СТАТОР ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2014 года по МПК H02K1/16 H02K3/28 

Изобретение относится к статору вращающейся электрической машины с постоянным возбуждением.

Во вращающейся электрической машине с постоянным возбуждением, как, например, в генераторе с постоянным возбуждением или электродвигателе с постоянным возбуждением, в частности, моменты покоя в состоянии покоя электрического двигателя являются критическим параметром проектирования. Амплитуда моментов покоя должна быть при этом по возможности минимальной. Кроме того, также моменты качания, которые возникают под нагрузкой, должны поддерживаться по возможности малыми.

В особенности, при непосредственно приводимых ветроэлектрических генераторах с постоянным возбуждением моменты покоя, которые возникают в состоянии покоя, а также моменты качания, которые возникают при работе ветроэлектрического генератора, должны поддерживаться по возможности малыми.

Для минимизации моментов качания в настоящее время применяют в основном следующие способы:

- наклон (скашивание) постоянных магнитов, расположенных в роторе электрической машины,

- скашивание электрических проводников в статоре электрической машины,

- смещение постоянных магнитов ротора относительно полюсного центра.

Вышеназванные известные способы связаны, однако, с существенными затратами на изготовление.

Особенно в электрических мощных машинах статор обычно оснащен так называемыми двухслойными обмотками, в редких случаях также с однослойными обмотками. Чтобы при этом иметь возможность реализовать катушки одинаковой ширины, обычным является, особенно в двухслойных обмотках, выполнять ширину зубцов и пазов таким образом, что получается равномерная ширина шага по пазам по окружности статора, причем все зубцы и пазы имеют одинаковую ширину. При однослойных обмотках с тремя ярусами или бочкообразных катушках за счет размещения катушек группы катушек, напротив, на каждую группу катушек реализуется так называемый двойной шаг по пазам, так что на каждую группу катушек получается так называемая полюсная пара. После каждой группы катушек находится область на окружности статора, в которой не размещены никакие катушки. Эта особенность расположения может использоваться для того, чтобы варьировать ширину шага по пазам по окружности статора, но при этом ширина катушек не должна быть различной. Это может быть использовано для того, чтобы уменьшить возникающие моменты покоя и качания и улучшить форму кривой распределения магнитной индукции (коэффициента обмотки).

Задачей изобретения является уменьшить моменты покоя и/или качания, возникающие во вращающейся электрической машине с постоянным возбуждением.

Эта задача решается посредством статора вращающейся электрической машины с постоянным возбуждением, причем статор имеет несколько проходящих в осевом направлении статора зубцов и пазов, причем вдоль окружности статора расположены группы катушек, причем группы катушек имеют, соответственно, по меньшей мере три катушки, которые размещены в окружном направлении в непосредственно последовательно друг за другом расположенных пазах, причем все пазы имеют единую ширину NB паза, причем зубцы, которые расположены не в середине группы катушек и не между двумя размещенными в окружном направлении непосредственно последовательно друг за другом группами катушек, имеют единую ширину ZB зубца, причем в середине первой группы катушек размещен средний зубец, который имеет первую ширину МВ среднего зубца, причем статор имеет вторую группу катушек, причем первая и вторая группы катушек размещены в окружном направлении непосредственно последовательно друг за другом, причем между первой и второй группами катушек размещен первый краевой зубец, который имеет первую ширину RB краевого зубца, причем первая ширина RB краевого зубца по существу равна

RB=a·ZB

и первая ширина МВ среднего зубца по существу равна

МВ=(2-a)·ZB

причем коэффициент а больше чем 0 и меньше чем 1, причем коэффициент а больше чем 0 и максимально равен 0,35.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Оказывается предпочтительным, если коэффициент а больше чем 0 и максимально равен 0,35. Если коэффициент а больше чем 0 и максимально равен 0,35, моменты покоя и/или качания снижаются особенно сильно.

Кроме того, оказывается предпочтительным, если ширины краевых зубцов и ширины средних зубцов в остальных группах катушек выполнены соответственно тому, как в первой группе катушек, причем коэффициент а для всех групп катушек является идентичным, или коэффициент а является различным для по меньшей мере двух групп катушек. Если коэффициент а для всех групп катушек является идентичным, получается очень симметричная общая структура, и моменты покоя и/или качания снижаются особенно сильно. Если коэффициент а является неодинаковым, то статор может быть изготовлен особенно просто.

Вращающаяся электрическая машина с постоянным возбуждением может при этом быть выполнена, например, как генератор или электродвигатель, причем генератор может быть выполнен, в частности, как ветроэлектрический генератор и, в частности, как ветроэлектрический генератор с непосредственным приводом (ветровое колесо непосредственно, без промежуточно включенного редуктора, соединено с ветроэлектрическим генератором).

Пример выполнения изобретения представлен на чертежах и ниже поясняется более подробно. При этом на чертежах показано следующее:

фиг.1 - схематичный вид соответствующей изобретению вращающейся электрической машины с постоянным возбуждением и

фиг.2 - схематичное детальное представление фрагмента соответствующего изобретению статора машины.

На фиг.1 показан схематичный вид соответствующей изобретению вращающейся электрической машины 1 с постоянным возбуждением. При этом машина 1 в рамках примера осуществления выполнена как генератор, и в частности, как ветроэлектрический генератор. Здесь следует отметить, что для наглядности на фиг.1 представлены только элементы машины 1, существенные для понимания изобретения.

Машина 1 имеет ротор 2, который размещен с возможностью вращения относительно оси R вращения машины 1. При этом ротор 2 включает в себя все размещенные с возможностью вращения относительно оси R элементы машины 1. Ротор 2 имеет роторное ярмо 3, на котором размещены постоянные магниты, причем для наглядности на фиг.1 только постоянный магнит 4 снабжен ссылочной позицией. При работе машины 1 ротор 2 вращается в данном примере осуществления относительно статора 5, размещенного по центру машины 1 и расположенного неподвижно относительно окружающей среды машины 1. Так как ротор 2 расположен вокруг статора 5, такая машина определяется также как внешний ротор. Так как ротор 2 имеет постоянные магниты, которые постоянно генерируют магнитное поле для работы машины 1, такая машина определяется как машина с постоянным возбуждением или с возбуждением постоянными магнитами. Так как машина 1 имеет ротор 2, вращающийся при работе машины 1 вокруг оси R вращения ротора, такая машина также называется вращающейся электрической машиной.

Статор 5 имеет несколько проходящих в осевом направлении Z зубцов и пазов, причем для наглядности на фиг.1 только зубцы 7а, 8а и 9 и паз 6а снабжены ссылочной позицией. При этом статор в рамках данного примера осуществления состоит из расположенных друг за другом в осевом направлении Z листов железа. При этом отдельные листы, как правило, снабжены электроизолирующим слоем, например слоем лака.

Зубцы и пазы сегментов образуются за счет соответствующего выполнения формы листов. В пазах вокруг зубцов проходят электрические катушки статора, причем катушки, для наглядности и поскольку они несущественны для понимания изобретения, не представлены на чертеже.

В обычных вращающихся электрических машинах с постоянным возбуждением ширины отдельных зубцов 5 статора все одинаковы. В соответствии с изобретением, за счет целенаправленного увеличения и уменьшения ширины определенных зубцов по отношению к остальным зубцам статора моменты покоя и качания, возникающие при работе машины 1, уменьшаются.

Здесь следует еще раз отметить, что на фиг.1 показано схематичное представление, при котором, например, в частности, ширина, число и размеры зубцов, пазов и постоянных магнитов, а также величина воздушных зазоров между статором и ротором не соответствуют реальности.

На фиг.2 в форме схематичного вида в разрезе представлен фрагмент статора 5. Для наглядности фрагмент статора 5 показан не в форме круговой дуги, как в реальности, а схематично в развертке на плоскости.

Вдоль окружности статора 5 размещены группы катушек, причем группы катушек имеют, соответственно, по меньшей мере три катушки. При этом на фиг.2 показана первая группа 10а катушек, которая состоит из трех катушек R1, T1 и S1, и вторая группа 10b катушек, которая состоит из трех катушек R2, T2 и S2. Катушки показаны при этом только символически. Вторая группа 10b катушек в окружном направлении U статора расположена непосредственно после первой группы 10а катушек. Для наглядности на фиг.2 только пазы 6а и 6d снабжены ссылочной позицией, причем все пазы статора имеют одинаковую ширину NB паза, то есть единую ширину NB паза.

