БЕСПАЗОВЫЙ СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 1998 года по МПК H02K1/12 H02K1/06 H02K15/08 H02K3/04 

Изобретение относится к электротехнике, касается электрических машин и может быть использовано в машинах переменного тока различного назначения, например, судовых гребных электродвигателях, гидрогенераторах, двигателях приводов крупных водяных насосов и т.п., особенно размещаемых в ограниченных габаритах (в частности, в подводных капсулах).

Беспазовое исполнение статора позволяет упростить технологию изготовления и укладки на него катушек обмотки.

Известен ряд конструкций беспазовых статоров ( авт. свид. СССР N 917262, N 394893, N 824372, N 278836).

Недостатком известных устройств является большая относительная длина (по отношению к активной длине статора) лобовых частей катушек обмотки, приводящая к увеличению габаритов статора, и сложность формы катушек - с отгибом лобовых частей, затрудняющая их намотку.

Сложность формы обусловлена необходимостью пространственного пересечения катушек различных фаз при укладке их в один слой со взаимным сдвигом.

Как следует из описаний устройств-аналогов, они ориентированы на применение преимущественно однослойных трехфазных концентрических обмоток с отгибом лобовых частей катушек в двух или трех плоскостях.

Длина лобовых частей двухплоскостных концентрических обмоток составляет 2,4-2,6 τ, где τ - величина полюсного деления (см. М.П. Костенко и Л.М. Пиотровский. Электрические машины. Т. 2., Госэнергоиздат, М.-Л., 1958, с. 69).

При отгибе в трех плоскостях длина лобовых частей может быть уменьшена до 1,8τ (см. Электротехнический справочник. Т. 2. Энергоатомиздат, М., 1986, с. 265) однако конструкция и технология изготовления обмоток при этом усложняются (авт. свид. СССР N 917262).

Наиболее близким по техническим признакам к заявляемому устройству является беспазовый статор по авт. свид. N 278836, принятый в качестве прототипа.

В указанном беспазовом статоре активные стороны катушек обмотки выполнены в виде пакетов, набранных из чередующихся между собой токопроводящих элементов (проводников обмотки) и листовых ферромагнитных элементов. Пакеты закреплены на ярме статора в один слой.

Конструкция и технология изготовления обмоток у данного статора несколько проще, чем у других аналогов, однако ему также свойственны сложность формы и большая длина лобовых частей катушек, а, следовательно, и габариты статора в целом.

Заявляемое изобретение направлено на устранение отмеченных недостатков, а именно: уменьшение габаритов статора за счет сокращения длины лобовых частей катушек обмотки (их вылета), и упрощение технологии изготовления.

Для достижения указанного технического результата в известном беспазовом статоре переменного тока, содержащем ярмо и закрепленные на нем катушки обмотки, активные стороны которых выполнены в виде пакетов, набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и листовых ферромагнитных элементов, катушки уложены друг на друга в m слоев и послойно электрически соединены в m однофазных концентрических обмоток, каждая из которых подключена к соответствующей фазе питающего статор m-фазного тока. При этом слои обмоток, подключенные к соседним по порядку следования фазам, сдвинуты между собой на угол 360/pm градусов.

На незаполненных пакетами участках обмоточных слоев (при ширине пакетов меньше половины полюсного деления) размещены магнитопроводящие вставки, состоящие из шихтованных ферромагнитных элементов и немагнитных прокладок (промежутков), располагаемых поочередно в тангенциальном направлении.

Размещение катушек m-фазной обмотки беззубцового статора в m уложенных друг на друга слоях позволяет выполнить для каждой фазы отдельную однофазную обмотку, укладываемую в одном обмоточном слое. Концентрические катушки такой обмотки наматываются без отгиба лобовых частей, а пространственный шаг катушек меньше величины полюсного деления. Вследствие этого катушки имеют минимальную длину лобовых частей и величину их вылета.

