СТАТОР И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК H02K1/04 H02K1/12 H02K5/16 H02K5/24 H02K19/10 

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к статору, включающему в себя сердечник статора и обмотку статора, которая генерирует вращающееся магнитное поле, а также к электрическому двигателю, имеющему этот статор.

2. Описание предшествующего уровня техники

[0002] В целом трехфазные электрические двигатели широко известны. Такой трехфазный электрический двигатель имеет статор и ротор с вращающимся валом, установленным в центре ротора. Вращающийся вал установлен с возможностью вращения на корпусе с помощью подшипников и вращается вместе с ротором, когда ток подается на обмотку статора. Статор имеет сердечник статора и обмотку статора, намотанную вокруг сердечника статора, а обмотка статора имеет трехфазные обмотки, а именно обмотку U-фазы, обмотку V-фазы и обмотку W-фазы. Когда трехфазный переменный ток подается на эти трехфазные обмотки, генерируется вращающееся магнитное поле, в результате чего ротор вращается.

[0003] Обычные электрические двигатели имеют проблему возникновения электрической коррозии подшипников, поддерживающих вращающийся вал. Это будет описано со ссылкой на фиг. 16. Фиг. 16 представляет собой вид, показывающий конфигурацию обычного электрического двигателя 10. Любой магнитный дисбаланс, происходящий внутри электрического двигателя 10, приводит к тому, что магнитный поток более высокой электрической частоты (далее именуемый несбалансированным магнитным потоком 50) генерируется вокруг вращающегося вала 16. Затем напряжение (далее именуемое напряжением между концами вала) индуцируется между обоими концами вращающегося вала 16 благодаря несбалансированному магнитному потоку 50. Фиг. 17 представляет собой график, показывающий один пример форм сигналов, представляющих напряжение VS между концами вала и ток, протекающий через обмотку U-фазы (U-фазный ток AU). Как показано на фиг. 17, напряжение VS между концами вала представляет собой напряжение третьей гармоники, имеющее частоту в три раза выше основной частоты. Напряжение VS между концами вала подается через вращающийся вал 16 и корпус 18 на внутренние и наружные кольца вращающихся подшипников 19. Несмотря на то, что внутренние и наружные кольца подшипника 19 изолированы друг от друга пленкой смазочного масла, эта пленка смазочного масла имеет толщину несколько микрометров, и, таким образом, происходит пробой изоляции при приложении напряжения выше определенного порога (порядка нескольких вольт). После пробоя изоляции между внутренними и наружным кольцами подшипника 19 индуцированный ток 52 протекает по пути циркуляции от вращающегося вала 16 через подшипник 19 к корпусу 18 и обратно к вращающемуся валу 16, как показано пунктирной линией на фиг. 16. Здесь возникает та проблема, что Джоулевы потери концентрируется на этой части разрушения изоляции, т.е. подшипнике 19, что способствует электрической коррозии подшипника 19.

[0004] Для предотвращения такой электрической коррозии подшипников способ, описанный в публикации японской патентной заявки №2014-11827, включает в себя отдельно обеспечение проводящего элемента, который механически соединяет вместе вращающийся вал и корпус. Эта конфигурация может предотвращать электрическую коррозию подшипников, заставляя индуцированный ток протекать в основном через проводящий элемент, который имеет более низкое сопротивление, чем подшипники.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Тем не менее, метод из публикации японской патентной заявки №2014-11827, который требует обеспечения отдельно проводящего элемента, накладывает конструктивные ограничения на вращающийся вал, корпус и вращающуюся выходную часть. Таким образом, возникают другие проблемы, такие как уменьшение гибкости конструкции и увеличение в целом размера, веса и стоимости электрического двигателя.

[0006] С учетом вышеуказанных проблем настоящим изобретением предложен электрический двигатель и статор, которые могут предотвращать электрическую коррозию подшипников, не требуя проводящего элемента, соединяющего вместе вращающийся вал и корпус.

[0007] Статор для электрического двигателя в одном из примеров осуществления настоящего изобретения содержит: сердечник статора, включающий в себя ярмо, имеющее кольцевую форму, и множество зубьев, выступающих от внутренней цилиндрической поверхности ярма в радиальном направлении статора; обмотку статора, намотанную вокруг зубьев, причем обмотка статора сконфигурирована для генерирования вращающегося магнитного поля при подаче тока на обмотку статора; а также компенсирующую обмотку, проходящую в осевом направлении статора в местоположениях со стороны внутренней цилиндрической поверхности и со стороны наружной цилиндрической поверхности ярма, при этом компенсирующая обмотка намотана вокруг сердечника статора таким образом, что компенсирующая обмотка проходит в радиальном направлении статора в местоположениях вне сердечника статора в осевом направлении статора и пересекает ярмо, причем компенсирующая обмотка включает в себя, по меньшей мере, один замкнутый контур.

[0008] Такая конфигурация приводит к тому, что несбалансированный магнитный поток протекает внутри ярма в направлении по окружности, чтобы проникнуть в компенсирующую обмотку, при этом напряжение третьей гармоники индуцируется в компенсирующую обмотке. Затем при возникновении напряжения третьей гармоники ток в направлении блокировки несбалансированного магнитного потока протекает через компенсирующую обмотку. В результате несбалансированный магнитный поток уменьшается, и электрическая коррозия подшипников предотвращается.

[0009] Вышеуказанный объект может быть сконфигурирован следующим образом. Обмотка статора имеет обмотку U-фазы (PU), обмотку V-фазы (PV) и обмотку W-фазы (PW); при этом обмотка U-фазы, обмотка V-фазы и обмотка W-фазы соединены друг с другом; компенсирующая обмотка имеет, по меньшей мере, одну обмотку первой секции (CU), соответствующую обмотке U-фазы, по меньшей мере, одну обмотку второй секции (CV), соответствующую обмотке V-фазы и, по меньшей мере, одну обмотку третьей секции (CW), соответствующую обмотке W-фазы; а компенсирующая обмотка включает в себя, по меньшей мере, один замкнутый контур, в котором обмотка первой секции, обмотка второй секции и обмотка третьей секции соединены последовательно.

