Пакет для формирования магнитной системы ротора
Изобретение относится к области электротехники, а именно - к магнитоэлектрическим машинам, и может быть использовано в устройствах для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот, например в приводах микрокриогенных систем, в компрессорах, в бытовой технике, а также в станочном приводе. Сущность изобретения состоит в следующем. Пакет для формирования магнитной системы ротора состоит более чем из двух пластин магнитопроводящей стали с полюсными выступами, образованными постоянными магнитами призматической формы с тангенциальной намагниченностью N-S, находящимися внутри пакета. При этом согласно данному изобретению наружный диаметр пластин выполнен без разрывов с перемычками сверху, а внутренний диаметр - с разрывами. Технический результат от использования данного изобретения состоит в повышении технологичности конструкции роторов и улучшении технических характеристик бесколлекторных магнитоэлектрических машин. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области электротехники и касается конструктивного исполнения магнитных систем роторов бесколлекторных электрических машин с постоянными магнитами, получивших название магнитоэлектрических. Заявляемое устройство может быть использовано в бесколлекторных вентильных электродвигателях и генераторах и позволяет улучшить технические характеристики этих электрических машин.
В магнитоэлектрических машинах как при преобразовании электрической энергии в механическую, так и обратном - механической в электрическую, магнитный поток, связанный с постоянными магнитами, размещенными на роторе, называется магнитным потоком возбуждения. Устройство, создающее магнитный поток возбуждения, называется индуктором. В качестве индуктора используется ротор с постоянными магнитами определенной формы и толщины.
Известны бесконтактные машины с постоянными магнитами /1, с.22/, в которых магнитная система ротора создается за счет монолитных цилиндрических постоянных магнитов (N-S), размещенных на роторе двигателя. Недостатками данной конструкции являются низкая механическая прочность ротора, высокий расход магнитных материалов и нерациональное их использование, значительные вибрации и потери энергии при жидкостном охлаждении, а также разрушение магнитов при соприкосновении с агрессивными жидкостями. Большая площадь контакта существенно ускоряет разрушение постоянных магнитов.
Известна конструкция сборного ротора типа звездочка /2, с.376 /, в котором магнитный поток возбуждения формируется постоянными магнитами, имеющими радиальную намагниченность (N-S). К недостаткам конструкций магнитных систем такого рода также относятся значительный расход магнитных материалов и зубчатая форма ротора, которая затрудняет применение жидкостного охлаждения. Кроме того, в силу низкой механической прочности самих магнитов достигнуть больших частот вращения не всегда возможно из-за разрушения магнитов под действием центробежных сил.
Известны роторы, в которых магнитный поток возбуждения создается постоянными магнитами, имеющими как радиальную намагниченность /1, с. 19, рис.2.1/, так и тангенциальную /1, с.19, рис.2.2/, причем магниты, имеющие призматическую форму, размещены в теле сборного ротора. Для обеспечения механической прочности конструкции на собранные магниты и втулку надевается сварной бандаж сложной конструкции. Такая конструкция магнитной системы ротора нетехнологична из-за большого количества деталей и сложности сборки. Также не полностью используется объем редкоземельных магнитов, а наличие полюсных башмаков из магнитной стали обеспечивает уменьшение. рабочего зазора, но увеличивает индуктивность машины, что снижает жесткость внешней характеристики и усложняет совмещение двигательного и генераторного режимов.
Известны кольцевые пакеты ротора /3, с.1-12, 4, с.5/, в которых для крепления магнитов используют цельное кольцо, устанавливаемое снаружи. При повышении технологичности конструкции из-за немагнитности наружного кольца увеличивается зазор между ротором и статором, что ведет к ухудшению технических характеристик машины как в двигательном, так и генераторном режимах.
Известен ротор электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов /5, с.1-4/, в котором магниты установлены между безобмоточными полюсами с креплением по боковым граням. При такой конструкции магнитной системы ротора невозможно обеспечить большие скорости вращения ротора из-за возрастания центробежных сил, действующих на магниты и вырывающих их из пазов. Рост потерь энергии из-за замыкания магнитных потоков от нескольких магнитов через безобмоточные полюсы приводит к ухудшению характеристик машин, использующих пакеты такой конструкции.
Известна конструкция ротора, в которой постоянные магниты размещаются внутри пакета, изготовленного из листов электротехнической стали /6. с.1-4/. Применение шихтованного магнитопровода позволяет улучшить технические характеристики машин за счет уменьшения потерь в стали. Однако крепление магнитов с помощью буртиков в пластинах ведет к нарушениям цилиндричности формы ротора, что требует дополнительной балансировки ротора, а при использовании жидкостного охлаждения ведет к росту потерь энергии внутри машины.
