через перемычки сжатия возможности радиальной деформации сжатия, обусловленной одной или более обмоткой предварительного напряжения, стенки цилиндрического сердечника ротора у перемычек сжатия относительно стенки цилиндрического сердечника ротора вблизи его боковых концов.
Краткое описание чертежей
Указанные и иные аспекты, признаки и преимущества некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения станут понятнее после ознакомления с его последующим подробным описанием, представленным в привязке к перечисленным ниже чертежам.
На фиг. 1 показан упрощенный вид в поперечном разрезе одного из примеров осуществления ротора в сборе, который снабжен цилиндрическим сердечником, взаимодействующим с хвостовиками, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 показан упрощенный вид в поперечном разрезе цилиндрического сердечника ротора, взаимодействующего с хвостовиками, дополнительно иллюстрирующий множество магнитов, установленных на цилиндрическом сердечнике ротора и разнесенных по его длине, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 представлен увеличенный вид в поперечном разрезе части цилиндрического сердечника ротора, показанного на фиг. 1, вблизи одного из боковых концов согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 представлен увеличенный вид в поперечном разрезе части ротора в сборе, показанного на фиг. 2, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5 представлено перспективное изображение в поперечном разрезе одного из примеров осуществления ротора в сборе согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 6 показан перспективный вид с торца одного из примеров реализации ротора в сборе согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 7 представлена упрощенная блок-схема процесса формирования и/или сборки ротора в сборе согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
Одни и те же номера позиций обозначают одни и те же элементы на всех видах чертежей. Специалистам в данной области техники понятно, что элементы, изображенные на фигурах, представлены лишь для наглядности и упрощения, и что они не обязательно вычерчены в масштабе. Например, размеры одних элементов на фигурах могут быть увеличены относительно размеров других элементов, чтобы можно было лучше понять суть различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Кроме того, стандартные и широко распространенные элементы, которые могут быть полезными или необходимыми в целесообразных с коммерческой точки зрения вариантах осуществления настоящего изобретения, часто не показаны, чтобы не препятствовать обзору упрощенного вида различных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Последующее описание не носит ограничительного характера, а представлено исключительно для раскрытия общих принципов, на которых основываются примеры осуществления настоящего изобретения. Объем заявленного изобретения должен определяться его формулой.
Упоминание по всему тексту заявки таких формулировок, как «один вариант осуществления настоящего изобретения», «один из вариантов осуществления настоящего изобретения», «некоторые варианты осуществления настоящего изобретения», «некоторые варианты реализации настоящего изобретения», или иных подобных формулировок означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, раскрытая в привязке к этому варианту осуществления, включена, по меньшей мере, в один из вариантов осуществления настоящего изобретения. Таким образом, использование фраз «в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения», «в каком-либо варианте осуществления настоящего изобретения», «в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения» и иных подобных формулировок в представленной заявке может относиться, но не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления настоящего изобретения.
Более того, раскрытые признаки, конструкции или характеристики изобретения могут быть объединены любым подходящим для этого способом в одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения. В последующем описании раскрыты многочисленные конкретные детали, таки как примеры программирования, модули программного обеспечения, варианты выбора пользователя, сетевые транзакции, запросы к базам данных, структуры баз данных, аппаратные блоки, аппаратные схемы, микросхемы аппаратных средств и прочие данные, обеспечивающие глубокое понимание сути вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако специалисту в соответствующей области техники очевидно, что представленное изобретение может быть реализовано на практике без одного или более конкретного элемента или с использованием иных способов, компонентов, материалов и т.п. В других случаях некоторые хорошо известные конструкции, материалы или операции подробно не описаны или не показаны на чертежах, чтобы не загораживать аспекты настоящего изобретения.
Многие электрогенераторы, электродвигатели и иные машины промышленного назначения такого типа содержат один или более поворотный ротор, который приводится во вращение или механическими средствами (например, водой, паром и т.п.), или электромагнитными средствами. Зачастую механические напряжения, возникающие в роторах вследствие действия центробежных сил, могут ограничивать частоту вращения и удельную мощность электродвигателей, генераторов и прочего машинного оборудования подобного рода. В силу этого в некоторых вариантах реализации заявленного изобретения используется предварительное напряжение ротора волокнами при его изготовлении и/или сборке. Предварительное напряжение волокнами частично включает в себя обматывание магнитов, распределенных по окружности и, по меньшей мере, вдоль части длины ротора, одной или более обмоткой из высокопрочных волокон, лент, полосок или иных подобных средств, с относительно большой силой натяжения для приложения усилия сжатия, направленного радиально внутрь, по меньшей мере, к магнитам, установленным на роторе.
