Статор бесколлекторного электродвигателя Российский патент 2024 года по МПК H02K3/02 H02K1/16 

Изобретение относится к области электрических машин. Патентуется статор, как элемент конструкции бесколлекторного электродвигателя. Предлагаемое техническое решение может найти применение в электродвигателях специального назначения.

В соответствии с теорией электрических машин, величина развиваемого вращающего момента у бесколлекторного электродвигателя прямо пропорциональна величине магнитного потока, который индуцируется обмоткой статора в магнитной системе электродвигателя между сердечниками ротора и статора на протяжении полюсного деления статора. Величина этого магнитного потока зависит от параметров намагничивания материала сердечника, размеров поперечного сечения и протяженности отдельных участков магнитной цепи, от величины зазора между ротором и статором, а также от магнитодвижущей силы обмотки статора (МДС). Эта зависимость носит нелинейный характер, причем увеличение МДС за счет увеличения тока обмотки ограничивается допустимой температурой нагрева обмотки, с одной стороны, и предельным значением ширины паза сердечника, определяющим, соответственно, допустимую ширину зубца - с другой стороны. Уменьшение ширины зубца уменьшает эффективное поперечное сечение магнито-провода, увеличивает магнитное насыщение материала в зубце, уменьшает магнитный поток в нем и, как следствие этого, уменьшает эффективный магнитный поток во всей магнитной системе электродвигателя. В обмотках статора обычно используют медный обмоточный провод с тонкой изоляцией, поскольку медь обладает высокой удельной электропроводностью и теплопроводностью и медный провод с тонкой, обычно эмалевой, изоляцией обеспечивает максимальную плотность тока в пазовых частях обмотки при минимальной ширине паза и при максимальной ширине зубца статора. При этом отсутствие ферромагнитных свойств у меди хоть и в минимальной степени, по сравнению с другими проводниковыми материалами, но, все же, значительно уменьшает поперечное сечение магнитопровода и уменьшает эффективный магнитный поток. (Электрические машины: Учеб. для вузов/ И.П.Копылов. - 3-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002 - 607 с). Таким образом, из теории следует, что отсутствие ферромагнитных свойств у обмоточных материалов является фактором, который принципиально препятствует получению максимальной мощности в конструкции электродвигателя с заданными габаритами.

Известны бесколлекторные электродвигатели, асинхронные и синхронные, необходимо включающие в себя статор, который состоит из сердечника, выполненного из электротехнической стали в форме отрезка трубы, внутренняя поверхность которой имеет вид кругового цилиндра с пазами. Сердечник статора обычно изготавливается шихтованным, т.е. набранным из отдельных тонких изолированных пластин. В пазы сердечника, уложены проводники многофазной обмотки, электрически соединенные в лобных (торцовых) частях в соответствии с ее электрической схемой, к обмотке подсоединены питающие провода. (Электрические машины: Учеб. для вузов/ И.П.Копылов. - 3-е изд., испр. - М. :Высш. шк., 2002 -607 с). Характерным признаком известной конструкции статора бесколлекторного электродвигателя является наличие отдельного сердечника и изолированных неферромагнитных проводников обмотки, которые уложены между зубцами в пазы сердечника. Зубцы и их магнитное насыщение, в значительной степени, определяют массогабаритные характеристики электродвигателя, поскольку силовое взаимодействие магнитных потоков ротора и статора определяется фактически площадями зубчатых поверхностей через которые замыкается магнитный поток между статором и ротором.

Известен статор электродвигателя, который содержит сердечник - магни-топровод в виде контура с отдельными зубцами, между которыми вокруг магнитопровода намотаны обмотки, подключенные к источнику переменного тока. Магнитопровод имеет четное количество зубцов, а расположенные по разные стороны относительно каждого зубца обмотки соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков (описание к патенту на изобретение RU № 2719685, опубл. 21.04.2020 бюл. № 12). В данном аналоге в максимальной степени выражен названный выше характерный признак, присущий всем аналогам. В этой конструкции ширина зубцов минимальна по отношению к размерам промежутков между зубцами, которые, ввиду больших своих размеров, в данном решении даже не идентифицируются как пазы. Для специалиста очевидно, что магнитное насыщение материала магнитопровода и величина магнитного потока, взаимодействующего с магнитной системой ротора определяется только суммарной площадью сечения зубцов, что при заданных габаритах статора значительно снижает вращающий момент и уменьшает габаритную мощность электродвигателя.

