ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
AC ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электрическим машинам переменного тока и может быть использовано в электроприводах с питанием от источников как регулируемого, так и нерегулируемого переменного тока, а также в генераторных установках в качестве источника переменного тока.
Электрическая машина переменного тока содержит статор (якорь) с размещенной на его зубцах m-фазной обмоткой и ротор (индуктор) с 2р полюсами в синхронной электрической машине либо с многофазной или короткозамкнутой обмоткой в асинхронной электрической машине. Наиболее широко распространены электрические машины переменного тока с распределенными m-фазными обмотками, уложенными в пазы таким образом, что на каждом полюсном делении чередуются пазы с катушками всех m фаз [А.И.Вольдек. Электрические машины. "Энергия", 1974, глава 21]. Недостатком таких машин является наличие длинных пересекающихся лобовых частей, что приводит к большому расходу обмоточных проводов и большим потерям мощности в обмотках, а также сложность технологии укладки таких обмоток в пазы. Кроме того, статоры машин с распределенными обмотками при большом числе полюсов 2р имеют большое количество пазов Z и малую ширину пазов и зубцов, что усложняет конструкцию и технологию изготовления и ухудшает заполнение пазов обмоточным проводом.
c
c
c
гр
гp
гp
Известны также электрические машины с сосредоточенными обмотками статора, в которых катушки охватывают по одному зубцу, при этом катушки располагаются в равномерно распределенных по окружности пазах статора, а все зубцы имеют одинаковую ширину. Лобовые части сосредоточенных обмоток не пересекаются и имеют меньшую длину, чем в распределенных обмотках. Например, синхронный электродвигатель согласно патенту RU 2047936 содержит статор с m-фазной сосредоточенной обмоткой, каждая катушка которой охватывает один зубец статора, и ротор с чередующимися по полярности полюсами, a Z - число зубцов статора, и 2р - число полюсов ротора, связаны между собой соотношением Z=2p±Q, Z=m·Q·Z, где Q - число повторяющихся частей статора, в каждой из которых содержится m катушечных групп, при этом Q=1, 2, 3; Z - число катушек в катушечной группе, которое соответствует соотношению Z=l, 2, 3. Недостатком данного синхронного электродвигателя является разнонаправленность сил, действующих на разные полюса ротора, что следует из представленной на первой фигуре рассматриваемого патента полярности полюсов статора и ротора в фиксированный момент времени. Разнонаправленность сил, действующих на разные полюса ротора, приводит к ослаблению результирующего вращающего момента.
P
S
P
S
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является синхронный электродвигатель согласно а.с. SU 1481875, в котором обмотка статора выполнена в виде катушек по одной на полюс (то же, что зубец), а число полюсов ротора Z связано с Z - числом полюсов (зубцов) статора, соотношением Z=Z±(2K-1), где (2К-1) - число чередующихся фазных зон m-фазной обмотки статора.
P
S
S
P
S
P
S
Вышеописанный ближайший аналог также имеет недостатки. Магнитное поле, создаваемое при прохождении переменного тока в сосредоточенных обмотках, имеет значительные пульсации, что наглядно видно из представленных в описании к а.с. SU 1481875 графиков распределения магнитного поля в различные моменты времени. При этом к части полюсов ротора приложены силы, противоположные по направлению результирующему вращающему моменту, что приводит к ослаблению и пульсациям вращающего момента. Кроме того, из соотношения Z=Z±(2K-1) следует, что при фиксированном числе пазов статора Z ротор может иметь разное число полюсов: Z=Z+(2К-1), либо Z=Z-(2K-1). Исходя из общей теории электрических машин, вращающий момент может создаваться только тем магнитным полем статора, у которого число полюсов совпадает с числом полюсов ротора. Возможность выполнения ротора с разным числом полюсов означает, что в ближайшем аналоге магнитное поле статора содержит в себе сумму магнитных полей с разным числом полюсов, при этом полезный вращающий момент создает только одна составляющая поля, совпадающая с числом полюсов ротора. Присутствующие одновременно магнитные поля с другим числом полюсов приводят к увеличению потерь в электрической машине и вызывают дополнительные пульсации вращающего момента, что является неблагоприятным фактором в электрическом приводе. Отмеченные недостатки связаны с выбором неоптимальной ширины катушек статора, а также неоптимального соотношения между количеством катушек статора и числом полюсов ротора.
