Результат интеллектуальной деятельности: РОТОР ЭЛЕКТРОМАШИНЫ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано при проектировании электрогенераторов и электродвигателей с высокой частотой вращения.

Известен ротор электромашины, содержащий полый вал из немагнитного материала и надетый на него цилиндр, выполненный из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, в продольных радиальных пазах которого размещены постоянные магниты, зафиксированные немагнитными металлическими клиньями, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра (см. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 30, рис. 1.27).

Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения высокой мощности при ограниченных массогабаритных параметрах устройства, которую можно было бы получить за счет повышения частоты вращения ротора, в связи с недостаточной механической прочностью ротора, приводящей к возможности его разрушения при эксплуатации в режиме повышенных частот вращения.

Известен также ротор электрогенератора, содержащий втулку из немагнитного материала и надетый на нее цилиндр, составленный полюсами, выполненными из магнитомягкого материала, чередующимися с постоянными магнитами, радиальные наружные торцы которых перекрыты немагнитными металлическими клиньями, внешняя поверхность которых соответствует кривизне внешней поверхности цилиндра. При этом немагнитная втулка, цилиндр и немагнитные клинья скреплены вакуумно-диффузионной сваркой (см. RU 2386200, 2010).

Недостатком известного устройства является невозможность использования ротора значительной осевой длины из-за прогиба для создания высокооборотной электромашины большой мощности.

Известен также ротор электромашины, содержащий полый вал из немагнитного материала и надетый на него магнитный индуктор цилиндрической формы, содержащий постоянные магниты, полюса из материала с высокой магнитной проницаемостью и немагнитные металлические клинья. Краевые участки ротора выполнены в виде полых цилиндрических немагнитных втулок, внешний диаметр которых равен диаметру ротора, при этом длина опорной поверхности этих втулок и ротора превышает длину индуктора (см. RU 2385524, 2010).

Недостатком известного устройства является большая масса полюсов ротора и малоэффективное использование постоянных магнитов индуктора, что и утяжеляет ротор, недостаточная прочность ротора при высоких окружных скоростях ротора.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение механической прочности ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости мощных электромашин без увеличения массогабаритных параметров и предотвращение чрезмерных радиальных расширений ротора при вращении.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в значительном увеличении индукции на поверхности полюса при минимальной массе индуктора, снижении массы и массовых моментов инерции ротора и, следовательно, динамических нагрузок на подшипники электромашины, за счет уменьшения гироскопического момента, в повышении ресурса электромашины при работе на повышенных и высоких частотах вращения с минимальным прогибом вала путем использования газового слоя в зазоре между немагнитной изоляционной втулкой, размещенной в статоре и зафиксированной в торцевых щитах, и ротором электромашины для организации газового подшипника и пассивных магнитных подшипников и за счет этого отказ от подшипников качения. Это особенно существенно для длинных мощных электромашин.

Для решения поставленной задачи ротор электромашины, содержащий полый вал из немагнитного материала и надетый на него магнитный индуктор цилиндрической формы, содержащий постоянные магниты, полюса из материала с высокой магнитной проницаемостью и немагнитные металлические клинья, отличается тем, что полый вал сформирован из дисков равного сопротивления, с одинаковым внешним диаметром, выполненных из немагнитного материала, жестко скрепленных торцевыми поверхностями друг с другом, при этом индуктор содержит планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составной магнитной втулки, при этом планки намагничены так, что между магнитами, намагниченными в радиальном направлении, размещены магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха, при этом полюса и клинья выполнены в виде желобообразных планок, контактирующих друг с другом своими продольными кромками, при этом их внутренние поверхности конгруэнтны обращенной к ним поверхности соответствующих участков составной магнитной втулки, а внешние составляют цилиндрическую поверхность, кроме того, радиально намагниченные магниты уперты в обращенные к ним внутренние поверхности полюсов, а тангенциально намагниченные магниты уперты в обращенные к ним внутренние поверхности клиньев, кроме того, один торец ротора снабжен торцевым стаканом, а другой снабжен торцевой втулкой, причем диски равного сопротивления, торцевой стакан, торцевая втулка, полюса и немагнитные клинья жестко скреплены друг с другом, например вакуумно-диффузионной сваркой, а магнитные планки жестко связаны с упомянутой сборкой, например, установлены с натягом между обращенными друг к другу поверхностью дисков равного сопротивления и кольца, образованного полюсами и клиньями, кроме того, один торец ротора жестко скреплен, предпочтительно сварен, с днищем торцевого стакана, выполненного из немагнитного материала, внешняя поверхность которого соответствует поверхности ротора, причем обращенная наружу поверхность его днища жестко скреплена с валом, соосным продольной оси ротора, при этом второй торец ротора жестко скреплен, предпочтительно сварен, с торцевой втулкой, выполненной из немагнитного материала, внешняя поверхность которой соответствует поверхности ротора, кроме того, этот торец ротора и внутренняя поверхность втулки жестко скреплены, предпочтительно склеены, соответственно, с дном и стенками фиксирующего стакана, предпочтительно алюминиевого. Кроме того, поверхность ротора, торцевого стакана и торцевой втулки снабжены бандажом, единым для названных поверхностей, например, выполненным из высокопрочного немагнитного материала, например углеволокна.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак, указывающий, что «полый вал сформирован из дисков равного сопротивления, с одинаковым внешним диаметром, выполненных из немагнитного материала, жестко скрепленных торцевыми поверхностями друг с другом», формирует прочную и легкую конструкцию внутренней втулки и направляет магнитный поток магнитных планок на наружную поверхность полюса.

