[1]Полезная модель относится к области электротехники, а именно к конструктивному исполнению магнитной системы ротора с инкорпорированными постоянными магнитами быстроходной обратимой электромашины. Такие обратимые электромашины относятся к классу синхронных электромашин и различаются: с поверхностной установкой постоянных магнитов на ротор и с инкорпорированной (внутренней) установкой постоянных магнитов в ротор. Последний вариант наиболее предпочтителен для быстроходных обратимых электромашин, обеспечивая улучшенную динамическую прочность конструкции.
[2]Быстроходные электромашины работают с частотой вращения свыше 6 тыс. об/мин и позволяют существенно снизить их массогабаритные размеры, удешевив производство при повышении надежности и энергоэффективности.
[3]Обратимые электромашины позволяют работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, что недоступно традиционным электромашинам при отсутствии постоянных магнитов. Разработка обратимых электромашин позволяет унифицировать и удешевить производство, расширив диапазон применения типовых решений.
[4]Кроме того, различают конструкции роторов: с радиальным, тангенциальным магнитным полем, а также с V-образным расположением постоянных магнитов.
[5]Оптимизировать конструкцию роторов обратимых электромашин нереально, т.к. в режиме генератора необходимо обеспечить наибольшую мощность за счет снижения потерь, а в режиме двигателя необходимо реализовать наибольший момент вращения.
[6]Синхронные обратимые электромашины с инкорпорированными постоянными магнитами используют как активную, так и реактивную часть магнитного поля для образования наибольшего момента вращения и имеют соотношение результирующих значений индуктивности по осям d и q равным от 1 до 8. Такая конструкция ротора оптимальна как при использовании в пределах номинальных значений скорости вращения ротора, так и при их повышенных значениях (в режиме ослабления поля). Важной задачей при разработке таких электромашин является обеспечение синусоидального магнитного поля высокой напряженности в воздушном зазоре между ротором и статором и между постоянными магнитами ротора и концентрической обмоткой статора. Наибольшая плотность силовых линий магнитного поля в воздушном зазоре обеспечивает наибольшую напряженность (индукцию), а отсутствие излома или нарушение гладкости силовых линий в зазоре и роторе обеспечивает синусоидальность магнитного поля сетевой частоты.
[7]Технической задачей полезной модели является реализация магнитной системы ротора с инкорпорированными постоянными магнитами быстроходной обратимой электромашины, которая оптимизирует магнитную систему ротора с обеспечением синусоидального магнитного поля высокой напряженности.
[8]Известно техническое решение по патенту US 2005/0001503 А1, МПК 02K 21/12 от 06.01.2005 «Ротор для электрической машины», в котором ротор представляет цилиндрический сердечник с центральным отверстием, а постоянные магниты встроены в сердечник ротора и выдвигаются по сути, как спицы, через сердечник ротора, причем выбранные соседние постоянные магниты соединены, по крайней мере, с одним вспомогательным магнитом на их радиальных внутренних концах. Указанное техническое решение не обеспечивает синусоидального магнитного поля высокой напряженности.
[9]Известно техническое решение по патенту RU 2406209, МПК H02K 1/27, H02K 15/03 от 10.12.2010 «Ротор на постоянных магнитах», которое касается особенностей выполнения ротора на постоянных магнитах для электродвигателя с постоянными магнитами во внутренней части ротора, расположенными параллельно оси вращения ротора и в области радиально внешних продольных кромок постоянных магнитов на внешнем периметре ротора с открытыми наружу пазами. Пазы проходят наклонно или с изгибом к продольным кромкам смежных постоянных магнитов в направлении периметра или, по меньшей мере, один раз пересекают. Пазы на внешней стороне ротора в направлении периметра имеют меньшую ширину, чем в лежащей радиально ближе к центру области паза, и форма поперечного сечения паза по длине ротора постоянна. Указанное решение не касается обеспечения наибольшего синусоидального магнитного поля высокой напряженности.