[0010] Эффективный магнитный поток, который генерирует момент вращения, также проникает в компенсирующую обмотку. Таким образом, трехфазные индуцированные напряжения первой гармоники, отличающиеся друг от друга по фазе, индуцируются в обмотках секций с первую по третью. Когда эти обмотки секций с первой по третью соединены последовательно, индуцированные напряжения первой гармоники гасят друг друга, снижая значение напряжения первой гармоники в замкнутом контуре в целом. В результате менее вероятно протекание тока в направлении блокировки эффективного магнитного потока через компенсирующую обмотку, так что уменьшение момента вращения может быть предотвращено.

[0011] Магнитодвижущая сила обмотки первой секции, магнитодвижущая сила обмотки второй секции и магнитодвижущая сила обмотки третьей секции могут быть равны друг другу.

[0012] Такая конфигурация позволяет уменьшить напряжение первой гармоники в замкнутом контуре в целом почти до нуля. В результате почти никакой ток в направлении блокировки эффективного магнитного потока не протекает через компенсирующую обмотку, так что уменьшение момента вращения может быть предотвращено.

[0013] Вышеуказанный объект может быть сконфигурирован следующим образом. Компенсирующая обмотка имеет множество обмоток первой секции, намотанных в разных местоположениях, множество обмоток второй секции, намотанных в разных местоположениях, а также множество обмоток третьей секции, намотанных в разных местоположениях, и все множества обмоток первой секции, обмоток второй секции и обмоток третьей секции соединены последовательно и образуют один замкнутый контур.

[0014] Даже тогда, когда генерируемый эффективный магнитный поток является магнитно нестабильным из-за эксцентриситета ротора и т.д., эта конфигурация может уменьшить это влияние на замкнутый контур в целом.

[0015] Вышеуказанный объект может быть сконфигурирован следующим образом. Компенсирующая обмотка имеет множество обмоток первой секции, намотанных в разных местоположениях, множество обмоток второй секции, намотанных в разных местоположениях, и множество обмоток третьей секции, намотанных в разных местоположениях, а компенсирующая обмотка имеет множество замкнутых контуров, в каждом из которых одна обмотка первой секции, одна обмотка второй секции и одна обмотка третьей секции соединены последовательно.

[0016] Эта конфигурация может упростить конфигурацию каждого замкнутого контура, что обеспечивает легкую намотку компенсирующей обмотки.

[0017] Вышеуказанный объект может быть сконфигурирован следующим образом. Канавки, пролегающие в осевом направлении статора, размещены в местоположениях, находящихся на наружной цилиндрической поверхности ярма напротив зубьев, и компенсирующая обмотка частично размещена в этих канавках.

[0018] Эта конфигурация может предотвратить выступание компенсирующей обмотки из наружной цилиндрической поверхности сердечника статора и, таким образом, может предотвратить помехи между статором и корпусом.

[0019] Вышеуказанный объект может быть сконфигурирован следующим образом. Компенсирующая обмотка сконфигурирована для прохождения через паз, который является зазором между зубьями, и компенсирующая обмотка может быть сконфигурирована с возможностью намотки таким образом, что компенсирующая обмотка пересекает ярмо в местоположениях вне сердечника статора в осевом направлении статора.

[0020] Эта конфигурация может сократить длину проволоки компенсирующей обмотки, а также улучшить магнитные свойства по сравнению с конфигурацией, в которой компенсирующая обмотка пересекает обмотку статора и зубья.

[0021] Вышеуказанный объект может быть сконфигурирован следующим образом. Компенсирующая обмотка сконфигурирована для прохождения через местоположения со стороны внутренней цилиндрической поверхности обмотки статора, и компенсирующая обмотка сконфигурирована с возможностью намотки таким образом, что компенсирующая обмотка пересекает обмотку статора и ярмо в местоположениях вне сердечника статора в осевом направлении статора.

[0022] Эта конфигурация может устранять несбалансированный магнитный поток, даже если паз не имеет дополнительного пространства.

[0023] Вышеуказанный объект может быть сконфигурирован следующим образом. Компенсирующая обмотка сконфигурирована для прохождения через местоположения со стороны внутренней цилиндрической поверхности зубьев, и компенсирующая обмотка сконфигурирована с возможностью намотки таким образом, что компенсирующая обмотка пересекает зубья и ярмо в местоположениях вне сердечника статора в осевом направлении статора.

[0024] Эта конфигурация может устранять несбалансированный магнитный поток, даже если паз не имеет дополнительного пространства.

[0025] Вышеуказанный объект может быть сконфигурирован следующим образом. Обмотка статора образована из обмотки U-фазы, обмотки V-фазы и обмотки W-фазы в соединении звездой, а компенсирующая обмотка не соединена с обмоткой статора.

[0026] Эта конфигурация может устранять несбалансированный магнитный поток в статоре, имеющем обмотки, соединенные звездой.

[0027] Вышеуказанный объект может быть сконфигурирован следующим образом. Обмотка статора образована из обмотки U-фазы, обмотки V-фазы и обмотки W-фазы в соединении треугольником, а компенсирующая обмотка соединена последовательно с обмоткой статора.

[0028] Эта конфигурация может устранять несбалансированный магнитный поток в статоре, имеющем обмотки, соединенные треугольником.

[0029] Электрический двигатель в другом примере осуществления настоящего изобретения содержит: ротор; вращающийся вал, сконфигурированный для установки с возможностью вращения в корпусе с использованием подшипников и для вращения вместе с ротором; а также статор, расположенный со стороны наружной боковой поверхности ротора, при этом статор содержит: сердечник статора, включающий в себя ярмо, имеющее кольцевую форму, и множество зубьев, выступающих от внутренней цилиндрической поверхности ярма в радиальном направлении статора; обмотку статора, намотанную вокруг зубьев, при этом обмотка статора сконфигурирована для генерирования вращающегося магнитного поля при подаче тока на обмотку статора; и компенсирующую обмотку, проходящую в осевом направлении статора в местоположениях со стороны внутренней цилиндрической поверхности и со стороны наружной цилиндрической поверхности ярма, причем компенсирующая обмотка намотана вокруг сердечника статора таким образом, что компенсирующая обмотка проходит в радиальном направлении статора в местоположениях снаружи сердечника статора в осевом направлении статора и пересекает ярмо, при этом компенсирующая обмотка включает в себя, по меньшей мере, один замкнутый контур.

