EA010775B1

EA010775B1 - Многофазная электрическая машина с постоянными магнитами

Info

Publication number: EA010775B1
Application number: EA200800674A
Authority: EA
Inventors: Алексей Сергеевич АДАЛЕВ; Сергей Алексеевич БУЛГАКОВ; Алексей Сергеевич КИБАРДИН; Владимир Георгиевич КУЧИНСКИЙ; Владимир Федорович СОЙКИН; Андрей Михайлович ЧИЖОВ; Александр Витальевич Шилов
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2008-10-30
Also published as: EA200800674A1; WO2009092384A1

Abstract

Электрическая машина, содержащая явнополюсные статор и ротор, установленный снаружи статора и образованный силовым кольцом и магнитной системой. Магнитная система ротора включает пакеты секторных пластин с выемками, в которых размещены пакеты полюсных пластин, имеющих, по существу, форму треугольника, одна из вершин которого обращена к силовому кольцу, и тангенциально намагниченные магнитные блоки, расположенные между пакетами секторных и полюсных пластин, причем каждый пакет полюсных пластин стянут в аксиальном направлении посредством крепежного элемента, пропущенного через внутреннее отверстие в полюсных пластинах. Электрическая машина отличается тем, что каждая полюсная пластина снабжена прорезью, проходящей от указанного внутреннего отверстия до указанной вершины, и предусмотрен профильный элемент, установленный в области указанной вершины в аксиальном направлении ротора, жестко соединенный через указанную прорезь с крепежным элементом посредством по меньшей мере одной силовой стяжки таким образом, что указанный профильный элемент прилегает к внутренним торцевым сторонам магнитных блоков.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно к многофазным электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известны синхронные машины (Бут Д.А. «Бесконтактные электрические машины», М. «Высшая школа», 1985), которые содержат статор с магнитопроводом и обмоткой; ротор, содержащий магнитные полюса, выполненные из магнитно-мягкого материала, и постоянные магниты с тангенциальным намагничиванием, примыкающие к полюсам. 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 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.

Известен также электрический генератор (ЕР1 508955 А1, Н02К 21/16, 23.02.2005), который содержит статор с магнитопроводом и многофазной обмоткой; и ротор, содержащий сплошной магнитопроводящий цилиндр с наклонными пазами, в которые установлены постоянные магниты. Полюса ротора, расположенные между постоянными магнитами, обращены в сторону воздушного зазора и механически связаны между собой по направлению окружности ротора перемычками материала цилиндра. Эти перемычки воспринимают центробежные силы, действующие на полюса и постоянные магниты.

Такая конструкция также имеет ряд недостатков. Наличие магнитопроводящей перемычки обусловливает наличие магнитных потоков рассеивания, замыкающихся через перемычки и не проходящих через воздушный зазор машины. Для снижения этих потоков необходимо уменьшать сечение перемычки, что ослабляет механическое крепление полюсов и постоянных магнитов и ограничивает возможную скорость вращения ротора и, тем самым, достигаемую мощность генератора.

Недостатком такой конструкции также являются значительные тепловые потери от вихревых токов, связанных с зубцовыми гармониками поля. Эти токи наводятся в приповерхностном проводящем слое магнитной системы ротора, образованном полюсами и перемычками, что негативно сказывается, в особенности, при повышенных частотах вращения.

Для снижения величины этих потерь магнитные полюса и перемычки 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 ограничивается.

Возможно магнитную систему ротора выполнять из отдельных шихтованных полюсов, не связанных между собой перемычками, и удерживать полюса за их хвостовики, закрепляемые на бочке ротора. В этом случае из-за того, что сечение хвостовика меньше, чем сечение самого полюса, они выдерживают меньшую по величине центробежную силу по сравнению с вариантом, где эту силу воспринимает все сечение полюса. Таким образом, данный вариант конструкции также ограничивает скорость вращения ротора и уровень мощности генератора.

Наиболее предпочтительной для достижения больших скоростей вращения представляется конструкция обращенной машины, в которой ротор вращается снаружи закрепленного статора и элементы магнитной системы размещены на внутренней поверхности прочного цилиндра ротора.

Сущность изобретения

Электрическая машина по настоящему изобретению лишена указанных выше недостатков и в то же время решает дополнительно поставленные задачи. Предлагаемая конструкция обеспечивает надежную и безопасную работу при высоких скоростях вращения ротора. Дополнительно реализуется повышение технологичности сборки предлагаемой электрической машины, упрощается ее проведение.

