Магнитная система электрической машины с многослойной сверхкомпактной обмоткой
MAGNETIC SYSTEM OF AN ELECTRIC MACHINE WITH A MULTILAYER ULTRA-COMPACT WINDING

Предлагаемые технические решения и группа изобретений относятся к устройствам электромеханического преобразования энергии.
Известно множество вариантов магнитных систем электрических машин с сосредоточенной обмоткой. Такой тип обмотки описан, например, в следующих патентах: US6870292B2, US20170324307A1, US20160226346A1, US20160344246A1, US8664818B2, JP3603784B2, JP6079012B2, KR20170094261A, WO2005117243A1, EP1727261B2, EP1727261B1, EP2306622B1 и др. Ключевой особенностью магнитных систем с сосредоточенной обмоткой является то, что каждая катушка обмотки намотана на отдельный зубец таким образом, что обе секции катушки располагаются в соседних пазах.
На основании множества научных исследований доказано, что магнитное поле, создаваемое в зазоре электрических машин с сосредоточенной обмоткой статора, обладает асинхронными пространственными гармониками, которые вызывают наведение в постоянных магнитах ротора вихревых токов, а также пульсации электромагнитного момента, что приводит к снижению энергоэффективности таких электрических машин. Также большую роль в конструкции магнитных систем с сосредоточенной обмоткой играет форма зубца, которая, как правило, предполагает наличие характерного полюсного наконечника. В соответствии с этим паз у магнитных систем электрических машин с сосредоточенной обмоткой, как правило, является полузакрытым, что значительно усложняет и удорожает процедуру намотки. Намотка катушек в этом случае осуществляется непосредственно на зубец. С целью обеспечения низкого сопротивления обмотки намотка чаще всего осуществляется многожильным проводом (или несколькими параллельными проводниками), что существенно уменьшает плотность упаковки провода в пазу и, как следствие, снижает удельные характеристики машины. Кроме того, указанный способ намотки достаточно сложно автоматизируется и требует либо применения монофункционального дорогостоящего обмоточного оборудования, либо использования ручного труда квалифицированного специалиста-обмотчика.
В связи с вышеизложенным в настоящей заявке предлагается конструкция магнитной системы электрических машин с распределённой обмоткой и открытым пазом. Трёхфазная распределённая обмотка может быть уложена в пазы статора магнитной системы в 2, 4, 8 и т. д. слоёв. Шаг намотки катушек может составлять 2 и более зубцов.
Известны патенты: US20140015348A1, WO2005050816A2 и US20140145540A1. В WO2005050816A2 и US20140145540A1  приведены случаи магнитных систем с наружным ротором, что более близко к предлагаемому в настоящей заявке варианту. В указанных прототипах представлены варианты реализации двухслойной обмотки в магнитных системах с открытым пазом статора. Такая геометрия паза позволяет существенно упростить и удешевить процедуру изготовления обмотки. Предварительно изготовленные катушки погружаются в пазы статора магнитной системы. Такой способ обеспечивает максимально плотное заполнение паза обмоточным проводом. Благодаря открытой форме паза упрощается процедура покрытия стенок паза изоляционным слоем, а также прокладки изоляции между катушками, относящимися к разным фазам и расположенными в одном пазу, что увеличивает надёжность и долговечность статорной обмотки. Каждая катушка имеет две секции: одна секция располагается в верхнем слое двухслойной обмотки, вторая — в нижнем. Такой способ укладки обеспечивается приданием катушкам специальной пространственной геометрии.
Недостаток предложенных в прототипах технических решений заключается в том, что катушкам двухслойной обмотки придаётся такая геометрия, при которой две секции одной катушки располагаются на разных уровнях (в разных слоях). Это приводит, во-первых, к тому, что лобовая часть таких катушек имеет довольно сложную форму, изготовить которую можно только на специальном оборудовании, а во-вторых, усложняется процедура заполнения паза катушками такой формы. В патенте WO2005050816A2 предлагается применять так называемые формированные (формованные) катушки, которые имеют довольно жёсткую форму. С одной стороны, жёсткость формы обеспечивает высокое качество катушек: все проводники уложены в строгой последовательности и катушка занимает минимально возможный объём. Однако, с другой стороны, при таком исполнении катушек, возникает сложность их погружения в пазы статора, поскольку в машинах радиального потока расстояние между любыми двумя пазами неизбежно уменьшается при движении от края статора к его оси. В связи с этим в WO2005050816A2 предложена специальная форма паза, которая предполагает наличие в пазу ступеней, благодаря чему становится возможным предварительно сформованную жёсткую катушку погрузить в пазы без её деформации. Для того чтобы погрузить такую катушку в пазы, требуется совершить восемь пошаговых действий. Предложенное в WO2005050816A2 техническое решение приводит, во-первых, к тому, что процедура изготовления статорной обмотки становится сложной, и она не поддаётся автоматизации, во-вторых, к тому, что снижается коэффициент заполнения паза.
