Модульный статор синхронной вращающейся электрической машины
MODULAR STATOR OF SYNCHRONOUS ROTATING ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к статорам синхронных вращающихся электрических машин модульного типа, и может быть использовано в конструкциях синхронных двигателей и генераторов с ротором на постоянных магнитах. Модульный статор образован одинаковыми узлами сердечника статора, многократно повторенными по его окружности.
В настоящее время широко известны конструкции синхронных электрических машин, содержащих неподвижный явнополюсный статор с обмотками, размещенными на зубцах статора. Ротор такой синхронной машины обычно выполняют с постоянными магнитами, расположенными по окружности ротора с чередующейся полярностью и обращенными через рабочий зазор к статору.
Конструкция синхронной электрической машины может быть с радиальным или торцевым расположением статора и ротора. При радиальном расположении статор и ротор образуют кольцевой рабочий зазор, зубцы радиальной машины обычно расположены радиально. При торцевом расположении статор и ротор образуют плоский рабочий зазор. Зубцы торцевой машины обычно расположены аксиально. В торцевой машине, в основном, используют два дискообразных статора и размещенный между ними дискообразный ротор.
Из патента 2693011 (H02K 21/14, Н02K 11/49, Н02K 3/28, Н02K 1/27, опубл. 01.07.2019) известен модульный статор синхронного генератора с ротором на постоянных магнитах. Синхронный генератор выполнен с радиальным расположением статора и ротора. Модульный статор содержит установленные по его окружности одинаковые магнитопроводы, на зубцах которых размещены обмоточные катушки. Каждый магнитопровод выполнен П-образным и содержит два зубца с образованием открытых прямоугольных пазов между ними. Зубцы выполнены в виде прямоугольных зубцов, боковые стороны которых параллельны по высоте зубца и имеют постоянное поперечное сечение (ширину) по всей высоте. Каждая из катушек охватывает один зубец. Магнитопроводы расположены по окружности статора с большими свободными пространствами между ними, в том числе в рабочем зазоре.
Недостатком патента является расположение в пазу двух сторон соседних катушек, т.к. между сторонами двух катушек в пазу неизбежны технологические зазоры. В результате коэффициент заполнения паза обмоточным проводом низок. Другим недостатком являются свободные пространства между зубцами соседних магнитопроводов, в которых отсутствуют магнитопровод и обмотка, что также ухудшает использование зубцовой зоны статора. В целом это снижает КПД данной электрической машины. Кроме того, количество катушек равно числу зубцов, что приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления.
Из патента 2534046 (Н02K 21/24, опубл. 27.11.2014) известен модульный статор синхронного электрогенератора с ротором на постоянных магнитах. Электрогенератор содержит два дискообразных статора и размещенный между ними дискообразный ротор. Статоры модульного типа снабжены установленными на них по окружности магнитопроводами с катушками. Магнитопроводы выполнены П-образными и содержат два полюсных зубца. Магнитопроводы расположены по окружности статора с большими свободными пространствами между ними, в том числе в рабочем зазоре. Катушки размещены на полюсных зубцах магнитопровода, ввиду чего в каждом пазу статора (пространстве между полюсными зубцами одного магнитопровода) расположены две стороны соседних катушек. Окончания полюсных зубцов каждого магнитопровода расположены радиально.
Недостатком статора является низкий коэффициент заполнения его пазов обмоточным проводом, что приводит к снижению КПД электрической машины, использующей известный статор. Это обусловлено тем, что в пазах статора, т.е. в пространствах между полюсными зубцами, размещено по две стороны катушки. В результате пространство между обмотками в каждом пазу не заполнено обмоткой.
Наличие свободных пространств между соседними магнитопроводами ухудшает использование зубцовой зоны статора и приводит к неравномерному распределению магнитного потока в рабочем зазоре. Кроме того, количество катушек равно числу зубцов, что приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления.
Из патента 2510559 (Н02K 1/14, Н02K 1/18, Н02K 16/04, Н02K 7/18, опубл. 27.03.2014) известен модульный статор электрической машины с ротором на постоянных магнитах, выбранный за ближайший аналог. Электрическая машина может быть выполнена или с радиальным, или с торцевым расположением статора и ротора. Модульный статор содержит установленные по его окружности элементарные ячейки. Каждая элементарная ячейка включает в себя U-образный магнитопровод с двумя полюсными зубцами, на которых расположены катушки. Каждая катушка охватывает один зубец. Боковые стороны зубца, на котором размещена катушка, параллельны по высоте зубца. Зубцы одного и того же магнитопровода образуют между собой открытые прямоугольные пазы. Магнитопроводы с открытыми пазами расположены по окружности статора с большими свободными пространствами между ними, в том числе в рабочем зазоре.
