Патент на изобретение №2273940

(54) РОТОР ВЫСОКООБОРОТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, а именно к конструкциям роторов высокооборотных электрических машин. Сущность изобретения состоит в следующем. Ротор высокооборотной электрической машины содержит ярмо (1) с размещенными на нем постоянными магнитами (2), на которых установлены полюсные наконечники (3). Ярмо (1) выполнено в виде равномерно чередующихся магнитных и немагнитных кольцевых пластин (4, 5). На наружной и внутренней поверхностях полюсных наконечников (3) концентрично оси ротора выполнены внешние и внутренние кольцевые канавки. Внутренние кольцевые канавки установлены на внешних кольцах (6), соединенных перемычками с немагнитными пластинами (5). Выбором соотношения меду числом внешних и внутренних кольцевых канавок можно обеспечить оптимальную толщину магнитной части ярма (1) и его радиального размера. За счет снижения нагрузок полюсных наконечников (3) и бандажа (7), достигнутого выполнением кольцевых и линейных щелевых пазов (10) на наружной поверхности полюсных наконечников, повышена механическая прочность и надежность работы устройства. Технический результат, достигаемый от использования данного изобретения, состоит в повышении надежности предлагаемого ротора путем увеличения его механической прочности и технологичности изготовления. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано при проектировании синхронных высокооборотных генераторов и электродвигателей.

Известен ротор электрической машины, содержащий ярмо с расположенными на нем постоянными магнитами разноименной полярности, на которых размещены полюсные наконечники. На наружной поверхности полюсных наконечников концентрично оси ротора выполнены кольцевые канавки, служащие для размещения бандажа, охватывающего все полюсные наконечники (1). При высоких оборотах у ротора снижается надежность работы из-за повышенных механических напряжений в бандаже. Надежность устройства можно повысить за счет увеличения поперечного сечения бандажа, что приведет к увеличению массы и габаритов устройства.

Наиболее близким к данному изобретению устройством является ротор высокооборотной электрической машины, содержащий ярмо с установленными на нем намагниченными в радиальном направлении постоянными магнитами чередующейся полярности, между постоянными магнитами с установленными на них полюсными наконечниками имеются немагнитные зазоры, на наружной поверхности полюсных наконечников выполнены концентрично оси ротора внешние кольцевые канавки, образующие равномерно чередующиеся выступы и пазы, служащие для размещения изготовленного из немагнитного материала бандажа, охватывающего все полюсные наконечники, причем ярмо выполнено в виде равномерно чередующихся магнитных и немагнитных кольцевых пластин, каждая немагнитная кольцевая пластина соединена с соответствующим внешним кольцом перемычками, расположенными в местах немагнитных зазоров между постоянными магнитами, полностью повторяя форму и размеры немагнитных зазоров, при этом немагнитные кольцевые пластины, внешние кольца и перемычки выполнены из одного материала и одинаковыми по толщине.

Недостатком известного устройства является недостаточная механическая прочность при повышенных оборотах ротора, обусловленная нетехнологичной сборкой.

Положительным результатом, которого можно достичь при использовании данного изобретения, является повышение надежности путем увеличения механической прочности и технологичности изготовления.

Положительный результат достигается за счет того, что в роторе электрической машины, содержащем ярмо с установленными на нем намагниченными в радиальном направлении постоянными магнитами чередующейся полярности, между постоянными магнитами с установленными на них полюсными наконечниками имеются немагнитные зазоры, на наружной поверхности полюсных наконечников выполнены концентрично оси ротора внешние кольцевые канавки, образующие равномерно чередующиеся выступы и пазы, служащие для размещения изготовленного из немагнитного материала бандажа, охватывающего все полюсные наконечники, причем ярмо выполнено в виде равномерно чередующихся магнитных и немагнитных кольцевых пластин, каждая немагнитная кольцевая пластина соединена с соответствующим внешним кольцом перемычками, расположенными в местах немагнитных зазоров между постоянными магнитами, полностью повторяя форму и размеры немагнитных зазоров, при этом немагнитные кольцевые пластины, внешние кольца и перемычки выполнены из одного материала и одинаковы по толщине, образуя плоский диск (2), согласно изобретению на внутренней поверхности полюсных наконечников в местах расположения внешних колец концентрично оси ротора выполнены внутренние кольцевые канавки, служащие для установки в них внешних колец, при этом ширина каждой из внутренних кольцевых канавок равна толщине внешнего кольца, а глубина – его ширине, а между постоянными магнитами, ярмом и полюсными наконечниками соответственно имеются магнитные прокладки.

