RU2246167C1

RU2246167C1 - Face-type electrical machine

Info

Publication number: RU2246167C1
Application number: RU2003123587/09A
Authority: RU
Inventors: М.П. Головин (RU); М.П. Головин; А.Л. Встовский (RU); А.Л. Встовский; Л.Н. Головина (RU); Л.Н. Головина; С.А. Встовский (RU); С.А. Встовский; С.С. Кузьмин (RU); С.С. Кузьмин; В.А. Супей (RU); В.А. Супей
Original assignee: Красноярский государственный технический университет (КГТУ)
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-02-10
Also published as: RU2003123587A

Abstract

FIELD: electromechanical engineering; face-type synchronous machines.

SUBSTANCE: proposed electrical machine has wound stator and rotor in the form of disk mounted in antifriction bearings; stator is secured in one of two endshields of machine and has self-contained tooth layer potted in compound, distributed winding in the form of winding modules, and yoke wound of steel strip; mentioned endshield of machine has alignment collar for aligning laminations of winding modules; two alignment collars are provided on rotor disk surface facing the stator; permanent magnets and enclosed pole shoes in the form of strips whose sectional area reduces toward ends are inserted between these alignment collars.

EFFECT: enhanced power characteristics and reduced size of synchronous machine.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к конструкции торцевых синхронных машин, работающих в режиме генератора или двигателя.The invention relates to electrical engineering, in particular to the design of end-face synchronous machines operating in the generator or engine mode.

Известен беспазовый статор электрической машины, описанный в А.с. 278836, кл. Н 02 К 5/10. В нем с целью упрощения технологии изготовления, активная часть выполнена в виде обмоточных модулей, состоящих из пакетов, набранных из чередующихся между собой проводников обмотки и отделенных слоем изоляции листовых ферромагнитных элементов и лобовых частей. Пакеты установлены на ярме статора с помощью клиньев, выполненных заодно с ярмом, что не технологично при массовом производстве. Кроме того, снижены энергетические показатели машины, поскольку пакеты не фиксированы в радиальном направлении, что приводит к неравномерности активной длины магнитопровода.Known baseless stator of an electric machine described in A.S. 278836, cl. H 02 K 5/10. In it, in order to simplify the manufacturing technology, the active part is made in the form of winding modules, consisting of packages drawn from alternating winding conductors and separated by an insulation layer of sheet ferromagnetic elements and frontal parts. The packages are installed on the stator yoke using wedges made at the same time as the yoke, which is not technologically advanced in mass production. In addition, the energy performance of the machine is reduced, since the packages are not fixed in the radial direction, which leads to uneven active length of the magnetic circuit.

Известна также торцевая бесконтактная электрическая машина (А.с. 2076434, кл. Н 02 К 21/24, 27.03.97), содержащая два статора с обмотками, кольцевую обмотку возбуждения, установленную на неподвижном внешнем магнитопроводе, и ротор, состоящий из двух магнитоизолированных Р-полюсных систем, причем сердечники одной системы выполнены из магнитомягкой стали, сердечники другой системы выполнены из магнитомягких призматических брусков, по всем граням которых, кроме граней, обращенных к статорам, прикреплены плоские постоянные магниты, а зубцы ротора, являющиеся магнитными шунтами для магнитов, размещены на боковых гранях брусков. Они расположены внутри двух магнитомягких колец, являющихся шунтами для магнитов, установленных на верхних и нижних гранях призматических брусков. Концентрация магнитного поля обеспечивает уменьшение массы и габаритов машины.An end contactless electric machine is also known (A.S. 2076434, class N 02 K 21/24, 03/27/97), containing two stators with windings, an annular field winding mounted on a fixed external magnetic circuit, and a rotor consisting of two magnetically insulated P-pole systems, with the cores of one system made of soft magnetic steel, the cores of another system made of soft soft prismatic bars, on all faces of which, except for the faces facing the stators, flat permanent magnets are attached, and the teeth of the rotor are magnetic shunts for magnets are placed on the side faces of the bars. They are located inside two magnetically soft rings, which are shunts for magnets mounted on the upper and lower faces of the prismatic bars. The concentration of the magnetic field provides a reduction in the mass and dimensions of the machine.

