RU2818893C1 - Rotor of high-speed electric machine with permanent magnets - Google Patents
Rotor of high-speed electric machine with permanent magnets Download PDFInfo
- Publication number
- RU2818893C1 RU2818893C1 RU2023130614A RU2023130614A RU2818893C1 RU 2818893 C1 RU2818893 C1 RU 2818893C1 RU 2023130614 A RU2023130614 A RU 2023130614A RU 2023130614 A RU2023130614 A RU 2023130614A RU 2818893 C1 RU2818893 C1 RU 2818893C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- electric machine
- permanent magnets
- magnetic
- sector plates
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 27
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910000746 Structural steel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000013011 mating Effects 0.000 claims 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 3
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в высокоскоростных электрических машинах с постоянными магнитами коллекторного типа с тангенциально намагниченными магнитами, расположенными между ферромагнитными полюсами. Техническим результатом является повышение надежности и долговечности электрической машины.The invention relates to electrical engineering and can be used in high-speed electric machines with permanent magnets of the collector type with tangentially magnetized magnets located between ferromagnetic poles. The technical result is to increase the reliability and durability of the electric machine.
Известен ротор электрической машины с тангенциально намагниченными магнитами, расположенными между полюсами, выполненными в виде секторов из электротехнической стали, служащих для концентрации магнитного потока [Электрические машины c постоянными магнитами: учебное пособие / А.Ф. Шевченко, А.Г. Приступ. - Новосибирск, изд-во НГТУ, 2016. - 64 с. 2. Высокооборотные электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами: учебное пособие/ Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, В.Е. Вавилов. - М.: Изд-во «Инновационное машиностроение», 2017. - 248 с.]. В такой конструкции магниты устанавливаются между полюсами на немагнитную втулку (вал) таким образом, чтобы оси намагничивания были направлены тангенциально, а полярность смежных постоянных магнитов была одноименна (ротор «коллекторного типа»). Для обеспечения механической прочности ротора на магниты накладывается немагнитная вставка, привариваемая к полюсам.There is a known rotor of an electric machine with tangentially magnetized magnets located between the poles, made in the form of sectors of electrical steel, which serve to concentrate the magnetic flux [Electric machines with permanent magnets: a textbook / A.F. Shevchenko, A.G. Attack. - Novosibirsk, NSTU publishing house, 2016. - 64 p. 2. High-speed electric machines with high-coercivity permanent magnets: textbook / F.R. Ismagilov, I.Kh. Khairullin, V.E. Vavilov. - M.: Publishing house "Innovative mechanical engineering", 2017. - 248 p.]. In this design, magnets are installed between the poles on a non-magnetic sleeve (shaft) in such a way that the magnetization axes are directed tangentially, and the polarity of adjacent permanent magnets is the same (collector-type rotor). To ensure the mechanical strength of the rotor, a non-magnetic insert is placed on the magnets and welded to the poles.
Недостатками данной конструкции являются низкая механическая прочность, дополнительный нагрев полюсов ротора и постоянных магнитов от высших гармоник поля, ограниченные функциональные возможности, обусловленные незначительными скоростями вращения ротора.The disadvantages of this design are low mechanical strength, additional heating of the rotor poles and permanent magnets from higher field harmonics, limited functionality due to low rotor rotation speeds.
Известен ротор электрической машины (высокоскоростного генератора) [патент РФ № 2552846 С1, Н02К 1/27, Н02К 15/03, 10.06. 2015, БИ №16], содержащий вал, на котором установлено ярмо ротора с постоянными магнитами, бандажную оболочку и стержни в торцевых поверхностях ярма для крепления магнитной системы.The rotor of an electric machine (high-speed generator) is known [RF patent No. 2552846 C1, N02K 1/27, N02K 15/03, 10.06. 2015, BI No. 16], containing a shaft on which a rotor yoke with permanent magnets is installed, a bandage shell and rods in the end surfaces of the yoke for attaching the magnetic system.
