RU2679311C1

RU2679311C1 - Combined rotor for high-speed electric machine

Info

Publication number: RU2679311C1
Application number: RU2017146323A
Authority: RU
Inventors: Виктор Карпович Драгунов; Алексей Леонидович Гончаров; Андрей Петрович Слива; Михаил Юрьевич Румянцев; Алексей Вячеславович Сизякин
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-02-07

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, in particular to the design of a rotor with permanent magnets for a high-speed electric machine. Combined rotor contains permanent magnets mounted on a shaft of magnetic material with the formation of poles. Welded bandage is put on the assembled magnets, which consists of pole pieces of magnetic steel and non-magnetic inserts welded at the junction points. Permanent magnets are made in the form of segments and installed close to each other without the formation of nonmagnetic gaps. Segments of the magnets forming the poles are magnetized radially. Segments of magnets mounted between the poles are made with tangential magnetization. In this case, the segments of the permanent magnets magnetized in the radial direction are located opposite the pole pieces, and the segments of the magnets with tangential magnetization are located opposite the nonmagnetic inserts.EFFECT: higher reliability.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использовано при проектировании синхронных высокооборотных генераторов и электродвигателей.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to electrical engineering, and can be used in the design of synchronous high-speed generators and electric motors.

Известна конструкция ротора электрической машины (патент RU №2211517, МПК Н02К 1/27 (2000.01), Н02К 1/28 (2000.01), Н02К 21/14 (2000.01), опубликовано 27.08.2003 г.), содержащий магнитопровод с размещенными на нем намагниченными в радиальном направлении постоянными магнитами чередующейся полярности с полюсными наконечниками, между постоянными магнитами с полюсными наконечниками имеются немагнитные зазоры, а на наружной поверхности полюсных наконечников выполнены концентрично оси ротора кольцевые канавки, образующие равномерно чередующиеся выступы и пазы, в кольцевых канавках размещен бандаж из немагнитного материала, охватывающий все полюсные наконечники, при этом магнитопровод состоит из равномерно чередующихся соответственно выступам и пазам полюсных наконечников магнитных и немагнитных кольцевых пластин, бандаж выполнен в виде колец, имеющих в местах расположения указанных зазоров повторяющие их форму и размеры перемычки, соединяющие кольца бандажа с немагнитными кольцевыми пластинами, при этом указанные кольца бандажа, перемычки и кольцевые немагнитные пластины выполнены заодно и одинаковыми по толщине, равной ширине соответствующих пазов полюсных наконечников, а магнитные кольцевые пластины, толщина которых равна ширине соответствующих выступов полюсных наконечников, имеют по внешнему диаметру буртики, служащие для плотной фиксации немагнитных кольцевых пластин, причем в местах расположения перемычек в буртиках выполнены сквозные выемки, размеры которых повторяют размеры перемычек.The design of the rotor of an electric machine is known (patent RU No. 2211517, IPC Н02К 1/27 (2000.01), Н02К 1/28 (2000.01), Н02К 21/14 (2000.01), published on 08.27.2003), containing a magnetic circuit with placed on it magnetized in the radial direction by permanent magnets of alternating polarity with pole tips, between the permanent magnets with pole tips there are non-magnetic gaps, and on the outer surface of the pole tips concentric rotor axes are made annular grooves forming uniformly alternating protrusions and grooves, in circular In the grooves there is a bandage made of non-magnetic material that covers all pole lugs, while the magnetic circuit consists of uniformly alternating protrusions and grooves of the pole lugs of magnetic and non-magnetic ring plates, the bandage is made in the form of rings having, at the locations of the indicated gaps, repeating their shape and dimensions of the jumper connecting the band rings with non-magnetic ring plates, wherein said band rings, jumpers and ring non-magnetic plates are made at the same time and the same wide in thickness equal to the width of the corresponding grooves of the pole pieces, and magnetic ring plates, the thickness of which is equal to the width of the corresponding protrusions of the pole pieces, have an outer diameter of the flanges that serve to tightly fix the non-magnetic ring plates, and through the grooves are made in the locations of the jumpers in the flanges, the sizes of which repeat the sizes of jumpers.

Недостатком такого устройства является низкая технологичность сборки Наиболее близким по технической сущности является ротор электрической машины типа звездочка с призматическими постоянными магнитами и полюсными башмаками, описанный в книге А.Н. Дедовский, «Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами» М.: Энергоатомиздат 1985 г. стр. 19, содержащий постоянные магниты, намагниченные по одной из осей, установлены на втулке из магнитомягкого материала, которая в свою очередь закреплена на валу машины. Магниты устанавливаются таким образом, что по расточке образуются полюсы чередующейся полярности. Для обеспечения механической прочности конструкции на собранные магниты и втулку надевается сварной бандаж, который состоит из полюсных башмаков из магнитной стали и немагнитных вставок, сваренных в местах стыка. Полюсные башмаки позволяют уменьшить воздушных зазор. Промежутки между магнитами заполняются алюминиевой вставкой или компаундомThe disadvantage of this device is the low manufacturability of the assembly. The closest in technical essence is the rotor of an electric machine such as an asterisk with prismatic permanent magnets and pole shoes, described in A.N. Dedovsky, “Electric machines with highly coercive permanent magnets” M .: Energoatomizdat 1985, p. 19, containing permanent magnets magnetized along one of the axes, mounted on a sleeve of soft magnetic material, which in turn is mounted on the shaft of the machine. The magnets are mounted in such a way that alternating polarity poles form along the bore. To ensure the mechanical strength of the structure, a welded brace is put on the assembled magnets and the sleeve, which consists of pole shoes made of magnetic steel and non-magnetic inserts welded at the joints. Pole shoes reduce air gap. The gaps between the magnets are filled with an aluminum insert or compound

