Высокооборотный ротор с постоянными магнитами электрической машины

ВЫСОКООБОРОТНЫЙ РОТОР С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Адалв Алексей Сергеевич, Иванов Андрей Васильевич, Кибардин Алексей Сергеевич, Кучинский Владимир Георгиевич,Сойкин Владимир Федорович, Чижов Андрей Михайлович (RU) Представитель: В изобретении предложен ротор электрической машины, содержащий вал, на котором закреплены сборные диски с постоянными магнитами. Ротор отличается тем, что сборные диски содержат центральные кольца, выполненные из прочной немагнитной стали, с закрепленными на них полюсными пластинами из прочной магнитной стали, оканчивающиеся наконечниками из шихтованной электротехнической стали. Полюсные пластины закреплены на дисках с помощью замков, имеют жесткое соединение по контуру замка с дисками и образуют зазоры клиновой формы с основанием к центру диска между обращенными друг к другу торцевыми гранями соседних полюсных пластин. Постоянные магниты размещены вдоль оси ротора в зазорах между полюсными пластинами, причем между боковыми гранями постоянных магнитов и пазами полюсных пластин установлены тонкие прокладки из материала, имеющего величину модуля упругости меньше величин модулей упругости материала полюсных пластин и постоянных магнитов.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НПО "РУССКИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД" (RU) 014510 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно к роторам электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов. Предшествующий уровень техники Из уровня техники известны конструкции роторов с постоянными магнитами (Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1985), которые содержат втулку, к которой примыкают постоянные магниты с расположенными между ними секторами из магнитомягкой стали. Для удержания постоянных магнитов и полюсов на роторе при воздействии на них центробежной силы используется наружный металлический цилиндр с чередующимися в нем магнитными и немагнитными участками. Толщина цилиндра определяется величиной действующей центробежной нагрузки и механическими свойствами материала цилиндра. Такая конструкция ротора имеет ограниченную механическую прочность, связанную с ограниченными механическими свойствами составного цилиндра из различных материалов, что, в свою очередь, ограничивает скорость вращения и приводит к ограничению по максимальному диаметру ротора и, соответственно, по предельной мощности машины. Другим недостатком такой конструкции также являются значительные тепловые потери от вихревых токов, связанных с зубцовыми гармониками поля. Эти токи наводятся в приповерхностном проводящем монолитном слое цилиндра,что снижает КПД машины. Известны также конструкции роторов синхронных машин (Домбровский В.В., Хуторецкий Г.М. Основы проектирования электрических машин переменного тока. - М.: Энергия, 1974), которые содержат остов (колесо), на котором крепятся полюса. Полюса, в свою очередь, выполняются монолитными или шихтованными из электротехнической стали. Закрепляются полюса на остове с помощью замков различного типа: в виде "ласточкиного хвоста", в виде головки молотка и т.п. Хвосты замков устанавливаются в ответные пазы, выполненные на остове с последующим их креплением способом расклиновки. Такая конструкция ротора также имеет ряд недостатков. В замках в процессе эксплуатации из-за большого количества пусков-остановок происходит ослабление расклиновки полюса и его расшатывание. Это приводит к нарушению балансировки и повышению вибрации и, соответственно, к снижению ресурса работы машины. Другим недостатком такой конструкции является ограниченная механическая прочность узла крепления полюсов. На полюс действует центробежная сила и удерживается полюс за счет хвостовика замка. Сечение хвостовика работает на разрыв и по величине меньше сечения самого полюса. Поэтому механическая прочность соединения определяется прочностью материала хвостовика,механическая прочность которого ограничена. Это, в свою очередь, ограничивает скорость вращения и приводит к ограничению по максимальному диаметру ротора и, соответственно, по предельной мощности машины. Также данный вариант конструкции имеет большую трудоемкость изготовления, связанную с изготовлением дополнительных точных пар клиньев и выполнением достаточно трудоемкой операции по расклиновке полюсов, что приводит, соответственно, к увеличению стоимости машины. А при относительно малых диаметрах роторов, ограниченных высокой скоростью вращения (10000-20000 об/мин и более), размеры замков становятся небольшими из-за ограниченного места и качественную расклиновку просто не осуществить из-за низкой жесткости замка. Для снижения величины тепловыделений в поверхностном слое полюсов верхнюю часть полюса выгодно выполнять из шихтованного железа, что приводит к снижению величины