Ротор электрического устройства
РЕФЕРАТ
Предложен ротор (1) электродвигателя с постоянными магнитами (10), имеющий основную ось (D) и содержащий пластинчатый сердечник (2), ограниченный первой и второй торцевыми стенками (4, 5) и боковой поверхностью (6), и имеющий отверстие (7), выполненное с возможностью соединения с валом (8) электродвигателя, и множество продольных пазов (9) для установки магнитов (10), при этом ротор дополнительно содержит устройство (20) установки положения для закрепления положения магнитов (10) в пазах (9).
2420-183230RU/015
РОТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
ОПИСАНИЕ
Данная полезная модель относится к ротору для электрического устройства и, в частности, к ротору, имеющему встроенные постоянные магниты, то есть магниты, которые установлены в пазы, образованные в самом роторе.
Известны роторы со встроенными магнитами, используемые, в частности, в бесщеточных двигателях и обычно состоящие из пластинчатого сердечника, то есть сердечника, изготовленного из множества тонких пластин металла и имеющего основную ось, которая совпадает с осью вращения двигателя.
Ротор обычно имеет множество продольных пазов, которые расположены параллельно основной оси, и центральное отверстие, также расположенное параллельно основной оси и предназначенное для установки магнитов и приводного вала соответственно.
Ротор установлен в статоре, в котором сформированы магнитные полюса, которые, при включении питания, генерируют магнитное поле, взаимодействующее с магнитами и обеспечивающее вращение ротора.
Один из недостатков двигателей, в которых используются роторы такого типа, связан с тем, что из-за магнитного притяжения между магнитами, установленными в роторе, и полюсами статора возникает то, что обычно называется "моментом от зубцовых гармонических помех поля" или "моментом удержания".
Момент от зубцовых гармонических помех поля вызывает непостоянство угловой скорости ротора, что приводит к тому, что вращение представляет собой последовательность небольших "толчков" вместо плавного и непрерывного движения.
Роторы со встроенными магнитами также трудно сбалансировать и собирать, в частности, когда магниты вставляют в продольные пазы.
Внутренние размеры пазов несколько больше, чем внешние размеры магнитов, что позволяет последние вставлять в пазы.
В результате этого в роторах предшествующего уровня техники из-за небольшой разности в размерах между пазами и магнитами магниты не плотно удерживаются на месте, и центробежная сила, создаваемая в результате вращательного движения, выталкивает их в направлении внешней стенки паза.
Это означает, что распределение веса и форма воздушного зазора, когда ротор находится в состоянии покоя, отличаются от распределения веса и формы воздушного зазора при его вращении.
Другими словами, положение магнитов относительно сердечника ротора изменяется при включении двигателя, что сильно затрудняет оптимизацию потоков и конструктивных параметров двигателя.
Оптимизация конструктивных параметров также становится более трудной из-за ошибок концентричности в разных пластинах, из которых составлен ротор, вследствие того, что пластины вырезают в разное время. Такие ошибки приводят к несбалансированности ротора.
В этом контексте основная цель настоящей полезной модели состоит в том, чтобы создать ротор со встроенным магнитом, который легко собирать, и в котором положение магнитов, когда ротор находится в состоянии покоя, не изменяется при включении электродвигателя и вращении ротора.
Другая цель полезной модели состоит в создании ротора со сбалансированным распределением веса, как в статических условиях, так и в условиях вращения.
Еще одна цель полезной модели состоит в создании ротора, в частности, для бесщеточных двигателей, в которых уменьшен момент от зубцовых гармонических помех поля во время работы двигателя.
Указанные выше назначение и цели, по существу, достигаются посредством создания ротора электродвигателя с постоянными магнитами, имеющего основную ось и содержащий пластинчатый сердечник, ограниченный первой и второй торцевыми стенкам и боковой поверхностью, и имеющий отверстие для соединения с валом электродвигателя и множество продольных пазов для установки магнитов, при этом ротор также содержит изогнутую пружину, расположенную между каждым магнитом и соответствующим пазом для закрепления положения магнитов в пазах, причем сердечник имеет канавку для каждой изогнутой пружины, при этом канавка проходит в направлении, параллельном основной оси, между первой и второй торцевыми стенками, причем каждая пружина продольно вставлена в канавку, при этом каждая канавка расположена в середине соответствующего паза.
Предпочтительно, упругий элемент работает в направлении, которое является, по существу, радиальным относительно основной оси.
Предпочтительно, средство установки положения содержит направляющие ребра в каждом из пазов для направления магнитов в пазах.
Предпочтительно, ребра имеют круглый профиль радиусом, имеющий размер от приблизительно 0,1 мм до приблизительно 0,5 мм.
Предпочтительно, радиус имеет размер приблизительно 0,2 мм.
Предпочтительно, ротор содержит балансировочные отверстия, которые проходят между первой и второй торцевыми поверхностями и которые, в частности, по существу, расположены параллельно основной оси.
Предпочтительно, ротор содержит балансировочные грузы, расположенные внутри отверстий.
Предпочтительно, боковая поверхность определена множеством соединенных дуг, каждая из которых расположена возле одного из продольных пазов, причем дуги имеют верхние части, расположенные на равном расстоянии от оси, и центры, расположенные, по существу, на внутренней кромке продольного отверстия, при этом ротор представляет собой, в частности, 4-х полюсный ротор.
Предпочтительно, дуги охватывают угол, составляющий приблизительно от 55° до приблизительно 65°.
Предпочтительно, дуги охватывают угол, равный приблизительно 60°.
Предпочтительно, дуги имеют радиус, с размером от приблизительно 12 мм до приблизительно 15 мм, причем магниты имеют размеры от приблизительно 30 мм до приблизительно 50 мм в длину, от приблизительно 14 мм до приблизительно 16 мм в ширину и от приблизительно 2,5 мм до приблизительно 3,5 мм в высоту.
Предпочтительно, дуги имеют радиус с размером приблизительно 13,1 мм, причем магниты, имеют, в частности, приблизительно 40 мм в длину, приблизительно 15,4 мм в ширину и приблизительно 3 мм в высоту.
Предпочтительно, дуги охватывают угол от приблизительно 55° до приблизительно 65°.
Предпочтительно, дуги охватывают угол приблизительно 60°.
Предпочтительно, боковая поверхность определена множеством соединенных дуг, имеющих соответствующие верхние части, расположенные на равном расстоянии от оси, и центры, расположенные на равном расстоянии от основной оси, причем расстояние составляет приблизительно одну треть расстояния, при этом ротор, в частности, представляет собой 8-ми полюсный ротор, и магниты расположены возле дуг (11).
Предпочтительно, дуги охватывают угол от приблизительно 25° до приблизительно 35°.
Предпочтительно, дуги охватывают угол приблизительно 30°.
Предпочтительно, боковая поверхность определена множеством соединенных дуг, имеющих соответствующие верхние части, расположенные на равном расстоянии от основной оси, и центры, расположенные на равном расстоянии от основной оси, причем расстояние составляет приблизительно половину расстояния, при этом ротор, в частности, представляет собой 8-ми полюсный ротор, и магниты расположены возле дуг.
Предпочтительно, магниты состоят из множества частей, установленных рядом друг с другом в соответствующем пазу.
Предпочтительно, каждый из магнитов имеет заданный вес.
Предпочтительно, первая и вторая торцевые стенки расположены, по существу, параллельно друг другу, причем пластинчатый сердечник содержит множество пластин, которые, по меньшей мере, частично повернуты относительно основной оси.
