МНОГОФАЗНАЯ ОБМОТКА СТАТОРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при конструировании электрических многофазных обмоток статора электромеханических преобразователей [H02K 3/12, H02K 17/12].
Из уровня техники известен СТАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ [RU 2236740С2, опубл. 20.09.2004 г.], содержащий сердечник магнитопровода, в пазах которого расположены секции обмотки, состоящие из проводников, покрытых корпусной изоляцией, подвергающейся пропитке, поверх которой нанесено полупроводящее покрытие, причем обмотки зафиксированы в пазу клином, отличающийся тем, что полупроводящее покрытие выполнено состоящим из двух частей: обертки и накладки, при этом обертка выполнена из материала, который имеет низкий коэффициент трения к стали сердечника, не проницаем для пропиточного состава и обладает антиадгезионными свойствами, обертка охватывает удаленную от расточки грань и боковые грани секции обмотки, а накладка выполнена из материала, проницаемого для пропиточного состава, и размещена на грани секции обмотки, обращенной к расточке, таким образом, что ее наружные края заходят за внутренние края обертки, поверх накладки установлена прокладка, имеющая размер в тангенциальном направлении меньше, чем ширина паза секции обмотки, а между прокладкой и клином установлена дополнительная прокладка, выполненная из антиадгезионного материала.
Недостатками аналога являются:
аналог обладает недостаточной надежностью из-за того, что поверх корпусной изоляции наносится полупроводящее покрытие, которое со временем теряет свои функциональные качества;
данное решение обладает низкой термостойкостью за счет отсутствия конструктивных решений и специальных материалов обмотки, позволяющих функционировать с высоким КПД при экстремально низких и высоких температурах.
Также из уровня техники известна МНОГОФАЗНАЯ СТЕРЖНЕВАЯ ВОЛНОВАЯ ОБМОТКА СТАТОРА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ [RU №2437197 Н02K 17/12, Н02K 3/12, опубл. 20.12.2011], статор которой выполнен шихтованным, является однослойной, уложенной в пазы статора, а стержни обмотки выполнены сплошными. При этом высота стержня выбирается такой величины, чтобы коэффициент демпфирования на максимальной частоте питающего напряжения был не менее чем в два раза больше величины требуемого диапазона регулирования частоты вращения асинхронного двигателя. Кроме того, лобовые части сплошных стержней, предназначенных для укладки в четные пазы, находящиеся с одной стороны шихтованного статора, имеют большую длину, чем их лобовые части, находящиеся с другой стороны шихтованного статора, а находящиеся с той же стороны шихтованного статора лобовые части стержней, предназначенных для укладки в нечетные пазы шихтованного статора, имеют меньшую длину, чем их лобовые части, находящиеся с другой стороны шихтованного статора, при этом соединительные перемычки между сплошными стержнями расположены в плоскостях, количество которых равно числу пазов на полюс и фазу, при этом наиболее длинные соединительные перемычки расположены в плоскостях, наиболее удаленных от торцевой поверхности шихтованного статора.
Недостатками данного аналога являются:
недостаточно высокая технологичность конструкции в связи с ее конструктивной сложностью;
повышенный нагрев за счет наличия пазовой изоляции, которая ухудшает условия охлаждения обмотки при воздействии экстремально высоких температур.
Наиболее близким по технической сущности является МНОГОФАЗНАЯ СТЕРЖНЕВАЯ ВОЛНОВАЯ ОБМОТКА СТАТОРА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ [RU 2709095 C1, опубл. 16.12.2019 г.], характеризующаяся тем, что многофазная стержневая волновая обмотка статора асинхронного двигателя с шихтованным магнитопроводом, выполненная однослойной и уложенная в пазы статора, а стержни обмотки выполнены сплошными, при этом высота стержня выбрана такой величины, чтобы коэффициент демпфирования на максимальной частоте питающего напряжения был не менее чем в два раза больше величины требуемого диапазона регулирования частоты вращения асинхронного двигателя, кроме того, лобовые части сплошных стержней волновой обмотки, находящиеся с одной стороны шихтованного статора, предназначенные для укладки в четные пазы, имеют большую длину, чем их лобовые части, находящиеся с другой стороны шихтованного статора, а находящиеся с той же стороны шихтованного статора лобовые части сплошных стержней, предназначенных для укладки в нечетные пазы шихтованного статора, имеют меньшую длину, чем их лобовые части, находящиеся с другой стороны шихтованного статора, при этом соединительные перемычки между сплошными стержнями расположены в плоскостях, количество которых равно числу пазов на полюс и фазу, а наиболее длинные соединительные перемычки расположены в плоскостях, наиболее удаленных от торцевой поверхности шихтованного статора, отличающаяся тем, что шихтованный магнитопровод статора собран из сегментов, число которых равно числу пазов, и все сегменты изолированы друг от друга изоляционным покрытием, с возможностью предотвращения короткого замыкания сегментов между собой, а листы в каждом сегменте скреплены методом пуклевки, в каждом пазу сегмента помещен сплошной стержень обмотки без пазовой изоляции, кроме того, в каждом сегменте имеется дополнительный охлаждающий паз, а вся многофазная стержневая волновая обмотка статора асинхронного двигателя с шихтованным магнитопроводом, собранным из сегментов, заключена в непроводящий корпус с возможностью исключения замыкания сегментов между собой.
