МАГНИТОПРОВОД СТАТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С РАДИАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к электромашиностроению и может быть использована при проектировании статоров электрических машин с радиальным магнитным потоком.
Наиболее близким к полезной модели является конструкция магнитопровода статора электрической машины с радиальным магнитным потоком (П.С.Сергеев и др. «Проектирование электрических машин» М. ЭНЕРГИЯ 1969 г., с.176). Известное устройство представляет собой пакет скрепленных друг с другом в осевом направлении пластинчатых элементов, изготовленных из магнитомягкого материала, например, листов электротехнической стали толщиной порядка 0,18 мм и более. Недостатком известного технического решения является низкий КПД, значение которого зависит в большой степени от энергетических затрат на перемагничивание материала магнитопровода и потерь, возникающих из-за вихревых токов, величина которых особенно возрастает при работе на высоких частотах (порядка 400-10000 Гц).
Техническим результатом, которого можно достичь при осуществлении полезной модели, является повышение КПД за счет снижения электромагнитных потерь при работе магнитопровода статора на высоких частотах.
Технический результат достигается за счет того, в магнитопроводе статора электрической машины с радиальным магнитным потоком, представляющем собой пакет скрепленных друг с другом в осевом направлении статора идентичных пластинчатых элементов, каждый из которых состоит из не менее четырех одинаковых сегментов, образующих замкнутый контур, сегменты соединены друг с другом боковыми поверхностями, а изготовлены - из имеющих форму равнобедренных трапеций заготовок, которые выполнены из скрепленных друг с другом полос лент аморфного магнитомягкого материала толщиной менее 0,1 мм, причем плоскости, в которых лежат образующие сегменты полосы лент, перпендикулярны оси симметрии статора. Между соседними пластинчатыми элементами может быть выполнен радиальный угловой сдвиг, обеспечивающий расположение стыков боковых поверхностей сегментов пластинчатых элементов с четными номерами преимущественно в зонах радиальных осей симметрии сегментов соседних с ними пластинчатых элементов с нечетными номерами.
На Фиг.1 изображена конструкция одного из пластинчатых элементов.
На Фиг.2 представлен общий вид магнитопровода в сборе.
Устройство (Фиг.1, Фиг.2) представляет собой пакет скрепленных друг с другом в осевом направлении статора одинаковых пластинчатых элементов 1, каждый из которых состоит из не менее четырех идентичных сегментов 2, соединенных друг с другом боковыми поверхностями. Сегменты 2 изготовлены из заготовок, имеющих форму равнобедренных трапеций. Заготовки выполнены из скрепленных друг с другом полос лент аморфного магнитомягкого материала толщиной менее 0,1 мм. Плоскости, в которых лежат образующие сегменты 2 полосы лент, перпендикулярны оси симметрии магнитопровода статора. Направление основного магнитного потока, проходящего через каждый сегмент, совпадает с направлением его максимальной магнитной проницаемости.
Все пластинчатые элементы 1 с четными номерами (считая относительно любой из торцевых поверхностей магнитопровода) могут быть установлены с радиальным угловым сдвигом относительно всех пластинчатых элементов с нечетными номерами. Подобное расположение элементов позволяет перекрыть стыки сегментов, что ведет к упрочнению конструкции пакета при его склеивании, а также повышению удобства его крепления и сборки.
Установлено, что наиболее целесообразная установка пластинчатых элементов друг относительно друга - это расположение стыков боковых поверхностей составляющих их сегментов, например, элементов с четными номерами, преимущественно в зонах радиальных осей симметрии сегментов соседних с ними пластинчатых элементов соответственно с нечетными номерами.
Толщина одного пластинчатого элемента h выбирается в зависимости от технических возможностей оборудования либо от величины воздушного зазора Δ статора, причем h=(1-3)Δ.
Заготовки сегментов выполнены из скрепленных друг с другом компаундом полос лент аморфного магнитомягкого нанокристаллического сплава (аморфной стали) толщиной менее 0,1 мм (порядка 20-30 мкМ), имеющего высокую индукцию насыщения. Данный материал должен обеспечивать величину магнитной индукции не менее 1,4 Тл при напряженности магнитного поля 2500 А/м.
Заготовки сегментов 2 изготавливают по известной технологии (RU 2362252 C2, H02K 15/02, 2007), согласно которой ленту из аморфного материала толщиной менее 0,1 мм наматывают на прямоугольную оправку, а затем прямоугольный участок навитых и скрепленных друг с другом полос лент разрезают (под углом 90°) на куски в соответствии с выбранной формой сегментов.
При изготовлении пакета магнитопровода исходят из его внешних и внутренних габаритов и величины рабочего зазора машины. Число сегментов (N) в каждом пластинчатом элементе выбирают в зависимости от предоставляемой производителем ширины ленты, внутреннего и наружного диаметра статора, а также из оптимального количества расходуемого материала.
После определения количества сегментов рассчитывают размеры трапецеидальных заготовок и угол наклона их боковых сторон относительно наибольшего из оснований, задающий радиальное направление линий стыков сегментов между собой γ.
Из конструкции одного пластинчатого элемента, изображенной на Фиг.1, видно, что:
γ=2arcCos(R-H)/r°, где
R - расстояние от оси симметрии магнитопровода статора до наиболее удаленного от нее участка наружной поверхности магнитопровода;
r - расстояние от оси симметрии магнитопровода до наиболее близкого от нее участка внутренней поверхности магнитопровода;
H - ширина ленты (сегмента).
При формировании пластинчатых элементов 1 сегменты соединяют друг с другом боковыми поверхностями и скрепляют, например, с помощью компаунда. Готовые элементы 1 фиксируют друг с другом в пакет с помощью компаунда, соблюдая выполнение выбранного углового сдвига между ними.
При толщине каждого пластинчатого элемента h, соизмеримой с размером предполагаемого воздушного зазора Δ [h=(1-3)Δ], для улучшения охлаждения магнитопровода и снижения трудоемкости изготовления пакета его многогранные внешние и внутренние поверхности могут в дальнейшем не обрабатываться. Однако для улучшения масса-габаритных показателей выступающие части сегментов могут быть удалены.
Установлено, что только за счет использования лент аморфного магнитного нанокристаллического материала в конструкции магнитопровода электромагнитные потери при его работе на частоте 400-10000 Гц снизились в 4-5 раз.
Таким образом, за счет изготовления деталей пакета магнитопровода из аморфного магнитного нанокристаллического сплава в виде соединенных друг с другом полос лент толщиной менее 0,1 мм, выполнения пакета в виде пластинчатых элементов, имеющих взаимный радиальный угловой сдвиг и новой модификации пластинчатых элементов (в виде сегментов, изготовленных из трапецеидальных заготовок), появилась возможность создания новой конструкции магнитопровода статора электрической машины с радиальным магнитным потоком, которая обладает высоким КПД при работе на высоких частотах.
Высокий КПД при работе на высоких частотах позволяет рекомендовать полезную модель при проектировании магнитопроводов статоров синхронных электрических машин с радиальным магнитным потоком широкого назначения.