Задачей изобретения является увеличение вращающего момента и уменьшение его пульсаций, а также снижение потерь мощности в электрической машине за счет создания магнитного поля статора, воздействующего на все полюса ротора с силами одного направления и имеющего одно фиксированное число полюсов, равное числу полюсов ротора.
Требуемое магнитное поле статора, воздействующее на все полюса ротора с силами одного направления и имеющее одно фиксированное число полюсов, равное числу полюсов ротора, обеспечивается путем оптимизации ширины катушек обмотки статора и соотношения между количеством катушек и числом полюсов ротора. Такая оптимизация проведена путем математического моделирования картины электромагнитного поля в электрической машине переменного тока.
1
1
Поставленная задача достигается тем, что в электрической машине переменного тока, содержащей ротор и статор с расположенной в нем обмоткой, выполненной из К катушек, предлагается катушки в обмотке статора расположить так, что центральный угол α между осями поперечных сечений сторон каждой катушки, определяющий ширину катушки, равен α=(360°+60°·m)/2К; количество катушек К определяется соотношением К=(1+m/6)·р, где m - число фаз, р - число пар полюсов магнитного поля, при этом р кратно трем для m=2 и кратно двум для m=3.
Z1δ
Z1δ
Z2δ
Z1δ
В случае выполнения статора зубцово-пазовой конструкции и при расположении катушек обмотки статора в пазах так, что каждая катушка охватывает по одному зубцу, имеющему ширину b у воздушного зазора, причем минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек превышает 0,2b, предлагается между соседними катушками располагать зубцы, не охватываемые катушками и имеющие ширину b у воздушного зазора, меньшую, чем b, a Z - число зубцов, определять из выражения Z=(2+m/3)·р.
Z1δ
Z1δ
В случае выполнения статора зубцово-пазовой конструкции и при расположении катушек обмотки статора в пазах так, что каждая катушка охватывает по одному зубцу, имеющему ширину b у воздушного зазора, причем расстояние между сторонами двух соседних катушек не превышает 0,2b, предлагается стороны двух соседних катушек располагать в одном пазу, а число зубцов определять из выражения Z=(1+m/6)·p.
Сущность предлагаемого изобретения сводится к тому, что в электрической машине переменного тока предлагается оптимизировать ширину катушек обмотки статора, а также соотношение между количеством катушек и числом пар полюсов ротора таким образом, чтобы на каждый полюс ротора действовали силы (моменты), вращающие ротор в одном направлении.
В предлагаемой электрической машине переменного тока конструкция статора может быть как зубцово-пазовой, так и беззубцовой.
Предлагаемая электрическая машина переменного тока может быть выполнена как в синхронном, так и в асинхронном вариантах.
Z1δ
Z1δ
На фиг.1 представлено поперечное сечение предлагаемой электрической машины переменного тока в синхронном варианте выполнения при зубцово-пазовой конструкции статора в случае, если минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек превышает величину 0,2b. На фиг.2 представлено поперечное сечение предлагаемой электрической машины переменного тока в синхронном варианте выполнения при зубцово-пазовой конструкции статора в случае, если минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек не превышает величину 0,2b. На фиг.3 и фиг.4 представлены развертки электрической машины, приведенной на фиг.1, с условными обозначениями токов в катушках для двух моментов времени, соответствующих векторным диаграммам токов, приведенным на фиг.3, 4.
