СТАТОР ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНОЙ КОЛЛЕКТОРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к классу коллекторных электрических машин и может найти применение в приводах мощностью да 10 кВт, где требуется плавное регулирование скорости в широких пределах.
Известен статор электрической машины (свидетельство на полезную модель RU №24756, Н02К 5/00, 3/42, 2002 г.), содержащий ферромагнитные пластины с явновыраженными полюсами, собранными в пакет. В пазах пакета, образованных явновыраженными полюсами, размещена обмотка возбуждения из медного изолированного провода
Недостатком указанного статора является большой воздушный зазор между статором и якорем, так как в противном случае поток реакции якоря будет недопустимо искажать магнитное поле, что приведет к искрению на коллекторе под щетками при работе машины. Большой зазор приводит к необходимости увеличивать число витков обмотки возбуждения на индукторе, что увеличивает габариты машины и расход активных материалов при ее производстве.
Известен индуктор с неявновыраженными полюсами коллекторной машины постоянного тока серии 4П (Справочник по электрическим машинам: в 2-х т. / Под общ. ред. И.П.Копылова и Б.К.Клокова. Т1. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с., стр.352-360). Индуктор выполнен шихтованным из электротехнической стали аналогично статору асинхронных машин и имеет пазы, в которые уложена распределенная обмотка возбуждения. Для уменьшения влияния поперечной реакции якоря в эти же пазы уложена компенсационная обмотка. Это позволяет уменьшить величину зазора до значений, характерных для асинхронных машин, что приводит и к уменьшению требуемого числа витков обмотки возбуждения.
Недостатком данной конструкции является необходимость использования компенсационной обмотки, на изготовление которой требуется такое же количество медного провода, как и на изготовление обмотки якоря.
Известен статор коллекторной электрической машины (Патент на изобретение RU №2104605, Н02К 1/14, 23/42, 1998 г.), содержащий магнитопровод, который состоит из раздельных частей, зафиксированных одна относительно другой соединительными элементами. Статор имеет в средних частях основных полюсов продольные немагнитные зазоры по всей высоте магнитопровода с немагнитными вставками. Части магнитопровода в области указанных немагнитных зазоров имеют в поперечном сечении вогнутости или выпуклости относительно оси полюсов, а немагнитные вставки имеют ответные выпуклости или вогнутости, исключающие взаимное смещение частей магнитопровода вдоль оси полюсов.
Недостатком указанного статора является сравнительно высокая магнитная проводимость магнитопровода на пути замыкания магнитного поля поперечной реакции якоря при работе электрической машины, так как равномерный немагинтный зазор в средних частях основных полюсов не может быть значительным из-за соответствующего снижения площади воздушного зазора под основными полюсами. При этом магнитный поток реакции якоря достигает больших значений, соизмеренных с величинами магнитного потока основных полюсов электрической машины. В результате, наиболее сильно проявляется размагничивающее действие реакции якоря, следствием которого является ослабление магнитного потока. Кроме того, при этом наблюдается значительное искажение равномерного распределения магнитного поля под основными полюсами, что в машинах без добавочных полюсов, особенно в реверсивных, приводит к ухудшению условий коммутации секций якоря.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению - прототипом, является статор коллекторной электрической машины, (Патент на изобретение RU №2107375, Н02К 1/14, 23/42, 1998 г.) содержащий магнитопровод, который состоит из раздельных частей, зафиксированных относительно друг друга соединительными элементами. Статор имеет в средних частях основных полюсов продольные немагнитные зазоры по всей высоте магнитопровода. Эти немагнитные зазоры в поперечном сечении выполнены неравномерными, причем средние немагнитные зазоры в области сердечников полюсов и ярм больше, чем в области полюсных наконечников. Средние немагнитные зазоры в области сердечников полюсов и ярм больше, чем в области полюсных наконечников. Это приводит к увеличению магнитного сопротивления на пути поперечной реакции якоря, что способствует улучшению коммутации.
Недостаткам указанного статора является то, что ярмо, соединяющее главные полюса, имеет одинаковое сечение по всей длине, что не учитывает особенности распределения силовых линий магнитного поля главных полюсов. Кроме того, в конструкции статора использованы явновыраженные полюса, что удлиняет пути замыкания основного потока. Все это увеличивает магнитное сопротивление на пути основного потока, что требует увеличения числа витков обмотки возбуждения и, как следствие, увеличения габаритов машины и расхода активных материалов на ее изготовление.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в снижении габаритов машины и уменьшении расходов активных материалов на ее изготовление.