Основной технической проблемой прототипа является низкое значение предельно допустимых температур при эксплуатации из-за того, что «сплошные стержни» при работе асинхронного двигателя прототипа, помещенные в каждый сегмент магнитопровода практически не имеют поверхности охлаждения и концентрируют очень высокий местный нагрев.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение предельно допустимой температуры эксплуатации.
Указанный технический результат достигается за счет того, что многофазная обмотка статора для электромеханических преобразователей, содержащая множество катушек индуктивности, соединенных гальванически между собой и расположенных по окружности, и замкнутый магнитопровод, отличается тем, что магнитопровод выполнен по крайней мере из двух сегментов с магнитной проницаемостью от 2500 Гс/э до 120000 Гс/э и помещен во внутренние отверстия плоских спиральных катушек индуктивности, образованных намоткой печатных проводников в гибкой ленточной структуре из полиимидной изоляции, при этом отверстия катушек индуктивности выполнены по размерам и форме наружной поверхности сегментов магнитопровода, к которым они крепятся, причем печатные проводники в гибкой ленточной структуре из полиимидной изоляции имеют толщину от 0,001 мм до 0,3 мм при ширине от 1 мм до 100 мм.
В частности, печатные проводники в гибкой ленточной структуре из полиимидной изоляции выполнены из сверхпроводящего материала.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен вид сверху многофазной обмотки статора для электромеханических преобразователей.
На фиг. 2 представлен вид А-А в разрезе сегмента магнитопровода с катушками индуктивности.
На фиг. 3 представлен сегмент магнитопровода статора для электромеханических преобразователей (в сборе).
На фиг. 4 представлен общий вид катушки индуктивности статора для электромеханических преобразователей.
На фиг. 5 представлена схема подключения многофазной обмотки статора для электромеханических преобразователей (один из вариантов трехфазного подключения).
На чертежах обозначено: 1 - замкнутый магнитопровод статора, 2 - катушка индуктивности, 3 - высокопроводные проводники гибкой плоской ленточной структуры с полиимидной изоляцией, 4 - выводы гибких проводников.
Осуществление полезной модели
Многофазная обмотка статора для электромеханических преобразователей содержит замкнутый магнитопровод статора 1, выполненный по крайней мере из двух сопряженных сегментов, которые помещены в отверстия для множества катушек индуктивности 2.
При этом катушки индуктивности 2 зафиксированы к элементам замкнутого магнитопровода статора 1, например, приклеены при помощи клея. Внутри катушек индуктивности 2 есть полость, представляющая собой отверстия для замкнутого магнитопровода статора 1, при этом геометрия отверстий катушек индуктивности 2 выполнена по размерам и форме наружной поверхности сегментов магнитопровода 1, к которым они крепятся (показано на фиг. 2). Катушки индуктивности 2 выполнены в виде модулей, намотанных из гибкой плоской ленточной структуры с печатными параллельными и прямолинейными высокопроводными проводниками с полиимидной изоляцией 3, образующих многофазную обмотку статора с выступающими выводами гибких проводников 4 с внешних сторон обмотки (показано на фиг. 4). При этом замкнутый магнитопровод статора 1 дополнительно выполняет функции сердечника и концентратора магнитного потока всех катушек индуктивности 2. Многофазная обмотка статора для электромеханических преобразователей подключена к трехфазной сети. В показанном варианте реализации каждый провод трехфазной сети подключен к четырем катушкам индуктивности 2 (показано на фиг. 5), которые соединены параллельно.
Многофазная обмотка статора для электромеханических преобразователей используется следующим образом.
Первоначально на каждый из двух сопрягаемых сегментов 1 помещают катушки 2 статора 1, при этом сопрягаемые элементы формируют из магнитомягкого материала и обеспечивают минимальный зазор между сегментами магнитопровода.
