ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ДЛЯ МНОГОПОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ
ELECTRICAL MACHINE FOR MULTI-LINE ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION

Область техники. Группа изобретений относится к области электротехники и может быть использована в многопоточной бесступенчатой электромеханической трансмиссии с двумя электромашинами, соосно установленными в общем корпусе.
Уровень техники. Известна конструкция электромашины (В.В. Чумаков и др. «Разработка, применение и опыт эксплуатации магнитных клиньев в мощных асинхронных электродвигателях и синхронных гидрогенераторах», Гiдроенергетика України, 4/2010, ISSN 1812_9277, стр. 4-10). В статье описана конструкция статора с открытыми внутренними пазами, с обмоткой статора, выполненной прямоугольным проводом, а также описано применение клиньев, выполненных из магнитодиэлектрического материала. Данная конструкция принята за аналог первого предложенного изобретения группы. Недостатком конструкции является неподвижная установка статора в корпусе, без возможности температурного перемещения статора относительно корпуса.
Известны способы температуронезависимого радиально-лучевого центрирования (П.И. Орлов. «Основы конструирования», книга 1, раздел "Температуронезависимое центрирование", стр. 271-273), основанные на применении прямобочных шлицевых соединений с центрированием по боковым поверхностям.
Известна также конструкция электрической машины, в частности статора, в которой для механической разгрузки корпуса от теплового воздействия применяются упругие разрезные элементы (патент US 7847444 B2, авторы Grantland I. Kingman, Alan G. Holmes). Указанная конструкция также принята за аналог первого предложенного изобретения группы. Недостатком аналога является возможность нарушения центрирования ротора относительно статора, так как между корпусом и статором имеется упругая связь.
Известна также конструкция электрической машины с жидкостным охлаждением, в частности, ее статора, содержащего шихтованный магнитопровод и обмотки и неподвижно закрепленного в корпусе электрической машины с помощью выступов на статоре и впадин в корпусе, а также кольцевую охлаждающую камеру, охватывающую статор с внешней стороны (патент US 6472780 B2, авторы Toshio Kikuchi, Shinichiro Kitada, Yutaro Kaneko). Указанная конструкция принята за прототип первого предложенного изобретения группы. Недостатком данной конструкции является необходимость точного изготовления всех сопрягаемых поверхностей, а также возможность появления тепловых напряжений в деталях из-за разности температур или разности коэффициентов теплового расширения материалов магнитопровода и корпуса.
Известна компоновка трансмиссии с электромашиной, содержащая ротор с задающим диском датчика углового положения ротора с радиальным расположением зубцов (патент US 20080023287 A1, авторы Andreas Thiede, Udo Niehaus, Thorsten Muller, Alexander Bartha, Michael Wetzel, Christoph Sasse, фиг. 7). Указанная конструкция принята за аналог второго изобретения группы. Недостатком аналога является увеличенный осевой габарит конструкции.
Известна конструкция электромашины для трансмиссии, содержащая, в частности, ротор, включающий магнитопровод, ступицу и задающий диск датчика углового положения с радиальным расположением зубцов (патент US 20010013731 A1, авторы Keiichi Shinohara, Yasuo Yamaguchi, Kenichiro Nomura, Satoru Wakuta). Указанная конструкция принята за прототип второго изобретения группы. Недостатком прототипа является то, что датчик углового положения с радиальным расположением зубцов задающего диска увеличивает радиальный габарит электромашины, а значительный диаметр задающего диска обусловливает его большую массу.
Общим недостатком всех известных высокоскоростных электрических машин с частотным управлением для многопоточной электромеханической трансмиссии с жесткой установкой магнитопровода статора в корпусе трансмиссии является высокий уровень шума от высокочастотной модуляции тока в обмотках. Шум генерируется активными частями статора и излучается корпусом трансмиссии. В многополюсных электрических машинах уровень шума дополнительно увеличивается по причине снижения радиальной жесткости статора с обмотками.
Задача изобретения. Задачей группы изобретений является создание высокоскоростной многополюсной электрической машины с принудительным жидкостным охлаждением, имеющей пустотелый ротор с отверстием увеличенного диаметра и обладающей высокими энергетическими показателями в широком диапазоне частот вращения, малой массой, низким уровнем шума, уменьшенным осевым габаритом.
