RU2813263C2 - Rotor with axial flow with magnets and case of layers of composite material with fibers of different orientation - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: rotor (1) of an engine or a generator has case (2, 3) containing inner hub (2) concentrical with central axis (7) of rotation of rotor (1). It also contains branches (3) passing radially to central axis (7) of rotation from inner hub (2) to rim (8) forming an outer annular contour of rotor (1). In each space limited between two adjacent branches (3), there is at least one magnetic structure (10) with a set of magnets (4). Case (2, 3) consists of a set of layers of composite material containing fibers bound with resin. Layers are located one on top of other, and fibers of each layer are oriented in predetermined directions (F1, F2) different for two layers located one on top of the other. On each of two opposite sides of case (2, 3) of the rotor, there is a radial overlapping shell consisting of a set of layers of composite material containing fibers bound with resin, located one on top of the other. Magnets (4) of magnetic structure (10) are connected to each other by means of resin reinforced with fibers.

EFFECT: increase in mechanical strength during rotation of a rotor at high speeds.

14 cl, 7 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к ротору для электромагнитного двигателя или генератора с осевым (аксиальным) потоком, имеющему корпус ступицы и ветви из слоев композиционного материала с волокнами разной ориентации. Изобретение относится также к электромагнитному двигателю или генератору, оснащенному таким ротором.The present invention relates to a rotor for an electromagnetic motor or generator with an axial flux having a hub body and branches made of layers of composite material with fibers of different orientations. The invention also relates to an electromagnetic motor or generator equipped with such a rotor.

Настоящее изобретение находит свое предпочтительное, но не ограничительное применение для электромагнитного двигателя большой мощности с высокой скоростью вращения ротора, чего достигают за счет специфических характеристик ротора в соответствии с настоящим изобретением. Такой двигатель можно использовать, например, в качестве электромагнитного двигателя полностью электрического или гибридного автотранспортного средства.The present invention finds its preferred, but not limited, application to a high power, high rotor speed electromagnetic motor, which is achieved by the specific characteristics of the rotor according to the present invention. Such a motor can be used, for example, as an electromagnetic motor for an all-electric or hybrid vehicle.

Предпочтительно, но не ограничительно электромагнитный двигатель или генератор может содержать по меньшей мере один ротор, обрамленный двумя статорами, причем эти элементы могут располагаться друг над другом, будучи разделенными по меньшей мере одним воздушным зазором на одном валу.Preferably, but not restrictively, the electromagnetic motor or generator may comprise at least one rotor flanked by two stators, these elements being arranged one above the other and separated by at least one air gap on one shaft.

В высокоскоростных вариантах применения необходимо обеспечивать очень высокую механическую прочность вращающейся части, то есть ротора, чтобы повысить надежность системы.In high-speed applications, it is necessary to ensure very high mechanical strength of the rotating part, i.e. the rotor, in order to increase the reliability of the system.

В случае электромагнитной машины с осевым потоком ротор содержит корпус в виде дискообразной опоры для магнитов, имеющей две круглые стороны, соединенные через толщину, при этом диск ограничен между наружным венцом, образованным ободом, и внутренней периферией, ограничивающей выемку для вращающегося вала.In the case of an axial flux electromagnetic machine, the rotor includes a housing in the form of a disk-shaped magnet support having two circular sides connected through a thickness, the disk being defined between an outer rim formed by the rim and an inner periphery defining a recess for the rotating shaft.

Каждый из магнитов удерживается на дискообразной опоре средствами удержания, при этом между магнитами оставлен промежуток.Each of the magnets is held on a disc-shaped support by holding means, with a gap being left between the magnets.

Двигатели с осевым потоком часто используются в качестве двигателя, имеющего массовые моменты, превышающие массовые моменты двигателей с радиальным потоком. Следовательно, их можно применять в низкоскоростных вариантах применения.Axial flux motors are often used as a motor having mass torques greater than those of radial flux motors. Therefore, they can be used in low speed applications.

В высокоскоростных вариантах применения выполнение ротора в двигателе с осевым потоком является более сложным, так как силы, связанные с центробежными воздействиями, вызывают довольно большие механические напряжения в роторе. Кроме того, потери от токов Фуко становятся преобладающими одновременно в магнитах, а также во вращающейся части, когда она выполнена из материалов, проводящих электричество.In high-speed applications, the design of the rotor in an axial flux motor is more complex, since the forces associated with centrifugal influences cause quite large mechanical stresses in the rotor. In addition, losses due to Foucault currents become predominant both in the magnets and also in the rotating part when it is made of materials that conduct electricity.

В случае ротора, который должен вращаться на высоких скоростях вращения, основным недостатком двигателя с высокой скоростью вращения является высокая вероятность отрыва магнита или магнитов от ротора, а также по меньшей мере частичная поломка ротора. Следовательно, ротор такого двигателя должен выдерживать высокие скорости вращения.In the case of a rotor that must rotate at high rotational speeds, the main disadvantage of a high rotational speed motor is the high likelihood of the magnet or magnets coming off the rotor and causing at least partial failure of the rotor. Consequently, the rotor of such an engine must withstand high rotation speeds.

Известные решения заставляют специалиста в данной области повышать жесткость дискообразной опоры магнита или магнитов, чтобы противостоять центробежной силе. Это требует применения специального материала для дискообразной опоры и увеличения ее габарита за счет утолщения, чтобы дискообразная опора была более жесткой.Known solutions require one skilled in the art to increase the rigidity of the disc-shaped magnet support or magnets to resist centrifugal force. This requires using a special material for the disc-shaped support and increasing its size by thickening it so that the disc-shaped support is more rigid.

Это не дает полностью удовлетворительного результата, так как двигатель или генератор с такой дискообразной опорой имеет больший вес, а также более высокую стоимость при изготовлении.This does not give a completely satisfactory result, since an engine or generator with such a disc-shaped support has more weight and also a higher manufacturing cost.

Одним из решений является выполнение ячеистой структуры из удлиненных единичных магнитов в усиленных волокнами и пропитанных смолой структурах, чтобы уменьшить токи Фуко и использовать корпус из композиционного материала для ротора, который не проводит электричество, в идеале ротор выполняют из стекловолокна с ободом, расположенным на периферии ротора, чтобы сдерживать силы, связанные с центробежными воздействиями.One solution is to make a honeycomb structure of elongated single magnets in fiber-reinforced resin-impregnated structures to reduce Foucault currents and use a composite housing for the rotor that does not conduct electricity, ideally the rotor is made of fiberglass with a rim located on the periphery of the rotor to contain the forces associated with centrifugal influences.

Однако для вариантов применения, в которых скорости становятся очень высокими, механические напряжения становятся такими, что необходимо уменьшить массу магнита с целью обеспечения этих скоростей вращения. Однако крутящий момент, который должна производить электрическая машина, является пропорциональным площади поверхности магнитов, взаимодействующих с магнитными полями, создаваемыми статорами. Уменьшение площади поверхности магнитов приводит, таким образом, к уменьшению крутящего момента и, следовательно, мощности машины.However, for applications where the speeds become very high, the mechanical stresses become such that it is necessary to reduce the mass of the magnet in order to achieve these rotational speeds. However, the torque that an electrical machine must produce is proportional to the surface area of the magnets interacting with the magnetic fields produced by the stators. Reducing the surface area of the magnets thus leads to a decrease in torque and, therefore, in the power of the machine.

Задачей, поставленной перед настоящим изобретением, является разработка ротора для поддержки множества постоянных магнитов, оснащенного ободом, для электромагнитной машины с осевым потоком, при этом ротор имеет корпус, объединяющий ступицу и ветви, который может, с одной стороны, эффективно удерживать постоянные магниты между своими ветвями таким образом, чтобы магниты не могли оторваться от ротора, и одновременно эффективно компенсировать центробежную силу и, с другой стороны, может иметь такую механическую прочность, при которой ротор может вращаться на очень высоких скоростях.It is an object of the present invention to develop a rotor for supporting a plurality of permanent magnets equipped with a rim for an axial flux electromagnetic machine, the rotor having a housing combining a hub and arms, which can, on the one hand, effectively hold the permanent magnets between its branches in such a way that the magnets cannot come off the rotor, and at the same time effectively compensate for the centrifugal force and, on the other hand, can have such mechanical strength that the rotor can rotate at very high speeds.