Первая группа 10а катушек имеет в этом примере выполнения, как уже отмечено, катушки R1, T1 и S1, а вторая группа 10b катушек - катушки R2, T2 и S2. При этом катушка R1 проходит, как указано символом катушки R1, в пазах 6а и 6d и окружает тем самым зубцы 7а, 7b и 8а. Соответственно, остальные катушки проходят в пазах, относящихся к соответствующим пазам, как представлено символами катушек. Через катушки R1 и R2 протекает фазный ток R, через катушки Т1 и Т2 протекает фазный ток Т, и через катушки S1 и S2 - фазный ток S. При этом группы катушек размещены вдоль окружности статора. Как уже пояснено, в рамках примера выполнения, группы катушек имеют, соответственно, по три катушки. Это не обязательно должно быть так, и группа катушек может иметь более трех катушек. Так, например, группы катушек также могут иметь по шесть катушек, причем в этом случае через первые две непосредственно следующие друг за другом в окружном направлении U катушки протекает фазный ток R, через следующие две непосредственно следующие друг за другом в окружном направлении U катушки протекает фазный ток Т, и через следующие две непосредственно следующие друг за другом в окружном направлении U катушки протекает фазный ток S, так что в целом возникает трехфазная система переменного тока.

Первой группе 10а катушек соответствуют зубцы 7а, 7b, 8а, 7с, 7d и зубец 9. Второй группе 10b катушек соответствуют зубцы 7е, 7f, 8b, 7g, 7b и 11. Зубцы, которые расположены в середине групп катушек, далее называются средними зубцами, а зубцы, которые расположены между двумя непосредственно следующими друг за другом в окружном направлении U группами катушек далее обозначаются как краевые зубцы. Первый средний зубец 8а размещен в середине первой группы 10а катушек, а второй средний зубец 8b размещен в середине второй группы 10b катушек. Первый краевой зубец 9 размещен между первой группой 10а катушек и второй группой 10b катушек. В окружном направлении U статора после первой группы 10а катушек непосредственно следует вторая группа 10b катушек.

Второй краевой зубец 11 расположен между второй группой 10b катушек и не показанной на фиг.2 третьей группой катушек. Зубцы, которые расположены не в середине группы катушек и не между двумя непосредственно следующими друг за другом в окружном направлении статора группами катушек, все имеют одинаковую ширину ZB зубца, то есть единую ширину ZB зубца. В рамках данного примера выполнения это зубцы 7а, 7b, 7с, 7d, 7e, 7f, 7g и 7h. Зубцы 7а, 7b, 7с, 7d, 7e, 7f, 7g и 7h имеют единую ширину ZB зубца. Как уже пояснено, все пазы имеют одинаковую ширину NB паза, то есть единую ширину NB паза. Первый средний зубец 8а имеет первую ширину МВ среднего зубца, и первый краевой зубец имеет первую ширину RB краевого зубца.

При этом в рамках данного примера выполнения средний зубец во всех группах катушек имеет одинаковую ширину МВ среднего зубца, то есть единую ширину МВ среднего зубца. Кроме того, все краевые зубцы имеют одинаковую ширину RB краевого зубца, то есть единую ширину RB краевого зубца.

В обычных статорах вращающейся электрической машины с постоянным возбуждением все зубцы и все пазы имеют единую ширину. Это означает, что так называемая ширина NTB шага по пазам, которая является суммой ширины зубца и ширины паза, непосредственно следующего за зубцом, в случае обычного статора получается из соотношения:

причем N - число пазов, U - окружность статора и r - радиус статора.

В соответствии с изобретением для уменьшения моментов покоя и/или качания ширина шага по пазам изменяется, при этом ширина зубца, который расположен между двумя непосредственно следующими друг за другом в окружном направлении группами катушек, уменьшается на коэффициент а, и, соответственно коэффициенту а, ширина зубца, который размещен в середине группы катушек, к которой относится упомянутый краевой зубец, увеличивается. Первая ширина RB краевого зубца первого краевого зубца 9, таким образом, по отношению к ширине ZB зубца уменьшается и, соответственно уменьшению, первая ширина МВ среднего зубца первого среднего зубца 8а увеличивается. Для первой ширины RB краевого зубца справедливо, таким образом:

RB=a·ZB (2)

и для первой ширины МВ среднего зубца справедливо:

МВ=(2-a)·ZB (3)

причем коэффициент а больше, чем 0, и максимально равен 0,35. Ширина ZB зубца соответствует при этом длине круговой дуги в пределах угла α₁, ширина NB паза соответствует длине круговой дуги в пределах угла α₂, $$$$ первая ширина МВ среднего зубца соответствует длине круговой дуги в пределах угла α₃, и первая ширина RB краевого зубца соответствует длине круговой дуги в пределах угла α₄ (см. фиг.1).

Таким образом, справедливо следующее:

причем r - радиус статора. Радиус r статора проходит при этом от оси R вращения до обращенной к ротору 2 стороны зубца (см. фиг.1). Соответствующий угол является углом, который охватывается проходящими в осевом направлении Z краями обращенной к ротору 2 стороны соответствующих зубцов, исходя от оси R ротора (см. фиг.1). Обращенная к ротору 2 сторона первого среднего зубца 8а на фиг.1 снабжена ссылочной позицией 13, и проходящие в осевом направлении R края обращенной к ротору 2 стороны 11 первого среднего зубца 8а снабжены на фиг.1 ссылочными позициями 12а и 12b.

