RU2646543C1

RU2646543C1 - Rotor magnetic system with constant magnets and method of its manufacture

Info

Publication number: RU2646543C1
Application number: RU2017125432A
Authority: RU
Inventors: Флюр Рашитович Исмагилов; Ирек Ханифович Хайруллин; Вячеслав Евгеньевич Вавилов; Владимир Игоревич Бекузин; Валентина Владимировна Айгузина
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2018-03-06

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, in particular to rotor device of electric machines with excitation from permanent magnets. Rotor magnetic system with permanent magnets contains annular cylinder consisting of permanent magnets comprising unidirectional magnetization, made in form of bipolar magnetic system. Inner part of ring cylinder is mounted on outer part of rotor magnetic circuit, made of high-alloy steel. Manufacture of claimed magnetic rotor system is carried out by assembling unmagnetized preforms of permanent magnets in annular cylinder, then magnetizing them in unidirectional diametrical direction with possibility of forming bipolar magnetic system with magnetic field closest to sinusoid on outer side of magnet annular cylinder.

EFFECT: increase in energy characteristics.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к устройству роторов электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов, расположенных на роторе, и может быть использовано в электромашиностроении при производстве электродвигателей и генераторов.The invention relates to the field of electrical engineering, and more particularly to the device of rotors of electric machines with excitation from permanent magnets located on the rotor, and can be used in electrical engineering in the manufacture of electric motors and generators.

Известна магнитная система ротора (патент RU 2244370, МПК H02K 1/06, опубл. 10.01.2005), содержащая закрепленный на валу магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала без разрывов по внешнему и внутреннему диаметрам и с отверстиями под размещение в них постоянных магнитов. Отверстия выполнены прямоугольной формы с наклоном к радиальным осям (расположены вдоль хорд) таким образом, что расстояние между обращенными друг к другу и к валу боковыми поверхностями их по мере приближения к расточке ротора уменьшается, а между противоположными поверхностями тех же отверстий и в том же направлении увеличивается. Магнитная система ротора с требуемым по условию ее работоспособности чередованием вдоль расточки ротора полярностью полюсов образуется путем установки в указанные прямоугольной формы отверстия ротора намагниченных перпендикулярно боковым поверхностям призматических постоянных магнитов, причем таким образом, что каждая пара обращенных друг к другу и в сторону расточки ротора поверхности соседних магнитов имеет одинаковую магнитную полярность и полярность следующих друг за другом и ориентированных указанным образом пар магнитов вдоль расточки чередуется.Known magnetic rotor system (patent RU 2244370, IPC H02K 1/06, publ. 10.01.2005), containing a magnetic circuit fixed to the shaft, made of soft magnetic material without breaks in the outer and inner diameters and with holes for placement of permanent magnets in them. The holes are rectangular in shape with an inclination towards the radial axes (located along the chords) so that the distance between their side surfaces facing each other and the shaft decreases as they approach the rotor bore, and in the same direction between opposite surfaces of the same holes increases. The rotor magnetic system with alternating poles polarity along the rotor bore, required by the condition of its operability, is formed by installing in the indicated rectangular holes the rotor holes of the rotor magnetized perpendicular to the side surfaces of prismatic permanent magnets, so that each pair of adjacent surfaces facing each other and towards the rotor bore of magnets has the same magnetic polarity and polarity of successive and oriented in this way pairs of magnets in ol boring alternates.

Известна магнитная система ротора (патент RU №2316103, МПК H02K 1/27, МПК H02K 21/14, опубл. 27. 01. 2008 г.), которая содержит закрепленный на валу магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала без разрывов по внутреннему и внешнему диаметрам и с отверстиями под размещение в них постоянных магнитов. Отверстия выполнены прямоугольными с наклоном к радиальным осям (расположены вдоль хорд) таким образом, что расстояние между обращенными друг к другу и к валу боковыми поверхностями их по мере приближения к расточке ротора уменьшается, а между противоположными поверхностями тех же отверстий и в том же направлении увеличивается. Магнитная система ротора с требуемой по условию ее работоспособности чередующейся по расточке ротора полярностью полюсов образуется путем установки в указанные прямоугольной формы отверстия ротора намагниченных перпендикулярно боковым поверхностям постоянных магнитов, причем таким образом, что каждая пара обращенных друг к другу и в сторону расточки ротора поверхностей соседних призматических магнитов имеет одинаковую магнитную полярность, а полярность следующих друг за другом таких пар магнитов вдоль расточки чередуется.Known magnetic rotor system (patent RU No. 2316103, IPC H02K 1/27, IPC H02K 21/14, publ. 27. 01. 2008), which contains a magnetic circuit fixed to the shaft, made of soft magnetic material without breaks in the internal and external diameters and with holes for the placement of permanent magnets in them. The holes are made rectangular with a slope to the radial axes (located along the chords) so that the distance between the side surfaces facing each other and the shaft decreases as they approach the rotor bore, and increases between the opposite surfaces of the same holes in the same direction . The rotor magnetic system with the required polarity of the poles alternating along the rotor bore of the rotor is formed by installing the rotor holes of the rotor magnetized perpendicular to the lateral surfaces of the permanent magnets in the rectangular shape, so that each pair of adjacent prismatic surfaces facing each other and towards the rotor bore of magnets has the same magnetic polarity, and the polarity of successive such pairs of magnets alternating along the bore.

Недостатком является наличие воздушной полости, прилегающей к торцам постоянных магнитов со стороны вала, что способствует лишь уменьшению магнитных потоков рассеяния в этой области, но не устраняет их полностью.The disadvantage is the presence of an air cavity adjacent to the ends of the permanent magnets on the shaft side, which only contributes to a decrease in the magnetic fluxes of scattering in this region, but does not completely eliminate them.

Наиболее близкой к заявляемой магнитной системе является система постоянных магнитов для применения в электрической машине (US №5349258, H02K 21/12, H02K 23/04, H02K 21/26, опубл. 20.09.1994), представляющая собой кольцевой цилиндр, состоящий из полюсных, намагниченных радиально, постоянных магнитов чередующейся полярности и межполюсных постоянных магнитов, намагниченных тангенциально. Полюсные и межполюсные магниты прилегают друг к другу разноименными полюсами, образуя мозаичную структуру. Благодаря межполюсным элементам из тангенциально намагниченных постоянных магнитов изменяется не только направление магнитного потока, но и увеличивается индукция рабочего потока за счет увеличения активной длины магнитов в направлении их намагниченности.Closest to the claimed magnetic system is a permanent magnet system for use in an electric machine (US No. 5349258, H02K 21/12, H02K 23/04, H02K 21/26, publ. 09/20/1994), which is an annular cylinder consisting of pole magnetized radially, permanent magnets of alternating polarity, and interpolar permanent magnets tangentially magnetized. Pole and interpolar magnets adjoin each other with opposite poles, forming a mosaic structure. Due to the interpole elements of tangentially magnetized permanent magnets, not only the direction of the magnetic flux changes, but also the induction of the working flux increases due to an increase in the active length of the magnets in the direction of their magnetization.

Недостатком представленной системы постоянных магнитов для применения в электрической машине является сложность конструкции, несинусоидальное распределение магнитного поля на внешней стороне ротора, отсутствие возможности организовать магнитный поток одновременно в двух радиальных направлениях от магнитной системы.The disadvantage of the system of permanent magnets for use in an electric machine is the design complexity, non-sinusoidal distribution of the magnetic field on the outer side of the rotor, and the inability to organize magnetic flux simultaneously in two radial directions from the magnetic system.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, упрощение конструкции, минимизация высших гармоник, благодаря однонаправленной магнитной сборки постоянных магнитов.The objective of the invention is the expansion of functionality, simplifying the design, minimizing higher harmonics, due to the unidirectional magnetic assembly of permanent magnets.

Техническим результатом является повышение энергетических характеристик: мощности, механического момента, коэффициента мощности, КПД, при снижении массогабаритных показателей благодаря однонаправленной магнитной сборки постоянных магнитов.The technical result is an increase in energy characteristics: power, mechanical moment, power factor, efficiency, while reducing weight and size due to unidirectional magnetic assembly of permanent magnets.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в магнитной системе ротора с постоянными магнитами, содержащей кольцевой цилиндр, состоящий из постоянных магнитов, согласно изобретению кольцевой цилиндр имеет однонаправленное намагничивание постоянных магнитов, выполненное в виде двухполюсной магнитной системы, причем внутренняя часть кольцевого цилиндра установлена на внешней части магнитопровода ротора, выполненного из высоколегированной стали.The problem is solved and the technical result is achieved by the fact that in the magnetic system of the rotor with permanent magnets containing an annular cylinder consisting of permanent magnets, according to the invention, the annular cylinder has a unidirectional magnetization of permanent magnets, made in the form of a bipolar magnetic system, and the inner part of the annular cylinder is installed on the outer part of the rotor magnetic circuit made of high alloy steel.

Поставленная задача также достигается тем что, способ изготовления способ изготовления магнитной системы ротора с постоянными магнитами осуществляют путем сборки ненамагниченных заготовок постоянных магнитов в кольцевой цилиндр, затем намагничивают их в однонаправленном диаметральном направлении с возможностью образования двухполюсной магнитной системы с магнитным полем, максимально приближенным к синусоиде на внешней стороне кольцевого цилиндра магнита.The task is also achieved by the fact that, a manufacturing method for manufacturing a magnetic system of a rotor with permanent magnets is carried out by assembling non-magnetized blanks of permanent magnets in an annular cylinder, then they are magnetized in a unidirectional diametrical direction with the possibility of forming a bipolar magnetic system with a magnetic field as close as possible to a sinusoid the outer side of the annular magnet cylinder.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез магнитной системы ротора с постоянными магнитами.In FIG. 1 is a cross-sectional view of a permanent magnet rotor magnetic system.

На фиг. 2 показано замыкание силовых линий магнитного поля электрической машины в поперечном разрезе (результаты компьютерного моделирования в программном комплексе Ansoft Maxwell).In FIG. Figure 2 shows the closure of the lines of force of the magnetic field of an electric machine in cross section (the results of computer simulation in the Ansoft Maxwell software package).

На фиг. 3 показано распределение магнитной индукции в электрической машины в поперечном разрезе (результаты компьютерного моделирования в программном комплексе Ansoft Maxwell).In FIG. Figure 3 shows the distribution of magnetic induction in an electric machine in a cross section (the results of computer simulation in the Ansoft Maxwell software package).

Предложенная конструкция магнитной системы ротора с постоянными магнитами содержит кольцевой цилиндр 1 (фиг. 1), состоящий из постоянных магнитов 2 (стрелками показана намагниченность), которые имеют однонаправленное намагничивание и представляют собой двухполюсную магнитную систему. На внутреннюю часть кольцевого цилиндра 1 установлена внешняя часть цилиндрического магнитопровода ротора 3, выполненного из высоколегированно стали, а на внешнюю часть кольцевого цилиндра 1 установлен бандажный цилиндр 4, для механической прочности магнитной системы ротора с постоянными магнитами. Для уменьшения массы магнитной системы ротора с постоянными магнитами вырезаны отверстия 5 и 6. На фиг. 2 и фиг. 3 изображен статор с обмотками 7, внутри которого расположена предлагаемая магнитная система ротора с постоянными магнитами.The proposed design of the magnetic system of the rotor with permanent magnets contains an annular cylinder 1 (Fig. 1), consisting of permanent magnets 2 (arrows indicate magnetization), which have unidirectional magnetization and represent a bipolar magnetic system. On the inner part of the annular cylinder 1, the outer part of the cylindrical magnetic circuit of the rotor 3, made of high alloy steel, is installed, and on the outer part of the annular cylinder 1 there is a retaining cylinder 4, for mechanical strength of the rotor magnetic system with permanent magnets. To reduce the mass of the permanent magnet rotor magnetic system, holes 5 and 6 are cut out. FIG. 2 and FIG. 3 shows a stator with windings 7, within which the proposed magnetic system of the rotor with permanent magnets is located.

Магнитная система ротора с постоянными магнитами работает следующим образом: при работе электрической машины, к примеру в режиме генератора, вращается магнитная система ротора с постоянными магнитами, по магнитопроводу статора (на фиг. 2 и фиг. 3) начинает протекать магнитный поток возбуждения. По закону электромагнитной индукции в обмотке статора наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки, частоты вращения магнитной системы ротора с постоянными магнитами и магнитного потока возбуждения. Магнитный поток возбуждения зависит от намагниченности постоянных магнитов, геометрии магнитных полюсов. Неправильная геометрия и намагниченность постоянных магнитов может повлечь за собой усиление негативного влияния высших гармоник, тормозных моментов ротора, несинусоидальное напряжение на выходе генератора. Чтобы этого не произошло, на внешнюю часть цилиндрического магнитопровода ротора 3, выполненного из высоколегированной стали, установлен кольцевой цилиндр 1, состоящий из постоянных магнитов 2, которые имеют однонаправленное намагничивание и выполнены в виде двухполюсной магнитной системы, с синусоидальным распределением магнитного поля по внешней стороне кольцевого цилиндра 1. Замыкание силовых линий магнитного поля электрической машины в поперечном разрезе показано на фиг. 2.The magnetic system of the rotor with permanent magnets works as follows: when the electric machine is operating, for example, in generator mode, the magnetic system of the rotor with permanent magnets rotates, the magnetic flux of excitation begins to flow through the stator magnetic circuit (in Fig. 2 and Fig. 3). According to the law of electromagnetic induction, an electromotive force is induced in the stator winding, the magnitude of which depends on the number of turns of the winding, the frequency of rotation of the magnetic system of the rotor with permanent magnets and the magnetic flux of excitation. The magnetic flux of the excitation depends on the magnetization of permanent magnets, the geometry of the magnetic poles. Incorrect geometry and magnetization of permanent magnets can lead to an increase in the negative influence of higher harmonics, rotor braking torques, and a non-sinusoidal voltage at the generator output. To prevent this from happening, an annular cylinder 1 is installed on the outer part of the cylindrical magnetic circuit of the rotor 3 made of high alloy steel, consisting of permanent magnets 2, which have unidirectional magnetization and are made in the form of a bipolar magnetic system, with a sinusoidal distribution of the magnetic field along the outer side of the annular cylinder 1. The closure of the lines of force of the magnetic field of an electric machine in cross section is shown in FIG. 2.

