беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины и способ укладки на него однослойной трехфазной обмотки

Формула изобретения

1. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины, состоящий из полого ступенчатого вала с пятой, ступенчатой цилиндрической ступицы, закрепленной с помощью фланца соосно на этом валу, полого цилиндрического шихтованного пакета, установленного по наружной образующей поверхности ступицы, и однослойной трехфазной обмотки, уложенной поверх пакета, отличающийся тем, что на двух торцевых поверхностях ступенчатой цилиндрической ступицы с двух сторон цилиндрического шихтованного пакета по его окружности установлены кольцевые направляющие секторы с углублениями по наружному радиусу по общему числу проводников однослойной трехфазной обмотки так, что наружная поверхность шихтованного цилиндрического пакета расположена не выше нижнего края углублений, а также в обеих торцевых частях ступицы равномерно по окружности с радиусом, меньше радиуса внутренней поверхности пакета, установлены соосно валу направляющие цилиндрические втулки с кольцевыми углублениями так, что однослойная трехфазная обмотка укладывается в углубления направляющих кольцевых секторов и кольцевые углубления направляющих цилиндрических втулок, причем каждую направляющую цилиндрическую втулку огибают провода, принадлежащие только двум фазам.

2. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по п.1, отличающийся тем, что углубления направляющих секторов полукруглые с радиусом закругления не менее диаметра укладываемого провода и с глубиной не более радиуса закругления.

3. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по п.1, отличающийся тем, что число направляющих кольцевых секторов определяется целым числом.

4. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по п.1, отличающийся тем, что количество кольцевых углублений направляющих цилиндрических втулок равно утроенному числу проводников одной секции катушки.

5. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по п.1, отличающийся тем, что количество кольцевых углублений направляющих цилиндрических втулок равно удвоенному числу проводников одной секции катушки.

6. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по п.1, отличающийся тем, что обмотка статора в лобовых частях компаундируется.

7. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по п.1, отличающийся тем, что обмотка статора полностью компаундируется.

8. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что направляющие цилиндрические втулки с противоположных сторон смещены относительно друг друга на половину шага.

9. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что направляющие цилиндрические втулки с противоположных сторон смещены относительно друг друга на величину, отличную от половины шага.

10. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что выводные концы трехфазной однослойной обмотки соединены с выводным проводом, проходящим через центральное отверстие полого вала в пяте.

11. Беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что полый вал имеет цилиндрическую ступень с отверстиями в торцевой части со стороны ступицы для выводного провода, соединяемого с выводными концами трехфазной однослойной обмотки.

12. Способ укладки однослойной трехфазной обмотки на беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины, заключающийся в том, что укладку фазных обмоток на наружную цилиндрическую поверхность статора проводят последовательно одну за другой тремя проводами таким образом, что каждый провод от начала до конца не имеет разрывов, при этом намотку начинают с начальной фазной клеммы первой фазы, затем через кольцевое углубление направляющей втулки конечной фазной клеммы провод укладывают на начальную направляющую цилиндрическую втулку в первое углубление от торца ступицы, потом укладывают в среднее между втулками углубление в направляющем кольцевом секторе, затем провод укладывают вдоль статора параллельно продольной оси статора через углубление в противоположном направляющем секторе, и далее через первое кольцевое углубление вокруг ближайшей направляющей втулки с противоположной стороны на соседнюю втулку в одномерное углубление, и затем укладывают на направляющий сектор с углублениями со своей стороны со смещением, равным утроенному числу проводников в одной секции катушки, и далее вдоль статора параллельно продольной оси статора через углубление в направляющем секторе вокруг направляющей цилиндрической втулки через одну от предыдущей по одномерному углублению вокруг соседней по направлению смещения втулки, и далее через углубления в направляющих секторах с тем же смещением на противоположную сторону, повторяя операции до тех пор, пока провод первой фазы не придет к цилиндрической втулке, с которой начинают укладку, с выходом на начальную втулку укладку провода производят в соседние углубления на секторах и втулках, пока не будет достигнуто заданное число проводников в каждой секции катушек, что соответствует заполнению углублений на одну треть, после чего укладывают провод второй фазы, выполняя все операции по аналогии с укладкой обмотки первой фазы, при этом начальной втулкой укладки берут втулку, находящуюся через одну от начальной втулки первой фазы по направлению укладки, после чего укладывают провод третьей фазы, выполняя все операции по аналогии с обмоткой первой фазы, при этом начальной втулкой укладки берут втулку, находящуюся через одну от второй начальной втулки по направлению укладки второй фазы.