Недостатком данной конструкции является наличие бандажной оболочки, увеличивающей величину воздушного зазора. Кроме того, в случае выполнения бандажной оболочки в виде металлического стакана, требующего дополнительно в технологическом плане предварительного напряженного состояния, в ней наводятся вихревые токи от высших гармонических составляющих, что приводит к дополнительным потерям и разогреву ротора.The disadvantage of this design is the presence of a bandage shell, which increases the size of the air gap. In addition, if the bandage shell is made in the form of a metal cup, which in technological terms additionally requires a preliminary stressed state, eddy currents from higher harmonic components are induced in it, which leads to additional losses and heating of the rotor.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является ротор, состоящий из слоистого стального тела, сформированного путем укладки в осевом направлении одна на другую множества магнитных пластин сердечника, образующих фактически, индуктор [патент РФ № 2597218 С2 H02K 1/27, Н02К 1/06, 10.04.2016 БИ №10]. В предложенной конструкции, тангенциально намагниченные магниты располагаются в прямоугольных пазах пластин сердечника, а пазы для удержания магнитов в радиальном направлении от действия центробежных со стороны воздушного зазора имеют перемычки.The closest analogue of the proposed invention is a rotor consisting of a layered steel body formed by laying in the axial direction one on top of another a set of magnetic core plates, which actually form an inductor [RF patent No. 2597218 C2 H02K 1/27, N02K 1/06, 10.04. 2016 BI No. 10]. In the proposed design, tangentially magnetized magnets are located in rectangular grooves of the core plates, and the grooves for holding the magnets in the radial direction from the action of centrifugal magnets on the side of the air gap have jumpers.
Недостатками данной конструкции являются наличие магнитных перемычек, шунтирующих часть магнитного потока постоянных магнитов, поэтому их нельзя выполнить широкими в радиальном направлении. С другой стороны, прочность ротора определяется, фактически, шириной указанных перемычек в радиальном направлении. Низкая для больших окружных скоростей ротора механическая прочность мест крепления и удержания постоянных магнитов и полюсов, при дополнительном нагреве магнитных перемычек от высших гармоник поля, приводит к снижению надежности работы долговечности электрической машины с постоянными магнитами коллекторного типа.The disadvantages of this design are the presence of magnetic jumpers that shunt part of the magnetic flux of permanent magnets, so they cannot be made wide in the radial direction. On the other hand, the strength of the rotor is determined, in fact, by the width of these jumpers in the radial direction. The low mechanical strength of the places of fastening and holding of permanent magnets and poles for high peripheral speeds of the rotor, with additional heating of the magnetic jumpers from higher harmonics of the field, leads to a decrease in the reliability of the operation and durability of an electric machine with permanent magnets of the collector type.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности и долговечности электрической машины с постоянными магнитами коллекторного типа.The technical result of the claimed invention is to increase the reliability and durability of an electric machine with permanent magnets of the collector type.
Технический результат достигается тем, что в магнитной системе, включающей постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, размещенные между ними полюсы ротора выполнены в виде ряда ферромагнитных электрически изолированных друг от друга секторных пластин, сопрягаемых в аксиальном направлении между собою посредством двух кольцевых соединений типа «шип-паз», расположенных на поверхностях секторов друг над другом в радиальном направлении. При этом набор секторных пластин фиксируется с торцов фланцами из немагнитной высокопрочной стали, например, 36НХТЮ, 5Х4Г18 или титана посредством аналогичных соединений типа «шип-паз», а фланцы соединены жестко с валом электрической машины. Также между кольцевыми соединениями пластин индуктора и фланцев расположены отверстия для фиксирующих шпилек, дополнительно скрепляющих секторы полюсов и фланцы в аксиальном направлении.The technical result is achieved by the fact that in a magnetic system including permanent magnets magnetized in the tangential direction, the rotor poles placed between them are made in the form of a series of ferromagnetic sector plates electrically isolated from each other, mated in the axial direction with each other by means of two ring connections of the “spike” type -groove” located on the surfaces of the sectors one above the other in the radial direction. In this case, a set of sector plates is fixed at the ends with flanges made of non-magnetic high-strength steel, for example, 36НХТУ, 5Х4Г18 or titanium using similar tongue-and-groove connections, and the flanges are rigidly connected to the shaft of the electric machine. Also between the annular connections of the inductor plates and flanges there are holes for fixing pins, which additionally fasten the pole sectors and flanges in the axial direction.
На фиг. 1 представлено продольно-осевое сечение ротора.In fig. Figure 1 shows a longitudinal-axial section of the rotor.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение ротора.In fig. Figure 2 shows a cross section of the rotor.
