ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ELECTRICAL MACHINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к электрической машине и, в частности, к электрическому двигателю бесщеточного типа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как правило, электрический двигатель типа, известного из уровня техники, содержит кожух, имеющий внутри статор обмоточного типа, жестко прикрепленный к кожуху, и ротор, например, с постоянными магнитами, прикрепленный с возможностью вращения к кожуху.
Электронный модуль или электронная схема управления, соединенные со статором, помещены в кожух для подачи питания к статору.
Крышка закрывает кожух с образованием закрытого контейнера, из которого выступают клеммы для подачи питания электронной схемы управления.
Электрические машины-аналоги настоящего изобретения выполнены, в частности, герметичными, то есть являются герметичными электрическими машинами.
Известно, что обмотки электрической машины, в частности обмотки статора, изготовляют с использованием множества катушек из проводящего материала, обычно меди, выполненных из электрического провода, намотанного вокруг полюсных наконечников ферромагнитного сердечника статора электрической машины.
Статор содержит изоляторы, известные в данной области техники под термином "передние элементы", расположенные на противоположных в осевом направлении сторонах ферромагнитного сердечника и вставленные между обмоткой и полюсными наконечниками.
Электрический ток, который может иметь высокое номинальное значение, проходит через обмотку, и это вызывает нагрев вследствие теплового действия тока, причем упомянутый нагрев распространяется по всем направлениям обмотки и в зонах электрической машины, смежных с обмоткой.
В частности, было обнаружено, что упомянутый нагрев вызывает ухудшение свойств проводимости электрического провода, который, соответственно, создает большее сопротивление прохождению электрического тока, вызывая высокий и часто недопустимый уровень рассеивания энергии.
Более того, нагрев обмотки может вызывать быстрое ухудшение изоляционных характеристик вышеупомянутого слоя электроизоляционного материала, вставленного между обмоткой и соответствующим полюсным наконечником, а также чрезмерный нагрев электронного модуля.
Вышеописанная ситуация еще более усугубляется в роторных электрических машинах закрытого типа, в которых обмотки помещены в контейнер, образованный кожухом и крышкой и не имеющий циркуляции воздуха.
Техническое решение, предназначенное для преодоления упомянутой проблемы, описано в документе WO 2009019562 того же Заявителя.
В упомянутом решении внутренняя часть кожуха имеет множество ограничительных частей, в виде выступов стенки основания кожуха, к которым прилегают, имея при этом соответствующую изоляцию, обмотки статора для создания более эффективного теплообмена с крышкой.
В случае двигателей большой мощности, порядка одного киловатта, технические решения, известные из уровня техники, все же не являются абсолютно удовлетворительными с точки зрения рассеивания теплоты, выделяемой в обмотках.
В связи с этим основная задача настоящего изобретения состоит в устранении вышеупомянутых недостатков.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной задачей данного изобретения является создание электрической машины, в которой охлаждение обмотки статора дополнительно улучшено по сравнению с решениями, известными из уровня техники.
Указанная техническая задача и другие задачи решены, по существу, в электрической машине, заявленной в п. 1 приложенной формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны из подробного описания, приведенного ниже в отношении предпочтительного, не имеющего ограничительного характера варианта осуществления электрической машины, проиллюстрированного на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг. 1 - схематический вид в аксонометрии с частичным разделением компонентов, за исключением некоторых удаленных для большей ясности элементов, электрической машины в соответствии с настоящим изобретением,
фиг. 2 - схематический вид сверху, за исключением некоторых удаленных для большей ясности элементов, электрической машины, показанной на фиг. 1,
фиг. 3 - схематический вид в разрезе по плоскости III-III электрической машины по плоскости III-III согласно фиг. 2,
фиг. 4 - изображение фрагмента вида в разрезе согласно фиг. 2.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На прилагаемых чертежах номером позиции 1 обозначена электрическая машина в соответствии с настоящим изобретением, в частности бесщеточный двигатель.
Машина 1, имеющая ось R вращения, содержит, вкратце, кожух 2, крышку (не показана), закрывающую кожух 2, статор 3, выполненный за одно целое с кожухом 2, ротор и схему управления (не показаны).
Статор содержит ферромагнитный сердечник 4, который имеет, как показано на фиг. 1, наружную часть, выполненную в форме кольцевого венца 5, и множество полюсных наконечников или зубцов 6, которые проходят от упомянутого венца 5 по направлению к оси R вращения, каждый из которых имеет соответствующий конец 6а.
Сердечник 4, как, по существу, все известные сердечники, содержит множество наложенных друг на друга пластин 7.