Для этого настоящим изобретением предложен ротор электромагнитного двигателя или генератора, имеющий корпус, содержащий внутреннюю ступицу, концентричную с центральной осью вращения ротора, ветви, проходящие радиально по отношению к центральной оси вращения от внутренней ступицы к ободу, образующему наружный кольцевой контур ротора, при этом в каждом пространстве, ограниченном между двумя смежными ветвями, расположен по меньшей мере один магнит или магнитная структура, отличающийся тем, что:For this purpose, the present invention proposes a rotor of an electromagnetic motor or generator having a housing containing an internal hub concentric with the central axis of rotation of the rotor, branches extending radially with respect to the central axis of rotation from the internal hub to the rim forming the outer annular contour of the rotor, while in Each space delimited between two adjacent branches is located at least one magnet or magnetic structure, characterized in that:

- корпус состоит из нескольких расположенных друг над другом слоев композиционного материала, содержащего связанные смолой волокна, при этом волокна каждого слоя ориентированы в заранее определенном направлении, отличающемся для двух расположенных друг на другом слоев,- the body consists of several layers of composite material located one above the other, containing resin-bonded fibers, with the fibers of each layer oriented in a predetermined direction, different for the two layers located on top of each other,

- на каждой из двух противоположных сторон корпуса ротора находится радиальная перекрывающая оболочка, состоящая из нескольких расположенных друг над другом композитных слоев, содержащего связанные смолой волокна.- on each of the two opposite sides of the rotor housing there is a radial overlapping shell consisting of several composite layers located one above the other containing resin-bonded fibers.

Композиционный материал в соответствии с настоящим изобретением не содержит железа.The composite material in accordance with the present invention does not contain iron.

Конфигурация ротора в соответствии с настоящим изобретением основана на том, что максимальные напряжения, действующие на ротор на очень высокой скорости, проявляются на уровне ступицы, окружающей центральную ось вращения ротора. Следовательно, необходимо усилить этот внутренний участок ротора.The rotor configuration in accordance with the present invention is based on the fact that the maximum stresses acting on the rotor at very high speed occur at the level of the hub surrounding the central axis of rotation of the rotor. Therefore, it is necessary to strengthen this inner section of the rotor.

Заявитель заметил, что наложение друг на друга композитных слоев, каждый из которых имеет заранее определенную единую ориентацию, с разными направлениями ориентации для каждого слоя позволяет повысить жесткость корпуса и ротора. Это не равнозначно тому, что получили бы при одном слое композиционного материала с волокнами, проходящими в двух разных направлениях, не говоря уже о том, что это является более сложным в изготовлении, поскольку волокна в двух разных направлениях в одном и том же слое могут смещаться во время нагнетания связующего, такого как смола.The applicant has observed that by stacking composite layers, each with a predetermined uniform orientation, with different orientation directions for each layer, the rigidity of the housing and rotor can be increased. This is not the same as what would be achieved with a single layer of composite material with fibers running in two different directions, not to mention it is more difficult to manufacture since fibers in two different directions in the same layer can move during injection of a binder such as resin.

В вариантах применения, в которых линейные скорости становятся очень высокими, как правило, начиная от 160 метров в секунду или от 180 метров в секунду, механические напряжения становятся такими, что необходимо уменьшить массу магнита, чтобы достичь этих скоростей вращения. Большим недостатком является то, что крутящий момент, который должна выдавать электрическая машина, является пропорциональным площади поверхности магнитов, взаимодействующих с магнитными полями, производимыми статорами. Уменьшение площади поверхности магнитов приводит к уменьшению крутящего момента и, следовательно, мощности машины. In applications where linear speeds become very high, typically ranging from 160 meters per second or 180 meters per second, the mechanical stresses become such that it is necessary to reduce the mass of the magnet in order to achieve these rotational speeds. The big disadvantage is that the torque that an electric machine must produce is proportional to the surface area of the magnets interacting with the magnetic fields produced by the stators. Reducing the surface area of the magnets results in a decrease in torque and therefore power of the machine.

Согласно изобретению, корпус объединяет ступицу и ветви в виде единого блока. Это повышает механическую прочность всего узла и, следовательно, ротора.According to the invention, the housing combines the hub and branches in the form of a single unit. This increases the mechanical strength of the entire assembly and therefore the rotor.

Перекрывающие оболочки или диски расположены на каждой круглой стороне ротора. Обод может быть выполнен из стекловолокон или из карбоновых волокон. Обод из композиционного материала охватывает в окружном направлении магниты большого размера или магнитные структуры на наружной периферии ротора. В случае необходимости, обод участвует в радиальном удержании магнитов дополнительно к удержанию, обеспечиваемому наружным слоем покрытия из композиционного материала.Overlapping shells or discs are located on each circular side of the rotor. The rim can be made of glass fibers or carbon fibers. The composite rim circumferentially encircles large magnets or magnetic structures on the outer periphery of the rotor. If necessary, the rim contributes to the radial retention of the magnets in addition to the retention provided by the outer layer of the composite material coating.

Предпочтительно волокна одного композитного слоя корпуса ориентированы перпендикулярно к волокнам смежного наложенного композитного слоя.Preferably, the fibers of one composite body layer are oriented perpendicular to the fibers of the adjacent overlaid composite layer.

Предпочтительно волокна одного композитного слоя корпуса ориентированы со смещением от 30° до 40° относительно волокон смежного наложенного композитного слоя.Preferably, the fibers of one composite body layer are oriented at an offset of 30° to 40° relative to the fibers of the adjacent overlaid composite layer.

Предпочтительно число слоев композиционного материала корпуса определяют в зависимости от осевой толщины магнита или магнитной структуры, и перекрывающих оболочек, которые имеют толщину, составляющую от 0,3 до 2мм.Preferably, the number of layers of the composite body material is determined depending on the axial thickness of the magnet or magnetic structure, and the overlying shells, which have a thickness of from 0.3 to 2 mm.

Предпочтительно каждая ветвь имеет ширину, уменьшающуюся по мере удаления от внутренней ступицы, и заканчивается заостренным концом напротив обода. Заостренные концы ветвей опционально могут соединяться с ободом.Preferably, each branch has a width that decreases with distance from the inner hub and ends with a pointed end opposite the rim. The pointed ends of the branches can optionally be connected to the rim.

Заявитель принял во внимание тот факт, что в случае машины с осевым потоком крутящий момент пропорционален кубу радиуса ротора. Следовательно, более целесообразно увеличить площадь поверхности магнитов на периферии ротора, чем в более внутренних участках ротора. Отсутствие магнита вблизи оси вращения можно легко компенсировать добавлением магнитов на периферии ротора, что можно получить за счет конфигурации ветвей, ширина которых уменьшается по мере удаления от центра ротора и которые в конечном итоге представляют собой лишь заостренные концы шириной, близкой к нулю.The applicant has taken into account the fact that in the case of an axial flux machine, the torque is proportional to the cube of the radius of the rotor. Therefore, it is more beneficial to increase the surface area of the magnets at the periphery of the rotor than in the more internal areas of the rotor. The absence of a magnet near the axis of rotation can easily be compensated for by adding magnets at the periphery of the rotor, which can be achieved through a configuration of branches whose width decreases as they move away from the center of the rotor and which end up being only pointed ends with a width close to zero.

Следовательно, желательно увеличить площадь сечения ветвей ротора на уровне их соединения со ступицей и постепенно уменьшать это сечение с целью увеличения сечения поверхностей магнитов, чтобы сохранить большой крутящий момент.Therefore, it is desirable to increase the cross-sectional area of the rotor branches at the level of their connection with the hub and gradually reduce this cross-section in order to increase the cross-section of the magnet surfaces in order to maintain high torque.

Этого ни разу не было предложено в известных решениях, в которых использовали только ветви постоянной ширины и ступицы небольшого радиуса, чтобы оставить место для магнитов. Таким образом, существовало мнение в необходимости уменьшения распределения магнитов на роторе, чтобы повысить механическую прочность ротора, и предлагались также другие решения, такие как увеличение ветвей и ступицы в осевом направлении, что приводило к увеличению веса двигателя и не давало большого положительного эффекта в плане прочности.This was never suggested in known solutions, which used only constant width branches and small radius hubs to leave room for magnets. Thus, it was believed that it was necessary to reduce the distribution of magnets on the rotor in order to increase the mechanical strength of the rotor, and other solutions were also proposed, such as increasing the branches and hub in the axial direction, which led to an increase in the weight of the motor and did not give much positive effect in terms of strength .

Предпочтительно основания двух смежных ветвей разделены промежуточным участком внутренней ступицы, при этом промежуточный участок имеет закругленную вогнутую форму в направлении оси ротора, при этом внутренняя ступица имеет радиус, равный по меньшей мере четверти радиуса ротора.Preferably, the bases of the two adjacent arms are separated by an intermediate section of the inner hub, the intermediate section having a rounded concave shape in the direction of the rotor axis, the inner hub having a radius equal to at least one quarter of the radius of the rotor.

Направленная внутрь кривизна промежуточных участков между ветвями позволяет уменьшить механические напряжения на уровне наиболее толстого сечения ветвей, опирающихся на наружную периферию ступицы.The inwardly directed curvature of the intermediate sections between the branches makes it possible to reduce mechanical stresses at the level of the thickest section of the branches resting on the outer periphery of the hub.

Предпочтительно каждый магнит или магнитная структура имеет ширину, увеличивающуюся по мере удаления от внутренней ступицы, и заканчивается напротив охватывающего ротор обода.Preferably, each magnet or magnetic structure has a width that increases with distance from the inner hub and ends opposite the rotor-enclosing rim.

