Статор обращенной аксиальной электрической машины с обмотками на печатных платах
STATOR OF INVERTED AXIAL ELECTRIC MACHINE WITH WINDINGS ON PRINTED CIRCUIT BOARDS

Изобретение относится к электроэнергетике и может применяться для аксиальных генераторов, преимущественно в диапазоне от 0 Вт до 100 кВт, в ветроэнергетических установках, для гидрогенераторов, валогенераторов или навесных генераторов двигательных установок большой мощности, мобильных двигательных установок, включая автомобили. Также изобретение может быть использовано для аксиальных двигателей, в особенности для электротранспорта, а также в областях техники, в которых требуется регулируемый электропривод.
Известен статор тихоходного магнитоэлектрического генератора, размещенный между дисками ротора и выполненный в виде кольца, соединенного с неподвижным валом спицами, при том, что якорная обмотка выполнена на наружной поверхности статора в виде плоских медных печатных плат, уложенных в три слоя и изолированных между собой композитным материалом (Патент на полезную модель РФ 157778, опубл. 10.12.2015)[1]. В известном решении не используется вся площадь статора под размещение фазных обмоток (выполненных по типу меандр). Конструкция известного статора не предполагает наращивание количество витков фазных обмоток или общей площади сечения проводника для получения различных задаваемых параметров статора.
Известен статор ротационной электрической машины с аксиальным полем, который содержит множество рабочих проводниковых слоев, выполненных в виде печатных плат; по меньшей мере, по одному рабочему проводниковому слою для каждой фазы электрического тока, при этом каждый рабочий проводниковый слой содержит набор радиальных проводников, пару внешних проводников и множество внутренних проводников. Статор также содержит множество соединительных проводниковых слоев, выполненных в виде печатных плат; при этом каждый соединительный слой имеет набор радиальных набор радиальных проводников, множество внешних проводников и множество внутренних проводников. Кроме того, известный статор имеет множество проводников сквозного межсоединения, расположенных внутри выбранных внутренних и внешних сквозных отверстий рабочего проводникового слоя и соединительных слоев (Патент на изобретение РФ 2294588, опубл. 27.02.2006)[2]. Известное решение статора характеризуется технологической сложностью и не позволяет наращивать количество витков фазных обмоток для достижения требуемых параметров статорной обмотки.
Известен статор ротационной электрической машины (межд. заявка WO2019190959, опубл. 03.10.2019)[3], содержащий множество панелей статора, которые расположены в осевом направлении и отделены друг от друга, при этом каждая панель статора содержит печатную плату, имеющую множество электропроводящих катушек, соединенных между собой внутри печатной платы. Печатная плата выполнена таким образом, что электрический ток, который протекает через любую из множества катушек, аналогичным образом протекает через все множество катушек, таким образом, чтобы каждая панель статора состояла из одной электрической фазы. Известный статор характеризуется высокой сложной коммутации фазных обмоток, реализуемой с помощью большого числа металлизированных отверстий и посредством заранее подготовленных клеммных площадок. Применение указанных площадок с отверстиями ограничивает возможность наращивания фазных слоев для достижения задаваемых параметров статора.
Настоящее изобретение представляет собой статор аксиальной электрической машины с обмотками на печатных платах, применяемую в электрической машине обращенного типа. Известно, что электрическая машина обращенного типа (или машина с внешним ротором) характеризуется тем, что ее неподвижный статор с трехфазной силовой обмоткой закреплен на валу и расположен внутри электрической машины, а ротор, совмещенный с внешним корпусом, вращается вокруг неподвижного статора. Такие электрические машины применяются, например, в ветрогенераторах средней и малой мощности, при этом корпус обращенной электрической машины одновременно является элементом конструкции, к которому крепятся лопасти турбин. Широко используются обращенные электродвигатели в прямом колесном приводе электротранспорта.
Задача изобретения заключается в создании статора обращенной аксиальной электрической машины с возможностью гибкой компоновки обмотки статора и наращивания фазных слоев в зависимости от требуемых параметров электрической машины, характеризующегося простотой сборки и высокой надежностью.
Технические результаты, достигаемые заявленным изобретением, заключаются в реализации возможности гибкой компоновки обмотки статора в зависимости от технических требований, в упрощении сборки и коммутации трехфазной статорной обмотки, а также в возможности ручной сборки с обеспечением высокой воспроизводимости заданных параметров и высокой пространственной точности расположения фазных обмоток.