вихревых токов в приповерхностном слое. Но в этом случае из-за меньшей прочности шихтованного электротехнического железа по сравнению с прочностью магнитных сталей уровень достигаемых скоростей также ограничен и соответственно ограничивается уровень мощности машины. Сущность изобретения Ротор электрической машины по настоящему изобретению лишен вышеуказанных недостатков и в то же время решает дополнительные задачи. Одной из задач является увеличение надежности конструкции ротора и обеспечение возможности его использования на более высоких оборотах. Согласно другой задаче настоящее изобретение также направлено на снижение размеров и повышение максимальной скорости вращения ротора. Предлагаемый ротор электрической машины содержит вал, на котором закреплены сборные диски с постоянными магнитами. Ротор отличается тем, что сборные диски содержат центральные кольца, выполненные из прочной немагнитной стали, с закрепленными на них полюсными пластинами из прочной магнитной стали, оканчивающиеся наконечниками из шихтованной электротехнической стали,полюсные пластины закреплены на дисках с помощью замков, имеют жесткое соединение по контуру замка с дисками и образуют зазоры клиновой формы с основанием к центру диска между обращенными друг к другу торцевыми гранями соседних полюсных пластин,постоянные магниты размещены вдоль оси ротора в зазорах между полюсными пластинами,между боковыми гранями постоянных магнитов и пазами полюсных пластин установлены тонкие прокладки из материала, имеющего величину модуля упругости меньше величин модулей упругости материала полюсных пластин и постоянных магнитов.-1 014510 В одном из вариантов центральные кольца сборных дисков имеют относительную магнитную проницаемость в пределах от 1,05 до 1,1. Замок предпочтительно представляет собой соединение типа "ласточкин хвост". Кроме того, жесткое соединение полюсных пластин с дисками может быть выполнено с использованием сварки, а отношение модуля упругости материала постоянных магнитов к модулю упругости материала прокладок составляет величину от 2 до 3. Предлагаемая конструкция ротора обеспечивает надежную и безопасную работу при высоких скоростях вращения ротора за счет снижения механических напряжений в конструкции ротора (в частности,в постоянных магнитах) вследствие применения прокладок с меньшим модулем упругости по сравнению с окружающими элементами. Кроме того, поскольку ротор изготавливается из разнородных материалов,имеющих различные магнитные свойства, появляется возможность оптимизировать магнитные потоки,проходящие в роторе, за счет чего удается, с одной стороны, снизить размеры ротора, а с другой стороны, увеличить скорость вращения. Перечень чертежей На фиг. 1 схематично изображено поперечное сечение возможного варианта осуществления ротора машины по настоящему изобретению; на фиг. 2 схематично изображено продольное сечение примерного варианта осуществления ротора машины по настоящему изобретению; на фиг. 3 схематично изображено поперечное сечение зоны ротора, где размещены постоянные магниты. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На фиг. 1 представлен ротор электрической машины, имеющий вал 1, на котором закреплены сборные диски 2 с постоянными магнитами 3, выполненными в виде блоков. Сборные диски 2, в свою очередь, состоят из центральной части, выполненной в виде кольца 4, на наружной поверхности которого выполнены замки 5 в одном из вариантов типа "ласточкин хвост". Кольца 4 устанавливаются на вал 1 по прессовой посадке. В каждый замок 5 установлены полюсные пластины 6 и жестко соединены по контуру замка, например, сваркой. Полюсные пластины 6 в окружном направлении образуют воздушные пазы трапецеидального вида и имеют на наружной части также замки,в данном примере также типа "ласточкин хвост" 7, в которые установлены по прессовой посадке наконечники 8. Центральные кольца сборных дисков выполнены из прочной немагнитной стали, относительная магнитная проницаемость которой предпочтительно находится в пределах от 1,05 до 1,1. Полюсные пластины выполнены из прочной магнитной стали, а наконечники 8 набираются из листовой электротехнической стали, покрытой электроизоляционным лаком, причем эти листы, как можно увидеть на продольном сечении ротора на фиг. 2, склеены между собой. Толщина пластин наконечников 8 равна толщине пластин дисков 2. В образованные полюсными пластинами 6 трапецеидальные пазы установлены блоки постоянных магнитов 3, имеющие аналогичную трапецеидальную форму. Между боковыми сторонами блока постоянных магнитов 3 и пазами полюсных пластин 6 расположены прокладки 9 (см. фиг. 3). Механическая прочность ротора при действии центробежных нагрузок, возникающих при вращении ротора, обеспечивается следующим образом. Наконечники 8 удерживаются за счет замка 7, расположенного в полюсной пластине 6. Полюсные пластины 6 