БЕСПАЗОВЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2003 года по МПК H02K1/12 H02K3/04 H02K1/06 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к асинхронным электродвигателям.

Известны недостатки цилиндрических статоров современных электрических машин, в том числе наиболее массовых в производстве асинхронных двигателей (Казанский В.М. Кризис и перспективы развития малых асинхронных двигателей. Электричество, 1996, 8). К ним относятся:
а) наличие технологических невозобновляемых отходов электротехнической стали при штамповке листа статора (и ротора), составляющих более 40%;
б) самая напряженная в электромагнитном отношении зубцово-пазовая зона статора активно используется не более чем на 50-60%;
в) в процессе изготовления так называемая "всыпная" обмотка подвергается неконтролируемым деформациям, в том числе скрытым, а готовая обмотка приобретает качество дефектной неремонтируемой структуры с возможной аварийностью при эксплуатации статора;
г) технологические процессы, особенно связанные с обмоточно-изолировочными и шихтовочно-штамповочными работами, достаточно сложны, трудоемки, не имеют аналогов в традиционном машиностроении и требуют многономенклатурного оборудования.

Известны группы патентов, посвященные новым конструкциям статоров, которые свободны от первого (а) из перечисленных недостатков. К их числу относятся статоры традиционной формы с витыми (на ребро) сердечниками из ленточной стали с наперед вырубленными пазами и средства их реализации. Автору известны более 50 патентов, начиная с предложений 30-х годов фирм США General Electric Со и Westinghouse Electric - 174649, 1919995, 1920354 и кончая современными патентами фирмы General Electric Co - 4712292 (опубл. в 1987 г. ), 4747278 (опубл. в 1988 г. ), 4812696, 4816711 (опубл. в 1989 г.) и 4912833, 4918962 (опубл. в 1990 г.) и России (патенты Московского электромеханического завода ЗВИ) - 1695453 (опубл. в 1991 г.) и патент Томского завода Сибэлектромотор - 1802907 (опубл. в 1993 г.).

Все эти предложения практически объединены единой задачей снижения технологических отходов электротехнической стали без изменения конструктивных форм зубцово-пазовой зоны и, следовательно, оставляют практически без изменения перечисленные выше недостатки классической конструкции статора (б, в и г).

Статоры с ленточным магнитопроводом, состоящие из гофрированных зубцово-пазовых зон с обмотками статора и витых на ребро ярем представляют группу из более 65 патентов с предложенями по конструкциям статоров с гофрированными обмоточными зонами и не менее 50 изобретений по способам их реализации.

Стартовыми конструкциями гофрированных зон статора являются патент М. Симса (США, General Electric) 3393435 (опубл. в 1976 г.), в котором обмотка закладывается снизу, как в аналогичной конструкции статора, в результате чего отсутствует только один (а) недостаток, т.е. исключаются технологические отходы стали (недостатки б, в и г сохраняются), и изобретение братьев Э и Э. Степанянц (СССР, ВНИИПТИЭМ, г. Владимир) 584392 (опубл. в 1977 г.), в котором обмотка закладывается сверху, что позволяет снять недостаток (а) и частично недостаток (б).

Все конструкции ленточных гофрированных статоров обладают общими принципиальными недостатками, основными из которых являются следующие:
- большие "экранные" потери энергии в стальной гофрированной ленте при неизбежном пересечении ее рабочим магнитным потоком, значительно превышающие потери энергии в зубцовой зоне классической конструкции;
- дополнительный немагнитный зазор между гофрированной зубцовой зоной и ярмом статора.

Как следствие, у электрических машин с гофрированными статорами пониженные энергетические показатели кпд и cosϕ. Кроме того, электрические машины с гофрированными статорами имеют дополнительные недостатки, связанные со сложностью формообразования статора из-за неодинаковой толщины стальной ленты, увеличенным расходом обмоточной меди и др.

Известны также беспазовыми статоры с шихтованным поперек оси вращения ярмом и активным распределенным слоем, образованным из активных пакетов катушечных групп, набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и продольных элементов из электротехнической стали.

Стартовой конструкцией статора с активным распределенным слоем является изобретение Казанского В. М. "Беспазовый статор электрической машины" (А.с. 278836), запатентованное в США (патент 3495114), Великобритании (патент 1231213) и Японии (патент 48-26881).

К настоящему времени известны более 30 конструкций статора с активным распределенным слоем, в том числе зависимые от основного, например А.с. СССР 286741, 296193, 309428, и независимые, например, А.с. СССР 739689, 985881 и патент России 1677786 и др. Некоторые из них реализованы и описаны в периодической печати. Например, в статье Казанского В.М. "Развитие производства асинхронных двигателей" (Электричество, 1999, 10) приведены конкретные данные о конструктивной предпочтительности статоров электрических машин с активным распределенным слоем по сравнению с классической конструкцией, в том числе заметное снижение технологических отходов электротехнической стали, увеличение коэффициента заполнения активного распределенного слоя голой медью, реализация заполнения активного слоя текстурованной сталью с повышенной индукцией вдоль проката, реализация рядовой укладки обмоточного провода и, как следствие, снижение на порядок межвиткового напряжения и т.д.

Вместе с тем конструкция цилиндрического статора с активным распределенным слоем не свободна от недостатков, к числу которых относятся:
- наличие дополнительного технологического зазора, снижающего кпд и cosϕ машины с таким статором,
- технологическая сложность образования круглого шихтованного ярма, наличие эдс в продольных стальных пластинах,
- недоиспользование активного объема статора за счет частичного незаполнения распределенного активного слоя между сторонами (катушечных групп) обмоточных модулей и др.

В качестве прототипа принят "Беспазовый статор электрической машины" А. с. СССР 394893, Н 02 K 3/04, 1/12, опубликованное 22.08.1973, БИ 39, заявленное от базового изобретения "Беспазовый статор электрической машины", А.с. СССР 278836, МПК Н 02 K 15/10, опубликованное 21.04.1970, БИ 26, суть которого сводится к следующему.

"Беспазовый статор электрической машины переменного тока с распределенной обмоткой в активной части, отличающийся тем, что с целью упрощения технологии изготовления активная часть выполнена из ряда пакетов, набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и отделенных слоем изоляции листовых ферромагнитных элементов".

Прототип состоит из шихтованного ярма и активного распределенного слоя, примыкающего к ярму через технологический немагнитный зазор и образованного из активных пакетов катушечных групп (обмоточных модулей), образованных из чередующихся между собой проводников обмотки и продольных листов электротехнической стали. Отличительные особенности прототипа состоят в том, что слои проводников однослойной обмотки цилиндрического статора располагаются на разных пространственных уровнях, причем у одной половины катушечных групп (обмоточных модулей) слои обмотки примыкают к ярму статора, а у другой половины обмоточных модулей - к воздушному зазору. Соответственно внешняя поверхность ярма статора выполняется многогранной в зависимости от числа полюсов статора.

Недостатки прототипа:
- наличие дополнительного немагнитного зазора, снижающего у статора энергетические показатели кпд и cosϕ;
- недоиспользование активного объема статора за счет частичного незаполнения активного распределенного слоя между сторонами обмоточных модулей (катушечных групп) особенно на верхнем пространственном уровне, что приводит к снижению габаритной мощности электрической машины с таким статором;
- жесткая зависимость между числом пар полюсов статора и формой его ярма, определяющего внешние габариты статора, что приводит к технологическим затруднениям при формировании номенклатурного ряда электрических машин с подобным статором и различным числом его пар полюсов.

Задачей изобретения является создание цилиндрического статора электрической машины с повышенными энергетическими показателями при снижении габаритной мощности.

Это достигается тем, что в беспазовом цилиндрическом статоре, содержащем шихтованное ярмо и распределенный активный слой, образованный из активных пакетов катушечных групп (обмоточных модулей), набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и продольных элементов из электротехнической стали, шихтованное ярмо выполняется сборным из кольцеобразных стальных пластин с внутренними опорными выступами, ориентированными внутрь к воздушному зазору, и соединенных (например, с помощью клея) между собой витых на ребро монолитных колец (таблеток) из ленточной электротехнической стали с наружными прорезями, заполненными клеевой ферромагнитной массой;
- между сборным ярмом и активным распределенным слоем вводится прослойка из клеевой армированной ферромагнитной массы;
- распределенный активный слой образован из разных обмоточных модулей, часть из которых выполнена с более плотным размещением проводников на верхнем уровне этого слоя за счет использования межмодульного пространства.

На фиг.1 представлен фрагмент продольного разреза предлагаемого беспазового статора электрической машины, а на фиг.2 - соответственно фрагмент поперечного разреза этого статора.

Предлагаемый беспазовый цилиндрический статор электрической машины содержит шихтованное ярмо 1 и активный распределенный слой 2, размещенный на разных пространственных уровнях, соединенные между собой с помощью прослойки из клеевой армированной ферромагнитной массы 3. Ярмо 1 выполняется сборным из кольцеобразных стальных пластин 4 с опорными выступами 5, ориентированными к воздушному зазору, и склеенных с ними и между собой витых на ребро монолитных колец (таблеток) 6 из ленточной электротехнической стали с наружными прорезями 7, заполненными клеевой ферромагнитной массой. Активный распределенный слой 2 (электромагнитный эквивалент зубцово-пазовому слою традиционного статора) состоит из пакетов обмоточных модулей с одинарным 8 и, например, двойным 9 проводниковым наполнением соответственно на нижнем и верхнем пространственных уровнях размещения обмотки. Продольные стальные пластины 10 распределенного активного слоя 2 в зависимости от длины статора могут иметь сплошные поперечные разрезы 11 сколь угодно частые.

Предлагаемый беспазовый цилиндрический статор электрической машины, например, трехфазного асинхронного двигателя в отличие от прототипа обладает следующими свойствами.