Для достижения указанных технических результатов заявлен статор обращенной аксиальной электрической машины с обмотками на печатных платах, характеризующийся тем, что содержит трехфазную обмотку в виде электропроводящих дорожек, сгруппированных в последовательно соединенные катушки на унифицированных активных слоях печатных плат статора, с выходными клеммами начала и конца обмотки, расположенными внутри зоны печатной платы между внутренней границей обмотки и валом, на угловом расстоянии друг от друга, равном 360 электрическим градусам, при этом на одном активном слое размещена обмотка только одной фазы, образуемой за счет сдвига слоя на -120 или 0, или +120 электрических градусов относительно базового положения слоя; указанные активные слои разделены изолирующими слоями и выполнены с возможностью группировки и соединения в единую цепь трехфазной обмотки статора последовательно и/или параллельно посредством коммутации выводов начала и конца фазных обмоток активных слоев, осуществляемой посредством припайки межслойных перемычек, устанавливаемых в коммутационных отверстиях, расположенных внутри зоны печатной платы между внутренней границей обмотки и валом, на угловом расстоянии друг от друга, равном 120 электрических градусов, к выходным клеммам фазных обмоток активных слоев.
В частном случае активный слой выполнен на кольцеобразной печатной плате, жестко соединенной с валом электрической машины обращенного типа.
В частном случае электропроводящие дорожки активного слоя могут быть сгруппированы в катушки по числу пар полюсов электрической машины. При этом катушки могут быть размещены на обеих сторонах печатной платы, причем каждая катушка состоит из согласно соединенных частей катушки на наружной и внутренней сторонах печатной платы.
В частном случае электропроводящие дорожки активного слоя сгруппированы в катушки по числу полюсов электрической машины, причем в каждой паре катушек каждая вторая катушка включена встречно по отношению к первой катушке в своей и последующей паре. Указанные катушки могут быть размещены на обеих сторонах печатной платы, причем каждая катушка состоит из двух частей на наружной и внутренней сторонах печатной платы, а каждая пара частей катушек наружной стороны включена встречно друг по отношению другу, и часть второй катушки в паре на наружной стороне согласно присоединена к ответной части катушки на внутренней стороне, включенной встречно в пару с частью последующей катушки на внутренней стороне, которая далее согласно соединена с ответной частью на наружной стороне и образует новую пару.
В частном случае поворот фазной обмотки активного слоя на -120 или 0, или +120 электрических градусов относительно базового положения слоя может быть выполнен посредством заранее изготовленных на активном слое монтажных отверстий.
В частном случае изолирующий слой выполнен унифицированным, с монтажными отверстиями, расположенными на угловом расстоянии друг от друга, равном 360 электрических градусов, и коммутационными отверстиями для укладки межслойных перемычек с расположением, повторяющим размещение коммутационных отверстий активного слоя.
В частном случае может быть осуществлена параллельная коммутация активных слоев, при этом выходные клеммы начал фазных обмоток одноименных фаз размещены одна над другой, выходные клеммы концов фазных обмоток одноименных фаз размещены одна над другой и соответственно соединены посредством припайки межслойных перемычек, уложенных в коммутационных отверстиях, расположенных внутри зоны печатной платы между внутренней границей обмотки и валом.
В частном случае может быть осуществлена последовательная коммутации активных слоев, при этом выходные клеммы концов фазной обмотки расположены над выходными клеммами начал последующей одноименной фазной обмотки за счет переворота каждого второго активного слоя последующей одноименной фазной обмотки внутренней стороной наружу и соединены посредством припайки межслойных перемычек, уложенных в коммутационных отверстиях, расположенных внутри зоны печатной платы между внутренней границей обмотки и валом.
В настоящем изобретении реализован модульный принцип при формировании статорной обмотки за счет возможности наращивания числа активных слоев статора в зависимости от требуемых параметров.