В альтернативных вариантах реализации сегменты магнитопровода 1 могут быть выполнены из нанокристаллического сплава АМАГ или феррита.
Катушки индуктивности 2 формируют в виде модулей, намотанных из проводников гибкой плоской ленточной структуры с печатными параллельными и прямолинейными высокопроводными проводниками с полиимидной изоляцией 3, при этом ленты фиксируются высокотемпературной эпоксидной смолой. Высокопроводные проводники гибкой плоской ленточной структуры с полиимидной изоляцией 3 в разных вариантах исполнения выполняются толщиной от 0,01 мм до 0,3 мм. Также, проводники гибкой плоской ленточной структуры с полиимидной изоляцией 3, могут быть выполнены из сверхпроводящего материала.
Описанный вариант конструкции многофазной обмотки статора для электромеханических преобразователей избавляет от необходимости:
изготовления множества шихтованных сегментов, требующих высокой точности изготовления и состоящих из большого количества стальных деталей, толщиной от 0,5 до 0,2 мм (для уменьшения нагрева от вихревых токов);
обработки деталей методом пуклевки с нанесением изоляционного покрытия;
изоляции всех сегментов изоляционным покрытием для предотвращения короткого замыкания сегментов между собой. Отдельно стоит отметить то, что толщина изоляционного покрытия имеет большое значение для последующей сборки и должна выдерживать во время всей эксплуатации длительный нагрев, регламентируемый ГОСТом 8866, а именно 165 градус цельсия.
Таким образом, заявленное техническое решение приводит к упрощению конструкции, упрощению ее производства, уменьшению веса и уменьшению количества используемых в ней деталей.
Изготовление магнитопровода из нескольких отдельных сегментов, например двух, существенно упрощает процесс сборки устройства, а именно фиксацию катушек индуктивности 2.
Материал с магнитной проницаемостью не менее от 2500 до 120000 Гс/э выбирается исходя из того, что расчеты при проектировании изделия показали, что, меньшее значение магнитной проницаемости не гарантирует обеспечение требуемых эксплуатационных характеристик, а именно: работоспособности, надежности, термостойкости и долговечности изделия.
Использование полиимидной изоляции обосновывается тем, что она способствует увеличению сроков службы изделия при воздействии высоких температур, обладает высокой стойкостью к тепловым ударам и перегрузкам по току.
Возможность использования нанокристаллического сплава АМАГ обосновывается тем, что он обладает высокими эксплуатационными характеристиками, а именно высокой термостойкостью и обеспечивает экономию электроэнергии на вихревых токах.
Возможность использования сверхпроводящего материала при создании проводников в гибкой ленточной структуре из полиимидной изоляции обосновывается тем, что сверхпроводящий материал обладает низкой материалоемкостью.
Печатные проводники в гибкой ленточной структуре из полиимидной изоляции в разных вариантах исполнения имеют толщину от 0,001 мм до 0,3 мм при ширине от 1 мм до 100 мм. Использование меньшей толщины и ширины печатных проводников не обеспечивает требуемый уровень термостойкости изделия. Использование большей толщины и ширины печатных проводников является конструктивно нецелесообразным из-за увеличения массагабаритных показателей изделия.
Технический результат полезной модели повышение предельно допустимой температуры эксплуатации достигается за счет того, что сегменты замкнутого магнитопровода статора 1 выполнены из магнитомягкого материала с повышенными магнитными свойствами и с повышенной термостойкостью, за счет предварительного легирования различными элементами, например, молибденом, хромом и медью. Также технический результат достигается за счет того, что катушки индуктивности 2, выполнены в виде модулей и намотаны печатными параллельными и прямолинейными высокопроводными проводниками в гибкой плоской ленточной структуре с полиимидной изоляцией 3. При этом использование плоской ленточной структуры, зафиксированной при помощи высокотемпературной эпоксидной смолы и имеющей полиимидную изоляцию, увеличивают надежность фиксации изоляции благодаря предварительной термической обработке, повышает термическую и химическую стойкость, а также увеличивает тепловыделение изделия и позволяет использовать многофазную ленточную обмотку статора в режиме длительного воздействия предельно допустимых температур. За счет чего возрастает значение предельной температуры длительной эксплуатации со 165 градусов цельсия (у прототипа) до 196 градусов Цельсия (что соответствует ТУ3594-097-07504301 на «Печатные гибкие проводники с полиимидной изоляцией», ОКП359400) и дополнительно увеличивает охлаждение всей конструкции.