Пример конкретной реализации способа.An example of a specific implementation of the method.

Способ реализуется на примере магнитоэлектрического генератора на 700 Вт, активная длина равна 50 мм. Магнитную систему ротора из постоянных магнитов изготавливают из ненамагниченных заготовок постоянных магнитов, состоящих из сплава меди, кобальта, серы, никеля, железа, алюминия и титана, заготовки из постоянных магнитов выполнены в виде секторов 2 (количество секторов 6, внутренний диаметр 24 мм, внешний 31 мм). Данные секторы монтируются на внешнюю часть цилиндрического магнитопровода ротора 3, выполненного из высоколегированной стали 30ХГСА (с внешним диаметром 31 мм) с отверстиями 5 (диаметр 3 мм) для облегчения конструкции магнитопровода ротора 3 и с отверстием 6 для осевой шпильки (на фиг не показано). В результате сектора заготовок постоянных магнитов 2 образуют кольцевой цилиндр 1. Данную конструкцию помещают в намагничивающую установку, намагничивание производят в одном диаметральном направлении. В результате сектора постоянных магнитов 2 намагничиваются в одном направлении, и конструкция с позициями 1, 2, 3 образует двухполюсную магнитную систему с постоянными магнитами. После, на внешнюю часть кольцевого цилиндра 1 устанавливают бандажный цилиндр 4 (внутренний диаметр 31 мм, внешний диаметр 33 мм), представляющий из себя фторопластовую втулку. Бандажный цилиндр 4 устанавливают для механической прочности магнитной системы ротора с постоянными магнитами.The method is implemented by the example of a magnetoelectric generator of 700 watts, the active length is 50 mm. The magnetic system of the rotor of permanent magnets is made of non-magnetized blanks of permanent magnets, consisting of an alloy of copper, cobalt, sulfur, nickel, iron, aluminum and titanium, blanks of permanent magnets are made in the form of sectors 2 (number of sectors 6, inner diameter 24 mm, external 31 mm). These sectors are mounted on the outer part of the cylindrical magnetic circuit of the rotor 3 made of high-alloy steel 30KhGSA (with an external diameter of 31 mm) with holes 5 (diameter 3 mm) to facilitate the construction of the magnetic circuit of the rotor 3 and with an opening 6 for an axial pin (not shown in FIG.) . As a result, the sector of the blanks of permanent magnets 2 form an annular cylinder 1. This design is placed in a magnetizing installation, magnetization is carried out in one diametrical direction. As a result, the sectors of the permanent magnets 2 are magnetized in one direction, and the structure with positions 1, 2, 3 forms a bipolar magnetic system with permanent magnets. After that, on the outer part of the annular cylinder 1, a retaining cylinder 4 is installed (inner diameter 31 mm, outer diameter 33 mm), which is a fluoroplastic sleeve. A retaining cylinder 4 is installed for the mechanical strength of the permanent magnet rotor system.

В результате технология сборки магнитной системы ротора с постоянными магнитами становится проще, т.к. намагничивание постоянных магнитов можно произвести за одну технологическую операцию, а не за несколько (как в прототипе).As a result, the assembly technology of the permanent magnet rotor magnetic system becomes simpler because Permanent magnets can be magnetized in one technological operation, and not in a few (as in the prototype).

Итак, заявленное изобретение позволяет расширить функциональные возможности, упростить конструкцию, повысить КПД, минимизировать негативное влияние высших гармоник, уменьшить массогабаритные показатели, благодаря однонаправленному намагничиванию постоянных магнитов в магнитной системе ротора с постоянными магнитами.So, the claimed invention allows to expand the functionality, simplify the design, increase the efficiency, minimize the negative impact of higher harmonics, reduce the overall dimensions, due to the unidirectional magnetization of permanent magnets in the magnetic system of the rotor with permanent magnets.

Claims

1. The magnetic system of the rotor with permanent magnets, containing an annular cylinder consisting of permanent magnets, characterized in that the annular cylinder has a unidirectional magnetization of permanent magnets, made in the form of a bipolar magnetic system, the inner part of the annular cylinder mounted on the outer part of the rotor magnetic circuit, made made of high alloy steel.

2. A method of manufacturing a magnetic system of a rotor with permanent magnets, which is carried out by assembling blanks of permanent magnets in an annular cylinder, characterized in that the non-magnetized blanks of permanent magnets are assembled in an annular cylinder, then magnetize them in a unidirectional diametrical direction with the possibility of forming a bipolar magnetic system with a magnetic field as close as possible to the sinusoid on the outside of the annular magnet cylinder.