ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2000 года по МПК H02K1/06 H02K5/04 H02K5/20 H02K17/02 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам с вращающимся ротором, и может быть использовано в электротехнической промышленности при изготовлении двигателей, генераторов, электромашинных преобразователей частоты и механизмах как промышленного, так и бытового назначения.

Известны электрические машины, сердечник статора которых имеет цилиндрическую форму [1]. Вдоль образующих цилиндров параллельно оси сердечников или под некоторым углом к ней располагаются пазы для размещения обмотки. Для уменьшения потерь в стали сердечник статора и ротора выполнен шихтованным. Поскольку потери в стали машин переменного тока, в частности, пропорциональны кубу линейных размеров при постоянной индукции магнитного поля, а поверхность охлаждения - квадрату линейных размеров, поэтому в машинах относительно небольшой мощности потери отводятся с внутренней (продуваемые машины) или с наружной поверхности сердечника (обдуваемые машины) за счет вентилирующего действия вращающихся частей и конвекции, а в машинах с самовентиляцией - при помощи вентилятора. В продуваемых машинах воздух омывает активные части и выбрасывается наружу. Улучшить охлаждение продуваемых машин без принципиальных конструктивных изменений лопаток вентилятора невозможно. В обдуваемых машинах для снижения перепадов температуры между стенками корпуса и внутренним или наружным воздухом увеличена поверхность корпуса и скорость воздуха, ее омывающего. Поэтому такие машины выполнены с оребренным корпусом и с вентилятором наружного обдува.

Известны также асинхронные двигатели (АД), которые содержат шихтованный сердечник статора с обмоткой, корпус, щиты с подшипниковыми узлами, ротор с валом, вентилятор наружного обдува и кожух [2]. Причем корпус таких АД выполнен литым из алюминиевых сплавов, либо при сочетании литой алюминиевой станицы и чугунных щитов. В АД (высота оси вращения, как правило, 100 мм и выше) корпуса целиком изготавливают из чугуна (литой) или из стали (сварной) в основном из соображений жесткости конструкции машины. Массогабаритные показатели таких АД из-за наличия этой детали сильно возрастают.

Недостатком указанных машин является высокая материалоемкость и то, что в них осуществляется принудительное охлаждение только наружной поверхности корпуса.

Известна конструкция АД, в основе которой нашел применение составной малоотходный шихтованный сердечник с прямоугольными листами и гофрированными накладками [3]. Статор скреплен сварными швами и запрессован в круглую станину. Недостатком такого АД является наличие значительных тепловых потерь в стали из-за увеличения линейных размеров и, как следствие, невозможность дальнейшей интенсификации охлаждения данной электрической машины.

Известна также конструкция статора малоотходного магнитопровода с сердечником из прямоугольных листов [3], в которых предусмотрены выемки для крепления секторов. Листы сердечника и секторы скреплены двумя алюминиевыми кольцами, которые прижаты к торцам магнитопровода и своими выступами входят в выемки секторов. Кольца связаны между собой и магнитопроводом продольными стяжками. Кольца плотно прижаты к внутренней поверхности станины и через изоляционные прокладки - к лобовым частям обмотки статора.

Такая конструкция статора обладает увеличенной механической прочностью составного магнитопровода, однако из-за микрозазоров между листами из электротехнической стали и сегментами обуславливает снижение магнитных свойств сердечника. Кроме того, недостатком данной машины является невозможность дальнейшей интенсификации ее охлаждения.

Другая разновидность конструкции статора содержит прямоугольной формы сердечник статора со скругленными краями. Снаружи сердечник охвачен цилиндром, выполненным из навитой на ребро ленты, на которой сегменты чередуются с перемычками [3] . Собранный магнитопровод выполнен в станине, изготовленной литой из алюминиевых сплавов в форме для отливки оребренного корпуса.

Известен также АД с шестигранной формой шихтованного сердечника статора и разъемным корпусом. Корпус выполнен из двух половин, скрепленных болтами. Между корпусом и магнитопроводом размещена прокладка из алюминия, обеспечивающая хороший тепловой контакт. Дополнительное снижение температуры обмотки обеспечено наличием внутренних кольцевых ребер охлаждения [3].