Предлагаемая электрическая машина содержит явнополюсный статор, явнополюсный ротор, установленный снаружи статора и образованный силовым кольцом и магнитной системой, включающей пакеты секторных пластин с выемками, в которых размещены пакеты полюсных пластин, имеющих, по существу, форму треугольника, одна из вершин которого обращена к силовому кольцу, и тангенциально намагниченные магнитные блоки, расположенные между пакетами секторных и полюсных пластин, причем каждый пакет полюсных пластин стянут в аксиальном направлении посредством крепежного элемента, пропущенного через внутреннее отверстие в полюсных пластинах. Электрическая машина отличается тем, что каждая полюсная пластина снабжена прорезью, проходящей от указанного внутреннего отверстия до указанной вершины, и предусмотрен профильный элемент, установленный в области указанной вершины в аксиальном направлении ротора, жестко соединенный через указанную прорезь с крепежным элементом посредством по меньшей мере одной силовой стяжки, таким образом, что указанный профильный элемент прилегает к внутренним торцевым сторонам магнитных блоков.

В настоящем изобретении пакет полюсных пластин, два магнитных блока, профильный элемент, по меньшей мере одна силовая стяжка и крепежный элемент могут образовывать независимый конструк

- 1 010775 тивный узел, устанавливаемый в выемке пакета секторных пластин. Фиксация независимых конструктивных узлов и пакетов секторных пластин на силовом кольце может осуществляться посредством клиньев, устанавливаемых между независимыми конструктивными узлами, причем каждый клин связан по меньшей мере одной шпилькой с силовым кольцом. Шпилька при этом скреплена с аксиальной планкой, жестко установленной на силовом кольце. В свою очередь, аксиальная планка может быть приварена к силовому кольцу.

За счет наличия профильного элемента, жестко скрепляемого с крепежным элементом, обеспечивается дополнительная прочность магнитопровода, его устойчивость в том числе к возникающим при работе машины электромагнитным нагрузкам.

Упрощение изготовления электрической машины достигается путем независимой сборки конструктивных узлов и пакетов секторных пластин, а затем их установки в силовое кольцо ротора как отдельных конструктивных единиц. Предлагаемое крепление этих конструктивных единиц к силовому кольцу обеспечивает дополнительную прочность всей магнитной системы ротора.

Перечень фигур чертежей

На фиг. 1 схематически изображено продольное сечение примерного варианта осуществления электрической машины по настоящему изобретению.

На фиг. 2 схематически изображено поперечное сечение примерного варианта осуществления электрической машины по настоящему изобретению.

На фиг. 3 схематически изображен участок ротора примерного варианта осуществления электрической машины по фиг. 2.

На фиг. 4 схематически изображено поперечное сечение участка магнитопровода ротора по фиг. 3.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Далее описан один из возможных вариантов осуществления электрической машины по настоящему изобретению. Электрическая машина имеет корпус 1, на торцах которого установлены торцевые щиты 2. На внутренней стороне одного из торцевых щитов 2 установлен статор 3, имеющий цилиндрический корпус 4. В свою очередь, на цилиндрическом корпусе 4 расположен магнитопровод 5, имеющий явновыраженные полюса. Катушки 6, образующие многофазную обмотку, установлены на все полюса статора 3.

Ротор 7 состоит из вала 8 и диска 10, к которому прикреплено силовое кольцо 11. Вал своими концами входит в подшипники скольжения 9, расположенные в торцевых щитах 2. Силовое кольцо 11 охватывает снаружи статор 3. На внутренней поверхности силового кольца 11 установлена магнитная система ротора, состоящая из секторных пластин 12 с выемками, собранных в пакеты и изготовленных из шихтованного железа. Пакеты секторных пластин 12 помещаются на внутренней поверхности силового кольца 11. В выемках расположены полюсные пластины 13, также изготовленные из шихтованного железа и собранные в пакеты. По обеим сторонам пакетов полюсных пластин наклонно расположены магнитные блоки 14. Полюсные пластины 13 стянуты в аксиальном направлении через нажимные пластины 15 крепежными элементами 16, установленными в отверстиях полюсных пластин 13. Магнитные блоки 14 по краям соединены с нажимными пластинами 15 полюсных пластин 13. Каждая полюсная пластина 13 имеет прорезь 17, идущую от угла пластины до отверстия, в котором размещен крепежный элемент 16, стягивающий пакет полюсных пластин. Со стороны прорези установлены профильные элементы 18, жестко соединенные с крепежным элементом 16 с помощью силовых стяжек 19. Силовая стяжка может представлять собой в одном из вариантов элемент, имеющий цилиндрический конец с резьбой с одной стороны. Другой конец элемента имеет прямоугольную форму и приварен (для обеспечения компактности стыка) к крепежному элементу 16 в виде шпильки. Таким образом, пакет полюсных пластин 13, магнитные блоки 14, крепежный элемент 16, стягивающий пакет полюсных пластин 13, и профильный элемент 18 с силовыми стяжками 19 образуют единый конструктивный узел.

На внутренней поверхности силового кольца 11 между секторными пластинами 12 расположены аксиальные планки 20 с резьбовыми отверстиями. Аксиальные планки 20 скреплены с силовым кольцом 11, например, посредством сварки и выполняют роль шпонок.

Между вышеуказанными конструктивными узлами расположены клинья 21, соединенные с соответствующей аксиальной планкой 20 шпильками 22, проходящими в зоне сопряжения секторных пластин 12. Для размещения шпилек 22 в пакетах секторных пластин 12 выполнены местные занижения 23.

