СЕРДЕЧНИК СТАТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 1997 года по МПК H02K1/16 

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно, к конструкциям асинхронных электродвигателей общего назначения и может быть использовано, например, в электроприводе стиральных машин, дерево- и металлообрабатывающих станках.

Известен сердечник статора (Антонов М.В. Герасимова Л.С. Технология производства электрических машин. М. Энергоиздат, 1982, с. 186 191), содержащий листы сердечника статора, нажимные кольца и скобы для скрепления указанных листов статора и колец нажимных. В сердечнике статора могут быть и крайние листы, выполненные, например, из более толстого листового материала нежели листы статора и предназначенные для уменьшения распушения (торцевого выпучивания) листов статора.

Для скрепления сердечника статора скобами по наружному периметру выполнены выштамповки в виде пазов с ласточкиным хвостом. Скобы, согнутые в продольном направлении, вставляются в пазы и разжимаются (распрямляются) в радиальном направлении ко дну паза. При этом края скоб входят в ласточкин хвост и скрепляют сердечник статора. На торцах скобы привариваются к нажимным кольцам или отгибаются на их торцевые стороны.

Однако указанный сердечник статора электрической машины выполнен круглым по наружному периметру. Это приводит к повышенному расходу материалов, так как круглый наружный периметр штампуется из квадратных листов или полосовой электротехнической стали и угловые части идут в отходы. Кроме того, если практически цилиндрическая наружная поверхность (если не считать выштамповки по наружному периметру) позволяет сравнительно просто реализовать установку скрепляющих скоб, то ее "гладкость" существенно ухудшает условия теплоотдачи с наружной поверхности сердечника. Для улучшения условий охлаждения применяют оребренный корпус, с помощью которого решается задача конструктивного сопряжения сердечника с подшипниковыми щитами. Однако наличие корпуса приводит к усложнению конструкции сердечника статора и повышению расхода материалов.

Кроме того, известен сердечник статора электрической машины (Основич Л. Д. Шейнин А.М. Инкин А.И. и др. Особенности конструкции и вопросы проектирования электрических машин с малоотходным ярмом-радиатором. Межвуз. сб. науч. тр. Электрические машины с составными активными объемами. - Новосибирск, 1989. с. 20-26), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий основание, нажимные кольца с крепежными элементами (посадочными поверхностями и резьбовыми отверстиями) для установки и закрепления щитов подшипниковых и основания с внутренним диаметром у сердечника статора D_ki ≥ D_ZH, обеспечивающим выход витков обмотки из пазов, где D_ZH диаметр по дну пазов, элементы скрепляющие, например, скобы и n-угольные по наружному контуру листы сердечника статора, которые собраны в N элементарных пакетов, имеющих совпадающие по наружному контуру стороны. При этом смежные элементарные пакеты повернуты друг относительно друга в тангенциальном направлении на угол α = 2πK/Z, где K 1, 2, 3. а Z число пазов для укладки обмотки.

Так как наружные стороны листов сердечника статора имеют n-угольную форму, то при тангенциальном повороте наружные стороны каждого элементарного пакета будут иметь точки сопряжения (соприкосновения) с наружными сторонами смежных элементарных пакетов. В связи с тем, что угол поворота элементарных пакетов α для обеспечения совпадения Z пазов для укладки обмотки должен быть кратен 2π, то при относительном развороте получается зубчатая симметричная по 2π/α осям фигура с зубчатым наружным контуром, в котором роль "зубцов" играют угловые части листов статора. В силу симметрии точки сопряжения будут лежать на концентрических окружностях с диаметрами D_min ≅ D_i ≅ D_max, где i 1, 2, 3, где D_min внутренний диаметр точек сопряжения, соответствующий описанной окружности многоугольника точек сопряжения, определяющего наружный периметр сплошного в аксиальном направлении расположения листов статора, D_max наружный диаметр точек сопряжения, равный внутреннему диаметру расположения наружного зубчатого контура, наружный диаметр D_e которого образуют угловые части листов статора.

Скрепление листов статора осуществляется с помощью элементов скрепляющих, проходящих или в зоне основания зубцов на D_max снаружи сердечника или внутри зубцов в специально выполненных отверстиях. И в том и другом случае элементы скрепляющие крепятся на нажимных кольцах, например, сваркой, расклепыванием и т.п. методами.

