ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2013 года по МПК H02K1/18 H02K9/22 H02K5/18 H02K3/32 H02K3/52 

Область техники

Изобретение относится к электрической машине.

В частности, изобретение относится к вращающейся электрической машине со статорными обмотками, например двигателю, принадлежащему к типу, используемому для приведения в движение электрического охлаждающего вентилятора для автомобильного применения, или электрогенератору. Предпочтительно электрическая машина согласно изобретению представляет собой электродвигатель бесщеточного типа.

Настоящее изобретение также относится к герметичной электрической машине, в частности, пригодной для использования в пыльной среде или в среде, непригодной для прямого контакта с электромеханическими компонентами электрической машины.

Предшествующий уровень техники

Обмотки для электрической машины согласно известному уровню техники как статорного, так и роторного типа, выполнены из множества витков проводящего материала, обычно меди, сформированных наматыванием токопроводящего провода вокруг двух или более полюсных расширений статора и/или ротора электрической машины. Обмотка, по которой проходит электрический ток, должна быть соответствующим образом изолирована от полюсных расширений, изготовленных из ферромагнитного материала. С этой целью в устройствах предшествующего уровня техники размещают слой электроизоляционного материала между обмоткой и соответствующим полюсным расширением, на которое она намотана.

Электрические токи, включая сильные, проходят по обмотке и вызывают нагревание вследствие «эффекта Джоуля», т.е. теплового действия тока на всю обмотку и прилегающие области электрической машины.

В частности, было установлено, что тепло, выделяемое вышеописанным образом, ухудшает проводящие свойства токопроводящего провода, порождая тем самым повышенное сопротивление прохождению тока, что вызывает высокие и часто недопустимые потери энергии.

Кроме того, перегрев обмотки может привести к быстрому ухудшению изоляционных свойств вышеупомянутого слоя электроизоляционного материала, размещенного между обмоткой и соответствующим полюсным расширением, на которое она намотана. Очевидно, что все это приводит к риску короткого замыкания и неустранимому повреждению электрической машины, которую, следовательно, придется заменить или подвергнуть дорогостоящему ремонту.

Данная проблема особенно серьезна для вращающихся электрических машин герметичного типа, в которых обмотки погружены в герметизированную среду, подвергаемую постоянному нагреву из-за вышеупомянутого выделения тепла, обусловленного тепловым действием тока. В данной герметичной среде не происходит воздухообмена, и в установившихся режимах внутри нее могут возникать высокие температуры, способствующие перегреву обмоток.

Краткое изложение существа изобретения

Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание электрической машины, не обладающей вышеупомянутыми недостатками.

Одна из задач изобретения - создание электрической машины, обладающей высокой надежностью.

Другая задача изобретения - создание электрической машины, позволяющей наиболее эффективно использовать доступную энергию, сводя к минимуму потери энергии.

Указанные и другие задачи изобретения, по существу, решаются с помощью электрической машины по пункту 1 формулы изобретения, а также одному или более зависимым пунктам.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 иллюстрирует общий вид части электрической машины согласно изобретению, на котором часть деталей «удалена», чтобы лучше проиллюстрировать остальные;

Фиг.2 иллюстрирует общий вид с пространственным разделением деталей на Фиг.1;

Фиг.3а иллюстрирует вид сверху части на Фиг.1;

Фиг.3b иллюстрирует вид сверху первого участка части на Фиг.1;

Фиг.4 иллюстрирует общий вид с пространственным разделением деталей второго участка части на Фиг.1;

Фиг.5 иллюстрирует вид в разрезе части по линии V-V, показанной на Фиг.3а;

Фиг.6 иллюстрирует вид в разрезе части по линии VI-VI, показанной на Фиг.5.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Электрическая машина, подробно описанная ниже, представляет собой электродвигатель. Однако технические характеристики и идея настоящего изобретения также применимы к другим вращающимся электрическим машинам, в частности к электрогенераторам.

На прилагаемых чертежах ссылочной позицией 1 обозначен электродвигатель, согласно изобретению.

Электродвигатель 1 содержит корпус 2, образующий наружный кожух, статор 3, неподвижно закрепленный внутри корпуса 2, и ротор, не проиллюстрированный на чертежах, так как данное изобретение к нему не относится.