Наиболее близка по технической сущности к предлагаемому решению асинхронная машина, содержащая оребренный корпус, с гнездами для крепления подшипниковых щитов, в который запрессован шихтованный сердечник статора с обмоткой. Машина также содержит щиты с подшипниковыми узлами, ротор с валом, вентилятор наружного обдува и кожух. Для сборки и крепления шихтованного сердечника к корпусу в каждом листе статора выполнены пазы под элементы крепления, например в виде сквозных отверстий [4]. Если по условиям работы машины радиальное движение воздуха невозможно или нецелесообразно, то применяют аксиальную систему вентиляции. Поверхность охлаждения при этом увеличена за счет применения осевых каналов в зубцах и ярмах сердечников.

Недостатком указанных машин является высокая материалоемкость и то, что принудительное охлаждение осуществляется только наружной поверхности оребренного корпуса, а в осевых каналах, выполненных в зубцах и ярмах сердечника, невозможна дальнейшая интенсификация охлаждения.

К п. 1. В основу изобретения поставлена задача создать такую электрическую машину, в которой новая конструкция сердечника статора и крепление конструктивных деталей и узлов позволяют снизить материалоемкость изделия в целом и интенсифицировать охлаждение.

К п.2, 3, 4. Задачей также является использование листов статора в виде правильного восьмиугольника, шестиугольника или квадрата соответственно, в результате чего уменьшается расход электротехнической стали.

К п. 5. Задачей также является симметричное расположение продольных сквозных каналов в спинке статора относительно плоскости, проходящей вдоль оси машины перпендикулярно любой из граней поверхности шихтованного сердечника статора, что обеспечивает преемственность конструкции и унификацию основных конструктивных узлов и деталей.

К п. 6. Задачей также является выполнение кратного шести количества продольных сквозных каналов в спинке статора только для шихтованного сердечника статора в виде круга или правильного шестиугольника, что обеспечивает равномерное крепление листов пакета статора по периметру, а также жесткость шихтованного сердечника и двух его торцевых колец за счет того, что в трех из каналов размещены цилиндрические шпильки, расположенные симметрично относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга.

К п. 7. Задачей также является выполнение кратного двенадцати количества продольных сквозных каналов в спинке статора только для шихтованного сердечника статора в виде круга или правильного шестиугольника, что обеспечивает равномерное крепление листов пакета статора по периметру, а также повышенную жесткость шихтованного сердечника и двух его торцевых колец за счет того, что цилиндрические шпильки расположены симметрично относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга.

К. п. 8. Задачей также является выполнение кратного восьми количества продольных сквозных каналов в спинке статора только для шихтованного сердечника статора в виде круга, правильного восьмиугольника или квадрата, что обеспечивает равномерное крепление листов пакета статора по периметру, а также повышенную жесткость шихтованного сердечника и двух его торцевых колец за счет того, что цилиндрические шпильки расположены симметрично относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга.

К п. 9. Задачей также является обеспечение фиксации сердечника статора путем заполнения продольных сквозных каналов взамен крепления цилиндрическими шпильками, литьем под давлением, которое образует монолитные продольные стяжки с двумя торцевыми кольцами и шихтованным сердечником статора, что позволяет повысить жесткость новой конструкции сердечника статора и обеспечивать более интенсивное охлаждение электрической машины.

К п. 10. Задачей также является выполнение защиты наружной поверхности статора слоем литья, образующим монолит с двумя торцевыми кольцами, что обеспечивает предохранение пакета статора от эрозии на стадии изготовления и позволяет уменьшить магнитный шум электрической машины.

По п. 1. Поставленная задача решается тем, что электрическая машина, содержащая шихтованный сердечник статора с обмоткой, щиты с подшипниковыми узлами, ротор с валом, вентилятор наружного обдува и кожух, согласно изобретению имеет в спинке статора продольные сквозные каналы, в трех из которых размещены цилиндрические шпильки, расположенные симметрично относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга, стягивающие пакет шихтованного сердечника статора двумя торцевыми кольцами, с гнездами которых сочленены щиты с подшипниковыми узлами, а в торцевых кольцах выполнены продольные сквозные отверстия, число которых, конфигурация, размеры и расположение идентичны продольным сквозным каналам в спинке статора.

По п. 2, 3, 4. Поставленные задачи решаются также тем, что в электрической машине по п. 1 статор выполнен в поперечном сечении в виде правильного восьмиугольника, правильного шестиугольника или квадрата соответственно.

По п. 5. Поставленная задача решается также тем, что в электрической машине по любому из п.п. 2 - 4 продольные сквозные каналы в спинке статора расположены симметрично относительно плоскости, проходящей вдоль оси машины перпендикулярно любой из граней поверхности шихтованного сердечника статора.

По п. 6. Поставленная задача решается также тем, что в электрической машине по любому из п. п. 1, 3, 5 количество продольных сквозных каналов в спинке статора кратно шести.

По п. 7. Поставленная задача решается также тем, что в электрической машине по любому из п. п. 1, 3, 5 количество продольных сквозных каналов в спинке статора кратно двенадцати, в которых размещены цилиндрические шпильки, симметрично расположенные относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга.

По п. 8. Поставленная задача решается также тем, что в электрической машине по любому из п.п. 1, 2, 4 количество продольных сквозных каналов в спинке статора кратно восьми, в которых размещены цилиндрические шпильки, симметрично расположенные относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга.

По п. 9. Поставленная задача решается также тем, что в электрической машине по любому из п. п. 1 - 8 фиксация сердечника статора осуществлена путем заполнения продольных сквозных каналов литьем по давлением, которое образует монолитные стяжки с двумя торцевыми кольцами и шихтованным сердечником статора.

По п. 10. Поставленная задача решается также тем, что в электрической машине по любому из п.п. 1 - 9 сердечник статора защищен наружным слоем литья, образующим монолит с двумя торцевыми кольцами.

Технический результат решения поставленных задач заключается в том, что получена закрытая обдуваемая электрическая машина уменьшенной материалоемкости. В предложенной машине изменены контуры шихтованного сердечника статора и пути циркуляции охлаждающего ее воздуха.

Использование двух торцевых колец, расположенных по краям шихтованного сердечника статора, не приводит к изменению жесткости конструкции машины в целом. Между собой кольца середины тремя цилиндрическими шпильками, удерживающими шихтованный сердечник статора в собранном виде. Технически и конструктивно данный способ крепежа достаточно просто позволяет реализовать предложенную электрическую машину при минимальных затратах на подготовку производства. Функции корпуса, как одного их элементов электрической машины, определяющего механическую прочность и способствующего охлаждению обмотанного статора, несет согласно изобретению единое изделие в составе шихтованного сердечника статора с торцевыми кольцами.

Наличие в спине статора, согласно изобретению, продольных сквозных каналов и соответствующих отверстий в торцевых кольцах позволяет обеспечить интенсивное охлаждение электрической машины. Габаритные размеры предлагаемой электрической машины не превышают известных у машин-аналогов. Номинальная мощность соответствует стандартному ряду.

При выполнении шихтованного сердечника статора электрической машины (в поперечном сечении) в виде правильного восьмиугольника, правильного шестиугольника или квадрата соответственно достигается последовательное, причем значительное, уменьшение заготовительного веса электротехнической стали за счет снижения доли отходов при штамповке листов. Количество каналов в спинке статора, их конфигурация, размеры и расположение обеспечивают неизменяющийся по длине пакета воздушный поток хладагента, что позволяет значительно уменьшить тепловые потери. Эффективная площадь охлаждения (с учетом площади каналов) при этом увеличена в сравнении с электрической машиной, сердечник статора которой имеет цилиндрическую форму. Поток охлаждающего воздуха от вентилятора наружного обдува, направленный вдоль каналов охлаждения и наружной поверхности пакета статора, обеспечивает эффективный теплосьем.

Симметричное расположение продольных сквозных в спинке статора обеспечивает преемственность конструкции электрической машины при монтаже и сборке ее основных конструктивных элементов. Шпильки, расположенные, симметрично оси машины и под равным углом друг относительно друга, обеспечивают равномерное крепление листов пакета статора по периметру.

Фиксация сердечника статора может быть осуществлена также путем заполнения продольных сквозных каналов, взамен крепления цилиндрическими шпильками, литьем под давлением.

Сердечник статора может быть защищен наружным слоем литья, образующим монолит с двумя торцевыми кольцами, который предохраняет пакет статора от эрозии на стадии изготовления и позволяет уменьшить магнитный шум электрической машины. Предложенная конструкция электрической машины позволяет уменьшить расход материалов и улучшить ее энергетические характеристики.

