ТРЕХФАЗНАЯ ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройству трехфазных обмоток электрических машин переменного тока, и может быть использовано при изготовлении многоскоростных асинхронных и гистерезисных двигателей.
Известна трехфазная обмотка электрических машин, которая получила название обмотка Даландера. Она обеспечивает отношение чисел полюсов 1:2. Изменение числа полюсов происходит от меньшего значения к большему изменением направления магнитных потоков в воздушном зазоре электрической машины, которое происходит при переключении схемы обмотки. [Клоков Б.К. Обмотчик электрических машин: Учебник для сред. проф. - техн. училищ. - М.: Высш. школа, 1982. - 280 с., стр.129÷134].
Так для машины с 2Р=2 содержащей две катушечные группы, принадлежащие одной фазе в двухполюсной обмотке, соединение катушечных групп обеспечивает определенное направление обтекание их токами. Каждая катушечная группа создает свой магнитный полюс. Причем первая катушечная группа обеспечивает направление силовых линий магнитного потока одно (вправо, от центра), а вторая катушечная группа -другое направление магнитного потока (влево, к центру), т.е. первая катушечная группа создает один полюс магнитного потока (например, северный), а вторая катушечная группа создает другой полюс магнитного потока (например, южный). Такое соединение катушечных групп в одной фазе обмотки называется встречным (ток в первой катушечной группе направлен от начала к концу, а во второй катушечной группе направлен от конца к началу).
Другую картину поля можно получить, если катушечные группы в одной фазе обмотки включены не встречно, а согласно. Изменение направления тока в одной катушечной группе фазы двухполюсной обмотки (реверс тока) приводит к увеличению числа полюсов с 2 до 4, т.е. в два раза.
Таким образом, изменение в схеме двухслойной трехфазной обмотке направления включения половины катушечных групп приводит к увеличению числа полюсов электрической машины в два раза.
Катушечные группы, в которых ток не меняет направление, и катушечные группы, в которых проводят реверс тока, объединяют в отдельные ветви фаз. В трехфазной обмотке электрической машины в местах соединения ветвей фаз делают дополнительные отводы, с помощью которых меняют направление токов в половине катушечных групп каждой фазы, удваивая число полюсов.
Катушки обмотки и для большего и для меньшего числа полюсов остаются одни и те же. Поэтому их ширину, шаг у - делают так, чтобы удовлетворялось условие
2Р=4
2Р=2
τ<y<τ,
где τ - ширина полюсного деления при соответствующем числе полюсов обмотки. Катушки для большего числа полюсов имеют удлиненный шаг (β>1), а для меньшего числа полюсов укороченный шаг (β<1). Для работы электрической машины с различными механизмами используют различные схемы соединения фаз обмотки: звезда и треугольник.
об2
Трехфазная обмотка электрической машины Даландера выполняется двухслойной из катушек на малое число полюсов, что увеличивает длину лобовых частей обмотки, т.е. расход меди. Кроме того, при большем числе полюсов обмотка имеет низкий коэффициент использования - малое значение обмоточного коэффициента Коб1=0,586 для рабочей гармоники э. д. с. и м.д.с., значительную вторую гармонику К=0,418 э. д. с. и м.д.с. (цифры указаны для обмотки размещенной в 24 пазах магнитопровода).
Известна трехфазная обмотка электрической машины, которая выполняется однослойной с отношением чисел полюсов 1:2. [Обмотки электрических машин/ В.И.Зимин, М.Я.Каплан, М.М.Палей, И.Н.Рабинович, В.П.Федоров, П.А.Хаккен. - Л.: Энергия, 1975. - 488 с., стр.195-196]. Каждая фаза обмотки с числом полюсов 2Р=4 выполнятся концентрической в развалку. Она имеет число пазов на полюс и фазу q=4. Таким образом, получаются четыре катушечных группы в фазе, каждая из которых создает магнитный полюс (NSNS). При этом катушечные группы в каждой фазе соединены последовательно через одну группу. Так, группа 1 соединена последовательно с группой 3, а группа 2 соединена последовательно с группой 4. Получается конструкция обмотки аналогичная конструкции обмотки Даландера.