Признаки, указывающие, что «индуктор содержит планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составной магнитной втулки, при этом планки намагничены так, что между магнитами, намагниченными в радиальном направлении, размещены магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха», формируют эффективную магнитную систему индуктора при минимальной массе.

Признаки, указывающие, что «полюса и клинья выполнены в виде желобообразных планок, контактирующих друг с другом своими продольными кромками, при этом их внутренние поверхности конгруэнтны обращенной к ним поверхности соответствующих участков составной магнитной втулки, а внешние составляют цилиндрическую поверхность», формируют направление магнитного потока индуктора, обеспечивают возможность работы электрической машины.

Признаки, указывающие, что «радиально намагниченные магниты уперты в обращенные к ним внутренние поверхности полюсов, а тангенциально намагниченные магниты уперты в обращенные к ним внутренние поверхности клиньев», формируют жесткую конструкцию ротора и предотвращают его деформацию от действия центробежных сил.

Признаки, указывающие, что «один торец ротора снабжен торцевым стаканом, а другой снабжен торцевой втулкой, причем диски равного сопротивления, торцевой стакан, торцевая втулка, полюса и немагнитные клинья жестко скреплены друг с другом, например вакуумно-диффузионной сваркой», формируют жесткую и прочную конструкцию ротора и предотвращают его деформацию от действия центробежных сил.

Признак, указывающий, что «магнитные планки жестко связаны с упомянутой сборкой, например, установлены с натягом между обращенными друг к другу поверхностью дисков равного сопротивления и кольца, образованного полюсами и клиньями», предотвращает перемещение магнитных планок в роторе и тем самым препятствует разбалансировке ротора при высоких окружных скоростях.

Признаки, указывающие, что «один торец ротора жестко скреплен, предпочтительно сварен, с днищем торцевого стакана, выполненного из немагнитного материала, внешняя поверхность которого соответствует поверхности ротора, причем обращенная наружу поверхность его днища жестко скреплена с валом, соосным продольной оси ротора», позволяют передавать значительный крутящий момент от приводного двигателя к индуктору или наоборот использовать поверхности цилиндрического стакана и ротора в качестве цапфы газового подшипника, увеличить площадь его опорной поверхности и тем самым значительно повысить несущую способность, жесткость газового слоя подшипника, повысить устойчивость ротора к «полускоростному вихрю», использовать внутреннюю поверхность стакана для формирования пассивного магнитного подшипника.

Признаки, указывающие, что «второй торец ротора жестко скреплен, предпочтительно сварен, с торцевой втулкой, выполненной из немагнитного материала, внешняя поверхность которой соответствует поверхности ротора, кроме того, этот торец ротора и внутренняя поверхность втулки жестко скреплены, предпочтительно склеены, соответственно, с дном и стенками фиксирующего стакана, предпочтительно алюминиевого», позволяют использовать поверхность цилиндрической втулки и ротора в качестве цапфы газового подшипника, увеличить площадь его опорной поверхности и тем самым значительно повысить несущую способность, жесткость газового слоя подшипника, повысить устойчивость ротора к «полускоростному вихрю», использовать внутреннюю поверхность втулки для формирования пассивного магнитного подшипника, а также зафиксировать магнитные планки индуктора от осевого смещения.

Признак, указывающий, что «поверхность ротора, торцевого стакана и торцевой втулки снабжены бандажом, единым для названных поверхностей, например, выполненным из высокопрочного немагнитного материала, например углеволокна», позволяет увеличить прочность, индуктора, торцевого стакана и втулки, значительно уменьшить их деформацию в радиальном направлении от действия центробежных сил и тем самым предотвратить заклинивание газового подшипника при высоких окружных скоростях ввиду малости радиального зазора газового подшипника.

Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез ротора электромашины, и на фиг. 2 - его поперечное сечение.

На чертежах показаны диск 1 равного сопротивления, магниты 2, 3, намагниченные, соответственно, в радиальном и тангенциальном направлениях, полюса 4, немагнитные клинья 5, торцевой стакан 6 и втулка 7, фиксирующий стакан 8, приводной вал 9, магниты радиальных подшипников 10, 11, бандаж 12.

Ротор электромашины содержит полый вал, состоящий из дисков 1, из немагнитного материала, например из алюминия, его сплавов или титана, жестко связанных друг с другом торцевыми поверхностями, например сваркой, на который надет магнитный индуктор цилиндрической формы.

