Ротор и реактивный индукторный двигатель

Изобретение касается ротора для синхронной электрической машины, в частности для реактивной индукторной электрической машины. Технический результат – улучшение магнитных характеристик ротора. Ротор для синхронной электрической машины содержит роторный вал и выполненный цилиндрическим магнитно-мягкий элемент, установленный коаксиально на роторной оси и зафиксированный как в осевом, так и в тангенциальном направлении. Указанный магнитно-мягкий элемент для создания барьеров для магнитного потока и оптимизации соотношения магнитной проницаемости вдоль осей d и q имеет выемки, образующие четное число явновыраженных магнитных полюсов. При этом по меньшей мере одна выемка по меньшей мере частично заполнена диамагнитной или парамагнитной средой вместо воздуха. На роторной оси расположен по меньшей мере один прокладочный элемент. При этом лежащий над прокладочным элементом промежуток по меньшей мере частично заполнен диамагнитной или парамагнитной средой, и эта диамагнитная или парамагнитная среда образует цельное тело. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение касается ротора для синхронной электрической машины, в частности для реактивной индукторной электрической машины, содержащего магнитно-мягкий элемент цилиндрической формы, причем этот магнитно-мягкий элемент имеет выемки для создания барьеров для магнитного потока, которые образуют четное число явновыраженных магнитных полюсов, причем по меньшей мере одна выемка (2), по меньшей мере, частично заполнена диамагнитной или парамагнитной средой (11) вместо воздуха.

Обычно роторы для синхронных реактивных индукторных электрических машин снабжают цилиндрическим магнитно-мягким элементом, который расположен коаксиально на оси ротора. Для образования по меньшей мере одной пары полюсов и, соответственно, пары просветов этот магнитно-мягкий элемент содержит проводящие поток участки, а также участки, образующие барьер для магнитного потока, которые отличаются между собой степенью выраженности магнитной проницаемости. Участок с большой магнитной проводимостью известным образом обозначается как ось d ротора, а участок со сравнительно меньшей проводимостью обозначается как ось q ротора. Оптимальный вращающий момент устанавливается тогда, когда указанная ось d имеет максимально возможную магнитную проводимость, а ось q имеет минимально возможную магнитную проводимость.

Зачастую это условие реализуется за счет создания в магнитно-мягком элементе нескольких заполненных воздухом выемок вдоль оси q, как это раскрыто, например, в ЕР 1786088 А2. Благодаря этому магнитный поток в направлении оси q затормаживается и, следовательно, проницаемость снижается. Выполненный таким образом магнитно-мягкий элемент помещается затем на вал ротора и фиксируется в осевом, а также в аксиальном направлениях.

Из JP 2009044791 А1 известен реактивный индукторный двигатель, у которого выемки в магнитно-мягком элементе заполнены смолой, которая связывает ламинированный сердечник ротора.

В ЕР 0426376 А1 раскрыт ротор для синхронного реактивного индукторного двигателя с множеством уложенных в осевом направлении роторных пластин и множеством роторных полюсов, которые проходят от ступицы радиально наружу. Между роторными полюсами предусмотрены зазоры, которые заполнены электроизоляционным материалом, чтобы повысить общую прочность пакета.

Раскрытый в DE 102009054599 А1 реактивный индукторный двигатель между образующими полюса зубцами ротора имеет выемки, в которых нет никакого материала или находится электроизоляционный материал. Свободные концы отдельных зубцов ротора соединены друг с другом посредством магнитно-проводящего материала.

В основу данного изобретения положена задача усовершенствовать явновыраженный ротор для синхронной электрической машины, в частности для реактивной индукторной электрической машины, таким образом, чтобы оптимизировать соотношение между с разной степенью выраженными магнитными проводимостями вдоль осей d и q. Кроме того, изобретение ставит перед собой задачу усовершенствования конструкции такого ротора, в частности для упрощения его изготовления.

Для решения этой задачи предлагается ротор с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты осуществления заявленного ротора являются предметом зависимых пунктов 2-9 формулы изобретения.

Для решения этой задачи предусмотрено, что на роторной оси расположен по меньшей мере один прокладочный элемент, причем лежащий над прокладочным элементом промежуток по меньшей мере частично заполнен диамагнитной или парамагнитной средой, и эта диамагнитная или парамагнитная среда образует цельное тело. В частности, за счет выбора диамагнитной среды вместо воздуха можно увеличить разницу в проводимости между осями q и d.