Катушечные группы, в которых ток не меняет направление 1, 3, и катушечные группы, в которых проводят реверс тока 2, 4, объединяют в отдельные ветви фаз. В местах соединения ветвей фаз делают дополнительные отводы, с помощью которых меняют направление токов в половине катушечных групп каждой фазы, удваивая число полюсов.
ср
(2P=4)
Катушки обмотки и для большего и для меньшего числа полюсов остаются одни и те же. Шаг y=10 при τ=12.
ср
Такая конструкция обмотки придает ей свойства двухслойных обмоток: наличие катушечных групп на каждый полюс, укорочение шага обмотки y<τ.
Катушки для большего числа полюсов имеют удлиненный шаг (β>1), а для меньшего числа полюсов укороченный шаг (β<1).
об1
Эту трехфазную обмотку электрической машины выполняют из катушек на малое число полюсов Р=4, что увеличивает длину лобовых частей обмотки, т.е. расход меди. Кроме того, при большем числе полюсов Р=8 обмотка имеет низкий коэффициент использования - малое значение обмоточного коэффициента К=0,483 для рабочей гармоники э. д. с. и м.д. с.
о
Известна трехфазная обмотка электрической машины, которая выполнена однослойной с числом пар полюсов Р [Патент 2153753 РФ "МПК" Н02К 3/28, 17/14 с приоритетом от 01.12.1998 Многополюсная обмотка электрической машины]. При этом каждая фаза выполнена из нескольких частей К и в каждой из частей катушки включены согласно, при этом в каждой фазе обмотки катушки последующих частей включены встречно по отношению к катушкам предыдущей части, образуя новое число пар полюсов обмотки Р
о
Р=Р-К/2,
которое меньше, чем число пар полюсов исходной обмотки.
Каждая часть обмотки снабжена выводами начал и концов для выполнения любого числа К - числа четного. Эта обмотка наиболее близка к предлагаемой полезной модели и является прототипом.
Недостаток трехфазной обмотки электрической машины с одним числом полюсов Р заключается в том, что в рабочем режиме она обеспечивает одну частоту вращения магнитного поля. При этом одинаковое правило получения нового числа пар полюсов Р для всех трех фаз: в каждой фазе обмотки катушки последующих частей включены встречно по отношению к катушкам предыдущей части, - не обеспечивает трехфазную симметрию обмотки (т.е. пространственный сдвиг осей фаз обмотки относительно друг друга на 120 электрических градусов).
о
Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей трехфазной обмотки переменного тока и трехфазной симметрии на обоих числах полюсов 2Р и 2Р.
0
0
Поставленная задача достигается тем, что трехфазная обмотка электрической машины, выполненная однослойной с числом полюсов 2Р и числом q катушек на полюс и фазу, включенных согласно в катушечной группе, содержит в каждой фазе обмотки несколько частей К равных Р, образованных катушечными группами. К - число четное, а каждая катушечная группа, создающая пару плюсов, снабжена выводами начал и концов для возможности создания 2Р полюсов выполнением в каждой фазе обмотки встречного включения последующей катушечной группы по отношению к предыдущей катушечной группе, при этом число пар полюсов связано соотношением
0
Р=P-К/2.
0
0
Каждая фаза трехфазной обмотки электрической машины сформирована из нечетной и четной полуфаз (первой и четвертой, пятой и второй, третьей и шестой), полученных объединением начал и концов выводов К/2 катушечных групп. При этом образуется Р полюсов магнитного поля в полуфазе, создаваемых токами в катушечных группах. В полуфазы объединены все катушечные группы, смещенные относительно друг друга на 720 электрических градусов при К>2, и включены согласно, при этом начала полуфаз четвертой, пятой, шестой и соответственно первой, второй, третьей в фазе смещены относительно друг друга на 360 электрических градусов, началами полуфаз первой, пятой, третьей и концами полуфаз четвертой, второй, шестой образованы соответственно начало и конец каждой фазы, а концами полуфаз первой, пятой, третьей и началами полуфаз четвертой, второй, шестой образован средний вывод у каждой фазы трехфазной обмотки электрической машины. Началами фаз образован первый вход трехфазной обмотки, а средними выводами - второй вход трехфазной обмотки, образуя число полюсов 2Р относительно первого входа трехфазной обмотки и 2Р полюсов относительно второго входа трехфазной обмотки.
