RU2076427C1 - Armature of direct current electric motor - Google Patents
Armature of direct current electric motor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2076427C1 RU2076427C1 RU93058145A RU93058145A RU2076427C1 RU 2076427 C1 RU2076427 C1 RU 2076427C1 RU 93058145 A RU93058145 A RU 93058145A RU 93058145 A RU93058145 A RU 93058145A RU 2076427 C1 RU2076427 C1 RU 2076427C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- winding
- armature
- machine
- layer
- bandage
- Prior art date
Links
Landscapes
- Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)
- Windings For Motors And Generators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, а именно электрических машин постоянного тока и может быть использовано при разработке машин средней и большой мощности, например, тяговых электродвигателей (для электровозов, трамваев, электропоездов), судовых гребных электродвигателей, электродвигателей экскаваторов, прокатных станов и т.д. The invention relates to the field of electrical engineering, namely DC electric machines and can be used in the development of medium and high power machines, for example, traction motors (for electric locomotives, trams, electric trains), ship propeller motors, excavator motors, rolling mills, etc. .
Актуальными вопросами улучшения технических характеристик электромашин постоянного тока являются уменьшение массогабаритных показателей и снижение вибрации. Actual issues of improving the technical characteristics of DC electric machines are reducing the overall dimensions and reducing vibration.
Одним из главных препятствий в этом направлении является применение в наиболее распространенных в настоящее время конструкциях электромашин зубчатого якоря. Проводники обмотки укладываются в пазы между зубцами и отделяются от окружающего паз железа электрической изоляцией, толщина которой в зависимости от ее типа, условий работы машины, а также с учетом опыта машиностроения, для машин средней и большой мощности с номинальными напряжениями порядка 0,5-3 кВ составляет до 1-1,5 мм на сторону (см. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. Л. Энергия, 1977, с.304). One of the main obstacles in this direction is the use of a gear anchor in the most common designs of electric machines. The winding conductors are laid in the grooves between the teeth and are separated from the surrounding iron groove by electrical insulation, the thickness of which, depending on its type, machine operating conditions, and also taking into account the experience of mechanical engineering, for medium and high power machines with rated voltages of the order of 0.5-3 kV is up to 1-1.5 mm per side (see Alekseev AE Traction electric machines and converters. L. Energia, 1977, p. 304).
При вращении якоря происходит периодическое изменение числа зубцов, находящихся под полюсом машины, вследствие чего возникают пульсации магнитного потока с частотой, пропорциональной числу зубцов, и, как следствие, появляются соответствующие составляющие в спектре вибраций машины ("зубцовые гармонические"). When the armature rotates, a periodic change in the number of teeth located under the pole of the machine occurs, as a result of which pulsations of the magnetic flux occur at a frequency proportional to the number of teeth, and, as a result, the corresponding components in the vibration spectrum of the machine appear (“harmonic teeth”).
Возможным способом уменьшения количества изоляции в обмоточном слое и устранения зубцовых гармонических вибрации является переход на использование беззубцовой конструкции якоря ("гладкого якоря"). Витки обмотки в якорях этого типа укладываются на изолированную поверхность беззубцового сердечника и отделяются друг от друга только витковой изоляцией (толщиной 0,1-0,2 мм). A possible way to reduce the amount of insulation in the winding layer and to eliminate tooth harmonic vibrations is to switch to the use of the toothless design of the anchor (“smooth anchor”). The winding turns in anchors of this type are laid on the insulated surface of the toothless core and are separated from each other only by coil insulation (0.1-0.2 mm thick).
Известен ряд конструкций машин постоянного тока с гладким якорем (см. авт.св. N 394895, Н 02 К 3/46, 1973.). A number of designs of DC machines with a smooth anchor are known (see ed. St. N 394895, N 02 K 3/46, 1973.).
Общим недостатком этих машин, обусловленным отсутствием магнитопроводящих элементов в обмоточном слое, является большая величина немагнитного зазора. Особенно сильно это появляется в машинах большой мощности, имеющих соответственно и большую толщину обмоточного слоя. Увеличение расхода мощности в обмотке возбуждения приводит к ухудшению КПД и росту массообъемных показателей машины, вследствие чего машины постоянного ток с гладким якорем в настоящее время находят применение, главным образом, в маломощных системах автоматики (см. Электрические двигатели с гладким якорем для систем автоматики. Под ред. Ю.К.Васильева. М. Энергия, 1979). A common drawback of these machines, due to the lack of magnetically conductive elements in the winding layer, is the large non-magnetic gap. This appears especially strongly in high-power machines, which, respectively, have a large thickness of the winding layer. An increase in power consumption in the field winding leads to a deterioration in the efficiency and an increase in the mass-volumetric parameters of the machine, as a result of which direct-current machines with a smooth armature are currently used mainly in low-power automation systems (see Electric motors with a smooth armature for automation systems. Under Edited by Yu.K. Vasiliev. M. Energy, 1979).