Предпочтительно магнитная структура содержит множество единичных магнитов, при этом каждый единичный магнит из множества единичных магнитов имеет многогранную форму, или каждый единичный магнит имеет контур по меньшей мере частично яйцевидной формы с первым участком, образующим тело единичного магнита, имеющим большее сечение и проходящим на большей длине единичного магнита, чем по меньшей мере один второй продольный концевой участок, направленный к соответствующему продольному концу магнита, уменьшаясь в сечении по мере приближения к продольному концу.Preferably, the magnetic structure comprises a plurality of unit magnets, wherein each unit magnet of the plurality of unit magnets has a polyhedral shape, or each unit magnet has an outline at least partially ovoid in shape with a first portion forming a unit magnet body having a larger cross-section and extending over a greater length of a single magnet than at least one second longitudinal end portion directed toward the corresponding longitudinal end of the magnet, decreasing in cross-section as the longitudinal end is approached.

Предпочтительно каждая магнитная структура состоит из множества единичных магнитов, соединенных усиленным волокнами изолирующим материалом, при этом каждый единичный магнит имеет удлиненную форму и проходит в осевом направлении ротора.Preferably, each magnetic structure consists of a plurality of unit magnets connected by a fiber-reinforced insulating material, each unit magnet having an elongated shape and extending in the axial direction of the rotor.

Это в основном относится к использованию перекрывающих оболочек. Магниты большого размера, используемые для известного ротора, рассеивают большое количество тепла. Это рассеяние не позволяет использовать средства осевого удержания в виде перекрывающих оболочек или дисков из композиционного материала, и рассеяние тепла может иметь последствия для прочности покрытия с ускоренным старением этого покрытия, а также магнитов.This mainly applies to the use of overlapping shells. The large magnets used for the known rotor dissipate a large amount of heat. This dissipation precludes the use of axial containment means in the form of overlapping shells or composite discs, and the dissipation of heat can have consequences on the strength of the coating, with accelerated aging of the coating as well as the magnets.

Перекрывающие диски из композиционного материала не часто использовались в известных решениях, так как они не выдерживали рассеяния тепла, выделяемого магнитами.Composite material bridging disks were not often used in prior art solutions because they could not withstand the heat dissipation generated by the magnets.

Поскольку в настоящем изобретении предпочтительно используют множество единичных магнитов вместо известного компактного магнита, рассеяние тепла проявляется меньше, и перекрывающие оболочки или диски можно использовать в качестве средств осевого удержания, причем эти оболочки или диски предпочтительно заменяют собой средства осевого удержания между магнитами и корпусом ротора, требующие, в случае необходимости, изменения магнитов или их покрытия для получения дополнительных средств крепления к средствам крепления, выполненным на роторе.Since the present invention preferably uses a plurality of single magnets instead of the known compact magnet, heat dissipation is less and overlapping shells or disks can be used as axial holding means, these shells or discs preferably replacing the axial holding means between the magnets and the rotor body requiring , if necessary, changing the magnets or their coating to provide additional means of attachment to the attachment means provided on the rotor.

Другим синергическим преимуществом настоящего изобретения является то, что ротор может иметь между каждой ветвью единичные магниты, объединенные в магнитную структуру. Каждая трехмерная магнитная структура образована множеством единичных магнитов.Another synergistic advantage of the present invention is that the rotor can have single magnets between each arm, combined into a magnetic structure. Each three-dimensional magnetic structure is formed by a plurality of individual magnets.

Это позволяет получить магнитную структуру, имеющую множество единичных магнитов. Как оказалось, структура с таким множеством единичных магнитов не является чувствительной к пространственным гармоникам и токам, генерируемым обмотками статора. Следовательно, общие потери в магнитных структурах являются незначительными, и КПД, в частности, на высокой скорости, является очень высоким. Такая магнитная структура может образовать магнитный полюс или может быть полным магнитом.This makes it possible to obtain a magnetic structure having a plurality of individual magnets. As it turns out, a structure with so many single magnets is not sensitive to spatial harmonics and currents generated by the stator windings. Consequently, the overall losses in the magnetic structures are negligible and the efficiency, particularly at high speed, is very high. Such a magnetic structure may form a magnetic pole or may be a complete magnet.

Одним из решений в рамках настоящего изобретения является разделение магнитной структуры, которая могла бы быть цельным магнитом или магнитным полюсом в предшествующем уровне техники, на множество мелких магнитов или микромагнитов. Крупный магнит характеризуется более значительными потерями от токов Фуко, чем его эквивалент из мелких магнитов или микромагнитов. Использование мелких магнитов или микромагнитов позволяет, таким образом, уменьшить эти потери, которые отрицательно сказываются на работе электромагнитного привода.One solution within the scope of the present invention is to divide the magnetic structure, which would be a solid magnet or a magnetic pole in the prior art, into a plurality of small magnets or micromagnets. A large magnet is characterized by greater losses from Foucault currents than its equivalent of small magnets or micromagnets. The use of small magnets or micromagnets thus makes it possible to reduce these losses, which negatively affect the operation of the electromagnetic drive.

Как известно, чтобы получить магнитное поле оптимальной интенсивности, идеальный объем магнита должен приближаться к кубу или к цилиндру, длина которого равна диаметру. Общеизвестно, что увеличение длины магнита сверх этого предела не приводит к увеличению магнитного поля. Однако настоящее изобретение в этом предпочтительном варианте позволяет опровергнуть это мнение.As is known, in order to obtain a magnetic field of optimal intensity, the ideal volume of the magnet should approach a cube or cylinder, the length of which is equal to the diameter. It is well known that increasing the length of a magnet beyond this limit does not lead to an increase in the magnetic field. However, the present invention in this preferred embodiment makes it possible to refute this opinion.

Длина единичного магнита существенно увеличилась по отношению к диаметру или к диагонали его плоской продольной стороны по сравнению с широко распространенной практикой, в основном чтобы ответить на необходимость повышения механической прочности структуры, что и является главной задачей настоящего изобретения.The length of a single magnet has been significantly increased in relation to the diameter or diagonal of its flat longitudinal side compared to common practice, mainly to respond to the need to improve the mechanical strength of the structure, which is the main objective of the present invention.

Заявитель обнаружил, что множество единичных магнитов в магнитной структуре позволяет получить магнитную структуру, имеющую намного более высокую механическую прочность и одновременно сохраняющую магнитные свойства, почти подобные магнитным свойствам только одного магнита, площадь поверхности которого является n-кратной единичной площади поверхности n единичных магнитов, когда присутствуют n единичных магнитов. The Applicant has discovered that a plurality of unit magnets in a magnetic structure allows for a magnetic structure having much higher mechanical strength while maintaining magnetic properties nearly similar to those of just one magnet whose surface area is n times the unit surface area of the n unit magnets when there are n individual magnets.

Яйцевидные магниты могут иметь грани. Таким образом, в качестве единичных магнитов получают объединенные между собой «кристаллы», которые связаны друг с другом не по всей площади граней или продольных сторон, а слои смолы или клея используются для образования ячеистой решетки на концах многогранных блоков с ограниченными зонами контакта между магнитами.Egg-shaped magnets can have edges. Thus, interconnected “crystals” are obtained as single magnets, which are not connected to each other over the entire area of the faces or longitudinal sides, and layers of resin or glue are used to form a cellular lattice at the ends of polyhedral blocks with limited contact areas between the magnets.

В альтернативном варианте в случае единичных магнитов идеальной яйцевидной формы с первым закругленным участком контакт между двумя смежными единичными магнитами является меньшим и может быть лишь точечным и по существу соответствует дуге окружности небольшого размера между двумя единичными магнитами. Между двумя смежными единичными магнитами по размеру дуги окружности контакта можно выполнить бороздку для нанесения клея, предпочтительно в виде смолы.Alternatively, in the case of ideally ovoid-shaped unit magnets with a first rounded portion, the contact between two adjacent unit magnets is smaller and may only be point-like and essentially corresponds to a small sized circular arc between the two unit magnets. Between two adjacent unit magnets, along the arc of the contact circumference, a groove can be made for applying adhesive, preferably in the form of a resin.

Предпочтительно множество единичных магнитов магнитной структуры соединены между собой усиленным волокнами изолирующим материалом, при этом каждый единичный магнит имеет удлиненную форму и проходит в радиальном направлении ротора.Preferably, the plurality of unit magnets of the magnetic structure are interconnected by a fiber-reinforced insulating material, each unit magnet having an elongated shape and extending in the radial direction of the rotor.