Ротор содержит полый немагнитный вал 1 с укрепленными на нем по гарантированной посадке фланцами 2 и 3, выполненными из немагнитной конструкционной стали. Между фланцами 2 и 3 находятся секторные пластины 4, сопрягаемые в аксиальном направлении между собою посредством двух кольцевых соединений типа «шип-паз», расположенных на поверхностях секторов друг над другом в радиальном направлении, и постоянные магниты 5, расположенные между секторными пластинами 4. Секторные пластины 4 в сборе образуют индуктор ротора (полюсы) и быть выполнены или из электротехнической стали или из конструкционной стали с хорошими магнитными свойствами по магнитной проницаемости и намагниченности, например, 12ХН3А или 30ХГСА. Радиальному перемещению магнитов 5 препятствует клин 6, выполненный из немагнитной конструкционной стали или титана. Секторные пластины индуктора и фланцы стягиваются в аксиальном направлении через отверстия шпильками 7, выполненными из конструкционной стали с хорошими магнитными свойствами по магнитной проницаемости и намагниченности.The rotor contains a hollow non-magnetic shaft 1 with flanges 2 and 3 mounted on it for a guaranteed fit, made of non-magnetic structural steel. Between the flanges 2 and 3 there are sector plates 4, mated in the axial direction with each other by means of two ring joints of the tongue-and-groove type, located on the surfaces of the sectors above each other in the radial direction, and permanent magnets 5 located between the sector plates 4. Sector plates 4 assembled form the rotor inductor (poles) and be made of either electrical steel or structural steel with good magnetic properties in terms of magnetic permeability and magnetization, for example, 12ХН3А or 30ХГСА. The radial movement of magnets 5 is prevented by a wedge 6 made of non-magnetic structural steel or titanium. The sector plates of the inductor and flanges are tightened in the axial direction through the holes with pins 7, made of structural steel with good magnetic properties in terms of magnetic permeability and magnetization.
При работе электрической машины с большой скоростью вращения в элементах ротора - полюсах и шпильках, возникают большие механические радиальные и тангенциальные напряжения. При этом шпильки, стягивающие пластины (секторы) ротора, деформируется в радиально-аксиальном направлении и без дополнительных мер не способны противостоять аксиальной деформации резьбового соединения, а также радиальной деформации ротора, приводящей к уменьшению величины воздушного зазора. Для обеспечения прочности индуктора в условиях высоких скоростей вращения при дополнительном его нагреве от высших пространственных и временных гармоник магнитного поля индуктор выполнен из секторных пластин, сопрягаемых в аксиальном направлении между собою посредством двух кольцевых соединений типа «шип-паз», расположенных на поверхностях секторов друг над другом в радиальном направлении. Фактически такое соединение является подобием распределенной по объему индуктора шпилькой. Количество секторных пластин индуктора, выполненных из высокопрочной конструкционной стали с хорошими магнитными свойствами по магнитной проницаемости и намагниченности, определяется с одной стороны снижением потерь в индукторе от вихревых токов, а с другой стороны - возможностью технологического выполнения секторной пластины с кольцевым соединением типа «шип - паз». Повышение прочности индуктора ротора приводит к повышению его надежности и долговечности. При этом удаленный от воздушного зазора клин из немагнитной конструкционной стали или титана, препятствующий радиальному перемещению магнитов, не создает замыкающих контуров магнитного потока полюсов.When an electric machine operates at high rotation speeds, large mechanical radial and tangential stresses arise in the rotor elements - poles and pins. In this case, the pins that tighten the rotor plates (sectors) are deformed in the radial-axial direction and, without additional measures, are not able to withstand the axial deformation of the threaded connection, as well as the radial deformation of the rotor, leading to a decrease in the air gap. To ensure the strength of the inductor under conditions of high rotation speeds with its additional heating from higher spatial and temporal harmonics of the magnetic field, the inductor is made of sector plates mated in the axial direction with each other by means of two ring joints of the tongue-and-groove type, located on the surfaces of the sectors one above the other other in the radial direction. In fact, such a connection is similar to a hairpin distributed throughout the volume of the inductor. The number of inductor sector plates made of high-strength structural steel with good magnetic properties in terms of magnetic permeability and magnetization is determined, on the one hand, by the reduction of losses in the inductor from eddy currents, and on the other hand, by the possibility of technologically producing a sector plate with a tongue-and-groove ring connection " Increasing the strength of the rotor inductor leads to increased reliability and durability. In this case, a wedge made of non-magnetic structural steel or titanium removed from the air gap, which prevents the radial movement of magnets, does not create closing contours of the magnetic flux of the poles.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2818893C1 true RU2818893C1 (en) | 2024-05-07 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103117610A (en) * | 2013-01-31 | 2013-05-22 | 滁州市荣德电子科技有限公司 | Magnetic-steel-embedded rotor structure of brushless motor |
| RU2552846C1 (en) * | 2014-03-13 | 2015-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Rotor of high-speed generator |
| RU2597218C2 (en) * | 2012-02-17 | 2016-09-10 | Найдек Корпорейшн | Rotor core, engine and engine production method |
| RU170976U1 (en) * | 2016-05-23 | 2017-05-17 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | ROTOR OF SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE WITH PERMANENT MAGNETS |
| RU2696852C2 (en) * | 2017-07-10 | 2019-08-07 | Сергей Владимирович Леонов | Electric machine rotor |
| US10742082B2 (en) * | 2014-12-31 | 2020-08-11 | Ingersoll-Rand Industrial U.S., Inc. | Fixation system for a permanent magnet rotor |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2597218C2 (en) * | 2012-02-17 | 2016-09-10 | Найдек Корпорейшн | Rotor core, engine and engine production method |
| CN103117610A (en) * | 2013-01-31 | 2013-05-22 | 滁州市荣德电子科技有限公司 | Magnetic-steel-embedded rotor structure of brushless motor |
| RU2552846C1 (en) * | 2014-03-13 | 2015-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Rotor of high-speed generator |
| US10742082B2 (en) * | 2014-12-31 | 2020-08-11 | Ingersoll-Rand Industrial U.S., Inc. | Fixation system for a permanent magnet rotor |
| RU170976U1 (en) * | 2016-05-23 | 2017-05-17 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | ROTOR OF SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE WITH PERMANENT MAGNETS |
| RU2696852C2 (en) * | 2017-07-10 | 2019-08-07 | Сергей Владимирович Леонов | Electric machine rotor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6259180B1 (en) | Motor including embedded permanent magnet rotor and method for making the same | |
| US8618708B2 (en) | Electrical machine | |
| CA1211148A (en) | Permanent magnet rotor with complete amortisseur | |
| US4031421A (en) | Electric generator | |
| US20060131986A1 (en) | Axial gap permanent magnet reluctance motor and method | |
| US4510680A (en) | Method of making a permanent magnet rotor | |
| EA014510B1 (en) | High speed rotor of electric machine with permanent magnets | |
| CN110752728B (en) | L-shaped double-layer Halbach magnetic flux switching permanent magnet motor | |
| JP2005510991A (en) | Electric synchronous machine with annular winding | |
| Xiao et al. | A novel spoke-type asymmetric rotor interior PM machine | |
| Jing et al. | Investigation of a surface PM machine with segmented-eccentric magnet poles | |
| RU2818893C1 (en) | Rotor of high-speed electric machine with permanent magnets | |
| CN109962551B (en) | Double-winding permanent magnet fault-tolerant motor | |
| US4480207A (en) | Permanent magnet rotor and method of making same | |
| CN113949244B (en) | Single-tooth concentrated winding few-harmonic axial flux motor | |
| EP3001542A1 (en) | Permanent magnet rotors | |
| CN210518073U (en) | Novel high-power-density claw pole permanent magnet motor | |
| US20210376701A1 (en) | New two-stator and two-rotor combined energy-saving motor | |
| CN214255894U (en) | Core component of modularized claw pole permanent magnet motor | |
| RU2369953C1 (en) | Multipole rotor of valve electric machine with permanent magnets (versions) | |
| CN109038871A (en) | A kind of on-off reluctance motor with sectional rotor | |
| Lajoie-Mazenc et al. | Analysis of torque ripple in electronically commutated permanent magnet machines and minimization methods | |
| CN109698594B (en) | Rotor linear half-wave axial magnetic circuit reluctance type multi-pole rotary transformer | |
| RU2690545C1 (en) | Rotor of segment windmill generator | |
| US20230024290A1 (en) | Rotating electrical machine |