Статор с компонентами из магнитного металлического порошка

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам. Предлагается статор с компонентами из прессованного магнитного металлического порошка, предназначенный для использования в электрической машине. Каждый статор содержит множество узлов сердечника статора. Каждый узел сердечника статора образует дуговидную секцию сердечника статора. Каждый узел сердечника статора содержит внутренний полюсный башмак, с направляющей обмотки, поддерживающей обмотку, и по меньшей мере одну заднюю деталь и две концевые детали, прикрепленные к обмотке на внешней радиальной кромке узла статора. Технический результат - увеличения мощности двигателя путем повышения коэффициента заполнения обмотки. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к сердечникам, предназначенным для использования в электрических машинах, а более конкретно к узлу статора для использования в электрических машинах, обычно в электродвигателях.

Электрические машины, такие как электродвигатели и генераторы, имеют стационарный элемент, обычно называемый статором, и подвижный или вращающийся элемент, обычно называемый ротором. Взаимодействие между статором и ротором вызвано взаимодействием с магнитным полем, возбуждаемым статором или ротором. Такое магнитное поле обычно возбуждается или наводится за счет электрических токов в обмотке (катушке), установленной на статоре или роторе. Такая обмотка обычно содержит множество витков, намотанных вокруг сердечника обмотки. Сердечник обмотки обычно состоит из магнитно-мягкого материала, который традиционно изготавливают из пластин специальной стали. Эти пластины изолируют друг от друга, чтобы уменьшить вихревые токи.

Одной из проблем при проектировании таких электрических машин является необходимость или желание уменьшить свободное пространство за счет улучшения коэффициента заполнения обмоток. Желательно, чтобы обмотки заполняли практически все свободное пространство, чтобы улучшить взаимодействие электромагнитных полей между статором и ротором. Это позволяет создать электрический двигатель или генератор с более высоким кпд за счет повышения плотности мощности двигателя или генератора.

Известно, что пластинчатый стальной материал сердечников статора или ротора можно заменить частицами ферромагнитного порошка, которые спрессованы в металлургической операции формования сердечника обмотки. Сами по себе частицы ферромагнитного порошка электрически изолированы друг от друга, так что полученный после прессования сердечник будет иметь малые потери от вихревых токов, аналогично сердечнику из набора стальных пластин. Использование в электрических машинах сердечников, изготовленных из спрессованных металлических порошков, содержащих частицы ферромагнитного порошка, раскрыто, например, в патентах США № 6956307, 6300702 и 6441530.

В связи с изложенным, первой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного узла статора, предназначенного для использования в электрических машинах, в котором коэффициент заполнения обмоток улучшен и, соответственно, плотность мощности собственно двигателя повышена.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается усовершенствованный узел статора, предназначенный для использования в электрических машинах, в котором в узле статора использованы компоненты, изготовленные из прессованного ферромагнитного порошка.

Краткое изложение изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается усовершенствованный узел статора, предназначенный для использования в электрических машинах, а более конкретно усовершенствованный узел статора, предназначенный для использования в электродвигателях или генераторах. Усовершенствованный узел статора содержит множество компонентов. Каждый узел статора образует дуговидную секцию собственно статора, которая в целом имеет цилиндрическую конструкцию. Каждый узел статора содержит внутренний полюсный башмак, узел обмотки, заднюю деталь и две концевые детали. Каждый узел статора является смежным с другим аналогичным узлом статора, вдоль кольцевой плоскости собственно статора.

Кроме того, каждый внутренний полюсный башмак, задняя деталь и концевая деталь образованы из частиц ферромагнитного порошка. Такие частицы ферромагнитного порошка являются взаимно изолированными. Детали заданной конфигурации получают из частиц ферромагнитного порошка в операции формования под давлением.

Задачей настоящего изобретения является создание такого усовершенствованного узла статора, который содержит множество секций, образованных из взаимно изолированных частиц ферромагнитного металлического порошка, что позволяет получить улучшенные эксплуатационные параметры за счет уменьшения потерь от вихревых токов в электрической машине. Такие улучшенные эксплуатационные параметры главным образом вызваны устранением открытых пространств за счет улучшения коэффициента заполнения обмоток внутри узла статора. Такое улучшенное заполнение открытых пространств внутри узла статора также повышает плотность мощности двигателя.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан вид в перспективе узла статора в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения, где индивидуальные компоненты показаны пространственно разделенными.

