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, опубликованный в БИ №26, 1970 г. 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 (патент России 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, по мнению авторов, 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 заявляемой машине является “Индукционный двигатель” (см. патент №2897387 от 28.07.59, опубликованный в United States Patent Office), (в дальнейшем - торцевая электрическая машина), содержащий торцевой статор в форме кольца и короткозамкнутый ротор в виде диска, установленный в подшипниках и обращенный рабочей поверхностью к статору, причем последний имеет множество разделенных немагнитным промежутком полюсов, обращенных рабочими поверхностями к ротору, имеющих постоянное поперечное сечение в осевом направлении, лист мягкого железа покрывает полюсы статора, выполняя одновременно и роль корпуса двигателя. Обмотка выполнена сосредоточенной и размещена в углублениях полюсов. Ротор может быть короткозамкнутым (короткозамкнутая обмотка выполнена в виде медного диска или медного покрытия на рабочей стороне ротора) или иной конструкции.

Недостатками этой торцевой машины являются низкие энергетические показатели, связанные с экранированием статорной обмотки листом мягкого железа и наличием сосредоточенной обмотки. Конструкция обмотки, требующая ее послойной укладки в углубления между полюсами, - нетехнологична в производстве. Недостаточное крепление обмотки статора в углублениях его магнитопровода снижает надежность машины.

В основу изобретения положена задача создания торцевой электрической машины переменного тока технологичной в производстве с повышенными энергетическими показателями.

Поставленная задача решается тем, что в торцевой электрической машине, включающей статор с обмоткой и ротор в виде диска, установленный в подшипниках качения, согласно изобретению 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 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.

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

Торцевая электрическая машина содержит статор 1, смонтированный на подшипниковом щите 2, и ротор 3, закрепленный на валу 4. Вал установлен в подшипниках 5 подшипниковых щитов 2 и 6. Статор 1 содержит ярмо 7, навитое из стальной ленты и сцентрированное на пояске 8 подшипникового щита 2 машины. Распределенная обмотка статора выполнена в виде обмоточных модулей 9, собранных из стальных пластин 10 (элементарные зубцы), разделенных слоями провода 11 (фиг.2). Слои провода 11 намотаны на пластины таким образом, что внизу пластины 10 остается свободная от обмотки ее часть, используемая для центрирования на пояске 8 подшипникового щита 2. Обмоточные модули 9 крепятся к ярму 7 и объединены в схему таким образом, что образуют распределенную трехфазную (или с иным количеством фаз) обмотку. Статор 1 в сборе залит компаундом 12. Ротор 3 (изображение А, фиг.1) содержит ярмо 13 в виде массивного диска из ферромагнитного материала. На ярме 13 ротора выполнены два пояска 14 и 15, между которыми сцентрированы магниты 16, зафиксированные полюсными наконечниками 17. Полюсные наконечники 17 имеют уменьшенное к краям полюсов сечение (фиг.3) для улучшения формы магнитного поля в зазоре машины. Ротор 3 закреплен на ступице 18, напрессованной на валу 4 машины. Вал 4 закреплен в подшипниках 5, установленных в подшипниковых щитах 2 и 6, смонтированных в корпусе 19. Использование распределенной обмотки в виде обмоточных модулей 9 уменьшает полезную массу и норму расхода активных материалов (электротехнической стали и обмоточной меди), позволяет существенно увеличить число пар полюсов машины (получить низкие частоты вращения 80-100 об/мин) и повышает надежность машины.

Для обеспечения равномерности воздушного зазора и повышения качества машины рабочие поверхности статора после установки в корпус машины подвергаются механической обработке.

Машина работает следующим образом.

В режиме генератора при вращении ротора 3 с постоянными магнитами 16 в зазоре машины создается вращающееся магнитное поле, силовые линии которого, пересекая витки обмотки статора, наводят в каждой фазе статора переменную ЭДС. Форма ЭДС близка к синусоидальной за счет применения полюсных наконечников 17 с сечением, уменьшенным к краям, и распределенной обмотки статора. Постоянные магниты 16 выбраны таким образом, что при номинальной нагрузке генератора и заданном ее характере выходное напряжение равно номинальному. Фиксированная установка активных пакетов обмоточных модулей 9 и постоянных магнитов 16 ротора 3 на центрирующих поясках, соответственно 8, 14 и 15, обеспечивает концентричность всех элементов статора и ротора, заданную активную длину машины, расчетную величину ЭДС обмотки статора, а следовательно, и расчетные энергетические показатели машины (в том числе КПД, форму и величину выходного напряжения). Применение на роторе постоянных магнитов 16 вместо обмотки возбуждения упрощает конструкцию, уменьшает расход активных материалов, снижает эксплуатационные расходы. Частота выходного напряжения определяется частотой вращения ротора и количеством пар полюсов, которое практически не ограничено. Это позволяет применить прямой привод между первичным двигателем и генератором при практически любых частотах вращения приводного двигателя. Лобовые части обмотки статора и пространство между лобовыми частями и корпусом машины залиты компаундом 12 для уменьшения шумов и вибраций электромагнитного происхождения, увеличения диэлектрической прочности машины.

При работе машины в режиме двигателя ток, протекающий по обмотке статора 1, взаимодействует с магнитным потоком ротора 3 и создает вращающий момент. Фиксированное, соосное расположение активных пакетов обмоточных модулей 9 обмотки статора 1 и постоянных магнитов 16 ротора 3, гарантированное установкой их на центрирующих поясках (соответственно 8, 14 и 15), обеспечивает расчетное значение электромагнитного момента и КПД двигателя. Частота вращения ротора 3 определяется количеством пар полюсов и частотой питающего напряжения и может варьироваться в зависимости от типоразмера двигателя от 80 до 1500 об/мин.

Таким образом, технологичность 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 роторе, достигаемого применением центрирующих поясков, что говорит о решении поставленной задачи.

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к торцевым синхронным машинам. Технический результат изобретения, заключающийся в повышении энергетических показателей торцевой синхронной машины, достигается путем того, 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, 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 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. 2 ил.

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, отличающаяся тем, что она 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 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.