ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1999 года по МПК H02K16/02 H02K19/10 H02K23/00 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам.

Повышение энергетических характеристик электрической машины в заданных габаритах при сохранении надежности работы машины возможно только с увеличением магнитного поля в воздушном зазоре, эффективного числа витков в обмотке якоря и поверхности охлаждения машины.

Известна электрическая машина (А.с. 402123, СССР, М.кл. H 02 K 19/22 от 12.10.73 г.), у которой между внешним и внутренним индукторами ротора размещена стойка, на которой закреплены пакеты статоров, в пазах которых уложены отдельные обмотки барабанного якоря. Внешний и внутренний индукторы машины размещены на общем валу.

Размещение на стойке отдельных внешнего и внутреннего статоров усложняет технологию изготовления и ухудшает массогабаритные характеристики машины. Кроме того, в машине увеличен расход активных материалов за счет большой длины лобовых частей секций барабанных обмоток якоря, увеличенного сечения ярма статоров машины, что приводит к уменьшению диаметра расточки внутреннего статора и ухудшению энергетических характеристик в целом всей машины.

Известна также электрическая машина Пачинотти - Грамма, 1860 г. (Копылов И. П. Электрические преобразователи энергии. М., "Энергия", 1973., 400 с. с ил. рис. 1-8, стр. 19), содержащая кольцевой магнитопровод, на который виток к витку наматывается секционная замкнутая обмотка якоря. Магнитное поле машины создается магнитами или электромагнитами.

Недостатком данной машины является то, что граммовская кольцевая обмотка имеет плохое использование материала обмотки, так как только часть витка обмотки, расположенная на внешней части ротора пересекает магнитные линии поля возбуждения. Это приводит к ухудшению массогабаритных и энергетических характеристик машины и не позволило найти широкое применение в промышленности.

Известна электрическая машина (А.с. 677045, СССР, М.кл² H 02 K 21/12, от 30.07.79 г. ) состоящая из внешнего и внутреннего роторов, между которыми размещена неподвижная обмотка барабанного якоря без шихтованного сердечника, причем полюса одной полярности внешнего и внутреннего роторов расположены радиально.

Недостатком электрической машины является большая величина воздушного зазора, что приводит к уменьшению индукции в воздушном зазоре, ухудшению массогабаритных и энергетических характеристик.

Известна электрическая машина (Пат. 2039428, ФРГ, Int. Cl². H 02 K 23/02, H 02 K 23/04 2.10.75 г.), взятая нами за прототип, содержащая статор, выполненный в виде кольцевого сердечника с расположенными на нем несколькими частями обмотки кольцевого якоря и установленный на стойке, а радиально к обеим его сторонам расположены радиально намагниченные внешние и внутренние полюса одной полярности, направлены на обмотки и укрепленные на внешнем и внутреннем ободе ротора.

Недостатком электрической машины является выполнение гладкого якоря с кольцевой обмоткой в виде охватывающих катушек, что увеличивает величину воздушного зазора и приводит к значительному увеличению (в 10-20 раз) намагничивающего тока, понижает КПД, коэффициент мощности и увеличивает массу обмотки якоря.

Расположение радиально к обеим сторонам якоря внешних и внутренних полюсов одной полярности привело к увеличению суммарной индукции в ярме якоря за счет арифметического сложения их магнитной индукции, увеличению высоты спинки якоря h_a, уменьшению внутреннего диаметра расточки якоря и соответственно мощности машины, ухудшению массогабаритных и энергетических характеристик.

Техническая задача изобретения - создание электрической машины с лучшими массогабаритными характеристиками за счет выполнения комбинированной кольцево-барабанной обмотки якоря.

Поставленная задача решается следующим образом.

Предложена электрическая машина, содержащая шихтованный статор, скрепленный шпильками и шайбами и выполненный в виде кольцевого сердечника с зубцами на внешней и внутренней поверхности, несущий распределенную кольцевую секционную обмотку якоря и размещенный на стойке, кроме того статор расположен между однополярными полюсами внешнего и внутреннего индукторов, установленных на внешнем и внутреннем ободах ротора, внутренний индуктор смещен относительно внешнего индуктора и нижняя сторона каждой секции обмотки якоря смещена относительно верхней стороны этой же секции на угол 0,01...90 электрических градусов в одном направлении. Шихтованный пакет статора скрепляется при помощи шпилек и нажимных шайб, с одной стороны пакета статора все шпильки с полюсным шагом присоединены к общей нажимной шайбе, с другой стороны пакета статора нечетные шпильки подсоединены к одной нажимной шайбе с двухполюсным шагом, а четные шпильки присоединены к другой нажимной шайбе с двухполюсным шагом, между шайбами установлен изоляционный материал, а общая шайба размещена на стойке.

