ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройству многофазных обмоток электрических машин переменного тока, и может быть использовано при изготовлении энергоэффективных электродвигателей переменного тока, в том числе и многоскоростных двигателей, обладающих свойством полисинхронизма.
Известны обмотки электрической машины переменного тока однослойные и двухслойные, которые выполнены m-фазными, где m=2 или 3, и могут быть подключены как к однофазной, так и трехфазной сети переменного тока [Кацман М.М. Электрические машины: Учеб. для студентов сред. Проф. Учебных заведений - 3-е изд. исп. - М.: Высш. шк.; Издательский центр “Академия”; 2001. - с. 212÷215]. Недостаток обмотки электрической машины переменного тока выполненной трехфазной при включении на однофазную сеть с образованием двухфазной системы обмоток заключается в невозможности изменять коэффициент трансформации (отношение чисел витков фаз двухфазной обмотки).
0
7
Известны обмотки электрической машины переменного тока однослойные и двухслойные, которые выполнены трехфазными с числом пар полюсов p в Z пазах магнитопровода [Пат. №140530 РФ, МКИ H02K 3/28, 17/14. Трехфазная обмотка электрической машины / Г.А. Шаншуров. Зарегистрирована 10.05.2014. Приоритет 18.12.2013.]. Обмотка содержит n-фазных зон и q катушек в каждой паре фазных зон, выполненных с шагом
ср
i
y=Σy/q,
где i=1, …q,
и включенных последовательно, образовывая катушечные группы.
Эта обмотка наиболее близка к предлагаемой полезной модели и является прототипом.
-1/2
Однако и эта обмотка электрической машины переменного тока выполненная трехфазной при включении на однофазную сеть с образованием двухфазной системы обмоток имеет постоянное значение коэффициента трансформации равное 3 (отношение эффективных чисел витков фаз двухфазной обмотки). Для обеспечения кругового поля в требуемом режиме работы электрической машины коэффициента трансформации может принимать самые различные значения [Шаншуров Г.А. Матричная модель однофазного асинхронного двигателя // Электротехника. 2007. №9. С 22-27]. Соответственно лучшее использование электрической машины может быть получено при включении на однофазную сеть двухфазной обмотки.
Задачей (техническим результатом) полезной модели является расширение области применения обмотки.
0
Поставленная задача достигается тем, что обмотка электрической машины переменного тока выполнена m-фазной с числом пар полюсов p в Z пазах магнитопровода, содержит N-фазных зон и q катушек в каждой паре фазных зон, выполненных с шагом
ср
i
y=Σy/q,
где i=1, …q,
и включенных последовательно, образуя катушечные группы. Обмотка выполнена двухфазной, а число фазных зон N равное 12, число катушек q катушечных групп и число пазов Z магнитопровода связаны соотношением
0
Z=Npq
и q катушек катушечных групп уложены в пазы магнитопровода с шагом
ср
0
y=Z/(2mp),
1
2
при этом число катушек на полюс N·q/2 определено числом катушек каждой фазы на полюс Q и Q
1
2
N·q/2=Q+Q,
2
1
где Q/Q=2.
Поставленная задача также достигается тем, что обмотка может быть выполнена однослойной с числом я пазов на полюс, фазу и фазную зону, в катушечной группе стороны q катушек уложены в рядом расположенных q пазах магнитопровода с распределением сторон катушек в пазах по закону
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
p0
(AbcXBzxYZayC),
q
q
p0
q
q
p0
где “A,a и X,x”, “B,b и Y,y”, “C,c и Z,z” - фазные зоны обмотки, при этом (AX) и (xa) - катушечные группы, образующие полуфазы первой фазы обмотки,
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
[(BY), (ZC)] и [(yb), (cz)] - катушечные группы, образующие полуфазы второй фазы обмотки,
индекс “q” - это число катушечных сторон размещенных рядом в соответствующей фазной зоне.
Поставленная задача также достигается тем, что обмотка может быть выполнена двухслойной концентрической с числом катушек K в катушечной группе, соединенных последовательно, стороны K катушек уложены в пазы магнитопровода в пределах каждой пары фазных зон в рядом расположенных K пазах, где K равно
K=2+t,
а шаг концентрических катушек по пазам определен соотношениями
ср
ср
ср
y+2t, …, t, …, y-2t,
ср
0
где y=Z(2mp) и t - шаг выбран в пределах от 1 до q, с чередованием фазных зон в последовательности
к
к
к
к
к
К
к
к
К
к
к
к
p0
(AbcXBzxYZayC),
где “A,a и X,x”, “B,b и Y,y”, “C,c и Z,z” - фазные зоны обмотки,
к
к
p0
к
к
p0
(AX) и (xa) - катушечные группы, образующие полуфазы первой фазы обмотки,
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
[(BY), (ZC)] и [(yb), (cz)] - катушечные группы, образующие полуфазы второй фазы обмотки,
индекс “K” - это число катушечных сторон размещенных рядом в соответствующей фазной зоне.
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
0
0
Поставленная задача также достигается тем, что фазы однослойной обмотки, выполненные из полуфаз (AX) и (x a) - первой фазы, [(BY), (ZC)] и [(yb), (cz)] - второй фазы могут быть включены встречно, начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 2p, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 4p, а концы фаз объединены, образуя нулевой вывод обмотки, при этом начало и конец каждой фазы присоединен к контактам коммутатора.
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
0
0
Поставленная задача также достигается тем, что фазы однослойной обмотки выполненные из полуфаз (AX) и (xa) - первой фазы, [(BY), (ZC)] и [(yb), (cz)] - второй фазы могут быть включены согласно, начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 4p, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 2p, а концы фаз объединены, образуя нулевой вывод обмотки, при этом начало и конец каждой фазы присоединен к контактам коммутатора.
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
0
0
Поставленная задача также достигается тем, что фазы двухслойной обмотки выполненные из полуфаз, соединенных последовательно, (AX) и (xa) - первой фазы, [(BY), (ZC)] и [(yb), (cz)] - второй фазы могут быть включены встречно, начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 2p, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 4p, а концы фаз объединены, образуя нулевой вывод обмотки, при этом начало и конец каждой фазы присоединен к контактам коммутатора.
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
0
0
Поставленная задача также достигается тем, что фазы двухслойной обмотки выполненные из полуфаз (AX) и (xa) - первой фазы, [(BY), (ZC)] и [(yb), (cz)] - второй фазы могут быть включены согласно, начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 4p, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 2p, а концы фаз объединены, образуя нулевой вывод обмотки, при этом начало и конец каждой фазы присоединен к контактам коммутатора.
0
0
0
0
На фиг. 1 изображено конструктивное исполнение однослойной двухфазной обмотки электрических машин со встречным включением полуфаз, а на фиг. 2 приведено ее матричное описание; на фиг. 3 изображено конструктивное исполнение двухслойной двухфазной обмотки электрических машин со встречным включением полуфаз, а на фиг. 4 приведено ее матричное описание; на фиг. 5 изображена схема соединения фаз двухфазной обмотки электрических машин с числом полюсов 2p при числе параллельных ветвей a=1 со стороны первого входа и с числом полюсов 4р при числе параллельных ветвей а=2 со стороны второго входа; на фиг. 6 - схема соединения фаз двухфазной обмотки электрических машин с числом полюсов 4p при числе параллельных ветвей a=1 со стороны первого входа и с числом полюсов 4p при числе параллельных ветвей a=2 со стороны второго входа.
0
Обмотка электрической машины переменного тока выполнена двухфазной однослойной (фиг. 1, 2, 5, 6) с числом пар полюсов p=1 в Z=24 пазах магнитопровода и содержит q=2 катушек в каждой паре фазных зон, выполненных с шагом
ср
i
y=Σy/q=6,
где i=1, …q=1,2,
и включенных последовательно, образуя катушечные группы.
Обмотка содержит N=12 - фазных зон (фиг. 1, 2): четыре 1, 4 в первой фазе “A,a и X,x” и восемь во второй фазе “B,b и Y,y”, “C,c и 2,2”. Число катушек я катушечных групп и число пазов 2 магнитопровода связаны соотношением
0
Z=N·p·q=12·1·2=24.
При этом в каждой фазе в пределах каждой пары фазных зон уложена в пазы магнитопровода катушечная группа с шагом
ср
0
y=Z/(2mp)=24/(2·2·1)=6.
Число катушек на полюс N·q/2 равно
N·q/2=12-2/2=12
1
2
и определено числом катушек каждой фазы на полюс Q и Q
1
2
N·q/2=Q+Q=4+8,
2
1
где Q/Q=2 (фиг. 1, 2).
0
Катушечные группы 1÷6 каждой фазы образуют две полуфазы (фиг. 1÷6). Для однослойной обмотки при числе пар полюсов обмотки p=1 (фиг. 1, 2, 5, 6) число катушечных групп на паре полюсов в первой фазе 1 и 4 равно
1
Q/2=2,
во второй фазе 2, 3 и 5, 6 равно
2
Q/2=4.
Каждая катушечная группа первой фазы 1 и 4 образует полуфазы (фиг. 5, 6), а полу фазы второй фазы образуют соответственно катушечные группы 2, 3 и 5, 6.
0
0
0
При числе пар полюсов обмотки p≥2 число катушечных групп в полуфазах первой фазы равно p, а число катушечных групп в полуфазах второй фазы равно 2p.
При выполнении двухфазной (m=2) обмотки однослойной с одинаковым числом пазов q на полюс, фазу и фазную зону стороны катушек в пазах имеют распределение сторон катушек в пазах по закону (фиг. 1)
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
p0
(AbcXBzxYZayC),
где “A,a и X,x”, “B,b и Y,y", “C,c и Z,z” - фазные зоны двухфазной обмотки.
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
При этом (AX) и (xa) - катушечные группы 1 и 4, образующие полуфазы первой фазы обмотки, [(BY), [(yb)] и (ZC), (cz)] - катушечные группы 2, 5 и 3, 6 образующие полуфазы второй фазы обмотки (фиг.1, 2, 5, 6). Индекс “q” - это число катушечных сторон размещенных рядом в соответствующей фазной зоне.
ср
Направление тока в фазных зонах “A,a, B,b и C,c” одинаковое (например, вверх), а в фазных зонах “X,x, Y,y и Z,z” одинаковое в другую сторону (например, вниз), при этом q катушек концентрической обмотки последовательно включенные в пределах каждой фазной зоны выполнены с шагом y равным (фиг. 1, 2)
ср
0
y=Z/(2mp)=24/(2·2·1)=6.
1
2
ср
т.е. y=7, y=5 и y=(7+5)/2=6.
В общем случае обмотка может быть выполнена и концентрической, и равносекционной.
Для выполнения анализа конструктивных исполнений обмоток на работоспособность используем ряд компонент матричной модели обмоток переменного тока:
- ЭДС обмотки
обν
прν
пm
P
прν
||E||=E·U·[||С||·||E||],
P
где ||С|| - это матрица исследуемой обмотки (фиг. 2),
прν
E - величина индуктируемой ЭДС проводника от ν-той гармоники поля;
- обмоточные коэффициенты для ν-тых гармоник
,
P
m
P
где ||C|| матрица m-ной строки матицы обмотки ||C||,
mi
|a| - сумма чисел элементов строки (фазы) матрицы обмотки по модулю.
прν
Для анализа обмотки составляется столбцовая матрица звезды пазовых э.д.с ||E||. Элементы столбцевой матрицы определяются выражением:
i
0
ν
0
где ν - номер гармонической составляющей э.д.с.(н. с), Z - номер паза от 1 до Z, а α=α·ν.