[0030] Такая конфигурация приводит к тому, что несбалансированный магнитный поток, протекающий внутри ярма в направлении по окружности, проникает в компенсирующую обмотку, при этом в компенсирующей обмотке индуцируется напряжение третьей гармоники. Затем, когда напряжение третьей гармоники индуцировано, ток в направлении блокировки несбалансированного магнитного потока протекает через компенсирующую обмотку. В результате несбалансированный магнитный поток уменьшается, и электрическая коррозия подшипников предотвращается.

[0031] В соответствии с настоящим изобретением, наличие компенсирующей обмотки может уменьшить несбалансированный магнитный поток. В результате можно предотвратить электрическую коррозию подшипников без установки проводящего элемента, который соединяет вместе вращающийся вал и корпус.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0032] Признаки, преимущества, а также техническое и промышленное значение примеров осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы и на которых:

фиг. 1 представляет собой вид в поперечном разрезе электрического двигателя, который является примером осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 представляет собой вид в разрезе, выполненный по линии 2А-2А на фиг. 1;

фиг. 3 представляет собой схему подключения компенсирующей обмотки;

фиг. 4 представляет собой схему подключения другой компенсирующей обмотки;

фиг. 5 представляет собой диаграмму, показывающую индуцированные напряжения первой гармоники;

фиг. 6 представляет собой диаграмму, показывающую индуцированные напряжения третьей гармоники;

фиг. 7 представляет собой диаграмму, показывающую напряжения между концами вала;

фиг. 8 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий один пример другого электрического двигателя;

фиг. 9 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий один пример еще одного электрического двигателя;

фиг. 10 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий еще один пример другого электрического двигателя;

фиг. 11 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий еще один пример другого электрического двигателя;

фиг. 12 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий еще один пример другого электрического двигателя;

фиг. 13А и фиг. 13В представляют собой виды в разрезе, выполненные по линии 13В-13В на фиг. 12;

фиг. 14 представляет собой схему соединения обмотки статора и компенсирующей обмотки, соединенной треугольником;

фиг. 15 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий еще один пример другого электрического двигателя;

фиг. 16 представляет собой вид в продольном разрезе обычного электрического двигателя; а также

фиг. 17 представляет собой диаграмму, показывающую U-фазный ток и напряжение между концами вала в обычном электрическом двигателе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0033] Пример осуществления настоящего изобретения будет описан ниже со ссылкой на чертежи. Фиг. 1 представляет собой вид в поперечном разрезе электрического двигателя 10, который является примером осуществления настоящего изобретения. Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе, выполненный по линии 2А-2А на фиг. 1. Для наглядности компенсирующая обмотка 32 показана со сравнительно большими размерами на чертежах, на которые производятся ссылки, однако фактический размер компенсирующей обмотки 32 меньше. В последующем описании осевое направление, направление по окружности, а также радиальное направление соответственно относятся к осевому направлению, направлению по окружности и радиальному направлению статора 14.

[0034] Электрический двигатель 10 в основном подразделяется на ротор 12, статор 14, вращающийся вал 16 и корпус 18. Ротор 12 включает в себя сердечник 20 ротора и постоянные магниты, встроенные в сердечник 20 ротора. Сердечник 20 ротора представляет собой столбчатый элемент, состоящий из стопки электромагнитных стальных листов. Вращающийся вал 16 вставляется и фиксируется в центре сердечника 20 ротора. Вращающийся вал 16 установлен обоими концами на корпусе 18 с помощью подшипников 19, и вращающийся вал 16 и сердечник 20 ротора, прикрепленный к вращающемуся валу 16, выполнены с возможностью вращения относительно корпуса 18.

[0035] Подшипник 19 имеет множество подшипников 19b качения (сферических тел), расположенных между наружным кольцом 19а и внутренним кольцом 19с, с пленкой смазочного масла, расположенной между наружным кольцом 19а и подшипниками 19b качения, а также между внутренним кольцом 19с и подшипниками 19b качения. Эта пленка смазочного масла функционирует и в качестве смазочного материала, который обеспечивает плавное движение подшипников 19b качения, и в качестве изоляционного элемента, который изолирует наружное кольцо 19а и внутреннее кольцо 19с друг от друга. Таким образом, при наличии такой введенной пленки смазочного масла вращающийся вал 16 и корпус 18 электрически изолированы друг от друга.

[0036] Статор 14 имеет сердечник 24 статора, катушку 30 статора и компенсирующую обмотку 32. Сердечник 24 статора представляет собой приблизительно цилиндрический элемент, который расположен соосно с ротором 12, и включает в себя кольцевое ярмо 26 и множество зубьев 28, выступающих в радиальном направлении от внутренней цилиндрической поверхности ярма 26. Множество зубьев 28 расположены с заданными интервалами в направлении вдоль окружности, и паз, который представляет собой пространство, в которое вставляется обмотка 30 статора, образован между каждыми двумя соседними зубьями 28.

[0037] Такой сердечник 24 статора состоит из множества электромагнитных стальных листов (например, листов из электротехнической стали), уложенных в осевом направлении. Множество электромагнитных стальных листов позиционировано относительно друг друга и соединено друг с другом для образования сердечника 24 статора. До настоящего времени было предложено много способов размещения и присоединения электромагнитных стальных листов. Одним из примеров является способ, в котором выступ и выемка для обжатия образованы в каждом листе из электромагнитной стали и выступ одного листа из электромагнитной стали устанавливается в выемку другого листа из электромагнитной стали для позиционирования относительно друг друга, тем самым соединяя вместе множество электромагнитных стальных листов и составляя сердечник 24 статора.