13. Способ укладки однослойной трехфазной обмотки на беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по п.12, отличающийся тем, что провод через первое кольцевое углубление вокруг ближайшей направляющей втулки с противоположной стороны первый раз укладывают с обкручиванием слева направо.

14. Способ укладки однослойной трехфазной обмотки на беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по п.12, отличающийся тем, что провод через первое кольцевое углубление вокруг ближайшей направляющей втулки с противоположной стороны первый раз укладывают с обкручиванием справа налево.

15. Способ укладки однослойной трехфазной обмотки на беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по любому из пп.12 - 14, отличающийся тем, что лобовые части компаундируют.

16. Способ укладки однослойной трехфазной обмотки на беспазовый статор магнитоэлектрической обращенной машины по любому из пп.12 - 14, отличающийся тем, что всю однослойную трехфазную обмотку компаундируют.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкциям статоров бесколлекторных магнитоэлектрических машин обращенного исполнения и может быть использовано как в генераторах, так и электродвигателях в различных областях техники. Однако наибольшую эффективность заявляемое изобретение может дать в ветроэнергетике при использовании его в составе генератора в ветроустановках малой и средней мощности, в которых необходимо обеспечить минимальное значение момента страгивания и получение электроэнергии на низких частотах вращения.

Известна конструкция кинетического аккумулятора электрической энергии с электрической машиной с постоянными магнитами, в которой статор находится внутри ротора [1, с.26-27]. Внутри ступицы маховика располагаются два кольцевых магнитопроводы, на которых закреплены призматические постоянные магниты, намагниченные в радиальном направлении, таким образом, что по внутренней расточке образуется ряд полюсов чередующейся полярности. Магниты размещены с двух сторон ступицы. На герметизирующем кожухе, выполняющем роль корпуса, установлены пакеты беспазовых статоров. В зазорах между статорами и постоянными магнитами по обе стороны от ступицы уложены две беспазовые обмотки.

Недостатками данной конструкции электрической машины является разделение статора на две части с целью получения высоких энергетических показателей. Такая конструкция существенно повышает трудоемкость изготовления электрической машины и требует применения специальной технологической оснастки. Применение таких электрических машин становится целесообразным только при больших мощностях. Недостатком этой конструкции также является относительно высокий момент страгивания ротора, обусловленный как большой инерцией ротора, так и высоким моментом залипания ротора.

Известна конструкция статора, представляющая пустотелый цилиндр, на внутренней стенке которого размещают однослойную трехфазную обмотку [2, с.120-122]. В такой конструкции статора наличие пазов является обязательным условием, так как обеспечивает надежность крепления обмотки. Недостатками этой конструкции статора являются сложность и высокая трудоемкость его изготовления. Необходимость наличия пазов ведет к усложнению формы пластин, из которых набирают статор для уменьшения потерь в стали. В силу относительно больших потерь, вызванных нерациональным размещением трехфазной однослойной обмотки, не обеспечивается отдача энергии на низких частотах вращения. Кроме того, для генератора также не обеспечивается минимальный момент страгивания. По причине частых межвитковых замыканий в лобовых частях эта конструкция является низкотехнологичной при изготовлении машины и снижает ее надежность при эксплуатации. Такая конструкция также не обеспечивает проведение промежуточного контроля электрической машины в виде испытаний до полного изготовления статора.

Известна конструкция статора электрической машины для однослойной беспазовой обмотки. [1, с.32-33]. Целью этой конструкции является предотвращение повреждения витков обмотки при установке в корпус статора. Поэтому на отформованную на цилиндрической оправке обмотку с уложенной электроизоляционной прокладкой наматывается из магнитомягкой проволоки дополнительный магнитопровод, который в последующем пропитывается клеем и сушится. По окончании процессов пропитки и сушки узла статора производится обточка наружной поверхности под посадку в основной магнитопровод машины, установленный в корпусе. Магнитопровод статора беспазовых радиальных электрических машин изготавливается из листов магнитомягкой стали, каждый из которых имеет форму кольца. Листы склеиваются в пакет, внутренняя поверхность которого, как правило, не обрабатывается для исключения электрического замыкания и вследствие этого увеличения потерь на вихревые токи.