Активный слой статорной обмотки представляет собой печатную плату в виде кольца с электропроводящими дорожками, сгруппированными в последовательно соединенные катушки на одной или на обеих сторонах платы. На активном слое размещаются электропроводящие дорожки только одной фазы, которые формируют фазную обмотку слоя. Таким образом трехфазная обмотка статора содержит количество активных слоев кратное и по меньшей мере равное трем. Активный слой является унифицированным, то есть может быть использован для любой из трех фаз, а также для последовательного или параллельного включения в фазной обмотке статора, при этом формирование фазы у активного слоя происходит за счет сдвига на -120 или 0, или +120 электрических градусов относительно базового положения, осуществляемого, например, за счет заранее изготовленных с необходимым угловым смещением монтажных отверстий на печатной плате и выходных клемм, расположенныхвнутри зоны печатной платы между внутренней границей обмотки и валом, что создает возможность наращивать число активных слоев для достижения необходимых параметров статорной обмотки и обеспечивать высокую пространственную точность расположения фазных обмоток активных слоев. При этом за базовое положение активного слоя принимают положение указанного слоя без сдвига. Зона печатной платы между внутренней границей обмотки и валом - это часть печатной платы, примыкающая к валу, внутри которой располагаются выходные клеммы обмотки, к которым присоединяется кабель, проведенный через неподвижный полый вал.
Таким образом реализована возможность достижения требуемых параметров статорной обмотки: последовательное соединение активных слоев обеспечивает наращивание числа витков в фазной обмотке и, следовательно, повышение входного или выходного напряжения; параллельное соединение активных слоев за счет увеличения совокупного сечения проводящих слоев в фазной обмотке обеспечивает увеличение номинального тока; совместное последовательное и параллельное соединение позволяет сформировать подобрать обмотку статора под требуемые параметры статора.
Отметим, что в отличие от решения [3] (в котором использованы клеммные площадки), в заявляемом решении конструкция клеммных соединений - а именно за счет использования межслойных перемычек, размещаемых в коммутационных отверстиях, и расположения активных слоев одного над другим - позволяет компоновать практически неограниченные по числу слоев статорные обмотки.
.
Кроме того, в отличие от статора ротационной электрической машины [3], активные слои разных фаз и видов соединения конструктивно абсолютно идентичны друг другу, что позволяет унифицировать не только отдельные изделия или элементы, но и в целом технологические процессы. Это упрощает сборку статорной обмотки, а также позволяет осуществлять ручную сборку с обеспечением высокой воспроизводимости заданных параметров и высокой пространственной точности расположения фазных обмоток
Конструкция статора обращенной аксиальной электрической машины с обмотками на печатных платах иллюстрируется фиг. 1 - с видом сверху на наружную сторону активного слоя с числом катушек, равным числу пар полюсов электрической машины, фиг. 2 - с видом сверху на проекцию внутренней стороны активного слоя с числом катушек, равным числу пар полюсов электрической машины, фиг. 3 - с изображением изолирующего слоя, фиг. 4 - с сечением собранного статора по дуге с центрами коммутационных отверстий (со шкалой электрических градусов), фиг. 5 - с видом сверху на наружную сторону активного слоя с числом катушек, равным числу полюсов электрической машины, фиг. 6 - с видом сверху на проекцию внутренней стороны активного слоя с числом катушек, равным числу полюсов электрической машины, причем:
1 - активный слой статора на печатной плате;
2 - части катушки фазной обмотки на наружной стороне активного слоя;
3 - части катушки фазной обмотки на внутренней стороне активного слоя;
4 - коммутационное отверстие печатной платы;
5 - выходная клемма начала фазной обмотки;
6 - выходная клемма конца фазной обмотки;
7 - изолирующий слой;
8 - коммутационное отверстие изолирующего слоя;
9 - центральное монтажное отверстие;
10 - монтажные отверстия;
11 - межслойная перемычка;
12 - припой;
13 - выходная клемма электрической машины фазы А;
14 - выходная клемма электрической машины фазы В;
15 - выходная клемма электрической машины фазы С.
Примеры.