Однако в указанном устройстве нажимные кольца имеют, как и в аналоге, круглую форму по наружному диаметру и, следовательно, при соединении с элементами скрепляющими или при выполнении мест для скрепления сердечника статора, например, резьбовых отверстий, перекрывают частично или полностью каналы для прохождения охлаждающего воздуха, образуемого "зубцами" зубчатого наружного контура сердечника статора. Указанное обстоятельство резко снижает эффективность охлаждения сердечника статора а, следовательно, и энергетические показатели двигателя мощности, КПД в данном объеме сердечника статора.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание сердечника статора электрической машины с более высокими энергетическими показателями электродвигателя в данном объеме сердечника статора за счет улучшения охлаждения.

Это достигается тем, что в известном сердечнике статора электрической машины, содержащем основание, нажимные кольца с крепежными элементами для установки и закрепления щитов подшипниковых и основания с внутренним диаметром у сердечника статора D_ki, элементы скрепляющие, и n-угольные по наружному контуру листы статора, которые собраны в N элементарных пакетов, имеющих совпадающие по наружному контуру стороны, смежные элементарные пакеты повернуты друг относительно друга в тангенциальном направлении на угол a = 2πK/Z, где K 1, 2, 3. а Z число пазов для укладки обмотки, образуя зубчатый наружный контур, при этом наружные стороны каждого элементарного пакета имеют точки сопряжения с наружными сторонами смежных элементарных пакетов, точки сопряжения располагаются на концентрических окружностях с диаметрами D_i, удовлетворяющими неравенству D_min ≅ D_i ≅ D_max, где i 1, 2, 3. D_min внутренний диаметр расположения точек сопряжения, соответствующий описанной окружности многоугольника, внутри которого листы статора в аксиальном направлении располагаются без промежутков, D_max наружный диаметр точек сопряжения, соответствующий внутреннему диаметру расположения "зубцов" зубчатого наружного контура, наружный диаметр D_e которого образует угловые части листов статора, при этом наружный диаметр нажимного кольца, прилегающего к сердечнику статора, выполнен в пределах D_ke ≅ D_max, на заданном расстоянии от крайних элементарных пакетов на нажимных кольцах выполнены наружные зубцы, расположенные в зонах нахождения зубцов крайних элементарных пакетов, при этом внутренний диаметр зубчатого контура колец нажимных удовлетворяет условию D_kzi ≅ D_max, наружный D_kze ≅ D_e, а число зубцов выполнено равным n m + r, где m 2, 3, 4. число зубцов с наружным диаметром D_kzem, являющихся указанными крепежными элементами для установки и закрепления щитов подшипниковых, r 1, 2, 3. число зубцов-стоек с наружным диаметром D_kzer для установки и закрепления основания.

Также, указанные наружные диаметры зубцового контура колец нажимных могут быть выполнены равными D_kze D_kzem D_kzer.

Кроме того, крепежные элементы для установки и закрепления подшипниковых щитов могут быть расположены по диаметру D_kzem и по наружной относительно сердечника статора торцевой поверхности зубцов, а крепежные элементы для установки и закрепления основания по диаметру D_kzer и по внутренней торцевой поверхности зубцов.

На фиг. 1 представлен продольный разрез предлагаемого сердечника статора электрической машины; на фиг. 2 совмещенные вид В и разрез А-А сердечника; на фиг. 3 вид Б, пример расположения наружного зубца кольца нажимного относительно крайних элементарных пакетов сердечника.

Устройство (фиг. 1) содержит нажимные кольца 1, элементы, скрепляющие сердечник статора, выполненные в данном случае в виде плоских скоб 2. Листы статора 3 имеют Z пазов для укладки обмотки, а по наружному периметру имеют n-угольную форму. Например, на чертежах представлены листы статора 3, имеющие форму квадрата. Листы статора собраны в N элементарных пакетов 4, 5, 6, в которых наружные стороны листов статора совпадают. Сердечник статора через зубцы-стойки 7 колец нажимных 1 соединен с основанием 8.

