СНИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ У ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, ИМЕЮЩЕЙ ОБМОТКИ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ В ПАЗАХ
REDUCED ELECTRICAL RESISTANCE IN ELECTRIC MACHINE WITH WINDINGS, ARRANGED IN SLOTS

Изобретение касается электрической машины, имеющей пазы и обмотки из электрических проводов, при этом обмотки разделены на ветви, при этом по меньшей мере одна ветвь всегда имеет некоторое количество s последовательно включенных катушек, которые расположены каждая в пазах, при этом катушки включают в себя каждая параллельно включенные отдельные провода, при этом отдельные провода одной катушки всегда расположены несколькими жгутами, при этом жгут одной катушки всегда включен последовательно со жгутом последовательно включенной катушки, при этом каждый жгут указанной по меньшей мере одной ветви всегда расположен в пазу в соответствующем положении жгута относительно наиболее глубокого возможного положения жгута в пазу, при этом соответствующие положения всех жгутов во всех катушках указанной по меньшей мере одной ветви всегда определяют некоторое количество b возможных положений жгутов указанной по меньшей мере одной ветви.
У проводов, по которым протекает переменный ток, плотность тока внутри провода ниже, чем у поверхности. И у электрической машины, который имеет обмотки и петли, расположенные в пазах, можно наблюдать этот эффект, известный как вытеснение тока или скин-эффект. В частности, при высоких частотах питания эти явления вытеснения тока между отдельными проводами (так называемое вытеснение тока первого порядка) приводит к большим дополнительным потерям.
Для снижения этих дополнительных потерь, в частности у обмоток катушек, до сих пор применялись следующие меры. Например, производилось скрещивание жгутов, при котором параллельные отдельные провода разделялись на два жгута, при этом верхний и нижний жгуты скрещивались примерно в середине группы катушек. Эта мера очень похожа на скручивание стержней у стержневых обмоток, которое известно как стержень Ребеля. Альтернативно может также применяться транспозиция отдельных проводов, для которой отдельные провода в определенном месте, либо внутри катушки, либо между двумя катушками одной группы катушек, скручиваются коротким путем на 180°.
Такого рода устройство известно, например, из DE 1041148 A. Там проводящие стержни выполнены в виде стержней Ребеля, при этом у одного проводящего стержня отдельные провода проведены наискосок в двух плоскостях и отгибаются из одной плоскости провода в другую плоскость провода.
Например, из DE 2006021354 A1, EP 2388892 A1, AT 91774 B, GB 191310919 или DE 613780 известны также электрические машины, у которых отдельные ветви одной фазы расположены в разных пазах в соответствующих положениях пазов.
В основе изобретения лежит задача, снизить электрическое сопротивление у электрической машины, которая имеет обмотки, расположенные в пазах, и работает на переменном токе.
Эта задача решается с помощью электрической машины вышеназванного рода за счет того, что жгуты указанной по меньшей мере одной ветви всегда скрещиваются между катушками таким образом, чтобы каждый жгут указанной по меньшей мере одной ветви всегда был расположен в пазах по меньшей мере n раз и максимум n' раз в каждом из соответствующих возможных положений жгутов указанной по меньшей мере одной ветви относительно соответствующего наиболее глубокого возможного положения жгута в пазу, при этом n представляет собой целочисленное частное от деления количества s последовательно включенных катушек ветви и количества b возможных положений жгутов ветви, при этом n′=n, в случае если s делимо на b, и n′=n+1, в случае если s не делимо на b.
Путем такого рода скрещивания жгутов указанной по меньшей мере одной ветви обеспечивается, чтобы каждый жгут ветви по возможности одинаковое количество раз был расположен в каждом из соответствующих возможных положений жгутов:
- если количество s последовательно включенных катушек ветви представляет собой целочисленное кратное количества b возможных положений жгутов ветви, то каждый жгут точно одинаковое количество раз находится в каждом из возможных положений жгутов;
- если количество s последовательно включенных катушек ветви не делимо на количество b возможных положений жгутов ветви, то жгут ветви расположен в каждом из b возможных положений жгутов по меньшей мере n раз и максимум n′=n+1 раз, при этом n представляет собой целочисленное частное от деления s на b: если в остатке от деления s/b имеется r, получается, что в r положениях жгутов находятся всего n′=n+1 жгутов, и в (b-r) положениях жгутов находятся всего n жгутов.
Это расположение жгутов способствует тому, что данные жгуты по сравнению с остальными жгутами ветви и в направлении взгляда по всей длине жгута находятся на наиболее одинаковом возможном расстоянии внутри обмоток, расположенных в пазах электрической машины. Таким образом, благодаря этому расположению жгутов может очень хорошо уменьшаться вытеснение тока между электрическими проводами электрической машины. Поэтому в целом электрическая машина имеет более низкое омическое сопротивление, благодаря чему экономится энергия при эксплуатации электрической машины.
