ЯКОРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02K3/46 H02K23/26 

Изобретение относится к области электротехники, а именно электрических машин постоянного тока и может быть использовано при разработке машин средней и большой мощности, например, тяговых электродвигателей (для электровозов, трамваев, электропоездов), судовых гребных электродвигателей, электродвигателей экскаваторов, прокатных станов и т.д.

Актуальными вопросами улучшения технических характеристик электромашин постоянного тока являются уменьшение массогабаритных показателей и снижение вибрации.

Одним из главных препятствий в этом направлении является применение в наиболее распространенных в настоящее время конструкциях электромашин зубчатого якоря. Проводники обмотки укладываются в пазы между зубцами и отделяются от окружающего паз железа электрической изоляцией, толщина которой в зависимости от ее типа, условий работы машины, а также с учетом опыта машиностроения, для машин средней и большой мощности с номинальными напряжениями порядка 0,5-3 кВ составляет до 1-1,5 мм на сторону (см. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. Л. Энергия, 1977, с.304).

При вращении якоря происходит периодическое изменение числа зубцов, находящихся под полюсом машины, вследствие чего возникают пульсации магнитного потока с частотой, пропорциональной числу зубцов, и, как следствие, появляются соответствующие составляющие в спектре вибраций машины ("зубцовые гармонические").

Возможным способом уменьшения количества изоляции в обмоточном слое и устранения зубцовых гармонических вибрации является переход на использование беззубцовой конструкции якоря ("гладкого якоря"). Витки обмотки в якорях этого типа укладываются на изолированную поверхность беззубцового сердечника и отделяются друг от друга только витковой изоляцией (толщиной 0,1-0,2 мм).

Известен ряд конструкций машин постоянного тока с гладким якорем (см. авт.св. N 394895, Н 02 К 3/46, 1973.).

Общим недостатком этих машин, обусловленным отсутствием магнитопроводящих элементов в обмоточном слое, является большая величина немагнитного зазора. Особенно сильно это появляется в машинах большой мощности, имеющих соответственно и большую толщину обмоточного слоя. Увеличение расхода мощности в обмотке возбуждения приводит к ухудшению КПД и росту массообъемных показателей машины, вследствие чего машины постоянного ток с гладким якорем в настоящее время находят применение, главным образом, в маломощных системах автоматики (см. Электрические двигатели с гладким якорем для систем автоматики. Под ред. Ю.К.Васильева. М. Энергия, 1979).

В изобретениях по авт.свид. N 917262, Н 02 К 1/06, 1982. обмотки предполагается изготавливать из биметаллических материалов, состоящих из токопроводящих и магнитопроводящих частей. Через ферромагнитный материал (сталь) проходит часть общего электрического тока обмотки, вследствие чего увеличивается токовая нагрузка обмоточного слоя якоря. Однако в машинах постоянного тока применение обмоток из биметалла является нецелесообразным в силу следующих причин.

Наличие ферромагнитных элементов в лобовых частях обмотки будет увеличивать магнитную проводимость для потоков самоиндукции коммутируемой секции, а также потоков взаимоиндукции с другими секциями. Вследствие этого возрастает величина реактивной ЭДС и ухудшится процесс коммутации (см. Вольдек А. И. Электрические машины. М.-Л. Энергия, 1966). За счет увеличения магнитной проводимости лобовых частей обмотки ротора увеличатся также потоки рассеяния главных и добавочных полюсов.

Параллельное подключение медных проводников к стальным магнитопроводам будет приводить к уменьшению электрического сопротивления на пути наводимых в стали вихревых токов, а следовательно, увеличить соответствующие потери мощности, особенно при высоких частотах перемагничивания (20^oC 50 Гц).

Кроме того, предложенная в указанных изобретениях конструкция обмотки якоря, предназначена для использования на неподвижной (статорной) части многофазных машин переменного тока и практически не может быть реализована на вращающемся роторе машины постоянного тока.