Электродвигатель 1 по изобретению предпочтительно относится к герметичному типу. Для данной цели корпус 2 содержит, по существу, цилиндрическую боковую стенку 2а и дно 2b, жестко присоединенное к боковой стенке 2а для образования единого корпуса воронкообразной формы. С противоположной от дна 2b стороны боковая стенка 2а имеет, по существу, круглое отверстие «А», связанное с колпаком или крышкой (не показаны) неразъемным образом, а именно с помощью фланцев 2с, выступающих из боковой стенки 2а. Дно 2b также снабжено центральным отверстием «F» для размещения подшипника.

Статор 3 принадлежит к обмоточному типу и содержит тело 4 статора тороидальной формы, образованное множеством наложенных друг на друга пластин 4а, собранных вместе таким образом, что они образуют единое тело (Фиг.4). Тело 4 статора содержит, по меньшей мере, одно полюсное расширение 5, предпочтительно - множество полюсных расширений, расположенных с равными угловыми промежутками. Каждое полюсное расширение 5 проходит радиально от оси «X» статора 3, вокруг которой располагается статор 3 и которая, по существу, совпадает с осью вращения ротора.

Как показано на Фиг.4, статор 3 также содержит пару полукожухов 6, 7, изготовленных из изоляционного материала, которые могут быть связаны между собой, по существу, охватывая все вышеупомянутые полюсные расширения 5. В частности, два изоляционных полукожуха 6, 7 образуют электроизоляционные элементы между обмоткой 8 и полюсным расширением, и могут приближаться друг к другу с противоположных сторон тела 4 статора в направлении, параллельном вышеупомянутой оси «Х» статора 3. Конкретнее - каждый полукожух 6, 7 имеет кольцевой участок 6а, 7а и множество выступающих участков 6b, 7b, каждый из которых используется, по меньшей мере, для частичного охватывания соответствующего полюсного расширения 5.

Каждое полюсное расширение 5, покрытое соответствующей парой выступающих участков 6b, 7b, образует сердечник, на котором может быть сформирована соответствующая обмотка 8 статора. Как показано на Фиг.2, каждая обмотка 8 имеет кольцевую форму и содержит множество прилегающих друг к другу и/или наложенных друг на друга витков, последовательно соединенных и полученных наматыванием одного токопроводящего провода вокруг вышеупомянутого сердечника. Наличие выступающих участков 6b, 7b изоляционных полукожухов формирует электрическую изоляцию обмотки 8 по отношению к соответствующему полюсному расширению 5. На Фиг.2 проиллюстрирован статор 3 после формирования обмоток 8.

Статор 3 вставляют в корпус 2, в частности, посредством обычных процессов крепления шпонками или насаживания в горячем состоянии, в процессе чего цилиндрическая боковая поверхность 9 тела 4 статора сцепляется с соответствующей цилиндрической внутренней поверхностью 10 корпуса 2, чтобы получить конструкцию, проиллюстрированную на Фиг.1 и 5. Статор 3 вставляют в корпус 2 по вышеупомянутой оси «Х» статора 3.

На Фиг.3 подробно проиллюстрировано угловое распределение двенадцати полюсных расширений 5, расположенных с угловыми промежутками относительно друг друга, предпочтительно - с равными.

Дно 2b корпуса 2 предпочтительно имеет, по меньшей мере, один опорный участок 11, взаимодействующий, предпочтительно, посредством поддерживания, с участком 12 обмотки 8 для передачи тепла от участка 12 обмотки 8 к опорному участку 11, чтобы охлаждать обмотку 8. Для улучшения охлаждающего эффекта, согласно варианту осуществления (не показан), дно 2b корпуса 2 имеет наружную поверхность, т.е. обращенную наружу из электродвигателя 1, снабженную ребрами, способствующими теплообмену между дном 2b и окружающей средой.

Опорный участок 11 предпочтительно имеет форму, сопрягаемую с наружной формой участка 12 обмотки 8, которую он поддерживает, и образованную выступом 13 на дне 2b корпуса 2. Выступ 13 проходит от дна 2b в пространство внутри электродвигателя 1 и направлении, предпочтительно параллельном оси «Х» статора 3. Участок 12 обмотки 8, который взаимодействует с выступом 13, представляет собой, в частности, передний участок обмотки 8, обращенный к дну 2b корпуса 2, в направлении вставки статора 3 в корпус 2.

Выступ 13 имеет скругленную опорную поверхность 14, углубление которой обращено к противоположной относительно дна 2b стороне, то есть в вышеупомянутое пространство внутри электродвигателя 1. Опорная поверхность 14 может, следовательно, взаимодействовать с участком 12 обмотки 8, причем участок 12 является частью тороидальной формы обмотки 8 и, следовательно, имеет изогнутую, а точнее - выпуклую форму.