Элементы крепления, скрепляющие между собой магнитные блоки 14, пакет полюсных пластин 13, крепежный элемент 16 с силовыми стяжками 19 и профильный элемент 18 позволяют образовать промежуточный прочный конструкционный узел, что обеспечивает удобство сборки ротора двигателя.

После установки пакетов секторных пластин 12 по окружности в их выемки устанавливается ранее собранный конструктивный узел. После этого устанавливаются клинья 21 и с помощью шпилек 22, ввинчиваемых в резьбовые отверстия аксиальных планок 20, все элементы притягиваются к силовому кольцу 11. При затяжке клин 21 прижимает конструктивный узел с магнитными блоками 14 к пакету секторных пластин 12, который, в свою очередь, прижимается к силовому кольцу 11. Одновременно клинья 21 зажимают и фиксируют все элементы между собой в угловом направлении, образуя так называемый арочный распор. Посредством этого все элементы зажаты и прикреплены к силовому несущему

- 2 010775 кольцу 11.

При действии электромагнитных сил полюсные пластины 13 притягиваются к полюсам статора 5, при этом магнитная система ротора не смещается от своего начального положения. Во время работы машины действующий на полюсные пластины 13 тангенциальный электромагнитный момент передается на секторные пластины 12, которые удерживаются от смещения приваренными к силовому кольцу 11 аксиальными планками 20.

Работа электрической машины происходит следующим образом. На катушки статора, которые соединены между собой нужным образом, подается питание переменного напряжения, и по ним начинает проходить ток, амплитуда которого меняется во времени по требуемому закону. При взаимодействии протекающего тока и магнитного поля, которое определяется суммой полей, создаваемых протекающим током и постоянными магнитами, возникает вращающий электромагнитный момент, приводящий двигатель в движение.

Центробежные нагрузки, возникающие при вращении ротора, в этой конструкции передаются на силовое кольцо 11 через всю площадь его боковой поверхности. Это позволяет снизить общий уровень напряжений в материале кольца, выравнивая его по сечению, что позволяет увеличить скорость вращения и, тем самым, увеличить достигаемую мощность машины.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Электрическая машина, содержащая явнополюсный статор, явнополюсный ротор, установленный снаружи статора и образованный силовым кольцом и магнитной системой, включающей пакеты секторных пластин с выемками, в которых размещены пакеты полюсных пластин, имеющих, по существу, форму треугольника, одна из вершин которого обращена к силовому кольцу, и тангенциально намагниченные магнитные блоки, расположенные между пакетами секторных и полюсных пластин, причем каждый пакет полюсных пластин стянут в аксиальном направлении посредством крепежного элемента, пропущенного через внутреннее отверстие в полюсных пластинах, отличающаяся тем, что каждая полюсная пластина снабжена прорезью, проходящей от указанного внутреннего отверстия до указанной вершины, и предусмотрен профильный элемент, установленный в области указанной вершины в аксиальном направлении ротора, жестко соединенный через указанную прорезь с крепежным элементом посредством по меньшей мере одной силовой стяжки таким образом, что указанный профильный элемент прилегает к внутренним торцевым сторонам магнитных блоков.
2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что пакет полюсных пластин, два магнитных блока, профильный элемент, по меньшей мере одна силовая стяжка и крепежный элемент образуют независимый конструктивный узел, установленный в выемке пакета секторных пластин.
3. Электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что для фиксации указанных независимых конструктивных узлов и пакетов секторных пластин на силовом кольце предусмотрены клинья, установленные между независимыми конструктивными узлами, причем каждый клин связан по меньшей мере одной шпилькой с силовым кольцом.
4. Электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что указанный клин плотно прилегает к наружным торцевым сторонам магнитных блоков.
5. Электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что шпилька соединена с аксиальной планкой, жестко связанной с силовым кольцом.
6. Электрическая машина по п.5, отличающаяся тем, что аксиальная планка приварена к силовому кольцу.
7. Ротор электрической машины, образованный силовым кольцом и магнитной системой, включающей пакеты полюсных пластин, имеющих, по существу, треугольную форму, пакеты секторных пластин и магнитные блоки, причем каждый пакет полюсных пластин стянут в аксиальном направлении посредством крепежного элемента, пропущенного через внутреннее отверстие в полюсных пластинах и двух нажимных пластин, скрепленных с концами крепежного элемента, а магнитные блоки примыкают к двум сторонам указанного пакета секторных пластин, отличающийся тем, что в каждой полюсной пластине выполнена прорезь от угла, противолежащего поверхности полюса, до внутреннего отверстия, у указанного угла в аксиальном направлении вдоль пакета размещена планка, жестко соединенная с крепежным элементом посредством по меньшей мере одной силовой стяжки, помещающейся в прорези, при этом указанная планка прилегает к двум внутренним торцевым сторонам указанных магнитных блоков.