На фиг.2 показан вид в перспективе узла статора в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.3 показан вид в перспективе узла статора, где клеящее вещество капсулирует компоненты узла статора.

На фиг.4 показано поперечное сечение статора, который содержит множество узлов статора в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой узел статора в целом обозначен позицией 10. Узел 10 статора содержит внутренний полюсный башмак 24, который в целом имеет прямоугольную конфигурацию, имеющую вогнутую внутрь внутреннюю поверхность 28 и выпуклую наружу внешнюю поверхность 30. Другими словами, внутренний полюсный башмак 24 имеет внутреннюю поверхность 28, которая является вогнутой вдоль продольной оси внутреннего полюсного башмака 24, и внешнюю поверхность 30, которая является выпуклой вдоль продольной оси внутреннего полюсного башмака 24. Направляющие обмотки 26 выступают из внешней поверхности 30 внутреннего полюсного башмака 24. Каждая направляющая 26 обмотки имеет дуговидное или кольцевое сечение внешней поверхности и в целом прямую внутреннюю поверхность.

Обмотка 20 в целом является овальной по форме и содержит ряд витков из изолированного электрического провода. Вывод 22 обмотки идет в направлении наружу от обмотки 20 и позволяет произвести соответствующее электрическое подключение в окончательной конфигурации узла 10 статора. Обмотка 20 установлена на направляющих 26 так, чтобы обеспечить расположение внутреннего полюсного башмака 24 в непосредственной близости от обмотки 20.

Концевые детали 12 и 18 являются одинаковыми, причем внешняя поверхность 13 концевой детали 12 и внешняя поверхность 19 концевой детали 18 являются выпуклыми наружу или в целом выпуклыми вдоль продольной оси узла 10 статора. Кроме того, концевая деталь 18 имеет вырез 34, в который может входить конец обмотки 20. Таким образом, концевая деталь 18 позволяет обеспечить скользящую посадку одного из концов обмотки 20, а концевая деталь 12 позволяет соответственно обеспечить скользящую посадку другого конца обмотки 20. Более того, концевые детали 12 и 18 находятся в непосредственной близости от внешней поверхности 30 внутреннего полюсного башмака 24.

Задние детали 14 и 16 являются одинаковыми, причем они расположены рядом друг с другом и внутри вблизи от соответствующих концевых деталей 12 и 18. Задняя деталь 14 имеет выпуклую наружу внешнюю поверхность 21, а задняя деталь 16 имеет выпуклую наружу внешнюю поверхность 23. Кроме того, задняя деталь 16 имеет секцию выреза 36, расположенную вблизи первой боковой кромки задней детали 16, и другую секцию выреза, расположенную вблизи другой боковой кромки задней детали 16. Задняя деталь 14 имеет аналогичные секции вырезов. Секция 36 выреза и аналогичная секция выреза, смежная с другой боковой кромкой задней детали 16, являются преимущественно дуговидными по форме, чтобы возможно ближе подходить к верхней поверхности обмотки 20. Однако, если по каким-либо причинам обмотка 20 будет иметь отличающуюся от дуговидной форму, то тогда вырез 36 и другой вырез вблизи другой боковой кромки задней детали 16 будут дополняющими к этой форме обмотки 20.

Кроме того, задняя деталь 16 также имеет внутреннюю опору 38, которая расположена вблизи от секции выреза 36, и аналогичную внутреннюю опору, которая расположена вблизи от другой секции выреза в задней детали 16. Такая внутренняя опора заполняет часть выреза 36 и обеспечивает физическое расположение участка задней детали 16 возможно ближе к внешней поверхности 30 внутреннего полюсного башмака 24.

Следует иметь в виду, что концевые детали 12 и 18, задние детали 14 и 16 и внутренний полюсный башмак 24 изготовлены из прессованного ферромагнитного порошка, который содержит частицы порошка, из которых в операции формования изготовлены имеющие заданную конфигурацию соответствующие компоненты узла 10 статора. Такая операция формования является известной и включает в себя прессование в пресс-форме и термообработку. Важно, что частицы ферромагнитного металлического порошка, из которых формуют компоненты узла 10 статора, являются электрически изолированными друг от друга, что снижает вихревые токи в полностью собранном статоре.

Следует также иметь в виду, что соответствующий изоляционный материал, такой как оксидный слой, может быть введен между смежными поверхностями концевой детали 12, задней детали 14, задней детали 16 и концевой детали 18.