Смежные элементарные пакеты 4, 5, 6 (фиг. 2) повернуты друг относительно друга на угол α = 2πK/Z, где K 1, 2, 3. Наружные стороны элементарных пакетов имеют точки сопряжения-соприкосновения с наружными сторонами смежных элементарных пакетов. Точки сопряжения в силу симметрии листов статора 3 и кратного 360^o поворота элементарных пакетов 4, 5, 6 друг относительно друга располагаются на концентрических окружностях с диаметрами D_min ≅ D_i ≅ D_max, где i 1, 2, 3. В данном случае D_min внутренний диаметр точек сопряжения, определяющий наружный периметр сплошного в аксиальном направлении расположения листов статора 3 по сторонам многоугольника a₁, b₁, c₁, d₁. D_min является описанной окружностью данного многоугольника (не показан). D_max наружный диаметр расположения точек сопряжения, соответствующий внутреннему диаметру "зубцов" зубчатого наружного контура сердечника статора, наружный диаметр D_e которого образует угловые части листов статора 3.

В зоне крайних (наружных) элементарных пакетов (фиг. 3), где на них оказывают давление кольца нажимные 1 за счет усилия опрессовки, внутренний D_ki и наружный D_ke диаметры колец нажимных должны удовлетворять условиям D_ki> D_ze, где D_ze наружный диаметр пазов для укладки обмотки листов статора 3 и для исключения перекрытия пазов наружного зубчатого контура сердечника статора D_ke ≅ D_max. При этом наиболее рационально выполнять указанный диаметр в пределах D_ke D_min, так как в этой зоне кончается сплошное расположение в аксиальном направлении листов статора 3.

Длина колец нажимных 1 в зоне прилегания к элементарным пакетам 4 - L_k, т. е. расстояние от зубцов 7 и 9 колец нажимных 1 определяется из условия надежного закрепления элементов скрепляющих 2. На фигуре приведен вариант фиксации скоб 2 к кольцам нажимным 1 методом сварки. Следовательно, длина сварного участка и указанная околозубцовая длина колец нажимных определяется из условия обеспечения прочности сварного шва. При выполнении элементов скрепляющих 2, например, в виде цилиндрических заклепок длина колец зажимных 1 в указанной зоне должна обеспечить размещение головок заклепок.

Кроме того, возможно выполнение сердечника статора, когда основание 8 (фиг. 1) сочленяется с зубцами-стойками 7 колец нажимных 1 по диаметру D_kzer и по их внутренней торцевой поверхности. Данное конструктивное решение имеет то преимущество, что наружная торцевая поверхность зубцов-стоек 7 остается свободной и в совокупности с наружной торцевой поверхностью зубцов 9 колец нажимных 1 образуют непрерывные стыковочную и посадочную поверхности для установки и закрепления подшипниковых щитов (не показаны), обеспечивая тем самым надежную центровку подшипниковых щитов.

Чтобы не изменять наружную геометрию сердечника статора в "свету" кольца нажимные 1 (фиг. 2) выполнены зубчатыми, при этом указанные зубцы 7 и 9 выполнены в зонах расположения зубцов наружного зубчатого контура сердечника статора и таким образом не препятствуют прохождению охлаждающего воздуха вдоль наружной поверхности сердечника. Отсюда вытекает условие выполнения внутреннего диаметра зубцов 9 и 10 колец нажимных 1 D_kzi ≅ D_max.

Наружные диаметры зубцов 7 и 9 не должны выступать за наружные диаметры зубцов сердечника статора, поэтому должно соблюдаться условие D_kze ≅ D_e.

Число m зубцов 9 (фиг. 2) колец нажимных 1 определяется необходимым количеством мест расположения крепежных элементов, например резьбовых отверстий для закрепления подшипниковых щитов, а число r зубцов-стоек 7 количеством мест сочленения с основанием 8. При этом из конструктивных соображений m ≥ 2, а r ≥ 1. Наиболее рациональные их значения m (3.4) и r 2.

Для упрощения конструкции и технологии изготовления зубцы 7 и 9 колец нажимных 1 имеют равные диаметры, т.е. D_kze D_kzm D_kzr.

Из-за того, что наружный диаметр колец нажимных в зоне прилегания к сердечнику статора не выступает за основания зубцов зубчатого наружного контура сердечника статора, образуемого элементарными пакетами, а зубцы и зубцы-стойки колец нажимных, предназначенные для установки и закрепления щитов подшипниковых и основания, выполнены в зонах расположения зубцов зубчатого наружного контура сердечника статора и сохраняют геометрию каналов для прохождения охлаждающего воздуха, улучшается эффективность охлаждения сердечника статора. Это приводит к увеличению энергетических показателей электродвигателя в данном объеме сердечника статора.