Предпочтительно каждая магнитная структура включает в себя по меньшей мере одну ячеистую структуру, каждая из ячеек которой ограничивает гнездо для соответствующего единичного магнита, при этом каждое гнездо имеет внутренние размеры, как раз достаточные для обеспечения введения единичного магнита внутрь гнезда и позволяющие оставить пространство между гнездом и единичным магнитом, заполняемое смолой, усиленной волокнами, при этом ячеистые структуры выполнены из усиленного волокнами изолирующего материала.Preferably, each magnetic structure includes at least one honeycomb structure, each of the cells of which defines a socket for a corresponding unit magnet, each socket having internal dimensions just sufficient to allow insertion of a single magnet within the socket and allowing space between the socket and a single magnet, filled with fiber-reinforced resin, the cellular structures being made of fiber-reinforced insulating material.

Ячеистая структура остается на месте и может быть тоже покрыта слоем композиционного материала. Такая ячеистая структура позволяет удерживать единичные магниты во время изготовления магнитной структуры и к тому же представляет собой элемент дополнительного упрочнения магнитной структуры, при этом ячеистая структура может тоже содержать усилительные волокна.The cellular structure remains in place and can also be covered with a layer of composite material. Such a cellular structure makes it possible to hold individual magnets during the manufacture of the magnetic structure and, moreover, represents an element of additional strengthening of the magnetic structure, while the cellular structure may also contain reinforcing fibers.

Например, ячеистая структура в виде сотовой структуры позволяет повысить прочность элемента, в данном случае магнитной структуры. Единичные магниты вставлены в шестиугольные гнезда, которые обеспечивают их удержание. Стенки гнезд служат электрическим изолятором, и плотность гнезд в магнитной структуре можно значительно увеличить. Ячеистая структура в виде сотовой структуры может быть выполнена из усиленного волокнами композиционного материала. For example, a cellular structure in the form of a honeycomb structure can increase the strength of the element, in this case the magnetic structure. Single magnets are inserted into hexagonal sockets that ensure their retention. The walls of the sockets serve as an electrical insulator, and the density of the sockets in the magnetic structure can be significantly increased. The honeycomb-like cellular structure may be made of a fiber-reinforced composite material.

Предпочтительно каждый магнит или магнитная структура между двумя смежными ветвями погружена по меньшей мере в один слой композиционного материала, при этом ротор тоже покрыт по меньшей мере одним слоем композиционного материала, охватывающим погруженные магнитные структуры и корпус, образованный несколькими слоями композиционного материала.Preferably, each magnet or magnetic structure between two adjacent arms is immersed in at least one layer of composite material, wherein the rotor is also covered with at least one layer of composite material, covering the immersed magnetic structures and a housing formed by several layers of composite material.

Предпочтительно композитные слои, окружающие ротор и образующие ступицу и ветви корпуса, выполнены из стекловолокон или карбоновых волокон, залитых смолой. Эти усилительные волокна позволяют повысить прочность магнитной структуры и, в частности, сопротивление поперечному изгибу и продольному изгибу.Preferably, the composite layers surrounding the rotor and forming the hub and arms of the housing are made of glass fibers or carbon fibers embedded in resin. These reinforcing fibers make it possible to increase the strength of the magnetic structure and, in particular, the resistance to transverse bending and longitudinal bending.

Объектом изобретения является также способ изготовления такого ротора, содержащий следующие этапы:The invention also relates to a method for manufacturing such a rotor, comprising the following steps:

- заливка первого слоя композиционного материала, содержащего связанные смолой волокна, при этом волокна первого слоя ориентированы в одном заранее определенном направлении,- pouring a first layer of composite material containing resin-bonded fibers, the fibers of the first layer being oriented in one predetermined direction,

- заливка второго слоя композиционного материала, содержащего связанные смолой волокна, при этом волокна второго слоя ориентированы в заранее определенном направлении, отличном от направления первого слоя,- pouring a second layer of composite material containing resin-bonded fibers, the fibers of the second layer being oriented in a predetermined direction different from the direction of the first layer,

- затвердевание смолы.- hardening of the resin.

Этот способ является легким в осуществлении и позволяет сохранить ориентацию волокон легче, чем если бы существовало несколько разных ориентаций волокон в каждом слое композиционного материала.This method is easy to implement and allows the fiber orientation to be maintained more easily than if there were several different fiber orientations in each layer of the composite material.

Предпочтительно ширину каждой ветви в точке ее длины, проходящей радиально от наружной периферии ступицы к внутренней периферии обода, определяют на основании оценки допустимого механического напряжения, которое может действовать на ротор, допустимой максимальной скорости вращения ротора и механической прочности материала ветви, при этом уменьшение ширины каждой ветви по мере удаления от ступицы получают, выбирая для каждой ветви ширину для каждой точки ее длины, позволяющую получить изо-напряжение внутри ветви.Preferably, the width of each branch at a point along its length extending radially from the outer periphery of the hub to the inner periphery of the rim is determined based on an assessment of the permissible mechanical stress that can act on the rotor, the permissible maximum rotation speed of the rotor and the mechanical strength of the material of the branch, while reducing the width of each branches as they move away from the hub are obtained by choosing for each branch a width for each point in its length that allows one to obtain the iso-stress within the branch.

Согласно не ограничительному примеру, максимальное напряжение, действующее на ветвь в направлении ее конца, соединенного со ступицей, можно оценить в 120 мегапаскалей. Получение этого изо-напряжения позволяет минимизировать ширину ветви и, следовательно, более эффективно использовать площадь поверхности магнитов большого размера или магнитных структур и, следовательно, в этом последнем случае - больше единичных магнитов, что позволяет получить больший крутящий момент и, кроме того, компенсировать потерю площади поверхности магнита в сторону ступицы.According to a non-limiting example, the maximum voltage acting on a leg towards its end connected to the hub can be estimated at 120 megapascals. Obtaining this iso-voltage makes it possible to minimize the width of the leg and therefore make more efficient use of the surface area of large magnets or magnetic structures and therefore, in this latter case, more single magnets, which allows for more torque to be obtained and, in addition, to compensate for the loss magnet surface area towards the hub.

Наконец, объектом изобретения является электромагнитный двигатель или генератор с осевым потоком, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере один такой ротор, при этом электромагнитный двигатель или генератор содержит по меньшей мере один статор, на котором выполнена по меньшей мере одна обмотка, при этом электромагнитный двигатель или генератор содержит один или несколько воздушных зазоров между упомянутым по меньшей мере одним ротором и упомянутым по меньшей мере одним статором.Finally, the object of the invention is an electromagnetic motor or generator with axial flux, characterized in that it contains at least one such rotor, wherein the electromagnetic motor or generator contains at least one stator on which at least one winding is made, wherein the electromagnetic the engine or generator contains one or more air gaps between said at least one rotor and said at least one stator.

Другие признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые представлены в качестве не ограничительных примеров и на которых:Other features, objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken with reference to the accompanying drawings, which are presented by way of non-limiting examples and in which:

Фиг. 1 - схематичный вид спереди ротора, предназначенного для электромагнитной машины с осевым потоком, согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения, при этом корпус, включающий в себя ступицу и ветви ротора, образован слоями композиционного материала, каждый из которых содержит волокна с ориентацией, отличающейся на 90° в двух разных слоях.Fig. 1 is a schematic front view of a rotor for an axial flux electromagnetic machine according to a first embodiment of the present invention, wherein the housing including the hub and rotor arms is formed by layers of composite material, each of which contains fibers with an orientation differing by 90 ° in two different layers.

Фиг. 2 - схематичный увеличенный вид участка ротора, показанного на фиг. 1.Fig. 2 is a schematic enlarged view of the rotor section shown in FIG. 1.

Фиг. 3 - схематичный вид спереди ротора, предназначенного для электромагнитной машины с осевым потоком, согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения, при этом корпус, объединяющий ступицу и ветви ротора, образован слоями композиционного материала, каждый из которых содержит волокна с ориентацией, отличающейся на 30° в двух разных слоях.Fig. 3 is a schematic front view of a rotor for an axial flux electromagnetic machine according to a first embodiment of the present invention, wherein the housing incorporating the hub and rotor arms is formed by layers of composite material, each containing fibers with an orientation differing by 30° in two different layers.

Фиг. 4 - схематичный увеличенный вид участка ротора, показанного на фиг. 3.Fig. 4 is a schematic enlarged view of the rotor section shown in FIG. 3.

Фиг. 5а, 5b и 5с - схематичные виды, где на фиг. 5а и 5b представлен соответствующий вариант выполнения единичного магнита яйцевидной формы, а на фиг. 5с показана магнитная структура, содержащая яйцевидные единичные магниты, при этом четыре яйцевидных единичных магнита показаны на удалении от магнитной структуры.Fig. 5a, 5b and 5c are schematic views, where in FIG. 5a and 5b show a corresponding embodiment of a single egg-shaped magnet, and FIG. 5c shows a magnetic structure comprising egg-shaped unit magnets, with four egg-shaped unit magnets shown at a distance from the magnetic structure.

Фигуры представлены в качестве примеров и не ограничивают объема изобретения. Они представляют собой принципиальные схематичные виды, предназначенные для облегчения понимания изобретения, и не обязательно соответствуют масштабу практических вариантов. В частности, размеры различных деталей не соответствуют реальной действительности.The figures are presented as examples and do not limit the scope of the invention. They are schematic views intended to facilitate understanding of the invention and are not necessarily to the scale of practical embodiments. In particular, the dimensions of various parts do not correspond to reality.

В дальнейшем для всех ветвей, показанных на фиг. 1-4, цифровые обозначения имеют только одна ветвь 3, только одно основание 3а и только один заостренный конец 3b ветви 3. Это же относится к магнитной структуре, имеющей обозначение 10, с внутренней 10а и наружной 10b сторонами, и к промежуточному участку 9 между двумя ветвями для всех промежуточных участков, а также к одной ориентации F1 или F2 в каждом слое композиционного материала на фиг. 2 и 4. На фиг. 1-4 цифровое обозначение имеет только один единичный магнит 4 для всех единичных магнитов в магнитной структуре 10.Subsequently, for all branches shown in Fig. 1-4, the numerals have only one branch 3, only one base 3a and only one pointed end 3b of the branch 3. The same applies to the magnetic structure, designated 10, with an inner side 10a and an outer side 10b, and an intermediate section 9 between two branches for all intermediate areas, as well as one orientation F1 or F2 in each layer of the composite material in FIG. 2 and 4. In FIG. 1-4 the digital designation has only one unit magnet 4 for all individual magnets in the magnetic structure 10.

Все, что сказано об одном из этих имеющих цифровое обозначение элементов, применимо для всех аналогичных элементов, не имеющих обозначения.Whatever is said about one of these numbered items applies to all similar items that do not have a number.

На фигурах и, в частности, на фиг. 1-4 показаны соответственно ротор 1 и участок в увеличенном виде ротора 1 в соответствии с настоящим изобретением с двумя ветвями 3, между которыми расположена магнитная структура 10, состоящая из множества многогранных единичных магнитов 4.In the figures and in particular in FIGS. 1-4 respectively show a rotor 1 and an enlarged view of a section of a rotor 1 in accordance with the present invention with two branches 3, between which is located a magnetic structure 10 consisting of a plurality of polyhedral single magnets 4.

Однако это не является ограничением, и между двумя ветвями 3 можно расположить большеразмерный единый магнит, причем этот большеразмерный единый магнит не следует путать с единичными магнитами 4 магнитной структуры 10, показанными на фиг. 2 и 4.However, this is not a limitation, and a large single magnet can be placed between the two arms 3, and this large single magnet should not be confused with the single magnets 4 of the magnetic structure 10 shown in FIG. 2 and 4.

Такой ротор 1 используют в электромагнитном двигателе или генераторе, предпочтительно с осевым потоком. Ротор 1, предпочтительно имеющий по существу круглую форму, имеет корпус, содержащий внутреннюю ступицу 2, концентричную с центральной осью 7 вращения ротора 1 или продольной центральной осью ротора 1. Ветви 3 проходят в роторе 1 радиально по отношению к центральной оси 7 вращения от внутренней ступицы 2 к ободу 8, образующему наружный кольцевой контур ротора 1.Such a rotor 1 is used in an electromagnetic motor or generator, preferably with axial flux. The rotor 1, preferably having a substantially circular shape, has a housing containing an inner hub 2 concentric with the central axis of rotation 7 of the rotor 1 or the longitudinal central axis of the rotor 1. The branches 3 extend in the rotor 1 radially with respect to the central axis of rotation 7 from the inner hub 2 to the rim 8, forming the outer annular contour of the rotor 1.

Ступица 2 и ветви 3 выполнены заодно и образуют корпус 2, 3 ротора. В каждом пространстве, ограниченном между двумя смежными ветвями 3, расположен по меньшей мере один магнит, который в этом случае является большеразмерным магнитом, или одна магнитная структура 10, содержащая множество единичных магнитов 4 небольшого размера.The hub 2 and branches 3 are made integral and form the rotor housing 2, 3. In each space delimited between two adjacent branches 3, there is located at least one magnet, which in this case is a large-sized magnet, or one magnetic structure 10 containing a plurality of small-sized individual magnets 4.

Согласно настоящему изобретению, корпус 2, 3 состоит из нескольких наложенных друг на друга композитных слоев, содержащих связанные смолой волокна, при этом волокна каждого слоя ориентированы в заранее определенном направлении F1, F2, отличающемся для двух наложенных друг на друга слоев.According to the present invention, the body 2, 3 consists of several superimposed composite layers containing resin-bonded fibers, the fibers of each layer being oriented in a predetermined direction F1, F2, different for the two superimposed layers.

На каждой из двух противоположных сторон корпуса 2, 3 ротора расположена перекрывающая оболочка или диск, который не показан на фигурах, так как радиально перекрывает круглую сторону ротора 1, и который состоит из нескольких наложенных друг на друга композитных слоев, содержащих связанные смолой волокна. Не показанные на фигурах перекрывающие оболочки или диски могут быть расположены на каждой круглой стороне ротора 1, чтобы препятствовать осевому движению магнитных структур 10 или большеразмерных магнитов между двумя ветвями 3.On each of the two opposite sides of the rotor housing 2, 3 there is an overlapping shell or disk, which is not shown in the figures since it radially overlaps the circular side of the rotor 1, and which consists of several superimposed composite layers containing resin-bonded fibers. Not shown in the figures, overlapping shells or discs may be located on each circular side of the rotor 1 to prevent axial movement of the magnetic structures 10 or larger magnets between the two arms 3.

Все эти признаки в комбинации способствуют значительному повышению жесткости корпуса 2, 3 ротора 1.All these features in combination contribute to a significant increase in the rigidity of the housing 2, 3 of the rotor 1.

Можно предусмотреть несколько вариантов выполнения композитных слоев. Далее представлены их не ограничительные примеры.Several options for making composite layers can be envisaged. The following are non-limiting examples.

Как показано на фиг. 1 и 2, волокна композитного слоя корпуса 2, 3 могут быть ориентированы перпендикулярно к волокнам вышележащего смежного композитного слоя, при этом показанные на фиг. 2 направления F1 и F2 являются перпендикулярными.As shown in FIG. 1 and 2, the fibers of the composite layer of the body 2, 3 can be oriented perpendicular to the fibers of the overlying adjacent composite layer, while shown in FIG. The 2 directions F1 and F2 are perpendicular.

Как показано на фиг. 3 и 4, волокна композитного слоя корпуса 2, 3 ориентированы со смещением от 30° до 40° относительно волокон вышележащего смежного композитного слоя, на этих фигурах - 30°.As shown in FIG. 3 and 4, the fibers of the composite layer of the body 2, 3 are oriented with an offset from 30° to 40° relative to the fibers of the overlying adjacent composite layer, in these figures - 30°.

Можно предусмотреть более двух наложенных друг на друга композитных слоев. Число композитных слоев корпуса 2, 3 определяют в зависимости от осевой толщины магнита или магнитных структур 10, и перекрывающие оболочки имеют толщину, составляющую от 0,3 до 2 мм.It is possible to provide more than two superimposed composite layers. The number of composite layers of the housing 2, 3 is determined depending on the axial thickness of the magnet or magnetic structures 10, and the overlapping shells have a thickness of from 0.3 to 2 mm.

Как более наглядно показано на фиг. 1 и 3, каждая ветвь 3 может иметь ширину, уменьшающуюся по мере удаления от внутренней ступицы 2, и заканчивается заостренным концом 3b напротив обода 8.As is more clearly shown in FIG. 1 and 3, each branch 3 may have a width that decreases with distance from the inner hub 2, and ends with a pointed end 3b opposite the rim 8.

Каждый большеразмерный магнит или магнитная структура 10 может иметь ширину la, увеличивающуюся по мере удаления от внутренней ступицы 2, и заканчивается напротив обода 8, охватывающего ротор 1. Each large magnet or magnetic structure 10 may have a width la, increasing with distance from the inner hub 2, and ending opposite the rim 8 enclosing the rotor 1.

Место, потерянное для магнитов при увеличении ширины ветвей 3 в сторону их концевого участка или основания 3а напротив ступицы 2 и, в случае необходимости, при увеличении также радиуса ступицы 2, компенсируется на периферических концевых участках ротора 1. The space lost for the magnets when increasing the width of the branches 3 towards their end section or base 3a opposite the hub 2 and, if necessary, also increasing the radius of the hub 2, is compensated at the peripheral end sections of the rotor 1.

Размещение каждого большеразмерного магнита или каждой магнитной структуры 10 с их наибольшей шириной, ориентированной в сторону наружной периферии ротора 1, позволяет увеличить магнитные части, расположенные на периферии ротора 1, и, следовательно, увеличить общую площадь намагничивания.By placing each oversized magnet or each magnetic structure 10 with its greatest width oriented toward the outer periphery of the rotor 1, the magnetic portions located on the periphery of the rotor 1 can be enlarged and, therefore, the overall magnetizing area can be increased.

Как можно заметить на фиг. 1 и 3, заостренный конец 3b каждой ветви 3 может быть по меньшей мере в два-четыре раза менее широким, чем основание 3а ветви 3, соединенное с внутренней ступицей 2.As can be seen in FIG. 1 and 3, the pointed end 3b of each branch 3 may be at least two to four times less wide than the base 3a of the branch 3 connected to the inner hub 2.

Основания 3а двух смежных ветвей 3 могут быть разделены промежуточным участком 9 внутренней ступицы 2. Этот промежуточный участок 9 может иметь закругленную вогнутую форму в направлении оси ротора 1. Ступица 2 может иметь радиус, равный по меньшей мере четверти радиуса ротора 1, в результате чего ступица 2 оказывается больше, чем ступица 2 из известного решения. Радиус ротора равен радиусу ветви 3, к которому добавлена толщина обода 8.The bases 3a of two adjacent branches 3 may be separated by an intermediate portion 9 of the inner hub 2. This intermediate portion 9 may have a rounded concave shape in the direction of the axis of the rotor 1. The hub 2 may have a radius equal to at least a quarter of the radius of the rotor 1, resulting in the hub 2 turns out to be larger than hub 2 from the known solution. The radius of the rotor is equal to the radius of the branch 3, to which the thickness of the rim 8 is added.

Ступица 2 и ветви 3 могут быть выполнены из стекловолокон или карбоновых волокон, погруженных в смолу. Можно также использовать волокна из прочного пластика, чтобы повысить прочность ротора 1 и, в частности, жесткость при поперечном изгибе и продольном изгибе.The hub 2 and arms 3 may be made of glass fibers or carbon fibers immersed in resin. It is also possible to use strong plastic fibers to increase the strength of the rotor 1 and, in particular, the lateral and longitudinal bending rigidity.

Как было указано выше, для упрочнения ротора 1 ступица 2 и ветви 3 могут быть выполнены в виде единой детали, образуя корпус из композиционного материала с волокнами разных ориентаций F1, F2 в зависимости от содержащего их композитного слоя. Ветви 3 могут быть соединены или не соединены с ободом 8 своим заостренным концом 3b.As stated above, to strengthen the rotor 1, the hub 2 and branches 3 can be made in the form of a single part, forming a body made of a composite material with fibers of different orientations F1, F2 depending on the composite layer containing them. The arms 3 may or may not be connected to the rim 8 by their pointed end 3b.

Как показано, в частности, на фиг. 1, 3, 5а-5с, каждая магнитная структура 10 может быть образована множеством единичных магнитов 4, соединенных при помощи усиленного волокнами изолирующего материала, при этом каждый единичный магнит 4 имеет удлиненную форму и проходит в осевом направлении ротора 1. Единичные магниты 4, из которых только один обозначен на фигуре, не следует путать ни с магнитными структурами 10, ни с не показанными на фигурах большеразмерными магнитами.As shown in particular in FIG. 1, 3, 5a-5c, each magnetic structure 10 may be formed by a plurality of unit magnets 4 connected by a fiber-reinforced insulating material, each unit magnet 4 having an elongated shape and extending in the axial direction of the rotor 1. The unit magnets 4, of of which only one is indicated in the figure should not be confused with either the magnetic structures 10 or the larger magnets not shown in the figures.

Отсюда следует, что каждая магнитная структура 10 может быть трехмерной и состоять из множества единичных магнитов 4.It follows that each magnetic structure 10 can be three-dimensional and consist of a plurality of individual magnets 4.

Показанный на фиг. 1-4 каждый единичный магнит 4 из множества единичных магнитов 4 имеет многогранную форму.Shown in FIG. 1-4, each unit magnet 4 of the plurality of unit magnets 4 has a polyhedral shape.

Как показано на фиг. 5а, 5b и 5с, каждый единичный магнит 4 может иметь по меньшей мере частично яйцевидный контур и содержит первый участок 4а, образующий тело единичного магнита 4, имеющее большее сечение и расположенное на большей длине единичного магнита 4, чем по меньшей мере один второй продольный концевой участок 4b, который направлен к соответствующему продольному концу единичного магнита 4 и сечение которого уменьшается по мере приближения к продольному концу.As shown in FIG. 5a, 5b and 5c, each unit magnet 4 may have an at least partially ovoid contour and includes a first portion 4a forming a body of the unit magnet 4 having a larger cross-section and located over a greater length of the unit magnet 4 than at least one second longitudinal end a section 4b which is directed towards the corresponding longitudinal end of the unit magnet 4 and whose cross-section decreases as it approaches the longitudinal end.

Показанный на фиг. 5а единичный магнит 4 имеет почти идеальную яйцевидную форму с первым участком 4а и с двумя закругленными вторыми концевыми участками 4b выпуклой формы. Как показано на фиг. 5с, контакт между двумя смежными и яйцевидными единичными магнитами 4 по существу является точечным или проходит по ограниченной дуге окружности.Shown in FIG. 5a, the single magnet 4 has an almost ideal ovoid shape with a first section 4a and two rounded second convex-shaped end sections 4b. As shown in FIG. 5c, the contact between two adjacent and ovoid unit magnets 4 is essentially point-to-point or extends along a limited circular arc.

В этом случае единичный магнит 4 может иметь по меньшей мере частично яйцевидный наружный контур с первым участком 4а, образующим тело единичного магнита 4, имеющее большее сечение и расположенное на большей длине единичного магнита 4, чем упомянутый по меньшей мере один второй участок 4b.In this case, the unit magnet 4 may have an at least partially ovoid outer contour with a first portion 4a forming a body of the unit magnet 4 having a larger cross-section and located over a greater length of the unit magnet 4 than the at least one second portion 4b.

Показанный на фиг. 5b единичный магнит 4 может иметь по меньшей мере один второй участок 4b по меньшей мере на одном продольном конце единичного магнита 4 в продолжении первого участка 4а. Он может иметь два вторых участка 4b, при этом второй участок 4b находится соответственно на продольном конце единичного магнита 4.Shown in FIG. 5b, the unit magnet 4 may have at least one second section 4b on at least one longitudinal end of the unit magnet 4 in continuation of the first section 4a. It may have two second sections 4b, wherein the second section 4b is respectively located at the longitudinal end of the single magnet 4.

Второй участок или вторые участки 4b могут быть направлены к соответствующему продольному концу магнита и уменьшаться в сечении по мере приближения к продольному концу.The second section or second sections 4b may be directed towards the corresponding longitudinal end of the magnet and decrease in cross-section as the longitudinal end is approached.

Как показано на фиг. 5b, второй продольный концевой участок или вторые продольные концевые участки 4b могут быть выгнутыми и иметь выпуклую форму. Второй продольный концевой участок или вторые продольные концевые участки 4b могут заканчиваться на своем соответствующем продольном конце центральной гранью 11, образующей продольный конец. Вместе с тем, как показано на фиг.5b для этой яйцевидной формы, эта центральная грань 11, образующая продольный конец, выполнена выгнутой и является всего лишь факультативной.As shown in FIG. 5b, the second longitudinal end portion or second longitudinal end portions 4b may be convex and have a convex shape. The second longitudinal end portion or second longitudinal end portions 4b may terminate at their respective longitudinal end with a central edge 11 forming a longitudinal end. However, as shown in Fig. 5b for this ovoid shape, this central edge 11 forming the longitudinal end is made convex and is only optional.

Как показано на этой фиг. 5b, второй продольный концевой участок или вторые продольные концевые участки 4b могут содержать боковые грани, наклоненные к продольной оси единичного магнита 4, приближаясь к соответствующему продольному концу единичного магнита 4.As shown in this FIG. 5b, the second longitudinal end portion or second longitudinal end portions 4b may include side edges inclined toward the longitudinal axis of the unit magnet 4, approaching the corresponding longitudinal end of the unit magnet 4.

Как показано на фиг. 5с, в магнитной структуре 10 единичные магниты 4 являются непосредственно смежными друг к другу и частично входят в контакт. Единичные магниты 4 могут быть скреплены посредством нанесения клея. Множество единичных магнитов 4 образует ячеистую структуру магнитов без элементов скрепления между ними, если не считать клея. На этой фиг. 5с тоже показаны первый участок 4а и второй участок 4b для одного единичного магнита.As shown in FIG. 5c, in the magnetic structure 10, the unit magnets 4 are directly adjacent to each other and partially come into contact. The individual magnets 4 can be held together by applying adhesive. A plurality of individual magnets 4 forms a cellular structure of magnets without fastening elements between them, except for glue. In this fig. 5c also shows the first section 4a and the second section 4b for one single magnet.