При этом предлагаемое скрещивание жгутов эффективнее, чем вышеупомянутое, уже известное скрещивание жгутов, при котором параллельные отдельные провода каждой петли разделяются, например, на два жгута, так что образуется верхний и нижний жгут, которые скрещиваются примерно в середине группы катушек. Вследствие значительно сниженных дополнительных потерь предлагаемая изобретением электрическая машина имеет, таким образом, значительно более низкие омические сопротивления, чем электрические машины, имеющие известное скрещивание жгутов.
Также по сравнению с уже известной транспозицией отдельных проводов, при которой отдельные провода скручиваются коротким путем на 180°, предлагаемая изобретением электрическая машина имеет преимущества, потому что предлагаемое скрещивание жгутов технически может реализовываться значительно проще.
Предпочтительно предлагаемая изобретением электрическая машина имеет три ветви, которые предусмотрены для трех фаз тока. При этом может производиться предлагаемое скрещивание жгутов для каждой из ветвей для минимизации эффектов вытеснения тока между ветвями. Электрическая машина имеет, кроме того, предпочтительно по меньшей мере три последовательно включенные катушки на каждую ветвь, при этом также количество b возможных положений жгутов предпочтительно составляет по меньшей мере три.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения каждый жгут указанной по меньшей мере одной ветви расположен в пазах точно одинаковое количество раз в каждом из возможных положений жгутов указанной по меньшей мере одной ветви относительно наиболее глубокого возможного положения жгута в пазу. Таким образом, количество s последовательно включенных катушек ветви представляет собой целочисленное кратное количества b возможных положений жгутов ветви. Это расположение жгутов очень хорошо противодействует вытеснению тока, потому что действия отдельных жгутов взаимно компенсируются. Таким образом достигается очень низкое омическое сопротивление электрической машины.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения жгуты указанной по меньшей мере одной ветви всегда циклически скрещиваются после каждой катушки. Циклическое скрещивание жгутов предоставляет то преимущество, что оно может реализовываться технически очень просто.
Например, у электрической машины, имеющей четыре жгута, циклическое скрещивание жгутов может достигаться за счет того, что между катушками три крайних нижних жгута из первого паза вводятся в следующий паз в качестве трех крайних верхних жгутов, и крайний верхний жгут первого паза мимо трех вышеназванных жгутов и под тремя вышеназванными жгутами вводится в следующий паз. В области скрещивания жгутов эти жгуты с целью улучшенной механической устойчивости и для подавления нежелательных колебаний могут крепиться друг к другу, например, посредством бандажирования.
Кроме того, можно выполнять соответствующее скрещивание жгутов между соответствующими пазами по возможности в середине и по возможности симметрично относительно концов пазов, так чтобы даже во время соответствующего скрещивания жгутов между пазами данные жгуты по сравнению с остальными жгутами ветви находились по возможности на одинаковом расстоянии внутри относительно остальных обмоток, и вытеснение тока минимизировалось.
При другом предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере две ветви имеют каждая количество s последовательно включенных катушек, которые расположены каждая в пазах, при этом каждая катушка всегда расположена в пазу в соответствующем положении катушки относительно наиболее глубокого возможного положения катушки в пазу, при этом соответствующие положения всех катушек данной ветви всегда определяют количество p возможных положений катушек ветви, при этом положения катушек данной ветви скрещиваются таким образом, что каждая катушка данной ветви расположена в пазах по меньшей мере m раз и максимум (m+1) раз в каждом из возможных положений катушек данной ветви относительно наиболее глубокого возможного положения катушек в пазу, при этом m представляет собой целочисленное частное от деления количества s последовательно включенных катушек ветви и количества p возможных положений катушек ветви, при этом m′=m, если s делимо на p, и m′=m+1, если s не делимо на p.
Вследствие расположения нескольких катушек в одном пазу получается количество p возможных положений катушек. Аналогично описанному выше скрещиванию жгутов и положений жгутов теперь скрещиваются катушки и положения катушек. Благодаря такого рода скрещиванию катушек указанных по меньшей мере двух ветвей обеспечивается, что каждая катушка данной ветви по возможности одинаковое количество раз расположена в каждом из соответствующих возможных положений катушек.
