ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С НЕТРАДИЦИОННЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ЯДРОМ
ENERGY-EFFICIENT ELECTRIC MACHINE WITH NON-TRADITIONAL ELECTROMAGNETIC NUCLEUS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, касается особенностей конструктивного выполнения статоров и роторов машин переменного тока, а также якорей машин постоянного тока, может быть использовано при проектировании и производстве электрических машин переменного и постоянного тока - асинхронных и синхронных машин, коллекторных машин и вентильных двигателей.
Известны электрические машины с прямоугольными пазами и двухслойными обмотками из прямоугольного обмоточного провода (Проектирование электрических машин./Под ред. И.П. Копылова. – М., 1980, с. 42-52). Такие машины включают по меньшей мере один сердечник статора или ротора с пазами прямоугольной формы. В каждом из этих пазов находятся активные проводники прямоугольной формы двухслойной обмотки (петлевой или волновой). Активные проводники верхней части пазов сердечника образуют верхний слой обмотки, а активные проводники нижних частях пазов сердечника, образуют нижний слой обмотки. Активные проводники соединены проводниками лобовых частей. Лобовые части обмотки являются жесткими. Однако вылет лобовых частей обмотки велик, что увеличивает объем и материалоемкость машины, а также уменьшает КПД за счет значительного активного сопротивления фаз.
Известна также (прототип) энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки, работоспособная при значительных рабочих напряжениях фаз, с прямоугольной формы пазами сердечника и волновой обмоткой из прямоугольного обмоточного провода (патент №2526835, RU, МПК H02K 17.00, БИПМ №24, 27.08.2014). В этой энергоэффективной электрической машине, включающей сердечники статора и ротора, разделенные воздушным зазором, в прямоугольной формы пазах по крайней мере одного из которых расположены активные проводники волновой обмотки, которая содержит также лобовые проводники, расположенные параллельно над торцевыми поверхностями сердечника с небольшим зазором, которые не пересекаются, посредством которых соединены активные проводники витков, витковые группы и ветви обмотки, состоящие из витковых групп, при этом площади мест соединения по меньшей мере большинства лобовых проводников с активными проводниками обмотки меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых активных проводников, а в упомянутых пазах размещены четыре или более активных проводника, причем активные проводники пазов, в которых расположены проводники начал фаз обмотки, соединены лобовыми проводниками, соединяющими ветви фаз обмотки, с активными проводниками пазов, в которых расположены проводники концов одноименных фаз этой обмотки, в обратной последовательности. При этом части лобовых проводников, соединяющих активные проводники витков (лобовые проводники витков обмотки), расположенные параллельно торцевым поверхностям сердечника, в большинстве находятся между местами соединения лобовых и активных проводников. Сердечник имеет зубцы и пазы, составляющие зубцово-пазовую зону, а в пазах расположены активные проводники в виде слоев обмотки.
При прямоугольной форме пазов зубцы сердечника имеют трапецеидальную форму. Это приводит к увеличенному их насыщению в узкой части (растут потери в стали) и увеличению тока намагничивания (растут потери в меди). Таким образом недостаток прототипа - в увеличенных потерях в машине за счет насыщения зубцов сердечника с прямоугольными пазами.
Технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение потерь в электрической машине.
Технический результат достигается тем, что в энергоэффективной электрической машине, включающей сердечники статора и ротора, разделенные воздушным зазором, по крайней мере один из которых имеет зубцы и пазы, составляющие зубцово-пазовую зону, причем в пазах расположены активные прямоугольной формы проводники слоев обмотки, а над поверхностями торцевых зон этого сердечника расположены лобовые проводники обмотки, при этом площади мест соединения по меньшей мере большинства лобовых и активных проводников меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения активных проводников, а части лобовых проводников витков обмотки, расположенные параллельно торцевым поверхностям сердечника, в большинстве находятся между местами соединения лобовых и активных проводников, пазы выполнены в виде по меньшей мере двух частей, имеющих прямоугольные поперечные сечения, близкие по величине, составляющие, вместе с расположенными между ними участками зубцов, части зубцово-пазовой зоны, причем длина сторон этих сечений, параллельных дну пазов, представляющая собой ширину частей пазов, увеличивается по направлению от центра электрической машины, а усредненная в пределах каждой части зубцово-пазовой зоны ширина зубцов сердечника постоянна.
Пример конкретного выполнения изобретения иллюстрируют элементы конструкции трехфазной энергоэффективной асинхронной машины, представленные на фиг. 1-3.
На фиг. 1 показано электромагнитное ядро асинхронной машины, включающее сердечник статора 1 и сердечника ротора 2. Они разделены воздушным зазором 3. Сердечник ротора 2 выполнен без обмотки (машина с массивным ротором). Показаны обмотка 4 статора машины, расположенная в пазах 5 квазипрямоугольной формы, и зубцы 6 сердечника. Активные проводники 7 обмотки 4 расположены в зубцово-пазовой зоне, ограниченной пунктирной линией.
На фиг. 2 видно расположение в прямоугольных пазах 5 прямоугольных активных проводников 7 в виде четырех слоев. Над поверхностями торцевых зон сердечника статора 1 видно расположение совокупности лобовых проводников 8 обмотки 4, при этом площади мест соединения 9 лобовых и активных проводников (заштриховано) меньше поперечного сечения активных проводников 7 внутри пазов 5. Такое выполнение обмотки приводит к тому, что лобовые проводники 10 витков обмотки 4, расположенные параллельно торцевым поверхностям сердечника, находятся между местами соединения 9 лобовых и активных проводников. Видно, что в пазах 5 размещены шестнадцать активных проводников.
На фиг. 3 показано предложенное выполнение двух пазов 5 и зубца 6 электромагнитного ядра машины. Показана торцевая поверхность зубцово-пазовой зоны 11 с местами активных проводников 12, не соединенными с лобовыми проводниками 8, пространство над которыми занято лобовыми проводниками витков 10 обмотки 4 (фиг. 2).
Пазы 5 выполнены в виде частей пазов 13, имеющих прямоугольные поперечные сечения, близкие по величине. Они составляют, вместе с расположенными между ними участками зубцов 14, части зубцово-пазовой зоны 15-18, выделенные пунктирными линиями. Обмотка 4 состоит из двухслойных частей 19 и 20. Длина сторон 21 сечений частей пазов 13, параллельных дну 22 этих пазов, как видно, увеличивается по направлению от центра электрической машины (от воздушного зазора - к внешней поверхности сердечника 1). Длина сторон 21 представляет собой ширину частей пазов 13.
z ср
На фиг. 3 видно, что ширина зубцов 23 сердечника 1 изменяется в пределах частей зубцов 14. Высота, а также и ширина (длина сторон 21 сечений) частей пазов 13 выбираются в процессе проектирования машины так, что усредненная в пределах каждой части зубцово-пазовой зоны 11 ширина зубцов 23, обозначаемая b постоянна (возможны отклонения)
z ср
max
min
b=(b+b)/2,
max
min
здесь b и b - максимальная и минимальная ширина части зубца.
Описанное выполнение обмотки, пазов и зубцов сердечника электромагнитного ядра электрической машины можно назвать нетрадиционным.
При работе предложенной энергоэффективной электрической машины за счет квазипрямоугольной формы пазов, при укороченных до минимума лобовых проводниках обмотки, уменьшается насыщение зубцов сердечника, уменьшены сопротивления фаз обмотки, уменьшается ток намагничивания машины, существенно уменьшаются потери в стали и меди машины.
Таким образом, потери в электрической машине уменьшаются, а КПД и коэффициент мощности - увеличиваются.