Электрическая машина (варианты) Российский патент 2024 года по МПК H02K1/04 H02K1/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Группа изобретений относится к электротехнике и может быть использована для преобразования электрической энергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известен асинхронный двигатель трехфазного тока, содержащий корпус со статором и ротор на валу, установленном на опорах в боковых щитах корпуса (Электротехника: учебник / Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. - 3 изд., стереотипное. - СПб.: БХВ-Петербург, 2012. - 592 с: ил., Рис. 10.1, стр. 426).

Кроме того, из уровня техники известна асинхронная машина с короткозамкнутым ротором, состоящим из вала и магнитопровода, в пазах которого размещается неизолированная многофазная короткозамкнутая обмотка, при этом асинхронная машина содержит статор, который состоит за магнитопровода, трехфазной разноименнополюсной обмотки, подшипниковых щитов и корпуса, в котором размещены короткозамкнутый ротор, статор и подшипниковые щиты (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2х т. Том 1: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Издательство МЭИ, 2004. Стр. 470-475).

Также, из уровня техники известен электродвигатель по патенту RU №2565753 С1, МПК Н02К 5/167, Н02К 7/08, F16C 25/04, F16C 27/00, опубл. 20.10.2015, включающий в себя корпус со статором и ротор на валу, установленном на опорах в боковых щитах корпуса, при этом одна из опор выполнена в виде упругого монтажного кольца, а другая -в виде самоустанавливающегося подшипника.

Недостатком конструкции асинхронных машин с короткозамкнутым ротором является наличие лобовых частей обмотки статора, которые связаны с электрическими потерями и увеличением массогабаритных характеристик электрической машины. Упомянутые выше лобовые части работают пассивно и необходимы лишь для набора нужного количества ампер-витков рабочей части обмотки, размещенной в пазах магнитопровода статора.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для понимания сущности заявленного изобретения необходимо пояснить, что классическая асинхронная электрическая машина 2р=2 имеет не один воздушный зазор между статором и ротором, а два воздушных зазора, т.к. встречные электромагнитные поля катушек одноименных фаз разделяют статор и ротор на две половины.

В заявляемой электрической машине катушки магнитопроводов одноименных фаз создают электромагнитное поле одного направления, поэтому между магнитопроводами статора и каждым из роторов только один воздушный зазор. Следовательно, при равной индуктируемой мощности в ротор классической асинхронной электрической машины и в два ротора заявляемой электрической машины, потери в воздушных зазорах равные.

Первый вариант исполнения заявляемого устройства по пункту 1 формулы предусматривает конструкцию электрической машины, включающей в себя ротор с немагнитным валом, на который установлено два магнитопровода с короткозамкнутыми обмотками типа «беличья клетка». Кроме того, электрическая машина по первому варианту включает статор, выполненный из немагнитного материала, который также является корпусом электрической машины, при этом статор содержит не менее двух пар раздельных магнитопроводов, содержащих обмотку, намотанную в поперечном направлении относительно оси электрической машины, а подшипниковые щиты выполнены из немагнитного материала или из магнитного материала, но с воздушным зазором.

Второй вариант исполнения заявляемого устройства по пункту 2 формулы предусматривает конструкцию электрической машины, включающей в себя ротор с немагнитным валом, на который установлено два якоря с постоянными магнитами. Кроме того, электрическая машина по второму варианту включает статор, выполненный из немагнитного материала, который также является корпусом электрической машины, при этом статор содержит не менее двух пар раздельных магнитопроводов, содержащих обмотку, намотанную в поперечном направлении относительно оси электрической машины, а подшипниковые щиты выполнены из немагнитного материала или из магнитного материала, но с воздушным зазором.

Третий вариант исполнения заявляемого устройства по пункту 3 формулы предусматривает конструкцию электрической машины, включающей в себя ротор с немагнитным валом, на который установлено два магнитопровода с обмотками и токосъемными кольцами. Кроме того, электрическая машина по третьему варианту включает статор, выполненный из немагнитного материала, который также является корпусом электрической машины, при этом статор содержит не менее двух пар раздельных магнитопроводов, содержащих обмотку, намотанную в поперечном направлении относительно оси электрической машины, а подшипниковые щиты выполнены из немагнитного материала или из магнитного материала, но с воздушным зазором.