Сущность изобретения. Указанная задача решается тем, что предложен статор электрической машины с жидкостным охлаждением, включающий шихтованный магнитопровод с обмотками, неподвижно закрепленный в корпусе электрической машины с помощью шлицевого соединения, а также кольцевую охлаждающую камеру, охватывающую статор с внешней стороны, характеризующийся тем, что шлицевое соединение содержит, по меньшей мере, три прямобочных шлица на внешней поверхности магнитопровода и равное число ответных шлицевых пазов на внутренней части корпуса электрической машины, причем центрирование шлицевого соединения выполнено по боковым поверхностям, а охлаждающая кольцевая камера разделена указанными шлицами на кольцевые секторы, каждый из которых выполнен контактирующим внешней цилиндрической поверхностью с охлаждающей жидкостью, поступающей из охлаждающей магистрали.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что статор электрической машины характеризуется тем, что охлаждающая магистраль расположена на внешнем диаметре статора в средней части и выполнена с отверстиями, расположенными напротив каждого кольцевого сектора охлаждающей камеры.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что статор электрической машины характеризуется тем, что обмотки статора выполнены на внутренней стороне магнитопровода, а пазы для обмоток выполнены открытого типа.
Другим отличием предложенного изобретения является то, что статор электрической машины характеризуется тем, что в ближних к внутренней стороне магнитопровода статора частях пазов для обмоток установлены клинья, выполненные из магнитодиэлектрического материала.
Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что статор электрической машины характеризуется тем, что его обмотки выполнены проводом прямоугольного сечения, причем короткая сторона сечения провода ориентирована по длине паза, а длинная сторона сечения провода вместе с межвитковой и пазовой изоляцией занимает всю ширину паза.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что статор электрической машины характеризуется тем, что прямобочные шлицы на внешней стороне выполнены на неполной длине магнитопровода.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что статор электрической машины характеризуется тем, что листы магнитопровода статора соединены на внешней стороне сварными швами, направленными параллельно оси вращения ротора машины, причем число сварных швов равно либо кратно числу прямобочных шлицев.
Другим отличием предложенного изобретения является то, что ротор электрической машины, включающий магнитопровод, ступицу и задающий диск, характеризуется тем, что магнитопровод соединен со ступицей посредством клеевого соединения, а задающий диск датчика углового положения закреплен на ступице и имеет круговую зубцовую поверхность в форме усеченного конуса с осью, совпадающей с осью вращения упомянутого диска.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что ротор электрической машины характеризуется тем, что зубцы диска выполнены заостряющимися к краю диска.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что ротор электрической машины характеризуется тем, что задающий диск датчика углового положения выполнен из ферромагнитного материала.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что ротор электрической машины характеризуется тем, что его магнитопровод содержит короткозамкнутую обмотку.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что ротор электрической машины характеризуется тем, что его магнитопровод содержит постоянные магниты.
Другим отличием предложенного изобретения является то, что электрическая машина, содержащая статор и ротор, характеризуется тем, что ее составные части выполнены по любому из признаков, описанных выше.
Другим отличием предложенного изобретения является то, что электрическая машина, содержащая статор и ротор, характеризуется тем, что содержит как минимум один датчик углового положения ротора.
Последним отличием предложенного изобретения является то, что электрическая машина, содержащая статор и ротор, характеризуется тем, что между статором и датчиком положения ротора установлен магнитный экран из ферромагнитного материала, закрепленный на лобовых частях обмоток статора посредством клеевого соединения.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлен продольный разрез парной установки электрических машин для многопоточной электромеханической трансмиссии.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез электрической машины по линии А-А на фиг. 1.
Описание устройства. Электрическая машина (фиг. 1, фиг. 2) состоит из неподвижных и вращающихся частей. Неподвижная часть состоит из шихтованного магнитопровода 1, набранного из отдельных стальных изолированных пластин, соединенных в пакет с помощью сварных швов 2, выполненных на внешней стороне магнитопровода. Также на внешней стороне размещены прямобочные шлицы 3, а на внутренней стороне магнитопровода расположены открытые пазы 4, в которых уложена обмотка 5, выполненная прямоугольным проводом с изоляцией, клинья 6, выполненные из магнитодиэлектрическиго материала. Магнитопровод 1, обмотка 5, клинья 6 являются основными деталями, из которых состоит активная часть статора электрической машины. Магнитопровод 1 статора установлен в корпусе 7, имеющем ответные прямобочные шлицевые пазы, с помощью шлицевого соединения, выполненного с центрированием по боковым поверхностям 8. Шлицы 3 могут быть выполнены на неполной длине магнитопровода 1. В корпусе 7 имеется охлаждающая магистраль 9, расположенная в средней части магнитопровода 1, на внешней стороне. Между корпусом 7 и магнитопроводом 1 статора имеется кольцевая охлаждающая камера, разделенная шлицами 3 на изолированные друг от друга круговые секторы 10, в которые подается охлаждающая жидкость из охлаждающей магистрали 9.
