УСТРОЙСТВО В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЕ
DEVICE IN ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к устройству в электрической машине, описанному в ограничительной части п.1 формулы изобретения. Электрическая машина может быть электродвигателем, генератором или исполнительным механизмом с якорем, перемещающимся по прямолинейной или дугообразной траектории. Такие машины могут иметь различные размеры и быть предназначены для различных целей, как описано в примерах.
Область техники
Электрические машины традиционно основываются на синхронных машинах с обмотками возбуждения и асинхронных машинах. В течение последних десяти лет увеличилось использование синхронных машин с постоянным подмагничиванием. По мере интенсификации разработок таких машин стоимость постоянных магнитов удалось снизить. Синхронные машины с постоянным подмагничиванием теперь используются во многих областях, например в бумажной промышленности и в морском и береговом секторах. Синхронные машины с постоянным подмагничиванием применяются все чаще и в других областях, где используются электрические машины.
В некоторых из первых синхронных машин с постоянным подмагничиванием использовался стандартный статор от асинхронной машины и ротор с постоянными магнитами. Такой статор описан в документе Assessment of torque components in brushless permanent magnet machines through numerical analysis of the magnetic field, авторов Lonel D.M.; Popescu M.; McGilp M.I.; Miller T.J. E.; Dellinger S.J. / Industry Applications, IEEE Transactions on Volume 41, Issue 5, Sept-Oct 2005, Page 1149-1158.
В статоре таких машин использовались традиционные распределенные обмотки и частично закрытые пазы. Дальнейшие разработки были направлены на использование сосредоточенных обмоток. Благодаря использованию в машине сосредоточенных обмоток возможно несколько новых и интересных конструктивных решений: секционирование, увеличение количества полюсов, снижение скорости, непосредственная тяга и т.д. Помимо более простой конструкции машины с сосредоточенными обмотками имеют более короткие лобовые части обмотки, чем машины с распределенными обмотками. Появляется возможность создания более компактных машин, поскольку лобовые части обмотки имеют меньшую осевую длину. Обычным для большинства машин с сосредоточенными обмотками является использование частично закрытых пазов. Недостатком таких пазов является необходимость введения в них проводников один за другим, называемого также размещением обмотки в полузакрытых пазах. Частично закрытые пазы использовались для снижения различий в магнитном сопротивлении и моменте от зубцовых гармонических помех поля.
Открытые пазы с прямоугольными зубцами использовались для установки готовых обмоток. В заявках США №№200503680 и 2002047425 описаны двигатели, в которых на каждом зубце установлены готовые обмотки. Недостатком такой конструкции является неиспользованная полость в каждом пазу. Кроме того, в пластинах статора и магнитах возникают импульсные магнитные поля.
В заявке Японии №2002112484 используется весь паз благодаря тому, что обмотка выполнена трапецеидальной на одной стороне зубца и прямоугольной на другой стороне зубца. Недостатком такой конструкции является сложная геометрия обмотки. Альтернативой является конструкция с полным заполнением паза, как описано в патенте ЕР 1376830. Сечение обмотки симметрично прямому зубцу. В этой конструкции используются частично закрытые пазы. Можно использовать изготовленные заранее обмотки, поскольку ярмо статора устанавливают после размещения обмоток на зубцах. Помимо сложной конструкции обмотки сборка такой машины тоже является сложной.
Машина согласно патенту ЕР 0627805 собрана из небольших блоков. Статор состоит из шихтованных блоков, каждый из которых имеет два паза и сосредоточенную обмотку. Недостатком такой машины является большое количество узлов, подлежащих сборке.
