машина постоянного тока

Формула изобретения

Машина постоянного тока, содержащая статор из шихтованного сердечника с неявновыраженными полюсами, в пазах которого уложена компенсационная обмотка, расположенная между продольной и поперечной осями машины и соединенная последовательно с обмоткой якоря, отличающаяся тем, что сердечник статора усечен по образующей парами параллельных плоскостей, равных числу полюсов, так, что образованные грани составляют угол с осью компенсационной обмотки, равный 75-90 эл.град.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции неявнополюсных машин постоянного тока.

Известна электрическая машина постоянного тока [1], статор которой содержит шихтованный сердечник с несколькими распределенными обмотками и неявновыраженными полюсами, ориентированными по продольной оси d, внешняя поверхность которого в поперечном сечении выполнена в форме многоугольника с числом сторон, равным числу полюсов, а оси главных полюсов пересекают середины сторон многоугольника. Такая конструкция позволяет снизить габариты машины и уменьшить отходы стали за счет более рационального раскроя стали до 10%. Это становится возможным за счет того, что магнитный поток неподвижен относительно статора и распределен.

Однако в рабочем режиме усечение сердечника статора в большей степени сказывается на поле, создаваемом компенсационной обмоткой, чем на поле реакции якоря. Поэтому в такой конструкции под действием реакции якоря магнитное поле в воздушном зазоре искажается. На статоре наматываются в одних и тех же пазах и компенсационная обмотка и обмотка возбуждения, в некоторых пазах токи обмоток направлены встречно, что снижает эффективность работы.

Известна конструкция двигателя постоянного тока [2], взятого в качестве прототипа, в которой компенсационная обмотка распределена в пазах сердечника статора несимметрично относительно осей машины и расположена между продольной d и поперечной g осями. Компенсационная обмотка включена последовательно с обмоткой якоря. Направление тока в компенсационной обмотке задается противоположным направлению тока в обмотке якоря в близлежащих пазах. Вектор намагничивающей силы компенсационной обмотки не совпадает с продольной или поперечной осями машины, как и с вектором намагничивающей силы обмотки якоря. При этом составляющая намагничивающей силы компенсационной обмотки по поперечной оси компенсирует намагничивающую силу обмотки якоря, а составляющая по продольной оси создает основной магнитный поток. То есть, на сердечнике статора наматывается только одна распределенная, и как бы комбинированная компенсационная обмотка, которая выполняет функции чисто компенсационной и последовательной обмоток возбуждения. Удается получить экономию обмоточного провода по меди до 20%.

Однако в такой конструкции применяется обмотка возбуждения дополнительных полюсов, рассчитанная на полный поток дополнительных полюсов. Конструкция сердечника статора не учитывает неподвижность и распределенность магнитного поля. Одновременно пазы сердечника статора на половине полюсного давления оказываются не заполненными. Используется только 50% пазов. Для примера, однофазная обмотка возбуждения роторов неявнополюсных синхронных машин занимает 67-75% пазов, но может быть и больше, так как эта величина оптимальна по гармоническому составу МДС в синхронных машинах.

Технический результат изобретения заключается в том, чтобы оставить все положительные черты аналога и прототипа, а именно: снижение габаритов машины, уменьшение отходов электротехнической стали, сокращение расхода меди, за счет объединения компенсационной обмотки и последовательной обмотки возбуждения, улучшение коммутации; но и получить эффект, превосходящий суммарный от объединения этих черт, за счет дополнительного сокращения расхода меди в обмотке дополнительных полюсов, большего снижения габаритов и уменьшения отходов стали из-за возможно более глубокого усечения сердечника статора.

Эта цель достигается тем, что сердечник статора усекается по образующей парами параллельных плоскостей равных числу полюсов таким образом, что образованные грани составляют угол с осью компенсационной обмотки равный 75-90 эл. град.

Эта конструкция отличается от прототипа тем, что в нем не применялись усечения сердечника статора, причем со смещением граней с перпендикулярного положения по отношению к оси обмотки. Такая конструкция ранее не использовалась и поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показано поперечное сечение машины предлагаемой конструкции. Машина содержит сердечник статора 1, в пазы которого уложена компенсационная обмотка 2 и обмотка дополнительных полюсов 3. Часть пазов статора по оси компенсационной обмотки может не вырубаться. Показан якорь 4, в пазы которого уложена обмотка якоря 5. Сердечник статора усекается гранями 6, число которых равно числу полюсов и которые составляют угол с осью компенсационной обмотки, соответствующей направлению вектора F_sk, угол равный 75-90 эл. град.

Данное техническое решение позволяет производить усечение до меньшего радиуса, по сравнению с аналогом, в случае незаполненности некоторой части пазов статора по оси компенсационной обмотки, над которыми это усечение и выполняется. Или, если обмотка заполняет до 100% пазов статора, то она может быть размещена в статоре с меньшим наружным диаметром. Такая конструкция позволяет переходить на более низкие высоты осей вращения при той же мощности по сравнению с аналогами.

Угол сдвига оси компенсационной обмотки с оси d должен определяться соотношением векторов намагничивающих сил обмотки якоря F_ag и обмотки возбуждения статора F_d, создающей основной магнитный поток



Угол составляет обычно 30-60 эл.град. При этом величина МДС компенсационной обмотки

.

В результате смещения граней с перпендикулярного положения по отношению к оси компенсационной обмотки происходит нарушение магнитной симметрии сердечника статора. Это приводит к тому, что ось магнитного потока смещается на некоторый угол в сторону смещения грани. Часть потока перераспределяется в зону коммутации. Направление смещения должно быть противоположно направлению смещения оси главного полюса под действием поперечной реакции якоря в традиционных машинах, так как при этом перераспределение основного потока в область дополнительных полюсов способствует улучшению коммутации.

Смещение грани с перпендикулярного положения по отношению к оси обмотки аналогично эффекту улучшения коммутации при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. Поэтому угол смещения грани сердечника статора аналогичен углу сдвига щеток с геометрической нейтрали и составляет 0-15 эл.град. Это соответствует углу между гранью и осью компенсационной обмотки в 75-90 эл. град. Однако, если при сдвиге щеток зона коммутации смещается в геометрической нейтрали и выходит из зоны действия дополнительных полюсов, которые перестают выполнять свои функции, то при смещении грани зона коммутации остается в зоне действия дополнительных полюсов. В то же время отказ от применения дополнительных полюсов не рационален, так как они позволяют обеспечивать наилучшую коммутацию и регулировать свое воздействие. Поэтому удается уменьшить число витков и расход меди в обмотке дополнительных полюсов.

Применение сердечников статоров предлагаемой конструкции позволяет использовать штампы машин с круглыми статорами при подаче в пресса рулонной стали меньшей ширины. Листы статора после штамповки могут принимать сразу форму заявляемой конструкции. При этом повышается технологичность изготовления, за счет использования уже существующих штампов и появляется экономия рулонной стали, за счет снижения ширины рулона.

Так для изготовления листов сердечников статора машины с высотой оси вращения 100 мм возможна подача в те же штампы рулонной стали, предназначенной для рубки листов статора машины с высотой оси вращения 90 мм. То есть замена стали шириной 168 мм (наружний диаметр статора для h = 100) на сталь шириной 149 мм (наружний диаметр статора для h = 90 мм). Экономия стали составляет 11,3%. При этом форма статора принимает предлагаемый вид. Расчет методом конечных элементов показал, что основной магнитный поток изменился на 0,3%, что входит в разброс магнитных характеристик сталей, технологических допусков и погрешности расчета.

Так как для двухполюстных статорах выполняется предельное распределение обмоток, а следовательно и наибольшая распределенность магнитного поля, (Z/2p - наибольшее), высота спинки статора самая большая, поэтому выигрыш для двухполюсных машин будет максимальным.

Таким образом в данном техническом решении получен эффект, известный ранее, но который невозможно осуществить известными ранее методами и который выше суммы эффектов применяемых ранее решений. Это позволяет говорить о "существенных отличиях" в данном решении. Этот эффект приводит к дополнительной экономии меди в обмотке дополнительных полюсов, улучшению коммутации, большему снижению высоты оси вращения, экономии расхода рулонной стали и повышению технологичности изготовления, что говорит о "полезности" данного решения.