Статор обращенной аксиальной электрической машины с обмотками на печатных платах с восьмью парами полюсов содержит обмотку, образованную путем сборки и коммутации восемнадцати активных слоев 1 - по шесть слоев с обмотками фаз А, В, С - и семнадцати изолирующих слоев 7, разделяющих слои 1. Каждый слой 1 представляет собой печатную плату, например, из фольгированного стеклотекстолита и содержит восемь катушек фазной обмотки в виде электропроводящих медных дорожек, каждая из которых состоит из части на наружной стороне слоя 2 и включенной согласно части на внутренней стороне слоя 3, соединение двух частей произведено с помощью сквозного металлизированного отверстия в центре катушки, что проиллюстрировано на фиг. 1, фиг. 2. Витки частей катушек 2 и 3 выполнены концентрическими, при этом укладка витков частей катушек 2 направлена внутрь по вращению часовой стрелки, а укладка витков частей катушек 3 в продолжение укладки витков частей катушек 2 - направлена от центра по часовой стрелки. Число полных витков каждой катушки - 19, ширина дорожки составляет 2,43 мм и определяется номинальной плотностью тока в фазной обмотке активного слоя. Выходные клеммы начал фазных обмоток 5, выведенные с наружной стороны активных слоев, и концов фазных обмоток 6, выведенные с внутренней стороны слоев, совмещены с двумя коммутационными отверстиями 4, расположенными в зоне печатной платы между внутренней границей обмотки и валом, и выполнены металлизированными для коммутации клемм фазных обмоток 5 и 6 посредством пайки межслойных перемычек 11 припоем 12. Остальные коммутационные углубления 4 в количестве шести штук выполняют вспомогательную функцию, обеспечивая укладку межслойных перемычек 11, соединяющих другие фазные обмотки других активных слоев 1 между собой.
.
В данном примере активный слой фазы В образуется за счет фиксации активного слоя 1 в положении как указано на фиг. 1 и фиг. 2, без угловых смещений, когда центральное монтажное отверстие 9 располагается на вертикальной оси (ординат), а выходные клеммы начала 5 и конца 6 обмотки активного слоя 1 равноудалены от вертикальной оси (ординат). Такое положение активного слоя 1 принимается за базовое
Активные слои 1 с фазами А и С - размещают с угловым сдвигом в +120 и -120 электрических градусов соответственно, что определяется фазовыми сдвигами в трехфазной электрической цепи, относительно базового положения активного слоя, совмещая центральное отверстие 9 с одним из смежных отверстий 10 слоя фазы В, расположенных слева и справа от центрального отверстия 9.
Указанные отверстия 9 и 10, расположенные в зоне печатной платы между внутренней границей обмотки и валом, также используются и в случае последовательного соединения фазных обмоток активных слоев, для этого перевернутый слой 1 для соединения конца фазных обмоток 6 предыдущего слоя с началом обмотки 5 следующего слоя совмещают по вертикали, добиваясь нахождения выходных клемм слоев одной фазы одной над другой. Аналогично с формированием фаз у неперевернутого активного слоя 1 для получения активного слоя фазы В после переворота внутренней стороной наружу слой ориентируют таким образом, чтобы центральное монтажное отверстие 9 было расположено на вертикальной оси (ординат). А для формирования фаз А и С активный слой поворачивают на +120 и -120 электрических градусов соответственно, совмещая центральное отверстие 9 с одним из смежных отверстий 10 слоя фазы В, расположенных слева и справа от центрального отверстия 9. Кроме того, указанные отверстия 9 и 10 используются для механического скрепления между собой восемнадцати активных слоев 1, разделенных семнадцатью изолирующими слоями 7, а также для крепления к валу электрической машины посредством, например, винтов или шпилек. Также для скрепления слоев между собой используются монтажные отверстия 10, расположенные у внешней кромки печатной платы.
Активные слои 1 и разделяющие их изолирующие слои 7 могут быть склеены в многослойную печатную плату. При этом работоспособность статора обеспечивается и без проклейки слоев друг с другом. При этом изолирующие слои 7 также содержат коммутационные отверстия 8, повторяющие размещение коммутационных отверстий 4, обеспечивающие укладку межслойных перемычек 11 для коммутации активных слоев, а также не позволяющие межслойным перемычкам 11 выходить за пределы зоны коммутации слоев.
Для сборки статора берут активный слой фазы В, центральное монтажное отверстие 9 ориентируется на условную вертикальную ось, клемма начала фазной обмотки 5 смотрит наверх и находится справа от отверстия 9. Над данным слоем размещается активный слой фазы А, для формирования которой активный слой поворачивают на +120 электрических градусов, что для данного примера с 8 парами полюсов приравнивается к +15 геометрическим градусам, а плюс означает поворот против часовой стрелки. Отверстие 10, находящиеся справа от центрального отверстия 9 совмещается с центральным отверстием 9 слоя фазы В. Под слоем фазы В размещается активный слой фазы С, для формирования которой активный слой поворачивают на -120 электрических градусов, что для данного примера с 8 парами полюсов приравнивается к -15 геометрическим градусам, а минус означает поворот по часовой стрелке. Отверстие 10, находящиеся слева от центрального отверстия 9 совмещается с центральным отверстием 9 слоя фазы В. Между активными слоями укладывается изолирующие слои 7 таким образом, чтобы центральное монтажное отверстие 9 изолирующего слоя 7 совпадало с таким же отверстием слоя фазы В.