Предварительное напряжение волокнами при изготовлении и/или сборке ротора позволяет повысить частоту вращения и удельную мощность устройства, но в некоторых случаях это может вызвать проблемы, например, связанные с подсоединением вала или иной опорной конструкции, обеспечивающей возможность вращения ротора, а также с уменьшением изгибной жесткости ротора, снижением устойчивости высокоскоростного ротора и ухудшением охлаждения ротора, или же иные проблемы подобного рода, а часто сочетание двух и более таких проблем. Например, радиальное сжатие может привести к упругой деформации сердечника ротора, направленной радиально наружу, вблизи его боковых концов, что может негативно повлиять на взаимодействие сердечника ротора с хвостовиками на его боковых концах. Однако в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения обеспечена возможность предварительного напряжения ротора волокнами с одновременным уменьшением негативного влияния означенных факторов, что облегчает получение конструкции ротора с увеличенной частотой вращения и удельной мощностью. Отчасти некоторые варианты осуществления настоящего изобретения уменьшают деформацию сердечника ротора на его боковых концах, улучшая взаимодействие с хвостовиками или иными концевыми частями такого рода, которые поддерживают вращение ротора.
На фиг. 1 показан упрощенный вид в поперечном разрезе одного из примеров осуществления ротора 100 в сборе, который снабжен цилиндрическим сердечником 102, взаимодействующим с хвостовиками 103, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. Цилиндрический сердечник 102 ротора характеризуется наличием стенки 104, проходящей между боковыми концами 106, с хвостовиками, соединенными с цилиндрическим сердечником ротора на его боковых концах. Цилиндрический сердечник ротора дополнительно содержит область 110 размещения магнитов, проходящую вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора, обычно вдоль большей части длины цилиндрического сердечника ротора. Цилиндрический сердечник ротора дополнительно содержит одну или более перемычку 112 сжатия, каждая из которых сформована в стенке вблизи одного из боковых концов, и которые отстоят другого от друга на расстояние, обычно равное, по меньшей мере, длине области размещения магнитов.
На фиг. 2 показан упрощенный вид в поперечном разрезе цилиндрического сердечника 102 ротора, взаимодействующего с хвостовиками 103, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. Этот вид в поперечном разрезе дополнительно иллюстрирует множество магнитов 202, установленных на стенке 104 области 110 размещения магнитов и разнесенных по ее длине, обычно между перемычками 112 сжатия, и по окружности цилиндрического сердечника ротора. В некоторых случаях область 110 размещения магнитов может характеризоваться меньшим диаметром 114 или шириной в сравнении с боковыми концами 106 цилиндрического сердечника ротора. Уменьшенный диаметр позволяет магнитам взаимодействовать с цилиндрическим сердечником ротора, ограничивая при этом диаметр самого ротора после окончательной сборки. Как было указано выше, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения магниты 202 также обматываются одной или более обмоткой 204 предварительного напряжения, которая обертывается вокруг множества магнитов и цилиндрического сердечника ротора.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения обмотки предварительного напряжения обмотаны вокруг магнитов, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора, и обычно вокруг всех магнитов набора. Кроме того, одна или более обмотка может быть выполнена в виде волокон, ленты, полосок или иных подобных элементов или комбинации двух и более таких элементов. Например, в некоторых вариантах реализации заявленного изобретения одна или более обмотка может быть выполнена из сверхпрочных волокон, многократно намотанных по окружности цилиндрического сердечника ротора и набора магнитов, установленных на цилиндрическом сердечнике ротора, с большой силой натяжения для приложения большого усилия сжатия к магнитам и цилиндрическому сердечнику ротора, по меньшей мере, вдоль той части длины цилиндрического сердечника ротора, где установлены магниты. Как было указано выше, одна или более обмотка 204 наматывается с достаточным усилием, чтобы вызвать направленное радиально внутрь предварительное напряжение сжатия стенки 104 цилиндрического сердечника ротора, приводящее к уменьшению диаметра 114 цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора. Обмотки отчасти способствуют фиксации магнитов на цилиндрическом сердечнике ротора и прикладывают окружное напряжение сжатия при нулевой частоте вращения (0 об/мин). Сила сжатия дополнительно обеспечивает низкое окружное напряжение на больших оборотах. Кроме того, цилиндрический сердечник ротора в предварительно-напряженном состоянии может продлить срок службы по условию усталости как ротора в сборе, так и генератора, электродвигателя или иного устройства, в котором установлен этот ротор в сборе. Волоконные обмотки 204 предварительного напряжения могут быть выполнены по существу из любого подходящего материала, способного наматываться или фиксироваться в заданном положении с требуемым усилием для достижения необходимой силы сжатия магнитов 202 и цилиндрического сердечника ротора, например, помимо прочего, из материала Kevlar, углеродного волокна, стекловолокна или иного материала подобного рода, или представлять собой сочетание двух или более таких обмоток.