[0038] Обмотка 30 статора образована обмотками, намотанными вокруг зубьев 28 в сосредоточенном расположении. Обмотка 30 статора имеет трехфазные фазные обмотки, а именно обмотку PU U-фазы, обмотку PV V-фазы и обмотку PW W-фазы. Там, где не проводится никакого различия между U-фазой, V-фазой и W-фазой в последующем описании, фазные обмотки будут упоминаться просто фазными обмотками Р с опущенными буквами U, V, W. Один конец каждой фазной обмотки Р подключен к входному разъему (не показан). Другой конец каждой фазной катушки Р соединен с другой фазной обмоткой Р, чтобы образовать нейтральную точку (не показана). Таким образом, трехфазные фазные обмотки PU, PV, PW находятся в состоянии так называемого соединения звездой. Каждая фазная катушка Р образована из множества одиночных обмоток, соединенных последовательно, и каждая отдельная обмотки образована из обмотки, намотанной вокруг одного зуба 28. Одна U-фазная обмотка, одна V-фазная обмотка и одна W-фазная обмотка установлены на множестве зубьев 28 таким образом, что эта последовательность повторяется в направлении по окружности. Тем не менее, эта конфигурация обмотки 30 статора является просто примером и может быть изменена в зависимости от обстоятельств. Например, расположение обмотки 30 статора не ограничивается сосредоточенной обмоткой и вместо этого может представлять собой распределенную обмотку. В любом случае, когда переменный ток трехфазный подается на обмотку 30 статора, образуется вращающееся магнитное поле, в результате чего ротор 12 вращается.

[0039] Компенсирующая обмотка 32 представляет собой катушку, намотанную вокруг ярма 26. Компенсирующая обмотка 32 не соединена с обмоткой 30 статора и смонтирована совершенно независимо от обмотки 30 статора. Компенсирующая обмотка 32 включает в себя четыре обмотки CU первой секции, соответствующих обмотке PU U-фазы, четыре обмотки CV второй секции, соответствующих обмотке PV V-фазы, а также четыре обмотки CW, соответствующих обмотке PW W-фазы. Там, где не делается различий между обмотками секций с первой по третью, обмотки секций будут именоваться просто обмотками С секций с опущенными буквами U, V, W. Каждая из обмоток С секций проходит в осевом направлении в местоположениях со стороны внутренней цилиндрической поверхности и со стороны наружной цилиндрической поверхности ярма 26 и наматывается вокруг ярма 26 так, чтобы проходить в радиальном направлении и пересекать ярмо 26 в местоположениях снаружи сердечника 24 статора в осевом направлении. Как будет подробно описано ниже, два типа магнитных потоков текут через ярмо 26 в направлении по окружности, а обмотки С секций намотаны таким образом, чтобы окружать периферию магнитных потоков, протекающих в направлении по окружности.

[0040] При этом выражение «соответствующий обмотке PU U-фазы» обозначает «имеющий определенную магнитную связь с обмоткой PU U-фазы». Например, в этом примере осуществления обмотка секции, расположенная рядом с обмоткой PU U-фазы на левой стороне (между обмоткой PU U-фазы и обмоткой PV V-фазы), является обмоткой CU первой секции, соответствующей обмотке PU U-фазы. Хотя четыре обмотки CU первой секции намотаны в разных местах, как это видно из фиг. 1, каждая из обмоток CU первой секции расположена рядом с обмоткой PU U-фазы слева и, таким образом, подвергается почти в равной степени магнитному воздействию обмотки 30 статора.

[0041] Аналогичным образом, обмотка, расположенная рядом с обмоткой PV V-фазы слева (между обмоткой PV V-фазы и обмоткой PW W-фазы), является обмоткой CV второй секции, соответствующей обмотке PV V-фазы, и обмотка, расположенная рядом с обмоткой PW W-фазы слева (между обмоткой PW W-фазы и обмоткой PU U-фазы), является обмоткой CW третьей секции, соответствующей обмотке PW W-фазы. Каждая из обмоток CU, CV, CW секций с первой по третью имеет определенное позиционное отношение к обмотке Р соответствующей фазы и подвергается определенному магнитному воздействию магнитного потока (так называемому эффективному магнитному потоку), который возникает при подаче тока к обмотке Р соответствующей фазы.

[0042] Эти обмотки CU, CV, CW секций с первой по третью соединены друг с другом таким образом, чтобы образовать один или несколько замкнутых контуров. Поскольку возможны различные формы связи, в этом примере осуществления четыре обмотки CU первой секции, четыре обмотки CV второй секции и четыре обмотки CW третьей секции, образующие компенсирующую обмотку 32, соединены последовательно, чтобы образовать единый замкнутый контур, как показано на фиг. 3.

[0043] Далее будут описаны причины наличия компенсирующей обмотки 32. Фиг. 16 представляет собой вид, показывающий конфигурацию обычного электрического двигателя 10. Любой магнитный дисбаланс, происходящий внутри электрического двигателя 10, приводит к возникновению магнитного потока более высокой электрической частоты (далее именуемого несбалансированным магнитным потоком 50), создающегося вокруг вращающегося вала 16. Затем напряжение (далее напряжение между концами вала) из-за несбалансированного магнитного потока 50 индуцируется на обоих концах вращающегося вала 16. Это напряжение между концами вала подается через вращающийся вал 16 и корпус 18 на внутренние и наружные кольца 19а, 19с вращающегося подшипника 19. Хотя внутренние и наружные кольца 19а, 19с подшипника 19 изолированы друг от друга пленкой смазочного масла, эта пленка смазочного масла имеет толщину в несколько мкм, и, таким образом, происходит пробой изоляции, когда приложено напряжение выше определенного порога (приблизительно несколько вольт). После пробоя изоляции между наружным кольцом 19а и внутренним кольцом 19с подшипника 19 индуцированный ток 52 протекает по пути циркуляции от вращающегося вала 16 на подшипник 19 к корпусу 18 и обратно к вращающемуся валу 16, как это показано на фиг. 16. Здесь возникает та проблема, что Джоулевы потери концентрируется на части пробоя изоляции, т.е. подшипнике 19, что способствует электрической коррозии подшипника 19.

[0044] Чтобы решить эту проблему, были сделаны некоторые предложения по отдельной установке проводящего элемента, соединяющего вращающийся вал 16 и корпус 18 друг с другом. Такая конфигурация может предотвращать электрическую коррозию подшипников 19, вызывая преобладающее протекание индуцированного тока 52 через проводящий элемент, который имеет более низкое сопротивление, чем подшипники 19. Тем не менее, использование такого проводящего элемента приводит к конструктивным ограничениям, что вызывает и другие проблемы, например, ту, что уменьшается гибкость конструкции и в целом увеличивается размер, вес и стоимость электрического двигателя 10.