Каких-либо технических решений, направленных на снижение уровня вибрации машин зубцового характера (возникающих вследствие введения в токовый слой ферромагнитных элементов), рассмотренные предложения не содержат.

По совокупности основных признаков (род тока машины, конструкция и способ крепления обмотки, ее расположение на роторе машины) предлагаемое техническое решение наиболее близко к конструкции, представленной в авт.св. 394895, Н 02 К 3/46, 1973. которая и принята за прототип.

В известной конструкции обмотка размещена на изолированной поверхности беззубцового якоря, закреплена бандажом и приклеена к сердечнику якоря в виде монолитного слоя.

Подобная конструкция обеспечивает простое крепление обмоточного слоя на якоре, отсутствие электромагнитных вибраций зубцового происхождения, однако обладает общим недостатком машин с гладким якорем увеличенным немагнитным зазором, приводящим к ухудшению массообъемных показателей машины (или понижению КПД).

Задачей заявляемого изобретения является создание конструкции якоря машины постоянного тока, позволяющей получить минимальные массообъемные показатели машины при малом уровне зубцовых гармонических вибрации.

Это достигается тем что на активной длине якоря машины постоянного тока, содержащего беззубцовй магнитопровод и закрепленную при помощи бандажа из электроизоляционного материала и замоноличенную вместе с ним обмотку, каждый обмоточный слой выбирается из чередующихся между собой покрытых витковой изоляцией проводников обмотки и ферромагнитных элементов, например, шихтованных, например, трапециевидного сечения, а на каждый обмоточный слой наложен силовой бандаж в виде сплошного покрытия из электроизоляционного материала, например, стекловолокнистой ленты. При этом толщина ферромагнитных элементов выбирается не большей, чем величина суммарного немагнитного зазора машины.

Наличие в обмоточном слое ферромагнитных элементов обеспечивает достаточную магнитную проводимость для основного магнитного потока, а малый объем, занимаемый изоляцией в слое (только тонкая витковая) возможность получения высоких уровней заполнения слоя проводниками тока. Вследствие этого уменьшается необходимая МДС обмоток возбуждения, а общая масса и объем машины с якорем предлагаемой конструкции становится меньше, чем с якорем, принятым за прототип или зубчатым.

В отличие от прототипа при вращении якоря предлагаемой конструкции возможно возникновение вибраций машины зубцового характера вследствие наличия на нем ферромагнитных элементов. Однако принятием определенных конструктивных мер уровень вибраций может быть снижен до допустимых значений.

Как известно (см. Шубов И. Г. Шум и вибрация электрических машин. Л. Энергоатомиздат, 1986), величина главных возбудителей вибрации машин постоянного тока электромагнитного происхождения знакопеременных сил, действующих на полюс при прохождении под ним зубцов ротора зависит от соотношения ширины зубца и величины немагнитного зазора машины. Вибрация машины уменьшается при относительном уменьшении ширины зубца.

В машинах с зубчатым якорем через зубцы на сердечник ротора передается вращающий момент машины (электромагнитные усилия, действующие на проводники, расположенные в пазу), вследствие чего ширина зубца у основания не может быть меньше, чем допустимая по условиям его механической прочности. В машине с гладким якорем и замоноличенным обмоточным слоем вращающий момент передается через весь обмоточный слой, а ферромагнитные вставки, через которые проходит магнитный поток, не выполняют функций основных элементов для передачи момента. Это позволяет принимать при проектировании машины ширину ферромагнитной вставки меньшую, чем у машин с зубчатым якорем, и за счет этого снизить уровень вибрации.

Удовлетворяющий большинству практических случаев и существенно меньший, чем у машин с зубчатым якорем уровень вибрации от зубцовых гармонических может быть достигнут при уменьшении толщины ферромагнитных элементов до значений меньших, чем величина немагнитного зазора машины (определяемого суммарной величиной основного воздушного зазора и радиальными толщинами корпусной, межслойной и наружной изоляции обмоток).

