Статор и способ его сборки

Изобретение относится к области электротехники и касается электрических машин, в частности особенностей конструктивного выполнения статоров электрических машин и их сборки. Предлагаемый статор в сборе содержит сердечник статора, имеющий первый конец, второй конец и множество пазов, проходящих от первого конца ко второму концу; множество токопроводящих жгутов, содержащих множество отдельных изолированных проводов, причем, по меньшей мере, один участок множества токопроводящих жгутов проходит от первого конца ко второму концу одного паза из указанного множества пазов, при этом указанный, по меньшей мере, один участок закручен внутри указанного одного паза на заранее определенную величину для сведения к минимуму циркулирующего тока вдоль множества отдельных изолированных проводов на указанном, по меньшей мере, одном участке, а множество токопроводящих жгутов содержит множество пар токопроводящих жгутов, соединенных двойной звездой, причем каждая пара токопроводящих жгутов соответствует фазе переменного тока, связанного со статором, и имеет, по меньшей мере, два параллельно соединенных токопроводящих жгута. Также предложен способ сборки такого статора. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в сведении к минимуму циркулирующего тока вдоль множества отдельных изолированных проводов на участке каждого токопроводящего жгута, размещенном в пазу сердечника статора. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к статору для электрической машины, более конкретно к выполнению обмотки статора электрической машины.

Уровень техники

Электродвигатели и генераторы содержат вращающийся ротор и неподвижный статор. Обычно статоры содержат множество обмоток, и каждая обмотка может соответствовать жгуту из проводов. Даже если каждый провод в жгуте выполнен изолированным, в жгуте может обнаруживаться циркулирующий ток среди проводов жгута. Циркулирующий ток пропорционален квадрату рабочей частоты двигателя или генератора. Следовательно, циркулирующие токи особенно представляют собой проблему при вращении ротора двигателя или генератора с высокими скоростями.

Раскрытие изобретения

Статор в сборе содержит сердечник статора и по меньшей мере один токопроводящий жгут. Сердечник статора имеет первый конец, второй конец и множество пазов, проходящих от первого конца ко второму концу. Токопроводящий жгут включает в себя множество отдельно изолированных проводов. По меньшей мере один участок по меньшей мере одного токопроводящего жгута проходит от первого конца ко второму концу одного паза из указанного множества пазов. Указанный по меньшей мере один участок закручен на заранее определенную величину внутри указанного одного паза для сведения к минимуму циркулирующего тока вдоль множества отдельных изолированных проводов на указанном по меньшей мере одном участке.

Способ сборки статора состоит в том, что выполняют группировку множества отдельных изолированных проводов в токопроводящий жгут, размещают участок токопроводящего жгута в пазу сердечника статора, проходящем от первого конца сердечника статора ко второму концу сердечника статора, и закручивают жгут с обеспечением закручивания указанного участка на заранее определенную величину внутри паза сердечника статора для сведения к минимуму циркулирующего тока вдоль множества отдельных изолированных проводов на указанном участке.

Эти и другие отличительные признаки настоящего изобретения наилучшим образом понятны из нижеследующего подробного описания и чертежей.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематически проиллюстрирована электрическая цепь статора.

На фиг.2 схематически проиллюстрирован сердечник статора.

На фиг.3 схематически проиллюстрирована схема выполнения обмотки для осуществления электрической цепи статора, проиллюстрированной на фиг.1.

На фиг.4а схематически проиллюстрирован первый вид паза сердечника статора, который содержит участок из двух токопроводящих жгутов.

На фиг.4b схематически проиллюстрированы второй вид паза сердечника статора и участки токопроводящих жгутов, показанных на фиг.4а.

На фиг.4с схематически проиллюстрированы участки токопроводящих жгутов, показанных на фиг.4а, после того, как они были закручены на заранее определенную величину.

На фиг.5а схематически проиллюстрирован паз сердечника статора, который содержит четыре участка двух токопроводящих жгутов.

На фиг.5b схематически проиллюстрирован паз сердечника статора, который содержит участок из двух иллюстративных многожильных проводов (литцендратов).

На фиг.6 схематически проиллюстрирован способ формирования статора путем выполнения вставки множества катушек в сердечник статора, показанный на фиг.2.

На фиг.7 проиллюстрировано улучшение эффективности, относящееся к способу, показанному на фиг.6.

