Торцевая электрическая машина

Полезная модель относится к области электротехники и электромашиностроения, а именно к конструкциям торцевых электрических машин с одним статором и двумя роторами.
Известна торцевая электрическая машина (а.с. SU462255, опубл. 28.02.1975), содержащая статор, расположенные по окружности статора обмоточные модули, включающие магнитопроводы с катушками (проводниками обмотки), остов статора и два ротора, расположенные по разные стороны статора.
В данной электрической машине проводники обмотки расположены вне остова статора, выступая из остова статора в сторону одного из роторов, поэтому сложно проконтролировать и обеспечить равенство рабочих воздушных зазоров, сложно реализовать разнесение лобовых частей и их базирование.
Торцевая электрическая машина, содержащая дискообразный статор, расположенные по окружности статора катушки, каждая из которых выполнена в поперечном сечении с боковыми сторонами, расположенными в радиальном направлении статора, внешней стороной, расположенной со стороны внешнего диаметра статора, и внутренней стороной, расположенной со стороны внутреннего диаметра статора.
Известен дисковый генератор (патент РФ 166555, опубл. 10.12.2016). Известный генератор содержит дискообразный статор, расположенные по окружности статора катушки, каждая из которых выполнена в поперечном сечении с боковыми сторонами, расположенными в радиальном направлении статора, внешней стороной, расположенной со стороны внешнего диаметра статора, и внутренней стороной, расположенной со стороны внутреннего диаметра статора. С двух сторон от статора расположены дискообразные роторы. Роторы выполнены с постоянными магнитами, расположенными по окружности ротора с чередующейся полярностью. Катушки статора выполнены в поперечном сечении в форме трапеций. Каждая из катушек имеет между внутренними участками витков катушек полое, ничем не заполненное отверстие в форме треугольника.
Известно, что  магнитопровод статора является активной частью электрической машины, т.к. непосредственно участвует в энергопреобразовательном процессе («Активными элементами статора, специально предназначенными для образования вращающегося магнитного поля, являются магнитопровод 2 и обмотка 20» (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2-х т. Том 1: Учебник для вузов. Издательство МЭИ, 2004, стр. 471)).
Ввиду выполнения катушек без ферромагнитных сердечников (магнитопроводов), значительно снижается использование активной зоны статора, приводящее к уменьшению магнитного потока в рабочих зазорах генератора. В результате снижается мощность генератора, отдаваемую в нагрузку.
И
звестен торцевой асинхронный электродвигатель (патент US2020094684, опубл. 26.03.2020), выбранный за ближайший аналог. Известный двигатель содержит дискообразный статор, закрепленный в корпусе, расположенные по окружности статора обмоточные модули, включающие магнитопроводы с катушками, обращенные рабочими поверхностями к дискообразным роторам, расположенным с двух сторон от статора. Роторы выполнены с короткозамкнутой обмоткой.
Вал электродвигателя состоит из двух отдельных полувалов, на первом из которых закреплен первый ротор, а на втором – второй ротор.
Обмоточные модули статора выполнены в поперечном сечении в форме треугольников, каждый из которых обращен своей вершиной к центральной оси двигателя. Поэтому расстояния между обмоточными модулями увеличиваются в направлении внутреннего диаметра статора.
Основным недостатком патента является наличие между обмоточными модулями больших неактивных пространств, особенно в направлении внутреннего диаметра статора, что ухудшает использование активной зоны статора. В целом это снижает использование активного объема электродвигателя и, следовательно, ухудшает его технические и эксплуатационные характеристики.
При этом ввиду большого расстояния между обмоточными модулями и, следовательно, между катушками, снижается заполнение пазов статора обмоточным проводом. Это обусловлено тем, что расположенные по окружности статора магнитопроводы, по существу, являются зубцами статора, а промежутки между соседними магнгитопроводами – пазами статора, в каждом из которых размещены по две активных стороны соседних катушек (двухслойная обмотка). В результате, низкое заполнение пазов статора обмоточным проводом приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД) электродвигателя. Кроме того, изменение расстояния в направлении внутреннего диаметра статора приводит к неравномерному распределению магнитного потока в рабочих зазорах.
Другим недостатком является трудоемкость монтажа и сложность обеспечения равенства воздушных зазоров, что обусловлено установкой каждого из роторов на своем отдельном полувалу.
Основным недостатком генератора является отсутствие в статоре зубцовой зоны магнитопровода.
Таким образом, актуальна проблема улучшения технических и эксплуатационных характеристик торцевой электрической машины.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в улучшении использования активного объема торцевой электрической машины.
