РОТОР СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Полезная модель относится к вращающимся электрическим машинам и может быть использовано в вентильных или синхронных электродвигателях с постоянными магнитами на роторе.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленной полезной моделью признаков.
Известен вентильный электродвигатель с постоянными магнитами, содержащий кольцевой статор с обмоткой, цилиндрический ротор коллекторного типа, включающий немагнитный вал, распределенные по окружности ферромагнитные полюсы, выполненные в виде сегментов, образующих межполюсные пространства в виде параллельных оси вала пазов, расположенные в пазах намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты и устройство закрепления магнита в пазу, выполненное в виде цилиндрической оболочки, охватывающей ротор, см. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988, рис.1.28.
Известен вентильный электродвигатель с постоянными магнитами, который содержит кольцевой статор с многофазной обмоткой, цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал, распределенные по окружности ферромагнитные полюсы, выполненные в виде сегментов и образующие межполюсные пространства в виде параллельных оси вала пазов. В пазах расположены намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты. Устройство закрепления магнитов в пазах выполнено в виде охватывающего магнит призматического футляра, стенки которого с торцов, со стороны вала и статора выполнены из неферромагнитного материала, а прилегающие к полюсам из ферромагнитного материала. Футляр закреплен разъемными соединениями торцов ротора и футляра с возможностью установки и выдвижения его из паза в осевом направлении, см. патент РФ 2100893. Основными недостатком известного электродвигателя является снижение кпд вследствие возникновения вихревых токов в ферромагнитных стенках футляра, которые магнитный поток пересекает в поперечном направлении, а также индукционных токов в боковых стенках, охватывающих постоянные магниты.
Известен вентильный электродвигатель с постоянными магнитами, содержащий кольцевой статор с многофазной обмоткой и цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал и распределенные по окружности ферромагнитные полюсы, согласно изобретению каждый полюс образован пакетами шихтованных магнитопроводов двух соседних сегментов, установленных на немагнитном валу, а каждый сегмент составляют немагнитное основание П-образной формы, на котором закреплены два пакета шихтованного магнитопровода таким образом, чтобы между пакетами шихтованного магнитопровода оставалась полость, в которую устанавливаются постоянные магниты, после чего полость закрывается немагнитной пластиной. При этом образующие полюсы сегменты могут быть установлены на немагнитном валу таким образом, чтобы между пакетами шихтованных магнитопроводов соседних сегментов, образующих полюс, оставался немагнитный зазор, см. патент РФ 2375807.
Современные тенденции в создании генераторов для электроэнергетики связаны с повышенным использованием их электромагнитных нагрузок. Это позволяет повысить удельное использование активной части машин и, следовательно, сократить их габариты и вес (при заданной мощности), либо увеличить их единичную мощность (при заданных габаритах). Эти тенденции характерны и для генераторов для малой энергетики (генераторы малых ГЭС, ветрогенераторы и др.). Аналогичные тенденции имеют место также при создании синхронных двигателей для различных отраслей промышленности (двигатели для привода насосов, для транспортировки нефти и газа по трубопроводу и др.)
Для генераторов, используемых в малой энергетике, а также для синхронных двигателей, в настоящее время достаточно часто используются вместо электромагнитной системы возбуждения (обмотки на полюсах) постоянные магниты из редкоземельных материалов (NdFeB и др.)
В настоящее время для роторов синхронных машин широко используются радиально расположенные магниты прямоугольного сечения, см. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
Такая конструкция ротора принята в качестве прототипа заявленного технического решения. Недостатком прототипа является ограничение объема занимаемого магнитами пространства, что ограничивает уровень электромагнитного использования машины.
Задачей полезной модели является расширение объема занимаемого магнитами пространства, повышение использования электромагнитных нагрузок ротора, повышение уровня электромагнитного использования синхронной машины с постоянными магнитами.