Z1δ
1
Z1δ
Z2δ
Z2δ
Z1δ
Z1δ
1
1
Синхронная электрическая машина со статором зубцово-пазовой конструкции в случае, если минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек превышает величину 0,2b, представлена на фиг.1 и содержит статор 1 с обмоткой 2, имеющей три фазы (m=3) и шесть катушек (К=6), каждая сторона которых расположена в отдельном пазу 3. Ширина катушек обмотки 2 определяется углом α=45°. Каждая катушка охватывает по одному зубцу 4 с шириной у воздушного зазора b. Зубцы 5, ширина b которых у воздушного зазора составляет b≈0,25b, расположены между сторонами двух соседних катушек, при этом минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек превышает величину 0,2b. Общее число зубцов Z=12. Ротор 6 электрической машины имеет восемь полюсов (2р=8) чередующейся полярности, т.е. данная электрическая машина является синхронной. Величины m, р, К, α, Z определяются соотношениями: α=(360°+60°·m)/2К, К=(1+m/6)·р, Z=(2+m/3)·р, при этом р кратно 2, так как m=3.
Z1δ
1
Пδ
Пδ
Z1δ
Z2δ
Z2δ
2
Пδ
2
2
2
1
2
1
Z2δ
Z1δ
Z2δ
Z1δ
Ширина охватываемых катушками зубцов 4 на внутреннем диаметре статора D (т.е. в верхней части зубцов у воздушного зазора) равна b=(α/360°·π·D-b), где b - ширина пазов 3 в верхней части у воздушного зазора (на диаметре D), зависящая от площади поперечного сечения расположенных в них катушек 2, которая, в свою очередь, зависит от суммарного сечения входящих в катушку проводников. В случае если минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек превышает величину 0,2b, тогда между соседними катушками располагаются зубцы 5, не охватываемые катушками и имеющие ширину у воздушного зазора b, равную b=(α/360°·π·D-b), где α - центральный угол между осями поперечных сечений сторон двух соседних катушек. Угол α определяется соотношением α=α-α=(360°-60°·m)/2К, где α=360°/К - угол между осями равномерно распределенных по окружности соседних катушек. Из приведенных выше соотношений следует, что α<α, вследствие чего ширина зубцов b<b. Общее число Z зубцов в этом случае в два раза больше количества катушек: Z=(2+m/3)·р. Выполнение зубцов между сторонами двух соседних катушек снижает магнитное сопротивление воздушного зазора, однако, в случае если b<0,2b, снижение магнитного сопротивления будет несущественно.
Z1δ
Z1δ
Z1δ
Синхронная электрическая машина со статором зубцово-пазовой конструкции в случае, если минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек не превышает величину 0,2b, представлена на фиг.2. В этом случае минимальное расстояние Δ между сторонами двух соседних катушек не превышает 0,2b (Δ≤0,2b), что может быть при большой площади поперечного сечения катушек 2 (фиг.2), тогда зубцы между сторонами двух соседних катушек не выполняют и в одном пазу 3 располагают стороны двух соседних катушек. В этом случае число зубцов Z равно количеству катушек: Z=(1+m/6)·р.
1
1
Z1δ
Z1δ
Z1δ
1
В статоре электрической машины переменного тока, изображенной на фиг.2, размещена трехфазная обмотка (m=3), состоящая из К=6 катушек, расположенных в пазах 3. Ширина катушек определяется углом α, равным α=45°. Каждая катушка охватывает по одному зубцу 4 с шириной у воздушного зазора b. Площадь поперечного сечения катушек в данной электрической машине больше, чем в изображенной на фиг.1, вследствие большей величины протекающего по катушкам тока и, следовательно, большего суммарного сечения проводников, из-за чего минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек менее 0,2b (Δ≈0,1b). В этом случае зубцы между сторонами двух соседних катушек отсутствуют и в пазах 3 располагаются стороны двух соседних катушек. Число зубцов Z=6. Ротор 6 электрической машины имеет 2р=8 полюсов чередующейся полярности. Соотношения между m, р, К, α, Z соответствуют указанным выше условиям.
Заявляемая электрическая машина, представляющая собой, например, синхронный электрический двигатель, приведенный на фиг.1, работает следующим образом.