Изобретение иллюстрируется чертежами на фиг. 1 - 3. На фиг. 1 приведена конструкция электрической машины, вид сбоку. На фиг. 2а и 2б - то же, сечение магнитной цепи со стороны выходного конца вала. На фиг. 3а, 3б, 3в - показан статор электрической машины в поперечном сечении (вид листа).

Электрическая машина (фиг. 1) содержит шихтованный сердечник статора 1 с обмоткой 2, щиты с подшипниковыми узлами 3, ротор 4, вал 5, вентилятор наружного обдува 6, кожух 7, при этом в спинке статора 1 выполнены продольные сквозные каналы 8 (фиг. 2), в трех (см. фиг. 2а) или четырех (см. фиг. 2б) из которых размещены цилиндрические шпильки 9, расположенные симметрично относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга, стягивающие пакет шихтованного сердечника статора 1 двумя торцевыми кольцами 10, с гнездами которых сочленены щиты с подшипниковыми узлами 3, а в торцевых кольцах 10 выполнены продольные сквозные отверстия, число которых, конфигурация, размеры и расположение идентичны продольным сквозным каналам 8 в спинке статора 1.

На фиг. 3а шихтованный сердечник статора имеет в поперечном сечении форму правильного восьмиугольника, на фиг. 3б - форму правильного шестиугольника, на фиг. 3в - форму квадрата, вписывающихся в окружность диаметром, не большим диаметра оребренного корпуса машины-прототипа.

Для интенсификации теплоотдачи в спинке шихтованного сердечника статора 1, выполненном в поперечном сечении в виде круга, правильного восьмиугольника, правильного шестиугольника или квадрата соответственно расположены продольные сквозные каналы 8. В спинке 1 в виде правильного шестиугольника (см. фиг. 3б) общее количество продольных сквозных каналов 8 кратно шести, а продольные сквозные каналы расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось машины перпендикулярно любой из граней поверхности шихтованного сердечника статора 1 и под равным углом друг относительно друга. В таком же шихтованном сердечнике статора 1 число продольных сквозных каналов 8 может быть кратно двенадцати.

В шихтованном сердечнике статора 1 в виде правильного восьмиугольника (см. фиг. 3а) или четырехугольника (см. фиг. 3в) общее количество продольных сквозных каналов 8 кратно восьми.

Между собой торцевые кольца 10 соединены цилиндрическими шпильками 9, стягивающие в зафиксированном положении пакет шихтованного сердечника статора 1. В торцевых кольцах 10 выполнены продольные сквозные отверстия, число которых конфигурация, размеры и расположение идентичны продольным сквозным каналам 8 в спинке статора. С гнездами торцевых колец 10 сочленены щиты с подшипниковыми узлами 3.

Для повышения жесткости конструкции фиксации шихтованного сердечника статора 1 осуществлена путем заполнения его продольных сквозных каналов 8, взамен крепления цилиндрическими шпильками 9, литьем под давлением. Такое соединение образует монолитные продольные стяжки с двумя торцевыми кольцами 10 и шихтованным сердечником статора 1.

Для уменьшения магнитного шума шихтованный сердечник статора 1 защищен по наружной поверхности слоем литья 11, образующим монолит с двумя торцевыми кольцами 10.

Устройство работает следующим образом. В собранной электрической машине ротор 4 с валом 6 свободно вращается в подшипниках. При возбуждении вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре между статором 1 и ротором 4 за счет протекания токов в обмотке 2 возникает вращающий момент и машина работает двигателем.

Подшипниковые щиты электрической машины могут быть закрытыми (обдуваемые машины) и с цепями (продуваемые машины). Поэтому в обдуваемых машинах циркулирующий хладагент (например, воздух) омывает подшипниковые щиты 3, затем проходит по продольном сквозным каналам 8 в спинке шихтованного сердечника статора 1 и выбрасывается наружу. В продуваемых машинах воздух омывает также и внутреннюю поверхность шихтового сердечника статора 1.

Источники информации
1. Антонов М.В., Герасимова А.С. Технология производства электрических машин: Учеб. пособие для вузов, - М.: Энергоиздат, 1982 г. С. 14.

