СЕРДЕЧНИК СТАТОРА КОЛЛЕКТОРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2007 года по МПК H02K1/14 H02K23/42 

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к области создания коллекторных электрических машин.

Известны конструкции сердечника статора коллекторной электрической машины, которые имеют в средних частях основных полюсов сужения нормальных продольных сечений, достигаемые путем выполнения отверстий в указанных средних частях (Ермолин Н.П. Электрические машины, М., Высшая школа, 1975, стр.18).

Недостатком данных конструкций является сравнительно высокая магнитная проводимость сердечника статора на путях замыкания магнитного поля, обусловленного намагничивающей силой реакции якоря при работе электрической машины, так как отношение площади нормального продольного сечения сужения к геометрической площади нормального продольного сечения в средней части полюсов (при отсутствии отверстия), как правило, составляет не менее 0,4-0,5. При этом соотношение площади нормального продольного сечения сужения к средней площади нормальных продольных сечений яремных частей сердечника статора обычно превышает 0,9-1,0. Поскольку средняя нормальная площадь сечений яремных частей статора, как правило, выбирается из условия достижения величины индукции, соответствующей участку перегиба (насыщения) на кривой намагничивания магнитопровода при номинальном магнитном потоке основных полюсов, то величина магнитной проводимости сужения в средней части полюса в этом случае близка к магнитной проводимости яремных частей. Это означает, что величина поперечного магнитного потока в статоре под действием намагничивающей силы реакции якоря может быть соизмеримой с потоком основных полюсов. В результате наиболее сильно проявляется так называемое размагничивающее действие реакции якоря, следствием которого является ослабление основного магнитного потока.

Кроме того, при этом наблюдается значительное искажение равномерного распределения магнитного поля под основными полюсами, что в машинах без добавочных полюсов, особенно в реверсивных, приводит к ухудшению условий коммутации секций якоря. В коллекторных машинах переменного тока в этом случае повышается индуктивное сопротивление якоря, что ухудшает рабочие характеристики машин.

Конструкция сердечника статора коллекторной электрической машины [заявка №2001102375/09, МПК7 Н02К 1/00, опубл. 2002.12.20] в значительной мере лишена указанных недостатков. В данной конструкции сердечник статора коллекторной электрической машины содержит яремные части и основные полюса, имеющие в средних частях сужения нормальных продольных сечений, а величина площади нормальных продольных сечений сужений выбрана из условия:

где S_c - площадь нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов, см²;

S_я.cp. - средняя площадь нормальных продольных сечений яремных частей статора, см²;

D_c - максимальный диаметр окружности, вписанной в расточку статора, м.

Данное устройство служит прототипом предлагаемого изобретения.

Недостатком рассматриваемой конструкции является то, что указанные соотношения величины площади нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов и средней площади нормальных продольных сечений яремных частей статора обеспечивают достаточное ослабление поперечного магнитного лишь при выполнении длины сужений максимальной величины (поскольку зависимость (1) получена при условии, что длина сужения δ_с выполняется максимальной величины для данной конструкции статора. В случае уменьшения длины сужения в сравнении с его максимальной величиной площадь нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов, рассчитанная по выражению (1), оказывается завышенной относительно требуемого в этом случае значения. В результате технический эффект достаточного снижения поперечного магнитного потока в данных конструкциях сердечника статора отсутствует, что практически не улучшает процесс коммутации коллекторных электрических машин без дополнительных полюсов и не снижает в должной мере размагничивающее действие поперечной реакции якоря.

Задачей изобретения является снижение магнитного поля реакции якоря в сердечниках статоров коллекторных электрических машин.