Сущность технического решения поясняется следующим.

Расположение полюсов внутреннего индуктора под однополярными полюсами внешнего индуктора и смещение их относительно радиальной оси на угол α_u = 0,01. . . 90 электрических градусов позволяет при синусоидальных магнитных индукциях в спинке якоря внешнего индуктора B_a1 и внутреннего индуктора B_a2 уменьшить суммарных магнитную индукцию спинке якоря до величины

а вмещение внутренних пазов якоря относительно внешних пазов увеличивает дополнительно высоту спинки якоря, что позволяет уменьшить сечение спинки якоря и увеличить диаметр внутреннего индуктора, соответственно, уменьшить его магнитное сопротивление, уменьшить мощность возбуждения, увеличить выходную мощность и КПД машины.

Особенностью электрической машины является наличие дополнительного магнитного контура для потока Ф₃, уменьшающий сопротивление магнитной цепи между внешним и внутренним индукторами. Протекающий по дополнительному магнитному контуру дополнительный магнитный поток создает дополнительную ЭДС в секциях обмотки якоря и улучшает энергетические характеристики машины.

Выполнение смещения внутреннего индуктора относительно внешнего индуктора и нижней стороны каждой секции обмотки якоря относительно верхней стороны этой же секции на угол 0,01 - 90 электрических градусов в одном направлении позволило получить максимальную величину суммарной ЭДС секций, равной арифметическому сложению значений ЭДС верхней и нижней сторон секций, так как они совпадают по фазе. Это позволило в предлагаемой электрической машине получить увеличение предельной мощности с высокими энергетическими характеристиками.

Предложенная конструкция крепления шихтованного статора позволила исключить индуктирование ЭДС и протекание тока в стяжных шпильках, что повысило надежность, электромеханические и энергетические характеристики.

Наличие внешней и внутренней расточки статора и внешнего и внутреннего индуктора увеличило поверхность охлаждения в 1,6 раза, что позволило сохранить систему охлаждения воздухом.

На фиг. 1 представлена электрическая машина с кольцевым якорем с внутренним индуктором, смещенным относительно внешнего индуктора и нижней стороны секции обмотки якоря, смещенной относительно верхней стороны этой же секции на угол 90 электрических градусов в одном направлении, поперечный разрез; на фиг. 2 представлена конструктивная схема электрической машины с креплением кольцевого якоря на стойке, а внешнего и внутреннего индукторов на общем валу; на фиг. 3 представлена конструктивная схема крепления шихтованного пакета статора в сечении А - А на фиг. 1.

На фиг. 1 показана схема электрической машины для числа полюсов 2P = 2 в развернутом виде в режиме генератора. Статор 1 состоит из шихтованного пакета изолированных листов электротехнической стали с выштампованными пазами на внешней и внутренней части якоря, между которыми выполнено общее для них ярмо h_a. В пазах уложена обмотка 2 якоря, состоящая из верхних сторон 3 - 8 секций и нижних сторон 3' - 8' секций, которые разделены на 120 градусные фазные зоны - AX, BY, CZ. В фазную зону AX входят стороны секции 4, 4' и 7, 7', в зону BY - 6, 6' и 3, 3', в зону CZ - 8, 8' и 5, 5'.

Обмотка якоря 2 соединена по схеме "Звезда", в которой A, B, C являются выходными клеммами генератора, а X, Y, Z образуют общую нулевую клемму. Нижние стороны 3' - 8' обмотки якоря смещены относительно верхних сторон 3 - 8 этих же секций на угол α_c = 0,01...90 электрических градусов в одном направлении.

Статор 1 установлен на стойке 9 посредством нажимных шайб 10, 11, 12 и шпилек 13, 14 соединенных между собой сварным швом 15, фиг. 1, 2, 3.