2. Пути улучшения материалоемкости электрических машин малой мощности. /О. И. Костиков, В. В. Безручко, Е.И. Малыхин и др.// Сб. Конструкция и охлаждение специальных электрических машин безотходной технологии. Харьков: ХАИ, 1980 г. С. 3 - 21.

3. Яковлев А.И. Электрические машины с уменьшенной материалоемкостью. - М.: Энергоатомиздат, 1989 г. С. 11 - 15.

4. Домбровский В.В., Зайчик В.М. Асинхронные машины: Теория, расчет, элементы проектирования. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1990 г. С. 9 - 10м

Изобретение относится к электрическим машинам с вращающимся ротором и может быть использовано в механизмах промышленного и бытового назначения. Электрическая машина, содержащая шихтованный сердечник статора с обмоткой, щиты с подшипниковыми узлами, ротор с валом, вентилятор наружного обдува и кожух, имеет в спинке статора продольные сквозные каналы, в трех из которых размещены цилиндрические шпильки, расположенные симметрично относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга, стягивающие пакет шихтованного сердечника статора двумя торцевыми кольцами, с гнездами которых сочленены щиты с подшипниковыми узлами, а в торцевых кольцах выполнены продольные сквозные отверстия, число которых, конфигурация, размеры и расположение идентичны продольным сквозным каналам в спинке статора. Статор электрической машины также выполнен в поперечном сечении в виде правильного восьмиугольника, шестиугольника или квадрата. Каналы в спинке статора расположены симметрично относительно плоскости, проходящей вдоль оси машины перпендикулярно любой из граней поверхности шихтованного сердечника статора, причем их количество кратно шести, двенадцати и восьми. Фиксация статора также осуществлена путем заполнения продольных сквозных каналов литьем под давлением. В машине также статор защищен наружным слоем литья, образующим монолит с двумя торцевыми кольцами. Технический результат заключается в том, что получена закрытая обдуваемая электрическая машина уменьшенной материалоемкости, которая в конструктивной отношении является бескорпусной. Новая конструкция сердечника статора и крепление конструктивных деталей и узлов позволяют снизить материалоемкость изделия в целом и интенсифицировать охлаждение. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрическая машина, содержащая шихтованный сердечник статора с обмоткой, щиты с подшипниковыми узлами, ротор с валом, вентилятор наружного обдува и кожух, отличающаяся тем, что в спинке статора выполнены продольные сквозные каналы, в трех из которых размещены цилиндрические шпильки, расположенные симметрично относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга, стягивающие пакет шихтованного сердечника статора двумя торцевыми кольцами, с гнездами которых сочленены щиты с подшипниковыми узлами, а в торцевых кольцах выполнены продольные сквозные отверстия, число которых, конфигурация, размеры и расположение идентичны продольным сквозным каналам в спинке статора. 2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что статор выполнен в поперечном сечении в виде правильного восьмиугольника. 3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что статор выполнен в поперечном сечении в виде правильного шестиугольника. 4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что статор выполнен в поперечном сечении в виде квадрата. 5. Электрическая машина по любому из пп.2 - 4, отличающаяся тем, что продольные сквозные каналы в спинке статора расположены симметрично относительно плоскости, проходящей вдоль оси машины перпендикулярно любой из граней поверхности шихтованного сердечника статора. 6. Электрическая машина по любому из пп.1, 3 и 5, отличающаяся тем, что количество продольных сквозных каналов в спинке статора кратно шести. 7. Электрическая машина по любому из пп.1, 3 и 5, отличающаяся тем, что количество продольных сквозных каналов в спинке статора кратно двенадцати, в которых размещены цилиндрические шпильки, симметрично расположенные относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга. 8. Электрическая машина по любому из пп.1, 2 и 4, отличающаяся тем, что количество продольных сквозных каналов в спинке статора кратно восьми, в которых размещены цилиндрические шпильки, симметрично расположенные относительно оси машины и под равным углом друг относительно друга. 9. Электрическая машина по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что фиксация сердечника статора осуществлена путем заполнения продольных сквозных каналов литьем под давлением, которое образует монолитные продольные стяжки с двумя торцевыми кольцами и шихтованным сердечником статора. 10. Электрическая машина по любому из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что сердечник статора защищен наружным слоем литья, образующим монолит с двумя торцевыми кольцами.