0
Угол сдвига пазов α для обмоток, не создающих субгармоники магнитного поля, равен
0
0
α=p-360°/Z, эл. град. Для аналитических расчетов, используя формулу Эйлера
,
следует перейти от выражения (4) к алгебраическим выражениям:
; ; .
Обмоточный коэффициент для каждой из гармоник ЭДС (НС) определится соотношением:
.
0
0
mi
1i
mi
2i
0
об1
При матричном описание обмотки электрической машины с числом полюсов обмотки 2p=2 и числе пазов Z=24, приведенном на фиг. 2, сумма чисел элементов строки первой фазы по модулю |a|=|a|=8. Сумма чисел элементов строки второй фазы по модулю |a|=|a|=16, а угол сдвига пазов α=15 эл. градусов. Для рабочей гармоники поля ν=1 обмоточный коэффициент для первой фазы K=0,701, а для второй фазы 0,607 (таблица 1), что обеспечивает создание рабочего магнитного потока и работоспособность электрической машины.
Отношение эффективных чисел витков фаз (фиг. 2) двухфазной обмотки (коэффициент трансформации) равно:
тр
2i
об.2ф
1i
об.1ф
об.2ф
об.1ф
-0,5
K=|a|·K/|a|·K=2K/K=2·0,607133505/0,701057385=1,73205…=3.
2i
1i
Меняя величину витков катушек (число проводников в пазу |a|/|a|) можно получить требуемое значение коэффициента трансформации для обеспечения требуемом режиме работы электрической машины, в том числе и симметричного (при круговом поле).
При выполнении двухфазной (m=2) обмотки двухслойной концентрической (фиг. 3, 4) число катушек в катушечной группе равно К, которые соединены последовательно.
Стороны K катушек 1 и 4 (фиг. 3), 2 и 5, 3 и 6 (на фиг. 3 не показаны) уложены в пазы магнитопровода в пределах каждой пары фазных зон в рядом расположенных K пазах, где K равно
K=q+t.
Шаг концентрических катушек по пазам определен соотношениями
ср
ср
ср
y+2t, …, y, …, y-2t,
ср
0
где y=Z(2mp) и t - шаг выбран в пределах от 1 до q.
Чередование фазных зон двухфазной обмотки выполнено в последовательности
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
p0
(AbcXBzxYZayC),
где “A,a и X,x”, “B,b и Y,y”, “C,c и Z,z” - фазные зоны обмотки,
индекс “K” - это число катушечных сторон размещенных рядом в соответствующей фазной зоне.
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
р0
к
к
p0
При этом (AX) и (xa) - катушечные группы 1 и 4 образуют полуфазы первой фазы обмотки (фиг. 3), а [(BY), [(yb)] и (ZC), (cz)] - катушечные группы 2, 5 и 3, 6 - полуфазы второй фазы обмотки.
При числе катушек K=3 (фиг. 3, 4) в катушечной группе, соединенных последовательно, и шаге t=1 шаг концентрических катушек по пазам определен соотношениями
ср
ср
ср
y+2t=8 y=6 y-2t=4.
ср
0
где y=2/(2mp)=24/(2·2·1)=6.
Таким образом, выполняется условие
ср
i
ср
y=Σy/K=y=(8+6+4)/3=6.
0
0
Матричном описание обмотки электрической машины с числом полюсов обмотки 2p=2 и числе пазов Z=24, приведенное на фиг. 4, показывает, что сумма чисел элементов строки первой фазы по модулю равно
mi
1i
|a|=|a|=16,
а сумма чисел элементов строки второй фазы по модулю
mi
2i
|a|=|a|=32.