Техническая проблема решается и технический результат достигается тем, что торцевая электрическая машина, как и ближайший аналог, содержит дискообразный статор, расположенные по окружности статора обмоточные модули, включающие магнитопроводы с катушками, обращенные рабочими поверхностями к дискообразным роторам, расположенным с двух сторон от статора и установленным с возможностью вращения относительно статора.
В отличие от ближайшего аналога, каждый из обмоточных модулей выполнен в поперечном сечении с боковыми сторонами, расположенными в радиальном направлении статора, внешней стороной, расположенной со стороны внешнего диаметра статора, и внутренней стороной, расположенной со стороны внутреннего диаметра статора.
Кроме того, магнитопроводы обмоточных модулей могут быть выполнены в поперечном сечении в форме трапеций.
При этом ближайшие боковые стороны соседних обмоточных модулей могут быть параллельными между собой.
При этом соседние обмоточные модули могут быть закреплены между собой ближайшими боковыми сторонами.
Кроме того, магнитопроводы обмоточных модулей могут быть выполнены в поперечном сечении в форме секторов тороида.
При этом ближайшие боковые стороны соседних обмоточных модулей могут быть параллельными между собой.
При этом соседние обмоточные модули могут быть закреплены между собой ближайшими боковыми сторонами.
Кроме того, каждый ротор может быть выполнен короткозамкнутым и включает короткозамкнутую обмотку и магнитопровод.
Кроме того, каждый ротор может быть выполнен с постоянными магнитами и включать ярмо и постоянные магниты, расположенные по окружности ротора с чередующейся полярностью.
Сущность полезной модели поясняют чертежи. На фиг. 1 показано конкретное исполнение торцевой электрической машины в продольном разрезе. Фиг. 2, 3, 4, 5 иллюстрируют конкретные исполнения статора. На фиг. 6 показан ротор с короткозамкнутой обмоткой. На фиг. 7 показан ротор с постоянными магнитами.
Нижеуказанными позициями на чертежах обозначены следующие элементы:
1 – статор; 2 – корпус электрической машины; 3 – обмоточный модуль; 4 – магнитопровод; 5 – катушка; 6 – остов статора; 7 – ротор; 8 – короткозамкнутая обмотка ротора; 9 – магнитопровод ротора; 10 – вал; 11 – подшипниковый щит; 12 – боковые стороны обмоточного модуля; 13 – внешняя сторона обмоточного модуля; 14 – внутренняя сторона обмоточного модуля; 15 – внешнее кольцо остова статора; 16 – внутреннее кольцо остова статора; 17 – постоянные магниты ротора; 18 – ярмо ротора.
Торцевая электрическая машина (фиг.1) содержит дискообразный статор 1, закрепленный в корпусе 2 электрической машины. По окружности статора 1 расположены одинаковые обмоточные модули 3 (фиг. 2, 3, 4, 5), включающие магнитопроводы 4 с катушками 5. Обмоточные модули 3 выполнены в поперечном сечении трапецевидной формы. Обмоточные модули 3 неподвижно закреплены, например склеены, с остовом 6 статора. Остов 6 статора изготовлен из немагнитного теплопроводного материала, например из алюминия, или из диэлектрического материала.
Обмоточные модули 3 обращены рабочими поверхностями к дискообразным роторам 7 (фиг.1). Роторы 7 расположены с двух сторон от статора 1 и закреплены на валу 10 с возможностью совместного вращения с валом относительно статора 1. Вал 10 с подшипниками (на фигуре не обозначены) установлен в подшипниковых щитах 11. Роторы 7 могут быть выполнены с короткозамкнутой обмоткой или с постоянными магнитами.
На фиг. 1 показана торцевая асинхронная электрическая машина с короткозамкнутыми роторами 7. Короткозамкнутый ротор 7 (фиг. 1 и 6) включает короткозамкнутую обмотку 8 и магнитопровод 9.
Ротор 7 (фиг.7) c постоянными магнитами включает дискообразное ярмо 18 и закрепленные на нем постоянные магниты 17. Постоянные магниты 17 намагничены аксиально, расположены по окружности ротора 7 с чередующейся полярностью и обращены через рабочий зазор к статору 1. Чередование полярности постоянных магнитов 17 по окружности ротора 7 обозначено (N) и (S). В этом случае машина является синхронной.
Каждый из обмоточных модулей 3 (фиг. 2, 3, 4, 5) выполнен в поперечном сечении с боковыми сторонами 12, расположенными в радиальном направлении статора 1, внешней стороной 13, расположенной в непосредственной близости от внешнего диаметра статора 1, и внутренней стороной 14, расположенной в непосредственной близости от внутреннего диаметра статора 1.
