ТОРЦЕВАЯ АСИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2014 года по МПК H02K17/12 H02K9/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к торцевым асинхронным электрическим машинам, и может быть использовано в стационарных установках и на транспорте.

Известны торцевые асинхронные электрические машины (например, SU 1008851, 1983 г.), имеющие одностороннюю конструкцию статора. Основным недостатком таких машин является увеличенное тяжение ротора к статору и связанный с ним повышенный износ в опорах качения.

Известна двусторонняя торцевая асинхронная электрическая машина (RU 2232459, 2004 г.), имеющая два тороидальных статора, между которыми установлен ротор, состоящий из центрального диска, с закрепленным на нем магнитопроводом. Каждый статор упомянутой машины оснащен конструктивно независимыми опорами с регулировочными устройствами и системой установочных винтов. К достоинствам этой машины следует отнести возможность тщательной регулировки рабочего зазора с помощью регулировочных устройств, а ее недостатки связаны с тем, что ротор содержит магнитопровод для тангенциального замыкания магнитного потока, созданного каждым статором по отдельности. Это означает, что в машине существуют осевые силы, проявляющиеся при взаимодействии каждой пары «статор-ротор» аналогично силам в односторонней машине. Компенсация сил одностороннего тяжения возложена на систему регулировки зазоров.

Известна торцевая асинхронная электрическая машина, в которой устранение источника осевых сил достигнуто путем формировании сквозного магнитного потока через ротор от одного статора к другому, для которого суммарный рабочий зазор остается неизменным, например асинхронный двигатель с двумя тороидальными статорами и дисковым ротором, изготовленным из электропроводящего немагнитного материала и содержащим ферромагнитные вставки (US 6809453, 2004 г., фиг.14), принятый в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) заявляемого изобретения.

В прототипе с целью уменьшения габаритов обмотка формируется из катушек, каждая из которых охватывает один зубец статора. Недостатком такой конструкции обмотки является низкий обмоточный коэффициент.

Другим недостатком прототипа является увеличенный немагнитный зазор, обусловленный непрерывной зубчатостью на противолежащих статорах.

Также в прототипе не предусмотрен отвод тепла от наиболее нагруженных рабочих частей ротора и статора, а непрерывная зубчатая структура статора не позволяет размещать в магнитопроводах статоров вентиляционные каналы без ухудшения условий (уменьшения сечения) для прохождения рабочего магнитного потока, либо требует увеличения общих габаритов.

Кроме того, в прототипе предложена составная конструкция статора, поэтому в зонах примыкания ярмовой части и зубцовой зоны образуется множество паразитных зазоров для рабочего магнитного потока и формируются контуры вихревых токов, что увеличивает потери в стали статора.

Задача, реализуемая изобретением, направлена на создание компактной торцевой асинхронной электрической машины с улучшенными энергетическими характеристиками и условиями для отвода тепла.

Технический результат, получаемый в результате использования изобретения, заключается в повышении энергетических показателей за счет повышения обмоточного коэффициента и снижения эквивалентного немагнитного зазора, а также в снижении тепловых нагрузок, массы и габаритных размеров асинхронных машин.

Технический результат достигается тем, что в торцевой асинхронной электрической машине, содержащей два тороидальных статора с обмотками, образованными фазами А, В, С, уложенными в пазах магнитопроводов каждого из статоров, и дисковый ротор, выполненный из электропроводящего немагнитного материала с ферромагнитными вставками, размещенными в его пазах, согласно изобретению, обмотка каждого из статора сформирована из концентрических катушек, расположенных в один слой на окружности магнитопровода в последовательности А, С, В, и при этом статоры установлены друг относительно друга таким образом, что катушки одноименных фаз противолежащих статоров сдвинуты между собой на триста шестьдесят электрических градусов.

Дополнительные отличительные признаки состоят в том, что:

- ротор выполнен составным по толщине, по меньшей мере, из двух дисков, разделенных между собой воздушным промежутком, упомянутые пазы которых служат для размещения общих ферромагнитных вставок;

- в дисках ротора выполнены аксиальные вентиляционные каналы;

- в магнитопроводе каждого статора, охваченном концентрической катушкой одной фазы, выполнены радиальные вентиляционные каналы.

Предлагаемое настоящим изобретением выполнение и взаиморазмещение обмоток статоров обеспечивает увеличение обмоточного коэффициента, что повышает использование материала обмотки. Лобовые части обмотки имеют минимальный вылет, а лобовые части катушек разноименных фаз не имеют пересечений.

Конструкция обмотки уменьшает число пазов на каждом статоре, что снижет эквивалентный немагнитный зазор между статорами, улучшает энергетические показатели машины и приводит к упрощению конструкции.

Изготовление ротора составным по толщине, по меньшей мере, из двух дисков, разделенных между собой воздушным промежутком, в совокупности с аксиальными вентиляционными каналами во внутренней части дисков ротора формирует условия для отвода тепла и самовентиляции машины, обеспечивает интенсивный отвод тепла от наиболее нагруженной части ротора, что способствует более эффективному использованию машины и улучшению ее энергетических показателей.

На представленных чертежах:

на фиг.1 дан общий вид предлагаемой машины в разрезе (пример);

на фиг.2 - схема взаиморасположения обмоток статоров.

Осуществление изобретения

Торцевая асинхронная электрическая машина содержит корпус 1, в котором размещены противолежащие тороидальные статоры 2 и 3 и закрепленный на опорах вал 4 с дисковым ротором 5.