Предпочтительно выемки полностью заполнены диамагнитной средой, в частности все выемки магнитно-мягкого элемента полностью заполнены диамагнитной или парамагнитной средой. Согласно изобретению вся диамагнитная или парамагнитная среда представляет собой только один единственный конструктивный элемент.

Далее, диамагнитная или парамагнитная среда согласно изобретению может использоваться также и как конструктивный элемент для сооружения ротора. В этом случае диамагнитная или парамагнитная среда представляет собой носитель для приема магнитно-мягкого элемента, причем функция этой среды как носителя, в частности, при выполнении диамагнитной или парамагнитной среды в виде одной детали является преимуществом. Предпочтительно магнитно-мягкий элемент с помощью диамагнитного или парамагнитного носителя может быть очень просто зафиксирован в осевом направлении на валу ротора.

Известные из уровня техники металлические концевые шайбы для фиксации такого магнитно-мягкого элемента на оси ротора оказываются лишними и могут быть полностью заменены используемой диамагнитной или парамагнитной средой. В частности, на концевых поверхностях такого магнитно-мягкого элемента из диамагнитной или парамагнитной среды могут быть образованы концевые шайбы, служащие для фиксации магнитно-мягкого элемента в осевом направлении на валу ротора.

Этот предпочтительный вариант выполнения ротора согласно изобретению делает возможным реализацию функции магнитного барьера, а также осевую фиксацию магнитно-мягкого элемента посредством одного единственного конструктивного элемента диамагнитного или парамагнитного носителя. Следовательно, этот диамагнитный или парамагнитный носитель вместе с магнитно-мягким элементом образуют единственные компоненты композитного ротора согласно изобретению.

В одном предпочтительном варианте выполнения ротора согласно изобретению магнитно-мягкий элемент представляет собой пакет сердечника, который - как это известно из уровня техники - изготовлен из нескольких металлических листов, штабелированных друг на друга в осевом направлении ротора. Такая конструкция предотвращает возникновение вихревых токов в магнитно-мягком элементе. В порядке альтернативы предлагается изготовлять используемый магнитно-мягкий элемент методом порошковой металлургии.

Пакет сердечника состоит из отдельных металлических пластин, причем каждая из них вдоль оси q содержит несколько заполненных диамагнитной или парамагнитной средой барьеров для магнитного потока. В частности, предлагается конструкция пакета сердечника согласно US 5,818,140, на которую и делается отсылка. Соответствующие выемки, т.е. образованные барьеры для потока, согласно данному изобретению заполнены не воздухом, а диамагнитной или парамагнитной средой. Предпочтительно по меньшей мере две соседние пластины пакета сердечника могут в осевом направлении располагаться на расстоянии друг от друга. В этом случае полученный промежуток между этими соседними пластинами может быть по меньшей мере частично заполнен указанной диамагнитной или парамагнитной средой. Такая предпочтительная конструкция ротора повышает его стабильность в рабочем режиме. Возникающие радиальные усилия на двигателе воспринимаются диамагнитным или парамагнитным носителем. Зачастую используемые радиальные несущие ребра внутри отдельных пластин, которые до сих пор были необходимы в определенных случаях для повышения жесткости пакета сердечника в радиальном направлении, оказываются ненужными.

Предпочтительно упомянутый диамагнитный или парамагнитный носитель сплошь заполняет весь получившийся цилиндрический промежуток между отдельными пластинами.

В осевом направлении пакета сердечника каждые две пластины могут находиться на одинаковых расстояниях друг от друга, чтобы создать дополнительное пространство для упомянутой диамагнитной или парамагнитной среды.

Возможно также, что такое расположение двух соседних пластин на расстоянии друг от друга достигается за счет установки прокладочных элементов. Предпочтительно использовать кольцевые прокладочные элементы, причем диамагнитным или парамагнитным носителем заполнен тот промежуток, который в радиальном направлении находится над прокладочными элементами.

Возможно также использование модифицированной пластины магнитно-мягкого элемента, причем недостающая в области оси q на наружной окружности тангенциальная доля магнитно-мягкого элемента довершается диамагнитной или парамагнитной средой. Таким образом, пространственная часть магнитно-мягкого элемента, которой не хватает до полного цилиндра, тоже образуется из диамагнитного или парамагнитного несущего материала. Между каждыми двумя соседними выемками вдоль оси q магнитно-мягкого элемента лежат части этого магнитно-мягкого элемента, которые, как правило, соединены друг с другом с проведением магнитного потока. В одном особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения проводящие части магнитно-мягкого элемента, образованные между каждыми двумя барьерами для потока, соединены друг с другом немагнитопроводящим образом. Благодаря этому еще больше увеличивается разница в проводимости вдоль осей d и q. В этом случае радиальную и осевую фиксацию магнитных элементов полностью берет на себя диамагнитный или парамагнитный несущий материал.