В настоящей заявке предлагается применить обмотку, каждая катушка которой выполнена бескаркасным способом (предварительно сформованные катушки) таким образом, что её лобовые части имеют жёсткую форму, а рабочие участки остаются гибкими и способными к незначительной деформации, достаточной для обеспечения погружения катушки в пазы статора без повреждения изоляционного слоя провода. При этом катушка имеет такую форму, что обе её секции располагаются на одинаковом расстоянии от оси двигателя. Предложенное техническое решение позволяет при сохранении максимально простой геометрии паза статора магнитной системы добиться максимально возможного заполнения паза при минимально возможной лобовой части обмотки, не создавая опасности повреждения изоляционного слоя обмоточного провода катушек при их погружении в пазы.
Существенным признаком группы изобретений является магнитная система электрической машины, статор которой имеет открытый глубокий паз, а катушка статорной обмотки такова, что её лобовые части имеют жёсткую форму, а рабочие участки остаются гибкими, и способными к незначительной деформации, достаточной для обеспечения погружения катушки в пазы статора без повреждения изоляционного слоя провода, при этом сечение катушки в рабочем участке, расположенном внутри паза статора, имеет форму прямоугольника и равно сечению катушки в лобовой части, расположенной за пределами статорного пакета, таким образом, что высота прямоугольного сечения в рабочем участке катушки равна ширине прямоугольного сечения в лобовой части катушки, а ширина прямоугольного сечения в рабочем участке катушки равна высоте прямоугольного сечения в лобовой части катушки.
Перечень фигур (чертежей):
На фиг. 1 представлен изометрический вид устройства «в разрезе».
На фиг. 2 показан внешний вид катушки предлагаемой геометрии.
На фиг. 3 показан вид «сверху» катушки.
На фиг. 4 показан вид «сбоку» катушки.
На фиг. 5 показан первый шаг укладки части катушек в пазы статора в первом слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 6 показана ориентация катушек C1Z1, A1X1, A2X2, B3Y3, C3Y3.
На фиг. 7 показан второй шаг укладки части катушек в пазы статора в первом слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 8 показана ориентация катушек B1Y1, B2Y2, C2Z2, A3X3, A4X4.
На фиг. 9 показано итоговое расположение части катушек, уложенных в первом слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 10 показан результат укладки части катушек во втором слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 11 показана ориентация катушек C'1Z'1, A'1X'1, A'2X'2, B'3Y'3.
На фиг. 12 показана ориентация катушек B'1Y'1, B'2Y'2, C'2Z'2, A'3X'3, A'4X'4.
На фиг. 13 показан первый шаг укладки части катушек в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 15 показан второй шаг укладки части катушек в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 14 показана ориентация катушек C3Z3, C4Z4, A5X5, B5Y5, B6Y6.
На фиг. 16 показана ориентация катушек B4Y4, C5Z5, C6Z6, A6X6.
На фиг. 17 показано итоговое расположение части катушек, уложенных в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 18 показано расположение части катушек, уложенных в пазы статора в четвёртом слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 19 показана ориентация катушек C'3Z'3, C'4Z'4, A'5X'5, B'5Y'5, B'6Y'6.
На фиг. 20 показана ориентация катушек B'4Y'4, C'5Z'5, C'6Z'6, A'6X'6.
На фиг. 21 показан эскиз магнитной системы электрической машины без обмотки, статор которой имеет 72 зубца, а количество полюсов составляет 32.
На фигурах 1 и 21 изображено устройство, которое представляет собой магнитную систему трёхфазной синхронной электрической машины с постоянными магнитами (2), ротор (1), который может располагаться как снаружи статора (3), так и внутри статора. Статор (3) содержит распределённую трёхфазную обмотку, катушки которой могут быть уложены в пазы в 2, 4, 8 и т. д. слоёв. Паз (4) у статора (2) является открытым. Изобретение применимо в тяговых электрических двигателях, например, встроенных в колесо транспортного средства, в моментных двигателях, для приведения во вращательное движение различных исполнительных механизмов, в качестве альтернаторов в системах электроснабжения, в том числе в области распределённой и возобновляемой энергетики, в линейных двигателях и линейных генераторах и других приложениях. Предложенная конструкция магнитной системы и её электрическая схема позволяют повысить энергоэффективность, удельные характеристики, а также упростить технологию изготовления и увеличить надёжность и долговечность электрических машин.