Ширина активной части катушки-пакета может быть различной - до 0,5τ , однако, по опыту электромашиностроения, у идентичных в электромагнитном плане обмоток возбуждения неявнополюсных синхронных турбогенераторов оптимальное отношение обмотанной части ко всему полюсному делению находится в диапазоне γ = 0,66-0,8 (ширина пакета 0,33-0,4τ), а необмотанная часть полюса ("большой зубец") занимает, соответственно, 0,34- 0,2τ (см. Электротехнический справочник Т. 2., с. 255, М.П. Костенко и Л.М. Пиотровский. Электрические машины. Т. 2., с. 170-171).

Средняя длина лобовой части такой обмотки составляет l_s2=1,35D₂/p= 0,86τ, где D₂ - диаметр ротора (см. Г.М. Хуторецкий и др. Проектирование турбогенераторов. Энергоатомиздат, Л. , 1982, с. 125), что в 2-3 раза меньше приведенных выше значений лобовых частей однослойных концентрических обмоток (трехфазных) традиционных типов, которые используются в устройстве-прототипе.

При типичном для средних и крупных электрических машин значении соотношения активной длины статора 1_δ и величины полюсного деления в диапазоне λ = 1_δ/τ = 1,5 - 2,8 (см. Электротехнический справочник. Т. 2., с. 278, 308, 309) длина витка обмотки сокращается на 30-35%, а вылет лобовой части - в 3-4 раза.

Каждая однофазная обмотка подключается к питающему току в соответствии с порядком следования фаз и расположением обмоток на поверхности статора. Как известно, для получения эффекта бегущего поля обмотки фаз m-фазной системы, подключаемые к соседним по порядку следования фазам тока, должны располагаться с угловым (пространственным) сдвигом в 360/pm градусов. Это достигается путем соответствующего пространственного сдвига между катушками слоев при их укладке.

При ширине пакетов катушки меньше 0,5 τ между ними остается незаполненная часть полюсного деления, для обеспечения необходимой магнитной проводимости которой, а также магнитной симметрии статора в целом, на этих участках размещаются магнитопроводящие вставки, состоящие из шихтованных (в продольном или поперечном направлении) ферромагнитных элементов и немагнитных прокладок (промежутков), располагаемых поочередно в тангенциальном направлении. Соотношение ширины ферромагнитных элементов и прокладок (промежутков) может быть различным для конкретных машин, в частности, прокладки могут полностью отсутствовать.

Данное техническое решение может быть применено в круговых статорах электрических машин цилиндрического и торцевого типа, а также плоских статорах линейных машин (с соответствующим пересчетом пространственного сдвига слоев обмоток из угловых градусов в электрические или в линейные величины).

Предлагаемая конструкция статора имеет по сравнению с прототипом следующие отличительные признаки:
1. Выполнение m-фазной обмотки статора в виде m однофазных концентрических обмоток, уложенных друг на друга в m слоев со сдвигом между слоями на угол 360/pm градусов.

2. Заполнение при ширине пакетов меньше половины полюсного деления участков обмоточных слоев между пакетами одной катушки магнитопроводящими вставками, включающими в себя шихтованные ферромагнитные элементы и немагнитные прокладки или промежутки.

Эти признаки в совокупности и только при их совместном введении в предложенное техническое решение позволяют решить задачу - упростить технологию изготовления обмоток беспазовых статоров и сократить длину их лобовых частей.

На фиг. 1 приведена схема расположения катушек трехслойной обмотки беззубцового цилиндрического статора - вид с торца; на фиг. 2 - схематический продольный разрез cтатора с такой обмоткой; на фиг. 3 - схема однофазной концентрической обмотки одного слоя; на фиг. 4 - схематический разрез магнитопроводящей вставки с немагнитными прокладками.

В статоре с трехфазной обмоткой (m=3) на электрически изолированной поверхности сердечника (ярма) 1 закреплены (наклеены) три слоя обмоток 2. Слои разделены электрической изоляцией 3. Оси катушек соседних слоев сдвинуты по отношению друг к другу на угол 120/p градусов и образуют в целом симметричную трехфазную систему.

Катушки состоят из активных сторон (пакетов) 4 и лобовых 5. Внутри катушек размещены магнитопроводящие вставки 6.

Активная сторона (пакет) каждой катушки 4 имеет ширину порядка 1/3τ, такую же ширину имеют магнитопроводящие вставки.