Во всех машинах с постоянным подмагничиванием желательно снизить потери из-за индуцированных токов в роторе и статоре. Потери в статоре обычно снижают путем использования пластин. Даже тогда магнитные свойства будут неодинаковы из-за наличия пазов. Пазы статора увеличивают магнитную связь между статором и ротором и таким образом изменяют напряженность поля в магнитах, ярме ротора и ярме статора. Традиционной мерой для уменьшения изменений напряженности поля является частичное закрытие пазов статора. Такое решение с использованием различных конструкций пластин статора описано, например, в работе Ishak D., Zhu Z.Q., and Howe D: Comparison of PM Brushless Motors, Having either all Teeth or Alternate Teeth Wound IEEE Transactions on Energy Conversion, volume PP, Issue 99, 2005, Page(s): 1-1.
В еще одном известном техническом решении используется ротор с разрезными или деформированными магнитами. Обычно используют разделение магнита, относящегося к одному полюсу, на три части. Магниты устанавливают путем приклеивания с незначительным угловым смещением, чтобы получить эффект скошенного ротора. Недостатком обоих решений является сложность конструкции машины и большая стоимость ее изготовления.
В патенте США №6661137 описаны пластины статора с прямоугольными зубцами. При установке на этих прямоугольных зубцах одинаковых катушек между ними остаются полости.
В патентной заявке США №6661137 описана еще одна электрическая машина, имеющая одинаковые катушки. Трапецеидальные зубцы не подходят для катушек с максимальным коэффициентом заполнения.
Цели изобретения
Основной целью изобретения является создание улучшенной, простой и дешевой электрической машины на основе технологии синхронных машин с постоянным подмагничиванием. Машина должна допускать возможность массового производства, быть компактной и иметь большой КПД. Концепция должна подходить для различных электрических машин и для машин различного назначения.
Описание изобретения
Описание изобретения дано в п.1 формулы изобретения.
Согласно изобретению, целесообразно использовать катушки с сечением в виде параллелограмма для оптимизации заполнения пазов на их дне, которое не перпендикулярно боковой стороне зубца, несущего катушку.
Используется конструкция статора с параллельными прямоугольными пазами, в которой можно непосредственно устанавливать готовые сжатые катушки. С целью механической защиты пазы закрыты пазовыми клиньями. Обмотки могут представлять собой сосредоточенные, однослойные обмотки с дробным числом пазов на полюс. Машина может быть рассчитана для работы на частоте 150 Гц, а для повышения ее эффективности катушки могут быть намотаны многожильным проводом (торговая марка Litz-Wire).
Изобретение может использоваться во вращательных машинах с наружным или внутренним статором. Для получения минимального момента от зубцовых гармонических помех поля и оптимальной формы индуцированного напряжения предусмотрены параллельные зубцы и сужающиеся зубцы. Во внутреннем статоре трапецеидальные зубцы будут наиболее узкими во внутренней части паза. По сравнению с внутренним статором с параллельными зубцами этот вариант осуществления изобретения позволяет использовать одинаковые катушки, а конические катушки не требуются.
Выгодные признаки изобретения описаны в п.2 формулы изобретения. В п.п.3-5 описаны дополнительные признаки.
Идея данной концепции заключается в том, что можно легко изготовить катушку, при установке которой в пазы согласно изобретению не остаются воздушные полости. Для оптимального достижения этой цели нужно изменить конструкцию статора. Согласно новой концепции, в статоре должны быть зубцы разной формы. Прямоугольные и конические зубцы должны чередоваться между собой. Ширина соседних зубцов такова, что достигается оптимальная кривая напряжения и оптимальный момент от зубцовых гармонических помех поля.
Преимущество этой конструкции состоит, во-первых, в том, что упрощается изготовление катушек. Все прямоугольные зубцы одинаковы, чтобы были одинаковыми все катушки. При намотке катушек необходим только один шаблон, катушки можно изготовить и уплотнить для повышения коэффициента заполнения по меди. Конструкция статора упрощает массовое изготовление машины.
Следующий шаг позволяет облегчить монтаж катушек. При проектировании электрических машин важен коэффициент заполнения пазов. При использовании изобретения возможно массовое изготовление катушек.
