СОВМЕЩЕННАЯ ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к созданию совмещенных обмоток электрических машин переменного тока, обеспечивающих несколько рабочих гармоник поля, и может быть использовано при изготовлении специальных электрических машин.
Известна обмотка электрической машины переменного тока для обеспечения пуска и синхронного режима работы электродвигателя [Технико-экономические предпосылки к применению электродвигателей с электромагнитной редукцией частоты вращения в качестве приводных устройств ленточных конвейеров / В.В. Жуловян, И.Н. Передников, Г.А. Шаншуров // Электротех. пром-сть. Сер. Электропривод. - 1974.- вып.8(52). - С.24-26] на базе комплекта обмоток: трехфазной полюсно переключаемой, осевой обмотки возбуждения и пусковой фазной обмотки. Наличие трех обмоток, выполняющих определенную функцию, требуют значительного расхода меди, сложную аппаратуру для перехода от режима пуска к рабочему синхронному режиму работы.
4
1
2
Известна совмещенная обмотка электрической машины переменного тока выполняющая роль пусковой и рабочей в продолжительном режиме [А.С. №1429225 СССР, МКИ H02K 3/28. Двухфазная совмещенная обмотка электрической машины переменного тока / В.В. Жуловян, В.П. Куликов, В.В. Пастухов. Опубл. 07.10.1988. - С.4]. Совмещенная обмотка электрической машины переменного тока выполнена с числом пар полюсов Р/Р=5/3 и содержит катушки с одинаковым шагом последовательно включенные в пределах каждой фазы, с выводами из начал и концов фаз, обеспечивая упрощение конструкции электрической машины переменного тока и автоматизируя процесс перехода из режима пуска в рабочий режим, а так же экономию активных материалов. Эта обмотка наиболее близка к предлагаемой полезной модели и является прототипом.
Недостаток этой совмещенной обмотки электрической машины переменного тока заключается в том, что каждая фаза совмещенной обмотки, выполняемой двухслойной, распределена вдоль расточки магнитопровода неравномерно, заполняя часть пазов не полностью, а часть пазов остаются пустыми. Кроме того, для обеспечения симметрии фаз необходимо увеличения числа витков второй фазы в 1,305 раза. В результате такое исполнение совмещенной обмотки приводит к низкому заполнению пазов медью, суммарный коэффициент заполнения пазов медью составляет 0,47, т.е. использование меди обмотки остается низким.
Задачей полезной модели является улучшение использования меди совмещенной обмотки электрической машины переменного тока.
1
2
Поставленная задача достигается тем, что совмещенная обмотка электрической машины переменного тока, выполненная с числом пар полюсов P/P=5/3, размещенная в 2 пазах магнитопровода электрической машины и содержащая катушки с одинаковым шагом, последовательно включенные в пределах каждой фазы, с выводами из начал и концов фаз. Обмотка выполнена однослойной цепной с шагом по пазам магнитопровода y=3. Структура распределения сторон катушек в пазах выполнена по закону
n1
m1
m1
n2
m2
n2
m2
n2
m1
m1
n1
n1
m2
n2
m2
n2
m2
n2
m2
n1
[(AYBXYABXYBA)(XYABXYABX)],
где A и X - фазные зоны первой фазы совмещенной обмотки,
B и Y - фазные зоны второй фазы совмещенной обмотки,
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
AX, XA, AX, XA, XA, AX, XA, AX - катушки первой фазы совмещенной обмотки в структуре распределения сторон катушек в пазах фазных зон,
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
BY, YB, BY, BY, YB, BY, YB, BY - катушки второй фазы совмещенной обмотки в структуре распределения сторон катушек в пазах фазных зон,
индексы «1» и «2» - это число катушечных сторон размещенных рядом в соответствующей фазной зоне и имеющих одинаковое направление тока в фазных зонах A и B в одну сторону (например, вверх), в фазных зонах X и Y в другую сторону (например, вниз),
n
n
n
n
A и X - это число проводников в пазу соответствующей фазной зоны, при этом A=X,
m
m
m
m
B и Y - это число проводников в пазу соответствующей фазной зоны, при этом B=Y,
индекс «r» - это число повторений структур распределения сторон катушек в пазах, а число 2 пазов магнитопровода электрической машины равно Z=32·r и r=1, 2…
1
2
Поставленная задача достигается также тем, что числа витков в катушках фаз равны W=W,
где  и.