Недостатками такой конструкции статора является высокая трудоемкость изготовления статора и сложность установки обмоток в магнитопровод. Также этой конструкцией не обеспечиваются высокие энергетические показатели.

Известна конструкция обращенной магнитоэлектрической машины [3]. Конструкция этой электрической машины содержит статор с трехфазной пазовой обмоткой, размещенной на неподвижном валу, и ротор с постоянными магнитами, охватывающий статор. Ротор выполнен в форме полого цилиндра, внутри которого размещены кольцевые магниты с радиальной намагниченностью из сплавов редкоземельных металлов. Статор представляет также сборную конструкцию. На вал устанавливается шихтованный пакет с полюсными выступами и пазами. В пазы укладывается трехфазная обмотка. Недостатком этой конструкции статора электрической машины является высокий момент страгивания ротора с места, невозможность обеспечить получение энергии на низких частотах вращения и, как следствие, низкий кпд.

Известна конструкция электрической машины являющейся тяговым двигателем электровозов, в которой трехфазная однослойная обмотка укладывается на сердечник, являющийся ротором [4, с.282-288]. В этой конструкции ротора электрической машины укладка обмотки производится на наружную цилиндрическую поверхность. Подвод напряжения к обмотке в этой конструкции машины предполагает обязательное наличие коллектора, так как деталь является вращающейся. Электрические машины этой конструкции также не обеспечивают минимальный момент страгивания ротора и отдачу электроэнергии в сеть на низких оборотах, а также сложны в изготовлении.

Известен способ изготовления и укладки беспазовой обмотки статора [1, с.27-32]. Процесс изготовления и укладки беспазовой однослойной обмотки якоря электрической машины постоянного тока состоит из нескольких последовательных операций. Сначала изготавливают из деревянного бруса специальный шаблон в соответствии с размерами будущей обмотки с учетом различных технологических припусков. По краям бруса с двух сторон забивают штыри, предназначенные для разделения витков обмоток. Затем на поверхности шаблона укладывают изоляционные материалы и производят намотку проводом катушечных групп. Для исключения взаимного смещения витков между собой при снятии с шаблона применяют специальные клеящие материалы или герметики. После высыхания клеевых составов с шаблона удаляют штыри и снимают обмотки катушечных групп. Затем обмотки формуют, для чего на специальном приспособлении сначала их обжимают. Далее осуществляется разрезка петель и распайка обмотки в соответствии с электрической схемой. Затем отформованную на плоскости обмотку укладывают на цилиндрическую оправку. Между оправкой и обмоткой укладывают фторопластовую прокладку, предназначенную для облегчения снятия обмотки с оправки. Уложенную на оправку обмотку формуют в цилиндр и вставляют внутрь цилиндрического магнитопровода статора. Затем производят формовку лобовых частей. Полностью отформованную обмотку заливают компаундом и сушат. Крепление обмотки к статору осуществляют клеем или на штифтах. Статор с приклеенной обмоткой устанавливают на станок, на котором обтачивают его наружную поверхность относительно центров технологической оправки.

Недостатками данного способа изготовления и укладки беспазовой однослойной обмотки являются сложность изготовления и низкая надежность. При таком способе изготовления и укладки беспазовой однослойной обмотки высока вероятность появления межвитковых замыканий в процессе выполнения операций протаскивания и снимания, а применение пайки дополнительно существенно повышает трудоемкость изготовления обмотки в целом. Также не обеспечивается возможность проверки исправности узла до полного изготовления статора. При использовании этого способа необходимо оставлять допуски на протаскивание обмотки, что ведет к увеличению воздушного зазора и ухудшению энергетических характеристик электрической машины. Возможно также нарушение соосности обмотки и ротора машины, что также ведет к ухудшению ее характеристик. Кроме того, недостатками описанного способа изготовления и укладки беспазовой однослойной обмотки являются сложность и необходимость бандажировки по крайней мере лобовых частей, спайки катушек, их взаимное позиционирование и равномерное расположение по отношению к полюсам. Поэтому изготовление машины в целом требует применения сложной технологической оснастки.