Дополнительные отличительные признаки и преимущества настоящей полезной модели будут более очевидны из приведенного ниже подробного описания со ссылкой на предпочтительный, но не ограничивающий, вариант воплощения ротора для электрического устройства в том виде, как он проиллюстрирован на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг.1 - схематичный вид в перспективе четырехполюсного ротора в соответствии с настоящей полезной моделью;
фиг.2 - схематичный вид спереди ротора с фиг.1 с вырезом некоторых частей для лучшей иллюстрации других частей;
фиг.3 - схематичный вид спереди детали А с фиг.2 в увеличенном масштабе с вырезом некоторых деталей для лучшего пояснения других деталей;
фиг.3a - схематичный вид спереди детали B с фиг.3 в увеличенном масштабе;
фиг.3b - схематичный вид сбоку части, образующей упругий элемент ротора в соответствии с полезной моделью;
фиг.4 - схематичный вид спереди с вырезом некоторых частей для лучшей иллюстрации других деталей ротора, показанного на чертежах, представленных выше;
фиг.5 - схематичный вид спереди части ротора с фиг.2 в увеличенном масштабе;
фиг.6 - схематичный вид спереди с вырезом некоторых частей для лучшей иллюстрации других деталей восьмиполюсного электродвигателя, оборудованного ротором в соответствии с полезной моделью;
фиг.7 - структура магнитного потока в предпочтительном варианте воплощения электродвигателя, оборудованного ротором в соответствии с полезной моделью;
фиг.8 - кривая, представляющая момент от зубцовых гармонических помех поля в электродвигателе с фиг.7;
фиг.9 - схематичный вид в перспективе второго варианта воплощения четырехполюсного ротора в соответствии с полезной моделью; и
фиг.10 - другой вариант воплощения ротора в соответствии с полезной моделью.
На прилагаемых чертежах ссылочной позицией 1 обозначен ротор для электродвигателя М в соответствии с настоящей полезной моделью.
Как показано на фиг.4 и 6, электродвигатель М содержит статор 200, в котором установлен ротор 1.
Ротор 1 имеет основную ось D вращения, обычно совпадающую с осью электродвигателя М, и содержит пластинчатый сердечник 2, состоящий из множества тонких пластин 3, жестко соединенных друг с другом с помощью соединительных элементов 3a (собранный в соответствии с известной "технологией укладки"), ограниченный первой и второй торцевыми стенками 4, 5 и боковой поверхностью 6.
Сердечник 2 имеет продольное отверстие 7, ось которого, по существу, совпадает с основной осью D, и которое предназначено для соединения с валом 8 электродвигателя.
Первая и вторая торцевые стенки 4, 5 предпочтительно расположены параллельно друг другу. Для обеспечения такой параллельной установки пластины 3 группируют вместе в виде пакетов, которые соединяют для образования пластинчатого сердечника 2.
Предпочтительно - каждый пакет поворачивают относительно соседнего пакета не только для поддержания параллельности торцевых стенок 4, 5, но также и для коррекции коэффициента заполнения, который изменяется при вырезании пластин 3.
Коэффициент заполнения корректируют для поддержания постоянного сопротивления вдоль всего пластинчатого сердечника 2.
Как показано на фиг.1 и 2, иллюстрирующих четырехполюсный ротор 1, сердечник 2 также имеет четыре продольных паза 9, в каждый из которых установлен соответствующий магнит 10.
Предпочтительно - каждый магнит 10 имеет заданный вес, что упрощает балансировку ротора 1.
Предпочтительно - в альтернативных вариантах воплощения, которые не показаны на чертежах, магниты 10 выполнены более длинными или более короткими, чем соответствующие пазы 9, для оптимизации или получения максимального магнитного поля.
Как показано на фиг.3, каждый паз 9 имеет центральную зону 14, предназначенную для установки в нее соответствующего магнита 10, и пару формованных оконечных участков 15, которые расположены, по существу, под углом относительно центральной зоны 14.
Как известно, такие оконечные участки 15 остаются пустыми при использовании, в частности, для предотвращения замыкания потока утечки, создаваемого магнитом 10, установленным в пазу 9.
На оконечных участках 15 каждый паз 9 имеет ребра 16, предназначенные для направления каждого магнита 10 в соответствующий паз 9.
Магнит 10 упирается в ребра 16 таким образом, что предотвращается самопроизвольное движение магнита 10 в стороны, когда он находится внутри паза 9.
Как показано на фиг.3a и 10, ребра 16 сформированы соответственно в радиально внутренней стенке 9a паза 9 и в радиально наружной стенке 9b.
Следует отметить, что в представленном предпочтительном варианте воплощения ребра 16 имеют круглый профиль с радиусом R.
Боковая поверхность 6 сердечника 2 определена множеством круговых дуг, соединенных друг с другом, и более конкретно, в случае четырехполюсного ротора 1, боковая поверхность каждой из пластин 3 определена четырьмя дугами 11 с радиусом R3.
Для простоты описания рассмотрим более подробно одну пластину 3, верхние части 12 дуг 11 которой расположены на равном расстоянии R1 от оси D, и каждая из них расположена вдоль оси D1, которая, по существу, перпендикулярна основной оси D и проходит через центральную линию соответствующего продольного паза 9.
