ТОРЦЕВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2005 года по МПК H02K21/24 

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к конструкции торцевых синхронных машин, работающих в режиме генератора или двигателя.

Известен беспазовый статор электрической машины, описанный в А.с. 278836, кл. Н 02 К 5/10. В нем с целью упрощения технологии изготовления, активная часть выполнена в виде обмоточных модулей, состоящих из пакетов, набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и отделенных слоем изоляции листовых ферромагнитных элементов и лобовых частей. Пакеты установлены на ярме статора с помощью клиньев, выполненных заодно с ярмом, что не технологично при массовом производстве. Кроме того, снижены энергетические показатели машины, поскольку пакеты не фиксированы в радиальном направлении, что приводит к неравномерности активной длины магнитопровода.

Известна также торцевая бесконтактная электрическая машина (А.с. 2076434, кл. Н 02 К 21/24, 27.03.97), содержащая два статора с обмотками, кольцевую обмотку возбуждения, установленную на неподвижном внешнем магнитопроводе, и ротор, состоящий из двух магнитоизолированных Р-полюсных систем, причем сердечники одной системы выполнены из магнитомягкой стали, сердечники другой системы выполнены из магнитомягких призматических брусков, по всем граням которых, кроме граней, обращенных к статорам, прикреплены плоские постоянные магниты, а зубцы ротора, являющиеся магнитными шунтами для магнитов, размещены на боковых гранях брусков. Они расположены внутри двух магнитомягких колец, являющихся шунтами для магнитов, установленных на верхних и нижних гранях призматических брусков. Концентрация магнитного поля обеспечивает уменьшение массы и габаритов машины.

Однако такая электрическая машина достаточно сложна конструктивно и нетехнологична при промышленном производстве. Размещение обмотки возбуждения на внешнем магнитопроводе приводит к увеличению габаритов машины и увеличенному расходу меди.

Наиболее близким к заявленной машине является “Индукционный двигатель”, (см. патент №2897387 от 28.07.59, опубликованный в United States Patent Office), в дальнейшем - торцевая электрическая машина содержащая торцевой статор в форме кольца с двумя рабочими поверхностями и два короткозамкнутых ротора в виде дисков, установленных в подшипниках по обе стороны статора и обращенных рабочими поверхностями к статору, причем последний имеет пару противоположных рабочих поверхностей и множество разделенных немагнитными промежутками полюсов, имеющих постоянное поперечное сечение в осевом направлении, листы мягкого железа покрывают полюсы статора, выполняя одновременно и роль корпуса двигателя. Обмотка выполнена сосредоточенной и размещена в углублениях полюсов. Два ротора могут быть короткозамкнутыми (короткозамкнутая обмотка выполнена в виде медного диска или медного покрытия на рабочей стороне роторов) или иной торцевой конструкции.

Недостатками конструкции являются низкие энергетические показатели, связанные с экранированием статорной обмотки листом мягкого железа, наличие сосредоточенной обмотки, отсутствие крепления обмотки статора в углублениях его магнитопровода.

В основу изобретения положена задача создания технологичной в производстве машины переменного тока повышенных энергетических показателей при существенно уменьшенном наружном диаметре.

Поставленная задача решается тем, что торцевая электрическая машина, включающая статор с обмоткой, закрепленный в корпусе, обращенный рабочими поверхностями к двум, дискообразным роторам, расположенным с двух сторон от статора, установленным в подшипниках качения, согласно изобретению содержит диск с штифтом и выступами, входящими в зацепление с пазами, выполненными в корпусе, статор выполнен из двух половин, в каждой из которых залит компаундом автономный зубцовый слой, распределенная обмотка в виде обмоточных модулей и ярмо, навитое из стальной ленты, установленных по разные стороны этого диска, причем с обеих сторон диска выполнены центрирующие пояски, на которых сцентрированы ярмо и пластины обмоточных модулей, а на дисках двух роторов со стороны рабочих поверхностей статора выполнены по два центрирующих пояска, между которыми смонтированы постоянные магниты, полюсные наконечники которых имеют форму пластины с уменьшающимся к краям сечением.

На фиг.1 изображена торцевая электрическая машина, на фиг.2 - обмоточный модуль.

Торцевая электрическая машина содержит статор из двух половин 1, 2, смонтированных на диске 3, укрепленном в корпусе 4, два ротора 5 и 6, установленные на втулке 7, напрессованной на вал 8. Вал 8 закреплен в подшипниках 9, установленных в подшипниковых щитах 10 и 11, соединенных с корпусом 4.

Каждая из половин статора содержит ярмо 12, навитое из стальной ленты и сцентрированное на пояске 13 диска 3. Диск 3 упирается в выступ 14 и защищен от проворота шлицами 15 (разрез А-А), входящими во впадины 16 корпуса 4 машины. Распределенная обмотка статора выполнена в виде обмоточных модулей (фиг.2), которые крепятся к ярму 12 активными пакетами, состоящими из изолированных стальных пластин 17 (элементарные зубцы) и слоев обмоточного провода 18 (фиг.2). Внизу пластины 17 образована свободная от обмотки часть, используемая для центрирования на пояске 13 диска 3. Статор в сборе залит компаундом 19. Каждый из роторов 5, 6 (изображение Б) содержит ярмо 20 ротора в виде массивного диска из ферромагнитного материала. На каждом из роторов 5, 6 выполнены пояски 21 и 22, на которых сцентрированы прямоугольные постоянные магниты 23, фиксируемые полюсными наконечниками 24 трапецеидальной формы. Полюсные наконечники 24 имеют уменьшенное к краям полюсов сечение (фиг.1, сечение В-В) для улучшения формы магнитного поля в зазоре машины. Роторы 5, 6 с помощью втулки 7 укреплены на валу 8 машины. Вал 8 закреплен в подшипниках 9, установленных в подшипниковых щитах 10 и 11. Обмоточные модули обеих половин статора и полюсы каждого ротора не должны иметь углового смещения относительно друг друга, что обеспечивается штифтом 25. В корпусе 4 выполнены закрытые пробками 26, 27 отверстия, предназначенные для контроля равномерности рабочего зазора машины. Обмоточные модули каждой половины статора соединены в схему последовательно пофазно, образуя распределенную трехфазную или с иным количеством фаз обмотку. Фазы каждой половины статора могут соединяться последовательно, что увеличивает величину выходного напряжения и уменьшает индуктивное сопротивление рассеяния статорной обмотки, или параллельно, что увеличивает величину тока, снимаемого с генератора, и упрощает обмоточные работы, за счет уменьшения сечения провода.