Как показано на Фиг.3b, дно 2b имеет множество выступов 13, в частности двенадцать выступов 13, разнесенных с равными угловыми промежутками и расположенных вокруг оси «Х» статора 3. Выступы 13 расположены на дне 2b в местах, занимаемых соответствующими участками 12 обмоток 8, после сборки электродвигателя 1, то есть после того, как статор 3 был установлен в корпус 2.

Между каждым выступом 13 и соответствующим участком 12 обмотки 8 предпочтительно расположен, по меньшей мере, один промежуточный элемент 15, жесткий или гибкий, изготовленный из теплопроводящего и электроизоляционного материала. Промежуточный элемент 15 предпочтительно выполнен в форме прокладки 16 и установлен с возможностью съема между выступом 13 и участком 12 обмотки 8, обеспечивая передачу тепловой энергии между выступом 13 и участком 12 обмотки 8 при одновременном обеспечении их электроизоляции во избежание коротких замыканий.

Промежуточный элемент предпочтительно представляет собой прокладку, изготовленную из материала Silpad®, и обладает, по меньшей мере, механической прочностью на сжатие.

В недеформированном состоянии прокладка 16 проходит в основном в одной плоскости, занимая площадь, размер которой, если измерять вдоль данной плоскости, по меньшей мере, равен возможной поверхности контакта между выступом 13 и участком 12 обмотки 8, чтобы изолировать всю опорную поверхность 14 выступа 13 от обмотки 8.

Электродвигатель 1 предпочтительно содержит упорное средство 17, действующее на участок 12 обмотки 8, чтобы удерживать вышеупомянутый участок 12 прижатым к соответствующему выступу 13. Вышеупомянутое упорное средство 17 установлено на статоре 3 и содержит, по меньшей мере, один упругий элемент 18, работающий между вышеупомянутым участком 12 обмотки 8 и телом 4 статора, в частности - полюсным расширением 5 тела статора.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг.5 и 6, каждый упругий элемент 18 расположен между телом 4 статора и нижним полукожухом 7, а точнее - между нижней поверхностью 21 тела 4 статора и верхней поверхностью 22 соответствующего выступающего участка 7b нижнего полукожуха 7.

По сути, тело 4 статора и нижний полукожух 7 ограничивают пространство «S», из соображений ясности проиллюстрированное не в масштабе, в котором расположен упругий элемент 18.

Пространство «S» ограничено сверху нижней поверхностью 21 тела 4 статора и снизу верхней поверхностью 22 соответствующего выступающего участка 7b нижнего полукожуха 7.

Упругие элементы 18 расположены в пространстве «S» до формирования обмоток 8.

Каждый участок 12 обмотки 8, взаимодействующий с опорным участком 11, может отодвигаться от тела 4 статора под действием упругого элемента 18. Кроме того, нижний полукожух 7 прикреплен к направляющим полюсного расширения 5 на самом полюсном расширении 5.

Статор 3 вышеописанного типа, то есть снабженный упругим элементом 18 для каждой обмотки 8, можно вставлять внутрь корпуса 2 вдоль оси Х статора 3, пока участки 12 обмоток 8 не упрутся в соответствующие выступы 13 через вышеупомянутые промежуточные прокладки 16. В частности, статор 3 толкают вдоль оси «Х», пока участок 12 каждой обмотки не вступит в контакт с соответствующим выступом 13, сформированным на дне 2b корпуса 2, а затем толкают дальше, пока каждый упругий элемент 18 не сожмется. Вслед за данным сжатием статор 3 наглухо закрепляют, например, с помощью опорного бурта (не показан), предпочтительно - необратимым образом.

По сути, статор вставляют, например, горячим способом внутрь корпуса, пока он не достигнет рабочего положения, определяемого опорным буртом, к которому его фиксируют неразъемно.

В данном положении упругие элементы 18 оказывают заданное непрерывное и, по существу, постоянное усилие к соответствующему участку 12 обмотки 8, то есть к нижнему полукожуху 7. Результатом этого является значительное преимущество, если используются прокладки 16, электроизоляционные свойства и теплопроводность которых достигают оптимальных значений при подвергании воздействию значительного поверхностного давления, например, не менее 1,5 кг/см² в случае с прокладками, изготовленными из материала Silpad®.