Поставленная задача достигается тем, что сердечник статора коллекторной электрической машины, так же как в прототипе, содержит яремные части и основные полюса, имеющие в средних частях сужения нормальных продольных сечений. Согласно изобретению величина площади указанных нормальных продольных сечений сужений выбрана из условия:

где S_c - площадь нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов, см²;

S_я.ср. - средняя площадь нормальных продольных сечений яремных частей статора, см²;

- относительная длина сужений в средних частях основных полюсов;

δ_c - длина сужений в средних частях основных полюсов, см;

δ_c.max=(b_п-2·h_я.ср) - максимальная длина сужений в средних частях основных полюсов, см;

b_п - ширина сердечника полюса, см;

h_я.ср - средняя высота яремных частей статора, см;

D_c - максимальный диаметр окружности, вписанной в расточку статора, м.

Выявленная зависимость площади нормального продольного сечения сужений в средних частях основных полюсов сердечника статора от средней площади нормальных продольных сечений яремных частей, диаметра расточки статора и длины сужений, обеспечивает снижение магнитного поля реакции якоря за счет увеличения магнитного сопротивления поперек основных полюсов.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании сужений нормальных продольных сечений в средних частях основных полюсов сердечника статора такой величины, которая при данных геометрических размерах сердечника статора и выбранной (из технологических и конструктивных соображений) длины сужений обеспечивает снижение поперечного магнитного потока приблизительно в два раза, что эквивалентно его снижению при увеличении воздушного зазора между полюсом и якорем ориентировочно в полтора раза. Экспериментальные исследования показали, что именно при таком снижении поперечного магнитного потока становится заметен технический эффект от его снижения, сказывающийся в улучшении коммутации секций якоря и в увеличении основного магнитного потока полюсов, а также электромагнитного момента электрической машины.

Проведенные теоретические исследования («Высокоиспользованные коллекторные электрические машины малой мощности» // Диссертация Качина С.И. на соискание ученой степени доктора технических наук. Томск, 2002) показывают, что при максимальных величинах длины сужения δ_с и средней длины воздушного зазора в зоне сужения δ₁ соотношение минимальной площади нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов и средней площади нормальных продольных сечений яремных частей статора должны удовлетворять условию (1). Максимальные величины длины сужения δ_с и средней длины воздушного зазора в зоне сужения δ₁ связаны между собой и во многом определяются геометрическими размерами конкретной конструкции сердечника статора. Последние, в свою очередь, выбираются исходя из результатов расчета магнитной цепи электрической машины в соответствии с принятым в практике проектирования алгоритмом. При этом учитывается конкретная конструкция и технология изготовления электрической машины.

Вместе с тем, из конструктивных и технологических соображений изготовления электрической машины и ее элементов оптимальным вариантом могут быть конструкции сердечника статора с уменьшенной (относительно максимального значения) длиной сужений (и, соответственно, длиной воздушного зазора в зоне сужения) в средних частях основных полюсов. В этих случаях не все конструкции, выполненные в соответствии с зависимостью (1), обеспечивают должный технический эффект, т.е. достаточное снижение поперечного магнитного потока.

Данный вывод следует из анализа выражения, на основании которого получена зависимость (I):

где А - линейная токовая нагрузка якоря, А/см;

b - ширина полюсной дуги вдоль расточки статора, см;

L - длина пакета статора, см;

h - геометрическая высота полюса в средней его части, см;

δ_с - длина сужения, см;

δ₁ - средняя длина воздушного зазора в средней части полюса, см;

δ₂=(δ_экв.-2δ) - результирующий зазор сердечника статора;

δ_экв. - величина эквивалентного зазора магнитной цепи между полюсом и якорем, см;

δ - зазор между полюсом и якорем, см;

μ_o - магнитная постоянная, Гн/см;

с_i - постоянный коэффициент для кривой намагничивания стали статора при индукции B_i, А·см/Вб;

N_i - постоянная для кривой намагничивания стали статора при индукции В_i, А/см.

Для выявления характера взаимосвязи между величинами сечений и длиной сужений были проведены расчеты по уравнению (3) с использованием специального программного продукта для всех типов наиболее употребляемых коллекторных электрических машин малой мощности, результаты которых представлены в Таблице. При этом использовались магнитные характеристики сталей 1-го класса (таких, как 1511 (Э41), 1512 (Э42), 1513 (Э43) по ГОСТ 21427.0-75). Результаты расчетов показали, что для достижения снижения поперечного магнитного потока электрических машин в два раза относительная площадь нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов должна быть связана с относительной длиной сужений следующей зависимостью

где - относительная площадь нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов;

S_с.б. - базовое значение площади нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов, рассчитанное по выражению (1) для максимальной длины сужения δ_c.max, см²;

- относительная длина сужений в средних частях основных плюсов, см;

δ_с - длина сужений в средних частях основных полюсов, см;

δ_c.max=(b_n-2·h_я.ср.) - максимальная длина сужения в средних частях основных полюсов для конкретной конструкции сердечника статора, см;

b_п - ширина сердечника полюса, см;

h_я.ср. - средняя высота яремных частей сердечника статора, см.

Вид полученной зависимости (4) представлен на фиг.1. Из данной кривой следует, что, во-первых, площадь нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов по мере уменьшения длины сужений снижается относительно значения, полученного по уравнению (1). Это доказывает тот факт, что при уменьшении длины сужения зависимость (1) охватывает то множество конструкций сердечника статора, в которых требуемый технический эффект снижения поперечного магнитного поля отсутствует. Поэтому при уменьшении относительной длины сужений соотношение (1) требует корректировки.

Во-вторых, уменьшение площади нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов наиболее существенно при малых значениях длины сужения. Причем уменьшение в сравнении со снижением происходит менее интенсивно (фиг.2), что связано с явлением насыщения магнитной цепи, которое в области малых значений параметра усиливается.

Следовательно, с учетом выражений (1), (4) соотношение площади нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов и средняя площадь нормальных продольных сечений яремных частей сердечника статора должно удовлетворять условию

Данная зависимость (5) преобразуется в выражение (2) и описывает геометрические соотношения основных параметров конструкции сердечника статора (S_c.min, S_я.cp, δ_с, b_п, h_я.ср, D_с), при которых достигается требуемое снижение поперечного магнитного потока для улучшения коммутации и уменьшения размагничивающего действия реакции якоря. Выражение (2) справедливо практически для всех вариантов выполнения и типов коллекторных машин малой мощности и может быть использовано при проектировании сердечников статоров коллекторных машин, имеющих сужения в средних частях основных полюсов, с целью улучшения их эксплуатационных характеристик.

На фиг.1 представлена расчетная зависимость относительной площади нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов от относительной длины данных сужений.

На фиг.2 приведена расчетная зависимость отношения относительной площади нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов к относительной длине данных сужений от величины относительной длины указанных сужений.

На фиг.3 показан поперечный разрез сердечника статора коллекторной электрической машины с отверстием в средней части полюса и с соотношением основных геометрических размеров, характерных для серийных электрических машин малой мощности.

На фиг.4 приведено распределение площади нормального продольного сечения полюса статора для поперечного магнитного потока вдоль расточки статора применительно к конструкции на фиг.3.

На фиг.5 изображен поперечный разрез сердечника статора коллекторной электрической машины с сужением нормального продольного сечения в средней части основного полюса, выполненным в виде узкой перемычки с наружной стороны сердечника.

На фиг.6 представлено характерное распределение площади нормального продольного сечения полюса статора для поперечного магнитного потока вдоль расточки статора для конструкции на фиг.5.

На фиг.7 показан поперечный разрез сердечника статора коллекторной электрической машины с сужением нормального продольного сечения в средней части основного полюса, выполненного в виде узкой перемычки с внутренней стороны полюса.

На фиг.8 приведено распределение площади нормального продольного сечения полюса статора для поперечного магнитного потока вдоль расточки статора для конструкции на фиг.7.

На фиг.9 изображен поперечный разрез сердечника статора коллекторной электрической машины с сужением нормального продольного сечения в средней части основного полюса, выполненного в виде узких перемычек с внутренней и наружной сторон полюса.

На фиг.10 представлено характерное распределение площади нормального продольного сечения основного полюса статора для поперечного магнитного потока вдоль расточки статора для конструкции на фиг.9.

На фиг.11 показан поперечный разрез сердечника статора коллекторной электрической машины с сужением нормального продольного сечения в средней части основного полюса, выполненного в виде узкой перемычки во внутренней части полюса.

На фиг.12 представлены характерные размеры сужения переменного сечения вдоль расточки статора.

В Таблице представлены фактические и расчетные соотношения основных геометрических размеров сердечников статоров различных типов коллекторных машин малой мощности.

Сердечник статора серийной коллекторной электрической машины обычно либо не имеет сужений нормального продольного сечения в средней части полюса, либо имеет незначительные сужения, например, выполненные по типу, представленному на фиг.3 (Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. Л., Энергия, 1973, стр.180).

В данной конструкции сердечник статора 1 в средней части основного полюса 2 имеет технологическое отверстие 3 по всей длине сердечника статора 1. Средняя длина воздушного зазора отверстия 3 в средней части полюса 2 составляет величину δ₁. Данное отверстие 3 разделяет полюс 2 на наружную часть 4 и внутреннюю часть 5, представляющие собой сужения с длиной δ_c. Геометрическая высота полюса 2 в средней его части равна величине h, а ширина сердечника полюса равна величине b_n. Яремные части 6, 7 сердечника статора 1 выполнены с высотами h_я.1 и h_я.2 соответственно. Максимальный диаметр окружности, вписанной в расточку сердечника статора 1, равен величине D_c, которая превышает диаметр D_a якоря 8.

Вследствие наличия отверстия 3 в полюсе 2 сердечника статора 1 магнитный поток реакции якоря Ф_р.я. (поперечный магнитный поток) в средней части полюса 2 разветвляется на две составляющие и , проходящие по наружной части 4 и внутренней части 5 полюса 2. Поскольку нормальные продольные сечения в средней части полюса 2 для потоков и достаточно велики и соизмеримы с сечениями яремных частей 6, 7 сердечника статора 1, то величины магнитной индукции в указанных сечениях малы и не приводят к большим падениям намагничивающей силы на рассматриваемых частях 4, 5 магнитной цепи. Поэтому ослабления поперечного магнитного поля Ф_р.я. практически не происходит и почти все падение намагничивающей силы приходится на воздушный зазор между якорем 8 и полюсом 2 статора 1 (2 δ=D_c-D_a).

Нормальные продольные сечения яремных частей 6, 7 в данном случае определяются выражениями:

где h_я.1, h_я.2 - высоты яремных частей 6 и 7;

L - длина сердечника статора 1.

Понятие «продольное» сечение означает, что секущая плоскость проходит вдоль длины сердечника статора 1.

Понятие «нормальное» сечение означает, что секущая плоскость проходит перпендикулярно к силовым линиям магнитного потока и сечение имеет, как правило, минимальную величину из возможных сечений, проходящих через какую-либо базовую продольную линию (в данном случае продольную линию яремных частей 6, 7).

Средняя величина нормального продольного сечения яремных частей 6, 7 определяется выражением:

где l_я - суммарная длина яремных частей 6,7 сердечника статора l;

l_я.1, l_я.2 - длины яремных частей 6, 7 с сечениями S_я.1 и S_я.2.

Распределение нормального продольного сечения полюса 2 сердечника статора 1 для поперечного магнитного потока вдоль расточки сердечника статора 1 для конструкции на фиг.3 приведено на фиг.4 и показывает, что нормальное продольное сечение в средней части полюса 2 имеет сужение площадью S_c в сравнении с полным геометрическим сечением S_n, которое имеет место в отсутствие отверстия 3, то есть S_c<S_n.

В качестве оси τ на фиг.4 взято расстояние вдоль расточки сердечника статора 1 от средней линии полюса 2. Из графика на фиг.4 также видно, что сужение площади нормального продольного сечения в конструкции на фиг.3 незначительное и мало влияет на ослабление поперечного магнитного потока Ф_р.я..

Для усиления влияния сужения нормального продольного сечения в средней части полюса 2 на уменьшение поперечного магнитного потока Ф_р.я следует выбирать величину указанного сечения в соответствии с выражением (2). При этом сужение может быть выполнено подобно конструкции сердечника статора 1 на фиг.5. Здесь основной полюс 2 имеет в средней части продольный паз 9 криволинейного поперечного сечения с внутренней стороны полюса 2. При этом поперечный магнитный поток Ф_р.я. замыкается (в основном) по узкой наружной части 4 полюса 2 с сечением S_c и высотой сужения наружной части 4 h_c.

Распределение площади нормального продольного сечения вдоль расточки сердечника статора 1 (фиг.6) в данном случае в значительной мере отличается от графика на фиг.4. Здесь величина сечения сужения S_c существенно меньше, чем на фиг.4, и удовлетворяет условию (2). Длина сужения δ_с и длина среднего воздушного зазора δ₁ здесь значительно больше, чем на фиг.3, что позволяет увеличить предельную величину сечения S_c (в сравнении с соответствующим параметром для сердечника статора 1 на фиг.3), при которой достигается требуемое снижение поперечного магнитного потока Ф_р.я.

Продольный паз 10 может быть выполнен с наружной стороны полюса 2 (фиг.7). При этом также достигается эффект, аналогичный эффекту в конструкции на фиг.5. Однако в этом случае длина сужения δ_с уменьшается, что требует снижения величины сечения S_c для сохранения эффекта снижения поперечного поля Ф_р.я. на заданном уровне (фиг.8).

Продольный паз 10 здесь также выполнен с криволинейным поперечным сечением для достижения максимальной величины среднего воздушного зазора δ₁ в средней части полюса 2.

Эффект снижения поперечного магнитного потока Ф_р.я может быть достигнут и при уменьшении нормальных продольных сечений частей 4, 5 полюса 2 на фиг.3 и увеличении среднего воздушного зазора δ₁ путем выбора соответствующей формы отверстия 3, как это изображено на фиг.9. В этом случае также может достигаться требуемое снижение величины сечения S_c (фиг.10).

Возможно выполнение пазов 9, 10 одновременно с внутренней и наружной сторон полюса 2 (фиг.11). При этом поперечный магнитный поток замыкается в основном через перемычку 11 в средней части полюса 2.

Распределение нормального продольного сечения сужения в этом случае аналогично кривой на фиг.6.

Под длиной сужения в уравнении (2) понимается длина суженной части полюса 2 в поперечном направлении (вдоль расточки сердечника статора 1), в пределах которой величина нормального продольного сечения удовлетворяет условию:

где S_c.max - максимальная величина сечения суженной части полюса 2.

При одинаковой длине различных участков магнитопровода (фиг.12) это эквивалентно критерию:

Работа предлагаемой конструкции сердечника статора коллекторной электрической машины.

При подаче электропитания на коллекторную электрическую машину в обмотке якоря 8 (фиг.3) протекает ток, который создает поперечный магнитный поток реакции якоря Ф_р.я.. Данный магнитный поток замыкается по суженным частям 4, 5 (либо 11 на фиг.11) основного полюса 2, пакету якоря 8 и воздушному зазору между пакетом якоря 8 и расточкой полюса 2 сердечника статора 1.

В результате снижения нормального продольного сечения сужений частей 4, 5 (либо 11 на фиг.11) в средней части полюса 2 в предлагаемых конструкциях сердечника статора 1 до величины, удовлетворяющей условию выражения (2), снижается поперечный магнитный поток реакции якоря Ф_р.я. (ориентировочно в два раза). При этом основной магнитный поток основных полюсов 2 практически не изменяется, так как на путях его замыкания сужения магнитопровода отсутствуют. Это сопровождается выравниванием величины результирующего магнитного потока вдоль расточки сердечника статора 1 и увеличением его интегрального значения вследствие снижения размагничивающего действия реакции якоря. При этом могут быть улучшены условия коммутации (например, в реверсивных машинах без добавочных полюсов) и повышены энергетические характеристики машин в результате увеличения магнитного потока основных полюсов (Качин С.И. Высокоиспользованные коллекторные электрические машины малой мощности. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Томск, 2002).

Таким образом, вновь выявленная зависимость соотношения размеров сужений магнитопровода в средних частях основных полюсов от размеров ярма сердечника статора, относительной длины сужения и диаметра расточки сердечника статора, позволяет выбирать необходимые сечения указанных сужений, обеспечивающие требуемое снижение поперечного магнитного потока сердечника статора, что повышает технические характеристики электрических машин в сравнении с базовыми изделиями.

Заявленная конструкция сердечника статора коллекторной электрической машины может быть использована в коллекторных электрических машинах переменного тока для бытовой техники и электроинструмента, которые, как правило, не имеют добавочных полюсов и отличаются высокой коммутационной напряженностью и повышенными требованиями к удельным энергетическим показателям. Применение заявленной конструкции в данных типах коллекторных электрических машин позволяет улучшить коммутацию, уменьшить изнашивание щеток и снизить массу и габариты машин.

Сердечник статора коллекторной электрической машины

Тип машиныДанные для расчетаФактРасчетD_c,_смN_н, об/минА, А/смb, смL, смh, смδ, смδ₁,_смδ₂, смδ_с, смh_я.ср., смh_ф, смКВ-603,21200056,23,141,80,70,051,60,053,20,50,71,40,10100,1010ПК-583,2140001083,252,70,960,051,150,052,30,470,450,9570,24880,2488МЭС-4503,3205001493,353,60,870,051,20,052,40,460,471,0210,34890,3489БПР-241Е3,28225001303,354,80,650,051,550,053,10,470,450,9570,25930,2593ИЭ-57133,6182001813,664,00,90,051,70,053,40,550,551,00,41740,4174МА-20014,9170001975,026,01,20,052,00,054,00,751,051,40,61700,6170Д-550Ф7,075600068,27,337,31,50,053,60,057,21,231,51,220,26340,2634

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к особенностям конструктивного выполнения сердечников статоров коллекторных электрических машин. Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, состоит в снижении магнитного поля реакции якоря. Указанный технический результат достигается тем, что сердечник статора коллекторной электрической машины в средних частях основных полюсов имеет сужения магнитопровода. Причем площади нормальных продольных сечений сужений выполнены из условия:

где S_c - площадь нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов, см²; S_я.ср. - средняя площадь нормальных продольных сечений яремных частей статора, см²; - относительная длина сужений в средних частях основных полюсов; δ_c - длина сужений в средних частях основных полюсов, см; δ_c.max=(b_п-2·h_я.ср) - максимальная длина сужений в средних частях основных полюсов, см; b_п - ширина сердечника полюса, см; h_я.ср - средняя высота яремных частей статора, см; D_c - максимальный диаметр окружности, вписанной в расточку статора, м. 1 табл., 12 ил.

Сердечник статора коллекторной электрической машины, содержащий яремные части и основные полюса, имеющие в средних частях сужения нормальных продольных сечений, отличающийся тем, что величина площади нормальных продольных сечений сужений основных полюсов выбрана из условия

где S_c - площадь нормальных продольных сечений сужений в средних частях основных полюсов, см²;

S_я.ср. - средняя площадь нормальных продольных сечений яремных частей статора, см²;

- относительная длина сужений в средних частях основных полюсов;

δ_c - длина сужений в средних частях основных полюсов, см;

δ_c.max=(b_п-2·h_я.ср) - максимальная длина сужений в средних частях основных полюсов, см;

b_п - ширина сердечника полюса, см;

h_я.ср - средняя высота яремных частей статора, см;

D_c - максимальный диаметр окружности, вписанной в расточку статора, м.