RU2058656C1

RU2058656C1 - Double-stack inductor machine

Info

Publication number: RU2058656C1
Application number: RU92002408A
Authority: RU
Inventors: Юрий Иванович Вуколов
Original assignee: Юрий Иванович Вуколов
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: electrical machines. SUBSTANCE: double-stack electrical machine has stator built up of two stacks 10,11 with teeth on outer surface, solid core 7, and disks 8,9. Stator is placed inside rotor 2. Ring-type field winding 17 is wound under armature winding 16 and partially in annular drillings of solid disks. Stacks are spaced apart to meet condition of minimal mass of windings which is 0.15-0.9 of armature turn length multiplied by ratio of stacks dissipation flux to core flux and by ratio of field winding and armature winding masses. Laminations of both stacks are compressed through nonmagnetic spacer 13 placed between them. Electromechanical conversion takes place due to pulsation of magnetic flux in wound teeth of stacks. Machine is cooled down due to dragging air flow in diffusion sections of air intakes mounted on rotor. Joule heat of field windings is transferred to core iron. EFFECT: improved design. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано в генераторах повышенной частоты или в вентильных генераторах постоянного тока. Наиболее эффективно использование изобретения в маховичных генераторах. The invention relates to electric machines and can be used in high frequency generators or in valve DC generators. The most effective use of the invention in flywheel generators.

Известны двухпакетные индукторные машины униполярного типа с общей якорной обмоткой на два пакета и неподвижной кольцевой обмоткой возбуждения, размещенной под якорной обмоткой, содержащие зубчатый ротор и статор с двумя набранными из электротехнической стали пакетами. Known two-pack inductor machines of a unipolar type with a common anchor winding for two packages and a fixed ring field winding located under the anchor winding, containing a gear rotor and a stator with two packages drawn from electrical steel.

Этим машинам присущ ряд недостатков, вызывающих увеличенное содержание меди в обмотках по сравнению с машинами других типов. Пассивная часть витка обмотки якоря кроме длины лобовых соединений в двухпакетных машинах включает длину проводников между пакетами, которая обычно равна длине активных проводников в пазах. Обмотка возбуждения в известных машинах размещается с гарантийными зазорами относительно вращающегося магнитопровода, что не позволяет уменьшить диаметр этой обмотки и расстояние между пакетами. Отсутствие теплового контакта обмотки возбуждения с железом магнитопровода ограничивает интенсивность ее охлаждения, так что допустимые значение плотности тока составляют 3 А/мм² при классе нагревостойкости В и 4 А/мм² при классе нагревостойкости F.These machines have a number of disadvantages that cause an increased copper content in the windings compared to other types of machines. The passive part of the winding of the armature winding, in addition to the length of the frontal connections in two-package machines, includes the length of the conductors between the packets, which is usually equal to the length of the active conductors in the grooves. The field winding in known machines is placed with warranty gaps relative to the rotating magnetic circuit, which does not allow to reduce the diameter of this winding and the distance between the packets. The absence of thermal contact between the field winding and the iron of the magnetic circuit limits its cooling intensity, so that the permissible current density is 3 A / mm ² for heat resistance class B and 4 A / mm ² for heat resistance class F.

Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков двухпакетной индукторной машины, вызывающих увеличенное содержание меди в обмотках и(или) соответствующее ухудшение технических характеристик. The aim of the invention is to remedy these shortcomings of a two-pack induction machine, causing an increased copper content in the windings and (or) a corresponding deterioration in technical characteristics.

Цель достигается тем, что пакеты статора расположены внутри ротора на массивных дисках, выполнены с пазами на наружной поверхности, в которых размещена якорная обмотка, а кольцевая обмотка возбуждения расположена непосредственно на сердечнике магнитопровода статора. The goal is achieved by the fact that the stator packets are located inside the rotor on massive disks, made with grooves on the outer surface, in which the anchor winding is placed, and the annular excitation winding is located directly on the core of the stator magnetic circuit.

Дополнительная экономия меди достигается путем выполнения в массивных дисках кольцевых расточек, в которых установлен сердечник с обмоткой возбуждения, и установкой между массивными дисками с зазором, меньшим толщины листа пакета статора, немагнитной проставки, к которой прижаты листы обоих пакетов. Additional copper savings are achieved by making annular bores in massive disks, in which a core with an excitation winding is installed, and installing between the massive disks with a gap smaller than the stator packet sheet thickness, a non-magnetic spacer, to which the sheets of both packets are pressed.

В случае машины, охлаждаемой продувкой, сокращение габаритов достигается путем установки на зубцах ротора со стороны входа охлаждающего воздуха воздухозаборников коробчатого сечения, содержащих между зубцами диффузорные участки. In the case of a machine cooled by blowing, the reduction in size is achieved by installing box-shaped air intakes on the rotor teeth from the inlet side of the cooling air, containing diffuser sections between the teeth.

Расположение пакетов статора внутри ротора и выполнение их с пазами на наружной поверхности, в которых размещена якорная обмотка, приводят к такой компоновке машины, при которой элементы магнитопровода, примыкающие к обмотке возбуждения, а именно сердечник магнитопровода статора и массивные диски, неподвижны. При этом отпадает надобность в гарантийных зазорах между обмоткой возбуждения и элементами магнитопровода, что позволяет уменьшить расстояние между пакетами и длину витка якорной обмотки. Расположение кольцевой обмотки возбуждения непосредственно на сердечнике магнитопровода статора обеспечивает тепловой контакт обмотки с массивным магнитопроводом, что улучшает условия охлаждения, позволяет увеличить плотность тока и уменьшить сечение проводника этой обмотки. Все вместе взятое обеспечивает снижение расхода меди и повышение характеристик машины. The location of the stator packets inside the rotor and their execution with grooves on the outer surface, in which the anchor winding is placed, lead to such a machine arrangement in which the magnetic circuit elements adjacent to the field winding, namely the stator magnetic core and massive disks, are stationary. This eliminates the need for warranty gaps between the field winding and the elements of the magnetic circuit, which reduces the distance between the packages and the length of the coil of the anchor winding. The location of the annular field winding directly on the core of the stator magnetic circuit provides thermal contact of the winding with the massive magnetic circuit, which improves cooling conditions, allows to increase the current density and reduce the conductor cross-section of this winding. All taken together provides a reduction in copper consumption and an increase in machine performance.

Выполнение в массивных дисках кольцевых расточек, в которых установлен сердечник с обмоткой возбуждения, позволяет сблизить пакеты статора при заданном объеме кольцевой обмотки возбуждения. Установка между массивными дисками с зазором, меньшим толщины листа пакета статора, немагнитной проставки, к которой прижаты листы обоих пакетов, позволяет исключить выступание массивных дисков в межпакетное пространство и устранить ферромагнитные крепежные детали, благодаря чему уменьшается расстояние между пакетами при заданном магнитном потоке рассеяния. Сближение пакетов приводит к дополнительному укорочению витка и снижению массы меди якорной обмотки. Execution of circular bores in massive disks, in which a core with an excitation winding is installed, makes it possible to bring together the stator packets at a given volume of the annular excitation winding. The installation of a non-magnetic spacer between the massive disks with a gap smaller than the sheet thickness of the stator packet, to which the sheets of both packets are pressed, eliminates the protrusion of the massive disks into the inter-packet space and eliminates the ferromagnetic fasteners, thereby reducing the distance between the packets at a given magnetic flux. The convergence of the packages leads to an additional shortening of the coil and a decrease in the mass of copper of the armature winding.

Установка на зубцах ротора со стороны входа охлаждающего воздуха воздухозаборников коробчатого сечения, содержащих между зубцами ротора диффузионные участки, позволяет уменьшить габариты и существенно упростить конструкцию продуваемой машины за счет исключения специального вентилятора. The installation of box-shaped air intakes containing diffusion sections between the rotor teeth on the rotor teeth from the cooling air inlet side allows to reduce the dimensions and significantly simplify the design of the blown machine by eliminating the special fan.

В случае применения двухпакетной индукторной машины в качестве генератора, приводимого от двигателя внутреннего сгорания, возможно конструктивное совмещение ротора электрической машины с маховиком двигателя, что позволяет уменьшить массу двигателя генератора по сравнению с массой известных агрегатов на сумму масс маховика, соединительных муфт, вала, подшипникового щита и части подмоторной рамы. In the case of using a two-pack induction machine as a generator driven by an internal combustion engine, it is possible to constructively combine the rotor of the electric machine with the engine flywheel, which reduces the mass of the generator engine compared to the mass of known units by the sum of the masses of the flywheel, couplings, shaft, bearing shield and parts of the engine frame.

На фиг. 1 изображен двухпакетный индукторный генератор, ротор которого конструктивно совмещен с маховиком двигателя внутреннего сгорания, продольный разрез; на фиг.2 тот же генератор, поперечный разрез; на фиг.3 показано сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг.3. In FIG. 1 shows a two-pack inductor generator, the rotor of which is structurally combined with the flywheel of an internal combustion engine, a longitudinal section; figure 2 the same generator, a cross section; figure 3 shows a section aa in figure 2; figure 4 section BB in figure 3.

Электрическая машина смонтирована на блоке цилиндров 1 двигателя. Ротор 2 стальной, конструктивно совмещен с маховиком и закреплен на коленчатом валу 3. На внутренней поверхности ротора выполнены зубцы 4. Статор прикреплен к блоку цилиндров с помощью кожуха маховика 5 и фланца 6, выполненных литыми из алюминиевого сплава. Магнитопровод статора состоит из сердечника 7, массивных дисков 8 и 9, а также шихтованных пакетов 10 и 11 с наружными зубцами 12. Между пакетами размещена проставка 13 из неферромагнитного материала, имеющая ребра 14 по количеству зубцов листа. Суммарный зазор между проставкой и дисками 8,9 меньше толщины листа пакета, что предотвращает провал крайних листов. Пакеты листов статора обжаты через проставку 13 и зафиксированы кольцами 15. В пазах уложена обмотка 16 якоря, общая для обоих пакетов. В массивных дисках 8, 9 выполнены кольцевые расточки, в которых установлен сердечник 7 с обмоткой 17 возбуждения. Последняя намотана непосредственно на сердечник 7, изолированный лакотканью 18. The electric machine is mounted on the engine block 1. The rotor 2 is steel, structurally combined with the flywheel and mounted on the crankshaft 3. The teeth are made on the inner surface of the rotor 4. The stator is attached to the cylinder block using the flywheel housing 5 and the flange 6 made of cast aluminum alloy. The stator magnetic circuit consists of a core 7, massive disks 8 and 9, as well as burnt bags 10 and 11 with external teeth 12. Between the packages there is a spacer 13 made of non-ferromagnetic material, having ribs 14 by the number of teeth of the sheet. The total gap between the spacer and 8.9 discs is less than the thickness of the package sheet, which prevents the failure of the end sheets. The packages of stator sheets are crimped through a spacer 13 and fixed by rings 15. In the grooves the winding 16 of the armature is laid, common to both packages. In massive disks 8, 9, circular bores are made in which a core 7 with an excitation winding 17 is installed. The latter is wound directly on the core 7, insulated with varnish 18.

Генератор охлаждается продувкой, для чего во фланце 6 выполнены входные, а в роторе 2 и кожухе маховика 5 выходные вентиляционные окна. На торцовых поверхностях зубцов 4 ротора закреплены воздухозаборники 19, имеющие коробчатое сечение (фиг.4), и диффузорные участки между зубцами ротора (фиг.3). The generator is cooled by blowing, for which purpose inlet flanges are made in the inlet 6, and ventilation windows are in the rotor 2 and the flywheel housing 5. On the end surfaces of the teeth of the rotor 4 are fixed air intakes 19 having a box section (Fig. 4) and diffuser sections between the teeth of the rotor (Fig. 3).

Как показывают расчеты, в предлагаемой машине достигается уменьшение расстояния между пакетами в 3-4 раза, виток обмотки якоря укорачивается в 1,5-2 раза, средний диаметр обмотки возбуждения уменьшается на 10-20% а допустимая плотность тока в ней увеличивается на 50-70% Суммарно достигается экономия меди приблизительно в 2,5 раза. As the calculations show, in the proposed machine, the distance between the packets is reduced by 3-4 times, the armature coil winding is shortened by 1.5-2 times, the average diameter of the field coil decreases by 10-20% and the permissible current density in it increases by 50- 70% Total copper savings of approximately 2.5 times.

При подключении обмотки 17 к источнику постоянного напряжения по ней протекает ток возбуждения, который создает магнитодвижущую силу в магнитопроводе, включающем сердечник 7, диск 8, пакет 10, ротор 2, пакет 11, диск 9. Замыкание магнитного потока происходит через рабочие зазоры между зубцами 4 ротора и примыкающими к ним в данный момент зубцами 12 пакетов. При вращении ротора магнитный поток в зубцах пакетов пульсирует, вследствие чего в витках обмотки якоря, охватывающих эти зубцы, генерируется переменная электродвижущая сила. When the winding 17 is connected to a constant voltage source, an excitation current flows through it, which creates a magnetomotive force in the magnetic circuit, including the core 7, disk 8, packet 10, rotor 2, packet 11, disk 9. The magnetic flux closes through working gaps between the teeth 4 rotor and teeth adjacent to them at the moment 12 packets. When the rotor rotates, the magnetic flux in the teeth of the packets pulsates, as a result of which a variable electromotive force is generated in the turns of the armature winding covering these teeth.

Наружный воздух через окна во фланце 6 попадает в воздухозаборник 19 с относительной скоростью, близкой к окружной скорости ротора. В диффузорных участках воздухозаборников происходит торможение и частичное восстановление давления, благодаря чему создается полезный напор и осуществляется вентиляция машины. Воздух охлаждает поверхности ротора 2, пакетов 10 и 11, проставки 13, обмотки 16. Отвод джоулева тепла обмотки 17 осуществляется теплопроводностью через сердечник 7 и диски 8, 9. External air through the windows in the flange 6 enters the air intake 19 with a relative speed close to the peripheral speed of the rotor. In the diffuser sections of the air intakes, braking and partial restoration of pressure occur, due to which a useful pressure is created and the machine is ventilated. The air cools the surface of the rotor 2, the packages 10 and 11, the spacers 13, the winding 16. The Joule heat of the winding 17 is removed through thermal conductivity through the core 7 and discs 8, 9.

Claims

1. TWO-PACK INDUCTOR MACHINE, containing a gear rotor, a stator with two packages made of electrical steel, a common anchor winding for two packages and a fixed ring field winding located under the anchor winding, characterized in that the stator packets are located inside the rotor on massive disks, with grooves on the outer surface in which the anchor winding is placed, and the annular field winding is located directly on the core of the stator magnetic circuit.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the circular disks are made in the massive disks, in which the core with the field winding is installed, between the massive disks with a gap smaller than the thickness of the stator packet sheet, a non-magnetic spacer is installed, to which the sheets of both stator packets are pressed .

3. The machine according to claim 1, characterized in that box-shaped air intakes containing diffuser sections between the teeth are installed on the rotor teeth from the cooling air inlet side.