На фиг.8 проиллюстрирован коэффициент потерь от циркулирующих токов для различных фаз электрического тока при нескольких значениях частоты.

На фиг.9 схематически проиллюстрирован электродвигатель, предназначенный для привода компрессора.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематически проиллюстрирована электрическая цепь 10 статора, содержащая множество катушек 12, 14, 16, 18, 20, 22, для которых выполнено так называемое соединение «двойной звездой». Катушка 12 и катушка 18 соединены параллельно, образуя пару, катушка 14 и катушка 20 соединены параллельно, образуя пару, и катушка 16 и катушка 22 соединены параллельно, образуя пару. В одном примере каждая из пар соответствует фазе переменного тока в электрической машине.

На фиг.2 схематически проиллюстрирован цилиндрический сердечник 30 статора, имеющий первый конец 32 и второй конец 34. В одном примере первый конец 32 соответствует нижнему концу сердечника 30 статора, а второй конец 34 соответствует верхнему концу сердечника 30 статора. Центральная ось 35 проходит в осевом направлении вдоль центра сердечника 30 статора. Сердечник 30 статора имеет центральное отверстие, которым определена внутренняя периферическая поверхность 38. Сердечник 30 статора содержит множество пазов 36, образованных на внутренней периферической поверхности 38, которые проходят от первого конца 32 ко второму концу 34 и параллельны центральной оси 35. В одном примере каждый паз 36 имеет первый участок 37 паза и второй участок 39 паза (см. фиг.4b), причем первый участок 37 паза расположен ближе к наружной периферической поверхности 41 сердечника 30 статора, а второй участок 39 паза расположен ближе к внутренней периферической поверхности 38 сердечника 30 статора. Хотя сердечник 30 статора, проиллюстрированный на фиг.2, содержит тридцать шесть пазов 36, следует понимать, что может быть использовано другое количество пазов, и что геометрия каждого из пазов может изменяться. Как показано на фиг.3, пазы 36 индивидуально пронумерованы обозначениями S1-S36.

На фиг.3 схематически проиллюстрирован пример электрической схемы 40 обмотки, в соответствии с которой выполнена электрическая цепь 10 статора на сердечнике 30 статора, с использованием токопроводящих жгутов 60 (см. фиг.4а-с, 5), каждый из которых содержит множество изолированных проводов 62 (см. фиг.4а). Применение отдельных изолированных проводов 62 способствует сведению к минимуму нежелательного вихревого тока, который может возникать при использовании более крупных проводов (например, если жгут образован одиночным крупным проводом). На иллюстративной схеме 40 обмотки, показанной на фиг.3, катушки 12, 14, 16 расположены на первом участке 37 паза из множества пазов 36, а катушки 18, 20, 22 расположены во втором участке 39 паза из множества пазов 36. В одном примере каждый из множества проводов 62 имеет эмалевое изолирующее покрытие. В другом примере каждый из множества проводов 62 внутри токопроводящего жгута 60 имеет параллельное электрическое соединение.

Далее описание приведено со ссылками на фиг.3 и с использованием в качестве примера катушки 12. Катушка 12 входит в паз S1 на первом конце 32 сердечника 30 статора, выходит из паза S1 на втором конце 34 сердечника 30 статора, входит в паз S16 на втором конце 34 сердечника 30 статора, выходит из паза S16 на первом конце 32 сердечника 30 статора, а затем входит в паз S2 на первом конце 32 сердечника 30 статора для формирования первого витка в секции 42а катушки (см. фиг.2). Эти шаги могут повторяться, так что секция 42а катушки содержит множество витков. После формирования секции 42а катушки этот процесс повторяют, как показано на фиг.3, для формирования множества секций 42b-f катушки, так что катушка 12 имеет заранее определенное количество секций катушки. Хотя схема 40 обмотки включает шесть секций катушки (секции 42a-f) для катушки 12, очевидно, что могут быть использованы другие количества секций. Остальные катушки 14-22 образованы сходным образом, так что они имеют по шесть секций. Тем не менее, как указано выше, также могут быть использованы другие количества секций. В одном примере порядок формирования катушек имеет следующий вид: 12, 22, 14, 18, 16, 20. Тем не менее понятно, что порядок образования катушек 12-22 может быть иным. Как показано на фиг.3, катушки 12, 14 и 16 размещены на первом участке 37 паза из множества пазов 36, а катушки 18, 20 и 22 размещены на втором участке 39 паза из множества пазов 36.