Поставленная задача достигается также тем, что число проводников в пазах 31·r, 2·r, 15·r, 18·r, в которых размещены катушки второй фазы, равно пулю при r=1, 2…
Поставленная задача достигается также тем, что отношение числа витков в катушках фаз
W1/W2≈1,08239,
где  и.
На фиг.1 и 2 изображены однослойные совмещенные обмотоки электрических машин, на фиг.3 изображена структурная матрица однослойной совмещенной обмотки электрической машины, на фиг.4 и 5 изображены численные матрицы однослойных совмещенных обмоток электрических машин с одинаковым числом проводников в пазах обеих фаз, а на фиг.6 и 7 изображены численные матрицы однослойных совмещенных обмоток электрических машин с большим числом проводников в пазах второй фазы.
Катушки 1 совмещенной обмотки электрической машины (фиг.1 и 2), укладываемые в пазы 2 магнитопровода, содержащего Z=32 паза. Обмотка (фиг.1 и 2) по конструктивному исполнению однослойная цепная. Катушки 1 имеют одинаковый шаг у по пазам 2 магнитопровода равный трем y=3 (из 1 паза в 4 паз) и включены последовательно в пределах каждой фазы.
Технология изготовления равносекционных цепных однослойных обмоток хорошо отработана в промышленном производстве и обеспечивает достаточно высокое использование меди за счет сокращения длины лобовых частей обмотки и хорошего заполнения пазов 2 медью катушек 1.
Каждая фаза снабжена выводами из начал и концов фаз: 3 - начало U1 первой фазы, 4 - начало U2 второй фазы, 5 - конец V1 первой фазы, 6 - конец V2 второй фазы.
1
2
Структура распределения сторон катушек 1 в пазах 2 выполнена по закону обеспечивающему выполнение совмещенной обмотки с числом пар полюсов P/P=5/3
где A и X фазные зоны первой фазы совмещенной обмотки,
B и Y - фазные зоны второй фазы совмещенной обмотки,
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
n1
AX, XA, AX, XA, XA, AX, XA, AX - катушки первой фазы совмещенной обмотки в структуре распределения сторон катушек в пазах фазных зон,
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
m1
BY, YB, BY, BY, YB, BY, YB, BY - катушки второй фазы совмещенной обмотки в структуре распределения сторон катушек в пазах фазных зон,
индексы «1» и «2» - это число катушечных сторон размещенных рядом в соответствующей фазной зоне и имеющих одинаковое направление тока в фазных зонах A и B в одну сторону (например, вверх), в фазных зонах X и Y в другую сторону (например, вниз),
n
n
n
n
A и X - это число проводников в пазу соответствующей фазной зоны, при этом A=X,
m
m
m
m
B и Y - это число проводников в пазу соответствующей фазной зоны, при этом B=Y,
индекс «r» - это число повторений структур распределения сторон катушек в пазах, а число 2 пазов магнитопровода электрической машины равно Z=32·r и r=1, 2.
m
m
Схеме однослойной совмещенной обмотки электрических машин (фиг.1) согласно закону (1) соответствует структурная матрица (фиг.3). При одинаковом числе проводников в катушках фаз равном U структурной матрице (рис.3) будет соответствовать численная матрица (фиг.4) , в ячейках которой стоят относительные числа проводников, а базисное число проводников U сомножитель матрицы обмотки :
.
m
Схеме однослойной совмещенной обмотки электрических машин на фиг.2 согласно закону (1) соответствует структурная матрица (фиг.3). Число проводников в пазах 31, 2, 15, 18 второй фазы при r=1 (фиг.2) равно нулю. При одинаковом числе проводников в остальных пазах обеих фаз равном Uструктурной матрице в этом случае будет соответствовать численная матрица (фиг.5).
Симметричная однослойная двухфазная совмещенная обмотка имеет:
- угол сдвига осей двухфазной обмотки при ν=3 и 5 равным 90 эл. градусов (первое условие симметрии обмотки);
- отношение ЭДС фаз при ν=3 и 5 должно быть одинаково (второе условие симметрии обмотки), что выполняется для схем на фиг.1 и 2 увеличением числа проводников во второй фазе в "a≈1,08239" раз (фиг.7 и 8). При этом обеспечивается отношение числа витков в катушках фаз
W1/W2≈1,08239,
где  и,
Для выполнения сравнительного анализа конструктивных исполнений совмещенных обмоток (фиг.1, 2) используем ряд компонент матричной модели обмоток переменного тока (2, 3):
- ЭДС обмотки
прν
где  - это матрица исследуемой обмотки (фиг.4÷7), а E - величина индуктируемой ЭДС проводника от V - той гармоники магнитного поля;
- обмоточные коэффициенты для V - тых гармоник ЭДС (табл.1)
где  - матрица т -ной строки матицы обмотки  а , - число последовательно соединенных проводников в фазе.