Недостатками прототипа являются низкое использование объема ротора из-за частичного его заполнения немагнитными материалами - алюминием или компаундом, низкая механическая прочность в виду того, что сварной шов расположен в механически нагруженном месте, а также ввиду того, что постоянные магниты и немагнитные участки имеют разную плотность и оказывают неравномерное давление на бандаж при вращении ротора.The disadvantages of the prototype are the low utilization of the rotor volume due to its partial filling with non-magnetic materials - aluminum or compound, low mechanical strength due to the fact that the weld is located in a mechanically loaded place, and also due to the fact that permanent magnets and non-magnetic sections have different densities and exert uneven pressure on the bandage when the rotor rotates.

Техническая задача изобретения заключается в улучшение массо-габаритных показателей электрических машин, и уменьшение механической нагрузки сварных швов.The technical task of the invention is to improve the mass-dimensional characteristics of electrical machines, and reducing the mechanical load of the welds.

Техническим результатом изобретения является увеличение надежности работы на высоких частотах вращения и повышение удельной мощности и эксплуатационных характеристик высокоскоростных электрических машин.The technical result of the invention is to increase the reliability at high speeds and increase the specific power and operational characteristics of high-speed electric machines.

Это достигается тем, что известный в комбинированном роторе для высокоскоростной электрической машины, содержащим постоянные магниты, установленные на валу из магнитомягкого материала образуя полюсы, на собранные магниты надевается сварной бандаж, который состоит из полюсных наконечников из магнитной стали и немагнитных вставок, сваренных в местах стыка, постоянные магниты выполнены в виде сегментов и установлены вплотную друг к другу, без образования немагнитных промежутков, сегменты постоянных магнитов, формирующие полюса, намагничены радиально, сегменты постоянных магнитов, установленные между полюсами выполнены с тангенциальной намагниченностью, сегменты постоянных магнитов намагниченные в радиальном направлении расположены напротив полюсных наконечников, а сегменты магнитов с тангенциальной намагниченностью расположены напротив немагнитных вставок.This is achieved by the fact that it is known in a combined rotor for a high-speed electric machine containing permanent magnets mounted on a shaft of magnetically soft material to form poles, a welded brace is put on the assembled magnets, which consists of pole pieces made of magnetic steel and non-magnetic inserts welded at the joints , permanent magnets are made in the form of segments and are installed close to each other, without the formation of non-magnetic gaps, segments of permanent magnets, forming poles, magnets radially, segments of permanent magnets installed between the poles are made with tangential magnetization, segments of permanent magnets magnetized in the radial direction are opposite the pole pieces, and segments of magnets with tangential magnetization are opposite the non-magnetic inserts.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен поперечный разрез комбинированного ротора с распределением механических напряжений в бандаже при его вращении, на фиг. 2 показано распределение магнитной индукции по объему ротора.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a cross section of a combined rotor with the distribution of mechanical stresses in the band during its rotation, FIG. 2 shows the distribution of magnetic induction over the volume of the rotor.

Ротор высокоскоростной электрической машины содержит вал 1 из магнитомягкого материала, на внешней поверхности которой расположены сегменты постоянных магнитов 2 и 3.The rotor of a high-speed electric machine contains a shaft 1 of soft magnetic material, on the outer surface of which there are segments of permanent magnets 2 and 3.

Сегменты магнитов 2, формирующие полюса намагничены в радиальном направлении, а сегменты магнитов 3 расположены между полюсами сформированными магнитами 2 намагничены тангенциально. На внешнюю поверхность сегментов 2 и 3 постоянных магнитов надет комбинированный сварной биметаллический бандаж 4, состоящий из полюсных наконечников 5 из магнитной стали и немагнитных вставок 6, соединенных таким образом, что сварной шов 7 расположен в зоне минимальных механических напряжений, а сегменты постоянных магнитов 2 намагниченные в радиальном направлении расположены напротив полюсных наконечников 5, а сегменты магнитов 3 с тангенциальной намагниченностью расположены напротив немагнитных вставок 6.The segments of the magnets 2 forming the poles are magnetized in the radial direction, and the segments of the magnets 3 are located between the poles formed by the magnets 2 are tangentially magnetized. On the outer surface of the permanent magnet segments 2 and 3, a combined welded bimetallic band 4 is put on, consisting of pole pieces 5 of magnetic steel and non-magnetic inserts 6 connected in such a way that the weld 7 is located in the zone of minimum mechanical stresses, and the permanent magnet segments 2 are magnetized in the radial direction are located opposite the pole pieces 5, and the segments of the magnets 3 with tangential magnetization are located opposite the non-magnetic inserts 6.