Кроме того, для дополнительного увеличения механической прочности на высоких оборотах внешние кольцевые канавки полюсных наконечников могут быть расположены над внутренними кольцевыми канавками и равны им по ширине. В выступах, образованных внешними кольцевыми канавками полюсных наконечников, концентрично оси ротора может быть выполнен один либо несколько одинаковых по размерам кольцевых щелевых пазов с одинаковыми по ширине стенками. Торцевые поверхности полюсных наконечников могут быть выполненными скошенными, образуя расширяющиеся в сторону наружной поверхности ротора зазоры между ними, в которые установлены выполненные из немагнитного материала дополнительные элементы, полностью повторяющие форму и размеры указанных зазоров и полюсных наконечников, а плоскостями, проходящими через ось вращения ротора, с наружной стороны каждого из полюсных наконечников по всей его длине может быть выполнен один либо несколько линейных щелевых пазов.

На Фиг.1-3 представлены конструкции устройства, отличающиеся друг от друга выполнением наружной поверхности полюсных наконечников.

На Фиг.4 представлена конструкция ротора в поперечном сечении.

Устройство (Фиг.1-3) содержит ярмо 1 с равномерно размещенными на нем намагниченными в радиальном направлении постоянными магнитами 2 чередующейся полярности. Ярмо 1 установлено на валу. На внешней поверхности постоянных магнитов 2 размещены выполненные из магнитного материала полюсные наконечники 3. Между постоянными магнитами 2 с установленными на них полюсными наконечниками 3 имеются немагнитные зазоры. Ярмо 1 выполнено в виде равномерно чередующихся магнитных и немагнитных кольцевых пластин 4, 5. Каждая из немагнитных кольцевых пластин 5 соединена с соответствующим внешним кольцом 6 перемычками, при этом образовавшиеся окна между немагнитными кольцевыми пластинами 5, внешними кольцами 6 и перемычками предназначены для установки постоянных магнитов 2. Немагнитные кольцевые пластины 5, внешние кольца 6 и перемычки выполнены из одного материала и одинаковы по толщине, образуя плоский диск. На наружных и внутренних поверхностях полюсных наконечников 3 концентрично оси ротора выполнены соответственно внешние и внутренние кольцевые канавки, образующие равномерно чередующиеся выступы и пазы. Пазы внешних кольцевых канавок служат для размещения выполненного из немагнитного материала (композит, металл) бандажа 7, охватывающего все полюсные наконечники 3. Внутренние кольцевые канавки служат для установки в них внешних колец 6. Ширина каждой из внутренних кольцевых канавок равна толщине внешнего немагнитного кольца 6, а глубина – его ширине (в радиальном направлении). Внешние кольца 6 служат для дополнительной фиксации ротора на валу, они также воспринимают усилия от центробежных сил постоянных магнитов 2 при вращении ротора и передают их на полюсные наконечники 3, удерживаемые бандажом 7. Между наружными и внутренними поверхностями постоянных магнитов 2 и полюсными наконечниками 3 и ярмом 1 соответственно установлены магнитные прокладки 8. Внешние кольцевые канавки могут быть расположены непосредственно над внутренними канавками, совпадая с ними по ширине (Фиг.1). В выступах, образованных внешними кольцевыми канавками полюсных наконечников 3 концентрично оси ротора выполнен один либо несколько одинаковых по размеру кольцевых щелевых пазов 9 (Фиг.2). Толщина полюсных наконечников 3 между внутренними и внешними кольцевыми канавками “в” может быть равной толщине полюсных наконечников под щелевыми пазами “с” и составлять не менее половины ширины “к” одинаковых по этому параметру стенок, ограничивающих щелевые пазы 9. При таком выполнении полюсных наконечников увеличивается общая площадь магнитных пластин, следовательно, лучше используется полезный объем ротора. На Фиг.3 внешние канавки расположены над выступами, ограничивающими внутренние кольцевые канавки.

Такой вариант выполнения полюсных наконечников позволяет повысить их прочность за счет того, что выступы выполняют роль ребер жесткости для тонкой части полюсных наконечников между внутренними и внешними канавками, предохраняя ее от деформации.

Форма внешних и внутренних кольцевых канавок, а также щелевых пазов может быть произвольная, например трапецеидальная, эллиптическая и т.д. Соотношение между числом внешних канавок с кольцевыми щелевыми пазами и числом внутренних канавок может быть различным, например, 1:1 (Фиг.1), 1:2 (Фиг.2), 1:3 и т.д.