Известна также конструкция ротора /7, с.1-8/, в которой для формирования магнитной системы ротора используются пакеты с постоянными магнитами. Конструкция такого пакета отличается сложностью формы пластин электротехнической стали, а также наличием немагнитных вставок сверху и снизу магнита, что ухудшает технологичность конструкции. При вибрациях и больших давлениях возникает вероятность разрушения неметаллических вставок, находящихся над магнитами.
Принципиальные различия конструкций пакетов для формирования магнитной системы ротора магнитоэлектрической машины позволяют сделать вывод, что предлагаемый пакет для формирования магнитной системы ротора магнитоэлектрической машины является новым. Заявляемое устройство повышает технологичность конструкции ротора, улучшает технические характеристики магнитоэлектрических машин и позволяет расширить области применения машин этого класса. При использовании заявляемого изобретения появляется возможность увеличить частоту вращения ротора за счет увеличения прочности его конструкции, что ведет к уменьшению габаритов и массы, применить жидкостное охлаждение из-за уменьшения гидравлических потерь, обусловленных формой пакета пластин, и упростить технологию сборки ротора. При такой форме пакетов упрощается балансировка ротора, а для тихоходных электрических машин она зачастую и не требуется совсем.
Наиболее близким по своей сути является пакет для формирования магнитной системы ротора магнитоэлектрических бесколлекторных машин, описанный выше /6, с.1-4/ и взятый за прототип.
Целью изобретения является повышение технологичности конструкции роторов и улучшение технических характеристик бесколлекторных магнитоэлектрических машин, что позволит расширить сферу применения электрических машин данного класса.
Цель достигается за счет установки на валу двигателя пакетов 9 (фиг.2) из пластин магнитопроводящей электротехнической стали 1 (фиг.1) с размещенными в них постоянными магнитами 7 (фиг.2) с тангенциальной намагниченностью N-S. Пластины изготовлены таким образом, что в центре круглой пластины 1 (фиг.1) без разрывов по внешнему диаметру D имеется отверстие 2 для вала диаметром d. При сборке пакета из нескольких пластин полюсные выступы образуются за счет размещения в отверстиях 3 (фиг.1) постоянных магнитов призматической формы 7 (фиг.2), имеющих тангенциальную намагниченность N-S (фиг.2). Число магнитов выбирается в зависимости от того, сколько полюсов требуется получить, но обязательно четное количество (фиг.3). Для крепления магнитов в радиальном направлении служат перемычки 4 и буртики 5 (фиг.1). Однако возможно конструктивное исполнение, когда буртики и не обязательны, а магниты опираются либо на промежуточную втулку, либо непосредственно на вал (фиг.4). В промежутках между магнитами в отверстия 6 (фиг.1) после сборки пакета устанавливаются стержни 8 (фиг.2) из магнитного материала для соединения пластин в пакет. Число отверстий для стержней может быть любым, но при этом обязательно должно быть не менее одной плоскости симметрии. При отсутствии жестких требований к прочности пакета пластины могут соединяться за счет клеящего состава. Возможен и комбинированный способ соединения пластин в пакет за счет склеивания и соединения стержнями. После сборки пакет пластин 9 (фиг.2) устанавливается на вал ротора для формирования его магнитной системы.