Известна конструкция статора электродвигателя [5], в котором сначала изготавливают беспазовую обмотку, которую затем укладывают на оправку и вставляют в статор, представляющий полый цилиндр. Обмотка размещается на внутренней поверхности полого цилиндра. Крепление обмотки производят клеящим составом и в последующем компаундируют, после чего производят проточку. Такой способ получения беспазовой обмотки также требует применения сложной технологической оснастки и отличается высокой трудоемкостью.

Известна конструкция беспазового статора и способ его изготовления [6]. Способ получения однослойной беспазовой обмотки заключается в последовательной укладке с помощью специального технологического оборудования на наружную поверхность цилиндрической оправки проводников обмотки. При укладке каждого проводника осуществляется его фиксация клеящим составом для предотвращения смещения проводников. После получения обмотки ее с помощью оправки, описанным выше способом вставляют внутрь полого цилиндра, чем обеспечивается получение статора электрической машины.

Недостатками описанного способа являются необходимость наличия специальной технологической оснастки, значительное время изготовления обмотки, незаконченность формирования лобовых частей обмотки, а также невозможность проверить испытанием электрическую машину до компаундирования обмотки для выявления межвитковых замыканий.

Прототипом конструкции является устройство описанное выше и в [3].

Прототипом способа укладки и изготовления фазной обмотки является способ, описанный выше и в [6].

Задачей изобретения является создание электрической машины с минимальной величиной момента страгивания и обеспечивающей отдачу электроэнергии на малых частотах вращения, обладающей более высокой надежностью вследствие снижения вероятности возникновения межвитковых замыканий в процессе сборки статора и технологически более простой в изготовлении, что особенно важно при мелкосерийном производстве, что позволит расширить область применения электрических машин этого класса.

Задача решается за счет применения новой конструкции безпазового статора и применением нового, обусловленного конструкцией, способа укладки на него однослойной трехфазной обмотки.

Сущность изобретения поясняется фигурами.

Фиг.1. Статор в сборе (продольный разрез).

Фиг.2. Наружный обод ступицы статора.

Фиг.3. Кольцевой направляющий сектор.

Фиг.4. Вид спереди на ступицу статора и клеммную колодку.

Фиг.5. Электрическая схема трехфазной однослойной обмотки.

Фиг.6. Вид на статор в сборе снаружи.