На фиг. 3 представлен увеличенный вид в поперечном разрезе части цилиндрического сердечника 102 ротора вблизи одного из боковых концов 106 (например, вблизи правого конца, показанного на фиг. 1) согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг. 4 представлен увеличенный вид в поперечном разрезе части ротора 100 в сборе, показанного на фиг. 2, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1-4, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения цилиндрический сердечник 102 ротора содержит две или более перемычки 112 сжатия; причем, по меньшей мере, одна перемычка сжатия расположена вблизи одного из боковых концов. Перемычки 112 сжатия представляют собой радиально изгибаемые конструктивные элементы, сформованные вблизи продольных концов предварительно напряженного участка цилиндрического сердечника ротора. Кроме того, перемычки сжатия выполнены с возможностью изгибания или упругой деформации по факту радиальной деформации сжатия части цилиндрического сердечника ротора, предварительно напряженной волокнами, предотвращая при этом вращательное и осевое рассогласование между боковыми концами и сохраняя изгибную жесткость ротора в сборе для его использования по назначению, в том числе с заданной частотой вращения.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения перемычки 112 сжатия сформованы в стенке 104 – по меньшей мере, частично – за счет уменьшения толщины 302 стенки, по меньшей мере, на участке перемычки сжатия относительно толщины 304 примыкающего участка стенки вдоль области 110 размещения магнитов 110 и между перемычками 112 сжатия. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения толщина 302 стенки, по меньшей мере, на участке перемычек сжатия меньше толщины 306 стенки на боковых концах 106. Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя один или более разделяющий выступ 314, который отходит радиально наружу от удлинительной перемычки и в сторону от центральной оси вращения цилиндрического сердечника ротора вблизи одной или обеих боковых границ перемычки сжатия. Таким образом, по меньшей мере, в некоторых вариантах реализации заявленного изобретения стенка 104 содержит, по меньшей мере, перемычки сжатия, заданные утонченными участками стенки и/или двумя каналами, проходящими по окружности цилиндрического сердечника ротора.
Эта уменьшенная толщины 302 перемычек сжатия обеспечивает их повышенную гибкость по длине. Как функция радиальной деформации сжатия, обусловленной перемычками сжатия, гибкость перемычек сжатия ограничивает радиальное расширение стенки вблизи боковых концов в сторону от центральной оси цилиндрического сердечника ротора, которое в противном случае имело бы место вследствие радиальной деформации сжатия цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора, обусловленной одной или более обмоткой 204 предварительного напряжения. Подобным же образом в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что при вращении ротора в сборе перемычки сжатия, по меньшей мере, в некоторых вариантах своей реализации обеспечивают радиальное расширение цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль области размещения магнитов вследствие приложения центробежной силы, сохраняя при этом вращательную и осевую центровку, вращательную жесткость и роторную динамику цилиндрического сердечника ротора и всего ротора в сборе.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, как было указано выше, диаметр цилиндрического сердечника ротора уменьшен, по меньшей мере, вдоль одного из участков области 110 размещения магнитов. В этой связи стенка, примыкающая к перемычкам сжатия, сходит на конус в направлении центральной оси центрального сердечника ротора. Для изменения своего диаметра стенка может сходить на конус по существу под любым углом. В некоторых вариантах реализации толщина 304 стенки в области размещения магнитов увеличена таким образом, что она превышает толщину перемычек сжатия. Кроме того, в некоторых случаях на наружной поверхности стенки могут быть предусмотрены окружные заплечики 118 на дистальных концах области 110 размещения магнитов, которые в некоторых случаях задают границы области размещения магнитов. Толщина 304 станки в области размещения магнитов такова, что она обеспечивает возможность сжатия, направленного радиально внутрь, вследствие воздействия одной или более волоконной обмотки 204 предварительного напряжения, обматываемой вокруг магнитов, по-прежнему сохраняя конструктивную целостность цилиндрического сердечника ротора, выдерживающего заданные обороты и воздействие прикладываемых центробежных сил. Значения толщины могут зависеть от предполагаемого варианта практической реализации ротора в сборе, в том числе, помимо прочего, от одного или нескольких факторов, таких как предполагаемая частота вращения; масса цилиндрического сердечника ротора; масса магнитов; тип и количество волоконных обмоток; сила сжатия, прикладываемая волоконной обмоткой; материал, из которого изготовлен цилиндрический сердечник ротора; а также от других факторов подобного рода, а обычно от сочетания двух или более таких факторов. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения цилиндрический сердечник ротора выполнен из однородного материала, такого как металл или металлический сплав. Например, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения цилиндрический сердечник ротора выполнен из термообработанной стали или иного материала подобного рода, рассчитанного на противостояние вращательным усилиям, обеспечивая при этом возможность изгибания за счет действия перемычек сжатия, сформованных в стенке цилиндрического сердечника ротора. Обычно цилиндрический сердечник ротора также выполняется из ферромагнитного материала.
Как также показано на фиг. 1-4, хвостовики 103 взаимодействуют с цилиндрическим сердечником 102 ротора на боковых концах 106. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения для соединения хвостовиков с цилиндрическим сердечником ротора используется множество болтов 120, штифтов или иных крепежных деталей подобного рода. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения болты ввинчиваются через окружной фланец каждого хвостовика, закрепляясь на резьбе в утолщенном участке стенки на боковых концах 106 цилиндрического сердечника ротора, обеспечивая жесткое соединение хвостовиков с цилиндрическим сердечником ротора. В некоторых случаях хвостовики могут дополнительно содержать выступающие заплечики 210, которые упираются торцами в соответствующие внутренние кромки 310 боковых концов 106 цилиндрического сердечника ротора и обеспечивают неподвижную посадку. Выступающие заплечики 210 могут быть выполнены с возможностью обеспечения содействия при совмещении хвостовиков с цилиндрическим сердечником ротора, а в некоторых вариантах реализации заявленного изобретения – при удержании заданного положения боковых концов относительно хвостовиков. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения хвостовики заходят – по меньшей мере, частично – в центральную полость 124 цилиндрического сердечника ротора.
Как было указано выше, изгибание перемычек 112 сжатия существенно уменьшает, а в некоторых случаях предотвращает радиальное расширение цилиндрического сердечника ротора на боковых концах 106, которое может иметь место в результате радиальной упругой деформации, обусловленной волоконной обмоткой 204 предварительного напряжения. Кроме того, перемычки 112 сжатия ограничивают и/или изолируют упругую деформацию предварительно напряженного цилиндрического сердечника, направленную радиально внутрь от хвостовиков 103. В этой связи хвостовики и/или болты 120 не обязаны ограничивать такую радиальную упругую деформацию, а/или усилие, прикладываемое при любой такой радиальной упругой деформации, существенное уменьшено. Это дополнительно поддерживает на высоком уровне критическую изгибную частоту вращения цилиндрического сердечника ротора. Кроме того, перемычки сжатия дополнительно обеспечивают высокую изгибную жесткость, повышая устойчивость вала.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрена одна или более боковая ограничивающая волоконная обмотка 212, лента, захват или иное средство подобного рода, которое дополнительно наматывается по окружности цилиндрического сердечника 102 ротора вблизи его боковых концов или иным образом закрепляется на нем. Хвостовики 103 соединяются или скрепляются с цилиндрическим сердечником ротора до намотки ограничивающих обмоток 212 на цилиндрический сердечник ротора. Использование дополнительной составной ограничивающей обмотки 212 при прикреплении хвостовиков к цилиндрическому сердечнику ротора способствует удержанию на месте боковых концов цилиндрического сердечника ротора при его вращении на высоких штатных оборотах. Ограничивающие обмотки могут дополнительно препятствовать направленной радиально наружу упругой деформации боковых концов цилиндрического сердечника ротора, не предотвращаемой перемычкой 112 сжатия. Кроме того, ограничивающие обмотки могут дополнительно способствовать удержанию концов цилиндрического сердечника ротора в требуемом положении относительно хвостовиков (например, удержанию выступающего заплечика 210 хвостовиков в положении опирания на внутренние кромки 310 боковых концов 106). Кроме того, ограничивающие обмотки 212 могут дополнительно способствовать восприятию болтами 120 в первую очередь нагрузок от крутящего момента, ограничивая или предотвращая при этом радиальные нагрузки.