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 цилиндрический вал из немагнитного материала, на который надет индуктор, содержащий планки из магнитного материала, чередующиеся с контактирующими с ними своими боковыми поверхностями полюсами, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью, при этом внешняя поверхность ротора выполнена с возможностью удержания элементов индуктора при вращении. 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 радиальная деформация краевых полых цилиндрических втулок ротора при высоких частотах вращения и, как следствие, возможность заклинивания ротора.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение прочности ротора при высоких окружных скоростях и уменьшение дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении механической прочности ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости мощных электромашин без увеличения массогабаритных параметров, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора, что приводит к уменьшению дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.

Для решения поставленной задачи ротор электромашины, содержащий цилиндрический вал из немагнитного материала, на который надет индуктор, содержащий планки из магнитного материала, чередующиеся с контактирующими с ними своими боковыми поверхностями полюсами, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью, при этом внешняя поверхность ротора выполнена с возможностью удержания элементов индуктора при вращении, отличается тем, что вал выполнен монолитным, предпочтительно из титанового сплава, при этом на его внешней поверхности выполнены продольные канавки округлого сечения, равномерно удаленные друг от друга, симметричные радиально ориентированным плоскостям, причем планки из магнитного материала выполнены в виде пластин, торцы которых, обращенные к валу, конгруэнтны его внешней поверхности, а торцы пластин, обращенные к внешней поверхности ротора, конгруэнтны контактирующим с ними поверхностями тонкостенной фиксирующей втулки, выполненной из немагнитного материала, предпочтительно из титанового сплава, и надетой на индуктор, при этом тонкостенная фиксирующая втулка жестко скреплена с обращенными к ней поверхностями полюсов, а цилиндрический вал жестко скреплен с обращенными к нему противоположными поверхностями полюсов, кроме того, поверхности полюсов, обращенные к тонкостенной фиксирующей втулке, выступают по отношению к поверхностям магнитных планок и выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны поверхности тонкостенной фиксирующей втулки на ее контакте с магнитными планками, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора, кроме того, магнитные планки намагничены тангенциально, кроме того, на внешней поверхности фиксирующей втулки выполнен бандаж, предпочтительно, из высокопрочного волоконного материала, например из углеволокна. Кроме того, цапфы выполнены из немагнитного материала в виде выступов, сторона которых, обращенная к торцу ротора, снабжена юбкой в виде диска, выполненного с возможностью жесткого, предпочтительно разъемного, скрепления с торцами ротора. Кроме того, торцы магнитных планок уперты в юбки цапф.

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

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

Признак «…вал выполнен монолитным, предпочтительно из титанового сплава…» формирует жесткую и прочную конструкцию ротора и снижает его деформацию от действия центробежных сил при высоких окружных скоростях.

Признаки «…на его внешней поверхности выполнены продольные канавки округлого сечения, равномерно удаленные друг от друга, симметричные радиально ориентированным плоскостям…» снижают концентрацию напряжений в соединении полюсов и цилиндрического вала.

Признаки «…планки из магнитного материала выполнены в виде пластин, торцы которых, обращенные к валу, конгруэнтны его поверхности, а торцы пластин, обращенные к внешней поверхности ротора, конгруэнтны контактирующим с ними поверхностями тонкостенной фиксирующей втулки, выполненной из немагнитного материала, предпочтительно из титанового сплава, и надетой на индуктор…» обеспечивают размещение постоянных магнитов в каналах индуктора, снижают концентрацию напряжений в соединении магнитных планок и тонкостенной фиксирующей втулки.

Признаки «…тонкостенная фиксирующая втулка жестко скреплена с обращенными к ней поверхностями полюсов, а цилиндрический вал жестко скреплен с обращенными к нему противоположными поверхностями полюсов…» обеспечивают прочность ротора при высоких окружных скоростях.

Признаки «…поверхности полюсов, обращенные к тонкостенной фиксирующей втулке, выступают по отношению к поверхностям магнитных планок и выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны поверхности тонкостенной фиксирующей втулки на ее контакте с магнитными планками, с обеспечением приближения к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора…» обеспечивают синусоидальность графика распределения индукции магнитного поля и, как следствие, уменьшение дополнительных потерь и паразитных моментов, вызванных высшими гармониками магнитного поля индуктора.

Признак «…магнитные планки намагничены тангенциально …» формирует направление магнитного потока индуктора, обеспечивает возможность работы электрической машины.

Признак «…на внешней поверхности фиксирующей втулки выполнен бандаж, предпочтительно, из высокопрочного волоконного материала, например из углеволокна…» обеспечивает дополнительную прочность ротора.

Признак «…цапфы выполнены из немагнитного материала в виде выступов, сторона которых, обращенная к торцу ротора, снабжена юбкой в виде диска, выполненного с возможностью жесткого, предпочтительно разъемного, скрепления с торцами ротора…» обеспечивает формирование прочной конструкции цапф и вала ротора.