В конструкции сборного ярма 1 предусматриваются круглые стальные кольца 4 (по крайней мере два крайних кольца для машин с малой активной длиной) с опорными выступами 5, ориентированными в сторону воздушного зазора, предназначенные для предотвращения проворачивания ярма 1 по отношению к активному распределенному слою 2. Кроме того, эти кольца 4 способствуют формированию внешней круглой поверхности статора.

Основная часть шихтованного ярма 1 состоит из склеенных в монолит шихтованных колец 6 из витых на ребро полос электротехнической стали с наружными прорезями 7 для обеспечения процесса навивки. При этом на параллельных витках стальной ленты прорези 7 выполняются в шахматном порядке (например, при намотке двух лент с прорезями 7 смещенными друг относительно друга на определенный шаг) и заполняются клеевой ферромагнитной массой. В этом случае в готовом кольце-монолите каждая прорезь 7, во-первых, заполнена ферромагнитной массой и, во-вторых, с двух сторон имеет обходной путь для магнитного потока по соседним ферромагнитным пластинам, что снижает магнитное сопротивления ярма.

Набор перемежающихся между собой кольцеобразных стальных опор 4 и монолитных шихтованных колец 6 представляет собой ярмо 1, определяющее форму статора, при этом упрощается процесс сборки ярма. Технологический зазор между ярмом 1 и распределенным активным слоем 2 заполняется полимерным компаундным наполнением, проникающим в пустоты между ферромагнитными пластинами 10 обмоточных модулей, что обеспечивает существенное снижение магнитного сопротивления (примерно в 3-4 раза) технологического зазора и в итоге повышает кпд и cosϕ электрической машины с таким статором.

Уменьшена высота активного распределенного слоя 2 за счет соответствующего снижения высоты различных обмоточных модулей, отличающихся друг от друга плотностью намотки проводников на разных пространственных уровнях. При этом снижение высоты обмоточных модулей (примерно на четверть высоты модуля и более) происходит за счет активного использования межмодульного пространства на верхнем уровне 9 путем заполнения его проводниковым материалом 9. В результате уменьшается диаметр машины или при равных главных размерах существенно увеличивается габаритная мощность статора электрической машины.

Стальные пластины 10 обмоточных моделей выполняются из холоднокатаной стали с ориентированной структурой и, кроме того, разделены сплошными поперечными разрезами 11 сколь угодно частыми, что также способствует увеличению кпд и надежности электрической машины с таким статором.

Технический эффект предлагаемого беспазового статора электрической машины по сравнению с прототипом заключается в следующем:
- обеспечивается увеличение габаритной мощности статора за счет снижения радиальных размеров активного распределенного слоя путем заполнения межмодульных проемов проводниковым материалом на верхнем уровне размещения обмотки;
- обеспечивается увеличение кпд и cosϕ за счет уменьшения магнитного сопротивления немагнитного зазора между ярмом и распределенным слоем путем заполнения зазора ферромагнитной клеевой массой;
- снимается жесткая зависимость между числом пар полюсов и внешней формой статора и упрощается технология сборки ярма. Кроме того, обеспечивается облегчение прохождения магнитного потока в соседних пластинах ярма.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроении, в частности к асинхронным электродвигателям. Сущность изобретения состоит в следующем. Беспазовый цилиндрический статор электрической машины содержит шихтованое ярмо 1 и активный распределенный слой 2, образованный активными пакетами обмоточных модулей в виде перемежающихся между собой продольных пластин 10 из электротехнической стали и проводников обмотки, размещенных на нижнем и верхнем пространственных уровнях, при этом ярмо 1 выполнено сборным из кольцеобразных стальных пластин 4 с опорными выступами 5, ориентированными внутрь к зазору, и соединенных между собой витых на ребро монолитных колец 6 из ленточной электротехнической стали с наружными прорезями 7, заполненными клеевой ферромагнитной массой. Между ярмом 1 и активным распределенным слоем 2 имеется прослойка из клеевой армированной ферромагнитной массы, а распределенный активный слой 2 выполнен из разных обмоточных модулей, часть из которых выполнена с более плотным размещением проводников на верхнем уровне этого слоя 2 за счет использования межмодульного пространства. Технический результат состоит в том, что предлагаемый статор имеет повышенные энергетические показатели при снижении габаритной мощности. 2 ил.

Беспазовый цилиндрический статор электрической машины, содержащий шихтованное ярмо и распределенный активный слой, образованный активными пакетами обмоточных модулей в виде перемежающихся между собой продольных пластин из электротехнической стали и проводников обмотки, размещенных на нижнем и верхнем пространственных уровнях, отличающийся тем, что ярмо выполнено сборным из кольцеобразных стальных пластин с внутренними выступами, ориентированными внутрь к воздушному зазору, и соединенных между собой витых на ребро монолитных колец из ленточной электротехнической стали с наружными прорезями, заполненными клеевой ферромагнитной массой, при этом между шихтованным ярмом и распределенным активным слоем введена прослойка из клеевой армированной ферромагнитной массы, а распределенный активный слой выполнен из разных обмоточных модулей, часть из которых выполнена с более плотным размещением проводников на верхнем уровне этого слоя за счет использования межмодульного пространства.