об.2ф
0
об1
Из рассмотрения фиг. 3 и 4 следует, что в 10 и 22 пазах при одинаковом числе витков в катушках суммарный ток равен 0, снижая величину K (см. таблицу 2). Угол сдвига пазов α=15 эл. градусов. Для рабочей гармоники поля ν=1 обмоточный коэффициент для первой фазы K=0,695, а для второй фазы 0,6019, что обеспечивает создание рабочего магнитного потока и работоспособность электрической машины.
Отношение эффективных чисел витков фаз (фиг. 4) двухфазной обмотки (коэффициент трансформации) равно:
тр
2i
об.2ф
1i
об.1ф
об.2ф
об.1ф
-0,5
K=|a|·K/|a|·K=2K/K=2·0,695059742/0,601939393125=1,73205…=3.
2i
1i
Меняя величину витков катушек (число проводников в пазу |a|/|a|) можно получить требуемое значение коэффициента трансформации для обеспечения требуемом режиме работы электрической машины, в том числе и симметричного (при круговом поле).
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
q
q
p0
Фазы двухфазной (m=2) однослойной обмотки (фиг. 1, 2) выполнены из полуфаз (фиг. 5). Первая фаза (U1U2) из катушечных групп 1 - (AX) с началом 7, концом 8, образуя одну полуфазу, и 4 - (xa) с началом 9, концом 10, образуя другую полуфазу (фиг. 1, 2). Вторая фаза (V1V2) из катушечных групп 2 - (BY) с началом 11, концом 12 и 3 - (ZC) с началом 15, концом 16, образуя одну полуфазу, и 5 - (yb) с началом 13, концом 14 и 6 - (CZ) с началом 17, концом 18, образуя другую полуфазу. Катушечные группы, полуфазы 1 и 4 в фазе включены встречно, последовательно (a=1). В полуфазах второй фазы катушечные группы 2, 3 и 5, 6 также включены встречно, но и полуфазы включены встречно, последовательно (a=1).
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
к
к
p0
Аналогично фазы двухфазной (m=2) двухслойной обмотки (фиг. 3, 4) выполнены из полуфаз (фиг. 5). Первая фаза (U1U2) из катушечных групп 1 - (AX) с началом 7, концом 8, образуя одну полу фазу, и 4 - (xa) с началом 9, концом 10, образуя другую полуфазу (фиг. 1, 2). Вторая фаза (V1V2) из катушечных групп 2 - (BY) с началом 11, концом 12 и 3 - (ZC) с началом 15, концом 16, образуя одну полуфазу, и 5 - (yb) с началом 13, концом 14 и 6 - (CZ) с началом 17, концом 18, образуя другую полуфазу. Катушечные группы, полуфазы 1 и 4 в фазе включены встречно, последовательно (a=1). В полуфазах второй фазы катушечные группы 2, 3 и 5, 6 также включены встречно, но и полуфазы включены встречно, последовательно (a=1).
0
Начало первой фазы U1 образовано началом 7 катушечной группы 1, начало второй фазы Z1 образовано началом 11 катушечной группы 2. Концы фаз образуют начало 9 катушечной группы 4 и конец 18 катушечной группы 6 (фиг. 5). Концы 9 и 18 объединены, образуя нулевой вывод обмотки - 0. Начала фаз U1 - 7, Z1 - 11 и нулевой вывод 0 образуют первый вход обмотки с числом полюсов 2р=2.
0
При последовательном включении полуфаз (фиг. 5) 1 и 4, 2, 3 и 5, 6 в фазах образован второй вход обмотки выводами L1 - 19, L2 - 20 из точек соединения полуфаз 8 и 10, 14 и 15 с числом полюсов 4p=4.
Начало и конец каждой фазы 7 и 9, 11 и 18, присоединен к контактам коммутаторов 21 и 22, которые при замыкании обеспечивают соединение полуфаз 1 и 4, 2, 3 и 5, 6 в фазах параллельно (a=2). Концы 9 и 18 объединены, образуя нулевой вывод обмотки - 0.
