Совмещённая обмотка электрической машины переменного тока

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройству многофазных обмоток электрических машин переменного тока, и может быть использована при изготовлении энергоэффективных многоскоростных двигателей переменного тока, обладающих свойством полисинхронизма.
Известны обмотки электрической машины переменного тока однослойные и двухслойные, которые выполнены m-фазными двухзонными на фазу [Асинхронные двигатели общего назначения / Бойко В.М., Гаинцев Ю.В., Ковалев Ю.М., и др.; Под ред. В.М. Петрова и А.Э. Кравчика. - М.: Энергия, 1980. - с. 120-125] и у которых процесс укладки статорных всыпных обмоток на электромашиностроительных заводах механизирован. Фазная зона - участок индуктора, в пазах которого размещены стороны одной катушечной группы (стороны катушек одной фазы). Однослойная обмотка наиболее пригодна для механизированной укладки. Недостаток обмотки электрической машины переменного тока выполненной m-фазной как однослойной, так и двухслойной с малым коэффициентом укорочения шага заключается в повышенном расходе меди за счет больших длин и вылетов лобовых частей катушек.
Отсутствие укорочения шага в однослойных обмотках приводит также к ухудшению формы поля в воздушном зазоре и как следствие: дополнительные потери, вибрация, шум, провалы в кривой электромагнитного момента при пуске.
7
7
0
Известны обмотки электрической машины переменного тока, которые выполнены однослойными m-фазными четырех зонными на фазу. Как трехфазные обмотки со сплошной фазной зоной [Пат. №140530 РФ, МКИH02K 3/28, 17/14. Трехфазная обмотка электрической машины / Г.А. Шаншуров. Опубл. 10.05.2014, БЮЛ. № 13. Приоритет 18.12.13; Заявка №2013156320. - С. 35], так и цепные с не сплошной фазной зоной [Пат. № 2729971 РФ, МКИН 02 K 3/28, 17/14. Обмотка электрической машины переменного тока / Г.А. Шаншуров. Опубл.13.08.2020. Приоритет 31.01.2020; Заявка № 2014124051- С.26.], с возможностью включения и на трёхфазную сеть, и на однофазную. Обмотки выполнены с числом пар полюсов р в Z-пазах магнитопровода с шириной полюсного деления и с шагом по пазам в двое меньшим, чем двухзонная на фазу, что значительно экономит материалы, снижает активное и индуктивное сопротивления обмотки. Четырех зонные на фазу обмотки применяются в двухскоростных электродвигателях.
7
Известна совмещенная обмотка электрической машины переменного тока, которая выполнена m-фазной [АС №1702487 СССР, МКИ H02K 3/28. Обмотка электрической машины / Г.А. Шаншуров и др. Опубл. 30.12.1991, БЮЛ. № 48. Приоритет 07.08.89; Заявка № 4727800. - С. 8] и с целью упрощения конструкции изготовлена из верхнего и нижнего слоёв. Катушки каждого слоя образуют однослойные обмотки с одинаковым шагом по пазам. Как и в известных однослойных обмотках, пригодных к механизированной укладке, катушки катушечных групп каждого слоя, верхнего и нижнего, укладываются в пазы статора обеими сторонами одновременно. При этом объём и трудоёмкость обмоточных работ снижается так как число катушечных групп (секций), укладываемых одновременно, снижается в двое. Простота изготовления обмотки расширяет её применение.
Эта обмотка наиболее близка к предлагаемой полезной модели и является прототипом.
Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей полезной модели является дальнейшее снижение трудоёмкости обмоточных работ, снижение расхода меди, расширение области применения обмоток, структурно содержащих два активных слоя, в многоскоростных электродвигателях.
0
0
0
Поставленная задача достигается тем, что совмещённая обмотка электрической машины переменного тока, выполненна в Z-пазах магнитопровода в два слоя - в верхнем и нижнем, катушками которых образованы в каждом слое трёхфазные m =3 однослойные обмотки с одинаковым шагом y по пазам, отличающаяся тем, что одним слоем катушек образована однослойная двухзонная на фазу n = 2 обмотка с числом полюсов 4p,и другим слоем катушек образована однослойная четырёхзонная на фазу n = 4 обмотка с числом полюсов 2p, а p =1, 2, 3… - число повторяющихся полюсных структур, для верхнего и нижнего слоёв обмотки одинаковое. При этом
0⋅
·
Φ
0
Z = 4pm⋅q и τ= Z/4p,
Φ
,
Φ
Φ
где число пазов q на полюс и фазную зону τ содержащую q катушек, последовательно включенных в пределах каждой фазной зоны τ и каждого слоя.