Поставленная задача достигается также тем, что в состав трехфазной обмотки электрической машины введен коммутационный аппарат с нормально-открытыми контактами. Концы фаз замкнуты, а начала фаз соединены нормально-открытыми контактами коммутационного аппарата, обеспечивая соединение обмотки в звезду относительно первого входа симметричной трехфазной обмотки и в двойную звезду при замыкании нормально-открытых контактов относительно второго входа симметричной трехфазной обмотки.
Поставленная задача достигается также тем, что в состав трехфазной обмотки электрической машины введен коммутационный аппарат с нормально-открытыми контактами. Концы фаз замкнуты, а начало и конец каждой фазы соединены нормально-открытыми контактами коммутационного аппарата, обеспечивая соединение обмотки в звезду относительно первого входа трехфазной обмотки и в звезду с двумя параллельными ветвями в каждой фазе относительно второго входа трехфазной обмотки при замыкании нормально-открытых контактов.
Поставленная задача достигается также тем, что в состав трехфазной обмотки электрической машины введен коммутационный аппарат с нормально-открытыми контактами. Фазы обмотки объединены началами и концами в замкнутый треугольник, а начала фаз соединены нормально-открытыми контактами коммутационного аппарата, обеспечивая соединение обмотки в треугольник относительно первого входа трехфазной обмотки и в звезду с двумя параллельными ветвями в каждой фазе относительно второго входа трехфазной обмотки при замыкании нормально-открытых контактов.
0
Согласно второму варианту поставленная задача достигается тем, что в состав трехфазной обмотки электрической машины введен коммутационный аппарат с нормально - открытыми (НОК) и нормально - закрытыми (НЗК) контактами. Каждая фаза трехфазной обмотки электрической машины сформирована из нечетной и четной полуфаз (первой и четвертой, пятой и второй, третьей и шестой), полученных объединением начал и концов выводов К/2 катушечных групп, образуя P полюсов магнитного поля в полуфазе, создаваемых токами в катушечных группах. В полуфазы объединены все катушечные группы, смещенные относительно друг друга на 720 электрических градусов при К>2, и включены согласно. При этом начала полуфаз четвертой, пятой, шестой и соответственно первой, второй, третьей в фазе смещены относительно друг друга на 360 электрических градусов.
0
Началами нечетных полуфаз первой, пятой, третьей образованы начала фаз трехфазной обмотки электрической машины. В каждую фазу включен мост из контактов коммутационного аппарата, в противоположные плечи каждого моста включены по одному нормально - открытому (НОК) и нормально - закрытому (НЗК) контакту, образуя в местах соединения НОК и НЗК полюса диагоналей моста. Одна из диагоналей каждого моста одним полюсом соединена с концом нечетной полуфазы первой, пятой, третьей, а другим полюсом образован конец фазы. В другую диагональ каждого моста включена соответственно одна из четных полуфаз четвертая, вторая, шестая. Число полюсов 2Р образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен), а число полюсов 2Р - другим состоянием контактов НОК и НЗК (включен, выключен). Фазы обмотки соединены по схеме звезда или треугольник.
Поставленная задача достигается также тем, что в трехфазной обмотке электрической машины мост из контактов коммутационного аппарата выполнен открытым со стороны концов каждой фазы, образуя два выхода каждой фазы. Первый выход обеспечивает получение одного числа полюсов при одном состоянии НОК и НЗК коммутационного аппарата. Второй выход обеспечивает получение другого числа полюсов при другом состоянии НОК и НЗК коммутационного аппарата. При этом первым и вторым выходом фазы обмотки соединены по схеме звезда или треугольник.
Поставленная задача достигается также тем, что в трехфазной обмотке электрической машины при соединении фаз в звезду обоих выходов НОК и НЗК включены в плечи образующих конец фаз только двух мостов.
Поставленная задача достигается также тем, что в трехфазной обмотке электрической машины при соединении фаз при одном числе полюсов в треугольник, а при другом числе полюсов в звезду НОК или НЗК включены в плечи образующих конец фаз только двух мостов для соединения в звезду.
