ДИСКОВАЯ АСИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2025 года по МПК H02K17/16 H02K16/04 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано для изготовления асинхронных электрических машин.

Известна торцовая электрическая машина, содержащая статор, на базовом щите которого закреплен кольцевой магнитопровод с m-фазной обмоткой возбуждения. В опорном стакане, запрессованном в щит, установлены два подшипника, разделенные упругим звеном, для компенсации радиальной нагрузки. Ротор имеет магнитопровод с короткозамкнутой обмоткой, он отделен воздушным зазором от магнитопровода статора. Корпус ротора в форме диска снабжен ребрами жесткости, выполняющими также роль лопаток вентилятора, он напрессован на вал, опирающийся на подшипники [1].

Недостатком данной конструкции торцовой электрической машины является, наличие в обмотке статора лобовых частей, сложность охлаждения частей обмотки статора, находящихся в пазах, наличие электромагнитных сил, связанных с взаимодействием электромагнитного поля с ротором, действующих на ротор в аксиальном направлении.

Наиболее близкой по конструкции является торцовая электрическая машина, содержащая статор, состоящий из двух колец, нижнего и верхнего. На нижнем кольце на одной из торцевых сторон размещены полюсные выступы с радиальными прорезями, причем одна часть полюсных выступов размещена по периферии кольца, а другая часть -по его центральной части, на половину каждого полюсного выступа насажен короткозамкнутый виток, выполненный в виде сегментной трубы. Между полюсными выступами вставлена кольцевая обмотка возбуждения. Верхнее кольцо магнитопровода состоит из сегментов, разделенных магнитодиэлектриком. Ротор выполнен в виде плоского кольца из магнитного материала, причем на торцевой поверхности, обращенной в сторону статора, размещены радиальные зубцы. В центральной части ротора имеется вал, часть которого вместе с радиальными зубцами покрыта алюминиевой оболочкой, выполняющей роль короткозамкнутой обмотки. Корпус ротора, выполненный в форме диска, имеет ребра жесткости, выполняющие также роль лопаток вентилятора [2].

Недостатком данной конструкции торцовой электрической машины является, сложность конструкции статора и сложность охлаждения обмотки статора, наличие электромагнитных сил, связанных с взаимодействием электромагнитного поля с ротором, действующих на ротор в аксиальном направлении.

Целью изобретения является улучшение охлаждения обмотки статора и уравновешивание электромагнитных сил, действующих на ротор в аксиальном направлении за счет обеспечения симметрии электромагнитного поля, действующих на ротор с обеих торцевых сторон.

Поставленная цель достигается тем, что дисковая асинхронная электрическая машина, содержащая ферромагнитный магнитопровод, имеющий статор и ротор, при этом статор содержит два одинаковых плоских кольца, одну группу стержней с одной группой многофазной сосредоточенной обмотки, стержни одним концом прикреплены к торцевой поверхности одного кольца, ротор выполнен в виде диска с закрепленным на нем по периметру плоским ферромагнитным кольцом, внешний и внутренний диаметр которого равны внешнему и внутреннему диаметрам колец статора, в центральной части ротора размещен опирающийся на подшипники вал с напрессованным на него другим кольцом, соединенным с помощью ребер жесткости с плоским ферромагнитным кольцом ротора, на торцевых поверхностях кольца ротора выполнены радиальные пазы и зубцы, в пазах размещены проводники роторной обмотки, каждое из колец статора закреплено на своем базовом щите, в каждом из которых также закреплен расположенный на валу подшипник, статор содержит еще одну группу стержней, количество которых равно количеству стержней первой группы и имеющих такие же размеры, как и стержни первой группы, одним концом прикрепленных к торцевой поверхности второго кольца, на стержнях второй группы размещена вторая многофазная сосредоточенная обмотка статора, идентичная первой многофазной сосредоточенной обмотке статора, другие концы всех стержней выполнены с полюсными наконечниками, между зубьями ротора и полюсными наконечниками стержней статора с обеих сторон выполнены одинаковые воздушные зазоры, проводники, расположенные симметрично на обеих торцевых поверхностях кольцевого ротора в его пазах, замкнуты в индивидуальные кольца.

На фиг. 1 показана конструкция дисковой асинхронной электрической машины при 3-х фазном исполнении, на фиг. 2 показана конструкция дискового ротора.