Ротор электрической машины относится к вращающимся частям электрической машины и состоит из шихтованного кольцевого магнитопровода 11 и короткозамкнутой обмотки 12. В других вариантах реализации изобретения ротор электрической машины может быть выполнен с постоянными магнитами. Ротор закреплен на ступице 13 посредством клеевого соединения 14. Ступица 13 соединена с задающим диском 15 датчика углового положения. Ступица 12 может быть выполнена как одно целое с задающим диском 15. Задающий диск 15 датчика углового положения выполнен конической формы. В корпусе 7 установлен датчик 16 углового положения ротора, который функционально связан с задающим диском 15. Между датчиком 16 и статором установлен магнитный экран 17 из ферромагнитного материала, приклеенный на лобовые части обмотки 5 статора.
Описание работы. Электрическая машина для многопоточной электромеханической трансмиссии работает следующим образом. При приложении к фазам обмотки 3 переменного напряжения в магнитной цепи машины наводится вращающееся магнитное поле и ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора измеряется датчиками 16, сигнал которых направляется в систему управления.
В кольцевые секторные камеры 10, образованные между шлицами, подается охлаждающая жидкость из охлаждающей магистрали 9, через отверстия в ней. Охлаждающая жидкость, например масло, попадая через отверстия на внешнюю сторону магнитопровода 1 статора, отводит от него тепло, затем стекает через лобовые части обмоток 5, одновременно охлаждая их, а затем попадает в картер трансмиссии (на фигурах не показан). Предложенная конструкция системы охлаждения позволяет эффективно охлаждать статор при любой ориентации электрической машины в пространстве.
Применение шлицевого соединения с прямобочными шлицами и центрированием по боковым поверхностям 8 позволяет точно устанавливать статор в корпусе 7 (фиг. 1, 2). Такая установка статора позволяет избавиться от механических напряжений из-за разности температур и разности коэффициентов теплового расширения материалов магнитопровода 1 и корпуса 7. Применение упомянутого шлицевого соединения позволяет значительно упростить процесс изготовления магнитопровода 1 статора, так как не требуется высокая точность обработки поверхностей, кроме боковых поверхностей шлицев 3 и ответных поверхностей пазов в корпусе 1. Шлицевое соединение статора и корпуса 7 по боковым поверхностям также снижет уровень шума из-за наличия некоторого зазора в соединении, в который попадает охлаждающая жидкость, которая в свою очередь снижает передачу высокочастотных шумов на корпус 7. Шлицы могут быть выполнены на неполной длине магнитопровода 1, например, на крупных электрических машинах. Применение шлицев на неполной длине снижает общую массу конструкции. Сварные швы 2 на внешней стороне магнитопровода 1 выполняют после сборки пластин в пакет, до финишной обработки магнитопровода. Намотка проводом прямоугольного сечения позволяет увеличить коэффициент заполнения магнитопровода 1, что улучшает энергетические показатели электрической машины в режимах с большим крутящим моментом. Применение прямоугольного провода позволяет также увеличить радиальную жесткость статора и снизить шум. Клинья 6 из магнитодиэлектрического материала увеличивают радиальную жесткость статора, повышают энергетические показатели электрической машины и снижают зубцовые пульсации момента.
Кольцевой ротор 11 соединен со ступицей 13 клеевым соединением 14. По сравнению с другими известными способами крепления, клеевое соединение обеспечивает наименьшую концентрацию напряжений и позволяет сделать ступицу 13 с максимально возможным внутренним диаметром для размещения в ней планетарных механизмов трансмиссии.
Задающий диск 15 датчика углового положения 16 ротора выполнен коническим, в форме усеченного конуса с осью, совпадающей с осью вращения, и закреплен на ступице 13 или является ее продолжением. Применение конического задающего диска 15 позволяет снизить радиальный и осевой габариты при парной установке электрических машин (фиг. 1), а также уменьшить диаметр задающего диска, что упрощает сборку, уменьшает массу электрических машин, а также позволяет повысить уровень масла в картере трансмиссии, не погружая в него нижний край диска. Датчики 16 располагаются под непрямым углом к оси вращения ротора и, при парной установке электрических машин, образуют угол α между собой в продольном направлении (фиг. 1), а также некоторый угол в окружном направлении (на фигурах не обозначен).
В зависимости от типа электрической машины, ротор может быть выполнен с короткозамкнутой обмоткой 12 или с постоянными магнитами. В обоих вариантах выполнения ротора достигается решение задачи изобретения.
Для защиты датчика углового положения от магнитного поля рассеяния применяется магнитный экран 17 из ферромагнитного материала, приклеенный на лобовые части обмоток статора. Применение такой конструкции позволяет уменьшить массу экрана и уменьшить поток рассеяния электрической машины.
Таким образом, предложенная группа устройств в полной мере решает задачу изобретения. Составные части предлагаемого устройства, раскрытые в описании, могут применяться в составе электрической машины многопоточной электромеханической трансмиссии как по отдельности, так и вместе, в любых сочетаниях. Как индивидуальное, так и совместное применение изобретений из предложенной группы изобретений ведет к решению задачи изобретения.