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения цилиндрический сердечник 102 ротора содержит одну или более канавку или паз 126 под ограничивающую обмотку, который проходит по окружности цилиндрического сердечника ротора вблизи каждого из его боковых концов и выполнен с возможностью приема и размещения ограничивающей обмотки, наматываемой на цилиндрический сердечник ротора. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения пазы под ограничивающую обмотку выполнены между соответствующим одним из боковых концов и одной из перемычек сжатия. Может быть предусмотрен один или несколько выступов 312, которые разделены шириной паза 126 под ограничивающую обмотку и отходят радиально в сторону от центральной оси вращения цилиндрического сердечника ротора. Выступы 312 могут быть выполнены заодно со стенкой, или же они могут быть соединены со стенкой (например, с помощью кольцеобразного зажима или иного крепежа подобного рода). Глубина и/или ширина пазов под ограничивающую обмотку может зависеть от типа и размера обмотки, используемой в качестве ограничивающей обмотки 212, от объема наматываемой обмотки и иных подобных факторов. Аналогичным образом ширина паза под ограничивающую обмотку обычно зависит от ширины перемычки сжатия и местоположения перемычки сжатия относительно боковых концов.
Пазы 126 под ограничивающую обмотку помогают установить ограничивающие обмотки в требуемое положение и удерживать их в этом положении относительно цилиндрического сердечника ротора после намотки. Подобно волоконным обмоткам 204 ограничивающие обмотки 212 могут быть изготовлены по существу из любого подходящего для использования материала, способного наматываться или фиксироваться в заданном положении с требуемым усилием для достижения необходимой силы сжатия цилиндрического сердечника ротора вблизи его боковых концов 106 (например, из материала Kevlar, углеродного волокна, стекловолокна или иного материала подобного рода).
Как также показано на фиг. 1-4, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения ротор 100 в сборе выполнен с дополнительной возможностью обеспечения внутреннего охлаждения всего узла. Во многих вариантах своей практической реализации ротор в сборе может нагреваться в процессе эксплуатации. Зачастую составная обмотка 204 предварительного напряжения ограничивает теплопроводность по наружному диаметру цилиндрического сердечника ротора. В этой связи обеспечивается преимущество, состоящее в том, что ротор в сборе может охлаждаться для достижения требуемых рабочих оборотов без угрозы повреждения ротора в сборе. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения внутреннее охлаждение обеспечивается потоком воздуха или иного охлаждающего газа, проходящего через цилиндрический сердечник 102 ротора.
На фиг. 5 представлено перспективное изображение в поперечном разрезе одного из примеров осуществления ротора 100 в сборе согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг. 6 показан перспективный вид с торца одного из примеров реализации ротора 100 в сборе согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных на фиг. 1-6, цилиндрический сердечник ротора содержит полость 124, проходящую по длине цилиндрического сердечника ротора, и/или этот цилиндрический сердечник ротора выполнен полым. Полость 124 сообщается с одним или более впускным охлаждающим каналом 130, протоком, отверстием, воздуховодом или иным проходом подобного рода, который выполнен в одном из двух хвостовиков 103. Например, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения неприводной хвостовик (NDE) (показанный на фиг. 1-2 и 5-6 с правой стороны) может характеризоваться наличием впускного охлаждающего канала 130, который сообщается с полостью 124 цилиндрического сердечника ротора, обеспечивая поступление потока воздуха в указанную полость через указанный впускной охлаждающий канал. Кроме того, как можно видеть, в этом примере впускной охлаждающий канал совмещен с центральной осью вращения цилиндрического сердечника ротора. Другие варианты практической реализации заявленного изобретения могут характеризоваться наличием одного или более впускного охлаждающего канала, расположенного со смещением относительно оси вращения.