Витки обмоток 7 соединены в катушках по схеме распределенных однофазных концентрических обмоток (схема изображена для одной пары полюсов). Каждая обмотка подключена к соответствующей фазе трехфазного тока, питающего статор.

Между проводниками внутри катушек расположены листовые ферромагнитные элементы 8. Витки обмотки и ферромагнитные элементы разделены витковой изоляцией (на рисунке не показана).

Магнитопроводящие вставки 6 с немагнитными промежутками выполняются в виде склеенных в единые блоки чередующихся пакетов шихтованного в продольном направлении железа 8 и немагнитных прокладок 9, располагаемых поочередно в тангенциальном направлении.

Сборка обмоток цилиндрического статора осуществляется на вспомогательном приспособлении - цилиндре, наружный диаметр которого соответствует требуемому диаметру расточки статора. Цилиндр изготовлен из материала (или имеет соответствующее покрытие), не обладающего адгезией к эпоксидным компаундам. Слои обмотки и изоляция укладываются на поверхности этого цилиндра, причем межслойная изоляция наматывается в виде бандажей на слои катушечных пакетов. Пакеты и магнитопроводящие вставки могут быть предварительно склеены и укладываться в виде блоков. После укладки всех слоев обмотки и изоляции цилиндр вставляется в кольцо ярма и механически с ним скрепляется. Сборка подвергается совместной вакуумной пропитке эпоксидным компаундом и запечке, после чего вспомогательный цилиндр удаляется.

Статор работает следующим образом. При подаче на его обмотки трехфазного переменного тока каждая из однофазных обмоток, подключенная к одной фазе, создает в своем слое пульсирующее магнитное поле, напряженность которого распределена по образующей цилиндра (в тангенциальном направлении) по закону, близкому к синусоидальному.

Сложение магнитных полей обмоток всех слоев создает суммарное магнитное поле, основная гармоническая составляющая которого движется по окружности статора в требуемом направлении.

Выполненные проектно-исследовательские проработки ряда синхронных гребных электродвигателей подтвердили, что за счет использования предлагаемого технического решения возможно уменьшение на 20-25% общей длины статора при сохранении КПД машины. Технология изготовления катушек значительно упрощается, особенно у машин торцевого и линейного типов (все катушки плоские и одинаковых размеров).

Изобретение относится к электротехнике, касается выполнения электрических машин переменного тока и может быть использовано в гребных электродвигателях, двигателях приводов водяных насосов, гидрогенераторах и тому подобных устройствах, особенно размещенных в ограниченных габаритах, например в подводных капсулах. Изобретение направлено на уменьшение габаритов беспазовых статоров электрических машин и упрощение технологии их изготовления. Для достижения указанного технического результата в известном беспазовом статоре переменного тока, содержащем ярмо и закрепленные на нем катушки обмотки, активные стороны которых выполнены в виде пакетов, набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и листовых ферромагнитных элементов, катушки уложены в m слоев и послойно электрически соединены в однофазные концентрические обмотки, каждая из которых подключена к соответствующей фазе питающего статор m-фазного тока. Слои обмоток, подключенные к соседним по порядку следования фазам, сдвинуты между собой на угол 360/pm градусов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Беспазовый статор электрической машины переменного тока, содержащий ярмо и закрепленные на нем катушки обмотки, активные стороны которых выполнены в виде пакетов, набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и листовых ферромагнитных элементов, отличающийся тем, что катушки уложены друг на друга в m-слоев и послойно электрически соединены в m однофазных концентрических обмоток, каждая из которых подключена к соответствующей фазе питающего статор m-фазного тока, причем слои обмоток, подключенные к соседним по порядку следования фазам, сдвинуты между собой на угол 360/pm градусов, где m - число фаз, p - число пар полюсов обмотки. 2. Статор по п. 1, отличающийся тем, что при ширине пакетов меньше половины полюсного деления, участки обмоточных слоев между пакетами одной катушки заполнены магнитопроводящими вставками, включающими в себя шихтованные ферромагнитные элементы и немагнитные прокладки или промежутки.