Дисковая электрическая машина содержит неподвижный статор, состоящий из двух симметричных относительно дискового ротора частей, содержащих базовые щиты 1 и 1', соединенные между собой основанием 2, к базовым щитам 1 и 1' крепятся две симметричные части магнитопровода статора, выполненного из ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью и малыми потерями энергии от вихревых токов и гистерезиса, который содержит кольцевые ярма 3 и 3', каждое из которых одной торцевой частью соединено с соответствующим базовым щитом 1 и 1', а к торцевой стороне каждого из кольцевых ярем 3 и 3', присоединены, например с помощью точечной сварки, стержни 4 и 4' в количестве 2 m в каждой части статора. На стержнях 4 и 4' размещены две одинаковые части m-фазной обмотки 5 и 5', предназначенной для подключения к источнику m-фазного переменного напряжения. Обмотка намотана так, что при протекании по ее фазам переменного тока на свободных концах находящихся друг против друга стержней, из групп 4 и 4^', образуются одноименные магнитные полюса. На фиг. 1 показан вариант конструкции дисковой асинхронной электрической машины с 3-х фазной обмоткой статора, когда m=3, предназначенной для подключения к источнику трехфазного напряжения. Свободные концы стержней 4 и 4' двух частей статора выполнены с полюсными наконечниками 6 и 6', между ними выполнен зазор, в котором, не соприкасаясь с полюсными наконечниками, находится дисковый ротор 7, с размещенным по периметру, плоским ферромагнитным кольцом 8, внешний и внутренний диаметр которого равен внешнему и внутреннему диаметрам колец статора 3 и 3'. На кольцевом ферромагнитном роторе с двух торцевых сторон симметрично выполнены радиальные пазы 9 и 9' и зубья 10 и 10', в каждом из симметрично расположенных пазов размещена замкнутая в индивидуальное кольцо 11 одна из частей обмотки ротора, выполненная из материала с высокой электрической проводимостью. Между зубьями 10 и 10' ротора и полюсными наконечниками 6 и 6' статора с обеих сторон выполнены одинаковые воздушные зазоры. В дисковом роторе 7 к ферромагнитному кольцу 8 прикреплены одними концами ребра жесткости 12, выполняющие также роль лопаток вентилятора, другими концами прикрепленные к другому кольцу меньшего диаметра 13, напрессованному на вал 14, опирающийся на подшипники 15 и 15/, закрепленные на базовых щитах 1 и 1/

Устройство работает следующим образом. Статорная m-фазная обмотка подключается к источнику m-фазного переменного напряжения. На каждом из стержней каждой из двух частей статора установлена одна половина фазной обмотка, другая половина этой же фазной обмотки установлена на стержне, расположенном диаметрально противоположно рассматриваемому стержню на этой же части статора, и обе половины обмотки соединены так, что при протекании по ним трехфазного переменного тока, на расположенных друг против друга полюсных наконечниках 6 и 6' в каждой из фаз в любой момент времени образуются магнитные полюса одинаковой полярности. При этом каждая половинная часть статора создает свой переменный магнитный поток, который перемещается, чередуя направление, с частотой, определяемой частотой питающего напряжения, по замкнутому контуру. Например, в один из моментов времени каждый поток проходит - через соответствующий стержень, на котором размещена обмотка одной фазы, полюсный наконечник, воздушный зазор, зубцы на кольцевом роторе, кольцо ротора, другие зубцы на кольцевом роторе, другой воздушный зазор, другой полюсный наконечник, другой стержень, на котором размещена обмотка последующей фазы, кольцо статора. Оба магнитных потока, протекающие каждый по своему пути, имеют одинаковое направление в кольцевом магнитопроводе ротора, и наводят в кольцевых витках обмотки ротора ЭДС согласного направления, по кольцам обмотки ротора протекает ток и возникает электромагнитный момент, вращающий ротор. Максимум амплитуды магнитного потока перемещается в пространстве в воздушных зазорах между статором и ротором по круговой траектории, в соответствии с чередованием фаз и изменением во времени питающего напряжения и магнитного потока. Образующееся в обоих воздушных зазорах между ротором и обеими частями статора вращающееся магнитное поле имеет одинаковое направление. Ротор начинает вращаться со скольжением, величина которого определяется нагрузкой на валу двигателя.