Как следствие, облегчается монтаж катушек. Коэффициент заполнения пазов важен для всей конструкции электрических машин. При использовании изобретения легко уплотнить катушки до их монтажа. Некоторые машины предназначены для работы на высокой базовой частоте. Для снижения потерь в меди можно использовать провода специального поперечного сечения, например, марки "Litz-Wire". Новая концепция позволяет использовать без каких-либо переделок прямоугольные провода. Изобретение подходит также для других машин, особенно с большим поперечным сечением проводов, например с профилированным проводом.
При использовании изобретения достигается лучшая теплопередача между обмоткой статора и его сердечником по сравнению с машинами, описанными в заявках США №2005035680 и 2002047425, в которых в пазу имеется воздушная полость.
По сравнению с ЕР 0627805 машина согласно изобретению имеет меньшую стоимость благодаря значительно меньшему количеству деталей.
Изобретение позволяет выгодно выбрать количество зубцов и полюсов для исключения пульсаций момента из-за магнитного сопротивления. Поэтому нет необходимости полностью закрывать пазы, как в известных машинах. Помимо того, что достигается оптимальное изменение напряжения, конструкция статора и выбор пазов и полюсов должны обеспечить уменьшение нежелательных гармонических составляющих в сигнале.
Изобретение особенно хорошо подходит для однослойной обмотки. При специфических комбинациях количества пазов и полюсов получается сегментированная однослойная обмотка. Сегментированные обмотки известны в машиностроении, они позволяют уменьшить головную часть обмотки и гармонические компоненты индуцированного напряжения.
Различные комбинации пазов и количества полюсов позволяют получить различные моменты от зубцовых гармонических помех поля.
Отказы в электрических машинах обычно связаны с перенапряжением и повреждением изоляции, например, из-за высокого значения dV/dt в трансформаторе. В отношении локального перенапряжения и повреждения изоляции изобретение в сочетании с сосредоточенными катушками дает преимущества. Каждый паз статора будет содержать только одну фазу и потому напряжение на изоляции ограничено напряжением "фаза - земля". То же преимущество достигается в головных частях обмоток, всех катушек, выступающих из соседних пазов, и никакие из катушек не перекрываются. Изобретение предусматривает большее расстояние от головной части обмотки до сердечника статора, поскольку лобовые части обмотки имеют небольшую высоту, что является обычной мерой по снижению риска пробоя изоляции. Кроме того, открытые пазы облегчают монтаж готовой изоляции паза. Это также способствует экранированию катушки от сердечника статора.
Однослойные обмотки с сосредоточенными катушками допускают электрическое и физическое секционирование обмотки. Это делает машины более стойкими к погрешностям и позволяет им работать с пониженным выходом. Степень стойкости к погрешностям регулируется конфигурацией соединителя, поскольку оказывают влияние как вылет фаз, так и кабели.
Секционирование обмоток позволяет осуществлять регулирование отдельных катушек или групп катушек, что позволяет позиционировать ротор в статоре. Становится возможным определять положение ротора в статоре, а обмотка используется в качестве датчика положения.
Далее, секционированная обмотка позволяет осуществить секционирование всего статора, что важно для больших машин, перевозка и обслуживание которых представляют проблему. При повреждении статора можно заменить отдельные секции, уменьшая разрушение вследствие погрешностей. Таким образом, можно проводить локальный ремонт машин.
Изобретение можно использовать для статоров всех видов электрических машин: асинхронных, стандартных синхронных, машин постоянного тока, бесщеточных электродвигателей постоянного тока и всех видов синхронных машин с постоянным подмагничиванием.
Пример
Ниже изобретение описано со ссылками на чертежи, где
на фиг.1 показан в разрезе наружный статор согласно первому варианту осуществления изобретения,
на фиг.2 показана пластина сердечника наружного статора согласно варианту осуществления изобретения,
на фиг.3 показан вид с торца вершин двух зубцов с пазовым клином и
на фиг.4 показаны два паза согласно изобретению.
