беспазовый статор электрической машины

Формула изобретения

1. Беспазовый статор электрической машины переменного тока, содержащий ярмо и закрепленные на нем катушки обмотки, активные стороны которых выполнены в виде пакетов, набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и листовых ферромагнитных элементов, отличающийся тем, что катушки уложены друг на друга в m-слоев и послойно электрически соединены в m однофазных концентрических обмоток, каждая из которых подключена к соответствующей фазе питающего статор m-фазного тока, причем слои обмоток, подключенные к соседним по порядку следования фазам, сдвинуты между собой на угол 360/pm градусов, где m - число фаз, p - число пар полюсов обмотки.

2. Статор по п. 1, отличающийся тем, что при ширине пакетов меньше половины полюсного деления, участки обмоточных слоев между пакетами одной катушки заполнены магнитопроводящими вставками, включающими в себя шихтованные ферромагнитные элементы и немагнитные прокладки или промежутки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, касается электрических машин и может быть использовано в машинах переменного тока различного назначения, например, судовых гребных электродвигателях, гидрогенераторах, двигателях приводов крупных водяных насосов и т.п., особенно размещаемых в ограниченных габаритах (в частности, в подводных капсулах).

Беспазовое исполнение статора позволяет упростить технологию изготовления и укладки на него катушек обмотки.

Известен ряд конструкций беспазовых статоров ( авт. свид. СССР N 917262, N 394893, N 824372, N 278836).

Недостатком известных устройств является большая относительная длина (по отношению к активной длине статора) лобовых частей катушек обмотки, приводящая к увеличению габаритов статора, и сложность формы катушек - с отгибом лобовых частей, затрудняющая их намотку.

Сложность формы обусловлена необходимостью пространственного пересечения катушек различных фаз при укладке их в один слой со взаимным сдвигом.

Как следует из описаний устройств-аналогов, они ориентированы на применение преимущественно однослойных трехфазных концентрических обмоток с отгибом лобовых частей катушек в двух или трех плоскостях.

Длина лобовых частей двухплоскостных концентрических обмоток составляет 2,4-2,6 , где - величина полюсного деления (см. М.П. Костенко и Л.М. Пиотровский. Электрические машины. Т. 2., Госэнергоиздат, М.-Л., 1958, с. 69).

При отгибе в трех плоскостях длина лобовых частей может быть уменьшена до 1,8 (см. Электротехнический справочник. Т. 2. Энергоатомиздат, М., 1986, с. 265) однако конструкция и технология изготовления обмоток при этом усложняются (авт. свид. СССР N 917262).

Наиболее близким по техническим признакам к заявляемому устройству является беспазовый статор по авт. свид. N 278836, принятый в качестве прототипа.

В указанном беспазовом статоре активные стороны катушек обмотки выполнены в виде пакетов, набранных из чередующихся между собой токопроводящих элементов (проводников обмотки) и листовых ферромагнитных элементов. Пакеты закреплены на ярме статора в один слой.

Конструкция и технология изготовления обмоток у данного статора несколько проще, чем у других аналогов, однако ему также свойственны сложность формы и большая длина лобовых частей катушек, а, следовательно, и габариты статора в целом.

Заявляемое изобретение направлено на устранение отмеченных недостатков, а именно: уменьшение габаритов статора за счет сокращения длины лобовых частей катушек обмотки (их вылета), и упрощение технологии изготовления.

Для достижения указанного технического результата в известном беспазовом статоре переменного тока, содержащем ярмо и закрепленные на нем катушки обмотки, активные стороны которых выполнены в виде пакетов, набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и листовых ферромагнитных элементов, катушки уложены друг на друга в m слоев и послойно электрически соединены в m однофазных концентрических обмоток, каждая из которых подключена к соответствующей фазе питающего статор m-фазного тока. При этом слои обмоток, подключенные к соседним по порядку следования фазам, сдвинуты между собой на угол 360/pm градусов.

На незаполненных пакетами участках обмоточных слоев (при ширине пакетов меньше половины полюсного деления) размещены магнитопроводящие вставки, состоящие из шихтованных ферромагнитных элементов и немагнитных прокладок (промежутков), располагаемых поочередно в тангенциальном направлении.

Размещение катушек m-фазной обмотки беззубцового статора в m уложенных друг на друга слоях позволяет выполнить для каждой фазы отдельную однофазную обмотку, укладываемую в одном обмоточном слое. Концентрические катушки такой обмотки наматываются без отгиба лобовых частей, а пространственный шаг катушек меньше величины полюсного деления. Вследствие этого катушки имеют минимальную длину лобовых частей и величину их вылета.

Ширина активной части катушки-пакета может быть различной - до 0,5 , однако, по опыту электромашиностроения, у идентичных в электромагнитном плане обмоток возбуждения неявнополюсных синхронных турбогенераторов оптимальное отношение обмотанной части ко всему полюсному делению находится в диапазоне = 0,66-0,8 (ширина пакета 0,33-0,4), а необмотанная часть полюса ("большой зубец") занимает, соответственно, 0,34- 0,2 (см. Электротехнический справочник Т. 2., с. 255, М.П. Костенко и Л.М. Пиотровский. Электрические машины. Т. 2., с. 170-171).

Средняя длина лобовой части такой обмотки составляет l_s2=1,35D₂/p= 0,86, где D₂ - диаметр ротора (см. Г.М. Хуторецкий и др. Проектирование турбогенераторов. Энергоатомиздат, Л. , 1982, с. 125), что в 2-3 раза меньше приведенных выше значений лобовых частей однослойных концентрических обмоток (трехфазных) традиционных типов, которые используются в устройстве-прототипе.

При типичном для средних и крупных электрических машин значении соотношения активной длины статора 1 и величины полюсного деления в диапазоне = 1/ = 1,5 - 2,8 (см. Электротехнический справочник. Т. 2., с. 278, 308, 309) длина витка обмотки сокращается на 30-35%, а вылет лобовой части - в 3-4 раза.

Каждая однофазная обмотка подключается к питающему току в соответствии с порядком следования фаз и расположением обмоток на поверхности статора. Как известно, для получения эффекта бегущего поля обмотки фаз m-фазной системы, подключаемые к соседним по порядку следования фазам тока, должны располагаться с угловым (пространственным) сдвигом в 360/pm градусов. Это достигается путем соответствующего пространственного сдвига между катушками слоев при их укладке.

При ширине пакетов катушки меньше 0,5 между ними остается незаполненная часть полюсного деления, для обеспечения необходимой магнитной проводимости которой, а также магнитной симметрии статора в целом, на этих участках размещаются магнитопроводящие вставки, состоящие из шихтованных (в продольном или поперечном направлении) ферромагнитных элементов и немагнитных прокладок (промежутков), располагаемых поочередно в тангенциальном направлении. Соотношение ширины ферромагнитных элементов и прокладок (промежутков) может быть различным для конкретных машин, в частности, прокладки могут полностью отсутствовать.

Данное техническое решение может быть применено в круговых статорах электрических машин цилиндрического и торцевого типа, а также плоских статорах линейных машин (с соответствующим пересчетом пространственного сдвига слоев обмоток из угловых градусов в электрические или в линейные величины).

Предлагаемая конструкция статора имеет по сравнению с прототипом следующие отличительные признаки:

1. Выполнение m-фазной обмотки статора в виде m однофазных концентрических обмоток, уложенных друг на друга в m слоев со сдвигом между слоями на угол 360/pm градусов.

2. Заполнение при ширине пакетов меньше половины полюсного деления участков обмоточных слоев между пакетами одной катушки магнитопроводящими вставками, включающими в себя шихтованные ферромагнитные элементы и немагнитные прокладки или промежутки.

Эти признаки в совокупности и только при их совместном введении в предложенное техническое решение позволяют решить задачу - упростить технологию изготовления обмоток беспазовых статоров и сократить длину их лобовых частей.

На фиг. 1 приведена схема расположения катушек трехслойной обмотки беззубцового цилиндрического статора - вид с торца; на фиг. 2 - схематический продольный разрез cтатора с такой обмоткой; на фиг. 3 - схема однофазной концентрической обмотки одного слоя; на фиг. 4 - схематический разрез магнитопроводящей вставки с немагнитными прокладками.

В статоре с трехфазной обмоткой (m=3) на электрически изолированной поверхности сердечника (ярма) 1 закреплены (наклеены) три слоя обмоток 2. Слои разделены электрической изоляцией 3. Оси катушек соседних слоев сдвинуты по отношению друг к другу на угол 120/p градусов и образуют в целом симметричную трехфазную систему.

Катушки состоят из активных сторон (пакетов) 4 и лобовых 5. Внутри катушек размещены магнитопроводящие вставки 6.

Активная сторона (пакет) каждой катушки 4 имеет ширину порядка 1/3, такую же ширину имеют магнитопроводящие вставки.

Витки обмоток 7 соединены в катушках по схеме распределенных однофазных концентрических обмоток (схема изображена для одной пары полюсов). Каждая обмотка подключена к соответствующей фазе трехфазного тока, питающего статор.

Между проводниками внутри катушек расположены листовые ферромагнитные элементы 8. Витки обмотки и ферромагнитные элементы разделены витковой изоляцией (на рисунке не показана).

Магнитопроводящие вставки 6 с немагнитными промежутками выполняются в виде склеенных в единые блоки чередующихся пакетов шихтованного в продольном направлении железа 8 и немагнитных прокладок 9, располагаемых поочередно в тангенциальном направлении.

Сборка обмоток цилиндрического статора осуществляется на вспомогательном приспособлении - цилиндре, наружный диаметр которого соответствует требуемому диаметру расточки статора. Цилиндр изготовлен из материала (или имеет соответствующее покрытие), не обладающего адгезией к эпоксидным компаундам. Слои обмотки и изоляция укладываются на поверхности этого цилиндра, причем межслойная изоляция наматывается в виде бандажей на слои катушечных пакетов. Пакеты и магнитопроводящие вставки могут быть предварительно склеены и укладываться в виде блоков. После укладки всех слоев обмотки и изоляции цилиндр вставляется в кольцо ярма и механически с ним скрепляется. Сборка подвергается совместной вакуумной пропитке эпоксидным компаундом и запечке, после чего вспомогательный цилиндр удаляется.

Статор работает следующим образом. При подаче на его обмотки трехфазного переменного тока каждая из однофазных обмоток, подключенная к одной фазе, создает в своем слое пульсирующее магнитное поле, напряженность которого распределена по образующей цилиндра (в тангенциальном направлении) по закону, близкому к синусоидальному.

Сложение магнитных полей обмоток всех слоев создает суммарное магнитное поле, основная гармоническая составляющая которого движется по окружности статора в требуемом направлении.

Выполненные проектно-исследовательские проработки ряда синхронных гребных электродвигателей подтвердили, что за счет использования предлагаемого технического решения возможно уменьшение на 20-25% общей длины статора при сохранении КПД машины. Технология изготовления катушек значительно упрощается, особенно у машин торцевого и линейного типов (все катушки плоские и одинаковых размеров).