В изобретениях по авт.свид. N 917262, Н 02 К 1/06, 1982. обмотки предполагается изготавливать из биметаллических материалов, состоящих из токопроводящих и магнитопроводящих частей. Через ферромагнитный материал (сталь) проходит часть общего электрического тока обмотки, вследствие чего увеличивается токовая нагрузка обмоточного слоя якоря. Однако в машинах постоянного тока применение обмоток из биметалла является нецелесообразным в силу следующих причин. In inventions by autosvid. N 917262, N 02 K 1/06, 1982. The windings are supposed to be made of bimetallic materials consisting of conductive and magnetically conductive parts. A part of the total electric current of the winding passes through the ferromagnetic material (steel), as a result of which the current load of the winding layer of the armature increases. However, in DC machines, the use of bimetal windings is impractical for the following reasons.
Наличие ферромагнитных элементов в лобовых частях обмотки будет увеличивать магнитную проводимость для потоков самоиндукции коммутируемой секции, а также потоков взаимоиндукции с другими секциями. Вследствие этого возрастает величина реактивной ЭДС и ухудшится процесс коммутации (см. Вольдек А. И. Электрические машины. М.-Л. Энергия, 1966). За счет увеличения магнитной проводимости лобовых частей обмотки ротора увеличатся также потоки рассеяния главных и добавочных полюсов. The presence of ferromagnetic elements in the frontal parts of the winding will increase the magnetic conductivity for the flows of self-induction of the switched section, as well as flows of mutual induction with other sections. As a result of this, the magnitude of the reactive EMF increases and the switching process worsens (see Voldek A. I. Electric machines. M.-L. Energia, 1966). By increasing the magnetic conductivity of the frontal parts of the rotor winding, the scattering fluxes of the main and auxiliary poles will also increase.
Параллельное подключение медных проводников к стальным магнитопроводам будет приводить к уменьшению электрического сопротивления на пути наводимых в стали вихревых токов, а следовательно, увеличить соответствующие потери мощности, особенно при высоких частотах перемагничивания (20oC 50 Гц).Parallel connection of copper conductors to steel magnetic circuits will lead to a decrease in electrical resistance in the path of eddy currents induced in the steel, and consequently, to increase the corresponding power losses, especially at high magnetization reversal frequencies (20 o C 50 Hz).
Кроме того, предложенная в указанных изобретениях конструкция обмотки якоря, предназначена для использования на неподвижной (статорной) части многофазных машин переменного тока и практически не может быть реализована на вращающемся роторе машины постоянного тока. In addition, the design of the armature winding proposed in these inventions is intended for use on the fixed (stator) part of multiphase AC machines and can hardly be implemented on a rotating rotor of a DC machine.
Каких-либо технических решений, направленных на снижение уровня вибрации машин зубцового характера (возникающих вследствие введения в токовый слой ферромагнитных элементов), рассмотренные предложения не содержат. There are no technical solutions aimed at reducing the vibration level of gear machines (arising from the introduction of ferromagnetic elements into the current sheet), the proposals do not contain.
По совокупности основных признаков (род тока машины, конструкция и способ крепления обмотки, ее расположение на роторе машины) предлагаемое техническое решение наиболее близко к конструкции, представленной в авт.св. 394895, Н 02 К 3/46, 1973. которая и принята за прототип. By the combination of the main features (type of current of the machine, design and method of fastening the winding, its location on the rotor of the machine), the proposed technical solution is the closest to the design presented in ed. 394895, H 02 K 3/46, 1973. which is taken as a prototype.
В известной конструкции обмотка размещена на изолированной поверхности беззубцового якоря, закреплена бандажом и приклеена к сердечнику якоря в виде монолитного слоя. In a known design, the winding is placed on the insulated surface of the toothless anchor, secured with a bandage and glued to the core of the armature in the form of a monolithic layer.
Подобная конструкция обеспечивает простое крепление обмоточного слоя на якоре, отсутствие электромагнитных вибраций зубцового происхождения, однако обладает общим недостатком машин с гладким якорем увеличенным немагнитным зазором, приводящим к ухудшению массообъемных показателей машины (или понижению КПД). Such a design provides easy fastening of the winding layer at the anchor, the absence of electromagnetic vibrations of the tooth origin, however, it has a common disadvantage of machines with a smooth anchor with an increased non-magnetic gap, leading to a deterioration in the mass-volumetric performance of the machine (or lower efficiency).
Задачей заявляемого изобретения является создание конструкции якоря машины постоянного тока, позволяющей получить минимальные массообъемные показатели машины при малом уровне зубцовых гармонических вибрации. The task of the invention is the creation of a design of the armature of a direct current machine, which allows to obtain the minimum mass-volume characteristics of the machine with a low level of harmonic tooth vibration.
Это достигается тем что на активной длине якоря машины постоянного тока, содержащего беззубцовй магнитопровод и закрепленную при помощи бандажа из электроизоляционного материала и замоноличенную вместе с ним обмотку, каждый обмоточный слой выбирается из чередующихся между собой покрытых витковой изоляцией проводников обмотки и ферромагнитных элементов, например, шихтованных, например, трапециевидного сечения, а на каждый обмоточный слой наложен силовой бандаж в виде сплошного покрытия из электроизоляционного материала, например, стекловолокнистой ленты. При этом толщина ферромагнитных элементов выбирается не большей, чем величина суммарного немагнитного зазора машины. This is achieved by the fact that on the active length of the armature of a direct current machine, containing a toothless magnetic circuit and secured with a winding made of electrical insulation material and monolithic together with it, each winding layer is selected from alternating winding conductors and ferromagnetic elements alternating between them, for example, charged , for example, a trapezoidal section, and on each winding layer a power bandage is applied in the form of a continuous coating of electrical insulating material, for example, st fiberglass tape. In this case, the thickness of the ferromagnetic elements is chosen no greater than the value of the total non-magnetic gap of the machine.
Наличие в обмоточном слое ферромагнитных элементов обеспечивает достаточную магнитную проводимость для основного магнитного потока, а малый объем, занимаемый изоляцией в слое (только тонкая витковая) возможность получения высоких уровней заполнения слоя проводниками тока. Вследствие этого уменьшается необходимая МДС обмоток возбуждения, а общая масса и объем машины с якорем предлагаемой конструкции становится меньше, чем с якорем, принятым за прототип или зубчатым. The presence of ferromagnetic elements in the winding layer provides sufficient magnetic conductivity for the main magnetic flux, and the small volume occupied by the insulation in the layer (only a thin coil) is able to obtain high levels of layer filling with current conductors. As a result, the required MDS of the field windings is reduced, and the total mass and volume of the machine with the armature of the proposed design becomes smaller than with the armature adopted as a prototype or gear.
В отличие от прототипа при вращении якоря предлагаемой конструкции возможно возникновение вибраций машины зубцового характера вследствие наличия на нем ферромагнитных элементов. Однако принятием определенных конструктивных мер уровень вибраций может быть снижен до допустимых значений. In contrast to the prototype, when the armature of the proposed design rotates, vibrations of the dentate machine may occur due to the presence of ferromagnetic elements on it. However, the adoption of certain design measures, the level of vibration can be reduced to acceptable values.
Как известно (см. Шубов И. Г. Шум и вибрация электрических машин. Л. Энергоатомиздат, 1986), величина главных возбудителей вибрации машин постоянного тока электромагнитного происхождения знакопеременных сил, действующих на полюс при прохождении под ним зубцов ротора зависит от соотношения ширины зубца и величины немагнитного зазора машины. Вибрация машины уменьшается при относительном уменьшении ширины зубца. As is known (see Shubov I.G. Noise and vibration of electric machines. L. Energoatomizdat, 1986), the magnitude of the main causative agents of vibration of direct current machines of electromagnetic origin of alternating forces acting on the pole when the rotor teeth pass under it depends on the ratio of the tooth width and non-magnetic clearance of the machine. Vibration of the machine decreases with a relative decrease in the width of the tooth.