Это расположение катушек способствует тому, что соответствующие катушки, если смотреть по всей длине данной ветви находятся на наиболее одинаковом возможном расстоянии внутри обмоток. Таким образом, благодаря этому расположению катушек может еще лучше уменьшаться приводящее к повышенным омическим потерям вытеснение тока между электрическими проводами электрической машины. Особенно при комбинации скрещивания жгутов со скрещиванием катушек для каждого жгута каждой ветви получается при этом чрезвычайно предпочтительное расположение проводов в отношении эффектов вытеснения тока. Поэтому в целом электрическая машина имеет очень низкое омическое сопротивление, благодаря чему при эксплуатации электрической машины экономится еще больше энергии.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения положения катушек каждой ветви между пазами скрещиваются таким образом, что каждое положение катушки данной ветви расположено в пазах точно одинаковое количество раз в каждом из возможных положений катушек данной ветви относительно наиболее глубокого возможного положения катушки в пазу. Таким образом, количество s последовательно включенных катушек ветви представляет собой целочисленное кратное количества p возможных положений катушек ветви. Это расположение катушек особенно хорошо противодействует вытеснению тока, потому что действия отдельных жгутов взаимно компенсируются. Таким образом достигается очень низкое омическое сопротивление электрической машины.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения положения катушек каждой ветви всегда циклически скрещиваются между пазами. Аналогично описанному выше циклическому скрещиванию жгутов, циклическое скрещивание катушек может осуществляться технически очень просто.
Ниже изобретение подробнее описывается и поясняется на примерах осуществления, изображенных на фигурах. Показано:
фиг. 1: схема соединений электрической машины по уровню техники;
фиг. 2: первый вариант осуществления схемы соединений предлагаемой изобретением электрической машины;
фиг. 3: второй вариант осуществления схемы соединений; и
фиг. 4: пространственное изображение скрещивания жгутов по третьему варианту осуществления.
На фиг. 1 показана схема соединений электрической машины по уровню техники. Катушка 1 состоит из восьми параллельно включенных отдельных проводов 2, при этом четыре отдельных провода 2 объединяются в один жгут 3. Каждый отдельный провод 2 имеет три последовательно включенных петли 13, которые, в свою очередь, состоят каждая из прямого провода 10 и обратного провода 12, соединенных посредством провода в области 11 лобовой части обмотки.
Схема соединений по уровню техники отличается всего четырьмя последовательно включенными катушками 1. Разные отдельные провода 2 каждой катушки 1 обычно введены в паз электрической машины. Ниже предполагается, что нижний из двух жгутов 3 одной катушки 1 расположен в наиболее глубоком возможном положении жгута в пазу. В уровне техники известно скрещивание жгутов 3 в середине группы катушек, так что расположение жгутов 3 между первой катушкой 1 и второй катушкой 1, а также между третьей катушкой 1 и четвертой катушкой 1 не изменяется. Однако верхний жгут 3 или, соответственно, нижний жгут 3 второй катушки 1 соединяется с нижним жгутом 3 или, соответственно, верхним жгутом 3 третьей катушки, что является собственно скрещиванием жгутов. Этот вид соединения сравним со стержнем Ребеля.
На фиг. 2 показан первый вариант осуществления схемы соединений предлагаемой изобретением электрической машины. Каждая катушка 1 имеет, в свою очередь, восемь отдельных проводов 2, которые попарно объединяются всего в четыре жгута 3. Ниже предполагается, что крайний нижний из четырех жгутов 3 первой катушки 1 расположен в наиболее глубоком возможном положении жгута, обозначенном положением D жгута, в пазу электрической машины. Соответственно второй снизу жгут 3 расположен в положении C жгута, второй сверху жгут 3 в положении B жгута, а крайний верхний жгут 3 в положении A жгута.
Между первой катушкой 1 и второй катушкой 1 жгуты 3 скрещиваются таким образом, что жгут 3, который в первой катушке 1 расположен в положении A или, соответственно, B или, соответственно, C или, соответственно, D жгута, соединен со жгутом 3 второй катушки 1 в положении B или, соответственно, C или, соответственно, D или, соответственно, A жгута. Это скрещивание повторяется между следующими катушками 1. В целом, таким образом, каждый из четырех жгутов 3 в четырех катушках 1 по одному разу расположен в положении A, B, C и D жгута. Таким образом, каждый из жгутов 3 по всей длине нескольких последовательно включенных катушек 1 находится на одинаковом расстоянии внутри обмоток, расположенных в пазах электрической машины. Благодаря этому могут очень хорошо взаимно компенсироваться эффекты вытеснения тока отдельных жгутов 3. Вследствие чего омическое сопротивление всего соединения электрической машины является очень низким.
На фиг. 3 показан второй вариант осуществления схемы соединений. В свою очередь, каждая катушка 1 имеет восемь отдельных проводов 2, которые попарно объединены всего в четыре жгута 3, при этом последовательно включены всего четыре катушки 1. Соответственно в паре катушек из первой и второй катушки 1, а также паре катушек из третьей и четвертой катушки 1 жгуты 3 скрещиваются следующим образом: крайний верхний жгут 3 одной катушки 1 пары катушек соединяется со вторым сверху жгутом 3 другой катушки 1 пары катушек; крайний нижний жгут 3 одной катушки 1 пары катушек соединяется со вторым снизу жгутом 3 другой катушки 1 пары катушек.