Для анализа обмотки составляется столбцовая матрица звезды пазовых ЭДС . Элементы столбцевой матрицы определяются выражением:
,
i
i
0
0
где v - номер гармонической э.д.с.(н.с), Z - номер паза от 1 до Z, угол αравен α=360/Z.
Результирующий вектор нормированной ЭДС  позволяет оценить симметрию фаз, одинаковость чередования фаз рабочих гармоник поля при ν=3 и 5.
Интегральным коэффициентом оценки качества, фильтрующих свойств и использования меди обмоток может служить коэффициент использования (табл.2)
который учитывает структуру обмотки в зубцово-пазовой зоне коэффициентом заполнения пазов медью
обνраб
где Z - число пазов магнитопровода, определяется обмоточным коэффициентами для рабочей гармоники K и коэффициентом работоспособности
Д νраб
где K коэффициент дифференциального рассеяния, учитывающие наличие субгармоник магнитного поля
Результаты анализа симметричных обмоток представлены по выражениям (3÷7) в табл.1 и 2 и даны в сравнении с прототипом.
Таблица 1
Обмоточные коэффициенты
ν - номер гармоники
прототипа
схема - фиг.1 матрица - фиг.7
схема - фиг.2 матрица - фиг.8
фаза 1
фаза 2
фаза 1
фаза 2
фаза 1
фаза 2
1
0,0153
0,0426
0,0786
0,03
0,0786
0,04
3
0,5747
0,6598
0,505
0,4667
0,505
0,622
5
0,74
0,85
0,6501
0,6
0,6501
0,8009
7
0,046
0,1293
0,2386
0,0913
0,2386
0,1218
9
0,025
0,069
0,1276
0,0488
0,1276
0,0651
11
0,0729
0,0837
0,064
0,0592
0,064
0,0789
13
0,4717
0,5415
0,4144
0,3829
0,4144
0,5105
15
0,0506
0,1403
0,2589
0,0991
0,2589
0,1321
Примечание: ν=3 и 5 - рабочие гармоники совмещенной обмотки.
Таблица 2
Критерии оценки эффективности симметричных обмоток на стадии проектирования
Показатели
прототип
Фиг.1
Фиг.2
фаза 1
фаза 2
фаза 1
фаза 2
фаза 1
фаза 2
K<sub>об ν=3</sub>
0,5747
0,6598
0,505
0,4667
0,505
0,622
K<sub>об ν=5</sub>
0,74
0,85
0,6501
0,6
0,6501
0,8009
K<sub>Д ν=3</sub>
0,686
0,682
0,91
0,679
0,91
0,86
K<sub>Д ν=5</sub>
1,75
1,82
2,2
1,82
2,2
2,12
K<sub>зп</sub>
0,47
0,962
0,837
K<sub>р ν=3</sub>
0,593
0,594
0,524
0,596
0,524
0,538
K<sub>р ν=5</sub>
0,364
0,355
0,312
0,355
0,312
0,32
K<sub>И ν=3</sub>
0,16
0,184
0,254
0,268
0,221
0,28
K<sub>И ν=5</sub>
0,126
0,142
0,195
0,205
0,17
0,214
И ν=3
И ν=5
Анализ вариантов исполнения совмещенной обмотки для РМБ показал, что для продолжительного режима работы целесообразнее принять однослойную обмотку (фиг.2), у которой коэффициенты использования K=0,205 и K=0,214 - наибольшие.
Предлагаемая совмещенная обмотка электрической машины переменного тока однослойная и симметричная имеет:
- меньший шаг y=3 по пазам чем у аналога (y=4), а соответственно меньший расход меди на лобовые части обмотки,
- более высокий коэффициент заполнения пазов медью (0,962 и 0,837 против 0,47 у аналога),
И ν=3
И ν=5
- более высокий коэффициент использования обмотки (K и K) чем у аналога, что снижает расход меди электрической машины.
Таким образом, предлагаемая совмещенная обмотка электрической машины переменного тока обеспечивает улучшение использования меди, т.е. снижается масса меди.
Кроме того, однослойная обмотка проще в изготовлении.