0
0
Φ
Φ
Φ
Φ
Поставленная задача также достигается тем, что однослойная двухзонная на фазу n = 2 обмотка с числом полюсов 4p и однослойная четырёхзонная на фазу n=4 обмотка с числом полюсов 2p выполнены с полным (диаметральным) шагом y, равным величине фазной зоны фазы τ из q катушек с одинаковой сплошной фазной зоной, при которой q катушек расположены в соседних пазах, где q=q.
0
0
ср
Поставленная задача также достигается тем, что однослойная двухзонная на фазу n = 2 обмотка с числом полюсов 4p и однослойная четырёхзонная на фазу n=4 обмотка с числом полюсов 2p выполнены концентрическими со среднимшагом y
ср
i
Φ
у= Σу/ q,
Φ
Φ
Φ
Φ
Φ
где i=l,.. q, равным величине фазной зоны фазы τ из q катушек с одинаковой сплошной фазной зоной, при которой q катушек расположены в соседних пазах, где q=q.
0
0
Поставленная задача также достигается тем, что однослойная двухзонная на фазу n = 2 обмотка с числом полюсов 4p и однослойная четырёхзонная на фазу n = 4 обмотка с числом полюсов 2p выполнены цепными с одинаковой не сплошной фазной зоной и одинаковым для обоих слоёв шагом по пазам равным
ср
Φ
1,
у = τ ± k
1
Φ
Φ
где k равно числу из натурального ряда 0, 1, 2…при условии: левая сторона q катушек расположена в нечётных пазах, а правая - в чётных пазах, где q=q.
0
0
Поставленная задача также достигается тем, что однослойная четырёхзонная на фазу n=4 обмотка с числом полюсов 2p выполнена с возможностью изменения на двух зонную на фазу n = 2 обмотку с числом полюсов 4p.
0
0
Поставленная задача также достигается тем, что однослойная двухзонная на фазу n = 2 обмотка с числом полюсов 4p выполнена с возможностью изменения на однослойную четырёх зонную на фазу n=4 обмотку с числом полюсов 2p.
0
0
Поставленная задача также достигается тем, что обмотка с числом полюсов 4p одного слоя и обмотка с числом полюсов 4p другого слоя одновременно подключены к источнику электрической энергии.
0
0
Поставленная задача также достигается тем, что обмотка с числом полюсов 2p одного слоя и обмотка с числом полюсов 2p другого слоя одновременно подключены к источнику электрической энергии.
На фиг. 1a изображено конструктивное исполнение и численная матрица однослойной трехфазной обмотки электрических машин со встречным включением полуфаз - четырёхзонная обмотка на фазу; на фиг. 1 b изображено конструктивное исполнение и численная матрица однослойной трехфазной обмотки электрических машин с согласным включением полуфаз - двухзонная обмотка на фазу; на фиг. 2a изображено конструктивное исполнение и структурная матрица однослойной цепной трехфазной обмотки электрических машин со встречным включением полуфаз - четырёхзонная на фазу цепная обмотка, а на фиг. 2 b изображена численная матрица однослойной цепной трехфазной обмотки электрических машин со встречным включением полуфаз - четырёхзонная на фазу цепная обмотка; на фиг. 3 a изображено конструктивное исполнение и структурная матрица однослойной цепной трехфазной обмотки электрических машин с согласным включением полуфаз - двухзонная на фазу цепная обмотка, а на фиг. 3b изображена численная матрица однослойной цепной трехфазной обмотки электрических машин с согласным включением полуфаз - двухзонная на фазу цепная обмотка.
0
0
На фиг. 4-7 изображены схемы трехфазной обмотки, соединённые в звезду и треугольник, для переключения числа полюсов с 2p на 4p и параллельных ветвей с a=1 на a=2.
0
0
На фиг. 8 изображены схемы соединения фаз трёхфазной обмотки электрической машины подключённой к однофазной сети для переключения числа полюсов с 2p на 4p и параллельных ветвей с a=1 на a=2.
