EA014727B1 - Электрическая машина с постоянными магнитами - Google Patents

Abstract

Предложена электрическая машина, содержащая явнополюсный статор с катушками, явнополюсный ротор, образованный силовым кольцом и магнитной системой, состоящей из пакетов секторных и полюсных пластин и тангенциально намагниченных постоянных магнитов. Пакеты полюсных пластин стянуты в аксиальном направлении через нажимные пластины посредством крепежного элемента, пропущенного через внутреннее отверстие в полюсных и нажимных пластинах, а пакеты секторных пластин собраны на планках, имеющих форму ласточкиного хвоста и закрепленных на силовом кольце с помощью крепежных элементов. Предлагаемая электрическая машина отличается тем, что каждый пакет секторных пластин совместно с плотно примыкающими к нему с двух сторон постоянными магнитами охвачен силовым бандажом из электроизоляционного материала, образуя секторный блок, причем в зоне крепежных элементов планки к силовому кольцу электроизоляционный бандаж отсутствует. В настоящем изобретении между торцами постоянных магнитов, обращенных к воздушному зазору, установлена профильная планка из немагнитного материала, а каждый пакет полюсных пластин расположен между двумя соседними секторными блоками, плотно примыкает к боковым граням секторных блоков и закреплен на силовом кольце крепежными элементами, скрепленными с торцевыми нажимными пластинами данного пакета.

Description

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

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известен электрический генератор (ЕР 1508955 А1, Н02К 21/16, 23.02.2005 г.), 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 имеет ряд недостатков. Наличие магнитопроводящей перемычки обусловливает наличие магнитных потоков рассеивания, замыкающихся через перемычки и не проходящих через воздушный зазор машины, что снижает по величине основной магнитный поток, проходящий 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. Наличие потоков рассеяния понижает КПД машины, определяет необходимость компенсировать величину потерь магнитного потока за счет увеличения длины ротора или диаметра ротора, что, в свою очередь, приводит к увеличению массы машины и ее стоимости.

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 образованием полюсов с перемычками, что негативно сказывается, в особенности при повышенных частотах вращения. Данный недостаток также приводит к понижению КПД генератора.

Известна также многофазная электрическая машина с постоянными магнитами (ЕР 010775 В1, Н02К 21/12, 30.10.2008 г.), которая содержит явнополюсный ротор, образованный силовым кольцом и магнитной системой, включающей пакеты секторных пластин с выемками, в которых размещены пакеты полюсных пластин, имеющих форму треугольника, одна из вершин которого обращена к силовому кольцу, и тангенциально намагниченные магнитные блоки, расположенные между пакетами секторных и полюсных пластин. Каждый пакет полюсных пластин стянут в аксиальном направлении посредством крепежного элемента, пропущенного через внутреннее отверстие в полюсных пластинах. Каждая полюсная пластина имеет прорезь для соединения через нее крепежного элемента полюсной пластины с профильным элементом.

Фиксация независимых конструктивных узлов и пакетов секторных пластин на силовом кольце осуществляется посредством клиньев, устанавливаемых между независимыми конструктивными узлами. Каждый клин связан шпильками с силовым кольцом. Шпильки скреплены с аксиальной планкой, жестко установленной на силовом кольце.

Такая конструкция имеет также ряд недостатков. Наличие крепежного элемента полюсной пластины, соединенного с профильным элементом, и шпильки, связывающие клинья с силовым кольцом, определяют необходимость образования воздушных зазоров между углами магнитных блоков, что приводит к появлению паразитных потоков магнитного рассеяния, замыкающихся между торцами постоянных магнитов и не проходящих через воздушный зазор, это соответственно приводит к понижению КПД машины. В случае обеспечения требуемых параметров машины (мощности) из-за пониженной эффективности это приводит к увеличению либо длины магнитопровода ротора и статора, либо диаметра расточки ротора и статора, что в конечном счете приводит к увеличению массы машины и ее стоимости.

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 для относительно низкоскоростных машин. Дополнительно реализуется повышение технологичности сборки предлагаемой электрической машины, упрощается конфигурация и количество элементов узлов магнитной системы ротора и соответственно стоимость изготовления и стоимость машины в целом.

