ЖИДКОСТНО-ЗАПОЛНЕННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК H02K5/12 

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к жидкостнозаполненным асинхронным машинам в малошумном исполнении.

Известны электрические машины, в которых для снижения вибраций производится ужесточение конструкции сердечника статора и корпуса. Подавление вибраций происходит благодаря увеличению механического импеданса конструкции. При этом возрастают масса и габариты электрической машины [1] Предпочтительнее подавлять вибрации в источнике за счет снижения вибровозмущающих сил и моментов.

Наиболее близкой к заявляемой, принятой за прототип, является жидкостнозаполненная электрическая машина, содержащая статор и ротор со скошенными пазами. Скос пазов выполнен в противоположных направлениях на целое зубцовое деление [2]
При скосе пазов статора и ротора в противоположных направлениях в соответствии с известной теорией электрических машин влияние скоса на параметры определяется суммой скосов пазов на статоре и роторе. Эффективность снижения магнитных вибровозмущающих сил низкого пространственного порядка, образованных взаимодействием в зазоре зубцовых гармоник статора и ротора, также определяется суммарным скосом пазов ротора и статора. При встречном скосе пазов уменьшаются радиальные силы и изгибающие моменты, однако скручивающие моменты остаются и при малой жесткости длинных машин к кручению в плоскости оси вращения эти моменты вызывают значительные вибрации. Установлено, что силовые волны, порядок которых близок к числу пазов статора, вследствие механической анизотропии зубцовой зоны приводят к деформациям статора низких порядков. Скручивающие моменты высоких порядков, действующие на зубцы, также вызывают деформации низких порядков в статоре.

Таким образом, для полного исключения колебаний, вызванных магнитными источниками на зубцовой частоте, необходимо исключить действие на статор сил и моментов как низких пространственных порядков, так и высоких порядков, близких или кратных к числу пазов статора.

В жидкостнозаполненных электрических машинах со скосом пазов отмечены гидравлические вибрации, зависящие от величины магнитного поля и от взаимного скоса пазов статора и ротора.

Цель изобретения снижение магнитных вибраций зубцового порядка и гидравлических вибраций.

Поставленная цель достигается за счет того, что в жидкостнозаполненной электрической машине, содержащей статор и ротор со скошенными пазами, скос пазов на статоре и роторе выполнен в одном направлении на одинаковый угол, кратный 4 π/ /(Z₁+Z₂), где Z₁ и Z₂соответственно число пазов статора и ротора.

Новизна изобретения состоит в новой совокупности известных признаков, среди которых есть один неизвестный, впервые предложенный, а именно величина согласного скоса пазов кратна 4π /(Z₁+Z₂).

Существенность признаков подтверждается наличием в совокупности нового свойства, выраженного в том, что согласный скос пазов позволяет существенно снизить магнитные и гидравлические вибрации. Поскольку взаимный угол скоса равен нулю, электромагнитные силы, действующие на зубцы статора, под влиянием скоса пазов не уменьшаются. Это справедливо независимо от пространственного порядка силовых волн. Одновременно в зубцах отсутствуют скручивающие моменты низкого и высокого порядка. При передаче электромагнитных сил из зубцов в ярмо статора важную роль играет скос пазов относительно оси вращения. За счет скоса происходит уменьшение амплитуд силовых волн в ярме статора, причем силы зубцового порядка снижаются наиболее значительно. Самый высокий эффект снижения сил зубцового порядка получаем при скосе пазов статора и ротора на угол 4π /(Z₁+Z₂). В результате при согласном скосе пазов в ярме статора практически отсутствуют электромагнитные силы низкого пространственного порядка, вызванные силами порядка зубчатости в зазоре. Силы низкого пространственного порядка передаются в ярмо статора с уменьшенными амплитудами. Низкий механический импеданс статора к кручению не приводит к значительным вибрациям, поскольку отсутствуют вибровозмущающие моменты. Вибровозмущающие силы в статоре также не приводят к значительным вибрациям, поскольку с одной стороны силы уменьшаются при прохождении из зубцовой зоны в ярмо, а с другой стороны механический импеданс длинных машин к этим силам имеет относительно большую величину. Кроме того, при согласном скосе пазов, когда пазы статора и ротора параллельны, облегчаются условия протекания жидкости в жидкостнозаполненных машинах. В результате снижаются связанные с магнитным полем гидравлические вибрации. Все это обеспечивает получение сверхсуммарного положительного эффекта.

На фиг.1 показана предлагаемая машина, продольный разрез; на фиг.2 скос пазов статора и ротора на оптимальный угол.

Жидкостнозаполненная электрическая машина содержит корпус 1 с размещенными в нем статором 2 и ротором 3. Зазор между статором и ротором заполнен жидкостью 4. На статоре и роторе выполнены скошенные на угол, кратный 4π /(Z₁+Z₂), пазы 5, 6, где Z₁ и Z₂ соответственно число пазов статора и ротора, в которых уложена обмотка (фиг.2).

Особенности работы данной конструкции заключаются в следующем.

Силовая волна, образованная взаимодействием полей статора 2 и ротора 3, воздействует на зубцы статора и имеет вид
P_r=Pcosr V ω_rt-,
где Р амплитуда силовой волны;
ω_r круговая частота силовой волны;
r пространственный порядок;
v определяется скосом пазов;
y направление оси вращения;
D диаметр расточки.

Сила, действующая на скошенный зубец, усредняется по его сечению и передается через его основание с амплитудой плотности
P_Z=P ζ_Zζ_Zск, н/м², где t₁, b_Z1 зубцовое деление и ширина зубца статора;
ζ_Z=sin / амплитудный коэффициент силы в зубце;
ζ_Zск=sin (rtgγ₁-V)/ (rtgγ₁-V) коэффициент скоса силы в зубце;
tg γ₁=b_ck1/l, где l длина зубца;
b_ck1 длина дуги скоса.

Просуммировав действие всех зубцов и представив результирующую нагрузку в виде гармонического ряда, получают амплитуду плотности силы в ярме
P_jn=P ζ_z ζ_zck ζ_j ζ_jck, н/м², где ζ_j=sin / амплитудный коэффициент силы в ярме;
ζ_jск=sin / коэффициент скоса силы в ярме;
n=r,r ±Z₁; r ±2Z₁,
Радиальные силы, действующие на зубец, создают моменты, поворачивающие его в плоскости оси вращения (скручивающие моменты)
M_Z= P t₁ζ_Zq_Zск, Нм где q_Zск=cos rtgγ₁-V)- / (rtgγ₁-V) коэффициент скоса для скручивающего момента.

Просуммировав моменты всех зубцов, получают амплитуду плотности результирующего момента в виде
m_in=P ζ_Zq_Zскζ_jζ_jск, Н.

Из выражений для амплитуд моментов видно, что при низком механическом импедансе статора к кручению исключить скручивающие моменты можно, если выполнить условие q_zck=0. Решение этого уравнения
v=rtg γ₁
может быть обеспечено только при согласном скосе пазов статора и ротора на одинаковый угол.

В этом случае коэффициенты скоса принимают значения
Z_ck=1; q_Zсk=0,
т. е. при согласном скосе пазов силы в зубцах не уменьшаются, но и скручивающие моменты не образуются. Отличный от нуля согласный скос пазов на статоре и роторе позволяет дополнительно уменьшить радиальные силы при передаче их из зубцов в ярмо пропорционально коэффициенту скоса силы в ярме. Анализ выражения для коэффициента скоса показывает, что для сил низкого пространственного порядка необходимый угол скоса оказывается недопустимо большим, а для сил зубцового порядка оптимальный угол скоса (центральный) должен быть кратным 4 π/(Z₁+Z₂).

При этом происходит одновременное снижение сил низкого пространственного порядка и почти полное исключение сил порядка зубчатости.

Действительно, коэффициент скоса в ярме становится равным, например, при Z₂/Z₁=1, 2; Z₁=6p получают
для n=Z₂-Z₁; ζ_jck=0,95; q_zck=0; ζ_j=0,98;
для n=Z₂-Z₁+2p; ζ_jck=0,9; q_zck=0; ζ_j=0,59;
для n Z₁ + Z₂; ζ_jck=0; q_zck=0; ζ_j=0,09;
для n=Z₁+Z₂+2p ζ_jck=0,11; q_zck=0; ζ_j=0,19
Из приведенного примера видно, что происходит практически полное исключение сил суммарного порядка при некотором снижении сил разностного порядка. Скручивающих моментов нет. Наряду с уменьшением вибровозмущающих сил при согласном скосе облегчаются условия протекания жидкости в зазоре между ротором и статором.

Использование: в электромашиностроении. Сущность изобретения: машина содержит статор и ротор со скошенными пазами. Для снижения магнитных вибраций скос пазов на статоре и роторе выполнен в одном направлении на одинаковый угол. 2 ил.

ЖИДКОСТНО-ЗАПОЛНЕННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, содержащая статор и ротор со скошенными пазами, отличающаяся тем, что, с целью снижения магнитных вибраций, скос пазов на статоре и роторе выполнен в одном направлении на одинаковый угол, кратный где Z₁ и Z₂ соответственно число пазов статора и ротора.