Признак «…торцы магнитных планок уперты в юбки цапф…» предотвращает осевое смещение магнитов при вращении ротора.

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

На чертежах показаны монолитный цилиндрический вал 1, полюса 2, магнитные планки 3, тонкостенная фиксирующая втулка 4, бандаж 5, цапфы 6 и 7, продольные канавки 8, винты 9, юбки 10 цапф 6 и 7.

Ротор электромашины содержит цилиндрический вал 1, выполненный монолитным, предпочтительно из титанового сплава. На внешней поверхности цилиндрического вала 1 выполнены продольные канавки 8 округлого сечения, равномерно удаленные друг от друга, симметричные радиально ориентированным плоскостям. На цилиндрический вал 1 надет индуктор, содержащий планки 3 из магнитного материала, чередующиеся с контактирующими с ними своими боковыми поверхностями полюсами 2, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью, при этом внешняя поверхность ротора выполнена с возможностью удержания элементов индуктора при вращении. Планки 3 из магнитного материала выполнены в виде пластин, торцы которых, обращенные к валу 1, конгруэнтны его поверхности, а торцы, обращенные к внешней поверхности ротора, конгруэнтны контактирующей с ними поверхности тонкостенной фиксирующей втулки 4. Тонкостенная фиксирующая втулка 4 выполнена из немагнитного материала, предпочтительно из титанового сплава, надета на индуктор и жестко скреплена с обращенными к ней поверхностями полюсов 2, а цилиндрический вал 1 жестко скреплен с обращенными к нему противоположными поверхностями полюсов 2.

Поверхности полюсов 2, обращенные к тонкостенной фиксирующей втулке 4, выступают по отношению к поверхностям магнитных планок 3 и выполнены со скруглением, радиус кривизны которого меньше радиуса кривизны наружной поверхности тонкостенной фиксирующей втулки 4. Это скругление обеспечивает приближение к синусоидальности графика распределения индукции магнитного поля по окружности поверхности индуктора. Магнитные планки 3 намагничены тангенциально, а на внешней поверхности фиксирующей втулки 4 выполнен бандаж 5, предпочтительно, из высокопрочного волоконного материала, например из углеволокна. На торцах вала 1 установлены цапфы 6, 7, выполненные из немагнитного материала в виде выступов, сторона которых, обращенная к торцу ротора, снабжена юбкой 10 в виде диска, выполненного с возможностью жесткого, предпочтительно разъемного, скрепления с торцами ротора. Для фиксации осевого перемещения магнитные планки 3 уперты в юбки 10 цапф 6, 7. Торцевая цапфа 6 соединена с валом 1 винтами 9.

Ротор изготавливают в следующем порядке (фиг.1, фиг.2). Цилиндрический вал 1 изготавливают из высокопрочного титанового сплава ВТ22. На внешней поверхности цилиндрического вала 1 фрезеруют канавки 8 округлого поперечного сечения. На полученную конструкцию устанавливают полюса 2, между которыми устанавливают технологические проставки, например, из текстолита, имеющие форму и размеры магнитных планок 3. На полюса 2 и технологические проставки надевают предварительно нагретую тонкостенную фиксирующую втулку 4 из титанового сплава и сваривают полученную конструкцию вакуумно-диффузионной сваркой.

После сварки удаляют технологические проставки. Из немагнитного материала, например титанового сплава ВТ22, изготавливают цилиндрические цапфы 6,7. К одному торцу цилиндрического вала 1 соосно устанавливают и приваривают торцевую цапфу 7, например вакуумно-диффузионной сваркой. Нагревают сваренную конструкцию цилиндрического вала 1, полюсов 2, цапфы 7 до температуры, не превышающей точку Кюри постоянных магнитов, и вставляют предварительно намагниченные планки 3 постоянных магнитов в полости внутри цилиндрического вала 1 и полюсов 2, образованные удалёнными технологическими проставками. На наружную поверхность тонкостенной фиксирующей втулки 4 наматывают бандаж 5 из углеволокна и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. Ко второму торцу цилиндрического вала 1 соосно устанавливают цапфу 6 и скрепляют ее винтами 9 с цилиндрическим валом 1. Ротор подвергают динамической балансировке.

Заявленное устройство работает следующим образом (см. фиг.1). При вращении ротора в цилиндрическом вале 1, полюсах 2, магнитных планках 3, тонкостенной фиксирующей втулки 4 и цапфах 6 и 7 возникают напряжения от действия центробежных сил и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Для предотвращения разрушения индуктора на его наружную поверхность намотан бандаж 5 из высокомодульного материала, например углеволокна. При отсутствии центрального отверстия в цилиндрическом вале 1 напряжения минимальны (отсутствует эффект «булавочного укола»). С внешним механизмом ротор электромашины связан через цапфу 6 и цилиндрический вал 1.