Как описано выше, статор 3 прикреплен к корпусу 2 путем обеспечения натяга между боковой цилиндрической поверхностью 9 тела 4 статора и внутренней цилиндрической поверхностью 10 корпуса 2. Если упомянутый натяг обеспечивается насаживанием в горячем состоянии, когда происходит расширение корпуса 2, действие усилия со стороны статора 3 на боковую стенку 2b корпуса 2 поддерживается до тех пор, пока статор 3 не будет закреплен, то есть пока не будет достигнута стабилизация вышеупомянутого состояния натяга. При этом отсутствует риск упругого возврата упругого элемента 18 во время охлаждения корпуса 2, что могло бы привести к потере или уменьшению сжимающего воздействия на прокладки 16.

Настоящее изобретение позволяет решить вышеупомянутые задачи и устранить недостатки предшествующего уровня техники.

Электрическая машина согласно данному изобретению обеспечивает эффективное охлаждение благодаря применению прокладок из материала Silpad®, которые усиливают теплообмен между обмотками и корпусом без их контакта, который мог бы вызвать короткое замыкание в обмотках. Следовательно, можно ограничить максимальную рабочую температуру обмоток, которые можно использовать дольше без риска ухудшения проводящих свойств обмоток или изоляционных свойств полукожухов, прикрепленных к телу статора.

Наконец, наличие опорного средства, действующего на обмотки, позволяет установить статор на корпус, сохраняя при этом, по существу, постоянное опорное усилие нужной величины, действующее со стороны обмоток на выступы корпуса. Данное усилие может быть, в частности, задано из соображений достижения оптимального действия прокладок из материала Silpad®. Кроме того, механическая прочность на сжатие прокладок из материала Silpad® позволяет «зажимать» их между обмотками и выступами, одновременно с этим существенно способствуя обеспечению нужной теплопроводности и электроизоляции.

Изобретение относится к области электротехники, касается вращающихся электрических машин, в частности герметичных, предназначенных для использования в пыльной среде или в среде, прямой контакт с которой для электромеханических компонентов электрической машины недопустим. Предлагаемая электрическая машина содержит наружный корпус (2), содержащий дно (2b), расположенное, по существу, перпендикулярно оси вращения ротора, статор (3), имеющий, по меньшей мере, одно полюсное расширение (5) и, по меньшей мере, одну обмотку (8) кольцевой формы, установленную внутри полюсного расширения (5), и ротор, причем корпус (2) имеет, по меньшей мере, один опорный участок (11) для взаимодействия с соответствующим участком (12) обмотки (8) и удерживающий его для обеспечения теплообмена между обмоткой (8) и опорным участком (11), при этом участок (12) обмотки (8) электрически изолирован от опорного участка (11) при условии взаимодействия участков (11, 12). При этом согласно данному изобретению опорный участок (11) образован выступом (13) дна (2b), обращенным внутрь электрической машины (1). Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в повышении надежности и эффективности использования произведенной доступной энергии путем снижения ее потерь. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электрическая машина, содержащая:
наружный корпус (2), содержащий дно (2b), расположенное, по существу, перпендикулярно оси вращения ротора;
статор (3), имеющий, по меньшей мере, одно полюсное расширение (5) и, по меньшей мере, одну обмотку (8) кольцевой формы, установленную внутри полюсного расширения (5); ротор;
причем корпус (2), имеющий, по меньшей мере, один опорный участок (11) для взаимодействия с соответствующим участком (12) обмотки (8) и удерживающий его для обеспечения теплообмена между обмоткой (8) и опорным участком (11), при этом участок (12) обмотки (8) электрически изолирован от опорного участка (11) при условии взаимодействия участков (11, 12), при этом электрическая машина, отличающаяся тем, что опорный участок (11) образован выступом (13) дна (2b), обращенным внутрь электрической машины (1).

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, один теплопроводящий и электроизоляционный промежуточный элемент (15), обладающий, по меньшей мере, свойством механической прочности на сжатие и размещенный между участком (12) обмотки (8) и соответствующим опорным участком (11) для усиления теплообмена между ними при одновременном поддержании электроизоляции друг от друга.

3. Электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что между участком (12) обмотки (8) и соответствующим опорным участком (11) съемным образом установлен промежуточный элемент (15).

4. Электрическая машина по любому пп.2 или 3, отличающаяся тем, что промежуточный элемент (15) содержит прокладку (16), проходящую в основном в одной плоскости, и размеры которой, по меньшей мере, равны возможной поверхности контакта между участком (12) обмотки (8) и соответствующим опорным участком (11).

5. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что выступ (13) проходит от дна (2b) вдоль линии, параллельной оси вращения ротора.

6. Электрическая машина по п.1 или 5, отличающаяся тем, что выступ (13) имеет опорную поверхность (14), по существу, сопрягаемую с участком (12) обмотки (8).

7. Электрическая машина по п.6, отличающаяся тем, что опорная поверхность (14) закруглена, и ее вогнутая сторона обращена внутрь электрической машины.

8. Электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что дно (2b) имеет ребристую наружную поверхность для усиления теплообмена между дном (2b) и наружной стороной электрической машины (1).

9. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что содержит опорное средство (17), действующее на участок (12) обмотки (8), для удержания ее прижатой к опорному участку (11).

10. Электрическая машина по п.9, отличающаяся тем, что опорное средство (17) содержит, по меньшей мере, один упругий элемент (18) между участком (12) обмотки (8) и соответствующим полюсным расширением (5).

11. Электрическая машина по п.9 или 10, отличающаяся тем, что обмотка (8) намотана на соответствующее полюсное расширение (5), образуя пространство (S) между участком (12) обмотки (8) и соответствующим полюсным расширением (5), причем опорное средство (17) размещено внутри пространства (S).

12. Электрическая машина по п.11, отличающаяся тем, что пространство (S) ограничено сверху электроизоляционным элементом (7), расположенным между полюсным расширением (5) и обмоткой (8), и снизу участком (12) обмотки (8).

13. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что содержит множество опорных участков (11), каждый из которых взаимодействует с соответствующим участком (12) обмотки (8).

14. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что корпус (2) содержит множество разнесенных с угловыми промежутками выступов (13), каждый из которых взаимодействует с соответствующим участком (12) обмотки (8).

15. Способ изготовления электрической машины, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают корпус (2) с боковой стенкой (2а) и дном (2b);
обеспечивают статор (3), имеющий, по меньшей мере, одно полюсное расширение (5) и проходящее вокруг оси (X), совпадающей с осью вращения соответствующего ротора электрической машины (1);
формируют обмотку (8) из токопроводящего провода вокруг полюсного расширения (5);
вставляют статор (3) в корпус (2) вдоль линии, параллельной оси (X) статора (3);
отличающийся тем, что дно (2b) корпуса (2) имеет, по меньшей мере, один выступ (13), и этап вставки статора (3) в корпус (2) выполняют таким образом, чтобы участок (12) обмотки (8) упирался в выступ (13).

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что этап формирования обмотки (8) содержит этапы, на которых:
наматывают токопроводящий провод вокруг полюсного расширения (5), формируя пространство (S) между участком (12) обмотки (8), обращенным к дну (2b) корпуса (2), и полюсным расширением (5);
помещают эластичный элемент (18) в пространство (S);
помещают между участком (12) обмотки (8) и дном (2b) теплопроводящий и электроизоляционный промежуточный элемент (15);
при этом этап вставки статора (3) в корпус (2) содержит этап, на котором надавливают на статор (3) вдоль оси (X) таким образом, чтобы участок (12) обмотки (8) упирался в дно (2b), вызывая сжатие упругого элемента (18).

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что этап формирования пространства (S) содержит этап, на котором формируют пространство (S) между полюсным расширением (5) и электроизоляционным элементом (7), расположенным между полюсным расширением (5) и обмоткой (8).

18. Способ по п.16 или 17, отличающийся тем, что этап наматывания токопроводящего провода на полюсное расширение (5) содержит этап, на котором свободно наматывают провод на полюсное расширение (5) с образованием пространства (S) и затем вставляют эластичный элемент (18) в пространство (S).

19. Способ по п.16, отличающийся тем, что этап наматывания токопроводящего провода на полюсное расширение (5) содержит этап, на котором соединяют упругий элемент (18) с полюсным расширением (5) и затем наматывают провода на полюсное расширение (5), соединенное с упругим элементом (18), формируя пространство (S), внутри которого расположен упругий элемент (18).

20. Способ по п.16, отличающийся тем, что этап вставки статора (3) в корпус (2) содержит этап, на котором наглухо прикрепляют статор (3) к корпусу (2), а этап надавливания на статор (3) вдоль оси (X) продолжается до тех пор, пока статор (3) не будет зафиксирован.