МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1999 года по МПК H02K23/22 H02K23/24 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции неявнополюсных машин постоянного тока.

Известна электрическая машина постоянного тока [1], статор которой содержит шихтованный сердечник с несколькими распределенными обмотками и неявновыраженными полюсами, ориентированными по продольной оси d, внешняя поверхность которого в поперечном сечении выполнена в форме многоугольника с числом сторон, равным числу полюсов, а оси главных полюсов пересекают середины сторон многоугольника. Такая конструкция позволяет снизить габариты машины и уменьшить отходы стали за счет более рационального раскроя стали до 10%. Это становится возможным за счет того, что магнитный поток неподвижен относительно статора и распределен.

Однако в рабочем режиме усечение сердечника статора в большей степени сказывается на поле, создаваемом компенсационной обмоткой, чем на поле реакции якоря. Поэтому в такой конструкции под действием реакции якоря магнитное поле в воздушном зазоре искажается. На статоре наматываются в одних и тех же пазах и компенсационная обмотка и обмотка возбуждения, в некоторых пазах токи обмоток направлены встречно, что снижает эффективность работы.

Известна конструкция двигателя постоянного тока [2], взятого в качестве прототипа, в которой компенсационная обмотка распределена в пазах сердечника статора несимметрично относительно осей машины и расположена между продольной d и поперечной g осями. Компенсационная обмотка включена последовательно с обмоткой якоря. Направление тока в компенсационной обмотке задается противоположным направлению тока в обмотке якоря в близлежащих пазах. Вектор намагничивающей силы компенсационной обмотки не совпадает с продольной или поперечной осями машины, как и с вектором намагничивающей силы обмотки якоря. При этом составляющая намагничивающей силы компенсационной обмотки по поперечной оси компенсирует намагничивающую силу обмотки якоря, а составляющая по продольной оси создает основной магнитный поток. То есть, на сердечнике статора наматывается только одна распределенная, и как бы комбинированная компенсационная обмотка, которая выполняет функции чисто компенсационной и последовательной обмоток возбуждения. Удается получить экономию обмоточного провода по меди до 20%.

Однако в такой конструкции применяется обмотка возбуждения дополнительных полюсов, рассчитанная на полный поток дополнительных полюсов. Конструкция сердечника статора не учитывает неподвижность и распределенность магнитного поля. Одновременно пазы сердечника статора на половине полюсного давления оказываются не заполненными. Используется только 50% пазов. Для примера, однофазная обмотка возбуждения роторов неявнополюсных синхронных машин занимает 67-75% пазов, но может быть и больше, так как эта величина оптимальна по гармоническому составу МДС в синхронных машинах.

Технический результат изобретения заключается в том, чтобы оставить все положительные черты аналога и прототипа, а именно: снижение габаритов машины, уменьшение отходов электротехнической стали, сокращение расхода меди, за счет объединения компенсационной обмотки и последовательной обмотки возбуждения, улучшение коммутации; но и получить эффект, превосходящий суммарный от объединения этих черт, за счет дополнительного сокращения расхода меди в обмотке дополнительных полюсов, большего снижения габаритов и уменьшения отходов стали из-за возможно более глубокого усечения сердечника статора.

Эта цель достигается тем, что сердечник статора усекается по образующей парами параллельных плоскостей равных числу полюсов таким образом, что образованные грани составляют угол с осью компенсационной обмотки равный 75-90 эл. град.

Эта конструкция отличается от прототипа тем, что в нем не применялись усечения сердечника статора, причем со смещением граней с перпендикулярного положения по отношению к оси обмотки. Такая конструкция ранее не использовалась и поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показано поперечное сечение машины предлагаемой конструкции. Машина содержит сердечник статора 1, в пазы которого уложена компенсационная обмотка 2 и обмотка дополнительных полюсов 3. Часть пазов статора по оси компенсационной обмотки может не вырубаться. Показан якорь 4, в пазы которого уложена обмотка якоря 5. Сердечник статора усекается гранями 6, число которых равно числу полюсов и которые составляют угол с осью компенсационной обмотки, соответствующей направлению вектора F_sk, угол равный 75-90 эл. град.

Данное техническое решение позволяет производить усечение до меньшего радиуса, по сравнению с аналогом, в случае незаполненности некоторой части пазов статора по оси компенсационной обмотки, над которыми это усечение и выполняется. Или, если обмотка заполняет до 100% пазов статора, то она может быть размещена в статоре с меньшим наружным диаметром. Такая конструкция позволяет переходить на более низкие высоты осей вращения при той же мощности по сравнению с аналогами.

Угол α сдвига оси компенсационной обмотки с оси d должен определяться соотношением векторов намагничивающих сил обмотки якоря F_ag и обмотки возбуждения статора F_d, создающей основной магнитный поток

Угол α составляет обычно 30-60 эл.град. При этом величина МДС компенсационной обмотки
.

В результате смещения граней с перпендикулярного положения по отношению к оси компенсационной обмотки происходит нарушение магнитной симметрии сердечника статора. Это приводит к тому, что ось магнитного потока смещается на некоторый угол ϕ в сторону смещения грани. Часть потока перераспределяется в зону коммутации. Направление смещения должно быть противоположно направлению смещения оси главного полюса под действием поперечной реакции якоря в традиционных машинах, так как при этом перераспределение основного потока в область дополнительных полюсов способствует улучшению коммутации.

Смещение грани с перпендикулярного положения по отношению к оси обмотки аналогично эффекту улучшения коммутации при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. Поэтому угол смещения грани сердечника статора ϕ аналогичен углу сдвига щеток с геометрической нейтрали и составляет 0-15 эл.град. Это соответствует углу между гранью и осью компенсационной обмотки в 75-90 эл. град. Однако, если при сдвиге щеток зона коммутации смещается в геометрической нейтрали и выходит из зоны действия дополнительных полюсов, которые перестают выполнять свои функции, то при смещении грани зона коммутации остается в зоне действия дополнительных полюсов. В то же время отказ от применения дополнительных полюсов не рационален, так как они позволяют обеспечивать наилучшую коммутацию и регулировать свое воздействие. Поэтому удается уменьшить число витков и расход меди в обмотке дополнительных полюсов.

Применение сердечников статоров предлагаемой конструкции позволяет использовать штампы машин с круглыми статорами при подаче в пресса рулонной стали меньшей ширины. Листы статора после штамповки могут принимать сразу форму заявляемой конструкции. При этом повышается технологичность изготовления, за счет использования уже существующих штампов и появляется экономия рулонной стали, за счет снижения ширины рулона.

Так для изготовления листов сердечников статора машины с высотой оси вращения 100 мм возможна подача в те же штампы рулонной стали, предназначенной для рубки листов статора машины с высотой оси вращения 90 мм. То есть замена стали шириной 168 мм (наружний диаметр статора для h = 100) на сталь шириной 149 мм (наружний диаметр статора для h = 90 мм). Экономия стали составляет 11,3%. При этом форма статора принимает предлагаемый вид. Расчет методом конечных элементов показал, что основной магнитный поток изменился на 0,3%, что входит в разброс магнитных характеристик сталей, технологических допусков и погрешности расчета.

Так как для двухполюстных статорах выполняется предельное распределение обмоток, а следовательно и наибольшая распределенность магнитного поля, (Z/2p - наибольшее), высота спинки статора самая большая, поэтому выигрыш для двухполюсных машин будет максимальным.

Таким образом в данном техническом решении получен эффект, известный ранее, но который невозможно осуществить известными ранее методами и который выше суммы эффектов применяемых ранее решений. Это позволяет говорить о "существенных отличиях" в данном решении. Этот эффект приводит к дополнительной экономии меди в обмотке дополнительных полюсов, улучшению коммутации, большему снижению высоты оси вращения, экономии расхода рулонной стали и повышению технологичности изготовления, что говорит о "полезности" данного решения.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям неявнополюсных электрических машин постоянного тока. Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в снижении габаритов машины, уменьшении отходов электротехнической стали, сокращении количества меди в ее конструкции путем объединения компенсационной обмотки и последовательной обмотки возбуждения. Изобретение обеспечивает также улучшение коммутации. Достигается данный технический результат за счет того, что сердечник статора выполнен усеченным по образующей парами параллельных плоскостей, равных числу полюсов, таким образом, что образованные грани составляют угол с осью компенсационной обмотки, равный 75 - 90 эл. град. 1 ил.

Машина постоянного тока, содержащая статор из шихтованного сердечника с неявновыраженными полюсами, в пазах которого уложена компенсационная обмотка, расположенная между продольной и поперечной осями машины и соединенная последовательно с обмоткой якоря, отличающаяся тем, что сердечник статора усечен по образующей парами параллельных плоскостей, равных числу полюсов, так, что образованные грани составляют угол с осью компенсационной обмотки, равный 75-90 эл.град.