Другой хвостовик 103 (например, приводной конец (DE), показанный на фиг. 1-2 и 5-6 с левой стороны) может быть выполнен с возможностью включения одного или более выпускного охлаждающего канала 132, протока, отверстия, воздуховода или иного прохода подобного рода, проходящего сквозь толщину хвостовика; причем внутренний конец каждого из охлаждающих отверстий сопрягается с полостью 124 цилиндрического сердечника ротора. Воздух или иной охлаждающий газ проходит через указанную полость и выходит через один или более выпускной охлаждающий канал 132. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения выпускные охлаждающие каналы проходят под углом к центральной оси вращения цилиндрического сердечника ротора. Например, в некоторых случаях выпускные охлаждающие каналы сходят на конус так, что внутренние отверстия выпускных охлаждающих каналов располагаются ближе к центральной оси, а наружные отверстия охлаждающих каналов располагаются дальше от центральной оси. Указанный угол может варьироваться, и в некоторых случаях он может зависеть от предполагаемой рабочей частоты вращения. Кроме того, в некоторых случаях выпускные охлаждающие каналы могут быть изогнуты и/или наклонены под определенным углом к предполагаемому направлению перемещения воздушного потока для его дополнительного усиления.
Воздушный поток, обозначенный стрелкой на фиг. 5, где проиллюстрирован этот пример осуществления заявленного изобретения, проходит от впускного охлаждающего канала 130 по длине полости 124 цилиндрического сердечника ротора и выходит наружу через выпускные охлаждающие каналы 132. За счет взаимодействия между впускным охлаждающим каналом, конфигурацией выпускных охлаждающих каналов и вращательной и центробежной силой вращения ротора в сборе воздушный поток вовлекается во впускной охлаждающий канал, проходит по длине указанной полости и отводится через выпускные охлаждающие каналы. При практической реализации заявленного изобретения вращение цилиндрического сердечника ротора обеспечивает забор воздуха через впускной охлаждающий канал второго хвостовика, который затем перемещается по длине указанной полости и выводится наружу через множество выпускных охлаждающих каналов, уменьшая внутреннюю температуру, по меньшей мере, цилиндрического сердечника ротора.
Соответственно, охлаждение осуществляется во взаимодействии с обмоткой предварительного напряжения для уменьшения количества тепла, которое может передаваться через обмотки предварительного напряжения, и/или для уменьшения теплопроводности, которая может быть ограничена, по меньшей мере, обмотками предварительного напряжения. Кроме того, вращение цилиндрического сердечника ротора во взаимодействии с каналами прохождения охладителя или охлаждающего потока воздуха через полость цилиндрического сердечника ротора и выпускными охлаждающими каналами создает перепады давления, что заставляет воздушный поток проходить через цилиндрический сердечник ротора. В этой связи охлаждающий поток воздуха образуется сам по себе без дополнительной установки в системе вентилятора или воздуходувки.
На фиг. 7 представлена упрощенная блок-схема процесса 700 формирования и/или сборки ротора 100 в сборе согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. На стадии 702 цилиндрический сердечник 102 ротора соединяется каждым своим боковым концом 106 с одним из двух хвостовиков 103, причем каждый из двух хвостовиков 103 соединяется и скрепляется с цилиндрическим сердечником ротора на его боковых концах. Цилиндрический сердечник ротора характеризуется наличием стенки 104, проходящей между его боковыми концами; и, по меньшей мере, двух перемычек 112 сжатия, каждая из которых сформована в стенке вблизи одного из боковых концов и отстоит от другой перемычки на расстояние. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения цилиндрический сердечник ротора дополнительно включает в себя область 110 размещения магнитов, которая располагается между двумя перемычками сжатия. Кроме того, в некоторых случаях цилиндрический сердечник ротора снабжен уступом на каждом конце области размещения магнитов таким образом, что диаметр цилиндрического сердечника ротора по длине этой области размещения магнитов меньше его диаметра у боковых концов. Стенка цилиндрического сердечника ротора также характеризуется первой толщиной, задающей, по меньшей мере, участок перемычек сжатия; и, по меньшей мере, второй толщиной вблизи каждой перемычки сжатия и между перемычками сжатия. Вторая толщина превышает первую толщину. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения в стенке выполнены, по меньшей мере, два канала или паза, которые проходят по окружности цилиндрического сердечника ротора, задавая, по меньшей мере, две перемычки сжатия. В некоторых вариантах своей практической реализации эти каналы образованы выемкой или углублением в стенке, проходящим по окружности цилиндрического сердечника ротора. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения такой канал имеет прямоугольную форму поперечного сечения. Однако в других вариантах реализации заявленного изобретения может быть предусмотрено два и более канала, имеющих иную форму поперечного сечения, такую как, помимо прочего, полукруглую, полуовальную, треугольную или иную форму подобного рода для достижения требуемой упругой деформации за счет срабатывания перемычек сжатия. Подобным же образом, в нижней части или основании перемычки сжатия может быть предусмотрено множество относительно небольших по размеру пазов полукруглого, треугольного или иного подобного сечения, проходящих по окружности цилиндрического сердечника ротора и в параллель с перемычкой сжатия.