За аналог - прототип изобретения принимается конструкция типового статора, входящего в состав асинхронного электродвигателя (М.М. Кацман, учебник Электрические машины, М. :Высш. шк., 1990, с. 104, 146). В этой конструкции трехфазный ток в пазовых проводниках обмотки статора создает вращающийся магнитный поток, который замыкается через зазор между зубцами сердечника и наружной цилиндрической поверхностью сердечника ротора. Взаимодействие магнитных потоков возбуждения ротора и вращающегося магнитного потока статора синхронного электродвигателя приводит к появлению вращающего момента на роторе. Недостатками данного аналога, в данном контексте, являются его неудовлетворительные массогабаритные характеристики, обусловленные все тем же наличием медных (диамагнитных) проводников в пазах статора и самих пазов, не проводящих магнитный поток, который поэтому концентрируется в зубцах сердечника со всеми последствиями, указанными и обоснованными выше.

Целью изобретения «Статор бесколлекторного электродвигателя» является увеличение вращающего момента электродвигателя. При использовании изобретения достигается базовый технический результат, который заключается в увеличении эффективного магнитного потока статора, по сравнению с аналогами, при равной величине МДС обмотки и равных его габаритах, что и имеет своим следствием достижение указанной цели.

Сущность изобретения, обеспечивающая достижение заявленного технических результата, заключается в том, что статор бесколлекторного электродвигателя, содержит сердечник, выполненный из магнитомягкого ферромагнитного материала и регулярную многофазную обмотку статора, образованную активными проводниками в совокупности с лобными проводниками, к концам которой присоединены провода - выводы, причем активные проводники обмотки выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала. От известных аналогов патентуемый статор отличается тем, что на один полюс каждой фазы сосредоточенной обмотки приходится один активный проводник, изоляция которого выполнена частично, то есть за исключением тех поверхностей, которые обращены к ротору, причем в качестве изолирующего материала использован диэлектрический материал с магнитомягкими ферромагнитными свойствами.

Обозначенная выше сущность изобретения связана с заявленным техническим результатом следующим образом:

Увеличение эффективного магнитного потока статора по сравнению с аналогами при равной величине МДС обмотки и равных его габаритах достигается за счет исключения из сердечника статора не ферромагнитных объемов, которые, согласно изобретению, оказываются заполненными магнитомягким ферромагнитным материалом обмотки и магнитомягким ферромагнитным материалом изоляции проводников обмотки, что обеспечивает магнитную проводимость всего объема статора и замыкание магнитного потока через всю внутреннюю поверхность его сердечника.

Заявленный технический результат (эффект) и устройство патентуемого статора поясняются чертежами.

На Фиг. 1 схематично изображено магнитное поле магнитной системы четы-рехполюсного трехфазного бесколлекторного электродвигателя в поперечном его сечении, индуцированное одной фазой обмотки, в соответствии с конструкцией статора аналога-прототипа. Данная визуализация соответствуют результатам параметрического моделирования плоской задачи в системе ANSYS.

На Фиг. 2 схематично изображено магнитное поле магнитной системы четы-рехполюсного трехфазного бесколлекторного электродвигателя в поперечном его сечении, индуцированное одной фазой обмотки, в соответствии с патентуемой конструкцией статора. Данная визуализация соответствуют результатам параметрического моделирования плоской задачи в системе ANSYS.

На Фиг. 3 схематично изображен вариант конструкции статора четырехполюсного трехфазного бесколлекторного электродвигателя в поперечном его сечении, в соответствии с заявленным техническим решением.