0
0
На фиг. 9-11 изображены схемы трехфазной обмотки в состав которых введены коммутационные аппараты для переключения числа полюсов с 2p на 4p и выбора схемы включения фаз Y, Δ.
n=4
0
Совмещённая трёхфазная обмотка электрической машины переменного тока размещается в Z-пазах магнитопровода (фиг. 1, 2 и 3) в два слоя - в верхнем (фиг. 1a и 2) и нижнем (фиг. 1b и 3). Катушки обмотки образуют в каждом слое трёхфазную однослойную обмотку с одинаковым шагом по пазам. Одним слоем катушек (фиг. 1a и 2a,b) образована однослойная четырёхзонная на фазу n = 4 обмотка с числом полюсов 2p = 2p и полюсной структурой, представленной в таблице 1.
n=2
0
Другим рядом катушек (фиг. 1b и 3a,b) образована однослойная двухзонная на фазу n = 2 обмотка с числом полюсов 2p = 4p и полюсной структурой, представленной в таблице 2.
0=1
Число пазов полюсной структуры Zp под совмещённую трёхфазную обмотку равно
0=1
·
·
Zp= 4⋅m⋅q = 12·q.
0=1
0
Так, для q = 2 число пазов Zp = 24 (фиг.1, 2 и 3). При числе повторяющихся полюсных структур для верхнего и нижнего слоя обмотки p > 1 число пазов под совмещённую трёхфазную обмотку равно
0
Z = 4p⋅m⋅q.
Φ
При этом величину фазной зоны τ определяет соотношение
Φ
0
τ= Z/4p = m⋅q.
Φ
Φ
Число пазов q на полюс и фазную зону τсодержит число q катушек равное
Φ
q=q
Φ
и последовательно включенные в пределах каждой фазной зоны τ и каждого слоя.
0
0
Φ
В совмещённой трёхфазной обмотке электрической машины переменного тока один слой содержит однослойную четырёх зонную на фазу n = 4 обмотку с числом полюсов 2p (таблица 1) и другой слой однослойную двух зонную на фазу n=2 обмотку с числом полюсов 4p (таблица 2). Обмотки каждого слоя выполняются с полным (диаметральным) шагом y, равным величине фазной зоны фазы τ
Φ
,
y = τ
ср
а также концентрическими со среднимшагом y равным
ср
i
Φ
у= Σу/ q,
Φ
где i=l,.. q.
Φ
Φ
Φ
Φ
В обоих слоях в каждой фазной зоне фазы τсодержится q катушек с одинаковой сплошной фазной зоной (фиг.1), при которой q катушек расположены в соседних пазах и q=q. При таком исполнении совмещенной обмотки, состоящей из однослойных обмоток в каждом из двух слоёв, отсутствует возможность изменения (улучшения) гармонического состава магнитного поля в воздушном зазоре электрической машины переменного тока.
Возможность изменения (улучшения) гармонического состава магнитного поля в воздушном зазоре электрической машины переменного тока реализуется выполнением обмотки каждого слоя цепной с одинаковой не сплошной фазной зоной (фиг. 2, 3) и одинаковым для обоих слоёв шагом по пазам равным
Φ
1,
y = τ ± k
для обмотки, каждый слой которой выполнен с полным (диаметральным) шагом,
и
i
Φ
)
1,
у=Σ(у/ q ± k
i
Φ
Φ
1
Φ
Φ
для концентрической обмотки, со среднимшагом Σу/ q, где i=l,.. q,и k равно числу из натурального ряда 0, 1, 2…, при условии: левая сторона q катушек расположена в нечётных пазах, а правая - в чётных пазах, и q=q.
0
0
В совмещённой трёхфазной обмотке электрической машины переменного тока один слой (фиг. 1а, 2) содержит однослойную четырёх зонную на фазу n = 4 обмотку. При этом в каждой фазе в пределах каждой пары фазных зон уложены в пазы Z магнитопровода катушечные группы 1, 2, 3 и 4, 5, 6 (фиг. 1-8). Катушечные группы 1÷6 каждой фазы образуют две полуфазы 1 и 4, 2 и 5, 3 и 6 (фиг. 1-8), каждая из которых соединена встречно, обеспечивая число полюсов обмотки 2p (фиг. 1а, 2). Согласное соединения полуфаз 1 и 4, 2 и 5, 3 и 6 (фиг. 1b, 3) обеспечивает число полюсов обмотки 4p(таблица 3 вариант 1).
Соединение полуфаз 1 и 4, 2 и 5, 3 и 6 между собой обеспечивается их выводными концами 7 ÷ 10, 11 ÷ 14, 15 ÷ 18 соответственно. Начала фаз 7, 11, 15 образуют первый вход совмещённой обмотки, а вывода из точек соединения полуфаз 19, 20, 21 - второй вход совмещённой обмотки.