Статор 3 содержит множество фазных проводников 8, намотанных на ферромагнитный сердечник 4, в частности на полюсные наконечники 6.
Проводники 8 намотаны на полюсные наконечники 6 и образуют множество катушек 9, каждая из которых намотана на соответствующий полюсной наконечник 6, причем совокупность катушек 9 образует так называемую обмотку 10 статора.
Каждая катушка 9 образована из заданного общего количества N витков 11, намотанных вокруг соответствующего полюсного наконечника 6.
Упомянутое количество витков 11 для каждой катушки 9 и диаметр проводников 8 определяют, по существу, известным способом во время проектирования двигателя, в частности, в зависимости от расчетных рабочих характеристик двигателя.
На определение количества витков в каждой катушке влияют, например, радиальные и осевые размеры зубцов статора и диаметр проводников.
Каждая катушка 9 имеет две концевые части 12, 13, которые выровнены друг с другом в соответствии с направлением, параллельным оси R.
Кожух 2 содержит боковую стенку 14 и стенку 15 основания, которые образуют конструкцию в форме чаши.
Стенка 15 основания содержит выступ 16, выступающий в сторону внутренней части кожуха 2 в соответствии с направлением, параллельным оси R вращения.
Другими словами, упомянутый выступ 16 выступает из горизонтальной плоскости стенки 15 основания в сторону внутреннего пространства электрического двигателя 1, в частности кожуха 2.
В показанном предпочтительном варианте осуществления изобретения выступ 16 является, по существу, кольцевым и проходит вокруг оси R вращения.
Катушки 9 взаимодействуют с выступом 16 для осуществления, посредством упомянутого выступа 16, теплообмена с кожухом 2.
Точнее говоря, статор 3 вставлен в кожух 2 таким образом, что катушки 9 прилегают к выступу 16.
Как показано на чертежах, все концевые части 12, обращенные к стенке 15 основания кожуха 2, взаимодействуют с выступом 16.
В частности, все концевые части 12, обращенные к стенке 15 основания кожуха 2, прилегают к выступу 16.
Для обеспечения надлежащей электрической изоляции между обмоткой 10 статора и кожухом 2 двигатель 1 содержит электрический изолятор 17, помещенный между катушками 9 и выступом 16.
Предпочтительно упомянутый изолятор 17 является теплопроводным для обеспечения наилучшего теплообмена между обмоткой 10 и кожухом 2.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения изолятор 17 выполнен в форме листа, или части листа, из материала Sil-Pad, что обеспечивает надлежащие механическую прочность, коэффициент теплопроводности и электрическую изоляцию.
Для обеспечения электрической изоляции между обмоткой 10 статора и ферромагнитным сердечником 4 электрическая машина 1 содержит первый и второй изоляторы 18, 19, обычно известные как "передние элементы", помещенные между сердечником 4 и катушками 9.
Передний элемент 18, например передний элемент, обращенный к стенке 15 основания кожуха 2, и передний элемент 19 имеют радиально наружную часть 18а, 19а, которая является, по существу, кольцевой и от которой в каждом месте расположения зубца 6 отходят, по направлении к оси R, радиальные лапки 18b, 19b.
Передний элемент 19 расположен на стороне, противоположной переднему элементу 18 по отношению к сердечнику 4, при этом передние элементы 18, 19 окружают сердечник 4, изолируя его от обмотки 10.
Предпочтительно передние элементы 18, 19, в частности соответствующая наружная, относительно сердечника 4, поверхность, образованы таким образом, что концевые части 12 катушек 9, примыкающие к выступу 16, имеют по меньшей мере одну поверхность контакта, содержащую участки витков на концевой части 12, которая является по существу плоской для максимального увеличения поверхности теплообмена с кожухом 2.
Другими словами, как описано более подробно ниже, передние элементы 18, 19 образованы таким образом, что по меньшей мере участки наиболее удаленных, относительно сердечника 4, витков 11, прилегающие к выступу 16, все являются компланарными, без перехлестов проводника 8.
В частности, на фиг. 4 можно заметить, что в показанном предпочтительном варианте осуществления передний элемент 18 имеет для каждого зубца 6, то есть для каждой катушки 9, полость 20 для заданного количества N1 витков 11а, или части общего количества N витков 11, и вторую полость 21 для заданного количества N2 витков 11b, или части общего количества N витков 11.
Заданное общее количество N витков для полюсных наконечников 6 машины 1 составляет N1+N2.
Передний элемент 19 имеет для каждого зубца 6, то есть для каждой катушки 9, полость 22 для витков 11а и вторую полость 23 для витков 11b.
В непоказанном альтернативном варианте осуществления только передний элемент 18 имеет полости 20, 21 для оптимизации распределения витков 11 на соответствующем зубце 6, в то время как передний элемент 19 является элементом обычного типа.
Для простоты описания далее рассматриваются один зубец 6 и одна катушка 9, поскольку предпочтительно все катушки 9 намотаны на соответствующих зубцах 6 одинаковым образом.
Как показано на чертеже, витки 11а в количестве N1 размещены в полостях 20, 22, в то время как витки 11b в количестве N2 размещены в полостях 21, 23.
Предпочтительно, для оптимизации характеристик обмотки статора 3, витки 11а в количестве N1 размещены в соответствующей полости с четным числом уложенных друг на друга слоев 24 в соответствии с направлением, параллельным оси R вращения.
Предпочтительно, для оптимизации характеристик обмотки статора 3, витки 11b в количестве N2 размещены в соответствующей полости с четным числом уложенных друг на друга слоев 25. Практически, передние элементы 18, 19, предпочтительно радиальные лапки 18b, 19b упомянутых передних элементов, содержат полости 20, 22 для первой части N1 заданного общего количества N витков 11 и полости 21, 23 для второй части N2 заданного общего количества N витков 11 катушки 9.
Предпочтительно полости 20, 22 выровнены в соответствии с направлением, параллельным оси R вращения.
Предпочтительно полости 21, 23 выровнены в соответствии с направлением, параллельным оси R вращения.
Предпочтительно передние элементы 18, 19 симметричны на лапках 18b, 19b относительно ферромагнитного сердечника 4.
Полости 20, 22 принимают форму суженной части, которая проходит в переднем элементе 18, 19, в частности в лапках 18b, 19b, в поперечном направлении, в частности под прямым углом, к радиусу статора.
Полости 21, 23 принимают форму суженной части, которая проходит в переднем элементе 18, 19, в частности в области лапок 18b, 19b, в поперечном направлении, в частности перпендикулярно радиусу статора.
Как показано на фиг. 2, катушки 9 имеют увеличенную часть 26 в области полости 20, 22, проходящую поперечно к радиальному направлению протяженности соответствующего зубца 6.
В предпочтительном варианте осуществления полости 20, 22 расположены на лапках 18b, 19b у наружной части 18а, 19а передних элементов 18, 19, то есть на удалении от конца 6а зубца статора в радиальном направлении.
Другими словами, полости 20, 22 расположены на лапках 18b, 19b в положении, удаленном от конца 6а соответствующего зубца 6, так что увеличенная часть 26 расположена также на удалении от конца 6а упомянутого зубца.
Таким образом, вблизи концов 6а зубцов 6 имеется пространство для прохода инструментов (известных и не описываемых), посредством которых образуют обмотку 10.
На фиг. 4 показано, что полость 20 имеет стенку 27 основания и пару боковых стенок 28, 29, расположенных напротив друг друга и радиально отстоящих друг от друга.
Размер стенки 28 в направлении, параллельном оси R вращения, определяет глубину полости или суженной части 20.
Стенка 28 имеет расположенный на удалении от стенки 27 и предпочтительно закругленный верхний край 30, от которого в радиальном направлении проходит стенка 31 основания полости 21.
Полость 21 ограничена на радиальных концах стенкой 29 и стенкой 32, которые проходят от стенки 31 основания в соответствии с направлением, параллельным оси R вращения.
Полости 22, 23 предпочтительно образованы подобно соответствующим полостям 20, 21.
Фактически, полости 21, 23 частично накладываются на полости 20, 22 в соответствии с направлением, параллельным оси R вращения.
Как упоминалось выше, в полостях 20, 22 находится заданное количество витков 11а, причем эти витки предпочтительно размещены так, что слой 24 наиболее удаленных в осевом направлении витков 11а и стенка 32 являются, по существу, компланарными.
Фактически, основание полости 21, 23 образовано стенкой 31 основания и слоем 24 наиболее удаленных в осевом направлении витков 11а.
Таким образом, в той части лапок 18b, 19b, на которой намотаны проводники 8, имеется ступенька у стенки 28.
В связи с этим витки 11b намотаны частично на стенке 31 и частично на витках 11а.
Стенки 27, 28, 29, 31, 32 выполнены, с учетом количества N витков 11 и диаметра проводников 8 в зависимости от расчетных рабочих характеристик двигателя 1, таким образом, что витки 11b наиболее удаленного в осевом направлении слоя 25 имеют участки проводников концевой части 12, прилегающие к выступу 16 и являющиеся, по существу, компланарными друг другу.