В основном каждая дуга 11 расположена возле соответствующего паза 9, и соседние дуги 11 соединены прямым сегментом 13.
Отдельная пластина 3 (и, следовательно, сердечник 2) имеет форму многоугольника со скругленными углами.
Центры дуг 11 расположены на равном расстоянии R2 от оси D.
Как, в частности, показано на фиг.2, центры дуг 11 расположены, по существу, на внутренней кромке 24 продольного отверстия 7 для оптимизации распределения магнитного потока через воздушный зазор, как более подробно описано ниже.
В качестве примера и без ограничений объема полезной модели - каждая дуга 11 в предпочтительном варианте воплощения 4-х полюсного ротора охватывает угол H от приблизительно 55° до приблизительно 65°, измеряемый относительно основной оси D. Более конкретно - угол H, охватываемый дугами 11, в предпочтительном варианте воплощения приблизительно равен 60°.
Как показано на фиг.5, сердечник 2 ротора 1 имеет последовательность, по существу, T-образных участков или зон 25.
Зоны 25 ограничены упомянутыми выше соединительными сегментами 13 и профилем оконечных участков 15 соседних пазов 9.
Каждая зона 25 имеет ножку 26 шириной S, проходящую в, по существу, радиальном направлении вдоль оси D1, и перекладину 27 шириной S1, соединяющую две последовательные дуги 11 и проходящую в направлении, по существу, перпендикулярном ножке 26.
Как, в частности, показано на фиг.3 и 3b, ротор 1 содержит упругое удерживающее средство 17, предназначенное для удержания магнита 10 в пазу 9 и предотвращения его радиального движения во время работы электродвигателя М.
Средство 17 содержит упругий элемент 18, расположенный между магнитом 10 и сердечником 2.
Упругий элемент 18 предпочтительно состоит из гибкой пружины (листовой пружины). Пружина 18 имеет, по существу, прямой участок 100, на котором установлен соответствующий магнит 10.
Предпочтительно - участок 100 проходит по всей длине соответствующего паза 9, и соответствующий магнит 10 установлен всей своей длиной на участке 100.
Пружина 18 также имеет пару соответственно изогнутых боковых участков 101, примыкающих к сердечнику 2.
Каждая пружина 18 вставлена продольно в ротор 1, в частности, в канавку 19, проходящую в направлении, параллельном оси D, и расположенную в середине соответствующего паза 9.
Каждая пружина 18 выталкивает соответствующий магнит 10 в упомянутом выше радиальном направлении D1 к краю ротора 1.
Следует отметить, что пружины 18 оказывают сопротивление магнитным силам притяжения и отталкивания, воздействующим на магниты 10 и возникающим в результате работы электродвигателя М, и, таким образом, предотвращают движение магнитов 10 внутри соответствующих пазов 9.
Таким образом, не происходит изменение положения магнитов или распределения веса ротора 1, когда он переходит из неподвижного режима в рабочий режим. Магниты остаются установленными с прижимом к радиально внешней стенке паза, когда ротор остановлен и когда он вращается.
Упругое удерживающее средство 17 и направляющие ребра 16, таким образом, составляют средство 20 установки положения магнитов 10 в пазах 9 и разработаны не только для улучшения вставки магнитов в пазы, но также и для удержания их в одинаковом радиальном положении во время работы электродвигателя.
Следует отметить, что в предпочтительном варианте воплощения, показанном на фиг.9, магниты 10 состоят из множества частей 10a, 10b, 10c, l0d, установленных вблизи друг друга в соответствующем пазу 9.
Такое решение предпочтительно позволяет уменьшить потери, связанные с вихревыми токами, возникающими в роторе. В этом случае пружина 18, которая не показана на чертежах, имеет соответствующую форму, благодаря которой она выталкивает все части 10a, 10b, 10c, 10d, по существу, в радиальном направлении и удерживает их в правильном положении.
Предпочтительно в других вариантах воплощения, которые не показаны на чертежах, каждый магнит 10 состоит из любого количества частей в соответствии с необходимостью.
Ротор 1 также имеет последовательность продольных балансировочных отверстий 21.
