РОТОР С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к роторам электрических машин, содержащим постоянные магниты, и может найти широкое применение в синхронных электродвигателях и электрогенераторах.

В электрических машинах индуцируемое магнитное поле делится на главное поле (ГП) и поле рассеяния (ПР). Магнитные линии ГП сцеплены с витками первичной и вторичной обмоток. Магнитные линии ПР сцеплены с витками обмоток только статора или только ротора (1).

Известен ротор с постоянными магнитами, содержащий магнитопровод и постоянные магниты, расположенные парами на поверхности магнитопровода по окружности, при этом магниты каждой пары расположены друг к другу одноименными полюсами, соседние пары расположены друг к другу разноименными полюсами, образуя полюса ротора, расстояние между магнитами пары меньше, чем расстояние между соседними парами, а соседняя боковая поверхность каждого из магнитов пары составляет с плоскостью, проходящей через внешнее ребро соответствующего магнита и ось ротора, угол от 0 до 30 геометрических градусов (2).

Однако электрические машины с известным ротором характеризуются низким КПД из-за достаточно большой величины рабочего зазора между ротором и статором, что обуславливает небольшую величину ГП магнитного поля. Данный недостаток связан с тем, что при расположении на магнитопроводе требуется использовать дополнительные средства крепления постоянных магнитов для противодействия центробежной силе, возникающей при вращении ротора.

Известен также ротор с постоянными магнитами, содержащий магнитопровод и постоянные магниты, расположенные парами внутри магнитопровода в непосредственной близости к его наружной поверхности по окружности, при этом магниты каждой пары расположены друг к другу одноименными полюсами, соседние пары расположены друг к другу разноименными полюсами, образуя полюса ротора, а магнитопровод выполнен с перемычками, расположенными между его наружной поверхностью и магнитами и между полюсами магнитов соседних пар, образующими полюса ротора (3).

Однако электрические машины, содержащие ротор данной конструкции, обладают низким КПД - ЭДС в обмотках электрогенераторов и крутящий момент на валу ротора электродвигателей достигаются небольшой величины. Этот недостаток связан с тем, что часть магнитного поля, индуцируемого постоянными магнитами ротора, рассеивается по магнитопроводу и формирует бесполезное ПР, возникающее между магнитами с разноименными полюсами, образующими полюса роторов, и между разноименными полюсами каждого магнита, что, соответственно, снижает величину ГП.

Задача изобретения состоит в повышении КПД электрических машин -увеличение ЭДС в обмотках статора электрогенераторов и увеличение крутящего момента на валу ротора электродвигателей - за счет увеличения величины ГП путем исключения возможности возникновения ПР между магнитами с разноименными полюсами, образующими полюса роторов, и между разноименными полюсами каждого магнита.

Сущность изобретения заключается в том, что для решения поставленной задачи путем указанного технического результата ротор с постоянными магнитами, содержащий магнитопровод и постоянные магниты, расположенные парами внутри магнитопровода в непосредственной близости к его наружной поверхности по окружности, при этом магниты пары расположены друг к другу одноименными полюсами, соседние пары расположены друг к другу разноименными полюсами, образуя полюса ротора, а магнитопровод выполнен с перемычками между его наружной поверхностью и магнитами и между соседними парами, образующими полюса ротора, отличается тем, что в перемычке, выполненной в магнитопроводе между соседними парами магнитов, расположенными друг к другу разноименными полюсами и образующими полюса ротора, радиально установлены постоянные магниты, обращенные полюсами, одноименными по отношению к верхним полюсам соседних магнитов, магнитопровод содержит зазоры, выполненные над верхними концами радиальных магнитов, прорези, выполненные перпендикулярно нижней части полюсов магнитов, примыкающих к горизонтальным магнитам, и по две прорези, взаимодействующие с нижними концами радиальных магнитов.

Изобретение поясняется чертежом - часть ротора (полюс ротора) в поперечном разрезе.

Ротор с постоянными магнитами содержит магнитопровод 1 и постоянные магниты 2, 3, 4, 5 и 6. Постоянные магниты 2, 3, 4, 5 расположены парами внутри магнитопровода 1 в непосредственной близости к его наружной поверхности по окружности: пара магнитов 2-3 и пара магнитов 4-5. В парах магниты 2-3 и магниты 4-5 расположены друг к другу одноименными полюсами - S-S, N-N. Соседние пары магнитов 2-3 и 4-5 расположены друг к другу разноименными полюсами: S-N, N-S, магниты 3 и 4 образуют полюс ротора. Магниты 6 установлены радиально между магнитами 3 и 4 и обращены полюсами, одноименными по отношению к их верхним полюсам.