Однако такая электрическая машина достаточно сложна конструктивно и нетехнологична при промышленном производстве. Размещение обмотки возбуждения на внешнем магнитопроводе приводит к увеличению габаритов машины и увеличенному расходу меди.However, such an electric machine is quite complex structurally and low-tech in industrial production. Placing the field winding on the external magnetic circuit leads to an increase in the dimensions of the machine and an increased consumption of copper.

Наиболее близким к заявленной машине является “Индукционный двигатель”, (см. патент №2897387 от 28.07.59, опубликованный в United States Patent Office), в дальнейшем - торцевая электрическая машина содержащая торцевой статор в форме кольца с двумя рабочими поверхностями и два короткозамкнутых ротора в виде дисков, установленных в подшипниках по обе стороны статора и обращенных рабочими поверхностями к статору, причем последний имеет пару противоположных рабочих поверхностей и множество разделенных немагнитными промежутками полюсов, имеющих постоянное поперечное сечение в осевом направлении, листы мягкого железа покрывают полюсы статора, выполняя одновременно и роль корпуса двигателя. Обмотка выполнена сосредоточенной и размещена в углублениях полюсов. Два ротора могут быть короткозамкнутыми (короткозамкнутая обмотка выполнена в виде медного диска или медного покрытия на рабочей стороне роторов) или иной торцевой конструкции.Closest to the claimed machine is the "Induction motor", (see patent No. 2897387 from 07.28.59, published in the United States Patent Office), hereinafter - the end electric machine containing an end stator in the form of a ring with two working surfaces and two squirrel-cage rotors in the form of disks mounted in bearings on both sides of the stator and facing the working surfaces to the stator, the latter having a pair of opposing working surfaces and many poles separated by non-magnetic gaps with a constant axial cross-section, sheets of soft iron cover the stator poles, performing at the same time the role of the motor housing. The winding is made concentrated and placed in the recesses of the poles. Two rotors can be short-circuited (the short-circuited winding is made in the form of a copper disk or a copper coating on the working side of the rotors) or other end construction.

Недостатками конструкции являются низкие энергетические показатели, связанные с экранированием статорной обмотки листом мягкого железа, наличие сосредоточенной обмотки, отсутствие крепления обмотки статора в углублениях его магнитопровода.The design disadvantages are low energy indicators associated with shielding of the stator winding with a sheet of soft iron, the presence of a concentrated winding, the lack of fastening of the stator winding in the recesses of its magnetic circuit.

В основу изобретения положена задача создания технологичной в производстве машины переменного тока повышенных энергетических показателей при существенно уменьшенном наружном диаметре.The basis of the invention is the task of creating technologically advanced in the manufacture of an AC machine of increased energy performance with a significantly reduced outer diameter.

Поставленная задача решается тем, что торцевая электрическая машина, включающая статор с обмоткой, закрепленный в корпусе, обращенный рабочими поверхностями к двум, дискообразным роторам, расположенным с двух сторон от статора, установленным в подшипниках качения, согласно изобретению содержит диск с штифтом и выступами, входящими в зацепление с пазами, выполненными в корпусе, статор выполнен из двух половин, в каждой из которых залит компаундом автономный зубцовый слой, распределенная обмотка в виде обмоточных модулей и ярмо, навитое из стальной ленты, установленных по разные стороны этого диска, причем с обеих сторон диска выполнены центрирующие пояски, на которых сцентрированы ярмо и пластины обмоточных модулей, а на дисках двух роторов со стороны рабочих поверхностей статора выполнены по два центрирующих пояска, между которыми смонтированы постоянные магниты, полюсные наконечники которых имеют форму пластины с уменьшающимся к краям сечением.The problem is solved in that the end-face electric machine, comprising a stator with a winding, fixed in the housing, facing the working surfaces to two disk-shaped rotors located on both sides of the stator, mounted in rolling bearings, according to the invention contains a disk with a pin and protrusions included in engagement with the grooves made in the housing, the stator is made of two halves, each of which is filled with a compound of an independent tooth layer, a distributed winding in the form of winding modules and a yoke wound and steel tape mounted on opposite sides of this disk, and on both sides of the disk there are centering belts on which the yoke and plates of the winding modules are concentrated, and on the disks of two rotors from the side of the working surfaces of the stator, two centering belts are made, between which permanent magnets are mounted, the pole pieces of which are in the form of a plate with a section decreasing towards the edges.

