МАЛОШУМНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
LOW-NOISE ELECTRIC MOTOR

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам переменного тока, и может использоваться в тяговом электроприводе и исполнительных механизмах.
Уровень техники. Из уровня техники известна совмещенная обмотка асинхронной машины [патент РФ на изобретение №2538266], где рассматривается совмещенная обмотка асинхронного двигателя для случая числа полюсов 2р=4 и числа пазов Z=36 с шагом катушек у=1-10. Обмотка содержит 12 катушек, при этом число витков нечетных катушек и число витков нечетных катушек соотносятся как  раз. Данное техническое решение отличается тем, что схема совмещенной обмотки электрической машины с шагом у=1-10, числом пар полюсов 2р=4, числом параллельных ветвей а=1 или 2, и числом пазов z=36 включает полюсные катушки, которые состоят из двух равных по числу секций отдельных групп, при этом четные группы соединены в звезду, нечетные - в треугольник или, наоборот, четные - в треугольник, нечетные - в звезду, а выводы одноименных фаз звезды и треугольника соединены между собой и образуют точки подключения фаз. В указанных обмотках в двухслойных пазах число витков в два раза меньше, чем число витков в однослойных пазах.
К недостаткам такого решения можно отнести использование соединения обмотки в треугольник, что приводит к образованию замкнутого контура для протекания кольцевых токов и ухудшению из-за этого коэффициента полезного действия. Кроме того, данная обмотка является несимметричной по числу витков катушечных групп, что усложняет технологию изготовления электрических машин на ее основе и, соответственно, приводит к увеличению их стоимости.
Также известен асинхронный малошумный двигатель [патент РФ на изобретение №2507664], включающий в себя две взаимозависимые совмещенные обмотки, одна из которых включается по схеме звезды, другая - по схеме треугольник. Обмотки укладываются в пазы так, что результирующие векторы индукции магнитных потоков пар полюсов одноименных фаз звезды и треугольника образуют между собой угол 30 электрических градусов и располагаются в общих пазах статорной обмотки асинхронного двигателя.
К недостаткам такого решения можно отнести использование соединения обмотки в треугольник, что приводит к образованию замкнутого контура для протекания кольцевых токов и ухудшению из-за этого коэффициента полезного действия. Основным же недостатком способа является наличие взаимного сдвига на 30 градусов результирующих векторов магнитной индукции потоков совмещенных обмоток, что ведет к существенному ухудшению коэффициента полезного действия двигателя.
Раскрытие изобретения.
Ежегодно в мире производится порядка восьми миллиардов штук электродвигателей различной мощности и исполнений. На сегодня практически ни один технологический процесс невозможно организовать без использования электродвигателей, которые являются основой электропривода - начиная от простейших, и до сложных электромеханических систем с полупроводниковыми преобразователями.
Известно, что в обычном электродвигателе (например, асинхронном) с обмоткой, включенной по схеме звезды или треугольника, магнитное поле в рабочем зазоре распределяется неидеально. Наблюдается неравномерный вид кривой магнитодвижущей силы. Поле в рабочем зазоре электродвигателя имеет лишь некоторое приближение к синусоидальному распределению, из-за присутствия высших гармоник, обусловленных зубцовой структурой статора. Также имеет место неравномерное распределение поля в пределах одного полюса, определяемое типом и параметрами (шаг катушек, число зубцов на полюс) обмотки. В результате этого в двигателе возникают гармоники, вибрации и тормозящие моменты, которые оказывают отрицательное воздействие на двигатель и ухудшают его характеристики. Это приводит к модулированию тягового усилия ротора - пульсации вращающего момента, и вызывает нежелательные акустические шумы и вибрации двигателя, обусловленные электромагнитными силами. Поэтому при проектировании электрических двигателей для понижения уровня их шумов и вибраций стремятся получить максимально линейное распределение на кривой магнитодвижущей силы.
Применение электрических двигателей с совмещенными обмотками имеет место во многих областях промышленности для улучшения эксплуатационных характеристик электродвигателей. К их достоинствам относят то, что совмещенные обмотки также позволяют уменьшить уровень нечетных гармоник в магнитном потоке, что приводит к снижению общих потерь в элементах магнитопровода двигателя и повышению его перегрузочной способности и удельной мощности. Еще одним эффектом является уменьшение электромагнитных сил, вызывающих шум и вибрацию корпуса электродвигателя. Также считается, что двигатели с совмещенными обмотками обладают меньшей кратностью пусковых токов при более высоких пусковых моментах. Это имеет существенное значение для оборудования, работающего с частыми и затяжными пусками, а также для оборудования, подключенного к протяженным и высоконагруженным сетям с высоким уровнем падения напряжения.
Известные на данный момент решения используют комбинацию включения двух обмоток. В основе их лежит наличие сдвига протекающих токов на угол 30 электрических градусов в зависимости от схемы подключения нагрузки к трехфазной сети (звезда или треугольник) и образование векторов индукции магнитных потоков с упомянутым выше утлом. Соответственно, к обычной трехфазной сети можно подключить электродвигатель, имеющий на самом деле шестифазную обмотку. При этом одна обмотка должна быть включена в звезду, а другая в треугольник и результирующие вектора индукции полюсов одноименных фаз звезды и треугольника образуют между собой угол в 30 электрических градусов.
Однако любое использование схемы включения обмотки типа звезда требует в  раз большее число витков для соблюдения равенства магнитодвижущих сил в совмещенной обмотке. Это ведет к перерасходу меди обмоток, а кроме того, в сложных комбинированных обмотках с чередованием групп с разным числом витков ухудшается технологичность изготовления электродвигателя.
Предлагаемое решение основано на принципе суперпозиции полей - магнитные поля двух расположенных совместно обмоток определяются геометрической суммой их векторов магнитодвижущих сил. Таким образом, полностью согласное включение двух одинаковых обмоток (с углом сдвига, равным нулю) равноценно обмотке с удвоенным числом витков. Включение двух одинаковых обмоток во встречном включении (то есть в противофазе) равноценно обмотке с нулевым числом витков (аналог бифилярной обмотки) и является аварийным режимом работы. В промежутке между двумя упомянутыми крайними состояниями возможно пропорциональное числу пазов количество вариантов сдвига между обмотками. Минимально возможным сдвигом обмоток является сдвиг на один паз, максимальным - пропорционально числу пазов, деленному на число полюсов обмотки.
Моделирование в программной среде электромагнитных расчетов показало, что при наличии пространственного сдвига между расположенными совместно обмотками изменяется не только значение суммарной магнитодвижущей силы, но и происходит существенное перераспределение картины поля по окружности воздушного зазора. Таким образом, наличие сдвига обеспечивает регулирование всех основных параметров - не только фазы и модуля индукции, но и формы кривой магнитодвижущей силы в воздушном зазоре электрического двигателя.
Следует отметить, что два упомянутых выше параметра - фаза и модуль индукции, являются относительными и учитываются при проектировании электропривода. Непосредственно на такие эксплуатационные характеристики, как шум и вибрация электродвигателя, влияет только синусоидальность распределения электромагнитного поля по окружности воздушного зазора. Причина этого кроется в силах электромагнитного тяжения, которые определяются градиентом электромагнитного поля в пространстве.
Как известно из курса электродинамики, действующая на ферромагнитное тело сила пропорциональна градиенту магнитного поля, так что тело перемещается в сторону возрастания индукции. Такие силы называются пондеромоторными и являются одной из основных причин шума и вибрации электродвигателей. Упомянутые пондеромоторные силы минимальны при полностью синусоидальном распределении магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором электрической машины. На улучшение синусоидальности такого распределения поля в воздушном зазоре и направлено предлагаемое решение.