[0045] Этот пример осуществления изобретения снабжен компенсирующей обмоткой 32 для предотвращения электрической коррозии подшипников 19 и не требует проводящего элемента, который соединяет вместе вращающийся вал 16 и корпус 18. Как уже описано, компенсирующая обмотка 32 намотана вокруг ярма 26, и, в основном, два типа магнитных потоков текут через ярмо 26.

[0046] Одним из них является несбалансированный магнитный поток 50, возникающий в результате магнитного дисбаланса электрического двигателя 10. Несбалансированный магнитный поток 50 протекает через ярмо 26 в направлении по окружности. Несбалансированный магнитный поток 50 представляет собой магнитный поток третьей гармоники, который изменяется с частотой, которая в три раза выше основной частоты.

[0047] Другой представляет собой магнитный поток, который генерирует момент вращения. В дальнейшем этот магнитный поток будет именоваться эффективным магнитным потоком. Эффективный магнитный поток течет наружу в радиальном направлении от кончика одного зуба 28 и проходит через ярмо 26 в направлении по окружности, а затем течет внутрь в радиальном направлении через другой зуб 28 в ротор 12. Этот эффективный магнитный поток является первичным магнитным потоком, который меняется с той же частотой, что и основная частота.

[0048] Обмотки С секций, образующие компенсирующую обмотку 32, намотаны вокруг ярма 26 таким образом, чтобы окружать периферию несбалансированного магнитного потока 50 и эффективного магнитного потока, протекающих через ярмо 26 в направлении по окружности. Другими словами, несбалансированный магнитный поток 50 и эффективный магнитный поток проникают внутрь компенсирующей обмотки 32. В результате в компенсирующей обмотке 32 индуцируется напряжение в соответствии с временным изменением несбалансированного магнитного потока 50 и эффективного магнитного потока, а ток в направлении блокировки этих магнитных потоков протекает через компенсирующую обмотку 32.

[0049] Здесь и далее напряжение, индуцированное в соответствии с временным изменением эффективного магнитного потока, и напряжение, индуцированное в соответствии с временным изменением несбалансированного магнитного потока 50, будут именоваться индуцированным напряжением первой гармоники и индуцированным напряжением третьей гармоники соответственно. Фиг. 5 представляет собой график, показывающий индуцированные напряжения первой гармоники. На фиг. 5 пунктирная линия, сплошная линия, а также штрихпунктирная линия соответственно представляют собой индуцированное напряжение U_V1 первой гармоники, индуцированное в обмотке CU первой секции, индуцированное напряжение V_V1 первой гармоники, индуцированное в обмотке CV второй секции, а также индуцированное напряжение W_V1 первой гармоники, индуцированное в обмотке CW третьей секции. Как видно из фиг. 5, индуцированные напряжения U_V1, V_V1, W_V1 первой гармоники, индуцированные в обмотках CU, CV, CW секций с первой по третью, смещены по фазе друг от друга на 120 градусов. Соответственно, когда обмотки CU, CV, CW секций с первой по третью соединены последовательно, индуцированные напряжения U_V1, V_V1, W_V1 первой гармоники, индуцированные в обмотках С секций, гасят друг друга, снижая A_V1 напряжение в замкнутом контуре в целом до нуля. В частности, общая величина A_V1 индуцированных напряжений первой гармоники становится значением, обозначенным толстой сплошной линией на фиг. 5. Поскольку общая величина A_V1 индуцированных напряжений первой гармоники становится равной нулю, ток первой гармоники не течет через обмотки С секций и не генерируется магнитный поток, который гасит эффективный магнитный поток. В результате, наличие компенсирующей обмотки 32 не влияет на выходной крутящий момент электрического двигателя 10.

[0050] Фиг. 6 представляет собой диаграмму, показывающую индуцированные напряжения третьей гармоники. На фиг. 6 прерывистая линия и сплошная линия, соответственно, представляют собой индуцированные напряжения U_V3, V_V3, W_V3 третьей гармоники, индуцированные в обмотках С секций, и общую величину A_V3 индуцированных напряжений третьей гармоники, индуцированных в обмотках CU, CV, CW секций с первой по третью. Индуцированные напряжения U_V3, V_V3, W_V3 третьей гармоники, индуцированные в обмотках CU, CV, CW секций с первой по третью, совпадают по фазе. Соответственно, когда обмотки CU, CV, CW секций с первой по третью соединены последовательно, напряжение A_V3 в замкнутом контуре в целом становится напряжением, которое в три раза выше, чем индуцированные напряжения U_V3, V_V3, W_V3 третьей гармоники, индуцированные в обмотках С соответствующих секций. Когда высокое напряжение индуцируется в замкнутом контуре в целом, индуцированный ток протекает через замкнутый контур. Этот индуцированный ток течет в таком направлении, что несбалансированный магнитный поток 50 гасится.

[0051] Фиг. 7 представляет собой график, показывающий разницу в напряжении между концами вала в зависимости от наличия или отсутствия компенсирующей обмотки 32. На фиг. 7 сплошная линия и пунктирная линия соответственно обозначают напряжение Va между концами вала при наличии компенсирующей обмотки 32 и напряжение Vb между концами вала при отсутствии компенсирующей обмотки 32. Как видно из фиг. 7, наличие компенсирующей обмотки 32 приводит к более низкому напряжению между концами вала, когда несбалансированный магнитный поток 50 уменьшается из-за индуцированного тока третьей гармоники, протекающего через компенсирующую обмотку 32. Таким образом, при уменьшенном напряжении между концами вала предотвращается пробой изоляции пленок смазочного масла на подшипниках 19 и эффективно предотвращается электрическая коррозия подшипников 19.