В конкретном исполнении на фиг. 2 магнитопроводы 4 обмоточных модулей 3 выполнены в форме трапеций. Ближайшие боковые стороны 12 соседних обмоточных модулей 3 практически параллельны между собой. Обмоточные модули 3 своими боковыми сторонами 12, внешней стороной 13 и внутренней стороной 14 закреплены с остовом 6 статора. Остов 6 статора выполнен в виде единой детали.
В конкретном исполнении на фиг. 3 магнитопроводы 4 обмоточных модулей 3 выполнены в форме трапеций. Соседние обмоточные модули 3 закреплены между собой ближайшими боковыми сторонами 12. Остов 6 статора включает в себя внешнее кольцо 15 и внутреннее кольцо 16. Внешние стороны 13 и внутренние стороны 14 обмоточных модулей закреплены, соответственно, с внешним кольцом 15 и внутренним кольцом 16 остова 6 статора.
В конкретном исполнении на фиг. 4 магнитопроводы 4 обмоточных модулей 3 выполнены в форме секторов тороида. Ближайшие боковые стороны 12 соседних обмоточных модулей 3 практически параллельны между собой. Обмоточные модули 3 своими боковыми сторонами 12, внешней стороной 13 и внутренней стороной 14 закреплены с остовом 6 статора. Остов 6 статора выполнен в виде единой детали.
В конкретном исполнении на фиг. 5 магнитопроводы 4 обмоточных модулей 3 выполнены в форме секторов тороида. Соседние обмоточные модули 3 закреплены между собой ближайшими боковыми сторонами 12. Остов 6 статора включает в себя внешнее кольцо 15 и внутреннее кольцо 16. Внешние стороны 13 и внутренние стороны 14 обмоточных модулей закреплены, соответственно, с внешним кольцом 15 и внутренним кольцом 16 остова 6 статора.
Магнитопроводы 4 (фиг. 2, 3, 4, 5) могут быть изготовлены из шихтованной тонколистовой электротехнической стали с электроизоляционным покрытием или из прессованного порошкового ферромагнитного материала.
Магнитопроводы 4 (фиг. 4 и 5) могут быть изготовлены следующим образом. Сначала изготавливают тороид путем его навивки из ленты электротехнической стали, затем скрепляют (склеивают) полученный тороид и нарезают его на сектора.
Изготовление и установку катушек 5 статора 1 производят следующим образом. Сначала производят намотку катушек 5 на независимый шаблон или на каркас, повторяющие форму магнитопровода 4. Затем катушку 5 в форме единого блока или на каркасе устанавливают на магнитопровод 4.
Статор 1 залит теплопроводным диэлектрическим компаундом с последующей обработкой активных поверхностей. Заливка компаундом улучшает теплопередачу, уменьшает шумы и вибрации электромагнитного происхождения, увеличивает диэлектрическую прочность машины, а также улучшает крепление элементов статора между собой.
Электрическая машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора (с короткозамкнутым ротором – асинхронная машина, с ротором на постоянных магнитах – синхронная машина).
Электрическая машина в режиме асинхронного электродвигателя работает следующим образом. Ток, протекающий по катушкам 5 обмотки статора 1, создает вращающееся магнитное поле, которое индуцирует электродвижущую силу в короткозамкнутых обмотках 8 роторов 7. При взаимодействии тока роторов 7 с вращающимся магнитным полем создается электромагнитный момент, приводящий роторы во вращение. Частота вращения роторов 7 определяется количеством пар полюсов, частотой питающего напряжения и скольжением, а способы пуска – общепринятые для асинхронных двигателей.
Выполнение обмоточных модулей 3 в поперечном сечении с боковыми сторонами 12, расположенными в радиальном направлении статора 1, внешней стороной 13, расположенной в непосредственной близости от внешнего диаметра статора 1, и внутренней стороной 13, расположенной в непосредственной близости от внутреннего диаметра статора 1, т.е. трапецевидной формы, позволяет значительно увеличить активный объем статора 1, по сравнению с треугольной формой обмоточных модулей (патент US2020094684). Причем наибольшее увеличение активного объема заявляемой электрической машины достигается в статоре (фиг.5) за счет плотного сопряжения обмоточных модулей 3 между собой и выполнения магнитопроводов 4 в форме секторов тороида. Кроме того, в статоре заявляемой электрической машины, по сравнению со статором (патент US2020094684), улучшено заполнение пазов (пространств между магнитопроводами 4) обмоточным проводом за счет минимизации расстояния между активными сторонами катушек 5 в пазах, что увеличивает коэффициент полезного действия (КПД). В целом это приводит к более эффективному использованию активного объема электрической машины и, следовательно, улучшает ее технические и эксплуатационные характеристики, что позволяет в двигательном режиме увеличить вращающий момент, а в генераторном режиме – увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку.