RU202511U1

RU202511U1 - ROTOR OF HIGH-SPEED SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE

Info

Publication number: RU202511U1
Application number: RU2020139972U
Authority: RU
Inventors: Владимир Маркович Довгалёнок; Александр Николаевич Дрындин; Валерий Николаевич Захаренков; Андрей Дмитриевич Куприянов; Дмитрий Анатольевич Ситин; Алексей Алексеевич Сулыгин
Original assignee: Акционерное общество «Аэроэлектромаш»
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2021-02-20

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам. Ротор электрической машины, который содержит вал, имеющий полость, и постоянный магнит, расположенный в полости. Вал включает в себя первый и второй вальные элементы, расположенные продольно и соединенные между собой с замыканием упомянутой полости. Первый вальный элемент содержит опорную поверхность первого вального элемента, а второй вальный элемент содержит опорную поверхность второго вального элемента. Обе указанные опорные поверхности имеют коническую форму, являются сопрягающимися и находятся в контакте друг с другом. Первый и второй вальные элементы способны воспринимать усилие в направлении друг друга со стороны соединительного элемента, пролегающего по центру вала. Технический результат полезной модели состоит в увеличении силы трения покоя между опорными поверхностями первого и второго вальных элементов, благодаря которой обеспечивается передача крутящего момента от одного вального элемента к другому без взаимного проскальзывания.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to electrical machines. The rotor of an electric machine, which contains a shaft having a cavity, and a permanent magnet located in the cavity. The shaft includes the first and second shaft elements located longitudinally and connected to each other with the closure of the said cavity. The first shaft element contains the bearing surface of the first shaft element, and the second shaft element contains the bearing surface of the second shaft element. Both of these support surfaces are tapered, mating and in contact with each other. The first and second shaft elements are capable of receiving a force in the direction of each other from the side of the connecting element running along the center of the shaft. The technical result of the utility model consists in increasing the static friction force between the bearing surfaces of the first and second shaft elements, due to which the transmission of torque from one shaft element to another without mutual slippage is ensured.

Description

Область техникиTechnology area

[1] Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам. В контексте настоящей полезной модели под электрической машиной понимается электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот, а именно генераторы электрического тока и электродвигатели.[1] The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular, to electrical machines. In the context of the present utility model, an electric machine is understood to mean an electromechanical device designed to convert mechanical energy into electrical energy and vice versa, namely, electric current generators and electric motors.

[2] Обращая внимание на тот факт, что полезная модель может быть использована для изготовления любой из указанных электрических машин, авторы полезной модели полагают, что основным направлением для использования полезной модели являются высокооборотные синхронные электрические машины, преимущественно предназначенные для применения в авиационном электромашиностроении.[2] Paying attention to the fact that the utility model can be used to manufacture any of these electrical machines, the authors of the utility model believe that the main direction for using the utility model are high-speed synchronous electrical machines, mainly intended for use in aeronautical electrical engineering.

Предпосылки к созданию полезной моделиPrerequisites for the creation of a utility model

[3] Традиционная синхронная электрическая машина содержит корпус, в полости которого размещены статор и ротор. Статор выполнен в виде электрического контура (обмотки), прикрепленного к корпусу, и окружающего ротор в радиальном направлении. Ротор содержит вал, который установлен в корпусе на подшипниках, и магнитную систему, образованную, по меньшей мере, одним прикрепленным к валу постоянным магнитом. Применительно к высокооборотным синхронным электрическим машинам (>40000 об/мин), становится актуальным обеспечение надежного удержания магнитной системы в радиальном направлении, для чего магнитная система может быть размещена внутри вала. Однако, как будет показано ниже, исполнение синхронной электрической машины в данной конфигурации сопровождается технологической проблемой, не нашедшей до настоящего времени эффективного решения.[3] A traditional synchronous electric machine comprises a housing in which a stator and a rotor are placed. The stator is made in the form of an electrical circuit (winding) attached to the housing and surrounding the rotor in the radial direction. The rotor contains a shaft, which is mounted in a housing on bearings, and a magnetic system formed by at least one permanent magnet attached to the shaft. With regard to high-speed synchronous electric machines (> 40,000 rpm), it becomes relevant to ensure reliable retention of the magnetic system in the radial direction, for which the magnetic system can be placed inside the shaft. However, as will be shown below, the execution of a synchronous electric machine in this configuration is accompanied by a technological problem that has not yet found an effective solution.

[4] Патентная публикация US2005099079A1, 12.05.2005 раскрывает ротор синхронной электрической машины, в котором вал снабжен двумя торцевыми элементами, удерживающими ротор в подшипниках, и гильзой, соединяющей торцевые элементы. Магнитная система из постоянных магнитов размещена внутри гильзы между торцевыми элементами. Соединительный элемент обеспечивает продольную фиксацию магнитной системы и торцевых элементов, что в ходе сборки ротора позволяет выполнить заготовку из торцевых элементов и магнитной системы с тем, чтобы до установки в гильзу обработать полученную заготовку как одно целое.[4] Patent publication US2005099079A1, 05/12/2005 discloses a rotor of a synchronous electric machine in which a shaft is provided with two end members holding the rotor in bearings and a sleeve connecting the end members. The permanent magnet system is located inside the sleeve between the end elements. The connecting element provides longitudinal fixation of the magnetic system and the end elements, which, during the assembly of the rotor, makes it possible to make a blank from the end elements and the magnetic system in order to process the resulting blank as a whole prior to installation in the sleeve.

[5] Жесткое соединение между торцевыми элементами, магнитной системой и гильзой, т.е. такое соединение, которое позволяет скрепить соединяемые части как одно целое и передавать крутящий момент без проскальзывания, возникает в результате посадки гильзы на заготовку с натягом, что происходит после выравнивания температур между предварительно разогретой гильзой и введенной в нее предварительно охлажденной заготовкой. Данное решение надежно скрепляет торцевые элементы и магнитную систему с гильзой, однако, его недостатком является существенное снижение магнитных свойств постоянных магнитов, наблюдаемое после их резкого разогрева из охлажденного состояния. [5] Rigid connection between end pieces, magnet system and sleeve, i. E. such a connection, which allows the parts to be joined together as a whole and transmit torque without slipping, arises as a result of the fit of the sleeve on the workpiece with an interference fit, which occurs after equalizing the temperatures between the preheated sleeve and the precooled workpiece inserted into it. This solution reliably holds the end elements and the magnetic system with the sleeve, however, its disadvantage is a significant decrease in the magnetic properties of permanent magnets, which is observed after their sharp heating from the cooled state.

[6] Патентная публикация RU97015U1, 20.08.2010 раскрывает ротор синхронной электрической машины, в котором первый торцевой элемент вала и гильза выполнены заодно. Магнитная система расположена в гильзе, которая соединена со вторым торцевым элементом по сопрягающимся радиальным поверхностям, имеющим цилиндрическую форму, и сопрягающимся торцевым поверхностям, являющимися плоскими. Данное решение, являющееся прототипом полезной модели, не требует теплового воздействия на элементы вала и потому позволяет сохранить изначально высокие магнитные свойства магнитной системы.[6] Patent publication RU97015U1, 08/20/2010 discloses a rotor of a synchronous electric machine, in which the first shaft end element and the sleeve are integrally formed. The magnetic system is located in a sleeve that is connected to the second end member along mating radial surfaces that are cylindrical in shape and mating end surfaces that are flat. This solution, which is a prototype of a utility model, does not require thermal effects on the shaft elements and therefore allows maintaining the initially high magnetic properties of the magnetic system.

[7] Заметим, что хотя в состоянии покоя гильза и второй торцевой элемент по своим сопрягающимся радиальным поверхностям соединены с некоторым натягом, в ходе эксплуатации синхронной электрической машины на высоких частотах вращения под действием центробежной силы происходит расширение гильзы, и в отсутствие радиального прижимающего усилия передача крутящего момента через сопрягающиеся радиальные поверхности прекращается. Тем не менее, соединительный элемент создает между первым и вторым торцевыми элементами продольное прижимающее усилие, которое при достижении определенной величины могло бы обеспечить передачу крутящего момента от гильзы ко второму опорному элементу посредством силы трения между сопрягающимися торцевыми поверхностями.[7] Note that although at rest the sleeve and the second end element are connected with some interference along their mating radial surfaces, during operation of the synchronous electric machine at high speeds of rotation under the action of centrifugal force, the sleeve expands, and in the absence of radial pressing force, the transmission torque through the mating radial surfaces ceases. However, the connecting element creates a longitudinal pressing force between the first and second end elements, which, when a certain value is reached, could transfer torque from the sleeve to the second support element by means of frictional force between the mating end surfaces.

[8] Однако площадь контакта между сопрягающимися торцевыми поверхностями гильзы и второго торцевого элемента по объективным компоновочным причинам оказывается достаточно малой, при этом упомянутое прижимающее усилие должно иметь сравнительно большую величину. Даже если принять, что сила трения не зависит от номинальной (т.е. непосредственно наблюдаемой) площади контакта, указанное обстоятельство приводит к значительному давлению, воспринимаемому сопрягающимися торцевыми поверхностями гильзы и второго торцевого элемента. В результате этого указанные элементы вала могут оказаться не в состоянии выдержать ту величину прижимающего усилия, которая необходима для передачи крутящего момента посредством трения, и подвергнуться деформации.[8] However, the contact area between the mating end surfaces of the sleeve and the second end element for objective layout reasons is quite small, while the said pressing force should have a relatively large value. Even if it is assumed that the friction force is independent of the nominal (i.e., directly observed) contact area, this circumstance leads to significant pressure perceived by the mating end surfaces of the sleeve and the second end element. As a result, these shaft elements may not be able to withstand the amount of pressing force required to transmit torque through friction, and undergo deformation.

[9] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в таком усовершенствовании ротора синхронной электрической машины, которое сможет обеспечить жесткое соединение элементов вала, исключающее чрезмерное давление на сопрягающиеся поверхности данных элементов, способное вызвать их деформацию, и которое при этом не будет сопровождаться температурным воздействием на размещаемую внутри вала магнитную систему.[9] The technical problem to be solved by the utility model consists in such improvement of the rotor of a synchronous electric machine, which can provide a rigid connection of the shaft elements, eliminating excessive pressure on the mating surfaces of these elements, which can cause their deformation, and which will not accompanied by a temperature effect on the magnetic system placed inside the shaft.

Сущность полезной моделиThe essence of the utility model

[10] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложен ротор электрической машины, который содержит вал, имеющий полость, и расположенную в полости магнитную систему, состоящую, по меньшей мере, из одного постоянного магнита. Вал образован первым и вторым вальными элементами, расположенными продольно и соединенными между собой с замыканием упомянутой полости. Первый вальный элемент содержит опорную поверхность первого вального элемента, а второй вальный элемент содержит опорную поверхность второго вального элемента. Обе указанные опорные поверхности имеют коническую форму, являются сопрягающимися и находятся в контакте друг с другом. Кроме того, первый и второй вальные элементы способны воспринимать усилие в направлении друг друга (далее также - прижимающее усилие) со стороны соединительного элемента, пролегающего по центру вала.[10] To solve this technical problem, the rotor of an electric machine is proposed as a useful model, which contains a shaft having a cavity and a magnetic system located in the cavity, consisting of at least one permanent magnet. The shaft is formed by the first and second shaft elements located longitudinally and connected to each other to close the said cavity. The first shaft element contains the bearing surface of the first shaft element, and the second shaft element contains the bearing surface of the second shaft element. Both of these supporting surfaces are tapered, mating and in contact with each other. In addition, the first and second shaft elements are able to perceive a force in the direction of each other (hereinafter also referred to as pressing force) from the side of the connecting element running along the center of the shaft.

[11] Технический результат полезной модели состоит в существенном увеличении номинальной площади контакта между опорными поверхностями первого и второго вальных элементов относительно прототипа, что позволяет увеличить прижимающее усилие без риска деформационного повреждения вальных элементов. Далее, благодаря своей конической форме под воздействием увеличенного прижимающего усилия опорные поверхности могут незначительно сдвинуться друг по другу, что приведет к срезанию фактически контактирующих микроскопических выступов, увеличивая уже фактическую площадь контакта, а значит, и допустимое прижимающее усилие.[11] The technical result of the utility model consists in a significant increase in the nominal contact area between the bearing surfaces of the first and second shaft elements relative to the prototype, which allows increasing the pressing force without the risk of deformation damage to the shaft elements. Further, due to their conical shape, under the influence of the increased pressing force, the supporting surfaces can slightly move along each other, which will lead to shearing off the actually contacting microscopic protrusions, increasing the actual contact area, and hence the permissible pressing force.

[12] Следует отметить, что увеличение прижимающего усилия, приложенного к вальным элементам, вызывает пропорциональное увеличение силы трения покоя между опорными поверхностями вальных элементов, благодаря которой обеспечивается передача крутящего момента от одного вального элемента к другому без взаимного проскальзывания. Таким образом, достигаемый технический результат позволяет успешно решить стоящую перед полезной моделью техническую проблему, которая заключается в обеспечении жесткого соединения вальных элементов. [12] It should be noted that an increase in the pressing force applied to the shaft elements causes a proportional increase in the static friction force between the bearing surfaces of the shaft elements, due to which the transfer of torque from one shaft element to another without mutual slippage is ensured. Thus, the achieved technical result makes it possible to successfully solve the technical problem facing the utility model, which consists in ensuring a rigid connection of shaft elements.

[13] В частном случае полезной модели первый и второй вальный элементы дополнительно имеют шпоночное соединение, расположенное в месте контакта их опорных поверхностей. Данное решение гарантирует жесткое соединение первого и второго вального элементов путем зацепления, а значит, появляется возможность снизить величину прижимающего усилия между ними. В результате этого радиальный размер соединительного элемента может быть уменьшен с одновременным увеличением пространства для размещения магнитной системы.[13] In the particular case of the utility model, the first and second shaft elements additionally have a keyed connection located at the point of contact of their supporting surfaces. This solution guarantees a rigid connection of the first and second shaft elements by means of engagement, which means that it becomes possible to reduce the amount of pressing force between them. As a result, the radial dimension of the connecting element can be reduced while the space for accommodating the magnetic system is increased.

[14] В другом частном случае полезной модели соединительный элемент выполнен в виде болта или шпильки, что позволяет выполнить разъемное соединение вальных элементов, а также благодаря резьбе произвести плавную регулировку прижимающего усилия.[14] In another particular case of the utility model, the connecting element is made in the form of a bolt or a stud, which makes it possible to perform a detachable connection of shaft elements, as well as, thanks to the thread, to make a smooth adjustment of the pressing force.

[15] В предпочтительном случае полезной модели (далее - указанный предпочтительный случай полезной модели) первый вальный элемент содержит гильзу, в которой размещается постоянный магнит, и торцевой элемент, воспринимающий прижимающее усилие, причем на одном определенном в продольном направлении конце гильзы выполнена опорная поверхность первого вального элемента, а на другом своем конце гильза соединена с торцевым элементом. Данное решение позволяет выполнить участок соединения первого и второго вальных элементов за пределами магнитной системы в продольном направлении, что в свою очередь обеспечивает равномерность магнитного потока, проходящего через внешнюю радиальную поверхность ротора, на всей длине магнитной системы.[15] In the preferred case of the utility model (hereinafter referred to as the preferred case of the utility model), the first shaft element comprises a sleeve in which a permanent magnet is placed, and an end element that receives a pressing force, and at one end of the sleeve defined in the longitudinal direction, the support surface of the first shaft element, and at its other end the sleeve is connected to the end element. This solution allows the connection of the first and second shaft elements outside the magnetic system in the longitudinal direction to be made, which in turn ensures the uniformity of the magnetic flux passing through the outer radial surface of the rotor over the entire length of the magnetic system.

[16] В указанном предпочтительном случае полезной модели гильза и торцевой элемент могут быть выполнены заодно. В этом случае достигается упрощение конструкции первого вального элемента за счет снижения числа составляющих его компонентов. [16] In the specified preferred case of the utility model, the sleeve and the end element can be made integrally. In this case, a simplification of the design of the first shaft element is achieved by reducing the number of its constituent components.

[17] Далее, в указанном предпочтительном случае полезной модели опорная поверхность первого вального элемента может являться охватывающей поверхностью, а опорная поверхность второго вального элемента может являться охватываемой поверхностью. Данное решение предоставляет возможность минимизировать внешний диаметр второго вального элемента, что по сравнению со случаем, когда охватывающей поверхностью является опорная поверхность второго вального элемента, дает преимущество при выработке компоновочных решений синхронной электрической машины, например, позволяет использовать подшипники меньшего радиального размера. [17] Further, in the specified preferred case of the utility model, the bearing surface of the first shaft element may be a female surface, and the bearing surface of the second shaft element may be a male surface. This solution makes it possible to minimize the outer diameter of the second shaft element, which, in comparison with the case when the supporting surface of the second shaft element is the female surface, gives an advantage in the development of layout solutions for a synchronous electric machine, for example, allows the use of bearings of a smaller radial size.

[18] Более того, в дальнейшем развитии указанного предпочтительного случая опорная поверхность первого вального элемента может являться первой охватывающей опорной поверхностью, а опорная поверхность второго вального элемента может являться первой охватываемой опорной поверхностью. В этом случае на втором конце гильзы выполнена вторая охватывающая опорная поверхность, а на торцевом элементе выполнена вторая охватываемая опорная поверхность, причем обе вторые опорные поверхности имеют коническую форму, являются сопрягающимися и находятся в контакте друг с другом.[18] Moreover, in a further development of this preferred case, the bearing surface of the first shaft member may be the first female bearing surface, and the bearing surface of the second shaft member may be the first male bearing surface. In this case, a second enclosing support surface is provided at the second end of the sleeve, and a second male support surface is provided on the end element, and both second support surfaces are tapered, mating and in contact with each other.

[19] Данное решение позволяет изготовить гильзу и торцевой элемент по отдельности, а потом соединить их с образованием первого вального элемента, что может быть актуально при выполнении торцевого элемента как части сложной детали, например, турбинного колеса. Жесткое соединение гильзы и торцевого элемента реализуется аналогично таковому для первого и второго вальных элементов, обеспечивая все описанные выше технические результаты. [19] This solution makes it possible to manufacture the sleeve and the end element separately, and then connect them to form the first shaft element, which may be relevant when making the end element as part of a complex part, for example, a turbine wheel. The rigid connection of the sleeve and the end element is realized similarly to that for the first and second shaft elements, providing all the technical results described above.

[20] В указанном предпочтительном случае полезной модели магнитная система может быть закреплена на расположенной в гильзе втулке, которая прикреплена ко второму вальному элементу или выполнена с ним заодно, и внутри которой проходит соединительный элемент. Данный случай раскрывает компоновочное решение по размещению и закреплению постоянных магнитов в гильзе, которое по мнению авторов полезной модели является наиболее выигрышным с точек зрения жесткости конструкции ротора и количества выполняемых при его сборке технологических операций.[20] In the specified preferred case of the utility model, the magnetic system can be fixed on a sleeve located in the sleeve, which is attached to the second shaft element or is integral with it, and inside which the connecting element passes. This case reveals a layout solution for placing and fixing permanent magnets in the sleeve, which, according to the authors of the utility model, is the most advantageous in terms of the rigidity of the rotor structure and the number of technological operations performed during its assembly.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

[21] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:[21] The implementation of the utility model will be explained by referring to the figures:

Фиг. 1 - продольный разрез ротора синхронной электрической машины, выполненного согласно полезной модели;FIG. 1 is a longitudinal section of a rotor of a synchronous electric machine made according to the utility model;

Фиг. 2 - поперечный разрез ротора синхронной электрической машины по плоскости А-А, обозначенной на Фиг. 1;FIG. 2 is a cross-section of the rotor of a synchronous electric machine along the plane A-A indicated in FIG. one;

Фиг. 3 - продольный разрез ротора синхронной электрической машины, выполненного согласно частному случаю полезной модели.FIG. 3 is a longitudinal section of a rotor of a synchronous electric machine, made according to a special case of the utility model.

Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов ротора, отображенных на фигурах, являются условными и показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов ротора и их причинно-следственную связь с заявленным техническим результатом. It should be noted that the shape and dimensions of the individual elements of the rotor shown in the figures are conditional and shown so as to most clearly illustrate the relative position of the rotor elements and their causal relationship with the claimed technical result.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

[22] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах реализации полезной модели, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.[22] The implementation of the utility model will be shown on the best examples of utility model implementation known to the authors, which are not restrictions on the scope of protected rights.

[23] Ротор 1 синхронной электрической машины (Фиг. 1) содержит вал 2 с полостью 3, проходящей вдоль оси вала 2, и постоянный магнит 4, расположенный в полости 3. Постоянный магнит 4 является частью магнитной системы ротора 1, которая может включать в себя один, два, три, четыре или больше постоянных магнитов 4. В рассматриваемом случае магнитная система ротора 1 содержит четыре постоянных магнита 4 (Фиг. 2). Таким образом, признак формулы полезной модели «ротор содержит постоянный магнит» включает в себя также случаи, когда указанный постоянный магнит не является единственным, или другими словами, те случаи, когда ротор содержит любое множество постоянных магнитов, в т.ч. множество из четырех постоянных магнитов 4.[23] The rotor 1 of a synchronous electric machine (Fig. 1) contains a shaft 2 with a cavity 3 extending along the axis of the shaft 2, and a permanent magnet 4 located in the cavity 3. The permanent magnet 4 is part of the magnetic system of the rotor 1, which can include itself one, two, three, four or more permanent magnets 4. In this case, the magnetic system of the rotor 1 contains four permanent magnets 4 (Fig. 2). Thus, the feature of the formula of the utility model "the rotor contains a permanent magnet" also includes cases when the specified permanent magnet is not the only one, or in other words, those cases when the rotor contains any set of permanent magnets, incl. set of four permanent magnets 4.

[24] Вал 2 включает в себя первый вальный элемент 10 и второй вальный элемент 20, расположенные продольно и соединенные между собой с замыканием полости 3. Понятие «замыкание полости 3» следует понимать как ограничение сообщения полости 3 с внешней средой для макроскопических предметов или частиц, таких как частицы пыли, капли жидкости и т.п., в частности, через участок соединения первого и второго вальных элементов 10 и 20. В то же время понятие «замыкание полости 3» не обязательно включает в себя герметизацию полости 3 для предотвращения прохождения в нее газов или паров. Хотя герметизирующий эффект в целом достигается полезной моделью и является желательным, данная проблема перед полезной моделью не ставится. Таким образом, первый и второй вальные элементы 10 и 20 при соединении друг с другом замыкают в полости 3 постоянные магниты 4, одновременно обеспечивая их фиксацию в продольном и радиальном направлениях.[24] Shaft 2 includes a first shaft element 10 and a second shaft element 20, located longitudinally and connected to each other to close the cavity 3. The concept of "closing the cavity 3" should be understood as limiting the communication of the cavity 3 with the external environment for macroscopic objects or particles such as dust particles, liquid droplets and the like, in particular, through the connection portion of the first and second shaft elements 10 and 20. At the same time, the term "closing the cavity 3" does not necessarily include sealing the cavity 3 to prevent the passage gases or vapors into it. Although the sealing effect is generally achieved by the utility model and is desirable, this problem is not posed to the utility model. Thus, the first and second shaft elements 10 and 20, when connected to each other, close the permanent magnets 4 in the cavity 3, at the same time ensuring their fixation in the longitudinal and radial directions.

[25] Срединная в продольном направлении часть 5 вала 2, в которой расположена полость 3 с постоянными магнитами 4, размещается в корпусе синхронной машины так, чтобы она была окружена статором синхронной электрической машины, при этом по обе стороны срединной части 5 вал 2 имеет удерживающие участки 6 и 7, предназначенные для размещения во внутренних кольцах подшипников. Следует отметить, что в случае ротора 1 удерживающие участки 6 и 7 расположены соответственно на первом вальном элементе 10 и втором вальном элементе 20, что не является обязательным. Например, второй вальный элемент 20 может быть целиком расположен внутри первого вального элемента 10 и не иметь собственной открытой радиальной поверхности. В последнем случае оба удерживающих участка 6 и 7 будут расположены на первом вальном элементе 10.[25] The longitudinal median part 5 of the shaft 2, in which the cavity 3 with permanent magnets 4 is located, is placed in the housing of the synchronous machine so that it is surrounded by the stator of the synchronous electric machine, while on both sides of the median part 5, the shaft 2 has retaining sections 6 and 7, intended for placement in the inner rings of the bearings. It should be noted that in the case of the rotor 1, the holding portions 6 and 7 are respectively disposed on the first shaft element 10 and the second shaft element 20, which is optional. For example, the second shaft element 20 may be entirely located within the first shaft element 10 and not have its own open radial surface. In the latter case, both retaining sections 6 and 7 will be located on the first shaft element 10.

[26] Первый вальный элемент 10 содержит гильзу 15 и торцевой элемент 16. Гильза 15, располагаясь в срединной части 5 вала 2, ограничивает полость 3 в радиальном направлении по всей ее длине и полностью вмещает в себя постоянные магниты 4. На первом определенном в продольном направлении конце гильзы 15 выполнена опорная поверхность 11 первого вального элемента 10, в то время как на втором своем конце гильза 15 соединена с торцевым элементом 16. [26] The first shaft element 10 contains a sleeve 15 and an end element 16. The sleeve 15, located in the middle part 5 of the shaft 2, delimits the cavity 3 in the radial direction along its entire length and completely accommodates the permanent magnets 4. On the first defined in the longitudinal towards the end of the sleeve 15, the supporting surface 11 of the first shaft element 10 is made, while at its second end the sleeve 15 is connected to the end element 16.

[27] Второй вальный элемент 20, в свою очередь, содержит опорную поверхность 21, при этом обе опорные поверхности 11 и 21 имеют коническую форму, являются сопрягающимися и находятся в контакте друг с другом. Как будет показано ниже, представляется целесообразным, если опорная поверхность 11 является охватывающей поверхностью, а опорная поверхность 21 является охватываемой поверхностью. Отметим, что понятие «сопрягающиеся поверхности» в контексте настоящей заявки относится к поверхностям с одинаковыми параметрами, что позволяет ввести их в контакт на большой площади. В случае, если сопрягающиеся поверхности имеют цилиндрическую, коническую или иную криволинейную в поперечном сечении форму, то одна из них является охватывающей, а другая - охватываемой.[27] The second shaft element 20, in turn, includes a support surface 21, while both support surfaces 11 and 21 are tapered, mating and in contact with each other. As will be shown below, it seems appropriate if the support surface 11 is a female surface and the support surface 21 is a male surface. Note that the term "mating surfaces" in the context of this application refers to surfaces with the same parameters, which allows them to be brought into contact over a large area. If the mating surfaces have a cylindrical, conical or other curvilinear cross-sectional shape, then one of them is female, and the other is male.

[28] Далее, первый и второй вальные элементы 10 и 20 способны воспринимать продольно направленное усилие, прижимающее их друг к другу в месте контакта опорных поверхностей 11 и 21. В результате этого между опорными поверхностями 11 и 12 возникает сила трения покоя, позволяющая передавать крутящий момент между первым и вторым вальными элементами 10 и 20 без взаимного проскальзывания. Отметим, что сила трения покоя между опорными поверхностями 11 и 21 пропорциональна величине прижимающего усилия, приложенного к первому и второму вальным элементам 10 и 20.[28] Further, the first and second shaft elements 10 and 20 are able to perceive a longitudinally directed force pressing them against each other at the point of contact of the support surfaces 11 and 21. As a result, a static friction force arises between the support surfaces 11 and 12, allowing moment between the first and second shaft elements 10 and 20 without mutual slippage. Note that the static friction force between the support surfaces 11 and 21 is proportional to the amount of pressing force applied to the first and second shaft members 10 and 20.

[29] Выполнение опорных поверхностей 11 и 21 в конической форме существенно увеличивает номинальную площадь контакта между ними относительно прототипа, что позволяет увеличить прижимающее усилие без риска деформационного повреждения первого и второго вальных элементов 10 и 20. Далее, благодаря своей конической форме под воздействием увеличенного прижимающего усилия опорные поверхности 11 и 21 могут незначительно сдвинуться друг по другу, что приведет к срезанию фактически контактирующих микроскопических выступов, увеличивая уже фактическую площадь контакта, а значит, и допустимое прижимающее усилие.[29] The execution of the supporting surfaces 11 and 21 in a conical shape significantly increases the nominal contact area between them relative to the prototype, which makes it possible to increase the pressing force without the risk of deformation damage to the first and second shaft elements 10 and 20. Further, due to its conical shape under the influence of the increased pressing the forces of the supporting surfaces 11 and 21 can slightly move along each other, which will lead to shearing off the actually contacting microscopic protrusions, increasing the actual contact area, and hence the permissible pressing force.

[30] Таким образом, выполнение опорных поверхностей 11 и 21 в конической форме позволяет через увеличение силы трения между ними успешно решить стоящую перед полезной моделью техническую проблему, которая заключается в обеспечении жесткого соединения первого и второго вальных элементов 10 и 20 для надежной передачи крутящего момента.[30] Thus, the implementation of the supporting surfaces 11 and 21 in a conical shape allows, through an increase in the friction force between them, to successfully solve the technical problem facing the utility model, which consists in providing a rigid connection of the first and second shaft elements 10 and 20 for reliable transmission of torque ...

[31] Далее, выполнение первого вального элемента 10 так, что он вмещает в себя всю полость 3 целиком, позволяет выполнить участок соединения первого и второго вальных элементов 10 и 20 за пределами постоянных магнитов 4 в продольном направлении. В результате этого на всей длине постоянных магнитов 4 вал 2 остается сплошным, а значит обеспечивается равномерность магнитного потока, проходящего через внешнюю радиальную поверхность вала 2.[31] Further, the design of the first shaft element 10 so that it contains the entire cavity 3 as a whole, makes it possible to make the connection portion of the first and second shaft elements 10 and 20 outside the permanent magnets 4 in the longitudinal direction. As a result, over the entire length of the permanent magnets 4, the shaft 2 remains solid, which means that the uniformity of the magnetic flux passing through the outer radial surface of the shaft 2 is ensured.

[32] Кроме того, выполнение опорных поверхностей 11 и 21 в виде охватывающей и охватываемой поверхностей соответственно, предоставляет возможность минимизировать внешний диаметр удерживающего участка 7 второго вального элемента 20, что по сравнению с обратным случаем, т.е. когда охватывающей поверхностью является опорная поверхность второго вального элемента 20, а охватываемой - опорная поверхность первого вального элемента 10, дает преимущество при выработке компоновочных решений синхронной электрической машины, например, позволяет использовать подшипники меньшего радиального размера.[32] In addition, the design of the supporting surfaces 11 and 21 in the form of female and male surfaces, respectively, makes it possible to minimize the outer diameter of the holding portion 7 of the second shaft element 20, which is compared to the opposite case, i. E. when the female surface is the support surface of the second shaft element 20, and the male surface is the support surface of the first shaft element 10, it gives an advantage in the development of layout solutions for a synchronous electric machine, for example, allows the use of bearings of a smaller radial size.

[33] Первый и второй вальные элементы 10 и 20 воспринимают прижимающее усилие через выполненные на них крепежные поверхности 12 и 22 соответственно. Крепежные поверхности 12 и 22 являются плоскими и расположены перпендикулярно оси вала 2, при этом прижимающее усилие оказывается на них со стороны соединительного элемента 40, пролегающего по центру вала 2 внутри описанной ниже втулки 50.[33] The first and second shaft members 10 and 20 receive the pressing force through the fastening surfaces 12 and 22 formed thereon, respectively. The fastening surfaces 12 and 22 are flat and perpendicular to the axis of the shaft 2, with the pressing force on them from the side of the connecting element 40, which runs along the center of the shaft 2 inside the sleeve 50 described below.

[34] Соединительный элемент 40 выполнен в виде болта 41, который проходит через сквозное отверстие во втором вальном элементе 20, на котором расположена крепежная поверхность 22, и сквозное отверстие в торцевом элементе 16, на котором расположена крепежная поверхность 12. Головка 42 болта 41 упирается в крепежную поверхность 12, а навинченная на резьбу болта 41 гайка 43 - в крепежную поверхность 22. Затяжка резьбового соединения болта 41 и гайки 43 позволяет осуществить упомянутое прижимающее усилие для первого и второго вальных элементов 10 и 20.[34] The connecting element 40 is made in the form of a bolt 41, which passes through a through hole in the second shaft element 20, on which the fastening surface 22 is located, and a through hole in the end element 16, on which the fastening surface 12 is located. The head 42 of the bolt 41 abuts into the fastening surface 12, and the nut 43 screwed onto the threads of the bolt 41 into the fastening surface 22. Tightening the threaded connection of the bolt 41 and the nut 43 allows the said pressing force to be applied to the first and second shaft elements 10 and 20.

[35] Следует отметить, что выполнение крепежных поверхностей 12 и 22 в виде плоских поверхностей, перпендикулярных оси вала 2, не является обязательным. Например, одна из крепежных поверхностей 12 и 22 может иметь вид внутренней резьбы, выполненной в теле соответствующего вального элемента. В этом случае целесообразно использовать соединительный элемент 40, выполненный в виде шпильки. Кроме того, соединительный элемент 40 может быть выполнен со вторым вальным элементом 20 заодно, и в этом случае крепежная поверхность 22 будет представлена внешней резьбой на соединительном элементе 40. [35] It should be noted that the design of the fastening surfaces 12 and 22 in the form of flat surfaces perpendicular to the axis of the shaft 2 is not necessary. For example, one of the fastening surfaces 12 and 22 may be in the form of an internal thread formed in the body of the corresponding shaft element. In this case, it is advisable to use a connecting element 40 made in the form of a pin. In addition, the connecting element 40 can be formed integrally with the second shaft element 20, in which case the fastening surface 22 will be externally threaded on the connecting element 40.

[36] Упомянутая выше втулка 50 имеет призматическое поперечное сечение (Фиг. 2). По длине втулки 50 выполнены пазы для вставки постоянных магнитов 4, которые, будучи размещенными в полости 3, имеют также контакт с внутренней радиальной поверхностью 31 гильзы 15. Стенки пазов обеспечивают передачу крутящего момента между постоянными магнитами 4 и вторым вальным элементом 20, с которым втулка 50 имеет жесткое соединение или выполнена заодно. Тем не менее, возможен случай, когда пазы выполнены не на втулке 50, а на гильзе 15, и тогда передача крутящего момента осуществляется между постоянными магнитами 4 и первым вальным элементом 10, в то время как втулка 50 обеспечивает лишь внутреннюю опору для постоянных магнитов 4.[36] The aforementioned sleeve 50 has a prismatic cross-section (FIG. 2). Along the length of the sleeve 50, there are grooves for inserting permanent magnets 4, which, being placed in the cavity 3, also have contact with the inner radial surface 31 of the sleeve 15. The walls of the grooves ensure the transfer of torque between the permanent magnets 4 and the second shaft element 20 with which the sleeve 50 has a rigid connection or is made in one piece. However, it is possible that the grooves are not made on the sleeve 50, but on the sleeve 15, and then the transmission of torque is carried out between the permanent magnets 4 and the first shaft element 10, while the sleeve 50 provides only an internal support for the permanent magnets 4 ...

[37] Следует обратить внимание, что в роторе 1 втулка 50 снабжена буртиком 51, входящим в контакт с внутренней поверхностью гильзы 15. Буртик 51 замыкает полость 3 с той определенной в продольном направлении стороны постоянных магнитов 4, которая является противоположной стороне контакта опорных поверхностей 11 и 21, т.е. со стороны торцевого элемента 16.[37] It should be noted that in the rotor 1, the sleeve 50 is provided with a collar 51, which comes into contact with the inner surface of the sleeve 15. The collar 51 closes the cavity 3 on that longitudinal side of the permanent magnets 4, which is opposite to the contact side of the support surfaces 11 and 21, i.e. from the side of the end element 16.

[38] В роторе 1 торцевой элемент 16 жестко соединен с приводным элементом 60, через который осуществляется передача или прием крутящего момента от внешнего вращающегося устройства. Более того, является предпочтительным, если гильза 15, торцевой элемент 16 и приводной элемент 60 выполнены заодно в виде единой детали, которая представляет собой первый вальный элемент 10. В последнем случае максимизируется жесткость первого вального элемента 10 и повышается технологичность его изготовления.[38] In the rotor 1, the end member 16 is rigidly connected to a drive member 60 through which torque is transmitted or received from an external rotating device. Moreover, it is preferable if the sleeve 15, the end piece 16 and the drive member 60 are made in one piece, which is the first shaft element 10. In the latter case, the rigidity of the first shaft element 10 is maximized and its manufacturability is improved.

[39] Тем не менее, возможен случай, когда опорная поверхность 11 первого вального элемента 10 является первой охватывающей опорной поверхностью, а опорная поверхность 21 второго вального элемента 20 является первой охватываемой опорной поверхностью. В этом случае на втором конце гильзы 15 выполнена вторая охватывающая опорная поверхность, а на торцевом элементе 16 выполнена вторая охватываемая опорная поверхность, причем обе вторые опорные поверхности имеют коническую форму, являются сопрягающимися и находятся в контакте друг с другом аналогично первым опорным поверхностям.[39] However, it is possible that the abutment surface 11 of the first shaft member 10 is the first female abutment surface and the abutment surface 21 of the second shaft element 20 is the first male abutment surface. In this case, the second end of the sleeve 15 is provided with a second female bearing surface, and the end element 16 is provided with a second male bearing surface, and both second bearing surfaces are tapered, mating and in contact with each other similarly to the first bearing surfaces.

[40] Такое исполнение позволяет изготовить гильзу 15 и торцевой элемент 16 по отдельности, а потом соединить их с образованием первого вального элемента 10, что может быть актуально при выполнении торцевого элемента 16 как части сложной детали, например, турбинного колеса. Жесткое соединение гильзы 15 и торцевого элемента 16 реализуется аналогично таковому для первого и второго вальных элементов 10 и 20, обеспечивая все описанные выше технические результаты.[40] This design allows the sleeve 15 and the end element 16 to be manufactured separately, and then to connect them to form the first shaft element 10, which may be relevant when the end element 16 is made as part of a complex part, for example, a turbine wheel. The rigid connection of the sleeve 15 and the end element 16 is realized similarly to that for the first and second shaft elements 10 and 20, providing all the technical results described above.

[41] В частном случае полезной модели, показанном на Фиг. 3, первый и второй вальный элементы 10 и 20 дополнительно имеют шпоночное соединение 70, расположенное в месте контакта их опорных поверхностей 11 и 21. Данное решение позволяет гарантировать жесткое соединение первого и второго вального элементов 10 и 20 путем зацепления, а значит, появляется возможность снизить величину прижимающего усилия между ними и, соответственно, уменьшить радиальный размер соединительного элемента 40. В результате этого становится возможным увеличение размера полости 3 и размещенных в ней постоянных магнитов 4 с соответствующим повышением мощности электрической машины.[41] In the particular case of the utility model shown in FIG. 3, the first and second shaft elements 10 and 20 additionally have a keyed connection 70, located at the point of contact of their supporting surfaces 11 and 21. This solution makes it possible to guarantee a rigid connection of the first and second shaft elements 10 and 20 by engaging, which means that it becomes possible to reduce the amount of pressing force between them and, accordingly, to reduce the radial size of the connecting element 40. As a result, it becomes possible to increase the size of the cavity 3 and placed in it permanent magnets 4 with a corresponding increase in the power of the electric machine.

[42] В целях беспрепятственного прохождения магнитного потока между ротором 1 и статором синхронной электрической машины, все элементы вала 2, а именно: первый и второй вальные элементы 10 и 20, втулка 50, соединительный элемент 40 и приводной элемент 60 выполнены из немагнитного материала, например, цветного металла или сплава из цветных металлов.[42] For the purpose of the smooth passage of the magnetic flux between the rotor 1 and the stator of the synchronous electric machine, all the elements of the shaft 2, namely the first and second shaft elements 10 and 20, the bushing 50, the connecting element 40 and the driving element 60 are made of a non-magnetic material, for example, a non-ferrous metal or a non-ferrous alloy.

Claims

1. The rotor of an electric machine, which contains a shaft having a cavity, and a permanent magnet located in the cavity, and

the shaft includes the first and second shaft elements located longitudinally and interconnected with the closure of the said cavity, while

the first shaft element contains the support surface of the first shaft element, and the second shaft element contains the support surface of the second shaft element, and both support surfaces have a conical shape, are mating and are in contact with each other, and in addition,

the first and second shaft elements are capable of taking up a force in the direction of each other from the side of the connecting element running along the center of the shaft.

2. The rotor of claim. 1, in which the first and second shaft elements additionally have a keyed connection located at the point of contact of their supporting surfaces.

3. The rotor of claim. 1, wherein the connecting element is in the form of a bolt or stud.

4. A rotor according to claim 1, in which the first shaft element comprises a sleeve in which a permanent magnet is placed, and an end element that receives said force, and at one end of the sleeve defined in the longitudinal direction, the support surface of the first shaft element is made, and on the other its at the end the sleeve is connected to the end piece.

5. The rotor of claim 4, wherein the sleeve and the end piece are integrally formed.

6. The rotor of claim. 4, wherein the bearing surface of the first shaft element is a female surface and the bearing surface of the second shaft element is a male surface.

7. A rotor according to claim 6, in which the supporting surface of the first shaft element is the first enclosing support surface, and the supporting surface of the second shaft element is the first male supporting surface, while at the second end of the sleeve a second female supporting surface is made, and on the end element a second male abutment surface, both of the second abutment surfaces being tapered, mating and in contact with each other.

8. A rotor according to claim. 4, in which the permanent magnet is attached to a sleeve located in the sleeve, inside which the connecting element passes, and the sleeve is attached to the second shaft element or is made integral with it.