МАШИНА АСИНХРОННАЯ ВРАЩАЮЩАЯСЯ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в любой промышленности и на транспорте.
Известны трехфазные асинхронные двигатели, в которых осуществлено подавление высших гармоник в основном за счет применения статорной обмотки, выполненной составной в виде композиции из двух частей - двух независимых трехфазных обмоток, соединенных, соответственно, в треугольник и звезду, каждая из которых подключена к питающей сети, при этом начала одноименных фаз обеих обмоток смещены в пространстве относительно друг друга на 30 эл. град. и вектор магнитной индукции каждой из фаз пересекает ось магнитопровода. Из них аналогом выбран двухполюсный асинхронный двигатель, статорная обмотка которого (RU 2046515 С, Н02К 17/06, 20.10.1995) выполнена таким образом, что укорочение шага обеих частей обмотки задают в пределах от 0,388 до 0,416 при соотношении чисел витков треугольника и звезды равном , а прототипом выбрана машина электрическая вращающаяся, статорная обмотка которой (USA 5,559,385, Н02К 3/28, 24.09.1996) также содержит составную обмотку, обе части которой (обмотки треугольника и звезды) сравнимы по мощности и занимают одинаковое число пазов, одноименные фазы при этом размещены внахлест (с взаимным перекрытием), причем вектор магнитного потока каждой из фаз пересекает ось магнитопровода. Также в прототипе вектора магнитного потока следующих одна за другой фаз попарно смещены во времени на 90 градусов, магнитные оси фаз попарно взаимно-перпендикулярны, а вектор магнитного потока статора перпендикулярен вектору тока, индуцированного в шине ротора, и совпадает с ним по фазе.
По сравнению с общеизвестным трехфазным асинхронным двигателем, в котором статорная обмотка выполнена в виде секций из множества витков изолированного медного провода, соединенных в разные группы, которые соединены в звезду или треугольник, указанные выше аналоги и прототип полезной модели обладают рядом преимуществ и отличаются, прежде всего, большей удельной мощностью и повышенными энергетическими характеристиками. Так, при перегрузке частота вращения вала прототипа уменьшается, но при этом ток практически не растет. То же происходит и при внезапном падении напряжения в цепи. Двигатель продолжает экономично работать с меньшими оборотами, не перегреваясь. После восстановления напряжения питания до номинального уровня, аналоги автоматически самозапускаются и выходят на расчетный режим работы. Это идеальное качество при «тяжелом пуске» с большим временем переходного процесса, когда требуется «раскрутить» нагрузку с моментом сопротивления значительно, в 2-3 и более раз, превышающим номинальный момент. При недогрузке коэффициент мощности обычного двигателя резко падает, попадая в область низких значений. При перегрузке, частота вращения вала обычного двигателя уменьшается незначительно, а ток резко растет, двигатель перегреваться. При недогрузке коэффициент мощности прототипа падает плавно, оставаясь в области высоких значений, за счет чего такой электродвигатель работает очень экономично. КПД обычного двигателя резко падает при понижении напряжения питания, а КПД прототипа снижается плавно, сохраняя высокие показатели даже при значительных падениях напряжения (30% и более).
Недостатками аналогов и прототипа являются повышенная сложность изготовления, увеличенный расход пазовой и лобовой изоляции, повышенный потенциал между секциями, находящимися в одном пазу, а также невозможность изготовления однослойной обмотки и обмотки без подъема витков, что является необходимым условием для автоматизации процесса намотки. Кроме того, невозможно изготовить машину с фазовым сдвигом начал обмоток на дробное число пазов (например, статор имеет 36 пазов, обмотка 2р=4, т.е. статор содержит 720 электрических градусов, следовательно, на паз приходится 20 электрических градусов, а сдвиг начал фаз должен составлять 1,5 паза, что практически невыполнимо в прототипе).
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции обмотки машины, позволяющее изготовить однослойную обмотку для обеспечения автоматизации процесса намотки, уменьшение удельного расхода изолирующих материалов, повышение коэффициента заполнения паза медью, повышение удельной мощности, снижение удельного расхода меди и электротехнической стали, возможность изготовления машины при дробном числе пазов сдвига фаз, удешевление производства машины асинхронной вращающейся, а также повышение стойкости на пробой за счет нахождения в одном пазу витков одноименных фаз. Использование для управления и коммутации менее мощного оборудования, за счет снижения номинальных и пусковых токов. Возможность более точной установки параметров защиты.
Достигается это тем, что машина асинхронная вращающаяся включает в себя статорную обмотку, выполненную шестифазной аксиально-симметричной при соотношении чисел витков треугольника и звезды равным , на каждую фазу приходится равное число пазов, катушки различных фаз уложены в разные пазы (в отличие от прототипа перекрытие отсутствует) так, что результирующие векторы магнитного потока соседних фаз образуют между собой угол в 30 эл. градусов, нечетные фазы соединены в звезду, а четные - в треугольник, или наоборот, а выводы их фаз, отстоящие друг от друга на 30 эл. градусов, соединены между собой и образуют точки подключения фаз. При этом обмотки звезды и треугольника являются зависимыми, что приводит к более полному взаимному подавлению реактивных токов и токов высших нечетных гармоник.
Достигается это также тем, что магнитопровод машины может быть выполнен из «трансформаторной» стали или аморфного железа, что позволяет повысить удельную мощность машины и снизить удельный расход меди за счет уменьшения средней длины витков и массы электротехнической стали.
Существует вариант машины, в котором число пазов ротора отличается от значения, выбираемого из оптимального сочетания чисел пазов статора и ротора для конкретного числа пазов статора, пар полюсов и мощности стандартной машины с трехфазной статорной обмоткой на основе известных рекомендаций (Копылов И.П., Проектирование электрических машин, 1980), обеспечивающие требуемую результирующую кривую момента.
На фиг.1 и фиг.2 представлены векторные диаграммы двух вариантов расположения векторов магнитного потока фаз для 2р=2 (U1, VI, W1-точки подключения машины к внешней питающей сети).
1
1
1
На фиг.3-9 представлены развертки вариантов шестифазной обмотки для некоторых значений Z, 2p, a, с различным шагом y, в том числе и для автоматизированной укладки (фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.8), где
1
Z - число пазов статора,
р - число полюсов,
1
a-число параллельных ветвей,
1
Y- шаг обмотки,
i
С - вывод фазы обмотки,
арабскими цифрами обозначен порядковый номер катушки.
Принцип функционирования полезной модели тот же, что и у известных асинхронных машин.
Пример использования полезной модели.
Статорная обмотка стандартного асинхронного трехфазного двигателя АДМ100S2Y2 (4,0 кВт, 380 В, 50 Гц, ток холостого хода 3,3 А) была перемотана и уложена в пазы в один слой в соответствии со схемой, представленной на фиг.3. При этом ток холостого хода полезной модели составил величину 2,7 А, заполнение паза медью уменьшилось более чем на 20%, пусковой момент увеличился в 1,8 раза, а критическая перегрузка сопровождается плавным снижением оборотов вала - критический момент и резкий останов отсутствует. Двигатель был испытан и совместно с частотным регулятором, при этом обеспечивал равномерное вращение при частоте питающей сети 0,5 Герца.
Таким образом, полезная модель в техническом и функциональном отношении приобрела новые качества, расширенный диапазон использования с указанным выше техническим результатом и может быть использован, например, в гибридном автомобиле, железнодорожном транспорте, промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве.