Отказоустойчивая электрическая машина со статором из двухфазного материала Российский патент 2021 года по МПК H02K1/14 H02K21/16 

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к устройству статоров электрических машин, и может быть использовано в электромашиностроении для обеспечения отказоустойчивости.

Известна отказоустойчивая электрическая машина (WO 9952196A1, H02K16/04, H02K3/28, 1999 г.), содержащая статор, имеющий множество полюсов, определяющих множество пазов, ротор, расположенный внутри статора, и по меньшей мере две секции обмоток статора, намотанных на полюсы статора и занимающих указанные пазы статора таким образом, что граничные обмотки каждой секции обмоток статора занимают общий паз. Эти граничные обмотки не перекрываются и содержат изоляцию, расположенную между ними. Секции обмоток статора намотаны на полюсы статора шагом равным единице, что значительно снижает количество пересечений проводов. В частности, концы витков, определяемые отдельными фазовыми катушками, не пересекаются.

Недостатком аналога является низкая отказоустойчивость ввиду вероятности возникновения межвиткового замыкания. Кроме того, возникновение короткого замыкания в одной из фаз, создаст изменение магнитного поля в самой машине, что повлияет на изменение выходных параметров.

Известен отказоустойчивый пятифазный асинхронный двигатель с комбинированной обмоткой [патент RU 199115 U1, кл. H02K 17/12, 2020], содержащий ротор и статор с сердечником, в пазах которого расположены активные проводники двухслойной волновой обмотки с лобовыми проводниками, площадь поперечного сечения по крайней мере большинства которых в местах их соединения с активными проводниками упомянутой обмотки меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых активных проводников, выполненным в виде плоских колец лобовых перемычек, снабжена двумя дополнительными плоскими кольцами с электропроводящими участками кольцеобразной формы по ширине кольца лобовых перемычек, закрепленными соосно на роторе в торцевых частях с небольшим воздушным зазором вблизи колец лобовых перемычек, причем в пазах статора, число которых кратно пяти, расположена шаблонная обмотка с возможностью формирования десяти фаз, представляющих из себя комбинацию двух схем обмоток, одна из них соединена в пятиугольник последовательно с шагом т, а вторая соединена в звезду с возможностью формирования при этом результирующих векторов магнитных потоков, имеющих между собой 72 электрических градуса.

Недостатком аналога является сложность конструкции и низкая отказоустойчивость, так как обмотка выполнена распределенной.

Известен отказоустойчивый трехмерный электрический генератор подвижного объекта [патент RU 145515 U1, кл. H02K 35/00, 2014] содержащий корпус, внутри которого размещены три индукционные системы, соответственно воспринимающие внешние механические импульсы по ортогональным осям X, Y, Z. Каждая индукционная система снабжена подвижным постоянным магнитом и неподвижной катушкой индуктивности. Каждая индукционная система закреплена внутри корпуса на одной из трех взаимно перпендикулярных стенках соответственно. Плюсовые выводы каждой индукционной системы соединены с положительным полюсом генератора, а минусовые с отрицательным полюсом генератора. Индукционные системы одинаковы и каждая содержит N генерирующих элементов, которые включены или последовательно или параллельно. Каждый генерирующий элемент содержит n расположенных в ряд последовательно соединенных индуктивных катушек, намотанных на соосный канал. Внутри соосного канала установлен с возможностью челночного перемещения постоянный магнит. Внутри соосного канала на его концах, за пределами индуктивных катушек, установлены ограничительные элементы, выполненные в виде магнитов, обращенных к постоянному магниту одноименными полюсами. Выход первой индуктивной катушки подключен к точке соединения катода первого диода и анода второго диода, а выход последней индуктивной катушки подключен к точке соединения катода третьего диода и анода четвертого диода. Точка соединения анодов первого и третьего диодов подключена к минусовому выводу индуктивной системы. Точка соединения катодов второго и четвертого диодов подключена к плюсовому выводу индуктивной системы. Постоянный магнит и магниты ограничительных элементов выполнены из сплава неодим-железо-бор.

Недостатками аналога являются высокие массогабаритные показатели и сложность конструкции, обусловленные наличием нескольких индукционных систем.

Известна электрическая вращательная машина с внутренними постоянными магнитами с магнитоизолированными фазами [патент РФ №2604650 С2, кл. H02K 1/16, 2012 г.], статор которой содержит по меньшей мере одну фазную секцию статора по меньшей мере с двумя зубцами статора, по меньшей мере один паз обмотки, имеющий угловое расстояние между по меньшей мере двумя зубцами статора, и по меньшей мере одну магнитно неактивную область, имеющую угловое расстояние, равное по меньшей мере одному угловому расстоянию паза обмотки, умноженному на величину, обратную количеству электрических фаз. Магнитно неактивная область предохраняет постоянное магнитное поле от совместного использования несколькими фазными секциями статора.