Для устранения наведения от магнитных полей Ф1, Ф2, Ф3 в контурах крепления все шпильки нечетные и четные 13, 14, фиг. 3, с одной стороны пакета статора 1 с шагом τ присоединены к общей нажимной шайбе 10, а с другой стороны пакета статора 1 нечетные шпильки 13 подсоединены к нажимной шайбе 11 с шагом 2 τ, а четные шпильки 14 присоединены к нажимной шайбе 12 с шагом 2τ. Между нажимными шайбами 11 и 12 установлен изоляционный материал 16, например оксидная пленка с большим активным электрическим сопротивлением.

Машина содержит внешний индуктор 17 с разнополюсными полюсами N 1 и 51 и обмотками возбуждения 18, 19, создающими магнитное поле Ф1, оси которых 20, 21 расположены на расстоянии полюсного деления τ1.
Машина также содержит внутренний индуктор 22 с разнополярными полюсами N2 и S2 и обмотками возбуждения 23, 24 создающими магнитное поле Ф2, оси которых 25, 26 расположены на расстоянии полюсного деления τ2.
Внешний и внутренний индуктор 17, 22 с разнополярными полюсами N₁, S₁, N₂, S₂ посредством внешнего обода 27, внутреннего 28 и остова ротора 29 соединены жестко с валом 30.

Однополярные полюса внешнего 17 и внутреннего 22 индукторов расположены напротив друг друга. Внутренний индуктор 22 смещен относительно внешнего индуктора 17 на угол α_u = 0,01...90 электрических градусов в направлении смещения нижней стороны секции обмотки якоря относительно верхней стороны секции.

Смещение однополярных полюсов N₁ и N₂ внешнего и внутреннего индуктора на угол α_u = 0,01...90 электрических градусов позволяет получить суммарную магнитную индукцию в ярме якоря по формуле

где B_a1 - магнитная индукция в ярме якоря от магнитного поля внешнего индуктора, T_л;
где B_a2 - магнитная индукция в ярме якоря от магнитного поля внешнего индуктора, T_л;
По величине индукции в ярме B_a определяется общая высота ярма h_a якоря.

Расположение полюсов N₂, S₂ внутреннего индуктора 22 под однополярными N₁, S₁ внешнего индуктора 17 приводит к тому, что все однополярные полюса работают параллельно. Это соответствует сложению магнитных потоков внешнего Ф1 и внутреннего Ф2 индукторов, т.е. увеличению площади воздушного зазора в 2 раза и увеличению электромагнитной мощности.

Смещение однополярных полюсов N₁, N₂; S₁, S₂, соответственно, внешнего индуктора 17 и внутреннего индуктора 22 образует дополнительный магнитный контур, фиг. 2, по которому проходит дополнительный магнитный поток Ф3, индуктирующий в секциях обмотки якоря 2 дополнительную ЭДС.

При смещении сторон секций 3', 8' обмотки якоря относительно сторон секциЙ 3, 8 на угол α_c = 0,01...90 электрических градусов позволило преобразовать кольцевую обмотку якоря в кольцево - барабанную обмотку. Данная обмотка может быть выполнена однослойной с увеличением числа витков в два раза больше, чем обмотка якоря барабанного якоря с тем же сечением обмоточного провода и позволяет увеличить выходное напряжение и выходную мощность электрической машины.

Между внешним индуктором 17 и внешний стороной статора 1 выполнен воздушный зазор δ₁, а между внутренним индуктором 22 и внутренней стороной статора 1 выполнен воздушный зазор δ₂, каждый из которых определяется статической перегружаемостью гидрогенератора S = (М_м/М_н) = 1,7, где М_м - максимальный вращающий момент машины, М_н - напоминальный вращающий момент машины.

Принцип действия электрической машины в режиме генератора заключается в следующем.

При вращении вала 30 в направлении стрелки с частотой вращения n и при возбуждении в полюсах N₁, S₁ внешнего индуктора 17 и в полюсах N₂, S₂ внутреннего индуктора 22 магнитных потоков, соответственно, Ф1 и Ф2, в сторонах секций 4, 4', 7,7', 6,6', 3,3' и 8,8', 5,5', составляющих фазы AX, BY и CZ, индуктируются периодически изменяющиеся ЭДС, показанные на чертеже точкой и крестиком, сдвинутые в пространстве на 120 электрических градусов.