0
0
0
Для обеспечения при числе полюсов 2p=2 соединение полуфаз 1 и 4, 2, 3 и 5, 6 в фазах параллельно с a=2, а при числе полюсов 2p=4 соединение полуфаз 1 и 4, 2,3 и 5, 6 в фазах последовательно с a=1 (фиг. 6), полу фазы соединены согласно. При этом первый вход обмотки с числом полюсов 4p=4 и a=1 образуют вывода L1 - 7, L2 - 11 и нулевой вывод 0, объединяющий концы фаз 10 и 17.
0
При последовательном включении полуфаз (фиг. 6) 1 и 4, 2, 3 и 5, 6 в фазах образован второй вход обмотки выводами U1 - 19, U2 - 20 из точек соединения полуфаз 8 и 9, 13 и 15 с числом полюсов 4p=2 и a=2. Нулевой вывод 0 получен соединением концов 10 и 17 фаз. Начало и конец каждой фазы 7 и 10, 11 и 17, присоединен к контактам коммутаторов 21 и 22, которые при замыкании обеспечивают соединение полуфаз 1 и 4, 2,3 и 5, 6 в фазах параллельно (a=2).
0
0
mi
1i
0
При матричном описание обмотки электрической машины с числом полюсов обмотки 2p=4 (фиг. 5 и 6) и числе пазов Z=24 сумма чисел элементов строк фазы матриц обмотки по модулю |a|=|a| не меняется, а угол сдвига пазов α=30 эл. градусов. Для рабочей гармоники поля ν=1 обмоточный коэффициент приведены в таблицах 3 и 4. Их значения обеспечивают создание рабочего магнитного потока и работоспособность электрической машины
Отношение эффективных чисел витков фаз (табл. 3 и 4) двухфазной обмотки (коэффициент трансформации) равно:
- для однослойной обмотки
тр
об.2ф
об.1ф
-0,5
K=2K/K=2·0,836516304/0,965925826=1,73205…=3,
- для двухслойной обмотки
тр
об.2ф
об.1Ф
-0,5
K=2K/K=2·0,808012702/0,933012702=1,73205…=3.
2i
1i
Новым соотношением витков катушек (число проводников в пазу |a|/|a|) можно получить требуемое значение коэффициента трансформации для обеспечения требуемом режиме работы электрической машины, в том числе и симметричного (при круговом поле).
Результаты анализа предложенных схем обмотки показывают их работоспособность: создаются рабочие магнитные поля с заданным числом полюсов и обмотки обладают высоким обмоточным коэффициентом для рабочих гармоник поля.
Достигается решение задачи и технический результат - расширение области применения обмотки - выполнением обмотки двухфазной с числом фазных зон N, числом катушек q катушечных групп в Z пазах магнитопровода,
0
где Z=Npq,
N=12,
q катушек катушечных групп уложены в пазы магнитопровода с шагом
ср
0
y=2/(2mp),
1
2
при этом число катушек на полюс N·q/2 определено числом катушек каждой фазы на полюс Q и Q
1
2
N·q/2=Q+Q,
2
1
где Q/Q=2,
а также возможностью лучшего использования электрической машины при включении обмотки на однофазную сеть путем выбора определенного значения коэффициента трансформации для обеспечения требуемого режима работы электрической машины, в том числе и симметричного (при круговом поле).
Кроме того, двухфазное исполнение обмотки позволяет обеспечивать коэффициента трансформации равный
тр
об.2ф
об.1ф
-0,5
K=2K/K=1,73205…=3
0
0
одновременно для числа полюсов 2p=2 и 2p=4, что позволяет подключать электрическую машину к трехфазной сети переменного тока (как односкоростную, так и двухскоростную).
При этом двухфазная обмотка сохраняет положительные качества трехфазного исполнения 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,
- уменьшение активного и индуктивного сопротивлений фаз, обусловленные лобовыми частями обмоток,
- упрощение технологии укладки обмотки с меньшим шагом по пазам магнитопровода электрической машины.