На фиг.1 изображена торцевая электрическая машина, на фиг.2 - обмоточный модуль.Figure 1 shows the end electric machine, figure 2 - winding module.

Торцевая электрическая машина содержит статор из двух половин 1, 2, смонтированных на диске 3, укрепленном в корпусе 4, два ротора 5 и 6, установленные на втулке 7, напрессованной на вал 8. Вал 8 закреплен в подшипниках 9, установленных в подшипниковых щитах 10 и 11, соединенных с корпусом 4.The end electric machine contains a stator of two halves 1, 2 mounted on a disk 3 mounted in the housing 4, two rotors 5 and 6 mounted on a sleeve 7, pressed onto the shaft 8. The shaft 8 is mounted in bearings 9 installed in the bearing shields 10 and 11 connected to the housing 4.

Каждая из половин статора содержит ярмо 12, навитое из стальной ленты и сцентрированное на пояске 13 диска 3. Диск 3 упирается в выступ 14 и защищен от проворота шлицами 15 (разрез А-А), входящими во впадины 16 корпуса 4 машины. Распределенная обмотка статора выполнена в виде обмоточных модулей (фиг.2), которые крепятся к ярму 12 активными пакетами, состоящими из изолированных стальных пластин 17 (элементарные зубцы) и слоев обмоточного провода 18 (фиг.2). Внизу пластины 17 образована свободная от обмотки часть, используемая для центрирования на пояске 13 диска 3. Статор в сборе залит компаундом 19. Каждый из роторов 5, 6 (изображение Б) содержит ярмо 20 ротора в виде массивного диска из ферромагнитного материала. На каждом из роторов 5, 6 выполнены пояски 21 и 22, на которых сцентрированы прямоугольные постоянные магниты 23, фиксируемые полюсными наконечниками 24 трапецеидальной формы. Полюсные наконечники 24 имеют уменьшенное к краям полюсов сечение (фиг.1, сечение В-В) для улучшения формы магнитного поля в зазоре машины. Роторы 5, 6 с помощью втулки 7 укреплены на валу 8 машины. Вал 8 закреплен в подшипниках 9, установленных в подшипниковых щитах 10 и 11. Обмоточные модули обеих половин статора и полюсы каждого ротора не должны иметь углового смещения относительно друг друга, что обеспечивается штифтом 25. В корпусе 4 выполнены закрытые пробками 26, 27 отверстия, предназначенные для контроля равномерности рабочего зазора машины. Обмоточные модули каждой половины статора соединены в схему последовательно пофазно, образуя распределенную трехфазную или с иным количеством фаз обмотку. Фазы каждой половины статора могут соединяться последовательно, что увеличивает величину выходного напряжения и уменьшает индуктивное сопротивление рассеяния статорной обмотки, или параллельно, что увеличивает величину тока, снимаемого с генератора, и упрощает обмоточные работы, за счет уменьшения сечения провода.Each of the halves of the stator contains a yoke 12, wound from a steel strip and centered on the belt 13 of the disk 3. The disk 3 abuts against the protrusion 14 and is protected against rotation by the slots 15 (section AA), which enter the troughs 16 of the machine body 4. Distributed stator winding is made in the form of winding modules (figure 2), which are attached to the yoke 12 by active packages consisting of insulated steel plates 17 (elementary teeth) and layers of the winding wire 18 (figure 2). At the bottom of the plate 17, a winding-free part is formed, which is used for centering on the belt 13 of the disk 3. The stator assembly is filled with a compound 19. Each of the rotors 5, 6 (image B) contains the yoke 20 of the rotor in the form of a massive disk of ferromagnetic material. On each of the rotors 5, 6, belts 21 and 22 are made, on which rectangular permanent magnets 23 are fixed, fixed by pole tips 24 of a trapezoidal shape. The pole pieces 24 have a section reduced to the edges of the poles (FIG. 1, section B-B) to improve the shape of the magnetic field in the gap of the machine. The rotors 5, 6 with the help of the sleeve 7 are mounted on the shaft 8 of the machine. The shaft 8 is fixed in bearings 9 installed in the bearing shields 10 and 11. The winding modules of both halves of the stator and the poles of each rotor must not be angularly displaced from each other, which is ensured by pin 25. In the housing 4, holes are provided that are closed by plugs 26, 27 and designed to control the uniformity of the working gap of the machine. The winding modules of each half of the stator are connected in series to the circuit in phase, forming a distributed three-phase or with a different number of phases winding. The phases of each half of the stator can be connected in series, which increases the output voltage and reduces the inductive resistance of the stator winding, or in parallel, which increases the current drawn from the generator and simplifies the winding work by reducing the cross section of the wire.