Листы железа статора 1 для повышения прочности и жесткости соединяются между собой теплостойким клеем BC-10 Т ГОСТ 22345-77 применяемого в авиационных генераторах с пределом прочности сдвигу по клеевому соединению стали 30 ХГСА не менее
при 20^oC - 181 • 10⁵ ПА (185 • 10⁴ КГС/м ²);
200^oC - 73 • 10⁵ ПА (75 • 10⁴ КГС/м²);
300^oC - 44 • 10⁵ ПА (75 • 10⁴ КГС/м²).

Прочность и жесткость предлагаемой конструкции статора 1 увеличивается за счет встречно приложенных усилий к статору от внешнего и снутреннего индукторов, поэтому результирующая составляющая на единицу площади сердечника равна (1,3 - 1,45) • 10⁴ КГС/м² вместо 2,72 • 10⁴ КГС/м² в машине с одним индуктором. Это позволяет крепить пакет статора 1 меньшим количеством шпилек, что упрощает технологию изготовления машины.

Уменьшение сечения ярма якоря в 1,41 раза за счет смещения сторон секций обмотки якоря и однополярных полюсов внешнего и внутреннего индукторов на угол 90 электрических градусов и уменьшения суммарной магнитной индукции позволило дополнительно увеличить преобразование мощности с участием внутреннего индуктора на 33% за счет увеличения диаметра расточки якоря на 17%, прилегающего к внутреннему индуктору, что улучшило массогабаритные показатели электрической машины.

Выполнение комбинированной кольцево-барабанной обмотки якоря позволило получить максимальную величину суммарной ЭДС секций при уменьшении длины лобовых частей обмотки в 2 раза позволило получить увеличение предельной мощности машины с высокими энергетическими характеристиками. Кроме того, упрощена технология изготовления электрической машины за счет простоты конструкции крепления шихтованного статора, исключающей индуктирование ЭДС и протекание тока в стяжных шпильках, что повысило надежность и электромеханические характеристики.

Таким образом предлагаемая электрическая машина имеет лучшие энергетические характеристики за счет применения новой конструкции комбинированной кольцево-барабанной обмотки якоря, позволяющей уменьшить высоту ярма статора и увеличить преобразование мощности в 1,56 раза улучшая массогабаритные характеристики электрических машин малой, средней, большой и предельной мощности, что позволит увеличить установленную мощность уже действующих ГЭС.

Изобретение относится к электротехнику а именно к электрическим машинам. Электрическая машина содержит шихтованный статор, скрепленный шпильками и шайбами и выполненный в виде кольцевого сердечника с зубцами на внешней и внутренней поверхности, несущий распределенную кольцевую секционную обмотку между однополярными полюсами внешнего и внутреннего индукторов, установленных на внешнем и внутреннем ободах ротора, внутренний индуктор смещен относительно внешнего индуктора и нижняя сторона каждой секции обмотки якоря смещена относительно верхней стороны этой же секции на угол 0,01-90 эл. град. в одном направлении. Технический результат, достигаемый от использования данного изобретения, состоит в увеличении мощности в 1,56 раза при одновременном улучшении массогабаритных характеристик электрических машин такого типа любой мощности. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Электрическая машина, содержащая шихтованный статор, скрепленный шпильками и шайбами и выполненный в виде кольцевого сердечника с зубцами на внешней и внутренней поверхности, несущий распределенную кольцевую секционную обмотку якоря и размещенный на стойке, кроме того, статор выполнен между однополярными полюсами внешнего и внутреннего индукторов, установленных на внешнем и внутреннем ободах ротора, отличающаяся тем, что внутренний индуктор смещен относительно внешнего индуктора и нижняя сторона каждой секции обмотки якоря смещена относительно верхней стороны этой же секции на угол 0,01 - 90 эл. град. в одном направлении. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что шихтованный пакет статора скрепляется при помощи шпилек и нажимных шайб, с одной стороны пакета статора все шпильки с полюсным шагом присоединены к общей нажимной шайбе, с другой стороны пакета статора нечетные шпильки подсоединены к одной нажимной шайбе с двухполюсным шагом, а четные шпильки присоединены к другой нажимной шайбе с двухполюсным шагом, между шайбами установлен изоляционный материал, а общая шайба размещена на стойке.