Сущность изобретения заключается в следующем. Достижение низкого значения момента страгивания возможно при использовании беззубцового (или беспазового) статора с однослойной обмоткой. Однако укладка такой обмотки на внутреннюю поверхность пустотелого цилиндра, как у прототипа, является сложной технологической задачей. Поэтому задача решается применением новой конструкции статора, на котором и размещают однослойную трехфазную обмотку, причем укладка обмотки представляет собой технологически простой набор операций. Достижение заявляемого технического результата возможно только с применением электрической машины, которая представляет собой обращенную бесколлекторную магнитоэлектрическую машину с беспазовым статором оригинальной конструкции (фиг.1). Статор этой машины выполнен не в форме пустотелого цилиндра, на внутренней поверхности которого укладывается трехфазная однослойная обмотка, а в виде цилиндра, у которого укладка обмотки производится на внешней поверхности. Такая конструкция статора позволяет не только обеспечить минимальный момент страгивания ротора, но и отдачу энергии при низких частотах вращения. Для уменьшения массы статор в различных частях продольного сечения имеет разные толщины. Статор представляет собой сборную конструкцию. Основными ее элементами являются (фиг.1) полый ступенчатый вал 1 с пятой 31 круглого или квадратного профиля, внутри которого проходят фазные провода 2 вывода или подвода питания. Со стороны пяты вал имеет цилиндрический уступ, в котором выполнены два диаметрально расположенных отверстия 5. При необходимости концы фазных обмоток или провода подвода питания могут пропускаться через эти отверстия. В этом случае отпадает необходимость наличия центрального отверстия на монтажной плите под пятой для выводных проводов. На вал с двух сторон устанавливаются подшипники 32. Полый вал имеет фланец 3, к которому с помощью винтов 4 крепится ступенчатая цилиндрическая ступица статора 6. Как указывалось выше, применение ступицы позволяет снизить массу электрической машины при ее неизменных электрических характеристиках. Для снижения массы электрической машины ступица может изготавливаться из какого-либо легкого металла или сплава, а также из пластмасс, обеспечивающих достаточную прочность. Ступица статора в центральной и периферической части имеет утолщения. В центральной части утолщение служит для обеспечения надежности соединения с валом, в наружной части - для размещения шихтованного из магнитомягкой стали полого цилиндрического пакета 7. В наружной части (фиг.2) ступица имеет буртик 33 высотой равной толщине шихтованного пакета 7. Пакет представляет пустотелый цилиндр, изготовленный из металлической ленты, которая навивается непосредственно по наружной поверхности ступицы. Длина пакета в осевом направлении формируется за счет количества слоев металлической ленты, которая при накрутке ставится на ребро. При этом начало ленты заправляется в специальный паз, находящийся в буртике ступицы. При достижении необходимой длины пакета навивку прекращают, а край пакета фиксируют металлической кольцевой прокладкой 8, закрепляемой винтами 9 к ступице. При этом наружный диаметр кольцевой прокладки соответствует наружному диаметру пакета, а внутренний обеспечивает размещение крепежных винтов 9. С торцов ступицы по наружному цилиндру с помощью винтов 9 и 10 крепят кольцевые направляющие сектора 11 (фиг.2, 3) с углублениями по наружной образующей поверхности для размещения проводов трехфазной однослойной обмотки. Причем эти сектора со стороны кольцевой прокладки крепятся к статору теми же винтами, что и кольцевая прокладка, служащая для фиксации шихтованного пакета. Кольцевые направляющие сектора изготавливают из диэлектрического материала. Углубления формируют путем последовательных сверлений с линией центров, расположенной по окружности, с последующей прорезкой по этой линии. Углубления могут иметь и иной профиль, например треугольный, но они должны обеспечивать размещение в них проводов обмоток так, чтобы исключить их соприкосновение. Возможна и иная технология получения углублений, например штамповкой или прорезкой. Диаметр сверлений принимают немного больше диаметра намоточного провода, что обеспечивает в последующем его укладку без дополнительной изоляции в выемки направляющих секторов. При установке кольцевых направляющих секторов на ступицу статора нижний край углублений находится на окружности с радиусом, обеспечивающем изоляцию проводников обмотки от шихтованного пакета. Количество направляющих кольцевых секторов с углублениями, размещаемых на ободе, определяется из условия удобства изготовления. Кольцевые сектора установлены с торцев по всей наружной окружности ступицы таким образом, что с каждой стороны образуют сплошное без разрывов кольцо углублений, а углубления секторов с одной стороны ступицы находятся напротив углублений направляющих секторов с другой стороны ступицы. Такое размещение углублений обеспечивает отсутствие перекосов витков и их параллельность продольной оси машины, что в целом обеспечивает получение требуемых характеристик электрической машины.

Общее число проводников, размещаемых на наружной поверхности статора, определяется выражением

,

где D - наружный диаметр шихтованного пакета,

d - диаметр проводника с учетом воздушного зазора на изоляцию.

При этом общее число витков должно быть кратным числу фаз, числу полюсов и числу витков в катушке. От числа витков в катушке зависит формирование эдс необходимой величины и формы и получение требуемого значения напряжения при заданной мощности. Количество проводников, размещаемых на наружной поверхности статора, равно соответственно общему числу углублений, обеспечиваемому всеми кольцевыми направляющими секторами с одной стороны. Нижний край кольцевого направляющего сектора должен обеспечивать возможность размещения винтов для крепления и располагаться на расстоянии, не меньшем радиуса уступа. В уступе размещены направляющие цилиндрические втулки 12 для укладки лобовых частей однослойной трехфазной обмотки статора, которые крепятся винтами 13 к торцевым поверхностям ступенчатой цилиндрической ступицы с обеих сторон.

Необходимое количество втулок с одной стороны определяется зависимостью

,

где b - число фаз, проводники которых будут размещены на втулке,

n₁ - число проводников в секции катушки.