Техническими результатами, достигаемыми за счет использования заявленного устройства по пунктам 1, 2, 3 формулы изобретения являются:

1. снижение потребляемой мощности электрической машины без снижения электромагнитной мощности;

2. снижение магнитных потерь электрической машины;

3. снижение добавочных потерь электрической машины;

4. снижение механических потерь электрической машины;

5. повышение пускового момента электрической машины;

6. снижение пускового тока электрической машины;

7. увеличение электромагнитной мощности электрической машины;

8. исключение биений ротора электрической машины;

9. уменьшение массогабаритных характеристик электрической машины;

10. повышение надежности и долговечности электрической машины;

11. снижение уровня шума при работе электрической машины;

12. увеличение коэффициента мощности cos<pi;

13. увеличение коэффициента полезного действия;

14. повышение полезной мощности на выходе электрической машины.

15. снижение номинального рабочего тока электрической машины;

16. снижение нагрева электрической машины во время ее работы.

Технические результаты группы заявленных изобретений, охарактеризованных в независимых пунктах 1, 2, 3 формулы изобретения, достигаются за счет конструктивных особенностей электрической машины, ее электромеханической схемы: за счет раздельных магнитопроводов статора и ротора электрической машины.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами (Фиг. 1-Фиг. 29), на которых изображено устройство - электрическая машина.

Перечень позиций на чертежах:

1 - статор, выполненный из немагнитного материала, который также является корпусом электрической машины;

2 - распорки магнитопровода статора;

3 - обмотка магнитопровода статора;

4 - магнитопровод статора;

5 - немагнитный вал ротора;

6 - магнитопровод ротора;

7 - стержень короткозамкнутой обмотки ротора типа «беличья клетка»;

8 - проводящие кольца короткозамкнутой обмотки ротора типа «беличья клетка»;

9 - обмотка ротора;

10 - блок управления;

11 - постоянные магниты;

12 - токосъемные кольца;

13 - левый подшипниковый щит;

14 - правый подшипниковый щит;

15 - крышка манжетная сквозная;

16 - крышка манжетная глухая;

17 - подшипник качения;

18 - манжета;

19 - крышка коробки выводов обмотки;

20 - крепежные элементы левого и правого подшипниковых щитов;

21 - крепежные элементы глухой и сквозной крышек манжетных;

22 - начало обмотки А;

23 - конец обмотки А;

24 - начало обмотки В;

25 - конец обмотки В;

26 - начало обмотки С;

27 - конец обмотки С;

28 - немагнитная вставка.

На Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4 изображены варианты исполнения электрической машины, имеющей немагнитный вал ротора 5 с установленными на нем двумя магнитопроводами 6 с короткозамкнутыми обмотками типа «беличья клетка».

На Фиг. 5, Фиг. 6 изображены варианты исполнения электрической машины с роторами, имеющими индуктивную обмотку 9 и блок управления 10, размещенный на валу ротора 5 электрической машины. Блок управления 10 замыкает обмотки 9 накоротко или размыкает их в зависимости от режима работы электрической машины. При разомкнутой обмотке 9 электрическая машина работает как синхронный реактивный двигатель. При замкнутой обмотке 9 ротора электрическая машина работает как синхронный двигатель. Роторы превращаются в постоянные электромагниты, подпитываемые электрическим полем статора.

На Фиг. 7, Фиг. 8 изображены варианты исполнения электрической машины с роторами, имеющими две обмотки: одну обмотку типа «беличья клетка» и вторую -индуктивную обмотку. Обмотка типа «беличья клетка» может быть двойной, внешней и внутренней, либо внешней с заглубленными стержнями. Индуктивная обмотка работает с блоком управления 10, размещенным на валу ротора 5 электрической машины.

При разомкнутой индуктивной обмотке роторов машина работает в асинхронном режиме. При замкнутой обмотке - в синхронном режиме. При этом обмотка, выполненная по типу «беличья клетка», служит демпферной обмоткой.

В синхронном режиме роторы являются постоянными электромагнитами, возбуждающимися электромагнитным полем статора. Конструкция статора 1 позволяет это осуществить, так как положительные и отрицательные полупериоды фаз идут строго последовательно, подпитывая индуктивную обмотку ротора (нет встречных электромагнитных полей). Магнитопроводы ротора 6 после утолщения вокруг вала 5 имеют угол наклона от 0 до 45° относительно оси вала 5 электрической машины и магнитопровода статора 4, либо этот угол имеют сами магнитопроводы статора 4.

Стержни 7 обмотки, выполненной по типу «беличья клетка», являются прямыми, параллельными с магнитопровод ом 6.

В синхронном режиме работы возможна регулировка мощности электрической машины посредством изменения схем обмоток магнитопровода статора 3 и обмотки ротора 9 (Фиг. 6, Фиг. 8, Фиг. 12).

1. Обмотки магнитопровода статора 3 и обмотки ротора 9:

а) звезда или треугольник;

б) последовательно или параллельно;

2. Обмотки ротора 9:

а) последовательно накоротко;

б) параллельно накоротко.

На Фиг. 9, Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 23, Фиг. 24 изображены варианты исполнения электрической машины в соответствии с пунктом 2 формулы заявляемого изобретения, предусматривающего конструкцию электрической машины, включающей в себя ротор с немагнитным валом 5, на который установлено два якоря с постоянными магнитами 11.

На Фиг. 15, Фиг. 16, Фиг. 17, Фиг. 18 изображены варианты исполнения электрической машины в соответствии с пунктом 3 формулы заявляемого изобретения, предусматривающего конструкцию электрической машины, включающей в себя ротор с немагнитным валом 5, на который установлено два магнитопровода 6 с обмотками 9 и токосъемными кольцами 12.

На Фиг. 19, Фиг. 20, Фиг. 21, Фиг. 22, Фиг. 28, Фиг. 29 изображены варианты исполнения электрической машины, имеющей немагнитный вал ротора 5 с установленными на нем двумя магнитопроводами 6 без обмотки.

На Фиг. 25 изображен общий вид электрической машины.

На Фиг. 26, Фиг. 27 изображены схемы последовательного соединения пар катушек магнитопроводов 4 статора 1 одноименных фаз.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Работа заявляемой электрической машины основана на тех же электрофизических законах, что и работа классического трехфазного асинхронного электродвигателя 2р=2 с одним ротором и одним общим магнитопроводом статора.

Первый вариант исполнения заявляемого устройства по пункту 1 формулы предусматривает конструкцию электрической машины, включающей в себя ротор с немагнитным валом 5, на который установлено два магнитопровода 6 с короткозамкнутыми обмотками типа «беличья клетка» (см. Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4). Кроме того, электрическая машина по первому варианту включает статор 1, выполненный из немагнитного материала, который также является корпусом электрической машины, при этом статор 1 содержит не менее двух пар раздельных магнитопроводов 4, содержащих обмотку 3, намотанную в поперечном направлении относительно оси электрической машины, а подшипниковые щиты 13, 14 выполнены из немагнитного материала или из магнитного материала, но с воздушным зазором.

Статор 1, который также является корпусом электрической машины, может иметь цилиндрическую форму с внутренними продольными пазами трапецеидально-прямоугольной формы, с отверстиями с резьбой.

Магнитопроводы статора 4 выполняются из шихтованной ферромагнитной электротехнической стали с отверстиями для крепления распорок 2 магнитопровода статора 4. Обмотка 3 магнитопроводов 4 статора 1 выполняется из медного или алюминиевого изолированного обмоточного провода.

Установка обмотки 3 магнитопроводов 4 в статор 1 электрической машины осуществляется путем прикрепления распорок 2 к магнитопроводам 4, затем осуществляется укладка и укрепление обмоток 3, после чего выполняется нагрев статора 1 электрической машины для расширения пазов, далее осуществляется установка магнитопроводов 4 в пазы статора 1.

Установка обмотки 3 магнитопроводов 4 в статор 1 электрической машины может быть выполнена альтернативным способом: осуществляется прикрепление распорок 2 к магнитопроводам 4, затем осуществляется укладка и укрепление обмоток 3, после чего выполняется охлаждение магнитопроводов 4, либо одновременно выполняется нагрев статора 1 и охлаждение магнитопроводов 4, далее осуществляется установка магнитопроводов 4 в пазы статора 1.

Демонтаж магнитопроводов 4 статора 1 для замены обмоток 3 осуществляется путем сверления распорок 2 вдоль пазов с целью их ослабления, после чего осуществляется удаление магнитопроводов 4 из пазов.

Магнитопроводы ротора 6 выполняются из шихтованной ферромагнитной электротехнической стали. Стержни 7 и проводящие кольца 8 короткозамкнутой обмотки ротора типа «беличья клетка» выполняются из алюминия или меди. Стержни 7 короткозамкнутой обмотки ротора типа «беличья клетка» имеют угол наклона от 0° до 45° относительно оси вала электрической машины и магнитопроводов статора 4.

Сборка (посадка) стержней 7 короткозамкнутой обмотки ротора типа «беличья клетка» с магнитопроводами роторов 6 на вал 5 выполняется с соблюдением требования соосности.

Немагнитный вал 5 ротора может быть полым или неполым, т.е. не иметь сквозного отверстия (как показано на Фиг. 1 - Фиг. 26, Фиг. 28, Фиг. 29).

Подшипниковые щиты 13, 14 имеют отверстия для крепления (не показаны на чертежах). Соединение подшипниковых щитов 13, 14 со статором 1 осуществляется при помощи крепежных элементов: болтов, винтов, саморезов, которые могут быть выполнены из немагнитного или магнитного металлов.

Второй вариант исполнения заявляемого устройства по пункту 2 формулы предусматривает конструкцию электрической машины, включающей в себя ротор с немагнитным валом 5, на который установлено два якоря с постоянными магнитами 11 (см. Фиг. 9, Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 23, Фиг. 24). Кроме того, электрическая машина по второму варианту включает статор 1, выполненный из немагнитного материала, который также является корпусом электрической машины, при этом статор 1 содержит не менее двух пар раздельных магнитопроводов 4, содержащих обмотку 3, намотанную в поперечном направлении относительно оси электрической машины, а подшипниковые щиты 13, 14 выполнены из немагнитного материала или из магнитного материала, но с воздушным зазором,

Статор 1, который также является корпусом электрической машины, может иметь цилиндрическую форму с внутренними продольными пазами трапецеидально-прямоугольной формы, с отверстиями с резьбой.

Магнитопроводы статора 4 выполняются из шихтованной ферромагнитной электротехнической стали с отверстиями для крепления распорок 2 магнитопровода статора 4.

Обмотка 3 магнитопроводов 4 статора 1 выполняется из медного или алюминиевого изолированного обмоточного провода.

Установка обмотки 3 магнитопроводов 4 в статор 1 электрической машины осуществляется путем прикрепления распорок 2 к магнитопроводам 4, затем осуществляется укладка и укрепление обмоток 3, после чего выполняется нагрев статора 1 электрической машины для расширения пазов, далее осуществляется установка магнитопроводов 4 в пазы статора 1.

Установка обмотки 3 магнитопроводов 4 в статор 1 электрической машины может быть выполнена альтернативным способом: осуществляется прикрепление распорок 2 к магнитопроводам 4, затем осуществляется укладка и укрепление обмоток 3, после чего выполняется охлаждение магнитопроводов 4, либо одновременно выполняется нагрев статора 1 и охлаждение магнитопроводов 4, далее осуществляется установка магнитопроводов 4 в пазы статора 1.

Демонтаж магнитопроводов 4 статора 1 для замены обмоток 3 осуществляется путем сверления распорок 2 вдоль пазов с целью их ослабления, после чего осуществляется удаление магнитопроводов 4 из пазов.

Магнитопроводы ротора 6 выполняются из шихтованной ферромагнитной электротехнической стали или иного материала.

Немагнитный вал 5 ротора может быть полым или неполым, т.е. не иметь сквозного отверстия (как показано на Фиг. 1-Фиг. 26, Фиг. 28, Фиг. 29).

Подшипниковые щиты 13, 14 имеют отверстия для крепления (не показаны на чертежах). Соединение подшипниковых щитов 13, 14 со статором 1 осуществляется при помощи крепежных элементов: болтов, винтов, саморезов, которые могут быть выполнены из немагнитного или магнитного металлов.

Третий вариант исполнения заявляемого устройства по пункту 3 формулы предусматривает конструкцию электрической машины, включающей в себя ротор с немагнитным валом 5, на который установлено два магнитопровода 6 с обмотками 9 и токосъемными кольцами 12 (см. Фиг. 15, Фиг. 16, Фиг. 17, Фиг. 18). Кроме того, электрическая машина по третьему варианту включает статор 1, выполненный из немагнитного материала, который также является корпусом электрической машины, при этом статор 1 содержит не менее двух пар раздельных магнитопроводов 4, содержащих обмотку 3, намотанную в поперечном направлении относительно оси электрической машины, а подшипниковые щиты 13, 14 выполнены из немагнитного материала или из магнитного материала, но с воздушным зазором.

Статор 1, который также является корпусом электрической машины, может иметь цилиндрическую форму с внутренними продольными пазами трапецеидально-прямоугольной формы, с отверстиями с резьбой.

Магнитопроводы статора 4 выполняются из шихтованной ферромагнитной электротехнической стали с отверстиями для крепления распорок 2 магнитопровода статора 4.

Обмотка 3 магнитопроводов 4 статора 1 выполняется из медного или алюминиевого изолированного обмоточного провода.

Установка обмотки 3 магнитопроводов 4 в статор 1 электрической машины осуществляется путем прикрепления распорок 2 к магнитопроводам 4, затем осуществляется укладка и укрепление обмоток 3, после чего выполняется нагрев статора 1 электрической машины для расширения пазов, далее осуществляется установка магнитопроводов 4 в пазы статора 1.

Установка обмотки 3 магнитопроводов 4 в статор 1 электрической машины может быть выполнена альтернативным способом: осуществляется прикрепление распорок 2 к магнитопроводам 4, затем осуществляется укладка и укрепление обмоток 3, после чего выполняется охлаждение магнитопроводов 4, либо одновременно выполняется нагрев статора 1 и охлаждение магнитопроводов 4, далее осуществляется установка магнитопроводов 4 в пазы статора 1.

Демонтаж магнитопроводов 4 статора 1 для замены обмоток 3 осуществляется путем сверления распорок 2 вдоль пазов с целью их ослабления, после чего осуществляется удаление магнитопроводов 4 из пазов.

Магнитопроводы ротора 6 выполняются из шихтованной ферромагнитной электротехнической стали.

Немагнитный вал 5 ротора может быть полым или неполым, т.е. не иметь сквозного отверстия (как показано на Фиг. 1-Фиг. 26, Фиг. 28, Фиг. 29).

Подшипниковые щиты 13, 14 имеют отверстия для крепления (не показаны на чертежах). Соединение подшипниковых щитов 13, 14 со статором 1 осуществляется при помощи крепежных элементов: болтов, винтов, саморезов, которые могут быть выполнены из немагнитного или магнитного металлов.

Электрическая машина может быть выполнена однофазной.

Электрическая машина может работать напрямую от промышленной электрической трехфазной сети, частотой 50 Гц, либо в паре с частотным преобразователем.

Пуск в работу возможен как при замкнутой индуктивной обмотке ротора, так и при разомкнутой.

Группа изобретений относится к электротехнике и может быть использована в устройствах для преобразования электрической энергии. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности, надежности и долговечности. Электрическая машина включает статор, выполненный из немагнитного материала, который также является корпусом электрической машины, содержащий не менее двух пар раздельных магнитопроводов, разнесенных вдоль оси электрической машины, с обмоткой, намотанной в поперечном направлении относительно оси электрической машины. Подшипниковые щиты выполнены из немагнитного материала. В первом варианте исполнения ротор выполнен с немагнитным валом, на который установлено два магнитопровода с короткозамкнутыми обмотками типа «беличья клетка». Во втором варианте исполнения ротор выполнен с немагнитным валом, на который установлено два якоря с постоянными магнитами. В третьем варианте исполнение ротор выполнен с немагнитным валом, на который установлено два магнитопровода с обмотками и токосъемными кольцами. 3 н.п. ф-лы, 29 ил.

1. Электрическая машина, включающая в себя статор, который содержит не менее двух пар раздельных магнитопроводов, ротор с немагнитным валом и подшипниковые щиты, отличающаяся тем, что статор выполнен из немагнитного материала и является корпусом электрической машины, пары магнитопроводов статора разнесены вдоль оси электрической машины и содержат обмотку, намотанную в поперечном направлении относительно оси электрической машины, подшипниковые щиты выполнены из немагнитного материала, на немагнитный вал ротора установлено два магнитопровода с короткозамкнутыми обмотками типа «беличья клетка».

2. Электрическая машина, включающая в себя статор, который содержит не менее двух пар раздельных магнитопроводов, ротор с немагнитным валом и подшипниковые щиты, отличающаяся тем, что статор выполнен из немагнитного материала и является корпусом электрической машины, пары магнитопроводов статора разнесены вдоль оси электрической машины и содержат обмотку, намотанную в поперечном направлении относительно оси электрической машины, подшипниковые щиты выполнены из немагнитного материала, на немагнитный вал ротора установлено два якоря с постоянными магнитами.

3. Электрическая машина, включающая в себя статор, который содержит не менее двух пар раздельных магнитопроводов, ротор с немагнитным валом и подшипниковые щиты, отличающаяся тем, что статор выполнен из немагнитного материала и является корпусом электрической машины, пары магнитопроводов статора разнесены вдоль оси электрической машины и содержат обмотку, намотанную в поперечном направлении относительно оси электрической машины, подшипниковые щиты выполнены из немагнитного материала, на немагнитный вал ротора установлено два магнитопровода с обмотками и токосъемными кольцами.