Технический результат достигается тем, что статор четырехполюсной коллекторной электрической машины, содержит магнитопровод, состоящий из раздельных частей, зафиксированных относительно друг друга соединительными элементами встык через осевые немагнитные вставки, и обмотку возбуждения. Магнитопровод имеет форму четырехгранной призмы с квадратным поперечным сечением и состоит из четырех частей, имеющих в поперечном сечении форму прямоугольного криволинейного треугольника с гипотенузой в форме дуги окружности и усеченными острыми углами, каждая часть магнитопровода имеет паз открытого типа, в пазы соседних частей уложены катушки обмотки возбуждения.
Таким образом статор является неявнополюсным, такая конструкция статора позволяет оптимальным образом учесть распределение магнитного потока вдоль полюсной дуги, уменьшив длину путей замыкания основного потока, увеличить сечение ярма на участках с наибольшим магнитным потоком. Все это позволяет уменьшить магнитное сопротивление на пути основного потока, что дает возможность уменьшить число витков обмотки возбуждения, а следовательно, габариты машины и расход материалов на ее изготовление, в том числе и за счет оптимального раскроя листовой электротехнической стали.
На фиг.1 изображен статор четырехполюсной коллекторной электрической машины.
На фиг.2 изображена картина магнитного поля в коллекторной машине.
В отличие от прототипа статор имеет неявнопоюсную конструкцию. Магнитопровод набирается из листов электротехнической стали и имеет форму четырехгранной призмы с квадратным поперечным сечением и осевым цилиндрической отверстием. Магнитопровод состоит из четырех частей 1 по количеству полюсов, части зафиксированы относительно друг друга соединительными элементами. Каждая часть 1 магнитопровода в поперечном сечении имеет форму прямоугольного криволинейного треугольника с усеченными острыми углами. Катеты треугольника прямые, а гипотенуза, обращенная к якорю, является дугой окружности. Каждая часть магнитопровода имеет осевой паз открытого типа 2, Который делит часть 1 магнитопровода на три зоны: средняя зона - ярмо 3 и две клинообразные половины полюсов 4, разной полярности. Половины полюсов 4 соседних частей 1 магнитопровода жестко соединены через немагнитную вставку 5. В осевые пазы открытого типа 2 соседних частей 1 магнитопровода уложены катушки 6 обмотки возбуждения. При такой конструкции матнитопровода и расположении катушек 6 обмотки возбуждения статор является неявнополюсным.
Благодаря клинообразной форме каждой половины полюса 4 силовые линии магнитного поля, изображенные на фиг.2, равномерно распределяются вдоль полюсной дуги, обеспечивая выравнивание магнитной индукции в разных частях полюса и уменьшение длины силовых линий основного магнитного потока. В зоне ярма 3, где проходит максимальных магнитный поток, сечение магнитопровода является наибольшим, так как эти участки соответствуют зонам прямых углов частей магнитопровода 1. Все это способствует снижению магнитного сопротивления на пути основного магнитного потока.
Немагнитные вставки 5 между частями 1 магнитопровода, расположенные по осям полюсов, мало влияют на величину основного магнитного потока, который замыкается в пределах каждой части 1 магнитопровода. При этом сечение магнитопровода по осям полюсов в области немагнитных вставок 5, через которое проходят силовые линии поля поперечной реакции якоря уменьшено.
Численное исследование методом конечных элементов показывает, что, использование немагнитных вставок 5 по осям полюсов вносит большое магнитное сопротивление на путях потока поперечной реакции якоря, вынуждая его четыре раза проходить через воздушный зазор. В результате основное магнитное поле машины практически не искажается даже при малой величине зазора 0,4 мм. При этом индукция коммутации не превышает 0,03 Тл, что говорит об удовлетворительной коммутации.
Так как воздушный зазор мал, и пути замыкания силовых линий магнитного поля уменьшены, то магнитное сопротивление на путях основного магнитного потока оказывается сравнительно малым, что позволяет существенно уменьшить количество витков в катушках обмотки возбуждения, необходимое для создания магнитного потока требуемой величины. Катушки укладываются в пазы, что улучшает их теплоотдачу. Все это благоприятно сказывается на температурном режиме статора, что позволяет выполнить машину без дополнительного оребрения на корпусе. Таким образом, от корпуса можно вообще отказаться, использовав специальные элементы крепления и специальную конструкцию подшипниковых щитов. Форма четырехгранной призмы с квадратным поперечным сечением, которую имеет статор способствует снижению отходов электротехнической стали при штамповке, уменьшению высоты оси вращения и лучшей встраиваемости машины в станки.
Расчет, основанный на моделировании магнитного поля методом конечных элементов, показывает, что данный вариант конструкции коллекторной машины способен обеспечить по сравнению с машиной серии 4П до 30% экономии меди за счет отказа от компенсационной обмотки, до 35% экономии стали за счет более рационального раскроя листовой электротехнической стали при штамповке, до 20% снижения высоты оси вращения.