[10]Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели, которое принимается в качестве прототипа, является «Магнитная система ротора», RU 119185 U1, МПК H02K 21/00 от 10.08.2012, в которой магнитная система ротора, содержащая более чем две пластины магнитопроводящей стали с полюсами, образованными постоянными магнитами дуговой формы с радиальной или диаметральной намагниченностью N-S и S-N, находящимися внутри пакета пластин, содержит под магнитами воздушные полости, а на внутреннем диаметре ротора имеется хотя бы один выступ для соединения с валом ротора. Указанное решение не обеспечивает синусоидального магнитного поля высокой напряженности за счет применения дуговой формы постоянных магнитов с разной намагниченностью.
[11]Техническое решение поставленной задачи достигается выполнением следующей конструкции ротора.
[12]Магнитная система ротора, содержащая более чем две пластины магнитопроводящей стали с полюсами, образованными постоянными магнитами, находящимися внутри пакета пластин, под магнитами выполнены воздушные полости, а на внутреннем диаметре ротора имеется хотя бы один выступ для соединения с валом ротора, отличающаяся тем, что постоянные магниты на наружной поверхности ротора имеют прямоугольную форму одинаковой диаметральной N-S или S-N намагниченности и под магнитами, размещенными по наружной поверхности ротора, находятся V-образно расположенные постоянные магниты также прямоугольной формы диаметральной N-S или S-N намагниченности, причем пазы в пластинах магнитопроводящей стали для размещения постоянных магнитов выполняются с торцевыми выемками, которые для размещенных на наружной поверхности ротора постоянных магнитов имеют симметричную треугольную форму, а для V-образно расположенных постоянных магнитов имеют несимметричную форму в виде полуокружности со стороны магнита, расположенной ближе к окружности ротора, и клювообразную форму со стороны магнита, расположенную ближе к оси ротора.
[13]Сущность технического решения поясняется с помощью чертежей:
[14]фиг. 1 - схематичный вид пластины ротора с реализацией пазов под постоянные магниты,
[15]фиг. 1а - фрагмент пластины ротора с выделением торцевых выемок в пазах под постоянные магниты,
[16]фиг. 2 - конструкция магнитной системы ротора с размещением унифицированных постоянных магнитов прямоугольной формы типов 1 и 2,
[17]фиг. 2а - фрагмент конструкции магнитной системы ротора с размещением двух типов унифицированных постоянных магнитов типа 1 и 2,
[18]фиг. 2б - фрагменты выемок в торцах пластины под магниты типа 1,
[19]фиг. 2в - фрагмент выемок в торцах пластины под магниты типа 2,
[20]фиг. 3 - компьютерное распределение силовых линий магнитного поля в пространстве ротор-воздушный зазор-статор с концентрическими обмотками и значения индукции магнитного поля по элементам магнитной системы,
[21]фиг. 3а - фрагмент компьютерного распределения силовых линий магнитного поля, уровни намагничивания между V-образно расположенными постоянными магнитами ротора и концентрической обмоткой статора, а также значения намагничивания элементов.
[22]На чертежах приняты обозначения:
[24]2 - отверстия в пластине ротора под воздушные полости,
[25]3 - пазы под постоянные магниты,
[26]4 - прорези под нижние выемки магнитов типа 2,
[27]5 - прорези под верхние выемки магнитов типа 1 и 2,
[28]6 - магнитная система в виде набора размещенных в пазах пластины V-образных сборок постоянных магнитов,
[31]9 - форма треугольных выемок в торцах пластины под магниты типа 1,
[32]10 - форма нижних клювообразных выемок в торцах пластины под магниты типа 2,
[33]11 - форма верхних в виде полуокружности выемок в торцах пластины под магниты типа 2.
[34]На фиг. 1 показан схематичный вид пластины ротора 1 с реализацией пазов под постоянные магниты, причем отверстия 2 в пластине ротора под воздушные полости предназначены для облегчения ротора.
[35]На фиг. 1a показан фрагмент пластины ротора с выделением торцевых выемок в пазах 3 под постоянные магниты, причем предусмотрены прорези 4 под нижние выемки магнитов типа 2, прорези 5 под верхние выемки магнитов соответственно типов 1 и 2. Форма указанных выемок подобрана таким образом, чтобы сгладить трапецеидальную форму потокосцепления в зазоре электрической машины, придав ему синусоидальную форму магнитного поля высокой напряженности.