Сущность изобретения заключается в следующем. Полюсы ротора формируются за счет постоянных магнитов 7 (фиг.2), установленных в отверстия 3 (фиг.1) и имеющих тангенциальную намагниченность N-S, причем полюсы магнитов направлены встречно (фиг.2). Крепление постоянных магнитов внутри тела пакета осуществляется в боковом направлении - за счет тела пластин, в радиальном - за счет перемычки 4 и буртиков 5 (фиг.1), в осевом - за счет склеивания или ограничения фланцами. При этом во всех направлениях должен обеспечиваться минимальный гарантированный зазор, во избежание создания в магнитах дополнительных внутренних напряжений. Поскольку постоянные магниты оказываются внутри тела ротора, то специального их крепления не требуется. Они сами по себе являются элементами, скрепляющими пакет пластин. Возможно также крепление магнитов в радиальном направлении за счет буртиков 5, выполненных с одной стороны (фиг.5). При формировании пакета такие пластины укладывают с поворотом каждой последующей на 180 градусов. При такой укладке пластин передача вращающего момента непосредственно с пакета на вал ротора за счет шпонки, как на фиг.3, оказывается невозможной и необходимо применение переходных втулок, либо специально изготовленного вала с выступами по размеру нижних разрывов. При такой форме пластин увеличивается воздушный зазор по нижнему обрезу магнитов, что ведет к уменьшению потока рассеяния и повышает энергию ротора электрической машины. За счет незначительной толщины перемычки 4 (фиг.1) поток рассеяния от постоянных магнитов N-S каждого магнита в перемычке ограничен за счет насыщения, а в воздушном зазоре, образованном за счет разрывов по внутреннему диаметру практически отсутствует. Такое техническое решение позволяет получить магнитную систему ротора с четным числом явновыраженных полюсов и однородной по наружному диаметру поверхностью, без разрывов и без различных немагнитных вставок. В конструкциях, описанных в /6 и 7/, между магнитами снаружи либо оставляют промежутки, либо делают дополнительно немагнитные вставки, что в том и другом случае ведет к росту рабочего зазора. Замыкание потока рассеяния между магнитами в таких конструкциях магнитных систем происходит по внутренней перемычке. Для уменьшения потерь эти перемычки выполняют как можно более тонкими. При наличии перемычек по наружному диаметру технологичность конструкции улучшается, что выражается в упрощении процесса изготовления и сборки ротора в целом. Ротор, изготовленный с использованием заявляемого пакета для формирования магнитной системы ротора, будет иметь однородную цилиндрическую форму по наружной поверхности, что позволяет повысить частоту вращения за счет увеличения механической прочности и применить жидкостное охлаждение под высоким давлением без ущерба для целостности пакета. Поскольку перемычки изготавливаются заодно с пластинами, их толщина будет меньше, чем дополнительных проставок из немагнитного материала при условии одинаковой механической прочности и стоимости изготовления. Уменьшение зазора между магнитами ротора и статором улучшает использование энергии постоянных магнитов и повышает технические характеристики магнитоэлектрических машин.
Таким образом, заявляемое устройство, пакет для формирования магнитной системы ротора, соответствуют критерию изобретения "новизна" и позволяет улучшить технические характеристики магнитоэлектрических машин, использующих заявляемое устройство.
Необходимость применения пакета для формирования магнитной системы ротора возникает при использовании бесколлекторных магнитоэлектрических машин в приводах микрокриогенных систем, в компрессорах, в бытовой технике, в регулируемом станочном электроприводе, где необходимы большие частоты вращения, жидкостное охлаждение, высокий кпд или хорошие регулировочные свойства.
Заявляемое устройство, пакет для формирования магнитной системы ротора, позволяет улучшить технические характеристики бесколлекторных магнитоэлектрических машин, упростить технологию изготовления ротора с использованием постоянных магнитов, и таким образом расширить сферу применения магнитоэлектрических машин.
Литература
1. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1985, 168 с.
2. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф., Ларионов А.Н. Электрические машины с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1964, 480 с.
3. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2155430.
4. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2074478.
5. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2178615.
6. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1098070.
7. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2175162.
Формула изобретения
1. Пакет для формирования магнитной системы ротора, состоящий более чем из двух пластин магнитопроводящей стали, с полюсными выступами, образованными постоянными магнитами призматической формы с тангенциальной намагниченностью N-S, находящимися внутри пакета, отличающийся тем, что наружный диаметр пластин выполнен без разрывов с перемычками сверху для крепления постоянных магнитов в радиальном направлении, а внутренний диаметр - с разрывами.
2. Пакет для формирования магнитной системы ротора по п.1, отличающийся тем, что для крепления постоянных магнитов в радиальном направлении на внутреннем диаметре пластин имеются буртики с одной стороны.
3. Пакет для формирования магнитной системы ротора по п.1, отличающийся тем, что для крепления постоянных магнитов в радиальном направлении на внутреннем диаметре пластин имеются буртики с двух сторон.
4. Пакет для формирования магнитной системы ротора по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пластины между собой соединены дополнительно клеящим составом.
5. Пакет для формирования магнитной системы ротора по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пластины между собой соединены стержнями из магнитомягкого материала, имеющими не менее одной плоскости симметрии.
6. Пакет для формирования магнитной системы ротора по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пластины между собой соединены стержнями из магнитомягкого материала, имеющими не менее одной плоскости симметрии, и клеящим составом.
РИСУНКИ