Более того, концевая деталь 18 содержит сопряженную поверхность 52, которая может иметь выступ или выемку на боковой стороне концевой детали 18, смежной с задней деталью 16. Задняя деталь 16 содержит дополняющую поверхность кромки для обеспечения дополняющего сопряжения между задней деталью 16 и концевой деталью 18. Концевая деталь 12 и задняя деталь 14 также имеют аналогичные дополняющие поверхности.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2, на которой показан узел 10 статора, имеющий внутренний полюсный башмак 24, обмотку 20 и задние детали 14 и 16, установленные на ней. Легко можно понять, что фактически устранены любые открытые пространства между задними деталями 14 и 16 и внутренним полюсным башмаком 24. Обмотка 20 фактически занимает все пространство между задними деталями 14 и 16 и внутренним полюсным башмаком 24. Это позволяет получить высокий коэффициент заполнения и повышенную плотность мощности электродвигателя, в котором используют такой узел 10 статора.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3, на котором показан полностью собранный узел 10 статора. Узел 10 статора содержит внутренний полюсный башмак 24 и расположенную на нем обмотку 20, установленную на направляющих 26 обмотки, которые на фиг.3 не видны. Узел 10 статора содержит также концевую деталь 12, заднюю деталь 14, заднюю деталь 16 и концевую деталь 18, которые надеты на обмотку 20 так, как уже было описано здесь выше. Клеящее вещество или смолу наносят в точках 56 и 58, чтобы капсулировать узел 10 статора и обеспечивать заданные тепловые характеристики и прочность содержащего указанные компоненты узла. Такую смолу вводят также между концевой деталью, задней деталью 14, задней деталью 16 и концевой деталью 18, чтобы обеспечить дополнительную связь и капсулировать указанные компоненты. Кроме того, образуют канал 57 между концевой деталью 12 и внутренним полюсным башмаком 24 для пропускания клеящего вещества, чтобы обеспечить улучшение пропитки. Образуют также аналогичный канал 59 для пропускания клеящего вещества и смолы, чтобы обеспечить улучшение прочности и хорошие тепловые характеристики узла 10 статора.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4, на которой показан полностью собранный статор, обозначенный в целом позицией 50. Можно видеть, что такой статор содержит множество узлов 10 статора, расположенных по кругу, что является типичным для конструкции двигателя или генератора. Каждый узел 10 статора, описанный здесь выше со ссылкой на фиг.1-3, содержит внутренний полюсный башмак 24, который обращен внутри к оси статора 50. Обмотка 20 помещена радиально снаружи на внутреннем полюсном башмаке 24. Несмотря на то, что это и не показано на фиг.4, следует иметь в виду, что обмотка 20 установлена на направляющих 26 обмотки, которые выступают из внешней поверхности 30 внутреннего полюсного башмака 24. Кроме того, каждый узел 10 статора, как это уже описано здесь выше со ссылкой на фиг.1-3, дополнительно содержит концевую деталь 12, смежную с ней заднюю деталь 14, смежную с ней заднюю деталь 16 и концевую деталь 18. Можно видеть, что концевые детали сами по себе расположены рядом друг с другом в окончательно собранном статоре 50.

1. Узел статора для электрической машины, содержащий внутренний полюсный башмак в целом прямоугольной конфигурации, имеющий, в целом, вогнутую внутреннюю поверхность вдоль продольной оси башмака, в целом, выпуклую внешнюю поверхность вдоль продольной оси башмака и, по меньшей мере, одну направляющую обмотки, выступающую из выпуклой внешней поверхности, узел обмотки, в целом, овальной конфигурации, установленный на направляющих обмотки, по меньшей мере, одну заднюю деталь, имеющую, в целом, выпуклую внешнюю поверхность вдоль продольной оси и внутреннюю поверхность с двумя дуговидными секциями выреза, каждая из которых выполнена с возможностью установки на участок узла обмотки, и две концевые детали, каждая из которых имеет в целом выпуклую внешнюю поверхность вдоль продольной оси и внутреннюю поверхность, имеющую секцию выреза, выполненную с возможностью установки на концевом участке узла обмотки.

2. Узел статора по п.1, в котором две направляющие обмотки выступают из выпуклой внешней поверхности внутреннего полюсного башмака и образуют опоры для узла обмотки.