Использование: в области электротехники и касается выполнения электродвигателей общего назначения для применения, например, в приводе стиральных машин, дерево- и металлообрабатывающих станков. Сущность: cердечник статора электрической машины, содержащий основание 8, нажимные кольца 1 с крепежными элементами 7 и 9 для установки и закрепления щитов подшипниковых и основания 8 с внутренним диаметром у сердечника статора D_ki, элементы скрепляющие 2, и n-угольные по наружному контуру листы статора 3, которые собраны в элементарные пакеты 4, 5, 6, имеющие совпадающие по наружному контуру стороны. Смежные элементарные пакеты повернуты друг относительно друга в тангенциальном направлении на угол α = 2πK/Z, где K = 1, 2, 3... . Z - число пазов для укладки обмотки, образуя зубчатый наружный контур, наружные стороны каждого элементарного пакета имеют точки сопряжения с наружными сторонами смежных элементарных пакетов, точки сопряжения располагаются на концентрических окружностях с диаметрами D_i. Согласно изобретению, наружный диаметр нажимного кольца 1, прилегающего к сердечнику статора, выполнен в пределах D_ke ≅ D_max, на заданном расстоянии от крайних элементарных пакетов 4 и нажимных кольцах 1 выполнены наружные зубцы 7 и 9, расположенные в зонах нахождения зубцов крайних элементарных пакетов 4. При этом внутренний диаметр зубчатого контура колец нажимных 1 удовлетворяет условию D_kzi ≅ D_max, наружных D_kze ≅ D_e, а число зубцов выполнено равным n = m + r, где m = 2, 3, 4... - число зубцов 9 с наружным диаметром D_kzem, являющиеся указанными крепежными элементами для установки и закрепления щитов подшипниковых, r = 1, 2, 3... - число зубцов-стоек 7 с наружным диаметром D_kzer для установки и закрепления основания 8. Предлагаемое изобретение обеспечивает более высокие энергетические характеристики электродвигателя в данном объеме сердечника статора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сердечник статора электрической машины, содержащий основание, нажимные кольца с крепежными элементами для установки и закрепления щитов подшипниковых и основания с внутренним диаметром у сердечника статора D_ki, элементы скрепляющие и n-угольные по наружному контуру листы статора, которые собраны в N элементарных пакетов, имеющих совпадающие по наружному контуру стороны, смежные элементарные пакеты повернуты друг относительно друга в тангенциальном направлении на угол α = 2πK/Z, где К 1, 2, 3 Z число пазов для укладки обмотки, образуя зубчатый наружный контур, при этом наружные стороны каждого элементарного пакета имеют точки сопряжения с наружными сторонами смежных элементарных пакетов, точки сопряжения располагаются на концентрических окружностях с диаметрами D_i, удовлетворяющими неравенству D_m i n ≅ D_i ≅ D_m a x, где i 1, 2, 3 D_m i n внутренний диаметр расположения точек сопряжения, соответствующий описанной окружности многоугольника, внутри которого листы статора в аксиальном направлении располагаются без промежутков, D_m a x наружный диаметр точек сопряжения, соответствующий внутреннему диаметру расположения зубцов зубчатого наружного контура, наружный диаметр D_e которого образует угловые части листов статора, отличающийся тем, что наружный диаметр нажимного кольца, прилегающего к сердечнику статора, выполнен в пределах D_ke ≅ D_m a x, на заданном расстоянии от крайних элементарных пакетов на нажимных кольцах выполнены наружные зубцы, расположенные в зонах нахождения зубцов крайних элементарных пакетов, при этом внутренний диаметр зубчатого контура нажимных колец удовлетворяет условию D_k z i ≅ D_m a x, наружный - D_k z e ≅ D_e, а число зубцов выполнено равным n m + r, где 2, 3, 4 число зубцов с наружным диаметром D_{k z e m}, являющихся указанными крепежными элементами для установки и закрепления щитов подшипниковых; r 1, 2, 3 число зубцов-стоек с наружным диаметром D_{k z e r} для установки и закрепления основания. 2. Сердечник по п.1, отличающийся тем, что указанные наружные диаметры зубцового контура колец нажимных выполнены равными D_kze D _kzem D _kzer. 3. Сердечник по п.1, отличающийся тем, что поверхности m наружных зубцов колец нажимных для установки и закрепления подшипниковых щитов располагаются по диаметру D_kzem и по наружной относительно сердечника статора торцевой поверхности зубцов, а поверхности r зубцов-стоек для установки и закрепления основания по диаметру D_kzer и по внутренней торцевой поверхности зубцов.