Используемая диамагнитная или парамагнитная среда предпочтительно содержит полимеры, и/или реактопласты, и/или керамику, и/или стекло, и/или дерево.

Данное изобретение касается также способа изготовления ротора согласно рассмотренному выше варианту осуществления. Согласно изобретению на первом этапе способа получают цилиндрический магнитно-мягкий элемент с выемками для образования барьеров для магнитного потока и явновыраженных магнитных полюсов, и размещают на роторной оси по меньшей мере один прокладочный элемент, а на следующем этапе способа в полученный цилиндрический магнитно-мягкий элемент или вокруг него вводят или, соответственно, наносят диамагнитную или парамагнитную среду методом первичного формообразования, в частности литьем под давлением, причем лежащий в радиальном направлении над прокладочным элементом промежуток заполняют диамагнитной или парамагнитной средой, причем эта диамагнитная или парамагнитная среда образует цельное тело.

Например, при выполнении магнитно-мягкого элемента в виде пакета сердечника на первом этапе способа множество идентичных пластин штабелируют друг на друга в осевом направлении. На втором этапе способа диамагнитная или парамагнитная среда методом первичного формообразования, в частности литьем под давлением, помещается в выемки отдельных пластин, причем в случае необходимости концевые шайбы для фиксации пакета сердечника на оси ротора тоже образованы из этой диамагнитной или парамагнитной среды. Целесообразно, чтобы используемая диамагнитная или парамагнитная среда вводилась в пакет сердечника полностью одной струей и, следовательно, представляла собой один единственный конструктивный элемент. Проходящая через пакет сердечника диамагнитная или парамагнитная среда берет на себя как функцию магнитного барьера, так и функцию осевой фиксации пакета сердечника. С учетом пакета сердечника получающийся композитный ротор построен лишь из двух отдельных компонентов.

Аналогично этому осуществляется создание ротора согласно изобретению на основе материала, получаемого методом порошковой металлургии. Предварительно из этого материала изготовляется цилиндрический магнитно-мягкий элемент требуемой формы, причем и в этом случае предусмотрены соответствующие выемки. На втором этапе способа эти выемки заполняются диамагнитной или парамагнитной средой.

Далее, изобретение касается применения ротора согласно изобретению, в частности согласно одному из рассмотренных выше предпочтительных вариантов осуществления, в реактивной индукторной электрической машине, в частности в синхронной реактивной индукторной электрической машине.

Данное изобретение направлено также на реактивный индукторный двигатель, в частности на синхронный реактивный индукторный двигатель, который снабжен ротором согласно изобретению, в частности согласно одному из вышеназванных предпочтительных вариантов осуществления. Реактивный индукторный двигатель очевидно обладает теми же свойствами и преимуществами, что и заявляемый ротор согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения, вследствие чего повторное их описание опущено.

Другие признаки и детали данного изобретения ниже поясняются более подробно с привлечением нескольких чертежей. На них показано:

Фиг. 1-4 - различные виды вырезов в пластине используемого ротора согласно изобретению в разных вариантах выполнения;

Фиг. 5 и 6 - виды сбоку заявленного ротора в представленных на Фиг. 1-3 вариантах выполнения; и

Фиг. 7 - вид вырезов в другом варианте выполнения заявляемого ротора.

На Фиг. 1 показан квадрант роторной пластины согласно изобретению для реактивного индукторного двигателя. Из соображений наглядности изображения статор не показан. Роторная пластина 1 снабжена несколькими выемками 2, которые берут на себя функцию барьера для потока, благодаря расположению которых получается ротор с четырьмя полюсами, магнитный поток которого тормозится в зонах с барьерами 2 для потока. В целом зона с высокой магнитной проводимостью обозначена как ось d, а зона меньшей магнитной проводимости обозначена как ось q. Для пояснения следует отметить, что остальные квадранты пластины выполнены идентично представленному квадранту.

Несколько роторных пластин 1 показанной формы в направлении оси 5 вращения штабелируют в пакет пластин, который закрепляется на валу 3 ротора.

Согласно изобретению в отдельные выемки 2 вместо воздуха вводится диамагнитная или парамагнитная среда 11, которая содержит, например, полимеры, и/или реактопласты, и/или керамику, и/или стекло, и/или древесину. Путем выбора диамагнитной среды можно увеличить разницу в проводимости вдоль обеих осей d, q. Кроме того, введенная диамагнитная или парамагнитная среда действует как носитель, который принимает отдельные штабелированные пакеты пластин и фиксирует их на валу 3 ротора.