Число проводников в одной секции катушки определяется зависимостью

,

где m - число фаз,

р - число пар полюсов.

Каждая катушка в целом состоит из двух секций, в которых направление тока в каждый момент времени противоположно. Число пар полюсов электрической машины выбирается из условия получения эдс заданной частоты и обеспечения минимальной скорости, при которой происходит выработка электроэнергии, в зависимости от толщины магнитов, размещаемых на роторе.

Направляющие втулки имеют кольцевые углубления, обеспечивающие укладку фазных проводов обмоток без дополнительной изоляции между собой. Для этого углубления должны иметь радиус закругления немного больше радиуса провода обмотки. Углубления могут иметь и иной профиль, но в любом случае должны обеспечивать изоляцию проводников без применения дополнительных материалов. Число кольцевых углублений равно утроенному значению числа проводников в секции одной катушки обмотки одной фазы. Однако при необходимости число кольцевых углублений может быть уменьшено и до удвоенного значения. В этом случае достигается еще большее уменьшение лобовых частей и, кроме того, исчезает необходимость следить за порядком размещения витков фазы в проточках втулок, что упрощает технологию изготовления статора. Направляющие цилиндрические втулки с двух противоположных сторон устанавливают со смещением на половину шага, что обеспечивает более рациональное формирование лобовых частей. При укладке витков со скосом смещение втулок может меняться.

На ступице ниже направляющих цилиндрических втулок размещена клеммная колодка 14 (фиг.1,4) с клеммами для коммутации фазных обмоток статора. На ней размещены клеммы (фиг.4) для соединения с началами фазных обмоток 15, 16, 17, клеммы для соединения с концами обмоток 18, 19, 20, которые также снабжены направляющими втулками, и общая нулевая клемма 21.

Таким образом, ступица статора в наружной части в осевом направлении представляет собой не менее чем четырехступенчатую цилиндрическую конструкцию. К первой ступени крепятся кольцевые направляющие сектора, к четвертой - клеммная колодка для соединения фазных обмоток. Вторая ступень является базовой для установки направляющих секторов. На третьей ступени размещены направляющие цилиндрические втулки 12, которые винтами 13 крепятся к торцевой поверхности ступицы. За счет заглубления в тело ступицы, обеспечиваемого третьей ступенью, обеспечивается дополнительное уменьшение длины лобных частей фазных обмоток, что ведет к снижению потерь в машине и уменьшает ее продольный размер, благоприятно сказываясь на габаритно-массовых показателях. За счет использования направляющих цилиндрических втулок, проводники в пространстве не пересекаются и не соприкасаются, чем повышается надежность их изоляции и снижается риск межвитковых замыканий в процессе сборки машины. Кроме того, поскольку обеспечивается изоляция за счет гарантированных воздушных зазоров, то имеется возможность проводить контрольные испытания машины в целом еще до заливки лобовых частей статора компаундом, что ведет к раннему выявлению дефектов сборки и снижает потери готовых изделий.

Таким образом, поскольку поверхность для укладки фазных обмоток имеет выпуклую, а не вогнутую поверхность, то это способствует существенному упрощению технологии изготовления и укладки однослойной трехфазной обмотки. Кроме того, за счет применения новой конструкции статора не требуется изготовления специальных шаблонов, а обмотки формируются непосредственно за счет укладки проводов на определенные для них конструкцией статора места.

Укладка ведется поочередно для каждой фазы с выводом начал и концов фазных обмоток на клеммную колодку 14, размещенную на ступице. Начала обмоток соединяются со своими клеммами 15, 16, 17, а концы обмоток со своими 18, 19, 20. Кроме того, для соединения выводных концов обмоток в одну точку имеется и специальная нулевая клемма 21. Вывод или подвод напряжения к фазным обмоткам может осуществляться не только через центральное отверстие полого вала выводным проводом, но также и через два окна в торцевой части вала, образованной за счет ступенчатости. Окна для выводных проводов выполнены диаметрально противоположно для удобства размещения их с разных сторон.