Предлагаемая электрическая машина содержит явнополюсный статор с катушками, явнополюсный ротор, образованный силовым кольцом и магнитной системой, состоящей из пакетов секторных и полосных пластин и тангенциально намагниченных постоянных магнитов. Пакеты полюсных пластин стянуты в аксиальном направлении через нажимные пластины посредством крепежного элемента, пропущенного через внутреннее отверстие в полюсных и нажимных пластинах, а пакеты секторных пластин собраны на планках, имеющих форму ласточкиного хвоста и закрепленных на силовом кольце с помощью крепежных элементов. Электрическая машина отличается тем, что каждый пакет секторных пластин совместно с плотно примыкающими к нему с двух сторон постоянными магнитами, охвачен силовым бандажом из электроизоляционного материала, образуя секторный блок, причем в зоне крепежных элементов планки к силовому кольцу электроизоляционный бандаж отсутствует. В настоящем изобретении между торцами

- 1 014727 постоянных магнитов, обращенных к воздушному зазору, установлена профильная планка из немагнитного материала, а каждый пакет полюсных пластин расположен между двумя соседними секторными блоками, плотно примыкает к боковым граням секторных блоков и закреплен на силовом кольце крепежными элементами, скрепленными с торцевыми нажимными пластинами данного пакета. Форма поверхности силового кольца в местах сопряжения пакетов секторных пластин с силовым кольцом предпочтительно имеет вид плоской поверхности. Постоянные магниты в предпочтительном варианте выполнены в виде магнитных блоков, состоящих из нескольких постоянных магнитов.

За счет наличия электроизоляционного бандажа осуществляется удержание блоков с постоянными магнитами при действии центробежных сил и упрощается геометрическая форма элементов магнитной системы ротора, упрощается конструкция магнитной системы ротора, что, в свою очередь, приводит к повышению надежности конструкции и снижению стоимости машины.

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 изображено поперечное сечение участка ротора примерного варианта осуществления электрической машины по фиг. 2.

На фиг. 4 схематически изображено продольное сечение участка ротора по фиг. 1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Далее описан один из возможных вариантов осуществления электрической машины по настоящему изобретению. Изображенная на фиг. 1 и 2 электрическая машина имеет корпус 1, на торцах которого установлены торцевые щиты 2. В корпусе 1 установлен статор 3, состоящий из магнитопровода 4, имеющего явно выраженные полюса, и катушек 5, уложенных в пазы магнитопровода 4 и образующих многофазную обмотку.

Внутри расточки статора 3 установлен ротор 6, состоящий из вала в виде двух хвостовиков 7, магнитной системы 8 и подшипниковых опор 9, установленных в торцевые щиты 2. Магнитная система 8 ротора 6 установлена на силовом кольце 10, которое закреплено на хвостовиках 7.

На фиг. 3, 4 представлена часть магнитной системы в большем масштабе. Магнитная система 8 ротора 6 состоит из пакетов секторных пластин 11, пакетов полюсных пластин 12, изготовленных из шихтованного железа, и тангенциально намагниченных магнитных блоков 13. В то же время вместо магнитных блоков 13, используемых в настоящем случае в качестве постоянных магнитов, могут быть использованы монолитные элементы, изготовленные из магнитного материала. Пакеты полюсных пластин 12 стянуты в аксиальном направлении через нажимные пластины 14 крепежным элементом 15, например в виде шпильки, пропущенным через внутреннее отверстие в пакете полюсных пластин 12 и нажимных пластин 14. Пакеты секторных пластин собраны на планках 16, имеющих форму, например, ласточкиного хвоста, которые закреплены на силовом кольце 10 с помощью крепежных элементов 17.

Каждый пакет секторных пластин 11 совместно с плотно примыкающими к нему с двух сторон магнитными блоками 13 охвачен силовым бандажом 18 из электроизоляционного материала, образуя секторный блок 19. В зоне крепежных элементов 17 планки 16 к силовому кольцу 10 силовой бандаж 18 отсутствует. Между торцами магнитных блоков 13, обращенных к воздушному зазору, установлена профильная планка 20, выполненная из немагнитного материала, а каждый пакет полюсных пластин 12 расположен между двумя соседними секторными блоками 19 и плотно прилегает к боковым граням секторных блоков 19. Пакеты полюсных пластин 12 закреплены на силовом кольце 10 с помощью крепежных элементов 21, соединяющих нажимные пластины 14 с силовым кольцом 10.

Форма поверхности силового кольца 10 в местах сопряжения пакетов секторных пластин 11 с силовым кольцом 10 имеет вид плоской поверхности 22.