На фиг. 1 изображены две совмещенные первичные обмотки, питаемые от трехфазной сети и имеющие пространственный сдвиг на целое число пазов. Из схемы соединений видно, что фазы обеих обмоток питаются от общего источника переменного тока и включаются последовательно друг с другом. Последовательное соединение позволяет избежать неравномерной загрузки обмоток, вызванной технологическими разбросами параметров упомянутых обмоток и сложными режимами работы.
Пространственный сдвиг между обмотками связан с определенными потерями энергии, и крайний случай - встречное расположение обмоток, эквивалентен режиму короткого замыкания. В промежутке между согласным и встречным пространственным расположением обмоток находится ряд значений взаимного сдвига. Потери энергии (коэффициент полезного действия) будут зависеть сложным нелинейным образом от значения пазового сдвига между обмотками, при этом малые значения сдвига связаны с малыми потерями энергии (коэффициента полезного действия).
На фиг. 2 изображен график распределения магнитного поля вдоль воздушного зазора малошумного двигателя при отсутствии взаимного пространственного сдвига обмоток. На графике заметны значительные искажения синусоидальности кривой магнитного поля. На фиг. 3 представлен график распределения магнитного поля вдоль воздушного зазора малошумного двигателя при взаимном сдвиге обмоток на один паз. На графике заметно улучшение формы кривой магнитного поля. На фиг. 4 представлен график распределения магнитного поля вдоль воздушного зазора малошумного двигателя при взаимном сдвиге обмоток на два паза. Становится заметным приближение формы кривой магнитного поля к идеалу. Это означает уменьшение электромагнитных сил высших гармоник магнитного поля и соответствующее снижение вибрации и шума.
В представленных на фиг. 2, 3 и 4 графиках распределения магнитного поля в воздушном зазоре представлен случай питания обмоток электродвигателя от сети синусоидального переменного тока. В случае применения ШИМ-модуляции, как правило, потребляемый от преобразователя частоты ток сглаживается индуктивностью обмоток и имеет низкий коэффициент искажений, однако питающее напряжение неизменно имеет вид меандра (прямоугольных импульсов), что приводит к повышенному шуму и вибрации электродвигателя. Подобные схемы управляемого электропривода находят самое широкое применение в современной технике, комплексах и системах. По мнению автора, достигаемый технический эффект в данном случае будет еще выше за счет наложения полей двух обмоток в ферромагнитной нелинейной среде.
Главное отличие предлагаемого исполнения электрического двигателя в наличии пространственного сдвига между двумя первичными обмотками, измеряемого по числу пазов смещения. Результирующее магнитное поле определяется суммой магнитных полей, созданных обмотками, что в результате и обеспечивает возможность управления качеством распределения создаваемого магнитного поля, снижения электромагнитных сил вызывающих вибрацию и шум двигателя.
Заявляемый способ является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- предложено использовать совмещенные обмотки с одинаковой схемой включения фаз;
- совмещенные обмотки располагаются в общих пазах статора и имеют малый пространственный сдвиг между собой, по числу пазов взаимного пространственного смещения, близкий к идентичному положению обмоток;
- не требуется использовать сложные вариации обмоток с разным числом витков в катушечных группах (в отличие от решения-прототипа);
- фазы совмещенных обмоток включаются последовательно согласно, что обеспечивает равномерную нагрузку между обмотками (в отличие от решения-прототипа).
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - появлению возможности управлять качеством распределения магнитного поля по окружности статора двигателя и уменьшить нелинейность распределения магнитного поля по зубцам, что ведет к уменьшению шума и вибрации двигателя.
Краткое описание чертежей. На фиг. 1 изображена схема соединений совмещенных обмоток малошумного двигателя. На фиг. 2 изображен график распределения магнитного поля вдоль воздушного зазора малошумного двигателя без сдвига обмоток. На фиг. 3 изображен график распределения магнитного поля вдоль воздушного зазора малошумного двигателя для случая сдвига на один паз. На фиг. 4 изображен график распределения магнитного поля вдоль воздушного зазора малошумного двигателя для случая сдвига на два паза.