0
0
На фиг.1 и 2 изображено конструктивное исполнение однослойной трехфазной обмотки электрических машин с числом пар полюсов 2Р: концентрическое и равно секционное; на фиг.3, 4 и 5 - схемы соединения фаз трехфазной обмотки электрических машин по первому варианту; на фиг.6 матричное описание схем трехфазной обмотки электрических машин при числе полюсов 2Р и 2Р по первому варианту. На фиг.7, 8 и 9 - схемы трехфазной обмотки электрической машины по второму варианту; на фиг.10 матричное описание схем трехфазной обмоток электрических машин по второму варианту.
Трехфазная обмотка электрической машины по первому и второму вариантам выполняется на базе трехфазных однослойных обмоток традиционного исполнения (фиг.1 и 2), укладываемых в пазы магнитопровода, с хорошо отработанной технологией изготовления и достаточно высоким коэффициентом использования: однослойных концентрических (фиг.1а), равносекционных (фиг.1b и 2а).
Однослойная обмотка (фиг.1 и 2) с числом q катушек на полюс и фазу, которые включены согласно в катушечной группе, строится из полуфаз 1, 2, 3, 4, 5, 6 (фиг.1с и 2b). Каждая фаза трехфазной обмотки состоит из четных 2, 4, 6 и нечетных 1, 3, 5 полуфаз. Так, фаза U состоит 1 и 4 полуфаз, фаза V - 2 и 5 полуфаз, фаза W - 3 и 6 полуфаз.
0
Каждая фаза U, V, W (фиг.1с и 2b) исходной обмотки с числом полюсов 2Р выполнена из нескольких частей К, образованных катушечными группами, где
0
К=Р
0
число четное. Так, схемы обмоток с числом полюсов 2Р на фиг.1а, 1b, 1с содержат в каждой фазе U, V, W по К=2 - частей 7 и 8 (на 1а и 1b прорисованы части только первых фаз U и отмечены положения фаз V и W), где
0
К=Р=2,
и при К=4 - части 9, 10, 11, 12 (фиг.2а, b) в каждой фазе U, V, W, где
0
К=Р=4.
0
0
Каждая катушечная группа создает пару плюсов: N и S. Так, на фиг.1 К частей 7 и 8 обмотки образуют при Р=К=2 четыре магнитных полюса. На фиг.2 К частей 9, 10, 11, 12 образуют при Р=К=4 восемь магнитных полюсов.
0
0
Матричное описание обмоток с числом полюсов Р=2 (фиг.6а и 10а) и Р=4 (фиг.6d и 10с) показывает, что обмотка обладает трехфазной симметрией - фазовый угол сдвига между фазами U, V, W равен 120 электрических градусов.
0
Каждая катушечная группа 7, 8 и 9÷12 снабжена выводами начал и концов (фиг.1 и 2). Для создания нужного числа полюсов 2Р или 2Р в каждой фазе обмотки U, V, W выполняется соответственно согласное или встречное включение последующей катушечной группы по отношению к предыдущей катушечной группе. При этом число пар полюсов трехфазной обмотки электрической машины определено соотношением
0
Р=Р-К/2.
0
Каждая фаза симметричной трехфазной обмотки U, V, W сформирована из нечетной и четной полуфаз (1 и 4, 5 и 2, 3 и 6). Каждая из полуфаз получена объединением начал и концов выводов К/2 катушечных групп, образуя Р полюсов магнитного поля в полуфазе, создаваемых токами в катушечных группах.
0
Для обмоток на фиг.1с К=Р=2 каждая из полуфаз 1, 2, 3 включает одну К-тую часть 7 обмотки и состоит из одной катушечной группы. Полуфаза 1 часть фазы U занимает 1, 2 и 7, 8 пазы магнитопровода, полуфаза 2 часть фазы V занимает 5, 6 и 11, 12 пазы магнитопровода, полуфаза 3 часть фазы W занимает 9, 10 и 15, 16 пазы магнитопровода. Каждая полуфаза 4, 5, 6 включает одну К-тую часть 8 обмотки и состоит из одной катушечной группы. Полуфаза 4 часть фазы U занимает 13, 14 и 19, 20 пазы магнитопровода, полуфаза 5 часть фазы V занимает 17, 18 и 23, 24 пазы магнитопровода, полуфаза 6 часть фазы W занимает 21, 22 и 3, 4 пазы магнитопровода.
0
Для обмоток на фиг.2 К=Р=4 каждая из полуфаз 1, 2, 3 включает две К - тые части 9 и 11 обмотки и состоит из двух катушечных групп.
При К>2 в полуфазы 1÷6 объединены все катушечные группы, смещенные относительно друг друга на 720 электрических градусов и включены согласно. Полуфаза 1 часть фазы U занимает 1, 4 (К-9) и 13, 16 (К-11) пазы магнитопровода, а катушечные группы 9 и 11 включены согласно. Полуфаза 2 часть фазы V занимает 3, 6 (К-9) и 15, 18 (К-11) пазы магнитопровода, а катушечные группы 9 и 11 включены согласно. Полуфаза 3 часть фазы W занимает 5, 8 (К-9) и 17, 20 (К-11) пазы магнитопровода, а катушечные группы 9 и 11 включены согласно. Каждая полуфаза 4, 5, 6 включает две К-тые части 10 и 12 обмотки и состоит из двух катушечных групп. Полуфаза 4 часть фазы U занимает 7, 10 (К=10) и 19, 22 (К=12) пазы магнитопровода, а катушечные группы 10 и 12 включены согласно. Полуфаза 5 часть фазы V занимает 9, 12 (К=10) и 21, 24 (К=12) пазы магнитопровода, а катушечные группы 10 и 12 включены согласно. Полуфаза 6 часть фазы W занимает 11, 14 (К=10) и 23, 2 (К=12) пазы магнитопровода, а катушечные группы 10 и 12 включены согласно.
При этом начала 13, 14, 15 полуфаз 1, 2, 3 и начала 16, 17, 18 полуфаз 4, 5, 6 в фазе смещены относительно друг друга на 360 электрических градусов. Концы19, 20, 21 полуфаз 1, 2, 3 и концы 22, 23, 24 также смещены относительно друг друга на 360 электрических градусов.
Обеспечение трехфазной симметрии обмотки при числе полюсов 2Р осуществляется включением полуфаз 2 фазы V в состав нечетных частей обмотки 7 (фиг.1с) и 9, 11 (фиг.2b), полуфаз 5 фазы V в состав четных частей обмотки 8 (фиг.1с) и 10, 12 (фиг.2b).
По первому варианту трехфазной обмотки электрической машины началами (фиг.1с, 2b) 13, 17, 15 полуфаз 1, 5, 3 и концами 22, 20, 24 полуфаз 4, 2, 6 образованы соответственно начало 25, 26, 27 и конец 28, 29, 30 каждой фазы симметричной трехфазной обмотки (фиг.3, 4, 5). Концами 19, 23, 21 полуфаз 1, 5, 3 и началами 16, 14, 18 полуфаз 4, 2, 6 (фиг.1с, 2b) образован средний вывод 31, 32, 33 у каждой фазы симметричной трехфазной обмотки (фиг.3, 4, 5).
Началами 25, 26, 27 фаз (фиг.3÷5).образован первый вход с числом полюсов 2Ро симметричной трехфазной обмотки:
0
0
0
2PU1,2PV1,2PW1.
А средними выводами 31, 32, 33 - второй вход с числом полюсов 2Р симметричной трехфазной обмотки:
2P U1,2P V1,2P W1.
0
0
0
0
Для подключения трехфазной обмотки электрической машины к симметричному трехфазному источнику электрической энергии фазы трехфазной обмотки соединяют в звезду или в треугольник (фиг.3, 4, 5). Для сохранения направления вращения магнитного поля трехфазной обмотки при изменении числа полюсов в рабочем режиме необходимо изменить чередование фаз источника питания. Например, фазы источника питания А, В, С при числе полюсов 2Р соединены соответственно с началами фаз обмотки 2Р U1, 2Р V1, 2Р W1 (фиг.6b), а при числе полюсов 2Р соединены соответственно с началами фаз обмотки 2P V1.2P U1, 2P W1 (фиг.6с).