Магнитопроводы могут быть выполнены и с полузакрытыми пазами. Укладка обмотки в полузакрытые пазы очень трудоемка ввиду невозможности вставки готовых катушек на зубцы и приводит к низкому заполнению пазов обмоточным проводом.
Недостатком известного статора является неэффективное использование зубцовой зоны статора ввиду наличия свободных пространств между соседними магнитопроводами и между сторонами двух катушек в каждом пазу. Последнее приводит к низкому коэффициенту заполнения паза обмоткой, что повышает электрические потери в обмотке и ухудшает отвод тепла, выделяемый обмотками. В целом это снижает КПД данной электрической машины. Кроме того, наличие свободных пространств между соседними магнитопроводами приводит к недоиспользованию активного объема электрической машины и, соответственно, ухудшает ее технические и эксплуатационные характеристики.
Следующий недостаток заключается в том, что количество катушек равно числу зубцов, что приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления.
Таким образом, остается актуальной проблема создания технологичных и энергоэффективных статоров синхронных вращающихся машин модульного типа с наилучшим использованием их полезного объема.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в упрощении конструкции и технологии изготовления статора синхронной вращающейся машины модульного типа, максимальном заполнении его пазов обмоткой, эффективном использовании зубцовой зоны статора.
При этом зубцовая зона статора обеспечивает равномерное распределение магнитного потока в рабочем зазоре.
Технический результат достигается тем, что модульный статор синхронной вращающейся электрической машины, как и ближайший аналог, содержит установленные по его окружности одинаковые магнитопроводы, на зубцах которых размещены катушки так, что каждая катушка охватывает один зубец, и боковые стороны зубца, на котором размещена катушка, параллельны по высоте зубца, при этом зубцы одного и того же магнитопровода образуют между собой открытые прямоугольные пазы.
В отличие от ближайшего аналога, каждый магнитопровод выполнен Ш-образным и содержит средний зубец и два крайних зубца, магнитопроводы установлены по окружности статора таким образом, что каждый из двух соседних магнитопроводов сопряжен своими крайними зубцами с образованием составного зубца из двух сопряженных крайних зубцов, каждая из катушек повторяет форму паза и занимает, по существу, весь объем пазов, примыкающих к среднему зубцу, который эта катушка охватывает, а составной зубец не охвачен катушкой.
Сущность изобретения поясняется чертежами. Фиг. 1 - модульный статор радиальной электрической машины. Фиг. 2 - модульный статор торцевой электрической машины. Фиг. 3 - магнитопровод статора на фиг. 1 с катушкой. Фиг. 4 - магнитопровод статора на фиг. 2 без катушки.
Модульный статор на фиг. 1 и 2 содержит установленные по окружности одинаковые Ш-образные магнитопроводы 1 с обмоточными катушками 3 и опорный элемент 4.
Статор радиальной электрической машины на фиг. 1 изготовлен цилиндрическим. Все зубцы указанного статора расположены радиально. Обмоточные катушки 3 расположены в плоскости, параллельной оси вращения электрической машины. Опорный элемент 4 выполнен в виде кольца.
Статор торцевой электрической машины на фиг. 2 изготовлен дискообразным. Все зубцы указанного статора расположены аксиально. Обмоточные катушки 3 дискообразного статора расположены в плоскости, перпендикулярной оси вращения электрической машины. Опорный элемент 4 выполнен в виде диска. Предпочтительно использовать два дискообразных статора с размещенным между ними дискообразным ротором.
Каждый магнитопровод 1 (фиг. 1-4) включает в себя ярмо 5, средний зубец 6 и два крайних зубца 7. Средний зубец 6 выполнен в виде прямоугольного зубца, боковые стороны которого параллельны по высоте зубца 6 и параллельны направлению вставки на него катушки 3. Каждый из двух соседних магнитопроводов 1 сопряжен своими крайними зубцами 7 с образованием составного зубца 8 из двух сопряженных крайних зубцов 7. Пазы 9 статора (пространства между средним зубцом 6 и соседними с ним крайними зубцами 7) выполнены открытыми и имеют две параллельные боковые стороны и одинаковое поперечное сечение по всей высоте пазов 9. Катушки 3 выполнены по форме повторяющими форму пазов 9. Каждая из катушек 3 охватывает средний зубец 7. Составные зубцы 8 не охвачены катушками.
