Электрическая машина
Владельцы патента RU 2688204:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) (RU)
Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано, в частности, в ветроэнергетических установках и на легких транспортных средствах. В предлагаемой электрической машине магнитопровод статора выполнен в виде плоского шихтованного кольца с установленными на торцевой части кольцевыми катушками m-фазной сосредоточенной обмотки, а на двух дисковых роторах размещены постоянные магниты с чередующейся полярностью. На периферии наружных листов магнитопровода выполнены пазы для укладки m-фазной сосредоточенной обмотки, при этом внутренние листы магнитопровода выполнены с диаметром, меньшим, чем диаметр наружных листов, с образованием кольцевой канавки, в которой размещены межкатушечные соединения обмотки. Этим обеспечивается уменьшение величины воздушного зазора электрической машины, которую определяют только активные проводники обмотки, что в результате улучшает массогабаритные показатели машины. Сосредоточенная обмотка выполнена с числом пазов на полюс и фазу, равным q=3/8; 2/5; 3/7; 5/14, или с числом пазов, равным Z=12+6k, где k=1,2,3, …, и числом полюсов, равным 2p=Z±2, что обеспечивает высокие значения обмоточного коэффициента. Техническим результатом является уменьшение величины воздушного зазора. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано, в частности, в ветроэнергетических установках и на легких транспортных средствах.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Известны различные конструкции синхронных машин с трехфазной обмоткой якоря и постоянными магнитами на роторе.
Известен ветрогенератор по патенту РФ №2168062, содержащий ветроколесо и магнитоэлектрический генератор, ротор которого имеет постоянные магниты и связан с ветроколесом, а статор выполнен из шихтованного магнитопровода с обмотками, отличающийся тем, что генератор имеет два идентичных статора, магнитопроводы которых выполнены в виде плоских колец с установленными на их торцевой части и обращенными друг к другу плоскими обмотками, а ротор выполнен в виде немагнитного диска с вмонтированными в него постоянными магнитами, при этом диск ротора расположен между обмотками статора.
Недостатком данной конструкции является то, что установленные на торцевой части кольцевого магнитопровода плоские распределенные обмотки, во-первых, обладают малой величиной намагничивающей силы на условный паз, а, во-вторых, значительно увеличивают воздушный зазор и требуемую намагничивающую силу для проведения осевого магнитного потока, что ухудшает технико-экономические показатели машины.
Известен способ повышения массогабаритных показателей синхронных электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов по патенту РФ №2047936 за счет применения m-фазной сосредоточенной обмотки, каждая катушка которой охватывает один зубец статора, при этом число полюсов ротора 2р и число зубцов статора Z связаны соотношением 2p=k(mZгp+1), где k=1, 2, 3 … - число повторяющихся частей статора, в каждой из которых содержится m катушечных групп, a Zгp=1, 2, 3 - число катушек в катушечной группе. В данной конструкции с тангенциальным намагничиванием и зубцовым статором увеличение ЭДС обеспечивается за счет аксиальной длины, т.е. не используется возможность, которая в низкооборотных генераторах открывается за счет повышенного диаметра расточки статора и установки плоских или кольцевых обмоток на торцевой части плоского статора. Кроме того, при указанном соотношении не всегда выполнимы обмотки, например, при Zгр=2 для k=1 и k=3 будет нечетное число полюсов 7 и 21.
Известна электрическая машина по патенту РФ №2234788, выполненная в виде машины с осевым полем, в которой два или более ротора установлены рядом друг с другом с формированием множества воздушных зазоров. Электрическая машина содержит кольцеобразный ряд обмоток статора на железных сердечниках из листов или прессованного порошка железа, и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, отличающаяся тем, что обмотки выполнены сосредоточенными, а не распределены в пазах, сердечники с обмотками чередуются с железными без обмоток, так что на каждом втором железном сердечнике имеется обмотка, число промежутков между сердечниками отличается от числа полюсов, при этом число промежутков между сердечниками s и число полюсов р следует выражениям ⎥s-p⎢=2m и s=12nm, где n и m - натуральные числа, причем машина рассчитана на трехфазное напряжение с последовательным соединением соседних катушек для получения 2m таких групп на фазу, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Данная электрическая машина может быть выполнена в виде машины с осевым полем, в которой два или более ротора установлены рядом друг с другом с формированием множества воздушных зазоров, либо в виде машины с неподвижными статорными обмотками, в которой статорные обмотки установлены на трубчатой опоре, статорные обмотки встроены в цилиндрический носитель из непроводящего материала.
Данное техническое решение как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату принято в качестве его прототипа.
Недостатком данного устройства является то, что в нем сердечники с обмотками чередуются с сердечниками без обмоток, что существенно снижает массогабаритные показатели электрической машины.
Задачей изобретения является создание низкоскоростной электрической машины, обладающей высокими массогабаритными показателями.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.
Согласно изобретению электрическая машина содержащая статор, магнитопровод которого выполнен в виде плоского шихтованного кольца с установленными на торцевой части кольцевыми катушками m-фазной сосредоточенной обмотки, и два дисковых ротора, на которых размещены постоянные магниты с чередующейся полярностью, расположенные эквидистантно относительно друг друга, отличающаяся тем, что на периферии наружных листов магнитопровода выполнены пазы для укладки m-фазной сосредоточенной обмотки, при этом внутренние листы магнитопровода выполнены с диаметром, меньшим, чем диаметр наружных листов, с образованием кольцевой канавки, в которой размещены межкатушечные соединения обмотки.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- m-фазная сосредоточенная обмотка может быть выполнена с числом пазов на полюс и фазу, равным q=3/8;
- m-фазная сосредоточенная обмотка может быть выполнена с числом пазов на полюс и фазу, равным q=2/5;
- m-фазная сосредоточенная обмотка может быть выполнена с числом пазов на полюс и фазу, равным q=3/7;
- m-фазная сосредоточенная обмотка может быть выполнена с числом пазов на полюс и фазу равным, q=5/14;
- m-фазная сосредоточенная обмотка может быть выполнена с числом пазов, равным Z=12+6k, где k=1, 2, 3, …, а числом полюсов, равным 2p=Z±2.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленной совокупности существенных признаков, заключается в том, что выполнение кольцевой канавки, в которой укладываются соединения между группами катушек, обеспечивает возможность уменьшить величину воздушного зазора электрической машины, которую определяют только активные проводники обмотки, что в результате улучшает массогабаритные показатели машины.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция электрической машины, на фиг. 2 - вид на m-фазную сосредоточенную обмотку, на фиг. 3 - форма магнитопровода статора.
Заявленная электрическая машина содержит статор 1, магнитопровод 2 которого выполнен в виде плоского шихтованного кольца с установленными на торцевой части кольцевыми катушками m-фазной сосредоточенной обмотки 3 с числом зубцов Z=27, два дисковых ротора 4, на которых размещены постоянные магниты 5 с чередующейся полярностью, образующие 2р=2А полюса. Соотношение числа фаз, зубцов статора и полюсов ротора позволяет выполнить сосредоточенную обмотку с числом пазов на полюс и фазу q=Z/(2pm)=3/8, которая будет иметь высокий обмоточный коэффициент kоб=0,945. Для намотки катушек обмотки предусмотрены специальные технологические пазы 6 на периферии наружных листов магнитопровода. Намотка каждой фазы одинакова. Например, фаза U состоит из трех групп катушек, расположенных в трех группах пазов: 4, 5, 6, 7; 13, 14, 15, 16; 22, 23, 24, 25 (см. фиг. 2), причем пазы 5, 6; 14, 15; 23, 24 полностью заняты проводниками фазы U, а пазы 4, 7; 13, 16; 22, 25 только наполовину, вторая половина принадлежит проводникам соседних фаз V и W. Для того чтобы уменьшить величину воздушного зазора, в котором расположены проводники обмотки, в магнитопроводе предусмотрено выполнение кольцевой канавки 7 за счет того, что внутренние листы магнитопровода выполнены меньшего диаметра, чем наружные. В образовавшуюся канавку 7 укладываются соединения между группами катушек (например, для фазы U переходы от паза 7 к 13, от паза 16 к 22, от паза 25 к 1). Таким образом, величину зазора определяют только активные проводники обмотки, что улучшает массогабаритные показатели машины. Высокий обмоточный коэффициент для сосредоточенных обмоток характерен для чисел пазов на полюс и фазу, равных q=2/5, 3/7, 5/14, соответственно kоб=0,933; 0,902; и 0,951, а также для чисел пазов, равных Z=12+6k, где k=1, 2, 3, …, и чисел полюсов, равных 2p=Z±2, как четных, так и нечетных (kоб=0,950).
Заявленное устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.
1. Электрическая машина, содержащая статор, магнитопровод которого выполнен в виде плоского шихтованного кольца с установленными на его торцевой части кольцевыми катушками m-фазной сосредоточенной обмотки, и два дисковых ротора, на которых размещены постоянные магниты с чередующейся полярностью, расположенные эквидистантно относительно друг друга, отличающаяся тем, что на периферии наружных листов магнитопровода выполнены пазы для укладки m-фазной сосредоточенной обмотки, при этом внутренние листы магнитопровода выполнены с диаметром, меньшим, чем диаметр наружных листов, с образованием кольцевой канавки, в которой размещены межкатушечные соединения m-фазной сосредоточенной обмотки.
2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что m-фазная сосредоточенная обмотка выполнена с числом пазов на полюс и фазу, равным q=3/8;
3. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что m-фазная сосредоточенная обмотка выполнена с числом пазов на полюс и фазу, равным q=2/5.
4. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что m-фазная сосредоточенная обмотка выполнена с числом пазов на полюс и фазу, равным q=3/7.
5. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что m-фазная сосредоточенная обмотка выполнена с числом пазов на полюс и фазу, равным q=5/14.
6. Электрическая машина по любому из пп. 1-2, отличающаяся тем, что w-фазная сосредоточенная обмотка выполнена с числом пазов, равным Z=12+6k, где k=1,2,3,…, а числом полюсов, равным 2p=Z±2.