Наиболее рациональные решения по структуре схем трехфазных обмоток электрических машин предложены на фиг.3, 4, 5 и обеспечиваются введением в структуру обмотки коммутационного аппарата (на рисунке не показан) с двумя или тремя нормально-открытыми контактами (34, 35 - фиг.3; 36, 37, 38 - фиг.4; 39, 40, 41 - фиг.5).
По схеме на фиг.3 концы фаз 28, 29, 30 замкнуты, а начала фаз 25, 26, 27 соединены нормально-открытыми контактами 34, 35 коммутационного аппарата.
0
0
0
При этом обеспечивается соединение обмотки в звезду относительно первого входа симметричной трехфазной обмотки 25, 26, 27 (2Р U1, 2Р V1, 2Р W1) и 2Ро полюсов магнитного поля, созданного обмоткой. Нормально-открытые контакты 34, 35 коммутационного аппарата разомкнуты.
Относительно второго входа 31, 32, 33 (2Р U1, 2Р V1, 2Р W1) обеспечивается соединение обмотки в двойную звезду при замыкании нормально-открытых контактов 34, 35 коммутационного аппарата и 2Р полюсов магнитного поля, созданного обмоткой.
По схеме на фиг.4 концы фаз 28, 29, 30 замкнуты, а начало 25, 26, 27 каждой фазы U, V, W и конец 28, 29, 30 каждой фазы U, V, W соединены нормально-открытыми контактами 36, 37, 38 коммутационного аппарата.
0
0
0
0
При этом обеспечивается соединение обмотки в звезду относительно первого входа симметричной трехфазной обмотки 25, 26, 27 (2Р U1, 2Р V1, 2Р W1) и 2Р полюсов магнитного поля, созданного обмоткой. Нормально-открытые контакты 36, 37, 38 коммутационного аппарата разомкнуты.
Относительно второго входа 31, 32, 33 (2Р U1, 2Р V1, 2Р W1) обеспечивается соединение обмотки в звезду с двумя параллельными ветвями 1 и 4, 5 и 2, 3 и 6 в каждой фазе. Нормально-открытые контакты 36, 37, 38 коммутационного аппарата в этом случае замкнуты и обеспечивается 2Р полюсов магнитного поля, созданного обмоткой.
По схеме на фиг.5 фазы U, V, W объединены началами и концами в замкнутый треугольник: конец фазы U28 соединен с началом фазы V26, конец фазы V29 соединен с началом фазы W27, конец фазы W30 соединен с началом фазы U25.
Начало фаз 25, 26, 27 U, V, W соединены нормально-открытыми контактами 39, 40, 41 коммутационного аппарата.
0
0
0
При этом обеспечивается соединение обмотки в треугольник относительно первого входа симметричной трехфазной обмотки 25, 26, 27 (2Ро U1, 2Р V1, 2Р W1) и 2Р полюсов магнитного поля, созданного обмоткой. Нормально-открытые контакты 39, 40, 41 коммутационного аппарата разомкнуты.
Относительно второго входа 31, 32, 33 (2Р U1, 2Р V1, 2Р W1) обеспечивается соединение обмотки в звезду с двумя параллельными ветвями 1 и 4, 5 и 2, 3 и 6 в каждой фазе. Нормально-открытые контакты 39, 40, 41 коммутационного аппарата в этом случае замкнуты и обеспечивается 2Р полюсов магнитного поля, созданного обмоткой.
0
0
ср
0
Трехфазная обмотка электрической машины конструктивно выполняется на большее число полюсов. Для вариантов двухскоростной обмотки 2Р/2Р=4/2 (фиг.1а) и 2Р/2Р=8/4 (фиг.2а) шаг обмотки равен полюсному делению y=т, чем обеспечивается экономия меди на выполнение лобовых частей обмотки. При этом сами обмотки выполняются по хорошо отработанным технологиям для современных серий электрических машин 4А, АИР, использующих однослойные обмотки для машин малой и средней мощности. Дополнительно следует выполнить отводы от средних точек 31, 32, 33 (фиг.3, 4, 5). Общее число выводов на клеммной колодке при этом не изменяется. Для обеспечения рабочего режима используется стандартная коммутационная аппаратура для подключения двигателя к симметричной трехфазной сети. А для получения обмоток с высоким коэффициентом использования вводится дополнительно один двухполюсный (фиг.3) или трехполюсный коммутационный аппарат (фиг.3, 4, 5) для перехода на меньшее число полюсов 2Р.