В предлагаемом изобретении элементы крепления 15, 17 узлов магнитной системы 8 ротора, воспринимающие центробежные силы, действующие на узлы магнитной системы 8, размещены так, что магнитные блоки по углам максимально приближены друг к другу. Это обеспечивает максимальное снижение величины магнитных потоков рассеяния, шунтирующих основной магнитный поток, и тем самым увеличивает основной магнитный поток в воздушном зазоре, создаваемый в воздушном рабочем зазоре, что соответственно повышает КПД машины, позволяет обеспечить меньшие размеры машины и соответственно снизить стоимость изделия. Для удержания магнитных блоков 13 от действия центробежных сил, обеспечения возможности максимального устранения воздушного зазора между углами магнитных блоков 13 пакет секторных пластин 11, магнитные блоки 13, планка 16 охвачены силовым бандажом 17. Для того чтобы силовой бандаж 18 находился в состоянии натяжения, что обеспечивает прочное механическое скрепление указанных элементов, конструктивно целесообразно в зоне торцов магнитных блоков 13, обращенных как в сторону воздушного зазора, так и в сторону к силовому кольцу 10, установить планки 16 соответствующей формы. Силовой бандаж 18 выполняется из высокопрочного материала, например из электроизоляционной ленты ЛСБ-Е. Применение силового бандажа 18, выполненного из электроизоляционной ленты, позволяет устранить наводимые токи Фуко в нем при проходя

- 2 014727 щем через магнитную систему ротора переменном магнитном потоке и соответствующие тепловые потери в случае протекания этих токов по силовому бандажу 18, что приводит к отсутствию снижения КПД машины. Так как пакет секторных пластин закрепляется на силовом кольце с помощью крепежных элементов, то магнитные блоки, закрепленные с помощью силового бандажа на пакетах секторных пластин, также удерживаются этими элементами в своем положении при действии центробежных сил.

Пакеты полюсных пластин 12 склеиваются между собой и стягиваются в аксиальном направлении для образования единого механического блока, ведущего себя как монолитный элемент. Это позволяет ограничиться креплением пакета полюсных пластин через нажимные пластины 14 (по краям пакета) к силовому кольцу 10. Такое крепление позволяет максимально сблизить магнитные блоки 13 между собой, максимально устранить магнитные потоки рассеяния, шунтирующие основной магнитный поток, повысить КПД машины, упростить геометрическую форму пакета полюсных пластин 12, упростить конструкцию магнитной системы ротора, снизить трудоемкость изготовления и соответственно стоимость машины.

Таким образом, обеспечено удержание центробежных нагрузок, действующих на элементы магнитной системы 8 ротора, путем закрепления их на силовом кольце 10.

Для снижения амплитуды вибрации машины широко практикуется выполнение магнитопроводов ротора с косым пазом (А.И. Вольдек Электрические машины. - Л., Энергия, 1978). В этом случае пазы магнитопровода, пазовая часть обмотки и другие элементы должны иметь винтообразную форму. В варианте исполнения машины с постоянными магнитами изготовление элементов магнитной системы (постоянные магниты, полюса, планки и т. п.) становится крайне трудоемким, требует специальной сложной технологической оснастки, что существенно повышает трудоемкость изготовления и соответственно стоимость машины в целом. Поэтому наиболее простым из способов создания косых пазов для машин с постоянными магнитами является создание, например путем фрезерования, на поверхности силового кольца многогранной поверхности, у которой грани имеют форму плоской поверхности. Это позволяет выполнять элементы магнитной системы ротора в виде прямолинейных элементов и для образования косого направления устанавливать их на силовом кольце ротора под углом к продольной оси машины. Изготовление элементов магнитной системы ротора прямолинейной формы существенно снижает трудоемкость их изготовления по сравнению с выполнением их по винтовой форме.

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.

Claims (3)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Электрическая машина, содержащая явнополюсный статор с катушками, явнополюсный ротор, образованный силовым кольцом и магнитной системой, состоящей из пакетов секторных и полюсных пластин и тангенциально намагниченных постоянных магнитов, причем пакеты полюсных пластин стянуты в аксиальном направлении через нажимные пластины посредством крепежного элемента, пропущенного через внутреннее отверстие в полюсных и нажимных пластинах, а пакеты секторных пластин собраны на планках, имеющих форму ласточкиного хвоста и закрепленных на силовом кольце с помощью крепежных элементов, отличающаяся тем, что каждый пакет секторных пластин совместно с плотно примыкающими к нему с двух сторон постоянными магнитами охвачен силовым бандажом из электроизоляционного материала, образуя секторный блок, причем в зоне крепежных элементов планки к силовому кольцу этот бандаж отсутствует, причем между торцами постоянных магнитов, обращенных к воздушному зазору, установлена профильная планка из немагнитного материала, а каждый пакет полюсных пластин расположен между двумя соседними секторными блоками, плотно примыкая к их боковым граням, и закреплен на силовом кольце крепежными элементами, входящими в торцевые нажимные пластины данного пакета.
2. 2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что поверхность силового кольца в местах сопряжения пакетов секторных пластин с силовым кольцом имеет вид плоской поверхности.
3. 3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что постоянные магниты представляют собой магнитные блоки.