эм
1
2
1
1
При подключении обмотки 2 статора 1 к сети трехфазного переменного тока частотой f по катушкам обмотки 2 протекает ток. Распределение токов в катушках обмотки для двух следующих один за другим моментов времени представлено на фиг.3 и 4. На полюса ротора 6 действуют силы, которые могут быть определены по правилу левой руки [А.И.Вольдек. Электрические машины. "Энергия", 1974, стр.28], причем на все полюса действуют силы в одном направлении, создавая электромагнитный момент М, вращающий ротор 6. Распределение токов в катушках статора изменяется, перемещаясь по окружности с частотой n=60·f/p, а ротор вращается с той же частотой n=n, при этом положение его полюсов относительно токов статора и направление действующих на полюса сил не меняются, что следует из сопоставления фиг.3 и фиг.4, где направление сил, действующих на каждый полюс ротора в два различных момента времени, не меняется. Благодаря тому, что на все полюса ротора действуют силы одного направления, не изменяемого при вращении ротора, вращающий момент предлагаемой электрической машины больше, чем у аналогов тех же размеров и массы, а также отсутствуют пульсации момента. Кроме того, однонаправленность сил, действующих на все полюса ротора, физически означает, что магнитное поле, создаваемое токами обмотки статора, имеет число полюсов, равное числу полюсов ротора, то есть отсутствуют магнитные поля с другим числом полюсов, благодаря чему снижаются потери мощности. При этом, исходя из общей теории электрических машин, магнитное поле с фиксированным числом 2р полюсов, создаваемое переменным m-фазным током статора, вращается в одну сторону и имеет одну определенную частоту вращения, равную n.
Ввиду наличия в предлагаемой электрической машине магнитного поля статора, вращающегося в одном направлении с определенной частотой вращения, машина может быть выполнена как в синхронном, так и в асинхронном вариантах. В случае выполнения синхронной электрической машины ее ротор содержит полюса чередующейся полярности, причем число полюсов ротора 2р равно числу полюсов магнитного поля статора. В случае выполнения асинхронной электрической машины ее ротор должен содержать многофазную или короткозамкнутую обмотку, в которой будут индуктироваться токи, создающие магнитное поле ротора с числом полюсов 2р, равным числу полюсов магнитного поля статора. Как в случае синхронной электрической машины, так и в случае асинхронной электрической машины взаимодействие магнитных полей статора и ротора, имеющих одинаковое число полюсов, создает электромагнитный момент, вращающий ротор.
1
Для проверки достижения заявленного технического результата были изготовлены макетные образцы двух синхронных электрических машин. Первый образец синхронной электрической машины выполнен согласно патенту RU 2047936 и имеет число фаз m=3, число зубцов статора, равномерно распределенных по окружности, Z=18, число полюсов ротора 2р=20. Второй образец синхронной электрической машины выполнен в соответствии с предлагаемым изобретением и имеет число фаз m=3, количество катушек статора К=15 с расположением каждой стороны катушки в отдельном пазу; число зубцов Z=30, угол α=18° и ротор с числом полюсов 2р=20, что соответствует приведенным выше соотношениям. Оба образца выполнены с одинаковыми размерами: диаметр корпуса 120 мм, длина - 105 мм. Сравнительные испытания двух образцов показали результаты, подтверждающие эффективность предлагаемого изобретения: при одинаковом потребляемом токе, равном 60 А, первый образец развивал вращающий момент, равный 38 Н·м, а второй образец - 56 Н·м, т.е. в 1,47 раз больше; кроме того, во втором образце отсутствовали пульсации момента, в то время как у первого образца, соответствующего известной электрической машине, величина пульсаций составляла (3÷5)% от номинального момента.
Таким образом, в предлагаемой электрической машине за счет создания магнитного поля статора, воздействующего на все полюса ротора с силами одного направления и имеющего одно фиксированное число полюсов, равное числу полюсов ротора, увеличивается вращающий момент и уменьшаются его пульсации, а также снижаются потери мощности.