Также, как показано на фиг.3, некоторые пазы, такие как пазы S19-S21, содержат участки нескольких катушек. Для размещения в одном пазу нескольких катушек может быть использована изоляционная разделительная прослойка 64 (см. фиг.4а-с). Разделительные прослойки 64 также могут быть использованы для того, чтобы дополнительно изолировать катушки вдоль первого конца 32 и второго конца 34 сердечника 30 статора. В одном примере каждая из секций 42a-f катушки содержит витки, и каждый паз имеет участок токопроводящего жгута 60 на первом участке 37 паза и на втором участке 39 паза, так что каждый паз 36 содержит 2-8 витков.

На фиг.6 схематически проиллюстрирован способ 100 формирования нескольких катушек 12-22 на сердечнике 30 статора. Участок 61 (см. фиг.2) токопроводящего жгута 60 размещают в первом пазу 36 сердечника 30 статора (шаг 102). Затем жгут 60 закручивают так, что участок 61 подвергается закручиванию на заранее определенную величину внутри первого паза (шаг 104, см. фиг.4с). Однако понятно, что жгут 60 может быть скручен на заранее определенную величину перед тем, как его вставляют в паз 36. В одном примере заранее определенная величина составляет 360°. В другом примере заранее определенная величина кратна 360°. Конечно, могут быть использованы другие заранее определенные величины. Второй участок 63 (см. фиг.2) токопроводящего жгута 60 вставляют в другой паз (шаг 106), и после этого скручивают жгут 60 так, что закрутка второго участка 63 равна заранее определенной величине (шаг 108). После этого могут быть повторно выполнены (шаг 110) шаги 102-108 с целью образования секции катушки, имеющей необходимое количество витков. После этого могут быть повторно выполнены (шаг 111) шаги 102-110 с целью образования катушки, имеющей необходимое количество секций катушки. После этого можно повторить шаги 102-111 (шаг 112) для образования необходимого числа катушек на сердечнике 30 статора.

На фиг.4а-с схематически проиллюстрированы токопроводящие жгуты 60а, 60b, каждый из которых соответствует одиночному жгуту, состоящему из изолированных проводов 62, так что первый участок 37 паза 36а содержит один участок жгута 60а, а второй участок 39 паза 36а содержит один участок жгута 60b. На фиг.5а проиллюстрирован паз 36b сердечника статора, который содержит четыре участка токопроводящего жгута 60с и четыре участка токопроводящего жгута 60d. В проиллюстрированном на фиг.5а примере жгуты 60с, 60d содержат несколько меньшее число изолированных проводов 62, так что в пазу 36b могут быть помещены четыре витка каждого жгута 60с, 60d. Конечно, может быть использовано другое количество витков.

На фиг.5b проиллюстрирован паз 36с сердечника статора, который содержит участок из двух иллюстративных многожильных проводов (литцендратов) 66а, 66b. Каждый из проводов 66а, 66b содержит множество отдельных жгутов 68, состоящих из изолированных проводов 62. Как описано выше, на шаге 104 участок 61 токопроводящего жгута 60 закручивают на заранее определенную величину (первую заранее определенную величину). В проиллюстрированном на фиг.5b примере каждый из отдельных жгутов 68 закручивают на вторую заранее определенную величину перед тем, как выполняют закручивание провода 66 на первую заранее определенную величину. В одном примере вторая заранее определенная величина составляет 360°. В другом примере вторая заранее определенная величина составляет величину, кратную 360°. В следующем примере изолированные провода 62, находящиеся внутри каждого отдельного жгута 68, имеют параллельное электрическое соединение.

На фиг.7 проиллюстрировано улучшение эффективности, относящееся к способу, показанному на фиг.6. Фиг.7 включает таблицу 70, в которой представлено сравнение первого токопроводящего жгута 72, образованного с использованием способа 100 (см. фиг.4с), второго токопроводящего жгута 74, который выполнен без закручивания, и третьего токопроводящего жгута 76, который выполнен без закручивания, но содержит отдельные скрученные жгуты (см. фиг.5). Как показано на фиг.7, средний коэффициент 78 потерь от циркулирующих токов имеет самое низкое значение для жгута 72, образованного с использованием способа 100. Коэффициент потерь от циркулирующих токов может быть определен из следующего выражения:

где

k_cc - коэффициент потерь от циркулирующих токов;

N_s - число параллельных жил в жгуте;

- комплексное значение тока в жиле n;

P_cc - соответствует случаю, в котором имеет место циркулирующий ток;

P_ed - соответствует случаю, где суммарный ток поровну разделен между жилами в жгуте.

В качестве точки отсчета для сравнения использован коэффициент потерь со значением 1,0 (где P_cc=P_ed), что соответствует нулевым потерям от циркулирующих токов. Тем не менее, если P_cc>P_ed, то тогда коэффициент потерь превышает 1,0, указывая на ненулевые потери от циркулирующих токов.

На фиг.8 проиллюстрирован коэффициент потерь от циркулирующих токов для различных фаз электрического тока при нескольких значениях частоты. Фаза U 90 соответствует соединенным параллельно катушкам 12 и 18, фаза V 92 соответствует соединенным параллельно катушкам 14 и 20, а фаза W 94 соответствует соединенным параллельно катушкам 16 и 22. В этом примере каждая фаза имеет две катушки, а каждая катушка имеет сто параллельно соединенных проводов или жил. Фиг.8 также содержит осредненный коэффициент 96 потерь от циркулирующих токов для всех фаз 90-94. Как показано на фиг.8, коэффициент потерь от циркулирующих токов имеет тенденцию к возрастанию по мере увеличения частоты.

На фиг.9 схематически проиллюстрирован электродвигатель 80, предназначенный для привода компрессора, который представляет собой один иллюстративный пример применения сердечника 30 статора. В одном примере электродвигатель 80 работает в диапазоне частот вращения 20,000-100,000 оборотов в минуту, мощности 100-600 кВт, и напряжения 400-690 В. Двигатель 80 содержит жесткий стальной ротор 82 и сердечник 83 статора, разделенные воздушным зазором 84. В одном примере сердечник 83 статора содержит множество пазов, образованных, по меньшей мере частично, тонкими пластинками, толщина которых находится в пределах 0,2-0,35 мм. В другом примере величина воздушного зазора 84 равна 1-4 мм. На сердечнике 83 статора множеством обмоток 86 образованы катушки. Эти катушки могут быть любыми из тех, которые описаны выше, и могут соответствовать токопроводящим жгутам 60, 66, показанным на фиг.4а-с и на фиг.5. Ротор 82, сердечник 83 статора и обмотки 86 помещены в кожухе 88. Понятно, что двигатель 80 также может быть предназначен для работы в качестве генератора и, следовательно, может рассматриваться как электрическая машина.

Выше описан предпочтительный вариант изобретения, однако специалист в данной области техники понимает, что в пределах объема изобретения могут быть сделаны некоторые модификации. По этой причине, с целью определения истинного объема и содержания настоящего изобретения, следует изучить нижеследующую формулу.

1. Статор в сборе, содержащий сердечник статора, имеющий первый конец, второй конец и множество пазов, проходящих от первого конца ко второму концу; множество токопроводящих жгутов, содержащих множество отдельных изолированных проводов, причем, по меньшей мере, один участок множества токопроводящих жгутов проходит от первого конца ко второму концу одного паза из указанного множества пазов, при этом указанный, по меньшей мере, один участок закручен внутри указанного одного паза на заранее определенную величину для сведения к минимуму циркулирующего тока вдоль множества отдельных изолированных проводов на указанном, по меньшей мере, одном участке, а множество токопроводящих жгутов содержит множество пар токопроводящих жгутов, соединенных двойной звездой, причем каждая пара токопроводящих жгутов соответствует фазе переменного тока, связанного со статором, и имеет, по меньшей мере, два параллельно соединенных токопроводящих жгута.

2. Статор по п.1, отличающийся тем, что указанный, по меньшей мере, один участок содержит множество участков токопроводящего жгута, при этом каждый участок вставлен в один паз из множества пазов для формирования катушки, имеющей множество секций катушки, при этом каждая секция катушки имеет, по меньшей мере, один виток.

3. Статор по п.2, отличающийся тем, что множество участков содержит двенадцать участков токопроводящего жгута, которые размещены в двенадцати различных пазах и каждый из которых закручен на заранее определенную величину внутри каждого из двенадцати пазов для формирования катушки, имеющей шесть секций катушки.

4. Статор по п.3, отличающийся тем, что каждая секция катушки имеет, по меньшей мере, один виток токопроводящего жгута.

5. Статор по п.3, отличающийся тем, что каждая секция катушки имеет два, три или четыре витка токопроводящего жгута.

6. Статор по п.1, отличающийся тем, что заранее определенная величина составляет, по меньшей мере, 360°.

7. Статор по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один токопроводящий жгут представляет собой одиночный жгут, выполненный из отдельных изолированных проводов.

8. Статор по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один токопроводящий жгут содержит множество отдельных жгутов, состоящих из отдельных изолированных проводов, при этом каждый отдельный жгут закручен в индивидуальном порядке перед закручиванием на заранее определенную величину указанного участка, по меньшей мере, одного токопроводящего жгута.

9. Статор по п.1, отличающийся тем, что сердечник статора выполнен цилиндрическим, а пазы проходят вдоль внутренней периферической поверхности сердечника статора параллельно центральной оси сердечника статора.

10. Статор по п.1, отличающийся тем, что каждый из множества отдельных изолированных проводов имеет эмалевое изолирующее покрытие.

11. Статор по п.1, отличающийся тем, что каждый из множества пазов имеет первый участок паза, который расположен ближе к наружной периферической поверхности сердечника статора, и второй участок паза, который расположен ближе к внутренней периферической поверхности сердечника статора, причем указанный, по меньшей мере, один токопроводящий жгут содержит первый токопроводящий жгут и второй токопроводящий жгут, при этом указанный один паз содержит участок первого токопроводящего жгута, расположенный на первом участке паза, и участок второго токопроводящего жгута, расположенный на втором участке паза, разделенные изолирующей разделительной прослойкой.

12. Статор по п.1, отличающийся тем, что предназначен для электрической машины, которая выполнена с возможностью функционирования для выработки напряжения в диапазоне 400-690 В и для выдачи мощности в диапазоне 100-600 кВт, причем электрическая машина имеет ротор с частотой вращения в диапазоне 20,000-100,000 оборотов в минуту.

13. Способ сборки статора, в котором:
а) группируют множество отдельных изолированных проводов в токопроводящий жгут;
б) размещают участок токопроводящего жгута в пазу сердечника статора, проходящем от первого конца сердечника статора ко второму концу сердечника статора;
в) закручивают жгут с обеспечением закручивания указанного участка на заранее определенную величину внутри паза сердечника статора для сведения к минимуму циркулирующего тока вдоль множества отдельных изолированных проводов на указанном участке;
г) выборочно повторяют шаги (а) - (в) в отношении множества токопроводящих жгутов для формирования множества катушек с необходимым количеством витков, при этом выбранные пазы содержат участки двух из токопроводящих жгутов, разделенные изоляционной разделительной прослойкой;
д) группируют множество токопроводящих жгутов в пары токопроводящих жгутов, при этом каждая пара токопроводящих жгутов содержит два параллельно соединенных токопроводящих жгута; и
е) соединяют двойной звездой пары токопроводящих жгутов.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что группирование множества отдельных изолированных проводов в токопроводящий жгут включает группирование множества отдельных изолированных проводов в одиночный жгут.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что группирование множества отдельных изолированных проводов в токопроводящий жгут включает закручивание первого множества отдельных изолированных проводов для образования первого отдельного токопроводящего жгута, закручивание второго множества отдельных изолированных проводов для образования второго отдельного токопроводящего жгута, закручивание третьего множества отдельных изолированных проводов для образования третьего отдельного токопроводящего жгута и выполнение совместной группировки первого отдельного токопроводящего жгута, второго отдельного токопроводящего жгута и третьего отдельного токопроводящего жгута для образования комбинированного токопроводящего жгута.

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что размещение участка токопроводящего жгута в пазу сердечника статора, проходящем в осевом направлении от первого конца сердечника статора ко второму концу сердечника статора, включает:
а) введение первого участка токопроводящего жгута в первый паз сердечника статора;
б) закручивание токопроводящего жгута с обеспечением закручивания указанного первого участка на заранее определенную величину внутри первого паза сердечника статора;
в) введение второго участка токопроводящего жгута во второй паз сердечника статора; и
г) закручивание токопроводящего жгута с обеспечением закручивания указанного второго участка на заранее определенную величину внутри второго паза сердечника статора.