Статор бесколлекторного электродвигателя (Фиг. 3), содержит сердечник (1), выполненный из магнитомягкого ферромагнитного материала, например, из электротехнической стали и электрическую обмотку, выполненную из магнитомягкого ферромагнитного проводникового материала, например, из магнитомягкой стальной проволоки с эмалевой изоляцией. Активные проводники (2) такой обмотки представляют собою функциональный аналог пазовым проводникам статора-прототипа и, в совокупности с лобными (торцевыми) проводниками (3), образуют регулярную многофазную обмотку статора, к концам которой присоединены провода - выводы (4). Для изготовления лобных (торцевых) проводников обмотки могут быть использованы медные провода или медные шины, электрически соединенные с активными проводниками обмотки, в соответствии с ее электрической схемой. Переходные сопротивления соединений должны быть минимальны. Для обеспечения этого условия, соединения активных проводников (2) с лобными проводниками (3) и подсоединение к обмотке питающих проводов-выводов (4), может быть выполнено способом пайки или другим способом. В соответствии с заявленной сущностью изобретения, на один полюс каждой фазы сосредоточенной обмотки приходится один изолированный активный проводник (2) обмотки. В качестве изолирующего слоя (5) активных проводников (2) обмотки статора в предлагаемом решении применен диэлектрический материал с магнитомягкими ферромагнитными свойствами, например магнитопласт. Активные проводники (2) обмотки, согласно изобретению изолированы частично, т.е. изолированы по своим смежным поверхностям, за исключением тех поверхностей, которые обращены к сердечнику ротора (6).

Статор бесколлекторного электродвигателя, работает следующим образом. Провода-выводы (4) соединяют в соответствии с одной из общеизвестных схем соединения выводов статора бесколлекторных машин, например, звездой или треугольником. Питающее многофазное (применительно к схеме Фиг. 3-трехфазное) переменное напряжение через питающие провода (4) поступает на элементы (2), в которых возникает переменный многофазный электрический ток, индуцирующий в сердечнике - магнитопроводе магнитный поток возбуждения, вращающийся относительно оси статора и замыкающийся через сердечник статора (1), сердечник (6) ротора и кольцевой зазор (7) между ними. Таким образом, обеспечивается выполнение целевой функции статора бесколлекторного электродвигателя, а именно создание вращающегося магнитного поля в магнитной системе электродвигателя. Фиг. 3 иллюстрирует реализацию сосредоточенной обмотки статора с одновитковыми катушками, в которых на один полюс каждой фазы обмотки приходится один изолированный активный проводник (2) обмотки. Этот единственный проводник (2) функционально соответствует совокупности пазовых проводников обмотки статора-прототипа, расположенных в пазах его сердечника, которые приходятся на один полюс и фазу обмотки. Такое решение эффективно снижает активные потери на джоулево тепло, поскольку обеспечивает максимальное поперечное сечение проводника (2) и его максимальную проводимость. В качестве изолирующего слоя (5) активных проводников обмотки (2) использован диэлектрический изоляционный материала с магнитомягкими ферромагнитными свойствами, например, магнитопласт, что дополнительно способствовует достижению заявленного технического результата, за счет уменьшения магнитного потока рассеяния на изоляции. Отсутствие изоляции на тех поверхностях активных проводников (2), которые обращены к ротору (6) не влияет на работоспособность статора.

Предлагаемое, как изобретение, техническое решение успешно испытано в опытных изделиях, ожидаемый технический результат подтвержден.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - увеличение эффективного магнитного потока статора при равной с аналогами величине МДС обмотки и равных его габаритах. Статор бесколлекторного электродвигателя содержит сердечник, выполненный из магнитомягкого ферромагнитного материала, и регулярную многофазную сосредоточенную обмотку статора, образованную активными изолированными проводниками в совокупности с лобными проводниками, к концам которой присоединены провода - выводы. От известных аналогов статор отличается тем, что активные проводники обмотки выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала. При этом на один полюс каждой фазы сосредоточенной обмотки приходится один активный проводник, изоляция которого выполнена частично, то есть за исключением тех поверхностей, которые обращены к ротору. В качестве изолирующего материала использован диэлектрический материал с магнитомягкими ферромагнитными свойствами. 3 ил.

Статор бесколлекторного электродвигателя, содержащий сердечник, выполненный из магнитомягкого ферромагнитного материала, и регулярную многофазную обмотку статора, образованную активными проводниками в совокупности с лобными проводниками, к концам которой присоединены провода - выводы, причем активные проводники обмотки выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала, отличающийся тем, что на один полюс каждой фазы сосредоточенной обмотки приходится один активный проводник, изоляция которого выполнена частично, то есть за исключением тех поверхностей, которые обращены к ротору, причем в качестве изолирующего материала использован диэлектрический материал с магнитомягкими ферромагнитными свойствами.