Выбор этого соотношения обусловлен требованиями, предъявляемыми к устройству. Например, в устройстве при соотношении указанных канавок 1: 2 вдвое уменьшено число (по сравнению с соотношением 1:1) немагнитных кольцевых пластин с соответствующими перемычками и внешними кольцами и в 3 раза увеличена толщина магнитной части ярма 1, что позволяет в 3 раза уменьшить его радиальный размер. Это особенно ценно для высокооборотных (более 60 тыс. об/мин) электрических машин при числе пар полюсов Р=1, Р=2. При этом соответственно в 2 и более раз увеличивается сечение бандажа, укладываемого также в кольцевые щелевые пазы 9 полюсных наконечников 3.

Для уменьшения напряжений бандаж 7 может быть выполнен в виде нескольких колец, расположенных одно над другим во внешних канавках и кольцевых щелевых пазах.

С той же целью торцевые поверхности полюсных наконечников 3 выполнены скошенными, образуя расширяющиеся в сторону наружной поверхности ротора зазоры между ними (Фиг.4). В данные зазоры установлены выполненные из немагнитного материала дополнительные элементы 10, полностью повторяющие форму и размеры зазоров. Плоскостями, проходящими через ось вращения ротора, с наружной стороны каждого из полюсных наконечников 3 по всей его длине выполнен один либо несколько линейных щелевых пазов 11. Глубина пазов 11 ограничена условием сохранения целостности полюсных наконечников. Разделение полюсных наконечников линейными щелевыми пазами позволяет снизить механические напряжения как в самих наконечниках, так и в бандаже.

Данная конструкция ротора обладает высокой технологичностью, что позволяет обеспечить достаточную надежность работы высокооборотной электрической машины.

Источники информации

1. SU 1677806 A1, H 02 K 21/14, 1989.

2. RU 2211517 С1, H 02 К 1/27, 2001.

Формула изобретения

1. Ротор высокооборотной электрической машины, содержащий ярмо с установленными на нем намагниченными в радиальном направлении постоянными магнитами чередующейся полярности, между постоянными магнитами с установленными на их внешней поверхности полюсными наконечниками имеются немагнитные зазоры, на наружной поверхности полюсных наконечников выполнены концентрично оси ротора внешние кольцевые канавки, образующие равномерно чередующиеся выступы и пазы, служащие для размещения изготовленного из немагнитного материала бандажа, охватывающего все полюсные наконечники, ярмо выполнено в виде равномерно чередующихся магнитных и немагнитных кольцевых пластин, при этом каждая немагнитная кольцевая пластина соединена с соответствующим внешним кольцом перемычками, расположенными в местах немагнитных зазоров между постоянными магнитами, полностью повторяя форму и размеры немагнитных зазоров, при этом немагнитные кольцевые пластины, внешние кольца и перемычки выполнены из одного материала и одинаковы по толщине, отличающийся тем, что на внутренней поверхности полюсных наконечников в местах расположения внешних колец концентрично оси ротора выполнены внутренние кольцевые канавки, служащие для установки в них внешних колец, при этом ширина каждой из внутренних кольцевых канавок равна толщине внешнего кольца, а глубина – его ширине, причем между постоянными магнитами, ярмом и полюсными наконечниками соответственно имеются магнитные прокладки.

2. Ротор высокооборотной электрической машины по п.1, отличающийся тем, что внешние кольцевые канавки полюсных наконечников расположены над внутренними кольцевыми канавками и равны им по ширине.

3. Ротор высокооборотной электрической машины по п.2, отличающийся тем, что в выступах, образованных внешними кольцевыми канавками полюсных наконечников, концентрично оси ротора выполнен один либо несколько одинаковых по размерам кольцевых щелевых пазов с одинаковыми по ширине ограничивающими их стенками, при этом толщина полюсных наконечников между внутренними и внешними кольцевыми канавками, равная толщине полюсных наконечников под кольцевыми щелевыми пазами, составляет не менее половины ширины стенок.

4. Ротор высокооборотной электрической машины по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что торцевые поверхности полюсных наконечников выполнены скошенными, образуя расширяющиеся в сторону наружной поверхности ротора зазоры между ними, в которые установлены выполненные из немагнитного материала дополнительные элементы, полностью повторяющие форму и размеры указанных зазоров и полюсных наконечников.

5. Ротор высокооборотной электрической машины по п.1, отличающийся тем, что плоскостями, проходящими через ось вращения ротора, с наружной стороны каждого из полюсных наконечников по всей его длине выполнено не менее двух линейных щелевых пазов.

РИСУНКИ