На фигуре 2 показан внешний вид предварительно сформованной катушки предлагаемой геометрии, из которого хорошо видно, что сечение катушки в рабочем участке, расположенном внутри паза статора, имеет форму прямоугольника
На фигурах 3 и 4 показаны виды катушки «сверху» и «сбоку». Ключевой особенностью данной катушки является то, что ширина лобовой части равна высоте рабочего участка катушки b, а высота лобовой части равна ширине рабочего участка a. Такая геометрия позволяет укладывать катушки в один слой таким образом, что толщина этого слоя не будет превышать b. Как видно из фиг. 3 у катушки одно основание является плоским, а второе фигурным.
Рассмотрим пример укладки катушек в пазы статора.
Перед укладкой катушек пазы статора покрываются слоем изоляции из электротехнического картона, синтофлекса или другого подходящего изоляционного материала. Толщина слоя изоляции определяется рабочим напряжением, на которое рассчитана электрическая машина.
На фиг. 5 показан первый шаг укладки части катушек в пазы статора в первом слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 7 показан второй шаг укладки части катушек в пазы статора в первом слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 9 показано итоговое расположение части катушек, уложенных в пазы статора в первом слое четырёхслойной обмотки.
На фигурах 6 и 8 видно, что катушки C1Z1, A1X1, A2X2, B3Y3 обращены к оси двигателя плоским основанием, катушки B1Y1, B2Y2, C2Z2, A3X3, A4X4 обращены к оси двигателя фигурным основанием.
На фиг. 10 показано расположение части катушек, уложенных в пазы статора во втором слое четырёхслойной обмотки. Отметим, что второй слой катушек полностью повторяет первый слой, т. е. над катушкой фазы A, лежащей в первом слое, располагается катушка той же фазы А, лежащая во втором слое. Причём эти катушки сориентированы в пространстве одинаковым образом. Аналогичное условие соблюдается при установке катушек в пазы статора во втором слое двух других фаз.
На фиг. 11 показана ориентация катушек C'1Z'1, A'1X'1, A'2X'2, B'3Y'3.
На фиг. 12 показана ориентация катушек B'1Y'1, B'2Y'2, C'2Z'2, A'3X'3, A'4X'4.
На фиг. 13 показан первый шаг укладки части катушек в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 15 показан второй шаг укладки части катушек в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.
На фигурах 14 и 16 показаны ориентации катушек C3Z3, C4Z4, A5X5, B5Y5, B6Y6, а также катушек B4Y4, C5Z5, C6Z6, A6X6 соответственно.
На фиг. 17 показано итоговое расположение части катушек, уложенных в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.
На фиг. 18 показано расположение части катушек, уложенных в пазы статора в четвёртом слое четырёхслойной обмотки. Отметим, что четвёртый слой катушек полностью повторяет третий слой, то есть над катушкой фазы А, лежащей в третьем слое, располагается катушка той же фазы А, лежащая в четвёртом слое. Причём эти катушки сориентированы в пространстве одинаковым образом. Аналогичное условие соблюдается при установке в пазы статора катушек в четвёртом слое двух других фаз.
На фигурах 19 и 20 показаны ориентации катушек C'3Z'3, C'4Z'4, A'5X'5, B'5Y'5, B'6Y'6, а также катушек B'4Y'4, C'5Z'5, C'6Z'6, A'6X'6 соответственно.
На фигурах 5, 7, 9, 10, 13, 15, 17, 18 обозначены цифрами номера зубцов. Будем считать, что паз, находящийся слева от зубца, имеет такой же номер, как и зубец.
Из фигур 9, 10, 17, 18 видно, что в некоторых пазах располагаются катушки в четырёх слоях, принадлежащие разным фазам, а в некоторых пазах располагаются катушки в четырёх слоях, принадлежащие одной фазе. Так, в пазах под номерами 1, 4, 7, 10, 13, 16 в первом и втором слоях и в третьем и четвёртом слоях располагаются катушки, принадлежащие разным фазам. Поэтому для этих пазов рекомендуется между вторым и третьим слоями прокладывать слой изоляции из электротехнического картона, синтофлекса или другого подходящего изоляционного материала. В пазах 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, 17, 18 в первом и втором слоях и в третьем и четвёртом слоях располагаются катушки, принадлежащие к одной фазе. Поэтому в этих пазах между вторым и третьим слоями необходимость прокладывать слой изоляции отсутствует. В некоторых случаях, например, когда рабочее напряжение, на которое рассчитана электрическая машина, невелико, изоляцию между слоями можно не прокладывать ни в каком из пазов.
