АСИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА СО СТАТОРОМ И РОТОРОМ ИЗ АМОРФНОЙ СТАЛИ
ASYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE WITH STATOR AND ROTOR FROM AMORPHOUS STEEL

Настоящее изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к производству асинхронных электрических машин, например для электромобилей, трамваев и других транспортных средств.
Из существующего уровня техники известна асинхронная электрическая машина (см. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А90 А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская, - М.: Энергоиздат, 1982. - 505 с., ил.), с. 15-16: «Сердечники статора и ротора собраны из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм (Фиг. 1, 2). Для листов сердечников двигателей с высотами оси вращения 50-132 мм применяется холоднокатанная нелегированная сталь марки 2013 (ГОСТ 21427.2-75), для двигателей с высотами оси вращения 160-250 мм - холоднокатанная слаболегированная сталь марки 2212 (ГОСТ 21427.2-75), для двигателей с высотами оси вращения 280-355 мм - горячекатанная сталь марки 1312 (ГОСТ 21427.2-75).
Сердечники статоров двигателей (Фиг. 2) с высотами оси вращения 50-180 мм скрепляются сваркой или скобами, а двигателей с высотами оси вращения 280-355 мм набирают непосредственно в станину, опрессовывают и закрепляют кольцевыми шпонками.
Двигатели имеют на роторе (Фиг. 3) литую короткозамкнутую клетку из алюминия марки А7 или А5 (ГОСТ 11069-74). С торцов клетки предусмотрены лопатки, которые служат для отвода теплоты от активных частей ротора и для перемешивания воздуха внутри двигателя. Сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой посажен на вал. Вал лежит на двух подшипниковых опорах, состоящих из подшипников качения и подшипниковых щитов».
Недостатками данного технического решения являются большой вес и, как правило, габариты, так как асинхронная электрическая машина по существу полностью состоит из стали.
Известен ротор в виде массивного железного цилиндра (см. К.И. Шенфер, Асинхронные машины, - M. – Л.: Государственное объединенное научно-техническое издательство Редакция энергетической литературы, 1936. - 412 с.), с. 194-195: «Вместо обычной конструкции ротора с обмоткой, расположенной на сердечнике из листового железа, применить массивный железный ротор без всякой обмотки».
Несмотря на все отмеченные выше положительные качества, ротор в виде массивного железного цилиндра до сих пор не получил широкого распространения на практике.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент 2496212 (от 20.10.2013) на способ изготовления сердечника электрической машины. «1. Способ изготовления сердечника электрической машины, заключающийся в изготовлении пакетов из отрезков аморфных лент, формирование фасонного контура пакетов намоткой на оправку с последующей термической и механической обработкой пакетов, включая вакуумную обработку связующим и отрезку определенной части от каждого пакета с последующей сборкой сердечника в цилиндрической оправке, отличающийся тем, что при формировании пакетов используют треугольную оправку, ось которой ориентируют параллельно оси электрической машины, при этом отрезку части пакета осуществляют параллельно оси оправки, а в качестве цилиндрической оправки используют корпус электрической машины, в который послойно укладывают пакеты, располагая слои пакетов в осевом направлении этого корпуса, при этом пакеты в каждом слое скрепляют по боковым поверхностям.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сборку сердечника осуществляют из условия сдвига с регулярным шагом зубцов и пазов в смежных слоях пакетов.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве связующего используют лак или компаунд».
Недостатками данного технического решения являются большой вес и габариты, значительное увеличение стоимости.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение веса и габаритов асинхронных электрических машин.
Данная задача решается за счет того, что асинхронный двигатель, содержащий ротор и статор, отличающийся тем, что сердечник статора изготовлен из нескольких витков ленты из аморфной стали в виде внешних и внутренних пазов с возможностью укладки в них обмоток, а сердечник ротора - в виде цилиндра из электротехнической стали, покрытого несколькими слоями ленты из аморфной стали с высокой магнитной проницаемостью.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение веса электрической машины примерно на 80÷85% у одинаковых габаритов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
Фиг. 1. Пластины, вырубленные из электротехнической стали, из которых набирается: а) сердечник статора традиционных асинхронных электрических машин; б) сердечник ротора традиционных асинхронных электрических машин.
Фиг. 2. Сердечник статора традиционной асинхронной электрической машины в сборе.
Фиг. 3. Ротор в сборе традиционного асинхронного двигателя
Фиг. 4. Пакет сердечника электрической машины по патенту №2496212.
Фиг. 4а. Пакет статора из отрезка аморфной ленты по патенту №2496212.
Фиг. 4б. U-образный пакет сердечника по патенту №2496212
Фиг. 5. Профиль сердечника статора из аморфной стали: 1 - внешние пазы; 2 - внутренние пазы статора.
Фиг. 6. Ротор из аморфной стали: 1 - цилиндр из электротехнической стали, покрытый несколькими слоями ленты из аморфной стали; 2 - медные или алюминиевые замыкающие кольца; 3 - крестовина; 4 - отверстие под вал; 5 - отверстия под болтовые соединения.
Асинхронная электрическая машина состоит из статора и ротора из аморфной стали.
0
6
Изготовление «Асинхронной электрической машины со статором и ротором из аморфной стали» реализуется следующим образом. Сердечник статора изготовить из нескольких витков ленты из аморфной стали, например марки АМАГ-170 толщиной от 15 до 30 мкм с высокой относительной магнитной проницаемостью μ≈10. Ширина ленты и соответственно длина сердечника статора электрической машины, например, мощностью 110 кВт, может составить 20-25 мм при внутреннем диаметре сердечника статора 250 мм. Эта бочка короче традиционной примерно в 10 раз! И примерно в 10 раз легче! Сердечник статора из аморфной стали формируется с помощью матрицы и пуансона. Лента из аморфного железа формируется в виде внешних 1 и внутренних 2 пазов статора (Фиг. 5). Поскольку для мощных электрических машин применяются двухслойные обмотки, то первый слой может укладываться во внутренние пазы 2, а второй - во внешние 1.
Обмотки двигателя выполняются из алюминия на специальном шаблоне, а затем вставляются в пазы статора, что также снижает вес электрической машины.
6
Сердечник ротора машины (Фиг. 6) представляет собой цилиндр 1 из электротехнической стали, покрытый несколькими слоями ленты из аморфной стали, например марки АМАГ-170 толщиной от 15 до 30 мкм с высокой относительной магнитной проницаемостью μ≈10 и шириной 20-25 мм, скрепленный медными или алюминиевыми кольцами 2, с крестовиной 3, стянутыми болтами 5.
Токи Фуко, индуктируемые в нем вращающимся потоком, будут полезными токами, создающими вращающий момент [стр. 195, (К.И. Шенфер, Асинхронные машины, - M. – Л.: Государственное объединенное научно-техническое издательство Редакция энергетической литературы, 1936. - 412 с.)].
В связи с тем, что сопротивление стали, в том числе аморфной выше, чем меди или алюминия, то двигатель будет обладать большим пусковым моментом, а также повышенным отношением критического момента к номинальному, что позволяет применять эти машины в качестве тяговых.
Техническим результатом заявляемого изобретения является резкое снижение веса и габарита асинхронных электрических машин. Это позволяет расширить применение асинхронных электрических машин, например для электромобилей, трамваев и других транспортных средств.
Изобретение может быть реализовано при производстве асинхронных электрических машин. Лента из аморфной стали выпускается рядом заводов России, Китая.