Предпочтительно упомянутые участки проводника концевой части 12, прилегающие к выступу 16, образуют плоскость, параллельную поверхности выступа 16, обращенной к внутренней части кожуха 2, к которому примыкают катушки 9.
В непоказанном альтернативном варианте осуществления полости для проводников 8, предусмотренные для катушек 9 в передних элементах 18, 19, не имеют ступенек и предпочтительно имеют плоское основание.
Кроме того, в этом случае передние элементы 18, 19, в частности их наружная, относительно сердечника 4, поверхность, образованы так, что концевые части 12 катушек 9, примыкающие к выступу 16, имеют по меньшей мере одну поверхность контакта, содержащую участки витков в концевой части 12 и являющуюся, по существу, плоской.
Таким образом, поверхность 16 теплообмена максимально увеличена для каждой катушки 9.
В примерном варианте осуществления, после определения геометрии ферромагнитного сердечника 4 для обеспечения мощности 500 ватт, можно использовать проводник диаметром 0,95 мм (без изоляционного покрытия этого проводника) для образования катушек 9 с 34 витками.
В связи с этим передние элементы 18, 19 выполнены так, что два слоя 24 по шесть витков каждый проходят в полости 20, 22, в то время как два слоя по одиннадцать витков каждый проходят в полости 21, 23, при этом наиболее удаленный из этих двух последних слоев имеет, по меньшей мере, участки проводника концевой части 12, прилегающие к выступу 16, которые все являются, по существу, компланарными.
В примерном варианте осуществления, после определения геометрии ферромагнитного сердечника 4 для обеспечения мощности 850 ватт, можно использовать проводник диаметром 1,15 мм (без изоляционного покрытия этого проводника) для образования катушек 9 с 21 витком.
В связи с этим передние элементы 18, 19 выполнены так, что два уложенных друг на друга слоя из одиннадцати и десяти витков 11 помещены в одну полость для всех катушек 9, причем наиболее удаленный из этих слоев имеет, по меньшей мере, участки проводника концевой части 12, прилегающие к выступу 16, которые все являются, по существу, компланарными.
Для обеспечения правильного расположения концевых частей 12 катушек 9 внутри кожуха 2, в частности относительно выступа 16, передние элементы 18, 19, то есть стенки 27, 28, 29, 31, 32, выполнены таким образом, что измеряемая в направлении, параллельном оси R, длина участков проводника наиболее удаленных в осевом направлении концевых частей 12, то есть участков проводника концевой части 12, компланарных друг другу относительно сердечника 4, равна заданному значению D.
Боковая стенка 14 кожуха 2 имеет кольцевую поверхность 33 контакта, которая проходит в радиальном направлении внутрь кожуха 2 и к которой примыкает наружная кольцевая часть 34 сердечника 4.
Предпочтительный вариант осуществления машины 1 описан выше только в части, необходимой для понимания того, что в настоящем изобретении, с учетом количества N витков 11 и диаметра проводника, передние элементы 18, 19 и полости 20, 21, 22, 23 выполнены таким образом, что по меньшей мере витки 11b наиболее удаленного в осевом направлении слоя 25 имеют участки проводника концевой части 12, примыкающие к выступу 16, которые все являются, по существу, компланарными.
В частности, определено количество витков 11b, которые, будучи помещенными в полость 21, 23 с четным числом слоев 25, имеют по меньшей мере участки проводника концевой части 12, примыкающие к выступу 16, которые все являются, по существу, компланарными и предпочтительно расположены в плоскости, параллельной поверхности контакта выступа 16 и катушек 9.
После выполнения полостей на зубцах статора 6 наматывают витки N1, предпочтительно с четным числом слоев 24, проходящие через полости 20, 22.
После образования основания полостей 21, 23 и использования витков 11а наматывают слои 25, которые могут быть размещены в соответствии с описанной конструкцией.
Для обеспечения заданного значения D вышеупомянутой длины участков проводника наиболее удаленных в осевом направлении концевых частей 12 сердечника 4, которая измеряется в направлении, параллельном оси R, статор 3, перед вставкой его в кожух 2, сжимают в прессе (не описанном подробно), калибруют и регулируют по высоте и усилию.
В целом, упомянутый способ содержит этап сжатия обмотки 10 статора в соответствии с направлением, параллельным оси R вращения, благодаря чему обеспечивают компланарность по меньшей мере участков проводника, прилегающих к выступу 16.
Кроме того, во время упомянутого этапа сжатия калибруют заданное расстояние D.