Сущность заявляемой полезной модели выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Ротор синхронной машины с постоянными магнитами, расположенными радиально, характеризуется тем, что каждый полюс ротора снабжен двумя постоянными магнитами четырехугольного профиля различного сечения, расположенными друг над другом осесимметрично относительно оси симметрии полюса, при этом вышерасположенные относительно оси вращения машины магниты выполнены с большим поперечным сечением по сравнению с нижерасположенными магнитами, причем ширина поперечного сечения магнитов выбрана из условия, что расстояние между нижними основаниями нижерасположенных магнитов соседних полюсов соответствует расстоянию между нижними основаниями вышерасположенных магнитов соседних полюсов.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда факультативных признаков, а именно:
- все постоянные магниты выполнены с прямоугольной формой поперечного сечения;
- нижерасположенные магниты выполнены с трапецеидальной формой поперечного сечения, при этом меньшие основания их поперечного сечения размещены ближе к оси вращения машины, а длина больших оснований нижерасположенных магнитов не превышает ширину прилегающих к ним оснований вышерасположенных магнитов;
- вышерасположенные магниты выполнены с трапецеидальной формой поперечного сечения, при этом меньшие основания их поперечного сечения размещены ближе к оси вращения машины, при этом длина большего основания магнитов выбрана из условия, что расстояние между большими основаниями вышерасположенных магнитов соседних полюсов соответствует расстоянию между их нижними основаниями;
- расстояние между любыми точками магнитов соседних полюсов не превышает заранее заданной величины, определяемой прочностью ротора и необходимостью ограничить потоки рассеяния между соседними полюсами.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен поперечный разрез по двум соседним полюсам ротора с радиально расположенными магнитами прямоугольной формы; на фиг.2 - поперечный разрез по двум соседним полюсам ротора с радиально расположенными магнитами трапецеидальной формы.
Каждый полюс ротора снабжен двумя постоянными магнитами четырехугольного профиля различного сечения, расположенными друг над другом осесимметрично относительно оси симметрии полюса, при этом вышерасположенные относительно оси вращения машины 1 магниты выполнены с большим поперечным сечением по сравнению с нижерасположенными магнитами 2. Ширина поперечного сечения магнитов 1 и 2 выбрана из условия, что расстояние между нижними основаниями нижерасположенных магнитов 2 соседних полюсов соответствует расстоянию между нижними основаниями вышерасположенных магнитов 1 соседних полюсов.
Постоянные магниты 1 и 2 могут быть выполнены с прямоугольной формой поперечного сечения или с трапецеидальной формой поперечного сечения. В этом случае меньшие основания их поперечного сечения размещены ближе к оси вращения машины, а длина больших оснований не превышает длину прилегающего основания вышерасположенного магнита. Вышерасположенные магниты 1 могут быть выполнены с трапецеидальной формой поперечного сечения, при этом меньшие основания их поперечного сечения размещены ближе к оси вращения машины, при этом длина большего основания магнитов выбирается из условия, что расстояние между большими основаниями вышерасположенных магнитов 1 соседних полюсов соответствует расстоянию между их нижними основаниями.
Расстояние между любыми точками магнитов 1 и 2 соседних полюсов не превышает заранее заданной величины, определяемой прочностью ротора и необходимостью ограничить потоки рассеяния между соседними полюсами.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
2
1
1
2
2
На периферии ротора в оправке из немагнитного металла (например, стали, титана и др.), устанавливаются «ступеньками» магниты 1 и 2 двух размеров - вышерасположенный магнит 1, обозначенный точками ABDC в зоне зазора машины и нижерасположенный магнит 2, обозначенный точками EFHG, отличающиеся по размерам таким образом, что размер DB равняется размеру HF. Для удержания обоих магнитов в оправке они могут быть подклинены со стороны основания FH и FH соответственно. В результате при выполнении указанных ограничений в части прочности ротора и потока рассеяния между полюсами становится возможным увеличить общее сечение магнита на полюс и тем самым увеличить электромагнитное использование ротора машины, и, следовательно, ее использование в целом.