Все элементы ферромагнитного магнитопровода выполняют из материала с большой магнитной проницаемостью и малыми удельными потерями энергии, например, шихтованные стальные стержни и полюсные наконечники - из тонких пластин, кольцевые ярма статора и ротор - из тонкой стальной ленты, свитой в кольцо. Также возможно выполнение всех элементов магнитопровода из прессованного ферромагнитного порошка.

В данной конструкции дисковой асинхронной электрической машины обмотки статора и ротора непрерывно охлаждаются воздухом окружающей среды естественным путем. Также может быть обеспечено принудительное охлаждение хорошо доступных для охлаждения сосредоточенных обмоток статора, не находящихся в закрытых пазах как в других известных конструкциях, например путем внешней вентиляции. В диске ротора имеется ребра жесткости 12, выполняющие также роль лопаток вентилятора, что улучшает условия охлаждения обмоток двигателя. Обмотки статора сосредоточенные, без лобовых частей, что снижает расход и стоимость проводящего материала, в качестве которого обычно используется медь. Действие электромагнитных сил на ротор с обеих сторон симметрично и уравновешено, что исключает его деформацию и изменение в течение времени размера воздушного зазора.

В созданном работающем образце предложенной дисковой асинхронной электрической машины с трехфазной статорной обмоткой реализуются пусковые режимы и работа в установившемся режиме.

Список источников

1. Патент РФ № 2140700. Торцовая асинхронная электрическая машина. МПК Н 02К 5/173, 5/16,17/16. Опубл. 27.10.1999.

2. Патент РФ № 748691. Торцовая электрическая машина. МПК Н 02К 17/02. Опубл. 15.07.1980. Бюл. № 26.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – улучшение охлаждения обмотки статора и уравновешивание электромагнитных сил, действующих на ротор в аксиальном направлении. В дисковой асинхронной электрической машине ферромагнитный статор содержит два одинаковых плоских кольца, две группы стержней, и две группы многофазной сосредоточенной обмотки, расположенной на стержнях. Каждый из стержней одним концом прикреплен к одной торцевой поверхности своего кольца, а другие концы всех стержней выполнены с полюсными наконечниками. Ротор выполнен в виде диска с закрепленным на нем по периметру плоским ферромагнитным кольцом, внешний и внутренний диаметры которого равны внешнему и внутреннему диаметрам колец статора. В центральной части ротора размещен опирающийся на подшипники вал с напрессованным на него другим кольцом, соединенным с помощью ребер жесткости с плоским ферромагнитным кольцом ротора. На торцевых поверхностях кольца ротора выполнены радиальные пазы и зубцы, в пазах размещены проводники роторной обмотки, замкнутые в индивидуальные кольца. Между зубьями ротора и полюсными наконечниками стержней статора с обеих сторон выполнены одинаковые воздушные зазоры. 2 ил.

Дисковая асинхронная электрическая машина, содержащая ферромагнитный магнитопровод, имеющий статор и ротор, при этом статор содержит два одинаковых плоских кольца, одну группу стержней с одной группой многофазной сосредоточенной обмотки, стержни одним концом прикреплены к торцевой поверхности одного кольца, ротор выполнен в виде диска с закрепленным на нем по периметру плоским ферромагнитным кольцом, внешний и внутренний диаметры которого равны внешнему и внутреннему диаметрам колец статора, в центральной части ротора размещен опирающийся на подшипники вал с напрессованным на него другим кольцом, соединенным с помощью ребер жесткости с плоским ферромагнитным кольцом ротора, на торцевых поверхностях кольца ротора выполнены радиальные пазы и зубцы, в пазах размещены проводники роторной обмотки, отличающаяся тем, что каждое из колец статора закреплено на своем базовом щите, в каждом из которых также закреплен расположенный на валу подшипник, статор содержит еще одну группу стержней, количество которых равно количеству стержней первой группы и имеющих такие же размеры, как и стержни первой группы, одним концом прикрепленных к торцевой поверхности второго кольца, на стержнях второй группы размещена вторая многофазная сосредоточенная обмотка статора, идентичная первой многофазной сосредоточенной обмотке статора, другие концы всех стержней выполнены с полюсными наконечниками, между зубьями ротора и полюсными наконечниками стержней статора с обеих сторон выполнены одинаковые воздушные зазоры, проводники, расположенные симметрично на обеих торцевых поверхностях кольцевого ротора в его пазах, замкнуты в индивидуальные кольца.