[36]На фиг. 2 показана конструкция магнитной системы с размещением унифицированных постоянных магнитов прямоугольной формы по наружной стороне пластины ротора. Магнитная система 6 представляет набор размещенных в пазах пластины V-образных сборок постоянных магнитов типов 1 и 2, расположение и форма которых обеспечивает наибольшую напряженность (индукцию) магнитного поля.
[37]На фиг. 2а показан фрагмент конструкции магнитной системы ротора с размещением двух типов унифицированных постоянных магнитов, соответственно 7 - магнит типа 1, 8 - магнит типа 2, и двух типов воздушных полостей для облегчения ротора.
[38]На фиг. 2б показан фрагменты треугольных выемок 9 в торцах пластины под магниты типа 1.
[39]На фиг. 2в показан фрагмент выемок в торцах пластины под магниты типа 2, причем 10 соответствует нижним клювообразным выемкам, 11 соответствует верхним выемкам в виде полуокружности.
[40]На фиг. 3 приведено компьютерное распределение силовых линий магнитного поля в пространстве ротор-воздушный зазор-статор с концентрическими обмотками, а также значения индукции магнитного поля по элементам магнитной системы. Видно, что концентрация силовых линий наивысшая в воздушном зазоре (показана темным цветом), благодаря чему обеспечивается наибольшая напряженность (индукция) магнитного поля.
[41]На фиг. 3а приведен фрагмент компьютерного распределения силовых линий магнитного поля, а также уровни намагничивания между V-образно расположенными постоянными магнитами ротора и концентрической обмоткой статора. Справа показаны значения намагничивания элементов. Воздушный зазор выделен жирной линией и в нем обеспечивается наибольшая индукция магнитного поля, выделенная темным цветом, концентрация которого подтверждает высокую индукцию в зазоре, а гладкие силовые линии без изломов обеспечивают синусоидальность магнитного поля.
[42]Анализ приведенных чертежей и компьютерного распределения силовых линий магнитного поля подтверждает выполнение технического решения в части повышения напряженности (индукции) магнитного поля. Из фрагмента фиг. 3а видно, что закругленные торцевые выемки паза пластины у наружной окружности ротора концентрируют наибольшее потокосцепление, сглаживая его трапецеидальную форму, присущую межзубцовому магнитному полю электромашины.
[43]Магнитная система ротора работает следующим образом. На концентрические обмотки статора подается переменное напряжение, под действием которого в этих обмотках начинает протекать переменный ток. С ростом тока повышается индукция магнитного поля в воздушном зазоре между ротором и статором. С ростом индукции магнитного поля пропорционально ей растет сила притяжения ближайшего к обмотке статора угла V-образной сборки постоянных магнитов ротора, которая преодолевает момент трения вала электромашины в подшипниках. Под действием этой силы притяжения ротор поворачивается и вступает в работу другая сборка магнитов, сцепленная с другой обмоткой статора, обеспечивая непрерывное вращение. С ростом напряжения до номинального значения ток обмотки статора и индукция магнитного поля также достигают номинальных значений и номинальных оборотов вращения. Для быстроходных машин диапазон номинальных оборотов составляет от 10 тыс. об/мин до 100 тыс. об/мин (например, для центрифуг), а для космоса до 300 тыс. об/мин и ограничен только типом подшипников и сопротивлением среды.
[44]Реверс электромашины осуществляется изменением фазы приложенного напряжения. Изменение скорости вращения осуществляется изменением частоты подводимого к статорной обмотке напряжения, которое снимается с выхода частотно-регулируемого преобразователя.
[45]Технический результат предлагаемого решения заключается в обеспечении быстроходности и обратимости электромашины за счет обеспечения синусоидального магнитного поля высокой напряженности.
[46]Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
[47]Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
[48]объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для реализации магнитной системы ротора быстроходных обратимых электромашин широкого назначения;
[49]для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
[50]объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
[51]Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