Сущность заявляемого способа укладки трехфазной однослойной беспазовой обмотки заключается в следующем. Как описывалось выше, электрическая машина содержит беспазовый статор (фиг.1), который в области рабочего воздушного зазора выполнен гладким. Укладку трехфазной однослойной беспазовой обмотки осуществляют последовательно тремя проводами, причем каждый из проводов является цельным и не требует разрывов. Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что каждая катушка обмотки якоря укрепляется в области лобовых частей с помощью цилиндрических направляющих втулок 12, расположенных на торцах ступицы статора, а на поверхности статора за счет углублений в направляющих кольцевых секторах 11, размещенных с обоих торцов статора. При этом возможна также и дополнительная изоляция шихтованного пакета, в частности, стеклолентой.

Изготовление обмотки электрической машины начинают с того, что провод первой фазы 40 фиксируют на начальной фазной клемме (фиг.4), далее огибают направляющую втулку конечной фазной клеммы 18 и укладывают в первую кольцевую проточку от торца ступицы направляющей втулки. Затем провод укладывают в углубление кольцевого направляющего сектора с этой же стороны, находящегося примерно посередине между направляющими втулками. Затем провод 40 (фиг.6) укладывают на изолированную поверхность шихтованного пакета параллельно продольной оси статора так, чтобы он попал в углубление направляющего сектора с противоположной стороны. Далее провод укладывают в углубление кольцевого направляющего сектора с противоположной стороны и огибают вокруг ближайшей от углубления направляющей цилиндрической втулки и соседней, укладывая провод в первое кольцевое углубление втулок от торца ступицы. Направление обкрутки может быть произвольным либо слева направо, либо справа налево, но принятое первый раз в дальнейшем остается неизменным. Затем провод опять возвращают на углубление направляющего сектора своей стороны со смещением, равным утроенному произведению числа проводников в секции. Направление смещения определяется направлением первого поворота проводника с противоположной стороны от начала обмотки для укладки на соседнюю втулку.

Электрическая схема трехфазной однослойной обмотки представлена фиг.5, где проводники катушек различных фаз обозначены U, W, V. Укладка провода в углубления и огибание его вокруг направляющих втулок обеспечивает автоматическую фиксацию проводника на поверхности статора. Поэтому в процессе укладки обмотки не требуется непосредственной фиксации проводников на поверхности с помощью различных клеящих составов как у прототипа. И далее провод опять укладывают на поверхность статора соосно продольной оси статора, потом в углубление кольцевого направляющего сектора и огибают вокруг цилиндрической направляющей втулки, находящейся через одну со своей стороны от втулки, с которой начата укладка провода, укладывая также в первое кольцевое углубление, считая от торца статора. Затем проводом огибают соседнюю втулку по направлению смещения проводников, укладывая провод в однономерное кольцевое углубление. Потом провод укладывают в углубление кольцевого направляющего сектора с тем же смещением и в ту же сторону. Затем провод укладывают на поверхность шихтованного пакета, возвращая его в углубление кольцевого направляющего сектора с противоположной стороны. И далее операции повторяются до тех пор, пока провод не будет уложен в первые углубления до направляющей втулки, с которой начиналась укладка. При выходе провода первой фазы на направляющую втулку, с которой начиналась укладка, его укладывают уже во второе кольцевое углубление. Далее, огибая последующие направляющие втулки по направлению укладки, его укладывают во второе углубление, размещая таким образом проводник на втулках в соседнем углублении по направлению укладки. Укладку продолжают аналогично, укладывая провод во вторые кольцевые углубления цилиндрических втулок, пока не достигнут начала. В последующем процесс повторяют, укладывая провод всегда в однономерное углубление на направляющих втулках.

Таким образом, после укладки по всей окружности статора первого провода катушек первой фазы, производят в такой же последовательности укладку второго провода катушек первой фазы, который размещается везде по отношению к предыдущему в соседнем углублении, как в кольцевых направляющих секторах, так и в направляющих цилиндрических втулках. Провод первой фазы укладывают до тех пор, пока в каждой полукатушке не будет достигнуто требуемое число проводников n ₁.