Недостатком технического решения является низкая отказоустойчивость ввиду наличия возможности возникновения межвитковых замыканий, при которых происходит изменение магнитного поля статора, что может привести к перегреву и повреждению других катушек. Кроме того при повышенных температурах снижается срок службы изоляции.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является отказоустойчивая машина с постоянными магнитами с реконфигурируемыми путями потока в спинке статора [патент US7541705 В2, кл. H02K 11/00, 2009 г.], содержащая ротор с постоянными магнитами, магнитопровод статора с зубцами, на которых расположена зубцовая концентрическая обмотка, который частично или полностью изготовлен из двухфазного магнитного материала, а также механизм определения неисправности, расположенный в спинке статора, работающий для автоматического уменьшения токов. Предлагаемый в патенте двухфазный магнитный материал YEP-FA1 имеет переходные свойства, изменяющиеся с магнитных на немагнитные, начиная с гораздо более высокой температуры, чем известные ферритовые материалы.

Недостатком данного технического решения является низкая отказоустойчивость ввиду наличия контакта катушек, так как при возникновении короткого замыкания происходит изменение магнитного поля статора, что может привести к перегреву и повреждению других катушек, кроме того при возникновении короткого замыкания изменение поля в статоре, будет влиять на выходные параметры, до тех пор пока зона не превратится в немагнитную и не разрушит замыкание потоков проходящих в статоре.

Задача изобретения - повышение надежности электрической машины.

Техническим результатом является повышение отказоустойчивости благодаря применению конструкции статора, обеспечивающей невозможность проникновения магнитного потока в зону соседнего паза.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в электрической машине магнитопровод статора с зубцами, на которых расположена концентрическая обмотка, который частично изготовлен из двухфазного магнитного материала, отличающаяся тем, что немагнитные зоны магнитопровода статора расположены радиально, по центру каждого зубца, выходят в спинку магнитопровода статора и пересекают ее, обеспечивая невозможность проникновения магнитного потока в зону соседнего паза, причем толщина немагнитной зоны составляет 10% от толщины зубца, что не допускает перенасыщение зубца.

Существо настоящего изобретения поясняется чертежом, на котором изображен поперечный разрез электрической машины с конструкцией магнитопровода статора из двухфазного магнитного материала.

Предложенное устройство содержит ротор 1 с постоянными магнитами 2, магнитопровод статора 3 с зубцами 4, на которых расположена зубцовая концентрическая обмотка (на чертеже не показана), причем магнитопровод статора 3 частично выполнен из двухфазного магнитного материала, при этом немагнитные зоны 5 расположены радиально, по центру каждого зубца 4, выходят в спинку магнитопровода статора и пересекают ее. Немагнитная зона 5 не пропускает магнитный поток в зону соседнего паза, а ее толщина не допускает перенасыщение зубца и составляет 10% от толщины зубца.

Достижение отказоустойчивости обеспечивается полной электромагнитной изоляцией между катушками за счет использования концентрических обмоток, где каждая катушка намотана вокруг одного зубца статора, а каждый паз статора занят одной стороной катушки, а немагнитные зоны, образованные в зубцах статора и пересекающие спинку статора, ориентируют магнитный поток таким образом, чтобы он не проходил через соседний паз.

Устройство работает следующим образом, при работе электрической машины магнитопровод статора 3 с обмоткой пронизывается осевыми и радиальными потоками, создаваемыми постоянными магнитами 2. Проходя через воздушный рабочий зазор и концентрические обмотки, магнитный поток попадает в магнитопровод статора 3 и ориентируется таким образом, чтобы замыкаться через части зубцов, ограничивающие паз, и ограниченные немагнитными зонами 5 и не пересекаться с магнитным потоком соседнего паза. Таким образом исключается возможность прохождения магнитного потока в зону других катушечных групп магнитопровода статора при возникновении межвитковых замыканий.

Таким образом, предлагаемая конструкция магнитопровода статора позволяет повысить отказоустойчивость электрической машины, обеспечивая невозможность проникновения магнитного потока в зону соседнего паза.

Использование: изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических машинах. Технический результат: повышение отказоустойчивости благодаря применению конструкции статора, обеспечивающей невозможность проникновения магнитного потока в зону соседнего паза. Электрическая машина, содержащая ротор 1 с постоянными магнитами 2 и магнитопровод статора 3 с зубцами 4, на которых расположена концентрическая обмотка, частично изготовленый из двухфазного магнитного материала. Немагнитные зоны 5 магнитопровода статора 3 расположены радиально, по центру каждого зубца 4, выходят в спинку магнитопровода статора 3 и пересекают ее, обеспечивая невозможность проникновения магнитного потока в зону соседнего паза. Толщина немагнитной зоны 5 составляет 10% от толщины зубца 4, что не допускает перенасыщение зубца. 1 ил.

Электрическая машина, содержащая ротор с постоянными магнитами, магнитопровод статора с зубцами, на которых расположена концентрическая обмотка, который частично изготовлен из двухфазного магнитного материала, отличающаяся тем, что немагнитные зоны магнитопровода статора расположены радиально, по центру каждого зубца, выходят в спинку магнитопровода статора и пересекают ее, обеспечивая невозможность проникновения магнитного потока в зону соседнего паза, причем толщина немагнитной зоны составляет 10% от толщины зубца, что не допускает перенасыщение зубца.