Как показано на фиг. 2 и 4, единичные магниты 4 могут быть склеены друг с другом без ячеистой структуры между ними. Это же относится и к фиг. 5с. Клей может представлять собой слой композиционного материала или склеивающую смолу, предпочтительно термореактивную или термопластическую смолу.As shown in FIG. 2 and 4, individual magnets 4 can be glued to each other without a honeycomb structure between them. The same applies to FIG. 5s. The adhesive may be a composite layer or an adhesive resin, preferably a thermoset or thermoplastic resin.

Каждый большеразмерный магнит или магнитная структура 10 между двумя смежными ветвями 3 может быть тоже погружена в слой композиционного материала. Ротор тоже может быть полностью покрыт этим слоем композиционного материала.Each large magnet or magnetic structure 10 between two adjacent branches 3 can also be immersed in a layer of composite material. The rotor can also be completely covered with this layer of composite material.

Таким образом, может иметь место наложение друг на друга по меньшей мере одного первого слоя композиционного материала для покрытия единичных магнитов 4, по меньшей мере одного второго слоя композиционного материала для индивидуального покрытия магнитных структур 10 и по меньшей мере одного третьего слоя композиционного материала для покрытия ротора 1, при этом корпус 2, 3, содержащий ступицу 2 и ветви ротора, тоже состоит из наложенных друг на друга композитных слоев с волокнами разной ориентации в зависимости от слоя.Thus, there may be a superposition of at least one first layer of composite material for covering individual magnets 4, at least one second layer of composite material for individually covering magnetic structures 10 and at least one third layer of composite material for covering the rotor. 1, while the housing 2, 3, containing the hub 2 and the rotor branches, also consists of composite layers superimposed on each other with fibers of different orientations depending on the layer.

Хотя это на фигурах и не показано, но с учетом обозначений, которые уже были указаны на фигурах для подобных элементов, каждая магнитная структура 10 может включать в себя по меньшей мере одну ячеистую структуру с ячейками, каждая из которых ограничивает гнездо для соответствующего единичного магнита 4. Каждое гнездо может иметь внутренние размеры, как раз достаточные для обеспечения установки внутри него единичного магнита 4, при этом остается еще пространство между гнездом и единичным магнитом 4, заполняемое усиленной волокнами смолой, при этом ячейки выполнены из усиленного волокнами изолирующего материала.Although not shown in the figures, in view of the notations that have already been indicated in the figures for similar elements, each magnetic structure 10 may include at least one honeycomb structure with cells each defining a socket for a corresponding unit magnet 4 Each socket may have internal dimensions just sufficient to accommodate a unit magnet 4 within it, while still leaving a space between the socket and the unit magnet 4 filled with fiber-reinforced resin, the cells being made of a fiber-reinforced insulating material.

Обод 8 может быть выполнен из стекловолокон или из карбоновых волокон. Обод 8 из композиционного материала охватывает в окружном направлении магнитные структуры 10 или большеразмерные магниты на наружной периферии ротора 1. В случае необходимости, обод 8 способствует радиальному удержанию магнитных структур 10 или большеразмерных магнитов в дополнение к удержанию, обеспечиваемому наружным слоем покрытия из композиционного материала. Заостренные концы 3b ветвей 3 могут быть соединены или не соединены с ободом 8.The rim 8 can be made of glass fibers or carbon fibers. The composite material rim 8 circumferentially encloses the magnetic structures 10 or oversized magnets on the outer periphery of the rotor 1. Optionally, the rim 8 assists in radially confining the magnetic structures 10 or oversized magnets in addition to the confinement provided by the outer layer of the composite material cover. The pointed ends 3b of the branches 3 may or may not be connected to the rim 8.

Объектом изобретения является способ изготовления ротора 1, в рамках которого для изготовления его корпуса 2, 3, содержащего ступицу 2 и ветви 3, осуществляют следующие этапы.The subject of the invention is a method for manufacturing a rotor 1, in which the following steps are carried out to manufacture its housing 2, 3 containing a hub 2 and branches 3.

Первый этап состоит в заливке первого слоя композиционного материала, содержащего связанные смолой волокна, при этом волокна первого слоя ориентированы в одном заранее определенном направлении F1.The first step consists of casting a first layer of composite material containing resin-bonded fibers, with the fibers of the first layer oriented in one predetermined direction F1.

Второй этап состоит в заливке по меньшей мере одного второго слоя композиционного материала, содержащего связанные смолой волокна, при этом волокна второго слоя ориентированы в заранее определенном направлении F2, отличном от направления F1 первого слоя.The second step consists of casting at least one second layer of composite material containing resin-bonded fibers, the fibers of the second layer being oriented in a predetermined direction F2 different from the direction F1 of the first layer.

На третьем этапе происходит затвердевание смолы.At the third stage, the resin hardens.

После этого корпус 2, 3 готов к применению для образования каркаса ротора 1.After this, the housing 2, 3 is ready for use to form the frame of the rotor 1.

Предпочтительно объектом изобретения является также способ изготовления такого ротора 1, в котором ширину l каждой ветви 3 в точке ее длины, проходящей радиально от наружной периферии ступицы 2 к внутренней периферии обода 8 на известном расстоянии от центральной оси 7 вращения ротора 1, определяют на основании оценки допустимого механического напряжения, которое может действовать на ротор 1, допустимой максимальной скорости вращения ротора 1 и механической прочности материала ветви.Preferably, the invention also provides a method for manufacturing such a rotor 1, in which the width l of each branch 3 at a point of its length extending radially from the outer periphery of the hub 2 to the inner periphery of the rim 8 at a known distance from the central axis 7 of rotation of the rotor 1 is determined based on an assessment permissible mechanical stress that can act on rotor 1, permissible maximum rotation speed of rotor 1 and mechanical strength of the branch material.

Уменьшение ширины каждой ветви 3 по мере удаления от ступицы 2 получают, выбирая для каждой ветви 3 ширину для каждой точки ее длины, позволяющую получить изо-напряжение внутри ветви 3.The decrease in the width of each branch 3 with distance from the hub 2 is obtained by choosing for each branch 3 a width for each point of its length that allows one to obtain an iso-stress inside the branch 3.

На фиг. 1 и 3 видно, что ширина ветвей 3 уменьшается по мере увеличения радиуса, то есть по мере удаления от центральной оси 7 ротора 1.In fig. 1 and 3 it is clear that the width of the branches 3 decreases as the radius increases, that is, as they move away from the central axis 7 of the rotor 1.

Предпочтительно ширину каждой ветви в точке ее длины, проходящей в радиальном направлении, получают при помощи следующего уравнения:Preferably, the width of each branch at a point along its length extending in the radial direction is obtained using the following equation:

где K является константой, меняющейся в зависимости от толщины обода 8 и характеризующей механическую прочность материала ветви, ρ является плотностью магнита или магнитной структуры 10, σm является допустимым механическим напряжением, которое можно прикладывать к ротору 1 и, следовательно, к ветви, Θ является углом раскрытия каждой магнитной структуры 10, и W является допустимой максимальной скоростью вращения ротора 1.where K is a constant that varies depending on the thickness of the rim 8 and characterizes the mechanical strength of the material of the leg, ρ is the density of the magnet or magnetic structure 10, σm is the permissible mechanical stress that can be applied to the rotor 1 and, therefore, to the arm, Θ is the angle opening of each magnetic structure 10, and W is the permissible maximum rotation speed of the rotor 1.

Наконец, объектом изобретения является электромагнитный двигатель или генератор с осевым потоком, содержащий по меньшей мере один такой ротор 1, при этом электромагнитный двигатель или генератор содержит по меньшей мере один статор, на котором выполнена по меньшей мере одна обмотка, при этом электромагнитный двигатель или генератор содержит один или несколько воздушных зазоров между упомянутым по меньшей мере одним ротором 1 и упомянутым по меньшей мере одним статором.Finally, the object of the invention is an electromagnetic axial flux motor or generator comprising at least one such rotor 1, wherein the electromagnetic motor or generator contains at least one stator on which at least one winding is formed, wherein the electromagnetic motor or generator contains one or more air gaps between said at least one rotor 1 and said at least one stator.

Предпочтительно электромагнитный двигатель или генератор может содержать по меньшей мере один ротор 1, объединенный с двумя статорами.Preferably, the electromagnetic motor or generator may comprise at least one rotor 1 combined with two stators.