В случае сборки статорной обмотки с последовательным соединением слоев 1 проводят аналогичные подготовительные операции с предварительно перевернутыми активными слоями 1 внутренней стороной наружу с тем лишь отличием, что после переворота справа от центрального монтажного отверстия 9 находится клемма конца фазной обмотки 6 активного слоя, добиваясь тем самым зеркального расположения катушек фазных обмоток слоя и их выходных клемм по отношению к неперевернутым слоям, что в свою очередь приводит к смене направления укладки витков в катушке. Формирование слоя фазы В при этом не требует угловых смещений. А для формирования слоев фаз А и С их поворачивают на +120 и -120 электрических градусов соответственно. Затем в коммутационные отверстия 4 укладывают межслойные перемычки 11 и припаивают к выходным клеммам 5 и 6, формируя последовательную цепь из фазных обмоток активных слоев.
Следует учесть, что для последовательного соединения нескольких слоев в одной фазе и соблюдения последовательности соединения «конец обмотки предыдущего слоя - начало обмотки следующего» перевернутыми слоями в такой цепи будут не все, а лишь четные слои.
Для параллельного соединения фазных обмоток активных слоев в единую цепь статора клеммы начал 5 и концов 6 фазных обмоток слоев 1 каждой фазы, совмещаются так, чтобы одноименные выходные клеммы начала 5 и концов 6 обмоток одинаковых фаз были расположены одна над другой. В коммутационные отверстия 4 укладывают межслойные перемычки 11 и припаивают к выходным клеммам 5, 6 одноименных фазных обмоток активных слоев.
В описываемом примере на фиг. 4 приведена схема коммутации из трех последовательно соединенных групп слоев, каждая из которых представлена двумя параллельно соединенными слоями. То есть совокупное число витков статорной обмотки каждой фазы составит четыреста пятьдесят шесть (девятнадцать витков катушки на обеих сторонах активного слоя, восемь катушек на слое, три последовательно соединенных группы слоев), а условная ширина дорожки 4,86 мм (удвоенное значение от ширины дорожки элементарной катушки по причине параллельного соединения двух слоев).
Дополнительно к изолирующим слоям 7, устанавливаемым между активными слоями 1 с целью предотвращения прямого контакта между дорожками этих слоев, между последовательно соединяемыми слоями или группами параллельно соединенных слоев может устанавливаться изолирующий слой 7 с поворотом на +/-360 электрических градусов для предотвращения случайной укладки и использования межслойных перемычек 11 вне допустимой зоны из трех коммутационных отверстий 4 для соединения «начало - конец» или «конец - начало» выводов фазных обмоток у последовательно соединяемых слоев или групп. На фиг. 4 такой поворот реализован у двух дополнительных и опциональных изолирующих слоев. Производится коммутация фазных обмоток статора в звезду (использована в данном примере и продемонстрирована на фиг. 4) или треугольник с последующим подключением кабеля.
Фиг. 5 и фиг. 6 иллюстрируют частный случай статора - с числом катушек, равным значению числа полюсов электрической машины, при том, что каждая катушка состоит из двух частей 2 и 3 на наружной и внутренней сторонах печатной платы, а каждая пара частей катушек наружной стороны 2 включена встречно друг по отношению другу, и часть второй катушки в паре на наружной стороне согласно присоединена к ответной части катушки 3 на внутренней стороне, включенной встречно в пару с частью последующей катушки 3 на внутренней стороне, которая далее согласно соединена с ответной частью катушки 2 на наружной стороне и образует новую пару. При этом последовательное и/или параллельное соединение фазных обмоток активных слоев в единую цепь статора осуществляется аналогичной описанной выше последовательностью действий.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет гибко компоновать статор в зависимости от технических требований, упрощает сборку и коммутацию трехфазной статорной обмотки, позволяет осуществлять ручную сборку с обеспечением высокой воспроизводимости заданных параметров и высокой пространственной точности расположения фазных обмоток.