Среда 11 также может быть вспенена, чтобы снизить инерционность и, тем самым, улучшить ходовые свойства ротора. Одновременно нанесение металлического слоя на барьеры для потока может обеспечить лучшее направление потока.

На Фиг. 5 - вид сбоку ротора согласно изобретению, причем пакет 4 сердечника собран из множества отдельных пластин 1 по Фиг. 1. Пакет 4 сердечника в целом принимает форму цилиндра, причем с коневых сторон в осевом направлении пакета 4 сердечника расположено по одной концевой шайбе 6, которая тоже выполнена из диамагнитной или парамагнитной среды 11. Эти концевые шайбы 6 служат для фиксации пакета 4 сердечника на валу 3 ротора в направлении роторной оси 5.

Преимуществом является, в частности, если диамагнитная или парамагнитная среда 11 представляет собой один единственный конструктивный элемент, который проходит через все выемки 2 отдельных штабелированных пластин 1 и дополнительно образует обе концевые шайбы б. Соответственно, ротор согласно изобретению состоит лишь из двух компонентов, т.е. из диамагнитного или парамагнитного носителя 11, а также пакета 4 сердечника, причем носитель 11 берет на себя как функцию магнитного барьера, так и функцию осевой фиксации пакета 4 сердечника вдоль роторной оси 5.

Как показано на Фиг. 1, представленная там металлическая пластина имеет радиальное несущее ребро 7, которое начинается от роторного вала 3 и делит первую выемку 2а в радиальном направлении. Такие радиальные несущие ребра 7 в определенных вариантах осуществления изобретения нужны для повышения радиальной жесткости пакета 4 сердечника.

В варианте выполнения по Фиг. 2 от такого радиального несущего ребра 7 отказались. Предпосылкой для этого явилось то, что воздействующие на пакет 4 сердечника радиальные усилия могут восприниматься не им, а диамагнитным или парамагнитным носителем 11, чтобы обеспечивалась достаточная стабильность ротора. Для этого осевое штабелирование пластин 1 с равномерными промежутками прерывается кольцевыми прокладочными элементами Distanzelemente 9 (см. Фиг. 6а) с различимыми наружными диаметрами. В радиальном направлении над прокладочными элементами 9 таким образом создается дополнительный объем для диамагнитного или парамагнитного носителя 11.

На Фиг. 6а показан вид сбоку участка пакета 4 сердечника, причем отдельные пластины 1 выполнены в соответствии с вариантом осуществления по Фиг. 2. Далее, можно видеть два отдельных прокладочных кольца 9, которые позволяют размещать на оси ротора 5 каждые две соседние пластины Т, 1ʺ, Тʺ, 1ʺʺ на расстоянии друг от друга. На Фиг. 6b показан вид сбоку ротора, образованного из пластин 1 по Фиг. 2. Диамагнитная или парамагнитная среда 11 довершает цилиндрическую форму ротора. На Фиг. 3 показан еще один возможный вариант выполнения ротора согласно изобретению с видоизмененной пластиной 1. В этом случае тангенциальная часть 12 пластины на наружной окружности вблизи оси q полностью вынута. Часть пространства, недостающая до полного цилиндра, здесь заполняется диамагнитным или парамагнитным несущим материалом 11. Вид сбоку собранного композитного ротора соответствует изображению на Фиг. 6b. Еще одна модификация пластины 1 показана на Фиг. 4. Помимо выемки тангенциальной части 12 пластины согласно Фиг. 3 была также вынута и часть 13 пластины на наружной окружности между лежащими вдоль оси q отдельными магнитопроводящими роторными элементами 14. Следовательно, ротор вдоль оси q состоит из множества отдельных магнитных элементов 14, которые соединены между собой немагнитопроводящим образом, и все же, однако, состоят из отдельных пластин. За счет этого проницаемость вдоль оси q снижается в еще большей степени, а разность относительно проницаемости вдоль оси d благоприятным образом повышается. Радиальную и осевую фиксацию магнитно-мягкого материла пластины 1 и, соответственно, пакета 4 сердечника полностью берет на себя диамагнитный или парамагнитный несущий материал.