Отверстия 21 предпочтительно заполнены соответствующими балансирующими грузами 22, используемыми для компенсации несбалансированности, связанной с различиями в магнитах 10 в самом роторе.
Грузы 22 для балансировки ротора также полезны в случаях, когда отдельные пластины 3 установлены не точно концентрически.
В предпочтительном варианте воплощении ротора с четырьмя полюсами, описанном в качестве примера, дуги ротора 1 имеют радиус R3 размером от приблизительно 12 мм до приблизительно 15 мм и, в частности, приблизительно 13,1 мм.
Магниты 10 имеют размеры от приблизительно 30 мм до приблизительно 50 мм в длину L1, от приблизительно 14 мм до приблизительно 16 мм в ширину L2 и от приблизительно 2,5 мм до приблизительно 3,5 мм в высоту L3.
В частности, магниты 10 составляют приблизительно 40 мм в длину L1, приблизительно 15,4 мм в ширину L2 и приблизительно 3 мм в высоту L3.
Радиус R ребер 16 составляет от приблизительно 0,1 мм до приблизительно 0,5 мм, и, в частности, радиус R составляет приблизительно 0,2 мм.
Таким образом, ребра 16 выполнены низкими по сравнению с магнитом 10, что исключает короткое замыкание поля последних.
Толщина S ножки 26 составляет от приблизительно 0,8 мм до приблизительно 2,2 мм, и, в частности, составляет приблизительно 2 мм, в то время как толщина S1 перекладины 27 составляет приблизительно от 0,5 мм до приблизительно 0,8 мм и предпочтительно составляет приблизительно 0,6 мм.
Как показано на фиг.7 и 8, в электродвигателе М, в котором установлен описанный здесь ротор 1, практически отсутствует утечка потока, и кривая его момента от зубцовых гармонических помех поля является, по существу, синусоидальной и имеет относительно низкие максимальные значения.
В случае электродвигателя М с восьмиполюсным ротором, как показано на фиг.6, предпочтительное расстояние R2, то есть общее расстояние между основной осью D и центрами дуг 11, определяющими боковую поверхность 6, равно приблизительно одной трети расстояния R1 между вершинами дуг 11 и основной осью D.
Каждая дуга 11 охватывает угол H, равный приблизительно 30 градусам, и ротор 1 снабжен вентиляционными отверстиями 28.
Предпочтительно, в альтернативных вариантах воплощения, расстояние R2, то есть общее расстояние между основной осью D и центрами дуг 11, образующих боковую поверхность 6, равно приблизительно половине расстояния R1 между верхними частями дуг 11 и основной осью D.
Благодаря полезной модели обеспечиваются важные преимущества.
Средство 20 установки положения обеспечивает оптимальную балансировку ротора, поскольку распределение веса не существенно изменяется при смене статического режима ротора на динамический режим.
Стабильное положение магнитов обеспечивает оптимизацию конструктивных параметров ротора для обеспечения хорошего распределения потока через воздушный зазор и значительно уменьшает момент от зубцовых гармонических помех поля.
Описанная полезная модель имеет очевидное промышленное применение и может быть модифицировано и адаптировано различными способами без выхода за пределы объема и идеи полезной модели. Кроме того, все детали, в соответствии с полезной моделью, могут быть заменены технически эквивалентными элементами.
1. Ротор электродвигателя с постоянными магнитами (10), имеющий основную ось (D) и содержащий пластинчатый сердечник (2), ограниченный первой и второй торцевыми стенкам (4, 5) и боковой поверхностью (6), и имеющий отверстие (7) для соединения с валом (8) электродвигателя и множество продольных пазов (9) для установки магнитов (10), при этом ротор также содержит изогнутую пружину (18), расположенную между каждым магнитом (10) и соответствующим пазом (9) для закрепления положения магнитов (10) в пазах (9), причем сердечник (2) имеет канавку (19) для каждой изогнутой пружины (18), при этом канавка (19) проходит в направлении, параллельном основной оси (D), между первой и второй торцевыми стенками (4, 5), причем каждая пружина (18) продольно вставлена в канавку (19), отличающийся тем, что каждая канавка (19) расположена в середине соответствующего паза (9).
2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент (18) работает в направлении (D1), которое является, по существу, радиальным относительно основной оси (D).
3. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что средство (20) установки положения содержит направляющие ребра (16) в каждом из пазов (9) для направления магнитов (10) в пазах (9).
4. Ротор по п.3, отличающийся тем, что ребра (16) имеют круглый профиль радиусом (R), имеющим размер от приблизительно 0,1 мм до приблизительно 0,5 мм.
5. Ротор по п.4, отличающийся тем, что радиус (R) имеет размер приблизительно 0,2 мм.
6. Ротор по п.1, отличающийся тем, что содержит балансировочные отверстия (21), которые проходят между первой и второй торцевыми поверхностями (4, 5) и которые, в частности, по существу, расположены параллельно основной оси (D).
7. Ротор по п.6, отличающийся тем, что содержит балансировочные грузы (22), расположенные внутри отверстий (21).
8. Ротор по п.1, отличающийся тем, что боковая поверхность (6) определена множеством соединенных дуг (11), каждая из которых расположена возле одного из продольных пазов (9), причем дуги (11) имеют верхние части (12), расположенные на равном расстоянии (R1) от оси (D), и центры, расположенные, по существу, на внутренней кромке (24) продольного отверстия (7), при этом ротор представляет собой, в частности, 4-полюсный ротор.
9. Ротор по п.8, отличающийся тем, что дуги (11) охватывают угол (H), составляющий приблизительно от 55° до приблизительно 65°.
10. Ротор по п.9, отличающийся тем, что дуги (11) охватывают угол (H), равный приблизительно 60°.
11. Ротор по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что дуги (11) имеют радиус (R3) с размером от приблизительно 12 мм до приблизительно 15 мм, причем магниты (10) имеют размеры от приблизительно 30 мм до приблизительно 50 мм в длину (L1), от приблизительно 14 мм до приблизительно 16 мм в ширину (L2) и от приблизительно 2,5 мм до приблизительно 3,5 мм в высоту (L3).
12. Ротор по п.11, отличающийся тем, что дуги (11) имеют радиус (R3) с размером приблизительно 13,1 мм, причем магниты (10) имеют, в частности, приблизительно 40 мм в длину (L1), приблизительно 15,4 мм в ширину (L2) и приблизительно 3 мм в высоту (L3).
13. Ротор по п.8, отличающийся тем, что дуги (11) охватывают угол (H) от приблизительно 55° до приблизительно 65°.
14. Ротор по п.13, отличающийся тем, что дуги (11) охватывают угол (H) приблизительно 60°.
15. Ротор по п.1, отличающийся тем, что боковая поверхность (6) определена множеством соединенных дуг (11), имеющих соответствующие верхние части (12), расположенные на равном расстоянии (R1) от оси (D), и центры, расположенные на равном расстоянии (R2) от основной оси (D), причем расстояние (R2) составляет приблизительно одну треть расстояния (R1), при этом ротор, в частности, представляет собой 8-полюсный ротор, и магниты (10) расположены возле дуг (11).
16. Ротор по п.15, отличающийся тем, что дуги (11) охватывают угол (H) от приблизительно 25° до приблизительно 35°.
17. Ротор по п.16, отличающийся тем, что дуги (11) охватывают угол (H) приблизительно 30°.
18. Ротор по п.1, отличающийся тем, что боковая поверхность (6) определена множеством соединенных дуг (11), имеющих соответствующие верхние части (12), расположенные на равном расстоянии (R1) от основной оси (D), и центры, расположенные на равном расстоянии (R2) от основной оси (D), причем расстояние (R2) составляет приблизительно половину расстояния (R1), при этом ротор, в частности, представляет собой 8-полюсный ротор, и магниты (10) расположены возле дуг (11).
19. Ротор по п.1, отличающийся тем, что магниты (10) состоят из множества частей (10a, 10b, 10c, 10d), установленных рядом друг с другом в соответствующем пазу (9).
20. Ротор по п.1, отличающийся тем, что каждый из магнитов (10) имеет заданный вес.
21. Ротор по п.1, отличающийся тем, что первая и вторая торцевые стенки (4, 5) расположены, по существу, параллельно друг другу, причем пластинчатый сердечник (2) содержит множество пластин (3), которые, по меньшей мере, частично повернуты относительно основной оси (D).