В машинах с зубчатым якорем через зубцы на сердечник ротора передается вращающий момент машины (электромагнитные усилия, действующие на проводники, расположенные в пазу), вследствие чего ширина зубца у основания не может быть меньше, чем допустимая по условиям его механической прочности. В машине с гладким якорем и замоноличенным обмоточным слоем вращающий момент передается через весь обмоточный слой, а ферромагнитные вставки, через которые проходит магнитный поток, не выполняют функций основных элементов для передачи момента. Это позволяет принимать при проектировании машины ширину ферромагнитной вставки меньшую, чем у машин с зубчатым якорем, и за счет этого снизить уровень вибрации. In machines with a gear anchor, the machine torque is transmitted through the teeth to the rotor core (electromagnetic forces acting on the conductors located in the groove), as a result of which the width of the tooth at the base cannot be less than permissible under the conditions of its mechanical strength. In a machine with a smooth anchor and a monolithic winding layer, the torque is transmitted through the entire winding layer, and the ferromagnetic inserts through which the magnetic flux passes do not perform the functions of the main elements for transmitting the moment. This allows you to take when designing a machine the width of the ferromagnetic insert is smaller than that of machines with a gear anchor, and thereby reduce the level of vibration.
Удовлетворяющий большинству практических случаев и существенно меньший, чем у машин с зубчатым якорем уровень вибрации от зубцовых гармонических может быть достигнут при уменьшении толщины ферромагнитных элементов до значений меньших, чем величина немагнитного зазора машины (определяемого суммарной величиной основного воздушного зазора и радиальными толщинами корпусной, межслойной и наружной изоляции обмоток). Satisfying most practical cases and significantly lower than that for machines with a gear anchor, the vibration level from the tooth harmonic can be achieved by reducing the thickness of the ferromagnetic elements to values smaller than the non-magnetic gap of the machine (determined by the total value of the main air gap and the radial thickness of the body, interlayer and external insulation of windings).
На чертеже представлен схематический поперечный разрез якоря машины постоянного тока с предлагаемой конструкцией обмотки (сектор в 45o).The drawing shows a schematic cross section of the armature of a DC machine with the proposed design of the winding (sector of 45 o ).
Якорь выполнен следующим образом. The anchor is made as follows.
На вал 1 насажен сердечник 2, изготовленный из листов электротехнического железа. На цилиндрическую наружную поверхность сердечника уложен слой корпусной изоляции 3. На этом слое размещены стержни проводников нижнего слоя обмотки 4, покрытые витковой изоляцией 5, и поочередно с ними (в тангенциальном напpавлении) уложены ферромагнитные элементы стержни 6, длина которых соответствует активной длине машины. A core 2 made of sheets of electrotechnical iron is mounted on the shaft 1. A layer of casing insulation 3 is laid on the cylindrical outer surface of the core 3. On this layer there are rods of conductors of the lower layer of the winding 4 coated with winding insulation 5, and alternately with them (in the tangential direction) the ferromagnetic elements of the rods 6 are laid, the length of which corresponds to the active length of the machine.
Ферромагнитные элементы 6 имеют поперечное сечение в виде трапеции, расширяющейся в радиальном направлении. Подобное исполнение позволяет наилучшим образом заполнить объем между токопроводящими стержнями и обеспечить минимальное магнитное сопротивление на пути магнитного потока. Для обеспечения малого уровня вибрации машины максимальная толщина ферромагнитных элементов не превышает величины суммарного немагнитного зазора машины, а при высоких частотах вращения машины (перемагничивания) они могут быть выполнены шихтованными. The ferromagnetic elements 6 have a cross section in the form of a trapezoid, expanding in the radial direction. Such a design allows you to best fill the volume between the conductive rods and provide minimal magnetic resistance in the path of magnetic flux. To ensure a low level of vibration of the machine, the maximum thickness of the ferromagnetic elements does not exceed the value of the total non-magnetic gap of the machine, and at high speeds of rotation of the machine (magnetization reversal) they can be made in batch form.
Нижний обмоточный слой, включая ферромагнитные элементы 6, покрыт слоем электроизоляционной ленты 7, например стекловолокнистой, которая одновременно выполняет функции силового бандажа и электроизолирующего слоя, отделяющего нижний обмоточный слой от верхнего (межслойной изоляции). Верхний слой обмотки состоит из токопроводящих стержней 8 и ферромагнитных элементов 9, покрытых внешней изоляцией 10 (бандажами). Все обмоточные слои пропитаны и замоноличены в электроизолирующем материале. The lower winding layer, including ferromagnetic elements 6, is covered with a layer of electrical insulation tape 7, for example fiberglass, which simultaneously serves as a power band and an electrical insulating layer that separates the lower winding layer from the upper (interlayer insulation). The upper layer of the winding consists of conductive rods 8 and ferromagnetic elements 9, coated with external insulation 10 (bandages). All winding layers are impregnated and monolithic in an electrically insulating material.
