ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, конструкциям статоров синхронных машин, в том числе к конструкциям статоров синхронных машин с постоянными магнитами. Данная полезная модель может быть использована в любой промышленности, где применяется электропривод, а также при создании объектов, к которым предъявляются высокие требования относительно пускового момента, КПД, уровня шумов и вибраций.
Известна статорная обмотка двухполюсного трехфазного асинхронного двигателя, выполненная из двух трехфазных обмоток, одна из которых соединена в треугольник, а другая в звезду, при этом коэффициент укорочения шага принят от 0,388 до 0,416 для обеих обмоток в зависимости от числа пазов статора, соотношение чисел витков обмоток треугольника и звезды равны соответственно  а начала одноименных фаз обеих обмоток смещены в пространстве на 30 эл. град, относительно друг друга [1]. Также известны асинхронные электродвигатели с комбинированной обмоткой, получившей название «Славянка», состоящей из двух параллельно включенных трехфазных двухслойных обмоток, из которых одна включена по схеме звезда, другая - по схеме треугольник. Фазные витки их подобраны так, чтобы напряжения на линейных зажимах были одинаковы [2, 3]. Такие обмотки [1-3] оказываются энергоэффективными для асинхронной машины, поскольку оказывают фильтрующее (прореживающее) действие для обмоточных гармоник магнитодвижущей силы (МДС) и магнитной индукции в воздушном зазоре. МДС обычной симметричной трехфазной обмотки содержит высшие гармоники порядков ν=6k±l, k=1, 2, 3, … .У комбинированной трехфазной обмотки отсутствуют гармоники с нечетными значениями k=2n-1, n=1, 2, 3, … (т.е. гармоники МДС с номерами ν=5, 7, 17, 19, 29, 31 и т.д.), составляющие половину первоначальных высших гармоник [4]. Недостатком таких вариантов совмещенной обмотки [1-4] является их ограниченное применение в асинхронных двигателях, что допустимо благодаря тому, что у асинхронных машин при умеренном насыщении сердечников магнитная индукция в воздушном зазоре практически не содержит гармоник с порядками кратными трем [5]. Применение комбинированной обмотки без специального укорочения [1-4] в вентильных двигателях с постоянными магнитами вызовет нежелательный эффект, заключающийся в следующем. Постоянные магниты на роторе вентильного двигателя являются источником не только основной гармоники магнитной индукции в воздушном зазоре, но и высших нечетных гармоник, включая гармоники с порядком, кратных трем. Эти последние, как известно [6], будут наводить в каждой фазной обмотке одинаковые э.д.с. (без фазового сдвига). В результате в случае соединения обмотки в треугольник в ней будет протекать ток тройной частоты, вызывающий ее нагрев даже в режиме холостого хода.
тр.
зв.
тр.
зв.
Известна энергоэффективная обмотка синхронной машины, состоящая из двух трехфазных совмещенных зависимых обмоток, соединенных соответственно в звезду и треугольник при соотношении числа витков треугольника и звезды, равном  при этом катушки фаз уложены в пазы так, что результирующие векторы индукции магнитного потока каждой из одноименных фаз образуют в воздушном зазоре угол сдвига в 30 эл. градусов, при этом количество пазов, приходящихся на обмотку «треугольника» Z, принимается равным числу пазов, приходящихся на обмотку «звезды» Z, если k=Z/12p=n, где n - целое число, в противном случае, когда k≠n, число пазов обмотки «треугольника» рассчитывается по формуле Z=Z-3х2р, где Z - число пазов расточки статора, р - число пар полюсов [7]. Недостатком данной обмотки является протекание в части обмотки, соединенной в треугольник, тока тройной частоты, вызванного наведением в каждой фазной части обмотки одинаковых э.д.с. без фазового сдвига. Также недостатком данной полезной модели является в случае, когда k≠n, уменьшение общего числа витков обмотки статора, вызванное «прореживанием» обмотки, соединенной в треугольник.
Известен вентильный электродвигатель, содержащий ротор с постоянными магнитами, статор с уложенной в его пазы обмоткой, отличающийся тем, что обмотка статора выполнена по схеме соединения «звезда-треугольник» с укороченным шагом обмотки, соединенной в треугольник, при этом укорочение составляет одну треть от диаметрального шага обмотки [8]. Данное устройство взято за прототип. В прототипе решается задача исключения наведения э.д.с. тройной частоты в той части совмещенной обмотки, которая соединена в треугольник, с последующим уменьшением зубцовых пульсаций электромагнитного момента и вихревых токов в постоянных магнитах. Однако в прототипе не говорится об ограничении применения обмотки с укорочением шага на одну треть; это ограничение связано с существующими различными соотношениями между числом пазов (зубцов) статора z и числом пар магнитных полюсов р вентильного двигателя, что затрудняет конструктивный выбор параметров z и р вентильного двигателя с постоянными магнитами на роторе, с совмещенной обмоткой статора, выполненной по схеме соединения «звезда-треугольник».
Технической задачей полезной модели является упрощение конструктивного выбора соотношения между числом пазов (зубцов) статора z и числом пар магнитных полюсов р вентильного двигателя с постоянными магнитами на роторе, с совмещенной трехфазной обмоткой статора, выполненной по схеме соединения «звезда-треугольник».
т
т
т
т
т
т
3
з
т
Поставленная задача решается выполнением соотношения z=3ру, где у- шаг части обмотки, соединенной в треугольник, при конструировании вентильного двигателя с постоянными магнитами на роторе, с совмещенной обмоткой статора, выполненной по схеме соединения «звезда-треугольник». В таком случае шаг части обмотки, соединенной в треугольник, определяется соотношением y=z/3p.Тогда укорочение β шага части обмотки, соединенной в треугольник, равно β=у/τ=2/3, где τ=z/2p - полюсное деление статора вентильного двигателя, выраженное в пазах (зубцах). При этом по одному из вариантов начала одноименных фаз в частях обмотки, соединенных в треугольник и звезду, смещаются относительно друг друга на 30 электрических градусов, что целесообразно и конструктивно просто реализуемо, если выполняется соотношение у/4=n, где n - целое число.
т
т
y3i
т
0
0
z
0
z
т
т
0
z
т
т
т
Сущность полезной модели заключается в уменьшении значения третьей гармоники э.д.с, наводимой в части обмотки, соединенной в треугольник, до нуля, а также всех гармоник с номерами кратным трем благодаря значению шага укорочения такой обмотки β=2/3 в конструкциях вентильных двигателей с постоянными магнитами на роторе, с совмещенной обмоткой статора, выполненной по схеме соединения «звезда-треугольник», для которых выполняется соотношение z=3ру.При этом значения коэффициентов укорочения для гармоник э.д.с. кратных трем, определяемые по формуле k=|sin(πβ3i/2)|, где i - целое число, будут равны нулю. По одному из вариантов предлагаемой полезной модели смещение начал одноименных фаз в частях обмотки, соединенных в треугольник и звезду, относительно друг друга на электрический угол α=30° целесообразно и просто конструктивно реализуемо, если значение α кратно значению пазового электрического угла вентильного электродвигателя α=360°⋅p/z, т.е. α/α=z/12p=n, где n - целое число. Учитывая соотношение параметров, позволяющее реализовать укорочение β=2/3 (z=3py), для варианта со смещением начал обмоток «звезды» и «треугольника» на 30 эл. градусов получим выражение α/α=z/12p=y/4=n. То есть в этом случае шаг части обмотки, соединяемой по схеме «треугольник», выраженный в пазах (зубцах), у может принимать значение из ряда у=4n, где n - целое число.
т
т
На фиг. 1 представлена диаграмма возможного варианта чередования э.д.с. на активных сторонах катушечных групп трехфазной обмотки, выполненной по схеме соединения «звезда-треугольник», с учетом соотношения значений э.д.с. на сторонах катушечных групп, соединяемых в «звезду» и в «треугольник», а также с учетом смещения по фазе между этими э.д.с. На фиг. 2 и фиг. 3 представлены соответственно две части открытой схемы электрической соединений возможного варианта трехфазной трехслойной обмотки типа «звезда-треугольник» вентильного двигателя, выполненной с укорочением β=2/3 шага части обмотки, соединяемой по схеме «треугольник» (фиг. 3), без смещения одноименных фаз в частях трехфазной обмотки, соединяемых в «треугольник» (фиг. 3) и в «звезду» (фиг. 2), при числе зубцов (пазов) z=54 и числе пар полюсов р=3. На фиг. 4 представлена открытая схема электрическая соединений возможного варианта трехфазной двухслойной обмотки типа «звезда-треугольник» вентильного двигателя, выполненной с укорочением β=2/3 шага части обмотки, соединяемой по схеме «треугольник», со смещением одноименных фаз в частях трехфазной обмотки, соединяемых в «треугольник» и «звезду», относительно друг друга на 30 электрических градусов при числе зубцов (пазов) z=48 и числе пар полюсов р=4.
Параметры обмоток, изображенных на фиг. 2-4, представлены в таблице.
Коэффициент укорочения по отношению к v-гармонике при укорочении
т
шага обмотки β=2/3 определяется по формуле:
yν
т
k=|sin(πβν/2)|=|sin(πν/3].
Коэффициент укорочения по отношению к нечетным гармоникам ν≠3i,
где i - целое число:
i≠3i
k=sin(π/3)=|sin(5π/3)|=sin(7π/3)=|sin(11π/3)|=…=0,866.
Таким образом, укорочение части совмещенной обмотки, соединенной в «треугольник», приведет к сокращению первой гармоники наводимой э.д.с. на 13,4% по сравнению с диаметральной обмоткой и, в первую очередь, к исчезновению третьей гармоники наводимой э.д.с. и гармоник, кратных трем, что приведет к отсутствию тока тройной частоты и отсутствию вызванного этим током нагрева в части обмотки, соединенной в «треугольник».
Предлагаемая полезная модель позволяет упростить конструктивный выбор соотношения между числом пазов (зубцов) статора z и числом пар магнитных полюсов р при конструировании вентильного двигателя с постоянными магнитами на роторе с совмещенной трехфазной обмоткой статора, выполненной по схеме соединения «звезда-треугольник».
Источники информации
1. Патент №2046515 от 20.10.1995. Статорная обмотка двухполюсного трехфазного асинхронного двигателя.
2. Змиева К.А., Яковлев А.П. Оптимизация линейки энергосберегающих асинхронных двигателей с габаритами от 100 до 132 с совмещенными обмотками // Электротехника. - 2014. - №7. - С. 32-35.
3. Дейнего В., Дуюнов Д., Иванов В. Изменение конструкции обмоток асинхронных электродвигателей - потенциал обеспечения надежности электросетей // Электроэнергия. Передача и распределение. - 2015. - №2 (29). - С.48-55.
4. Афанасьев А.А., Никитин В.М., Токмаков Д.А. Комбинированная обмотка «Славянка» // Электричество. - 2017. - №6. - С. 53-58.
5. Сергеев П.С. Электрические машины. - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 280 с.
6. Проектирование электрических машин / И.П. Копылов, Ф.А. Горяинов, Б.К. Клоков и др.; Под ред. И.П. Копылова. - М.: Энергия, 1980. - 496 с.
7. Патент на полезную модель №193578 от 06.11.19. Энергоэффективная обмотка синхронной машины.
8. Патент №2652102 от 25.04.18. Вентильный электродвигатель.