Все катушки, относящиеся к одной фазе, могут быть соединены между собой последовательно. Однако не все катушки, относящиеся к одной фазе, могут быть соединены параллельно. Рассмотрим на примере фазы С возможные способы соединения катушек. Катушки C1Z1 и C'1Z'1 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно. Аналогично катушки C3Z3 и C'3Z'3 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно и C4Z4 и C'4Z'4 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно. Однако общая катушка для C1Z1 и C'1Z'1 и общая катушка для C3Z3 и C'3Z'3, и общая катушка для C4Z4 и C'4Z'4 могут быть соединены между собой только последовательно. Также катушки C2Z2 и C'2Z'2 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно, катушки C5Z5 и C'5Z'5 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно, и катушки C6Z6 и C'6Z'6 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно. Однако общая катушка для C2Z2 и C'2Z'2 и общая катушка для C5Z5 и C'5Z'5, и общая катушка для C6Z6 и C'6Z'6 могут быть соединены между собой только последовательно. Таким образом, получаем две группы катушек: 1) C1Z1, C'1Z'1, C3Z3, C'3Z'3, C4Z4, C'4Z'4, и 2) C2Z2, C'2Z'2, C5Z5, C'5Z'5, C6Z6, C'6Z'6. Данные группы катушек могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно.
Аналогичное правило соединения катушек относится к фазам А и В.
На фигурах 9, 10, 17, 18 показано расположение катушек статора, состоящего из восемнадцати пазов и зубцов. Такая электрическая машина будет иметь восемь полюсов. Если симметричным образом продолжить укладку катушек, то можно получить статор, состоящий из 36 пазов (это 16-полюсная машина), 54 пазов (это 24- полюсная машина), 72 пазов (это 32- полюсная машина) и т. д.
На фиг. 21 показан эскиз магнитной системы электрической машины без обмотки, статор которой имеет 72 зубца, а количество полюсов составляет 32.
Применение предлагаемой обмотки позволяет:
1. Повысить энергоэффективность электрических машин с постоянными магнитами по сравнению со случаем применения сосредоточенной обмотки в таких машинах; результат достигается тем, что уменьшается паразитное влияние некоторых гармоник поля, что приводит к уменьшению потерь на вихревые токи в постоянных магнитах ротора, а также к уменьшению пульсаций электромагнитного момента и, как следствие, к уменьшению шумов и вибраций при работе электрической машины.
2. Повысить энергоэффективность электрических машин с постоянными магнитами по сравнению со случаем применения сосредоточенной обмотки в таких машинах; результат достигается тем, что уменьшается число пар полюсов в электрической машине и, как следствие, уменьшается рабочая частота тока в обмотке статора при достижении заданной скорости вращения ротора, что приводит к снижению потерь в стали статора электрической машины.
3. Повысить удельные характеристики электрических машин с постоянными магнитами по сравнению со случаем применения сосредоточенной обмотки в таких машинах; результат достигается тем, что возрастает коэффициент заполнения паза статора и, как следствие, возрастает число ампер-витков в каждой катушке, вращающий момент и полезная мощность электрической машины без увеличения её габаритов.
4. Упростить технологию изготовления статорных обмоток электрических машин с постоянными магнитами по сравнению со случаем применения сосредоточенной обмотки в таких машинах; результат достигается тем, что применяется открытый паз статора, в который погружается предварительно изготовленная на оправках катушка (в электрических машинных с сосредоточенной обмоткой паз является полузакрытым, поэтому погрузить в такой паз катушку целиком не получается, приходится протягивать витки катушки по одному проводнику).
5. Увеличить надёжность и долговечность электрических машин с постоянными магнитами; результат достигается тем, что при погружении предварительно изготовленных катушек, у которых лобовые части имеют жёсткую форму, а рабочие участки остаются гибкими и способными к незначительной деформации, в открытый паз не происходит повреждений изоляционного слоя обмоточного провода, из которого изготовлена катушка (это позволяет избежать скорого старения провода, увеличить его ресурс, а также избежать пробоев изоляции и коротких замыканий).
Перечисленные выше преимущества в равной степени относятся к 2-х, 4-х и 8-мислойным обмоткам.
В случае организации 2-х слоёв в статорной обмотке размер лобовой части обмотки будет на 27% превышать размер лобовой части 4-хслойной обмотки и на 47% превышать размер лобовой части 8-мислойной обмотки, следовательно, её сопротивление (по сравнению со случаем 4-х или 8-ми слоёв) будет выше, что приведет к увеличению потерь в обмотке, однако в случае 2-хслойной обмотки трудоёмкость изготовления обмотки наименьшая (так как число катушек наименьшее). То есть чем меньше слоёв, тем проще изготовление, но выше джоулевы потери в обмотке. Компромиссным вариантом можно считать 4 слоя (этот вариант подробно представлен на фигурах).