Claims (14)

1. Ротор (1) двигателя или генератора, имеющий корпус (2, 3), содержащий внутреннюю ступицу (2), концентричную с центральной осью (7) вращения ротора (1), ветви (3), проходящие радиально по отношению к центральной оси (7) вращения от внутренней ступицы (2) к ободу (8), образующему наружный кольцевой контур ротора (1), при этом в каждом пространстве, ограниченном между двумя смежными ветвями (3), расположена по меньшей мере одна магнитная структура (10) с множеством магнитов (4), при этом корпус (2, 3) состоит из множества слоев композиционного материала, содержащего связанные смолой волокна, отличающийся тем, что слои расположены друг над другом и волокна каждого слоя ориентированы в заранее определенных направлениях (F1, F2), отличающихся для двух расположенных друг над другом слоев, при этом на каждой из двух противоположных сторон корпуса (2, 3) ротора находится радиальная перекрывающая оболочка, состоящая из множества расположенных друг над другом слоев композиционного материала, содержащего связанные смолой волокна, причем магниты (4) магнитной структуры (10) соединены друг с другом посредством смолы, усиленной волокнами.1. Rotor (1) of an engine or generator, having a housing (2, 3) containing an internal hub (2) concentric with the central axis (7) of rotation of the rotor (1), branches (3) extending radially with respect to the central axis (7) rotation from the inner hub (2) to the rim (8), forming the outer annular contour of the rotor (1), with at least one magnetic structure (10) located in each space limited between two adjacent branches (3) with a plurality of magnets (4), wherein the body (2, 3) consists of a plurality of layers of composite material containing resin-bonded fibers, characterized in that the layers are located one above the other and the fibers of each layer are oriented in predetermined directions (F1, F2) , different for two layers located above each other, while on each of the two opposite sides of the rotor housing (2, 3) there is a radial overlapping shell consisting of a plurality of layers of composite material located above each other containing resin-bonded fibers, and magnets (4 ) magnetic structure (10) are connected to each other by means of fiber-reinforced resin. 2. Ротор (1) по п. 1, в котором волокна одного слоя композиционного материала корпуса (2, 3) ориентированы перпендикулярно к волокнам смежного наложенного слоя композиционного материала.2. Rotor (1) according to claim 1, in which the fibers of one layer of the composite material of the housing (2, 3) are oriented perpendicular to the fibers of the adjacent superimposed layer of composite material. 3. Ротор (1) по п. 1, в котором волокна одного слоя композиционного материала корпуса (2, 3) ориентированы со смещением от 30° до 45° относительно волокон смежного наложенного слоя композиционного материала.3. Rotor (1) according to claim 1, in which the fibers of one layer of the composite material of the housing (2, 3) are oriented with an offset of 30° to 45° relative to the fibers of the adjacent superimposed layer of composite material. 4. Ротор (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором число композитных слоев корпуса (2, 3) определяют в зависимости от осевой толщины магнитной структуры (10), и перекрывающие оболочки имеют толщину, составляющую от 0,3 до 2 мм.4. The rotor (1) according to any one of the previous paragraphs, in which the number of composite layers of the housing (2, 3) is determined depending on the axial thickness of the magnetic structure (10), and the overlapping shells have a thickness of from 0.3 to 2 mm. 5. Ротор (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором каждая ветвь (3) имеет ширину, уменьшающуюся по мере удаления от внутренней ступицы (2), и заканчивается заостренным концом (3b) напротив обода (8).5. Rotor (1) according to any of the previous paragraphs, in which each branch (3) has a width that decreases with distance from the inner hub (2), and ends with a pointed end (3b) opposite the rim (8). 6. Ротор (1) по предыдущему пункту, в котором основания (3а) двух смежных ветвей (3) разделены промежуточным участком (9) внутренней ступицы (2), при этом промежуточный участок (9) имеет закругленную вогнутую форму в направлении оси ротора (1), при этом внутренняя ступица (2) имеет радиус, равный по меньшей мере четверти радиуса ротора (1).6. Rotor (1) according to the previous paragraph, in which the bases (3a) of two adjacent branches (3) are separated by an intermediate section (9) of the inner hub (2), while the intermediate section (9) has a rounded concave shape in the direction of the rotor axis ( 1), while the inner hub (2) has a radius equal to at least a quarter of the radius of the rotor (1). 7. Ротор (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором каждая магнитная структура (10) имеет ширину, увеличивающуюся по мере удаления от внутренней ступицы (2), и заканчивается напротив охватывающего ротор (1) обода (8).7. Rotor (1) according to any of the previous paragraphs, in which each magnetic structure (10) has a width that increases with distance from the inner hub (2), and ends opposite the rim (8) surrounding the rotor (1). 8. Ротор (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором каждый единичный магнит (4) из множества единичных магнитов (4) магнитной структуры (10) имеет многогранную форму, или каждый единичный магнит (4) имеет контур по меньшей мере частично яйцевидной формы с первым участком, образующим тело единичного магнита (4), имеющим большее сечение и проходящим на большей длине единичного магнита (4), чем по меньшей мере один второй продольный концевой участок, направленный к соответствующему продольному концу единичного магнита (4), уменьшаясь в сечении по мере приближения к продольному концу.8. The rotor (1) according to any of the previous claims, wherein each unit magnet (4) of the plurality of unit magnets (4) of the magnetic structure (10) has a polyhedral shape, or each unit magnet (4) has an outline at least partially ovoid shape with a first section forming the body of the unit magnet (4) having a larger cross-section and extending over a greater length of the unit magnet (4) than at least one second longitudinal end section directed towards the corresponding longitudinal end of the unit magnet (4), decreasing by section as it approaches the longitudinal end. 9. Ротор (1) по предыдущему пункту, в котором каждый единичный магнит (4) имеет удлиненную форму и проходит в радиальном направлении ротора (1).9. Rotor (1) according to the previous paragraph, in which each individual magnet (4) has an elongated shape and extends in the radial direction of the rotor (1). 10. Ротор (1) по предыдущему пункту, в котором каждая магнитная структура (10) включает в себя по меньшей мере одну ячеистую структуру, каждая из ячеек которой ограничивает гнездо для соответствующего единичного магнита (4), при этом каждое гнездо имеет внутренние размеры, как раз достаточные, чтобы оставить пространство между гнездом и единичным магнитом (4), заполняемое смолой, усиленной волокнами, после введения в него единичного магнита (4), при этом ячейки выполнены из усиленного волокнами изолирующего материала.10. Rotor (1) according to the previous paragraph, in which each magnetic structure (10) includes at least one cellular structure, each of the cells of which defines a socket for a corresponding single magnet (4), with each socket having internal dimensions, just sufficient to leave a space between the socket and the unit magnet (4) filled with fiber-reinforced resin after the unit magnet (4) is inserted therein, the cells being made of fiber-reinforced insulating material. 11. Ротор (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором каждая магнитная структура (10) между двумя смежными ветвями (3) погружена по меньшей мере в один слой композиционного материала, при этом ротор (1) тоже покрыт по меньшей мере одним слоем композиционного материала, охватывающим погруженные магнитные структуры и корпус (2), образованный множеством слоев композиционного материала.11. Rotor (1) according to any of the previous paragraphs, in which each magnetic structure (10) between two adjacent branches (3) is immersed in at least one layer of composite material, while the rotor (1) is also covered with at least one layer composite material covering immersed magnetic structures and a housing (2) formed by multiple layers of composite material. 12. Ротор (1) по предыдущему пункту, в котором слои композиционного материала, окружающие ротор и образующие ступицу (2) и ветви корпуса (2, 3), выполнены из стекловолокон или карбоновых волокон, залитых смолой.12. Rotor (1) according to the previous paragraph, in which the layers of composite material surrounding the rotor and forming the hub (2) and the branches of the housing (2, 3) are made of glass fibers or carbon fibers filled with resin. 13. Способ изготовления ротора (1), содержащего корпус (2, 3), состоящий из множества слоев композиционного материала, содержащего связанные смолой волокна, при этом способ содержит этап заливки первого слоя композиционного материала, при этом волокна первого слоя ориентированы в одном заранее определенном направлении (F1), отличающийся тем, что содержит этап заливки по меньшей мере одного второго слоя композиционного материала, наложенного на первый слой композиционного материала, при этом волокна упомянутого по меньшей мере одного второго слоя ориентированы в заранее определенном направлении (F2), отличном от направления (F1) смежного слоя, на который он наложен, и этап затвердевания смолы.13. A method for manufacturing a rotor (1) containing a housing (2, 3) consisting of multiple layers of a composite material containing resin-bonded fibers, the method comprising the step of pouring a first layer of composite material, wherein the fibers of the first layer are oriented in one predetermined direction (F1), characterized in that it comprises the step of pouring at least one second layer of composite material superimposed on the first layer of composite material, the fibers of said at least one second layer being oriented in a predetermined direction (F2) different from the direction (F1) of the adjacent layer on which it is applied, and the curing stage of the resin. 14. Электромагнитный двигатель или генератор с осевым потоком, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере один ротор (1) по любому из пп. 1-12, при этом электромагнитный двигатель или генератор содержит по меньшей мере один статор, на котором выполнена по меньшей мере одна обмотка, при этом электромагнитный двигатель или генератор содержит один или несколько воздушных зазоров между упомянутым по меньшей мере одним ротором (1) и упомянутым по меньшей мере одним статором.14. Electromagnetic motor or generator with axial flux, characterized in that it contains at least one rotor (1) according to any one of claims. 1-12, wherein the electromagnetic motor or generator contains at least one stator on which at least one winding is made, wherein the electromagnetic motor or generator contains one or more air gaps between said at least one rotor (1) and said at least one stator.

Images