Таким образом, совмещённая трёхфазная обмотка электрической машины переменного тока создаёт возможность работы электрической машины в различных режимах работы:
- по частоте вращения (т.е. использование их в многоскоростных двигателях),
- направлению вращения,
- обеспечиваемому электромагнитному моменту,
- изменению напряжения питания на фазу переключением схемы соединения фаз трёхфазной обмотки со звезды на треугольник и наоборот,
- при питании как от трёхфазной сети, так и однофазных источников энергии.
что расширяет применение электромеханического преобразователя энергии (таблица 3 варианты 1-4).
0
0
Изменение структуры слоёв совмещённой трехфазной обмотки (таблица 3) для изменения числа полюсов с 2p на 4p и параллельных ветвей с a=1 на a=2 обеспечивается схемами (фиг. 4-8), описание которых представлено в таблице 4. Переключение с одного числа полюсов на другое производится контактами 22 коммутатора и переключением источника питания с одного входа схем 7, 11, 15 на другой вход схем 19, 20, 21.
0
0
Изменение структуры слоёв совмещённой трехфазной обмотки (таблица 3) возможно и при питании от однофазной сети (фиг. 8), обеспечивая переключение числа полюсов с 2p на 4p и параллельных ветвей с a=1 на a=2 и наоборот (таблица 4).
0
0
Изменение структуры слоёв совмещённой трехфазной обмотки (таблица 3) для получения числа полюсов (2p и 4p) и схем соединения фаз (Y и Δ) обеспечивается введением в структуру полуфаз (X, Y, Z) (фиг. 9a, b) мостов 23, 24, 25 (фиг. 9d). Мосты содержат контакты коммутационных аппаратов НЗК 26, 27, НОК 28,29 и катушки 4, 5, 6, которые соединены узлами моста 30, 31, 32, 33. Полуфазы (A, B, C) и (X, Y, Z) с катушками (1, 2, 3) и (4, 5, 6) образуют фазы трёхфазной (U, V, W) обмотки.
Выходные концы фаз (U, V, W) 37÷ 42 обеспечивают схемы соединения трёхфазных обмоток в звезду (фиг. 10a) и треугольник (фиг. 10b).
Выполнение мостов 23, 24, 25 с разомкнутым узлом 31 обеспечивает два выходных конца у каждой фазы U, V, W трёхфазной обмотки (фиг. 11 a) 43, 44, 45 и 46, 47, 48.
0
0
Первый и второй выходы фаз обмотки могут быть соединены по схеме звезда/звезда, треугольник/звезда (фиг.11с) или треугольник/треугольник (не показано). Первый выход 43÷45 обеспечивает получение одного числа полюсов 2р при одном состоянии НОК и НЗК коммутационного аппарата, второй выход 46÷48 обеспечивает получение другого числа полюсов 4р при другом состоянии НОК и НЗК коммутационного аппарата (фиг. 11).
0
0
Таким образом, изменение структуры слоёв совмещённой трехфазной обмотки (таблица 3) для изменения числа полюсов с 2p на 4p обеспечивается схемами (фиг. 9-11), описание которых представлено в таблице 5.
0
0
Возможность одновременного подключения к источнику электрической энергии обмотки одного и другого слоя с одинаковым числом полюсов 2pили 4p (таблица 3 варианты 2-4) позволяет обеспечивать полное использование активного объёма электромеханического преобразователя энергии.
Совмещённая обмотка электрической машины переменного тока структурно содержащих два активных слоя аналогичной конструкции, обеспечивает снижение трудоёмкости обмоточных работ в многоскоростных электродвигателях.
Выполнение цепных однослойных четырехзонных обмоток приводит к дальнейшему снижение расхода меди, а также к сопутствующим эффектам: дополнительному снижению индуктивного сопротивления лобового рассеяния и активного сопротивления фаз обмотки, снижению шума и вибрации в электрических машинах.
Кроме того, расширяется области применения четырехзонных на фазу обмоток в многоскоростных электродвигателях за счет увеличения возможных сочетаний схем двухскоростных трехфазных электродвигателей: звезда, двойная звезда, треугольник, звезда с внутренним треугольником, обеспечивая различные сочетания мощностей и частот вращения электрических машин.
Расширяется области применения и возможностью включения двухскоростных электродвигателей с четырехзонной на фазу обмоткой на однофазную сеть. При этом двухфазная цепная четырехзонная на фазу обмотка сохраняет положительные качества трехфазного исполнения аналогичной обмотки электрической машины переменного тока:
- снижение расхода меди за счет уменьшения средней длины витка,
- уменьшение вылета лобовых частей обмотки за счет укорочения шага обмотки по пазам.