Машина работает следующим образом.The machine operates as follows.

В режиме генератора при вращении роторов 5 и 6 с постоянными магнитами 23 в зазоре машины создается вращающееся магнитное поле, силовые линии которого, пересекая витки обмоток двух половин статора, наводят в каждой фазе статора переменную ЭДС. Форма ЭДС близка к синусоидальной, за счет применения полюсных наконечников 24 с уменьшающимся к краям сечением и распределенной обмотки статора. В зависимости от соединения обмоток статора (последовательно или параллельно) ЭДС обмоток каждой половины статора складываются или остаются равными ЭДС обмоток одной половины статора. Применение сдвоенной конструкции (две половины статора и два ротора) существенно уменьшает диаметр машины, что повышает надежность машины за счет уменьшения длины ее рабочего зазора, упрощает работу подшипникового узла за счет компенсации усилий роторов. Постоянные магниты выбраны таким образом, что при номинальной нагрузке генератора выходное напряжение равно номинальному. Частота выходного напряжения определяется частотой вращения ротора и количеством пар полюсов, которое практически не ограничено, что позволяет применить прямой привод между первичным двигателем и генератором при практически любых частотах вращения приводного двигателя. Фиксированная установка активных пакетов обмоточных модулей (фиг.2) и постоянных магнитов 23 роторов 5 и 6 на центрирующих поясках, соответственно 13, 21 и 22, обеспечивает: концентричность всех элементов статора и роторов, заданную активную длину машины, расчетную величину ЭДС обмоток статора, симметрию напряжений по фазам, а следовательно, и расчетные энергетические показатели машины (в том числе КПД, форму и величину выходного напряжения). Компаундирование обмотки статора вместе с пластинами обмоточных модулей и ярмом увеличивает диэлектрическую прочность обмотки, снижает вибрации и шумы магнитного происхождения. Равномерность воздушного зазора обеспечивается механической обработкой рабочих поверхностей обеих половин статора после установки в корпус машины, что одновременно повышает качество машины.In the generator mode, when the rotors 5 and 6 with permanent magnets 23 rotate, a rotating magnetic field is created in the gap of the machine, the lines of force of which, crossing the turns of the windings of the two halves of the stator, induce a variable EMF in each phase of the stator. The shape of the EMF is close to sinusoidal, due to the use of pole pieces 24 with a section decreasing towards the edges and a distributed stator winding. Depending on the connection of the stator windings (in series or in parallel), the EMF of the windings of each half of the stator add up or remain equal to the EMF of the windings of one half of the stator. The use of a dual design (two halves of the stator and two rotors) significantly reduces the diameter of the machine, which increases the reliability of the machine by reducing the length of its working clearance, simplifies the operation of the bearing assembly by compensating the forces of the rotors. Permanent magnets are selected in such a way that at the rated load of the generator the output voltage is equal to the rated voltage. The frequency of the output voltage is determined by the rotor speed and the number of pole pairs, which is practically unlimited, which allows the direct drive between the prime mover and the generator to be used at almost any speed of the drive motor. A fixed installation of active packages of winding modules (figure 2) and permanent magnets 23 of rotors 5 and 6 on the centering belts, 13, 21 and 22, respectively, provides: concentricity of all elements of the stator and rotors, a given active length of the machine, the calculated value of the EMF of the stator windings, symmetry of stresses in phases, and therefore, the calculated energy performance of the machine (including efficiency, shape and magnitude of the output voltage). Compounding the stator winding together with the plates of the winding modules and the yoke increases the dielectric strength of the winding, reduces vibration and noise of magnetic origin. The uniformity of the air gap is ensured by machining the working surfaces of both halves of the stator after installation in the machine body, which at the same time improves the quality of the machine.