В паре катушек из второй и третьей катушки 1 жгуты 3 скрещиваются таким образом, что самый верхний жгут 3 одной катушки 1 пары катушек соединен с самым нижним жгутом 3 другой катушки 1 пары катушек, а второй сверху жгут 3 одной катушки 1 пары катушек соединен со вторым снизу жгутом 3 другой катушки 1 пары катушек.
При этом виде скрещивания жгутов 3 также получается, что каждый из четырех жгутов 3 в четырех катушках 1 по одному разу расположен в каждом из четырех возможных положений жгутов. Каждый из жгутов 3 по всей длине нескольких последовательно включенных катушек 1 находится на одинаковом расстоянии внутри обмоток, расположенных в пазах электрической машины, благодаря чему очень хорошо взаимно компенсируются эффекты вытеснения тока отдельных катушек 1.
На фиг. 4 показано пространственное изображение скрещивания жгутов по третьему варианту осуществления. Паз электрической машины распространяется в направлении стрелки x. На чертеже вверху, т.е. в положительном направлении y, находится конец первой катушки 1, который выдается из паза электрической машины и имеет четыре жгута 3. Положительное направление y указывает относительно середины системы проводов электрической машины, которая находится в y=0, изнутри наружу, так что четыре жгута 3 изнутри наружу расположены в последовательности положений (D, C, B, A) жгутов. Отрицательное направление y также, если смотреть от середины системы проводов, указывает наружу. Внизу, то есть в отрицательном направлении y, находится конец второй катушки 1, который выдается из другого паза электрической машины и, в свою очередь, имеет четыре жгута 3. Четыре жгута 3 первой катушки 1 изменяют направление в U-образной форме и соединяются с четырьмя жгутами 3 второй катушки 1.
Между первой катушкой 1 и включенной последовательно с первой катушкой 1 второй катушкой 1 жгуты 3 скрещиваются следующим образом, при этом обозначения положения (A, B, C и D) жгутов всегда относятся только к положениям жгутов в первой катушке 1. На выходе первой катушки 1 четыре жгута 3, если смотреть изнутри наружу, расположены в последовательности положений (D, C, B, A) жгутов. Блок из трех жгутов 2 положений (D, C, B) жгутов сохраняется и изменяет направление в U-образной форме и соединяется внутри блока в последовательности (D, C, B) изнутри наружу с соответствующими жгутами 3 второй катушки 1. Жгут 3 из первоначального положения A жгута первой катушки 1 изменяет направление таким образом, что положение жгута 3 изменяется: расположенный после первой катушки 1 в крайнем наружном положении, жгут 3 соединяется со жгутом 3 второй катушки 1, которая находится в крайнем внутреннем положении.
При этом, если смотреть изнутри наружу, последовательность (D, C, B, A) четырех жгутов 3 после первой катушки 1 изменяется в последовательность (A, D, C, B), так что было реализовано циклическое скрещивание. Это скрещивание повторяется между другими катушками 1.
Если подвести итог, изобретение касается электрической машины, имеющей пазы и обмотки из электрических проводов, при этом обмотки разделены на ветви, при этом по меньшей мере одна ветвь всегда имеет некоторое количество s последовательно включенных катушек, которые расположены каждая в пазах, при этом катушки включают в себя каждая параллельно включенные отдельные провода, при этом отдельные провода одной катушки всегда расположены несколькими жгутами, при этом жгут одной катушки всегда включен последовательно со жгутом последовательно включенной катушки, при этом каждый жгут указанной по меньшей мере одной ветви всегда расположен в пазу в соответствующем положении жгута относительно наиболее глубокого возможного положения жгута в пазу, при этом соответствующие положения всех жгутов во всех катушках указанной по меньшей мере одной ветви всегда определяют некоторое количество b возможных положений жгутов указанной по меньшей мере одной ветви. Для снижения электрического сопротивления у электрической машины, которая имеет обмотки, расположенные в пазах, и работает на переменном токе, предлагается, чтобы жгуты указанной по меньшей мере одной ветви всегда скрещивались между катушками таким образом, чтобы каждый жгут указанной по меньшей мере одной ветви всегда был расположен в пазах по меньшей мере n раз и максимум n′ раз в каждом из соответствующих возможных положений жгутов указанной по меньшей мере одной ветви относительно соответствующего наиболее глубокого возможного положения жгута в пазу, при этом n представляет собой целочисленное частное от деления количества s последовательно включенных катушек ветви и количества b возможных положений жгутов ветви, при этом n′=n, в случае если s делимо на b, и n′=n+1, в случае если s не делимо на b.