На фиг.1 показан набор статорных пластин 10 с зубцами 11, 12, 13, ограничивающими пазы 14, 15 для установки катушки 16. Каждый второй зубец 12 имеет параллельные стороны и на него может быть установлена катушка 16 с отверстием, размеры которого не изменяются по ее высоте, и равномерными обмотками. В этом примере пазы закрыты пазовыми клиньями 17, 18, как описано при рассмотрении фиг.3.
На фиг.2 показан альтернативный вариант выполнения пластины 20 для наружного статора. В этой электрической машине ротор (не показан) может иметь известную конструкцию. Пластина 20 статора имеет расположенные в чередующемся порядке параллельные зубцы 21 и трапецеидальные зубцы 22, сужающиеся к вершинам 23. Таким образом получаются пары параллельных пазов 24 для вставки одинаковых катушек. Ширина соседних зубцов должна быть выбрана так, чтобы оптимизировать кривую напряжения и момент от зубцовых гармонических помех поля. В приведенном примере зубцы показаны с одинаковой шириной вершины. Но она может быть разной, например может иметь разброс от 0,9-1,1 до 1. Сужение зубца 22 определяется количеством полюсов и шириной паза. Катушку 25 устанавливают на зубце 21.
На фиг.3 показана часть пластины 30 статора с зубцами 31, 32, 33, определяющими два паза 34, 35. На вершине 36 каждого зубца выполнены V-образные канавки 37, 38, соответствующие скошенным боковым краям пазового клина 39. После введения вбок пазового клина 39 он фиксируется и препятствует выходу катушки (не показана) из паза. Пазовый клин может быть выполнен из железного порошка, стекловолокна и клея. Канавки в боковых сторонах могут иметь альтернативную геометрию.
На фиг.4 показаны в увеличенном масштабе пазы согласно изобретению. Используются цифровые позиции, указанные на фиг.2.
Наличие пазового клина является особенно полезным признаком изобретения. Материал для пазовых клиньев должен быть выбран с учетом магнитной проницаемости и в сочетании с конструкцией клина должен обеспечить однородное магнитное сопротивление. Обычно проницаемость в 5-10 раз больше проницаемости в вакууме и в 100-1000 раз ниже, чем в пластине. Пазовый клин может быть плоским и прямоугольным или же клинья можно приспосабливать. Важным моментом оптимизации является использование таких механизмов, как разные точки магнитного насыщения в различных материалах.
Материал и конструкцию пазовых клиньев нужно выбирать так, чтобы избежать чрезмерных потерь из-за вихревых токов. В противном случае вблизи клиньев могут возникнуть критичные горячие точки.
Потери вследствие изменения потока
В железе:
Fe
1
2
3
1
2
3
2
2
2
3/2
3/2
Выражение P~kBf+kBf+kBf является примером уравнения, описывающего потери в железе в зависимости от плотности (В) потока и частоты (f). Константы k, k, k определяются свойствами материала и конструкцией пластины. Уравнение описывает потери в пластине при синусоидальном потоке. Плотность потока может быть связана с его изменением из-за открытых пазов и постоянных магнитов. При введении полумагнитного пазового клина достигается существенное уменьшение изменений потока и потери уменьшаются как квадрат изменений плотности потока.
В магните:
PM
4
2
Уравнение P~kB описывает типичные потери в постоянном магните в зависимости от плотности (В) потока. Потери зависят от удельной проводимости, толщины, ширины, плотности потока и частоты. В машине с постоянным подмагничиванием с открытыми пазами поток в магните изменяется и в магнитах имеют место потери от вихревых токов. Плотность потока может быть связана с его изменением, вызванным использованием открытых пазов и постоянных магнитов. При введении полумагнитного пазового клина изменения потока значительно уменьшаются, поскольку потери уменьшаются как квадрат изменения плотности потока.
Плотность потока в машине может также быть связана с моментом от зубцовых гармонических помех поля этой машины. При введении пазовых клиньев в сочетании с использованием сосредоточенных обмоток потери снижаются до незначительной величины. Известные машины имеют довольно большой момент от зубцовых гармонических помех поля.
При размещении и креплении клиньев нужно учитывать форму напряжения и величину момента от зубцовых гармонических помех поля. В зависимости от близости к воздушному зазору клинья в разной мере способствуют уменьшению указанного момента и гармоник. Если клинья закреплены на трении, то нужно для каждого клина проверить близость к воздушному зазору. Необходимость механического крепления зависит от давления, оказываемого медью на клин, и, кроме того, клин может испытывать давление со стороны воздушного зазора, если имеется внутреннее статорное кольцо или аналогичная конструкция. Решение для повышения механической прочности может заключаться во внедрении полумагнитного материала в более твердый материал или в установке двух пазовых клиньев: одного - для достижения механической прочности и другого - для выравнивания изменений магнитного сопротивления.
Изобретение можно использовать для электрических машин различного назначения, в особенности для вращательных машин. Например, его можно использовать для наземных и морских силовых установок, например для судов, автомобилей и специальных транспортных средств. В случае морских установок его можно использовать для систем управления и лебедок. Оно также может использоваться в водяных и воздушных электрогенераторах и в других турбинах, а также в других отраслях промышленности.
При использовании сосредоточенных однослойных обмоток предоставляются различные возможности введения в машину избыточности. Использование открытых пазов обеспечивает простое и недорогое производство и монтаж. Благодаря наличию полумагнитных пазовых клиньев достигается существенное снижение потерь в машине.
Изобретение позволяет оптимизировать машину в отношении КПД, надежности и стоимости. В машинах с открытыми пазами и известными пазовыми клиньями пульсации магнитных полей в железе и в магнитах происходят в результате различного магнитного сопротивления при различных положениях ротора. Изменения магнитного сопротивления вызваны дискретной конфигурацией статора. В известных машинах для ограничения этого явления используются частично закрытые пазы. В настоящем изобретении используются пазовые клинья с магнитными свойствами, чтобы уменьшить разницу в магнитных свойствах паза и зубца. Эти пазовые клинья называют полумагнитными. Они характеризуются тем, что частично или полностью выполнены из материала, магнитная проницаемость которого больше 1.
Открытые пазы в сочетании с полумагнитными пазовыми клиньями представляют собой особенно удачное решение для оптимизации формы напряжения и зубцовых гармонических помех поля в сочетании с упрощением монтажа. Материал для пазового клина обычно выбирают так, чтобы получить сочетание проницаемости и конструкции клина, которое обеспечивает желательное выравнивание магнитного сопротивления. Если проницаемость клиньев больше, чем в открытом пазу, то можно использовать альтернативную конструкцию клиньев.
В изобретении используется выбор предпочтительного количества зубцов и полюсов для устранения колебаний момента из-за магнитного сопротивления. Поэтому нет необходимости в максимально плотном закрытии пазов, как в известных машинах. Соответственно форма напряжения сделана оптимальной, а конструкция статора и выбор количества пазов и полюсов должны способствовать минимизации нежелательных гармонических составляющих на выходе.
Изобретение может использоваться в сочетании с различными роторами. Для двигателей с постоянным подмагничиванием может быть создана машина с индуцированным противодействующим прямоугольным или синусоидальным напряжением. Указанные машины называются бесщеточными машинами постоянного тока и синхронными машинами с постоянными магнитами. Магниты в такой машине могут быть установлены на поверхности или утоплены. Ярмо ротора может состоять из пластин или быть монолитным. В машинах, которые должны иметь большой КПД, для снижения потерь магниты состоят из пластин.