Магнитопровод 1 выполнен с перемычками 7, расположенными между его наружной поверхностью и магнитами 2, 3, 4, 5 и с перемычками 8, расположенными между магнитами 3 и 6 и между магнитами 4 и 6.

Магнитопровод 1 содержит прорези 9, выполненные в перемычках 8 над радиальным магнитом 6, прорези 10 выполнены радиально и сообщаются с полюсами магнитов 3 и 4, примыкающих к радиальному магниту 6, и прорези 11, взаимодействующие с нижним концом радиального магнита 6.

Изобретение в электромашинах (электрогенераторы и электродвигатели) используют следующим образом.

Постоянные магниты 2, 3, 4, 5 и 6 индуцируют постоянное магнитное поле. Магниты 3 и 4 соседних пар, обладающие разноименными полюсами - N-S, образуют полюс ротора и индуцируют общее магнитное поле. Общее магнитное поле в роторе разделяется на ГП и ПР.

Радиальный магнит 6, расположенный одноименными полюсами по отношению к магнитам 3 и 4, образующим полюс ротора, препятствует возникновению двум потокам ПР. Потоку между полюсом N магнита 3 и полюсом S магнита 4 через перемычку 8 и магнитопровод 1. Второму потоку между полюсами N S магнита 3 и между полюсами N-S магнита 4 по перемычке 8 и магнитопроводу 1 радиальный магнит 6 препятствует возникновению и благодаря наличию прорези 10 и 11. Возникновению ПР между полюсами N - S радиального магнита препятствуют прорези 9 и 11. Таким образом, часть индуцируемого магнитами 2, 3, 4, 5 не рассеивается по магниитопроводу 1 и магнитное поле полностью составляет рабочее ГП. Более того, магнитное поле, индуцируемое радиальным магнитом 6, дополнительно увеличивает ГП полюса.

ГП от полюса N магнита 3 проходит по магнитопроводу 1, пересекает рабочий зазор (на чертеже не показан) между ротором и статором (на чертеже не показан), пересекает обмотки (на чертеже не показаны) статора, вторично проходит по магнитопроводу статора, вторично пересекает рабочий зазор между статором и ротором, проходит по магнитопроводу 1, проходит по магниту 4 от полюса S к полюсу N, проходит по магнитопроводу 1 и замыкается на полюсе S магнита 3. Второе ГП от полюса N постоянного радиального магнита 6 таким же образом проходит по статору и замыкается на его полюсе S. При этом поле магнитов 3 и 4 складывается с полем магнита 6 и в сумме образуется ГП полюса ротора.

Применение электромашины в качестве электродвигателя. На обмотки статора от электросети подают напряжение трехфазного тока. Индуцируется вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с ГП магнитного поля, индуцируемым постоянными магнитами 2, 3, 4, 5 и постоянным радиальным магнитом 6 ротора. В результате на роторе возникает вращающийся момент, придающий ему вращение со скоростью, которая прямо пропорциональна частоте напряжения, подаваемого на обмотки статора. А величина вращательного момента приблизительно пропорциональна величине этого нвапряжения.

Применение электромашины в качестве электрогенератора. Ротору придают вращение с требуемой скоростью от внешнего источника механической силы (ДВС, паровая турбина, гидротурбина и т.д.). При этом ГП магнитного потока, индуцируемого постоянными магнитами 2, 3, 4, 5 и радиальным постоянным магнитом 6 ротора, пересекает обмотки статора и возбуждает в них ЭДС. Возникает переменный электрический ток, напряжение и сила которого прямо пропорциональны скорости вращения ротора и величине ГП магнитного потока.

1.1. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов/ И.П. Копылов и др.; Под ред. И.П. Копылова. - М.: Энергия, 1980. С. 102.

2. Патент на изобретение РФ №2273084, H02К 1/24, опубликовано 27.03.2006.

3. Патент на полезную модель РФ №123254, H02К 1/27, опубликовано 20.12.2012 (прототип).