3. Узел статора по п.1, в котором каждая задняя деталь содержит внутреннюю опорную секцию, выступающую из внутренней поверхности, причем внутренняя опорная секция задней детали образует участок каждой из дуговидных секций выреза.

4. Узел статора по п.1, в котором внутренний полюсный башмак содержит частицы ферромагнитного металлического порошка, из которых он отформован в соответствии с заданной конфигурацией.

5. Узел статора по п.1, в котором каждая задняя деталь содержит частицы ферромагнитного металлического порошка, из которых она отформована в соответствии с заданной конфигурацией.

6. Узел статора по п.1, в котором каждая концевая деталь содержит частицы металлического ферромагнитного порошка, из которых она отформована в соответствии с заданной конфигурацией.

7. Узел статора по п.1, в котором каждая задняя деталь содержит поверхность кромки, а каждая смежная концевая деталь содержит дополняющую сопряженную поверхность.

8. Узел статора по п.7, в котором для прикрепления задней детали к смежной концевой детали используют клеящее вещество.

9. Узел статора, содержащий внутренний полюсный башмак, в целом, прямоугольной конфигурации, имеющий вогнутую внутрь внутреннюю поверхность, выпуклую наружу внешнюю поверхность, по меньшей мере одну направляющую обмотки, выступающую из внешней поверхности, узел обмотки, установленный на направляющей обмотки, по меньшей мере, одну заднюю деталь, имеющую выпуклую наружу внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, имеющую две секции выреза, каждая из которых выполнена с возможностью установки на участок узла обмотки, и две концевые детали, каждая из которых имеет выпуклую наружу внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, имеющую секцию выреза, выполненную с возможностью установки на концевой участок узла обмотки.

10. Узел статора по п.9, в котором две направляющие обмотки выступают из выпуклой внешней поверхности внутреннего полюсного башмака и образуют опоры для узла обмотки.

11. Узел статора по п.9, в котором каждая задняя деталь содержит внутреннюю опорную секцию, выступающую из внутренней поверхности, причем внутренняя опорная секция задней детали образует участок каждой из дуговидных секций выреза.

12. Узел статора по п.9, в котором внутренний полюсный башмак содержит частицы ферромагнитного металлического порошка, из которых он отформован в соответствии с заданной конфигурацией.

13. Узел статора по п.9, в котором каждая задняя деталь содержит частицы ферромагнитного металлического порошка, из которых она отформована в соответствии с заданной конфигурацией.

14. Узел статора по п.9, в котором каждая концевая деталь содержит частицы металлического ферромагнитного порошка, из которых она отформована в соответствии с заданной конфигурацией.

15. Узел статора по п.9, в котором каждая задняя деталь содержит поверхность кромки, а каждая смежная концевая деталь содержит дополняющую сопряженную поверхность.

16. Узел статора по п.15, в котором для прикрепления задней детали к смежной концевой детали используют клеящее вещество.

17. Узел статора, содержащий внутренний полюсный башмак в целом прямоугольной конфигурации, имеющий вогнутую внутрь внутреннюю поверхность, выпуклую наружу внешнюю поверхность, и по меньшей мере одну направляющую обмотки, выступающую из внешней поверхности, узел обмотки, установленный на направляющей обмотки, по меньшей мере одну заднюю деталь, имеющую выпуклую наружу внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, имеющую две секции выреза, каждая из которых выполнена с возможностью установки на участок узла обмотки, и две концевые детали, каждая из которых имеет выпуклую наружу внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, имеющую секцию выреза, выполненную с возможностью установки на концевом участке узла обмотки, причем внутренний полюсный башмак, задняя деталь и концевые детали содержат частицы ферромагнитного металлического порошка, из которого они отформованы в соответствии с заданной конфигурацией.

18. Узел статора по п.17, в котором две направляющих обмотки выступают из внешней поверхности внутреннего полюсного башмака, чтобы образовать опоры для узла обмотки.

19. Узел статора по п.17, в котором каждая задняя деталь содержит внутреннюю опорную секцию, выступающую из внутренней поверхности и образующую участок каждой из секций выреза.

20. Узел статора по п.17, в котором каждая задняя деталь содержит поверхность кромки, а каждая смежная концевая деталь содержит дополняющую сопряженную поверхность.

21. Узел статора по п.20, в котором для прикрепления задней детали к смежной концевой детали используют клеящее вещество.