Выполненные расчеты (в том числе, совместно с ЛПЭО "Электросила"), а также экспериментальные исследования моделей машин различной мощности (включая изготовление и испытания якоря для трамвайного двигателя мощностью 45 кВт) подтвердили возможность реализации предлагаемой конструкции. При этом ожидаемый выигрыш по массе по сравнению с двигателем с гладким якорем известной конструкции составит не менее двукратного, а по сравнению с двигателем с зубчатым якорем 20-40% (в зависимости от параметров машины, мощности, частоты вращения). The performed calculations (including, together with the LSEO "Electrosila"), as well as experimental studies of models of cars of various capacities (including the manufacture and testing of an anchor for a 45 kW tram engine) confirmed the feasibility of the proposed design. At the same time, the expected gain in weight in comparison with an engine with a smooth anchor of known design will be at least twice, and compared with an engine with a gear anchor, 20-40% (depending on the parameters of the machine, power, speed).
Предлагаемое для снижения зубцовых составляющих вибрации техническое решение было проверено расчетным путем и экспериментально на изготовленных образцах электрических машин (с замером уровня вибрации). The technical solution proposed to reduce the tooth components of vibration was verified by calculation and experimentally on manufactured samples of electric machines (with vibration level measurement).
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93058145A RU2076427C1 (en) | 1993-12-30 | 1993-12-30 | Armature of direct current electric motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93058145A RU2076427C1 (en) | 1993-12-30 | 1993-12-30 | Armature of direct current electric motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93058145A RU93058145A (en) | 1996-08-10 |
| RU2076427C1 true RU2076427C1 (en) | 1997-03-27 |
Family
ID=20151105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93058145A RU2076427C1 (en) | 1993-12-30 | 1993-12-30 | Armature of direct current electric motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2076427C1 (en) |
-
1993
- 1993-12-30 RU RU93058145A patent/RU2076427C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. - Л.: Энергия, 1977, с. 304. 2. Авторское свидетельство СССР N 917262, кл. H 02 K 1/06, 1982. 3. Авторское свидетельство СССР N 394895, кл. H 02 K 3/46, 1973. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4311643B2 (en) | Method for manufacturing permanent magnet type rotating electric machine and method for manufacturing permanent magnet type synchronous generator for wind power generation | |
| US8922093B2 (en) | Axial flux motor and generator assemblies | |
| US4709180A (en) | Toothless stator construction for electrical machines | |
| US20180323665A1 (en) | Motor with separated permanent magnet torque and reluctance torque and its optimal efficiency control | |
| US7902700B1 (en) | Low harmonic loss brushless motor | |
| CN111049288B (en) | Surrounding type winding magnetic flux modulation stator structure | |
| WO2004112217A2 (en) | Radial airgap, transverse flux motor | |
| EP2237390A2 (en) | Electric machine | |
| EP1639689A2 (en) | Radial airgap, transverse flux motor | |
| CN111181262B (en) | Stator structure using built-in magnetic flux modulation ring of winding | |
| CN108199554B (en) | Bipolar multiphase permanent magnet synchronous motor and method | |
| JPH08182282A (en) | Permanent magnetic excitation synchronous motor for vehicle | |
| CN112953092A (en) | Novel permanent magnet synchronous generator | |
| RU2076427C1 (en) | Armature of direct current electric motor | |
| US20220085674A1 (en) | Rotary electric machine | |
| RU2104608C1 (en) | Solid rotor of electrical machine | |
| CN215646471U (en) | Novel permanent magnet synchronous generator | |
| CN117118110B (en) | Large-inductance tooth-slot-free propulsion motor | |
| CN220628980U (en) | Permanent magnet sinusoidal segmented high-performance high-speed surface-mounted permanent magnet synchronous motor | |
| CN209982197U (en) | Like-pole excitation motor | |
| WO2001005015A2 (en) | Magnetic core of electric rotational machines made of grain-oriented sheets | |
| US11770035B2 (en) | Laminated core for an electric machine | |
| JPH11285183A (en) | Rotor structure of synchronous motor | |
| CN111654128B (en) | Axial synchronous reluctance motor | |
| JPS6310660B2 (en) |