За счет соответствующего изобретению уменьшения ширины краевого зубца и соответствующего увеличения ширины среднего зубца ширина катушек не изменяется. Расстояние между катушками внутри группы катушек также равно. Таким образом, получается, как в обычном статоре, симметричная трехфазная система переменного тока.

При этом ширина NB паза выбрана таким образом, что катушки входят в пазы.

Если коэффициент а больше чем нуль и максимально равен 0,35, то возникающие моменты покоя и/или качания особенно сильно снижаются.

При этом в рамках данного примера выполнения, ширины краевых зубцов и ширины средних зубцов в остальных группах катушек выполнены, соответственно, как в первой группе 10а катушек, причем коэффициент а для всех групп катушек является идентичным. Ширина среднего зубца у второго среднего зубца 8b, таким образом, такой же величины, что и ширина среднего зубца у первого среднего зубца 8а, и ширина краевого зубца у второго краевого зубца 11, таким образом, такой же величины, что и ширина краевого зубца у первого краевого зубца 9.

В качестве альтернативы этому, значение коэффициента а в группах катушек может быть различным. Так, например, коэффициент а для первой группы 10а катушек может составлять 0,1, а для второй группы 10b катушек - 0,2, так что для ширины средних зубцов 8а и 8b и ширины краевых зубцов 9 и 11 получаются различные значения.

Изобретение относится к электротехнике, к статору вращающейся электрической машины (1) с постоянным возбуждением. В середине первой группы (10a) катушек размещен средний зубец (8a), который имеет первую ширину MB среднего зубца. Статор (5) имеет вторую группу (10b) катушек. Первая и вторая группы катушек размещены в окружном направлении (U) непосредственно последовательно друг за другом. Между первой и второй группами катушек размещен первый краевой зубец (9), который имеет первую ширину RB краевого зубца. Первая ширина RB краевого зубца по существу равна RB=a·ZB, и первая ширина MB среднего зубца по существу равна MB=(2-a)·ZB. Коэффициент а больше чем 0 и меньше чем 1. Технический результат состоит в уменьшении моментов покоя и/или качания, возникающих во вращающейся электрической машине (1) с постоянным возбуждением. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Статор вращающейся электрической машины (1) с постоянным возбуждением, причем статор (5) имеет несколько проходящих в осевом направлении (Z) статора (5) зубцов (7a, 8a, 9) и пазов (6a, 6d), причем вдоль окружности статора (5) расположены группы (10a, 10b) катушек, причем группы (10a, 10b) катушек имеют, соответственно, по меньшей мере три катушки (R1, T1, S1), которые размещены в окружном направлении (U) в непосредственно последовательно друг за другом расположенных пазах, причем все пазы имеют единую ширину NB паза, причем зубцы, которые расположены не в середине группы (10a, 10b) катушек и не между двумя размещенными в окружном направлении (U) статора (5) непосредственно последовательно друг за другом группами (10a, 10b) катушек, имеют единую ширину ZB зубца, причем в середине первой группы (10a) катушек размещен средний зубец (8a), который имеет первую ширину MB среднего зубца, причем статор (5) имеет вторую группу (10b) катушек, причем первая и вторая группы катушек размещены в окружном направлении (U) непосредственно последовательно друг за другом, причем между первой и второй группами катушек размещен первый краевой зубец (9), который имеет первую ширину RB краевого зубца, причем первая ширина RB краевого зубца по существу равна
RB=a·ZB
и первая ширина MB среднего зубца по существу равна
MB=(2-a)·ZB,
причем коэффициент а больше чем 0 и меньше чем 1,
причем коэффициент а больше чем 0 и максимально равен 0,35.

2. Статор по п.1, отличающийся тем, что ширины краевых зубцов и ширины средних зубцов остальных групп катушек выполнены соответственно тому, как для первой группы (10a) катушек, причем коэффициент а для всех групп катушек является идентичным или коэффициент а является различным для по меньшей мере двух групп катушек.

3. Вращающаяся электрическая машина с постоянным возбуждением, причем машина выполнена как генератор или электродвигатель и имеет статор по любому из предыдущих пунктов.

4. Вращающаяся электрическая машина с постоянным возбуждением по п.3, отличающаяся тем, что генератор выполнен как ветроэлектрический генератор.