После завершения укладки катушек первой фазы, производят укладку проводников катушек второй фазы. Аналогично сначала провод 41 закрепляют на начальной клемме второй фазы и далее огибают по направляющей втулке концевую клемму второй фазы. Затем провод направляют на втулку через одну от начальной по направлению укладки. При укладке первый проводник второй фазы размещается везде в первом углублении и первой кольцевой проточке за обмоткой первой фазы, а все витки второй фазы размещаются последовательно в соседних углублениях. Там, где провод второй фазы оказывается один, его укладку производят в те же по счету кольцевые проточки, где он уложен с проводом первой фазы (фиг.6). Аналогично проводят укладку катушек третьей фазы. При укладке провода 42 третьей фазы он укладывается в свои по счету кольцевые углубления направляющих втулок и в соответствующие углубления кольцевых направляющих секторов. Концы всех трех фаз соединяют вместе на нулевой клемме. В результате последовательной укладки трех непрерывных проводов формируется однослойная трехфазная обмотка, каждая из катушек которой образована непрерывным проводом (фиг.6). На наружной цилиндрической поверхности статора размещаются проводники обмотки параллельные оси вращения машины, являющейся и продольной осью статора, а на цилидрических втулках формируются лобовые части трехфазной обмотки. При такой конструкции статора и способе укладки трехфазной однослойной обмотки каждую цилиндрическую направляющую втулку огибают проводники, принадлежащие только двум фазам.

За счет применения заявляемой конструкции статора уменьшаются размеры лобовых частей машины, что улучшает ее показатели как габаритно-массовые, так и энергетические. Кроме того, существенно упрощается технология изготовления статора и электрической машины в целом, не требуется применения дорогостоящей технологической оснастки и обеспечивается высокая надежность конструкции.

В том случае, когда статор изготовлен с цилиндрическими втулками, имеющими число кольцевых проточек, равное удвоенному числу проводников в секции катушки, то достигается еще большее уменьшение лобовых частей и улучшаются энергетические показатели электрической машины.

В этой конструкции беспазового статора просто решается задача уменьшения коэффициента гармоник эдс и выпрямления напряжения за счет укладки проводников на поверхность шихтованного пакета со скосом по направлению к продольной оси статора. Такая схема укладки обмотки дополнительно улучшает энергетические характеристики машины и снижает момент залипания ротора, уменьшая частоту вращения ротора генератора, при которой происходит отдача электроэнергии.

В результате применения заявляемого способа укладки трехфазной беспазовой однослойной обмотки также не требуется проведения пайки лобовых частей. Кроме того, в таком виде электрическая машина может быть подвергнута технологическому контролю по проверке качества получения обмотки на выявление межвитковых замыканий или обрывов с установкой в электрическую машину. Такой контроль позволяет определить и проверить характеристики машины еще до окончательной сборки. В случае отсутствия межвитковых замыканий и обеспечения необходимых значений момента страгивания ротора статор подвергается дальнейшей процедуре сборки. Проведение процедуры промежуточного контроля трехфазной однослойной обмотки позволяет уменьшить число деталей электрической машины, которые не пригодны для дальнейшей сборки ввиду отклонения их параметров за пределы нормируемых допусков. Лобовые части и наружная поверхность ступицы статора с размещенной на ней однослойной трехфазной обмоткой компаундируются. При необходимости возможно протачивание наружной цилиндрической поверхности статора и обеих торцевых поверхностей, покрытых компаундом, для устранения контактов компаунда с магнитами ротора и придания изделию товарного вида.

Необходимость применения беспазового статора магнитоэлектрической обращенной машины и способа укладки на него однослойной трехфазной обмотки возникает при использовании электрической машины в качестве генератора для получения электроэнергии на низких частотах вращения и при малом вращающем моменте.

Заявляемое устройство и способ позволяют улучшить энергетические и технологические показатели магнитоэлектрических машин и таким образом расширить сферу применения данного класса машин.

Литература

1. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. - М: Энергоатомиздат, 1985. 168 с.

2. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа. 2001 463 с. с.120-122.

3. Patentschrift DE 3122049 C2 Kollektorloser Gleichstrom-Aussenlaufermotor.

4. Проектирование тяговых электрических машин. Под ред. М.Д.Находкина. Учебное пособие для вузов ж.-д. трансп. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Транспорт, 1976. 624 с. Авт.: Находкин М.Д., Василенко Г.В., Бочаров В.И., Козорезов М.А.

5. US Patent №4868970, Method of making an Electrical Motor.

6. US Patent №5998905, Slotless Electric Motor or Transducer and Method for Making Same.