Индуктор содержит планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов 2 и 3, которые образуют составную магнитную втулку, при этом планки намагничены так, что между магнитами 2, намагниченными в радиальном направлении, размещены магниты 3, намагниченные в тангенциальном направлении, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха. Полюса 4 из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из сплава 48КНФ, и немагнитные металлические клинья 5, например из нержавеющей стали, выполнены в виде желобообразных планок, которые контактируют друг с другом своими продольными кромками. Внутренние поверхности полюсов 4 и немагнитных клиньев 5 конгруэнтны обращенной к ним поверхности соответствующих участков составной магнитной втулки, а внешние составляют цилиндрическую поверхность. При этом радиально намагниченные магниты 2 уперты в обращенные к ним внутренние поверхности полюсов 4, а тангенциально намагниченные магниты 3 уперты в обращенные к ним внутренние поверхности немагнитных клиньев 5. Торцевые поверхности вала и индуктора жестко скреплены с днищами цилиндрических торцевых стакана 6 и втулки 7 из немагнитного материала, внешний диаметр которых соответствует диаметру ротора. Для предотвращения осевого смещения постоянных магнитов 2, 3 во втулку 7 вклеен стакан 8.

Днище торцевого стакана 6 жестко скреплено с торцевой поверхностью немагнитных клиньев 5 и полюсов 4, например, сваркой, а также с приводным валом 9, соосным с продольной осью вала, что позволяет передавать на индуктор значительные крутящие моменты. Внешняя поверхность ротора, образованная поверхностью полюсов 4, клиньев 5 и цилиндрических торцевых стакана 6 и втулки 7, снабжена бандажом 12 из высокопрочного немагнитного материала, например углеволокна. При этом внутренняя поверхность стенок торцевых стакана 6 и втулки 7 выполнена с возможностью их использования как обоймы радиально-упорных магнитных подшипников 10, 11.

На внутренней поверхности стенок торцевых стаканов 6 и 7 жестко закреплены составные постоянные магниты радиальных подшипников 10, 11 одинаковой высоты, каждый из которых содержит, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, намагниченных с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха.

Ротор изготавливают в следующем порядке (фиг. 1, 2). Диски 1 торцевыми поверхностями соединяют друг с другом и сваривают по наружной поверхности. На технологическую оправку устанавливают полюса 4 и немагнитные клинья 5. Подбор материалов позволяет использовать вакуумно-диффузионную или электроннолучевую сварку для получения заготовки ротора, представляющей из себя монолитную конструкцию (после первого этапа вакуумно-диффузионной сварки), включающую клинья 5 из немагнитной стали и полюса 4 из материала с высокой магнитной проницаемостью. Из немагнитного материала, например нержавеющей стали, изготавливают цилиндрические торцевые стакан 6 и втулку 7. К торцу составного кольца, состоящего из полюсов 4 и клиньев 5, соосно устанавливают и приваривают торцевой стакан 6 и цилиндрическую втулку 7. На вал приклеивают планки постоянных магнитов 2 и 3 с соблюдением направления намагниченности планок по схеме Хальбаха. Нагревают сваренную конструкцию полюсов 4, немагнитных клиньев 5 и стакана 6 и втулки 7 до температуры, не превышающей точку Кюри постоянных магнитов, и вставляют во внутрь этой конструкции планки магнитов 2 и 3 в сборе с валом. Устанавливают, например, на клей стакан 8. На наружную поверхность ротора, образованную полюсами 4, немагнитными клиньями 5 и стакана 6 и втулки 7, наматывают бандаж 12 из углеволокна и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. Во внутрь стакана 6 и втулки 7 вклеивают кольцевые постоянные магниты радиальных подшипников 10 и 11.

Заявленное устройство работает следующим образом (см. фиг.1). При вращении ротора в цилиндрических втулках (торцевых стакане 6 и втулке 7), дисках 1, полюсах 4 и немагнитных клиньях 5 возникают напряжения от действия центробежных сил и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Диски 1 препятствуют расширению наружных поверхностей цилиндрического вала от действия центробежных сил и тем самым снижают радиальные деформации составного магнитного кольца 2, 3, что снижает напряжения в нем. Составное магнитное кольцо 2, 3 под действием центробежных сил создает значительные напряжения в составном кольце, состоящем из полюсов 4 и немагнитных клиньев 5. Для предотвращения разрушения составного кольца на его наружную поверхность намотан бандаж 12 из высокопрочного немагнитного материала, например углеволокна. При отсутствии центрального отверстия в диске 1 напряжения минимальны (отсутствует эффект «булавочного укола»). Крутящий момент от приводного двигателя на ротор передается от приводного вала 9, через торец стакана 6, полюса 4 и немагнитные клинья 5. Для предотвращения прокручивания немагнитных клиньев 5 и полюсов 4 относительно магнитных планок они выполнены разной толщины. Это позволяет также избежать ошибки при сборке ротора электромашины.

Работа электромашины не отличается от работы известных устройств аналогичного назначения.