В режиме двигателя ток, протекающий по обмотке каждой половины статора 1 и 2, взаимодействует с магнитным потоком соответствующего ротора 5 или 6 и создает вращающий момент. Частота вращения ротора определяется количеством пар полюсов и частотой питающего напряжения, а способы пуска общепринятые для синхронных двигателей.In motor mode, the current flowing through the winding of each half of the stator 1 and 2 interacts with the magnetic flux of the corresponding rotor 5 or 6 and creates a torque. The rotor speed is determined by the number of pole pairs and the frequency of the supply voltage, and starting methods are generally accepted for synchronous motors.

Выполнение двигателя со статором, состоящим из двух половин и двумя роторами позволяет вместе с уменьшением диаметра уменьшить момент инерции двигателя, выполнить рабочий зазор с высокой степенью равномерности, как за счет уменьшения диаметра, так и за счет компенсации усилий роторов, что облегчает работу подшипникового узла и повышает его надежность. Включение обмоток каждой половины статора таким образом, чтобы электромагнитный момент каждой половины двигателя был бы сонаправлен, увеличивает выходной момент вала двигателя.The execution of the motor with a stator consisting of two halves and two rotors allows, together with reducing the diameter, to reduce the moment of inertia of the engine, to make the working gap with a high degree of uniformity, both by reducing the diameter and by compensating the efforts of the rotors, which facilitates the operation of the bearing assembly and increases its reliability. Turning on the windings of each half of the stator so that the electromagnetic moment of each half of the motor is aligned, increases the output moment of the motor shaft.

Таким образом, технологичность торцевой электрической машины существенно повышена за счет технологичной конструкции обмоточных модулей и упрощения сборки вследствие применения в конструкции центрирующих поясков, а энергетические показатели улучшены за счет использования распределенной обмотки, снижения радиальных и осевых погрешностей в статоре и роторах, достигаемого применением центрирующих поясков. Применение сдвоенной конструкции ведет к уменьшению радиального размера машины, снижению момента инерции, существенному повышению надежности, улучшению работы подшипникового узла. Все это говорит о решении поставленной задачи.Thus, the manufacturability of the end electric machine is significantly increased due to the technological design of the winding modules and simplified assembly due to the use of centering belts in the design, and energy performance is improved due to the use of distributed windings, reduction of radial and axial errors in the stator and rotors achieved by the use of centering belts. The use of a dual design leads to a decrease in the radial size of the machine, a decrease in the moment of inertia, a significant increase in reliability, and an improvement in the operation of the bearing assembly. All this speaks of the solution of the task.

Claims

An end electric machine, including a stator with a winding and a rotor in the form of a disk, mounted in rolling bearings, characterized in that the stator is mounted on one of the two bearing shields of the machine and is made with an autonomous gear layer filled with a compound distributed by a winding in the form of winding modules and a yoke, wound from a steel strip, on the said bearing shield of the machine a centering belt is made on which the plates of the winding modules are centered, on the rotor disk from the stator there are two centering belts between which permanent magnets are mounted, closed with pole pieces having a plate shape with a section decreasing towards the edges.