Обмотка каждого из статоров 2 и 3, образованная фазами А, С, и В, состоит из концентрических катушек 6 и 7 соответственно, уложенных в пазах соответствующих магнитопроводов 8 и 9. Статоры 2 и 3 установлены друг относительно друга таким образом, что их катушки 6 и 7 одноименных фаз сдвинуты между собой на триста шестьдесят электрических градусов, что формирует согласованное поле, создаваемое двумя статорами. При этом единый магнитный поток, сформированный обмотками двух статоров, проходит через зубцовую зону ротора. Такое выполнение и расположение обмоток статоров позволило создать в рабочем зазоре бегущее магнитное поле с увеличенным обмоточным коэффициентом и повысить тем самым использование материала обмотки без усложнения конструкции катушек.

Ротор 5 выполнен составным по толщине, по меньшей мере, из двух дисков 10 и 11, разделенных воздушным промежутком 12, в которых выполнены аксиальные вентиляционные каналы 13, что обеспечивает интенсивный отвод тепла от наиболее нагруженной части ротора.

Общие ферромагнитные вставки 14, необходимые для прохождения рабочего магнитного потока от одного статора к другому, одновременно с этим служат лопастями центробежного вентилятора, сформированного указанной конструкцией ротора. Ротор может содержать дополнительные элементы (не показаны), например, для формирования направлений воздушного потока.

В конкретном примере осуществления изобретения ферромагнитные вставки 14 расположены радиально (фиг.1) или могут располагаться со скосом по отношению к радиусу. Величина скоса определяется из необходимости компенсации влияния зубцовых гармоник или увеличения давления нагнетаемого воздушного потока.

Благодаря предлагаемой конструкции обмотки в магнитопроводах статоров формируются беззубцовые зоны, что позволяет без увеличения сечения магнитопроводов разместить на этих участках радиальные вентиляционные каналы 15 любой целесообразной формы, например цилиндрические. К тому же конструкция обмотки уменьшает число пазов на каждом статоре, что приводит к упрощению конструкции. Наличие беззубцовой зоны в магнитопроводах статоров снижает эквивалентный немагнитный зазор между статорами и улучшает энергетические показатели машины, а образованные таким образов вентиляционные каналы совместно с упомянутой конструкцией ротора 5 способствуют улучшению отвода тепла от элементов статора.

В зонах примыкания ярмовой части и зубцовой зоны статоры выполнены, в отличие от прототипа, едиными, что снижает потери в стали и способствует увеличению рабочего магнитного потока, снижает потери на вихревые токи, а также увеличивает жесткость конструкции магнитопровода и статора в целом.

Работа предлагаемой асинхронной электрической машины осуществляется идентично принципу действия традиционной асинхронной электрической машины с короткозамкнутым ротором и не требует дополнительных разъяснений.

Особенности функционирования машины заключаются в том, что:

концентрические катушки статоров 7 и 8 соединены в трехфазную обмотку с последовательностью фаз А, С, В. Каждый из статоров со своей обмоткой не формирует бегущее магнитное поле в рабочем зазоре двигателя, и только их взаимное расположение позволяет сформировать бегущее поле в зазоре между статорами. Бегущее магнитное поле, созданное статорами, индуцирует в дисках ротора токи и увлекает за собой ротор 5, создавая на валу крутящий момент.

Конструкция ротора 5 помимо основного функционального назначения позволяет использовать его в качестве вентилятора для самовентиляции машины и с помощью ферромагнитных вставок 14, выполняющих роль лопаток этого центробежного вентилятора, через аксиальные каналы ротора 5 по воздушному промежутку 12 между дисками 10 и 11 и по радиальным каналам внутри статоров 2 и 3 происходит перемешивание воздушной массы внутри корпуса машины, а также нагнетание воздушного потока от центра машины к ее периферии.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к торцевым асинхронным электрическим машинам, и может быть использовано в стационарных установках и на транспорте. Технический результат заключается в повышении энергетических характеристик при снижении тепловых нагрузок, габаритов и массы торцевых асинхронных машин. Отличительная особенность предлагаемой электрической машины состоит в том, что в ней обмотка каждого статора сформирована из концентрических катушек, расположенных в один слой на окружности тороидального магнитопровода в последовательности А, С, В. Ротор выполнен составным по толщине, по меньшей мере, из двух дисков, разделенных между собой воздушным промежутком и содержащих пазы, служащие для размещения общих ферромагнитных вставок. Статоры установлены друг относительно друга таким образом, что катушки одноименных фаз противолежащих статоров сдвинуты между собой на триста шестьдесят электрических градусов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Торцевая асинхронная электрическая машина, содержащая два тороидальных статора с обмотками, образованными фазами А, В, С, уложенными в пазах магнитопроводов каждого из статоров, и дисковый ротор, выполненный из электропроводящего немагнитного материала с ферромагнитными вставками, размещенными в его пазах, отличающаяся тем, что обмотка каждого статора сформирована из концентрических катушек, расположенных в один слой на окружности магнитопровода в последовательности А, С, В, и при этом статоры установлены друг относительно друга таким образом, что катушки одноименных фаз противолежащих статоров сдвинуты между собой на триста шестьдесят электрических градусов.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что ротор выполнен составным по толщине, по меньшей мере, из двух дисков, разделенных между собой воздушным промежутком, упомянутые пазы которых служат для размещения общих ферромагнитных вставок.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в дисках ротора выполнены аксиальные вентиляционные каналы.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в магнитопроводе каждого статора, охваченном концентрической катушкой одной фазы, выполнены радиальные вентиляционные каналы.