На чертеже представлен схематический поперечный разрез якоря машины постоянного тока с предлагаемой конструкцией обмотки (сектор в 45^o).

Якорь выполнен следующим образом.

На вал 1 насажен сердечник 2, изготовленный из листов электротехнического железа. На цилиндрическую наружную поверхность сердечника уложен слой корпусной изоляции 3. На этом слое размещены стержни проводников нижнего слоя обмотки 4, покрытые витковой изоляцией 5, и поочередно с ними (в тангенциальном напpавлении) уложены ферромагнитные элементы стержни 6, длина которых соответствует активной длине машины.

Ферромагнитные элементы 6 имеют поперечное сечение в виде трапеции, расширяющейся в радиальном направлении. Подобное исполнение позволяет наилучшим образом заполнить объем между токопроводящими стержнями и обеспечить минимальное магнитное сопротивление на пути магнитного потока. Для обеспечения малого уровня вибрации машины максимальная толщина ферромагнитных элементов не превышает величины суммарного немагнитного зазора машины, а при высоких частотах вращения машины (перемагничивания) они могут быть выполнены шихтованными.

Нижний обмоточный слой, включая ферромагнитные элементы 6, покрыт слоем электроизоляционной ленты 7, например стекловолокнистой, которая одновременно выполняет функции силового бандажа и электроизолирующего слоя, отделяющего нижний обмоточный слой от верхнего (межслойной изоляции). Верхний слой обмотки состоит из токопроводящих стержней 8 и ферромагнитных элементов 9, покрытых внешней изоляцией 10 (бандажами). Все обмоточные слои пропитаны и замоноличены в электроизолирующем материале.

Выполненные расчеты (в том числе, совместно с ЛПЭО "Электросила"), а также экспериментальные исследования моделей машин различной мощности (включая изготовление и испытания якоря для трамвайного двигателя мощностью 45 кВт) подтвердили возможность реализации предлагаемой конструкции. При этом ожидаемый выигрыш по массе по сравнению с двигателем с гладким якорем известной конструкции составит не менее двукратного, а по сравнению с двигателем с зубчатым якорем 20-40% (в зависимости от параметров машины, мощности, частоты вращения).

Предлагаемое для снижения зубцовых составляющих вибрации техническое решение было проверено расчетным путем и экспериментально на изготовленных образцах электрических машин (с замером уровня вибрации).

Изобретение относится к области электротехники, а именно электрических машин постоянного тока и может быть использовано при разработке тяговых электродвигателей, судовых гребней электродвигателей, двигателей экскаваторов и т. д. Изобретение решает задачу создания конструкции якоря, позволяющей получить минимальные массогабаритные показатели машины постоянного тока при малом уровне зубцовых гармонических вибраций. Для этого на активной длине якоря каждый обмоточный слой набран из чередующихся между собой покрытых витковой изоляцией проводников обмотки и ферромагнитных элементов, в частности шихтованных трапециевидного сечения. На каждый обмоточный слой наложен бандаж в виде сплошного покрытия из электроизолирующего материала, в частности, стекловолокнистой ленты. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Якорь электрической машины постоянного тока, содержащий беззубцовый магнитопровод и обмотку, закрепленную на изолированной поверхности магнитопровода при помощи бандажа из электроизоляционного материала и замоноличенную вместе с бандажом, отличающийся тем, что каждый обмоточный слой на активной длине якоря набран из чередующихся между собой покрытых витковой изоляцией проводников обмотки и ферромагнитных элементов трапециевидного сечения, в частности шихтованных, а бандаж из электроизоляционного материала наложен на каждый обмоточный слой и выполнен в виде сплошного покрытия, в частности из стекловолокнистой ленты. 2. Якорь по п. 1, отличающийся тем, что толщина ферромагнитных элементов не превышает величины суммарного немагнитного зазора машины.