Магнитопроводы 1 могут быть изготовлены из шихтованной тонколистовой электротехнической стали с электроизоляционным покрытием или из прессованного порошкового ферромагнитного материала. Выводные концы обмотки (на фиг. не показаны) позволяют произвести соответствующее электрическое подключение для образования окончательной электрической схемы обмотки.
На фиг. 3 показан магнитопровод 1 статора радиальной электрической машины. Крайние зубцы 7 выполнены одинаковой ширины по всей длине паза 9. Ширина каждого крайнего зубца 7 выполнена в два раза меньшей ширины среднего зубца 6. Крайние зубцы 7 одного и того же составного зубца 8 сопряжены в рабочем зазоре своими свободными окончаниями так, что образуют между соседними магнитопроводами 1 вентиляционные каналы 10. Вентиляционные каналы 10 проходят вдоль статора по всей его длине и имеют практически треугольную форму в поперечном сечении каналов 10.
На фиг. 4 показан магнитопровод 1 статора торцевой электрической машины. Боковые стороны крайних зубцов 7 непараллельны и расположены между собой под углом (α), равным 360°/2N, где N - количество магнитопроводов в статоре. Крайние зубцы 7 выполнены разной ширины по всей длине паза 9. Ширина каждого крайнего зубца 7 посередине статора (Вср) выполнена примерно в два раза меньшей ширины среднего зубца 6. Крайние зубцы 7 одного и того же составного зубца 8 (фиг. 2) плотно сопряжены между собой по всей своей высоте.
Обозначения на фиг. 3 и 4: Вп - ширина паза 9; Вз - ширина среднего зубца 6; Вср - ширина крайнего зубца посередине статора.
При изготовлении статора сначала изготавливают Ш-образные магнитопроводы 1 и, отдельно от них, катушки 3. Средние зубцы 6 магнитопроводов 1 (фиг. 3 и 4) изготавливают в виде прямоугольных зубцов, боковые стороны которых параллельны по высоте зубцов 6.
Крайние зубцы 7 для статоров радиальной электрической машины (фиг. 1 и 3) изготавливают в виде прямоугольных зубцов, боковые стороны которых параллельны по высоте зубцов 7, т.е. крайние зубцы 7 имеют одинаковую ширину и одинаковое прямоугольное поперечное сечение по всей длине зубцов 7. При этом ширина каждого крайнего зубца 7 выполнена в два раза меньшей ширины среднего зубца 6, поэтому получают площадь составного зубца 8 в рабочем зазоре практически равной площади среднего зубца 6 в рабочем зазоре.
Крайние зубцы 7 для статоров торцевой электрической машины (фиг. 2 и 4) изготавливают разной ширины по всей длине паза 9 таким образом, что боковые стороны крайних зубцов 7 расположены между собой под углом (α)=360°/2N, где N - количество магнитопроводов в статоре. Крайние зубцы 7 имеют разное прямоугольное поперечное сечение по всей длине зубцов 7. При этом ширина каждого крайнего зубца 7 посередине статора (Вср.) выполнена в два раза меньшей ширины среднего зубца 6, поэтому получают площадь составного зубца 8 в рабочем зазоре практически равной площади среднего зубца 6 в рабочем зазоре.
Выполнение составных зубцов 8 своей площадью в рабочем зазоре практически равными площади средних зубцов 6 в рабочем зазоре способствует равномерному распределению магнитного потока в зубцах и рабочем зазоре. Это улучшает использование активного объема электрической машины и, соответственно, улучшает ее технические и эксплуатационные характеристики.
Изготовление относительно небольших по размерам одинаковых магнитопроводов 1 позволяет обойтись без громоздкого штамповочного оборудования, что упрощает технологический процесс.
Изготовление и установку катушек 3 производят следующим образом. Сначала производят намотку плотно прижатых друг к другу витков провода, образующих каждую из катушек 3 прямоугольного поперечного сечения, на независимый шаблон с прямоугольным сердечником, поперечное сечение которого, по существу, равно поперечному сечению среднего зубца 6. При выполнении упорядоченной намотки витков провода получают компактные катушки 3 с плотно прилегающими друг к другу витками. При этом катушки 3 изготавливают по форме повторяющими форму пазов 9. После завершения намотки катушек 3 могут произвести их пропитку, которая цементирует витки обмоток, снижает механический износ изоляции, замедляет процессы теплового старения и увлажнения электроизоляционных материалов. Сформированную таким образом катушку 3 насаживают в форме единого блока на средний зубец 6 статора, размещая в каждом пазу 9 по одной стороне катушки 3. При этом направление вставки катушек 3 на зубцы 6 параллельно боковым сторонам зубцов 6. Обмотка полностью заполняет весь объем пазов 9, примыкающих к данному зубцу 6, который эта катушка 3 охватывает.