удерживаются за счет замка 5, который расположен в диске 2. Диск 2 удерживает закрепленные на нем элементы магнитной системы за счет прочной стали кольца 4 и обеспечивает общую механическую прочность ротора. Установка наконечников 8 по прессовой посадке по всему контуру замка создает эффект заделки и равноценна по жесткости замку с расклиновкой, что позволяет клиновую пару не использовать. Это упрощает конструкцию крепления наконечника и повышает его надежность. Выполнение диска 2 из разнородных материалов позволяет устранить прохождение шунтирующих основной магнитный поток магнитных потоков по кольцу 4 и валу 1 за счет выполнения диска 2 из немагнитной высокопрочной стали; обеспечить прохождение основного магнитного потока от постоянных магнитов по полюсным пластинам 6 с минимальными потерями; снизить тепловые потери от зубцовых гармоник магнитного поля в воздушном зазоре за счет выполнения верхней части полюсной пластины 6 из шихтованного электротехнического железа, конструктивно оформленного в виде наконечника 8. В предлагаемом варианте выполнения крепления полюсной пластины 6 (полюса) с помощью замка 5, например, в виде головки молотка головка хвостовика в паз кольца 4 устанавливается по горячей посадке и после приваривается по контуру сопряжения к диску. Сварка обеспечивает жесткое скрепление полюсной пластины 6 с диском 2, повышает жесткость и прочность замка 5 и тем самым снижает уровень механических напряжений в замке 5. Это позволяет повысить скорость вращения ротора и, соответственно, повысить мощность машины. Также предлагаемое решение устраняет полностью возможность расшатывания замка, отпадает необходимость в парах клиньев и расклиновке замка, что упрощает конструкцию замка и уменьшает стоимость его изготовления. По размерам замок 5 становится малогабаритным и позволяет его применить для высокооборотных роторов, у которых ограничены размеры из-за ог-2 014510 раничения по механической прочности материалов. При протекании переменного тока в обмотке статора в воздушном зазоре возникает переменная индукция магнитного поля, которая наводит в поверхностном слое магнитопровода ротора вихревые токи,что приводит к нагреву данного слоя. Для уменьшения величины наведенных вихревых токов данную часть магнитопровода выполняют из шихтованной электротехнической стали. Для выравнивания механических напряжений и снижения максимальной величины этих напряжений в блоке постоянных магнитов 3 по их высоте, между боковыми гранями блоков постоянных магнитов 3 и боковыми гранями полюсных пластин 6 устанавливаются тонкие прокладки 9 (толщиной 0,2-0,3 мм) из материала, имеющего величину модуля упругости меньше, чем величины модулей упругости материала полюсных пластин 6 и блока постоянных магнитов 3, например из стеклопластика или алюминия. В предпочтительном варианте отношение модуля упругости материала постоянных магнитов к модулю упругости материала прокладок составляет величину от 2 до 3. Более мягкий материал прокладки под действием сил сжатия в зоне с большими механическими напряжениями деформируется,произойдет выравнивание (перераспределение) механических напряжений в блоке постоянных магнитов и уменьшение их максимального значения. Это позволяет увеличить скорость вращения ротора и, соответственно, увеличить мощность машины. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ротор электрической машины, содержащий вал, на котором закреплены сборные диски с постоянными магнитами, отличающийся тем, что сборные диски содержат центральные кольца, выполненные из прочной немагнитной стали, с закрепленными на них полюсными пластинами из прочной магнитной стали, оканчивающиеся наконечниками из шихтованной электротехнической стали,полюсные пластины закреплены на дисках с помощью замков, имеют жесткое соединение по контуру замка с дисками и зазоры клиновой формы с основанием к центру диска между обращенными друг к другу торцевыми гранями соседних полюсных пластин,постоянные магниты размещены вдоль оси ротора в зазорах между полюсными пластинами,между боковыми гранями постоянных магнитов и пазами полюсных пластин установлены тонкие прокладки из материала, имеющего величину модуля упругости меньше величин модулей упругости материала полюсных пластин и постоянных магнитов. 2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что центральные кольца сборных дисков имеют относительную магнитную проницаемость в пределах от 1,05 до 1,1. 3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что замок представляет собой соединение типа "ласточкин хвост". 4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что жесткое соединение полюсных пластин с дисками выполнено с использованием сварки. 5. Ротор по п.1, отличающийся тем, что отношение модуля упругости материала постоянных магнитов к модулю упругости материала прокладок составляет величину от 2 до 3.