Результат интеллектуальной деятельности: РОТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Изобретение относится к области электротехники, а конкретно к электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов, и предназначено для использования в общем и специальном электромашиностроении при производстве электрических машин для бытовой техники, станочного привода, ветроэнергетических установок, систем электроснабжения и электропривода автономных объектов.

Известен ротор электрической машины (патент U.S. 6987342, рис.7, МПК H02K 1/27, опубл. 28.10.2004), содержащий закрепленный на валу цилиндрический по наружной поверхности магнитопровод в виде пакета, набранного из листов магнитомягкого материала, с равномерно распределенными по окружности, отстоящими на одинаковом расстоянии от его расточки и открытыми со стороны вала отверстиями, в которых размещены постоянные магниты таким образом, что каждая пара обращенных друг к другу и к расточке ротора боковых их поверхностей и заключенная между ними и расточкой часть магнитопровода (полюс) имеют одинаковую полярность, и полярность этих элементов ротора чередуется вдоль его расточки. Отверстия для размещения постоянных магнитов и сами постоянные магниты имеют призматическую форму, расположены радиально и намагничены тангенциально. Вал ротора может быть изготовлен из магнитного или немагнитного материала.

Недостатком ротора является сложная конфигурация внутренних полостей магнитопровода, обусловленная отличием форм и размеров магнитомягких полюсов, заключенных между поверхностями магнитов противоположной полярности, а также существенное ограничение радиального размера поверхностей соприкосновения постоянных магнитов с полюсами и, как следствие этого, ограничение магнитного потока полюсов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ротор электрической машины (патент RU 2241296, МПК H02K 1/27, Н02К 1/24, опубл. 27.11.2004 г.). Этот ротор содержит закрепленный на немагнитном валу цилиндрический по наружной поверхности магнитопровод в виде пакета, набранного из листов магнитомягкого материала с равномерно распределенными по окружности, отстоящими на одинаковом расстоянии от его расточки и открытыми со стороны вала отверстиями, в которых размещены постоянные магниты таким образом, что каждая пара обращенных друг к другу и к расточке ротора боковых их поверхностей и заключенная между ними и расточкой часть магнитопровода (полюс) имеют одинаковую полярность и полярность всех этих элементов ротора чередуется вдоль расточки. Отверстия для размещения постоянных магнитов и сами постоянные магниты выполнены призматической формы и расположены равномерно по окружности вдоль радиусов. Постоянные магниты намагничены перпендикулярно их боковым, расположенным полностью в теле магнитопровода сторонам (применительно к призматическим радиально расположенным магнитам - намагниченным тангенциально).

Недостатком ротора является ограничение максимальной длины постоянного магнита в плоскости поперечного его сечения предельным ее значением, равным разности длин радиусов расточки ротора и вала, что ограничивает возможность увеличения площади постоянного магнита и величины магнитного потока, поступающего из магнита в полюс при фиксированном значении диаметра ротора, и по этой причине является фактором, ограничивающим его мощность.

Техническая задача изобретения заключается в увеличении поверхности полюсов постоянных магнитов и исходящего из них магнитного потока в рамках одного и того же диаметра расточки ротора и его длины.

Техническим результатом изобретения является увеличение мощности электрических машин, а также расширение области их применения.

Это достигается тем, что в известном роторе электрической машины, содержащем закрепленный на немагнитном валу цилиндрический по наружной поверхности магнитопровод в виде пакета, набранного из листов магнитомягкого материала, с равномерно распределенными по окружности, отстоящими на одинаковом расстоянии от его расточки и открытыми со стороны вала отверстиями, в которых размещены постоянные магниты таким образом, что каждая пара обращенных друг к другу и к расточке ротора боковых их поверхностей и заключенный между ними и расточкой ротора полюс имеют одинаковую полярность и полярность полюсов ротора чередуется вдоль расточки ротора, стержни из магнитомягкого материала, отверстия в магнитопроводе с размещенными в них постоянными магнитами выполнены цилиндрическими, а каждый из постоянных магнитов образован двумя частями разрезанного по диаметру полого цилиндра, причем обе эти части магнита намагничены радиально относительно осевой линии этого цилиндра, но в противоположных направлениях и установлены в отверстия так, что их продольные сечения соприкасаются на линии радиусов ротора, а во внутренних частях полых цилиндров постоянных магнитов вплотную к их внутренней поверхности расположены стержни магнитомягкого материала.

Кроме того, постоянные магниты и вал могут быть выполнены с плоскими срезами, перпендикулярными радиусам, разделяющим постоянные магниты на составные их части, и соприкасающимися друг с другом по плоскостям этих срезов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано поперечное сечение четырехполюсного ротора, магнитопровод которого закреплен на немагнитном валу и каждый из цилиндрических магнитов соприкасается с поверхностью вала в одной точке (точке разрыва), на фиг.2 изображено поперечное сечение также четырехполюсного ротора с закрепленным на немагнитном валу магнитопроводом. Поверхности цилиндрических магнитов и вала в нем имеют плоские срезы, перпендикулярные радиусам, разделяющим постоянные магниты на составные их части (полуцилиндры), и соприкасаются друг с другом по этим плоским срезам.

Ротор электрической машины содержит закрепленный на валу 1 цилиндрический по наружной поверхности магнитопровод 2 в виде пакета, набранного из листов магнитомягкого материала с равномерно распределенными по окружности, отстоящими на одинаковом расстоянии от его расточки и открытыми со стороны вала 1 цилиндрическими отверстиями 3, в которых размещены постоянные магниты 4 в виде полых цилиндров. При этом каждый из постоянных магнитов 4 образован двумя частями 5 и 6 разрезанного по диаметру полого цилиндра, причем обе эти части 5 и 6 магнита 4 намагничены радиально относительно осевой линии О₁ этого цилиндра, но в противоположных направлениях и установлены в отверстия 3 так, что их продольные сечения ab с cd и ef с gk соприкасаются на линии радиусов ротора 1. Во внутренних полостях полых цилиндров постоянных магнитов 4 вплотную к их внутренней поверхности расположены стержни 7 из магнитомягкого материала. Каждая пара обращенных друг к другу и к расточке ротора боковых их поверхностей и заключенный между ними и расточкой ротора полюс из магнитомягкого материала 8 имеют одинаковую полярность. Полярность полюсов 8 ротора при указанной ориентации полюсов постоянных магнитов 4 чередуется вдоль расточки ротора. Постоянные магниты 4 фиксируются в отверстиях магнитопровода 2 жестко, например, клеящим составом, а для исключения возможности углового смещения пакета магнитопровода 2 с магнитами относительно вала 1 предусмотрено шпоночное соединение 9. Непосредственное соприкосновение постоянных магнитов 4 с валом 1 позволяет уменьшить потоки рассеяния с поверхностей магнитов 4, обращенных к валу 1.

Электрическая машина с ротором работает следующим образом.

В генераторном режиме при вращении ротора магнитный поток чередующихся по расточке полюсов 4, замыкаясь через полюсы 8, воздушные зазоры, статор электрической машины и магнитомягкие стержни 7 образует изменяющееся по углу поворота ротора и во времени потокосцепление с секциями обмотки статора, в результате чего в них индуцируется ЭДС. Если эти обмотки замкнуты на внешнюю электрическую цепь, то по ним протекает электрический ток, а в нагрузке в зависимости от ее функционального назначения выделяется тепло либо происходит преобразование электрической энергии в механическую или другие виды энергии.

Для количественной оценки преимущества заявляемой конструкции ротора с цилиндрической формой магнитов 4 перед роторами с призматической их формой, расположенных радиально (как в роторе, принятом за прототип) справедлива формула

где S_мц и S_мпр - площади полюсов постоянных магнитов 4 при цилиндрической и призматической их форме; D_p, D_в и D_м - диаметры соответственно ротора, вала 1 и магнита 4; h_м - длина силовых линий в магнитах 4 (высота магнита). При принятых на фиг.1 размерах конструктивных элементов ротора S_мц/S_мпр=1,28. При равных значениях магнитной индукции в магнитах 4 цилиндрической и призматической форм магнитные потоки в прилегающих к ним полюсах 8 находятся в том же соотношении, то есть в рамках одного и того же диаметра ротора вне зависимости от осевой длины магнитопровода применение магнитов 4 цилиндрической формы вызывает увеличение магнитного потока полюсов 8 примерно на 30% по сравнению с применением призматических радиально расположенных магнитов.

Для исключения возможности изменения углового положения постоянных магнитов 4 (их поворота относительно оси цилиндров), например, в случае полной или частичной потери свойств клеящего состава, фиксирующего их в рабочем положении, достаточно выполнить цилиндрические магниты 4 и вал 1 с плоскими срезами rp на магнитах 4 и r′p′ на валу, перпендикулярными радиусам, разделяющим постоянные магниты 4 на составные их части 5 и 6, и обеспечить соприкосновение магнитов и вала друг с другом по этим плоским срезам (фиг.2).

Использование изобретения обеспечивает увеличение мощности электрических машин, а также расширение области их применения