Размещение катушек 3 на средних зубцах 6, боковые стороны которых параллельны по высоте зубцов 6 и параллельны направлению вставки катушек 3 на зубцы 6, позволяет простым способом установить готовую катушку 3 на средний зубец 6 статора, вставляя катушки 3 в открытые прямоугольные пазы 9. Это позволяет надевать на зубцы 6 готовые катушки в форме единого блока, что предельно облегчает укладку обмотки и упрощает технологию изготовления статора.
В свою очередь укладка катушек 3 в форме единого блока позволяет полностью сохранить плотность намотки катушек 3, что обеспечивает эффективное заполнение пазов 9 обмоточным проводом, при изготовлении катушек 3 по форме повторяющими форму паза 9 и размещении в каждом пазу 9 по одной стороне катушки 3.
За счет простоты укладки обмотки ширина паза (Вп) может быть выполнена в широких пределах по сравнению с шириной среднего зубца (Вз). Для статора с открытыми пазами сумма ширины паза (Вп) и ширины зубца (Вз) определяет зубцовый шаг (τп). В данном статоре отношение ширины паза (Вп) к зубцовому шагу (τп) может иметь величину от 0,3 до 0,7. Благодаря таким широким пределам величины отношения (Вп/τп) можно изготавливать статоры, удовлетворяющие всевозможным разнообразным техническим требованиям к электрической машине.
На опорном элементе 4 могут закрепить магнитопроводы 1 без катушек 3, надев затем катушки 3 на средние зубцы 6. Или могут закрепить на опорном элементе 4 магнитопроводы 1 в сборе с катушками 3. В обоих случаях магнитопроводы 1 жестко прикрепляют к опорному элементу 4 любым известным способом, например, при помощи клея, крепежных деталей и т.п. Далее выполняют электрические соединения для образования электрической схемы обмотки.
На фиг. 1 и 2 приведены в качестве примеров статоры с 24 пазами, изготовленные при помощи 12 магнитопроводов. В общем случае для изготовления статора с количеством пазов, равном 2N, используют количество магнитопроводов, равное N.
В предложенном модульном статоре радиальной электрической машины (фиг. 1) имеется возможность сборки из одинаковых элементарных звеньев (магнитопроводов с катушками) сердечников статоров различных диаметров с различным числом пазов, и следовательно, с разной величиной вращающего момента. Это позволяет при минимальном количестве оборудования и на ограниченных производственных площадях выпускать широкий ассортимент продукции. Кроме того, при необходимости изготовления статоров радиальных электрических машин, имеющих относительно большую продольную длину и относительно маленький внутренний диаметр (такие статоры используют, например, в скважинных насосах), благодаря простоте предложенной технологии можно производить указанные статоры с максимальным заполнением пазов обмоткой.
Установка Ш-образных магнитопроводов 1 по окружности статора таким образом, что каждый из двух соседних магнитопроводов сопряжен своими крайними зубцами 7 с образованием составного зубца 8 из двух сопряженных крайних зубцов 7, позволяет эффективно использовать зубцовую зону статора за счет отсутствия свободных пространств между соседними магнитопроводами 1 в рабочем зазоре.
Благодаря тому, что составной зубец 8 не охвачен катушкой 3, и указанная катушка 3 занимает, по существу, весь объем пазов 9, примыкающих к среднему зубцу 6, который эта катушка 3 охватывает, при изготовлении катушек 3 по форме повторяющими форму паза 9, получают максимальный коэффициент заполнения паза 9 обмоточным проводом, что снижает электрические потери в обмотке, улучшает использование зубцовой зоны статора, а также улучшает отвод тепла, выделяемый обмотками.
Кроме того, количество катушек 3 в два раза меньше числа зубцов 6, 8, что упрощает конструкцию и технологию изготовления.
Таким образом, изобретение позволяет обеспечить максимальное заполнение пазов 9 обмоткой при отсутствии свободных пространств между соседними магнитопроводами 1 в рабочем зазоре, что увеличивает КПД электрической машины и в итоге обеспечивает ее энергоэффективность, при простой технологии изготовления магнитопроводов 1 с катушками 3 и последующей сборки из них модульных статоров, обладающих гибкой и вариативной конструкцией.