[0052] Форма соединения обмоток С секций, показанная на фиг. 3, является лишь примером; при этом форма соединения обмоток С секций может быть изменена в зависимости от обстоятельств с тем условием, что компенсирующая обмотка 32 представляет собой один или несколько замкнутых контуров. Другим примером может быть конфигурация, показанная на фиг. 4, в которой одна обмотка CU первой секции, одна обмотка CV второй секции и одна обмотка CW третьей секции соединены последовательно для образования одного замкнутого контура, а компенсирующая обмотка 32 в целом включает в себя четыре замкнутых контура. Такая конфигурация, в которой один замкнутый контур включает в себя по одной из обмоток CU, CV, CW секций с первой по третью, обеспечивает легкую намотку по сравнению с конфигурацией, показанной на фиг. 3. С другой стороны, если обмотки CU, CV, CW секций соединены последовательно, чтобы образовать один замкнутый контур, как показано на фиг. 3, магнитная разбалансировка из-за эксцентриситета ротора 12 и т.д. и, в конечном счете, различия в эффективном магнитном потоке в соответствии с местоположением на окружности могут быть сглажены. В результате общая величина A_V1 индуцированных напряжений первой гармоники может быть более надежно сведена к нулю, и влияние компенсирующей обмотки 32 на момент вращения может быть уменьшено с большей надежностью.

[0053] Еще одним примером может быть конфигурация, в которой две обмотки CU первой секции, две обмотки CV второй секции и две обмотки CW третьей секции соединены последовательно и образуют один замкнутый контур, и компенсирующая обмотка 32 в целом включает в себя два замкнутых контура. В любом случае предпочтительно, чтобы один замкнутый контур включал одинаковые количества обмоток CU первых секций, обмоток CV вторых секций и обмоток CW третьих секций. Такая конфигурация позволяет уменьшить до нуля сумму A_V1 индуцированных напряжений первой гармоники в одном замкнутом контуре. В этом случае также предпочтительно, чтобы обмотки CU, CV, CW секций с первой по третью были равны друг другу по магнитодвижущей силе, то есть по материалу, форме, количеству витков и т.д. обмотки, составляющей обмотку С секции. Такая конфигурация может уменьшить почти до нуля сумму A_V1 индуцированных напряжений первой гармоники в одном замкнутом контуре. В результате, влияние компенсирующей обмотки 32 на момент вращения может быть уменьшено с большей надежностью.

[0054] Этот пример осуществления изобретения снабжен обмотками CU, CV, CW секций с первой по третью в одном замкнутом контуре, чтобы минимизировать влияние на момент вращения. Тем не менее, если единственной целью является предотвращение электрической коррозии подшипников 19, обмотки CU, CV, CW секций с первой по третью не должны быть соединены последовательно. Например, один замкнутый контур может быть образован только из одной обмотки CU первой секции, одной обмотки CV второй секции или из одной обмотки CW третьей секции. Эта конфигурация также позволяет снизить несбалансированный магнитный поток 50 и, таким образом, может предотвращать электрическую коррозию подшипников 19.

[0055] Далее будут описаны различия в расположении обмоток С секций. На фиг. 1 обмотки С секций расположены во всех пазах. Тем не менее, число и местоположение обмоток С секций конкретно не ограничивается при том условии, что имеется одна или более обмоток С секций, которые размещены в осевом направлении в местоположениях со стороны внутренней цилиндрической поверхности и со стороны наружной цилиндрической поверхности ярма 26 и проходят в радиальном направлении в местоположениях вне сердечника 24 статора в осевом направлении.

[0056] Например, обмотки С секций могут быть расположены лишь частично в направлении по окружности, как показано на фиг. 8 и фиг. 9. В примере, показанном на фиг. 8, две обмотки CU первых секций, две обмотки CV вторых секций и две обмотки CW третьих секций, всего шесть обмоток С секций, расположены в шести последовательных пазах. Шесть обмоток С секций могут быть соединены последовательно и представлять собой один замкнутый контур или могут быть соединены в заданных количествах и представлять собой множество замкнутых контуров. В примере, показанном на фиг. 9, одна обмотка CU первой секции, одна обмотка CV второй секции и одна обмотка CW третьей секции расположены с интервалом 120 градусов в направлении по окружности. Эта конфигурация также позволяет уменьшить несбалансированный магнитный поток и, таким образом, может уменьшить электрическую коррозию подшипников 19.

[0057] В приведенных выше примерах обмотки С секций протянуты через пазы (проходят через пазы) в осевом направлении и намотаны так, чтобы пройти через ярмо 26 на наружной стороне сердечника 24 статора в осевом направлении. Тем не менее, местоположения обмоток С секций могут быть изменены в зависимости от обстоятельств. Например, как показано на фиг. 10, обмотки С секций могут проходить в осевом направлении в местоположениях со стороны внутренней цилиндрической поверхности обмотки 30 статора (проходить через местоположения со стороны внутренней цилиндрической поверхности обмотки 30 статора) и могут проходить в радиальном направлении так, чтобы проходить через обмотку 30 статора и ярмо 26 снаружи сердечника 24 статора в осевом направлении. Такая конфигурация обеспечивает размещение обмоток С секций, даже если пазы не имеют дополнительного пространства, и в конечном итоге может предотвратить электрическую коррозию подшипников 19. Тем не менее, если пазы имеют дополнительное пространство, расположение обмоток С секций таким образом, чтобы они частично проходили через пазы, как показано на фиг. 1, может более надежно предотвратить электрическую коррозию подшипников 19 благодаря превосходным магнитным свойствам. Кроме того, конфигурация на фиг. 1, в которой обмотки С секций расположены таким образом, чтобы частично проходить через пазы, может дополнительно уменьшить длину проволоки компенсирующей обмотки 32.