Модификация примера осуществления согласно Фиг. 4 представлена на Фиг. 7. Отличие от Фиг.4 заключается в том, что все отдельные магнитопроводящие роторные элементы 14 имеют ряд шипов 20, 21, которые входят с зацеплением в соответствующие выемки в несущем материале 1 с образованием геометрического замыкания. Шипы могут быть также трапециевидной формы 20 для образования соединения типа «ласточкин хвост» или иметь иную подходящую форму для образования геометрического замыкания, например зубчатую или, соответственно, треугольную форму 21. Выполнение шипов 20, 21 и выемок может быть, разумеется, и обратным или попеременным на несущем материале 1 и роторном элементе 14.

В дополнение следует отметить, что отдельные варианты выполнения по Фиг. 1-4 ротора согласно изобретению могут быть легко осуществлены за счет применения полученного методом порошковой металлургии материала в качестве магнитно-мягкого элемента. Форма отдельных пакетов 4 сердечника по Фиг. 1-6 может быть полностью воспроизведена благодаря соответствующему материалу.

1. Ротор для синхронной электрической машины, в частности для реактивной индукторной электрической машины, содержащий роторный вал (3) с роторной осью (5) и выполненный цилиндрическим магнитно-мягкий элемент (1, 4), который установлен коаксиально на роторной оси (5) и зафиксирован как в осевом, так и в тангенциальном направлении, причем этот магнитно-мягкий элемент (1, 4) для создания барьеров для магнитного потока и оптимизации соотношения магнитной проницаемости вдоль осей d и q имеет выемки (2), образующие четное число явновыраженных магнитных полюсов, причем по меньшей мере одна выемка (2), по меньшей мере, частично заполнена диамагнитной или парамагнитной средой (11) вместо воздуха, отличающийся тем, что на роторной оси (5) расположен по меньшей мере один прокладочный элемент (9), причем лежащий над прокладочным элементом (9) промежуток, по меньшей мере, частично заполнен диамагнитной или парамагнитной средой (11), и эта диамагнитная или парамагнитная среда (11) образует цельное тело.

2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что диамагнитная или парамагнитная среда (11) служит носителем магнитно-мягкого элемента (1, 4) и фиксирует его в осевом направлении роторного вала (3).

3. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что для фиксации магнитно-мягкого элемента (1, 4) в осевом направлении на роторном валу (3) предусмотрена по меньшей мере одна концевая шайба (6), которая образована диамагнитной или парамагнитной средой (11).

4. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнитно-мягкий элемент (1, 4) представляет собой пакет (4) сердечника или состоит из материала, полученного методом порошковой металлургии.

5. Ротор по п.4, отличающийся тем, что по меньшей мере две соседние пластины (1, 1') пакета (4) сердечника в осевом направлении расположены на расстоянии друг от друга, и образованный промежуток по меньшей мере частично заполнен диамагнитной или парамагнитной средой (11).

6. Ротор по п.5, отличающийся тем, что указанное расстояние обеспечивается путем введения прокладочного элемента (9).

7. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в области оси q на наружной окружности магнитно-мягкого элемента (1, 4) вырезана тангенциальная часть (12), и образованная выемка полностью заполнена диамагнитной или парамагнитной средой (11).

8. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что между каждыми двумя соседними выемками вдоль оси q магнитно-мягкого элемента (1, 4) расположены части (14) магнитно-мягкого элемента, причем по меньшей мере две лежащие на оси q соседние части (14) магнитно-мягкого элемента соединены друг с другом немагнитопроводящим образом.

9. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что диамагнитная или парамагнитная среда (11) содержит полимеры, и/или реактопласты, и/или керамику, и/или стекло, и/или древесину.

10. Способ изготовления ротора по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что на первом этапе способа получают цилиндрический магнитно-мягкий элемент (1), в частности пакет (4) сердечника, или изготовленный методом порошковой металлургии элемент, снабжают выемками (2) для образования барьеров для магнитного потока и явновыраженных магнитных полюсов, и размещают на роторной оси по меньшей мере один прокладочный элемент (9), а на следующем этапе способа в полученный цилиндрический магнитно-мягкий элемент (1, 4) или вокруг него вводят или, соответственно, наносят диамагнитную или парамагнитную среду (11) методом первичного формообразования, в частности литьем под давлением, причем лежащий в радиальном направлении над прокладочным элементом промежуток заполняют диамагнитной или парамагнитной средой, причем эта диамагнитная или парамагнитная среда (11) образует цельное тело.

11. Применение ротора по любому из пп.1-9 в реактивной индукторной электрической машине, в частности в синхронной реактивной индукторной электрической машине.

12. Реактивный индукторный двигатель, в частности синхронный реактивный индукторный двигатель, содержащий ротор по любому из пп.1-9.