Машина работает следующим образом.

В режиме генератора при вращении роторов 5 и 6 с постоянными магнитами 23 в зазоре машины создается вращающееся магнитное поле, силовые линии которого, пересекая витки обмоток двух половин статора, наводят в каждой фазе статора переменную ЭДС. Форма ЭДС близка к синусоидальной, за счет применения полюсных наконечников 24 с уменьшающимся к краям сечением и распределенной обмотки статора. В зависимости от соединения обмоток статора (последовательно или параллельно) ЭДС обмоток каждой половины статора складываются или остаются равными ЭДС обмоток одной половины статора. Применение сдвоенной конструкции (две половины статора и два ротора) существенно уменьшает диаметр машины, что повышает надежность машины за счет уменьшения длины ее рабочего зазора, упрощает работу подшипникового узла за счет компенсации усилий роторов. Постоянные магниты выбраны таким образом, что при номинальной нагрузке генератора выходное напряжение равно номинальному. Частота выходного напряжения определяется частотой вращения ротора и количеством пар полюсов, которое практически не ограничено, что позволяет применить прямой привод между первичным двигателем и генератором при практически любых частотах вращения приводного двигателя. Фиксированная установка активных пакетов обмоточных модулей (фиг.2) и постоянных магнитов 23 роторов 5 и 6 на центрирующих поясках, соответственно 13, 21 и 22, обеспечивает: концентричность всех элементов статора и роторов, заданную активную длину машины, расчетную величину ЭДС обмоток статора, симметрию напряжений по фазам, а следовательно, и расчетные энергетические показатели машины (в том числе КПД, форму и величину выходного напряжения). Компаундирование обмотки статора вместе с пластинами обмоточных модулей и ярмом увеличивает диэлектрическую прочность обмотки, снижает вибрации и шумы магнитного происхождения. Равномерность воздушного зазора обеспечивается механической обработкой рабочих поверхностей обеих половин статора после установки в корпус машины, что одновременно повышает качество машины.

В режиме двигателя ток, протекающий по обмотке каждой половины статора 1 и 2, взаимодействует с магнитным потоком соответствующего ротора 5 или 6 и создает вращающий момент. Частота вращения ротора определяется количеством пар полюсов и частотой питающего напряжения, а способы пуска общепринятые для синхронных двигателей.

Выполнение двигателя со статором, состоящим из двух половин и двумя роторами позволяет вместе с уменьшением диаметра уменьшить момент инерции двигателя, выполнить рабочий зазор с высокой степенью равномерности, как за счет уменьшения диаметра, так и за счет компенсации усилий роторов, что облегчает работу подшипникового узла и повышает его надежность. Включение обмоток каждой половины статора таким образом, чтобы электромагнитный момент каждой половины двигателя был бы сонаправлен, увеличивает выходной момент вала двигателя.

Таким образом, технологичность торцевой электрической машины существенно повышена за счет технологичной конструкции обмоточных модулей и упрощения сборки вследствие применения в конструкции центрирующих поясков, а энергетические показатели улучшены за счет использования распределенной обмотки, снижения радиальных и осевых погрешностей в статоре и роторах, достигаемого применением центрирующих поясков. Применение сдвоенной конструкции ведет к уменьшению радиального размера машины, снижению момента инерции, существенному повышению надежности, улучшению работы подшипникового узла. Все это говорит о решении поставленной задачи.

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к торцевым синхронным машинам. Технический результат изобретения, заключающийся в повышении энергетических показателей и уменьшении размеров торцевой синхронной машины, достигается путем того, что в торцевой электрической машине, включающей статор с обмоткой и ротор в виде диска, установленный в подшипниках качения, статор закреплен на одном из двух подшипниковых щитов машины и выполнен с залитыми компаундом автономным зубцовым слоем, распределенной обмоткой в виде обмоточных модулей и ярмом, навитым из стальной ленты, на упомянутом подшипниковом щите машины выполнен центрирующий поясок, на котором сцентрированы пластины обмоточных модулей, на диске ротора со стороны статора выполнены два центрирующих пояска, между которыми смонтированы постоянные магниты, закрытые полюсными наконечниками, имеющими форму пластины с уменьшающимся к краям сечением. 2 ил.

Торцевая электрическая машина, включающая статор с обмоткой и ротор в виде диска, установленный в подшипниках качения, отличающаяся тем, что статор закреплен на одном из двух подшипниковых щитов машины и выполнен с залитыми компаундом автономным зубцовым слоем, распределенной обмоткой в виде обмоточных модулей и ярмом, навитым из стальной ленты, на упомянутом подшипниковом щите машины выполнен центрирующий поясок, на котором сцентрированы пластины обмоточных модулей, на диске ротора со стороны статора выполнены два центрирующих пояска, между которыми смонтированы постоянные магниты, закрытые полюсными наконечниками, имеющими форму пластины с уменьшающимся к краям сечением.