[0058] В приведенных выше примерах канавки, в которых частично размещены обмотки С секций, расположены во внутренней цилиндрической поверхности корпуса 18, чтобы избежать задевания обмотками С секций корпуса 18. В качестве альтернативы, как показано на фиг. 11, канавки 40, проходящие в осевом направлении, могут быть расположены на наружной цилиндрической поверхности сердечника 24 статора, а не на корпусе 18, и обмотки С секций могут быть размещены в канавках 40. На фиг. 11 канавки 40, проходящие в осевом направлении, размещены в местоположениях напротив зубьев 28 на наружной цилиндрической поверхности сердечника 24 статора. Это объясняется тем, что наличие канавок 40 в таких местах оказывает меньшее влияние на эффективный магнитный поток. В частности, эффективный магнитный поток проходит по маршруту, показанному толстыми стрелками на фиг. 11 при входе внутрь сердечника 24 статора. Эффективный магнитный поток, вышедший из ротора 12 на наконечник одного зуба 28, течет наружу в радиальном направлении, а затем ответвляется к обеим сторонам в направлении по окружности, чтобы протекать через ярмо 26 в направлении по окружности. Эффективный магнитный поток течет в обратном порядке при выходе из сердечника 24 статора к ротору 12. Таким образом, местоположения, находящиеся на наружной цилиндрической поверхности сердечника 24 статора напротив зубьев 28, как можно сказать, являются местоположениями, через которые эффективный магнитный поток почти не проходит. Надрезание сердечника 24 статора в таких местоположениях для формирования канавок 40 оказывает незначительное влияние на момент вращения. С другой стороны, как видно из фиг. 11, наличие таких канавок 40 может предотвратить выступание обмоток С секций из наружной цилиндрической поверхности сердечника 24 статора и, таким образом, может предотвратить задевание между статором 14 и корпусом 18 без создания канавок в корпусе 18.

[0059] В этом случае часть обмотки С секции, расположенной со стороны внутренней цилиндрической поверхности ярма 26, может проходить через паз либо может проходить через местоположение со стороны внутренней цилиндрической поверхности фазной катушки Р, как показано на фиг. 11. В качестве альтернативы, эта часть обмотки С секции может проходить через местоположение со стороны внутренней цилиндрической поверхности зубьев 28, как это показано на фиг. 12. В примере, показанном на фиг. 12, обмотки С секций проходят в осевом направлении в местоположениях со стороны внутренней цилиндрической поверхности зубьев 28, намотаны так, чтобы проходить в радиальном направлении, и пересекают зубья 28 и ярмо 26 на наружной стороне сердечника 24 статора в осевом направлении. Такая конфигурация обеспечивает намотку компенсирующей обмотки 32, даже если пазы не имеют дополнительного пространства. В то время как кончики зубьев 28 слегка подрезаны в конфигурации, показанной на фиг. 12, более предпочтительно, чтобы кончики зубьев 28 были не подрезаны, если есть дополнительное пространство. Это должно предотвратить уменьшение момента вращения из-за выреза сердечника.

[0060] Конец обмотки, которая является частью обмотки 30 статора, соединительный провод, который соединяет обмотки Р одной фазы друг с другом, и тому подобное присутствуют на концах статора 14 в осевом направлении. Обмотки С секций могут проходить через наружную часть в осевом направлении или изнутри в осевом направлении по отношению к концам этих обмоток, соединяя провод и т.д. (далее совместно именуемые концами обмоток и т.д.). В частности, как показано на фиг. 13А, концы обмотки С секции в осевом направлении могут проходить через наружную часть в осевом направлении по отношению к концу обмотки и т.д. Эта конфигурация обеспечивает установку компенсирующей обмотки 32 после установки обмотки 30 статора на сердечник 24 статора. Другими словами, обмотка 30 статора может быть установлена по той же процедуре, что и в предшествующем уровне техники, прежде чем будет установлена компенсирующая обмотка 32.

[0061] В качестве альтернативы концы обмотки С секции в осевом направлении могут проходить через зазор между осевой торцевой поверхностью сердечника 24 статора и концом обмотки и т.д., как показано на фиг. 13В. Эта конфигурация обеспечивает установку компенсирующей обмотки 32 вместе с изолятором. В частности, статор 14 для электрического двигателя 10 обычно имеет элемент, называемый изолятором, который расположен между сердечником 24 статора и обмоткой 30 статора, чтобы изолировать их друг от друга. В форме, показанной на фиг. 13В, обмотка С секции частично расположена между сердечником 24 статора и обмоткой 30 статора, как с изолятором. Поэтому в данном случае, если обмотка С секции частично заранее интегрирована с изолятором, обмотка С секции может быть частично установлена в то же время, когда устанавливают изолятор, так что количество человекочасов для установки может быть уменьшено.

[0062] В приведенном выше описании в качестве примера взят случай соединения звездой, в котором одни концы трехфазных фазных обмоток PU, PV, PW соединены друг с другом в нейтральной точке. Тем не менее, технология, раскрытая в настоящей заявке, также применима к случаю соединения треугольником, в котором трехфазные фазные обмотки PU, PV, PW соединены друг с другом в направлении приложения фазового напряжения, чтобы образовать замкнутую цепь. Фиг. 14 является схемой соединения обмотки 30 статора в соединении треугольником. Фиг. 15 представляет собой вид в поперечном разрезе части статора 14 с обмоткой 30 статора в соединении треугольником. Как показано на фиг. 14, в случае соединения треугольником трехфазные фазные обмотки PU, PV, PW соединены последовательно, образуя замкнутый контур. На фиг. 14 каждая из обмоток С секций, составляющих компенсирующую обмотку 32, расположена между фазными обмотками Р. Другими словами, на фиг. 14 все трехфазные фазные обмотки PU, PV, PW и компенсирующая обмотка 32 соединены последовательно и образуют один замкнутый контур. В этом случае обмотка С секции подключена на конце или начале одной фазной катушки Р, как показано на фиг. 15. Эта конфигурация позволяет уменьшить несбалансированный магнитный поток 50 и, в конечном счете, может уменьшить электрическую коррозию подшипников 19, даже в случае соединения треугольником. Кроме того, эта конфигурация может интегрировать фазную катушку Р и обмотку С секции и, таким образом, может уменьшить число катушек. Тем не менее, схема подключения, показанная на фиг. 14, является лишь примером, и форма соединения может быть изменена в зависимости от обстоятельств. Соответственно, также в случае соединения треугольником компенсирующая обмотка 32 может быть независимой от обмотки 30 статора, не будучи соединена с обмоткой 30 статора.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических двигателях. Техническим результатом является предотвращение электрической коррозии подшипников в отсутствие проводящего элемента, соединяющего вместе вращающийся вал и корпус. Статор для электрического двигателя включает в себя: сердечник статора, включающий в себя ярмо, имеющее кольцевую форму, и множество зубьев, выступающих от внутренней цилиндрической поверхности ярма в радиальном направлении статора; обмотку статора, намотанную вокруг зубьев, причем обмотка статора выполнена с возможностью генерирования вращающегося магнитного поля при подаче на нее тока; компенсирующую обмотку, проходящую в осевом направлении статора в местоположениях со стороны внутренней цилиндрической поверхности и со стороны наружной цилиндрической поверхности ярма. Компенсирующая обмотка намотана вокруг сердечника статора так, чтобы проходить в радиальном направлении статора, пересекать ярмо в местоположениях вне сердечника статора в осевом направлении статора и образовывать один или несколько замкнутых контуров. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Статор для электрического двигателя, при этом статор содержит:

сердечник статора, включающий в себя

ярмо, имеющее кольцевую форму, и

множество зубьев, выступающих от внутренней цилиндрической поверхности ярма в радиальном направлении статора;

обмотку статора, намотанную вокруг зубьев, причем обмотка статора сконфигурирована для генерирования вращающегося магнитного поля при подаче тока на обмотку статора; а также

компенсирующую обмотку, проходящую в осевом направлении статора в местоположениях со стороны внутренней цилиндрической поверхности и со стороны наружной цилиндрической поверхности ярма, при этом компенсирующая обмотка намотана вокруг сердечника статора таким образом, что компенсирующая обмотка проходит в радиальном направлении статора в местоположениях вне сердечника статора в осевом направлении статора и пересекает ярмо, причем компенсирующая обмотка включает в себя по меньшей мере один замкнутый контур.

2. Статор по п. 1, в котором

обмотка статора имеет обмотку U-фазы, обмотку V-фазы и обмотку W-фазы,

обмотка U-фазы, обмотка V-фазы и обмотка W-фазы соединены друг с другом,

компенсирующая обмотка имеет по меньшей мере одну обмотку первой секции, соответствующую обмотке U-фазы, по меньшей мере одну обмотку второй секции, соответствующую обмотке V-фазы, и по меньшей мере одну обмотку третьей секции, соответствующую обмотке W-фазы, и

компенсирующая обмотка включает в себя по меньшей мере один замкнутый контур, в котором обмотка первой секции, обмотка второй секции и обмотка третьей секции соединены последовательно.

3. Статор по п. 2, в котором

магнитодвижущая сила обмотки первой секции, магнитодвижущая сила обмотки второй секции и магнитодвижущая сила обмотки третьей секции равны друг другу.

4. Статор по п. 2 или 3, в котором

компенсирующая обмотка имеет множество обмоток первой секции, намотанных в разных местоположениях, множество обмоток второй секции, намотанных в разных местоположениях, и множество обмоток третьей секции, намотанных в разных местоположениях, и

все множества обмоток первой секции, обмоток второй секции и обмоток третьей секции соединены последовательно и образуют один замкнутый контур.

5. Статор по п. 2 или 3, в котором

компенсирующая обмотка имеет множество обмоток первой секции, намотанных в разных местоположениях, множество обмоток второй секции, намотанных в разных местоположениях, и множество обмоток третьей секции, намотанных в разных местоположениях, и

компенсирующая обмотка имеет множество замкнутых контуров, в каждом из которых одна обмотка первой секции, одна обмотка второй секции и одна обмотка третьей секции соединены последовательно.

6. Статор по любому из пп. 1-3, в котором

канавки, проникающие в осевом направлении статора, размещены в местоположениях, находящихся на наружной цилиндрической поверхности ярма напротив зубьев, и

компенсирующая обмотка частично размещена в этих канавках.

7. Статор по любому из пп. 1-3, в котором

компенсирующая обмотка сконфигурирована для прохождения через паз, который является зазором между зубьями, и

компенсирующая обмотка сконфигурирована с возможностью намотки таким образом, что компенсирующая обмотка пересекает ярмо в местоположениях вне сердечника статора в осевом направлении статора.

8. Статор по любому из пп. 1-3, в котором

компенсирующая обмотка сконфигурирована для прохождения через местоположения со стороны внутренней цилиндрической поверхности обмотки статора и

компенсирующая обмотка сконфигурирована с возможностью намотки таким образом, что компенсирующая обмотка пересекает обмотку статора и ярмо в местоположениях вне сердечника статора в осевом направлении статора.

9. Статор по любому из пп. 1-3, в котором

компенсирующая обмотка сконфигурирована для прохождения через местоположения со стороны внутренней цилиндрической поверхности зубьев и

компенсирующая обмотка сконфигурирована с возможностью намотки таким образом, что компенсирующая обмотка пересекает зубья и ярмо в местоположениях вне сердечника статора в осевом направлении статора.

10. Статор по любому из пп. 1-3, в котором

обмотка статора образована из обмотки U-фазы, обмотки V-фазы и обмотки W-фазы в соединении звездой и

компенсирующая обмотка не соединена с обмоткой статора.

11. Статор по любому из пп. 1-3, в котором

обмотка статора образована из обмотки U-фазы, обмотки V-фазы и обмотки W-фазы в соединении треугольником и

компенсирующая обмотка соединена последовательно с обмоткой статора.

12. Электрический двигатель, содержащий:

ротор;

вращающийся вал, сконфигурированный для установки с возможностью вращения в корпусе с использованием подшипников и для вращения вместе с ротором; а также

статор, расположенный со стороны наружной боковой поверхности ротора,

при этом статор содержит

сердечник статора, включающий в себя

ярмо, имеющее кольцевую форму, и

множество зубьев, выступающих от внутренней цилиндрической поверхности ярма в радиальном направлении статора,

обмотку статора, намотанную вокруг зубьев, при этом обмотка статора сконфигурирована для генерирования вращающегося магнитного поля при подаче тока на обмотку статора, и

компенсирующую обмотку, проходящую в осевом направлении статора в местоположениях со стороны внутренней цилиндрической поверхности и со стороны наружной цилиндрической поверхности ярма, причем компенсирующая обмотка намотана вокруг сердечника статора таким образом, что компенсирующая обмотка проходит в радиальном направлении статора в местоположениях вне сердечника статора в осевом направлении статора и пересекает ярмо, при этом компенсирующая обмотка включает в себя по меньшей мере один замкнутый контур.