На стадии 704 производится установка набора из множества магнитов на стенке цилиндрического сердечника ротора, которые распределяются по ее длине и окружности между двумя перемычками сжатия, расположенными вблизи боковых концов цилиндрического сердечника ротора. Повторим, что обычно магниты располагаются вдоль области размещения магнитов и по ее окружности. В некоторых случаях магниты равномерно распределяются по окружности цилиндрического сердечника ротора. Тип, количество, размеры, напряженность магнитного поля и прочие подобные характеристики одного или более магнита могут варьироваться в зависимости от одного или нескольких факторов, таких как предназначение ротора в сборе.
На стадии 706 одна или более обмотка предварительного напряжения обматывается вокруг множества магнитов и цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора между перемычками сжатия. Обмотки предварительного напряжения наматываются с давлением, которое вызывает радиальную деформацию сжатия стенки цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора.
На стадии 708 через перемычки сжатия обеспечивается возможность радиальной деформации сжатия, обусловленной одной или более обмоткой предварительного напряжения, стенки цилиндрического сердечника ротора у перемычек сжатия относительно стенки цилиндрического сердечника ротора вблизи его боковых концов. Кроме того, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения ограничивают, в зависимости от радиальной деформации сжатия, обусловленной срабатыванием перемычек сжатия, радиальное расширение стенки вблизи боковых концов в сторону от центральной оси, которое в противном случае имела бы место вследствие радиальной деформации сжатия цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора, обусловленной одной или более обмоткой предварительного напряжения.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения цилиндрический сердечник ротора дополнительно снабжен, по меньшей мере, двумя пазами 126 под ограничивающие обмотки, выполненными в стенке 104. Каждый паз из числа, по меньшей мере, одного паза под ограничивающую обмотку проходит по окружности цилиндрического сердечника ротора вблизи каждого из его боковых концов. По меньшей мере, одна ограничивающая обмотка наматывается один или несколько раз вокруг цилиндрического сердечника ротора по его окружности, занимая каждый из пазов под ограничивающие обмотки; при этом пазы под ограничивающие обмотки выполнены с возможностью размещения в них и размещения ограничивающей обмотки, наматываемой вокруг цилиндрического сердечника ротора вблизи каждого из его боковых концов. Наматывание ограничивающих обмоток вокруг стенки цилиндрического сердечника ротора вблизи каждого из его боковых концов вызывает радиально направленное усилие сжатия и препятствует радиальному расширению стенки 104 на боковых концах в сторону от центральной оси цилиндрического сердечника ротора.
Как было указано выше, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения выполнены с возможностью обеспечения охлаждения ротора в сборе. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения первый хвостовик (например, приводной конец) выполнен с множеством выпускных охлаждающих каналов, которые сообщаются через свой внутренний конец с одной или более полостью 124 цилиндрического сердечника ротора, когда хвостовик соединен с цилиндрическим сердечником ротора. Выпускные охлаждающие каналы проходят через хвостовик, обеспечивая отведение воздушного потока из полости. Второй хвостовик (например, неприводной конец) может быть выполнен с одним или более впускным охлаждающим каналом, который проходит сквозь толщину второго хвостовика и обеспечивает поступление воздушного потока внутрь полости. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения впускной охлаждающий канал выполнен таким образом, что он совмещен с центральной осью вращения второго хвостовика и проходит по длине этого второго хвостовика.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения первый хвостовик (например, неприводной конец) может быть соединен с первым боковым концом цилиндрического сердечника ротора таким образом, что внутренний конец каждого канала из числа одного или более выпускного охлаждающего канала 132, проходящего сквозь толщину первого хвостовика, сообщается, по меньшей мере, с одной полостью 124, проходящей по длине цилиндрического сердечника ротора. В некоторых случаях выпускные охлаждающие каналы проходят через заплечик хвостовика, который отходит в радиальном направлении от центрального вала хвостовика. Второй хвостовик (например, приводной конец) может быть соединен со вторым боковым концом цилиндрического сердечника ротора таким образом, что впускной охлаждающий канал, выполненный во втором хвостовике, сообщается, по меньшей мере, с одной полостью 124 цилиндрического сердечника ротора. Сообщение впускного охлаждающего канала и выпускных охлаждающих каналов с полостью 124 обеспечивает установление канала прохождения охладителя через впускной охлаждающий канал второго хвостовика, по меньшей мере, вдоль одной полости и его отведения наружу через множество выпускных охлаждающих каналов, что позволяет потоку охладителя при вращении цилиндрического сердечника ротора снижать внутреннюю температуру, по меньшей мере, цилиндрического сердечника ротора. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения вращение цилиндрического сердечника ротора и набора магнитов инициирует забор воздуха через впускной охлаждающий канал 130 второго хвостовика, его прохождение вдоль полости 124 цилиндрического сердечника ротора, вытянутой по длине цилиндрического сердечника ротора, и отведение втянутого воздуха наружу через множество выпускных охлаждающих каналов 132, выполненных во втором хвостовике.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения предложены роторы в сборе, содержащие следующие элементы: цилиндрический сердечник ротора с проходящей между его боковыми концами стенкой и, по меньшей мере, двумя перемычками сжатия, каждая из которых выполнена в стенке вблизи одного из указанных боковых концов, и которые отстоят друг от друга на расстояние; набор из множества магнитов, расположенных на стенке и разнесенных по ее длине между перемычками сжатия и по окружности цилиндрического сердечника ротора; и одну или более обмотку предварительного напряжения, намотанную вокруг множества магнитов и цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора между перемычками сжатия; при этом перемычки сжатия обеспечивают возможность радиальной деформации сжатия, обусловленной радиальным сжатием цилиндрического сердечника ротора одной или более обмоткой предварительного напряжения, стенки цилиндрического сердечника ротора у перемычек сжатия относительно стенки цилиндрического сердечника ротора вблизи его боковых концов.
Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения предложены способы формирования роторов в сборе, включающие в себя следующие стадии: соединение цилиндрического сердечника ротора каждым из двух его боковых концов с одним из двух хвостовиков, каждый из которых соединяется и скрепляется с цилиндрическим сердечником ротора на его боковых концах, причем цилиндрический сердечник ротора характеризуется наличием проходящей между его боковыми концами стенки и, по меньшей мере, двух перемычек сжатия, каждая из которых выполнена в стенке вблизи одного из боковых концов, и которые отстоят друг от друга на расстояние; установку набора из множества магнитов на стенке цилиндрического сердечника ротора, которые распределяются по ее длине и окружности между двумя перемычками сжатия, расположенными вблизи боковых концов цилиндрического сердечника ротора; наматывание одной или более обмотки предварительного напряжения вокруг множества магнитов и цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора между перемычками сжатия с давлением, вызывающим радиальную деформацию сжатия стенки цилиндрического сердечника ротора, по меньшей мере, вдоль части длины цилиндрического сердечника ротора; и обеспечение через перемычки сжатия возможности радиальной деформации сжатия, обусловленной одной или более обмоткой предварительного напряжения, стенки цилиндрического сердечника ротора у перемычек сжатия относительно стенки цилиндрического сердечника ротора вблизи его боковых концов.
Хотя изобретение, раскрытое в настоящем документе, было описано в привязке к конкретным вариантам его осуществления, примерам и случаям его применения, специалисты в данной области техники могут внести в него различные изменения и модификации без отступления от объема заявленного изобретения, определяемого его формулой.