Сегменты постоянных магнитов 2 и 3 расположены вплотную друг к другу без образования немагнитных промежутков по всей поверхности магнитного вала 1. Установка постоянных магнитов 3 с тангенциальной намагниченностью исключает наличие немагнитных промежутков. Полюсные наконечники 5 из магнитной стали и немагнитные вставки биметаллического бандажа 4 имеют одинаковую высоту.Segments of permanent magnets 2 and 3 are located close to each other without the formation of non-magnetic gaps over the entire surface of magnetic shaft 1. The installation of permanent magnets 3 with tangential magnetization eliminates the presence of non-magnetic gaps. The pole pieces 5 of magnetic steel and the non-magnetic inserts of the bimetal brace 4 have the same height.

Комбинированный ротор для высокоскоростной электрической машины работает следующим образом.The combined rotor for a high-speed electric machine operates as follows.

Намагниченные радиально сегменты 2 постоянных магнитов формируют магнитный поток, проходящий через вал 1 ротора и полюсные наконечники 5 из магнитомягкого материала. Постоянные магниты 3, намагниченные тангенциально корректируют распределение магнитного поля в роторе, усиливая его в зоне полюсных наконечников 5, и снижая внутри вала 1, тем самым уменьшая степень насыщения материала вала 1 ротора.Radially magnetized segments of 2 permanent magnets form a magnetic flux passing through the rotor shaft 1 and pole pieces 5 of soft magnetic material. Permanent magnets 3 magnetized tangentially correct the distribution of the magnetic field in the rotor, amplifying it in the area of the pole pieces 5, and decreasing inside the shaft 1, thereby reducing the degree of saturation of the material of the rotor shaft 1.

При вращении ротора сегменты постоянных магнитов 2 и 3 под действием центробежных сил оказывают давление на сварной биметаллический бандаж 4, вызывая в нем механические напряжения. Расположение сварного шва 7 в зоне минимальных напряжений обеспечивает повышение надежности работы ротора на высоких частотах вращения. Сегменты постоянных магнитов 2 и 3 установлены в стык без немагнитных промежутков, что позволяет более полно использовать объем ротора и повысить уровень магнитного потока, формируемого ротором.When the rotor rotates, the permanent magnet segments 2 and 3 under the action of centrifugal forces exert pressure on the welded bimetallic band 4, causing mechanical stresses in it. The location of the weld 7 in the zone of minimum stresses increases the reliability of the rotor at high speeds. Segments of permanent magnets 2 and 3 are installed in the joint without non-magnetic gaps, which allows more fully use the volume of the rotor and increase the level of magnetic flux generated by the rotor.

Как видно на фиг. 2, индукция магнитного поля на поверхности полюсных наконечников 5 изменяется незначительно.As seen in FIG. 2, the magnetic field induction on the surface of the pole pieces 5 varies slightly.

Расчетным путем было подтверждено, что выполнение комбинированного сварного биметаллического бандажа 4 из полюсных наконечников 5 из магнитной стали и немагнитных вставок 6 позволяет увеличить величину магнитного поля на поверхности бандажа 4, кроме того выполнение постоянных магнитов виде сегментов 3 с радиальной и тангенциальной намагниченностью обеспечивает эффективно использовать внутренний объем ротора, и тем самым повысить удельную мощность и эксплуатационные характеристики высокоскоростных электрических машин.By calculation it was confirmed that the implementation of the combined welded bimetal brace 4 of the pole pieces 5 of magnetic steel and non-magnetic inserts 6 allows you to increase the magnitude of the magnetic field on the surface of the brace 4, in addition, the implementation of permanent magnets in the form of segments 3 with radial and tangential magnetization ensures the efficient use of internal rotor volume, and thereby increase the specific power and operational characteristics of high-speed electric machines.

Использование изобретения позволяет при неизменном размере ротора создавать электрические машины большей мощности, что обеспечивает улучшение массо-габаритных показателей электрических машин.The use of the invention allows for an unchanged rotor size to create electric machines of greater power, which improves the mass-dimensional characteristics of electric machines.

Claims

A combined rotor for a high-speed electric machine containing permanent magnets mounted on a shaft of soft magnetic material with the formation of poles, a welded brace is put on the assembled magnets, which consists of pole pieces made of magnetic steel and non-magnetic inserts welded at the joints, characterized in that the permanent the magnets are made in the form of segments and are mounted close to each other without the formation of non-magnetic gaps, the magnet segments forming the poles are magnetized radially, seg The magnet constituents installed between the poles are made with tangential magnetization, while the segments of permanent magnets magnetized in the radial direction are located opposite the pole pieces, and the segments of magnets with tangential magnetization are located opposite to the non-magnetic inserts.