Схемы трехфазных обмоток электрических машин (фиг.3, 4, 5) позволяют обеспечивать две величины полюсов, изменяя частоту вращения (скорость) магнитного поля в отношении 2:1. Изменение частоты вращения (скорости) осуществляется выполнением в каждой фазе U, V, W обмотки (фиг.1а, 1b, 2а) соответственно согласного или встречного включения последующей К - той части обмотки 8 (фиг.1а, 1b) и 10, 12 (фиг.2а) по отношению к предыдущей 7 (фиг.1а, 1b) и 9, 11 (фиг.2а).
Для создания симметричной трехфазной обмотки при малом числе полюсов 2Р реверсируется (изменяет направление) ток в нечетной полуфазе 1, 3, 5 относительно направления тока соответственно в четной полуфазе 4, 2, 6.
0
Схемы на фиг.3 - Y/YY (звезда / двойная звезда) и на фиг.4 - Y/Ya=2 (звезда / звезда с двумя параллельными ветвями) обеспечивают переход с большего числа полюсов 2Р=4 (фиг.6а) на меньшее число полюсов 2Р=2 (фиг.6b, с). На фиг.6с к фазам симметричного источника питания А, В, С обмотка подключается с измененным чередованием фаз 2V, 2U, 2W (сравни с фиг.6b-2U, 2V, 2W), что обеспечивает сохранение направления вращения магнитного поля двухскоростной обмотки электрической машины, с увеличением напряжения на виток в 2,7 раза:
об1Y
0
где K=0,966 - обмоточные коэффициенты для схем с большим 2Р;
об1YY
0б1Ya=2
K=л=К=0,701 - обмоточные коэффициенты для схем меньшим 2Р числом полюсов.
Тем самым обеспечивается возможность увеличивать частоту вращения (скорость) и полезную мощность.
Значения обмоточных коэффициентов получены по матричному описанию обмоток (фиг.6а и 6b).
a
0
Схем на фиг.5 - Δ/Y=2 (треугольник / звезда с двумя параллельными ветвями) обеспечивают переход с большего числа полюсов 2Р=4 на меньшее число полюсов 2Р=2 с увеличением напряжения на виток в 1,6 раза:
об1Δ
0
где К=0,966 - обмоточные коэффициенты для схем с большим 2Р;
об1Yа=2
К=0,701 - обмоточные коэффициенты для схем с меньшим 2Р числом полюсов.
Тем самым обеспечивается возможность увеличивать частоту вращения (скорость) с повышением мощности.
Значения обмоточных коэффициентов получены по матричному описанию обмоток (фиг.6а и 6b).
0
об1Y
об1Δ
oб1YY
0б1Ya=2
В случае переключения числа полюсов 2Р/2Р=8/4 (фиг.2, с матрицей на фиг.6d, e) обмоточные коэффициенты соответственно равны К=К=1 и K=К=0,707.
По второму варианту в каждую фазу U, V, W к концам 19, 20, 21 полуфаз 1, 5, 3 включен мост 42 с контактами (Фиг.7а) коммутационного аппарата (на рисунке не показан). В противоположные плечи 43 и 44, 45 и 46 каждого моста включены по одному нормально - открытому (НОК) и нормально - закрытому (НЗК) контакту, образуя в местах соединения НОК и НЗК полюса 47, 48, 49, 50 диагоналей моста. Одна из диагоналей каждого моста одним полюсом 30 соединена с концами 19, 20, 21 нечетных полуфаз 1, 5, 3.
Началами (Фиг.7а) 13, 17, 15 полуфаз 1, 5, 3 образованы соответственно начало 34, 35, 36 фаз U, V, W.
0
Другим полюсом 48 образованы концы фаз U, V, W 54, 55, 56. В другую диагональ каждого моста между полюсами 49, 50 включена соответственно одна из четных полуфаз 4, 2, 6. Число полюсов 2Р образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата: НОК выключен, НЗК включен, а число полюсов 2Р - другим состоянием контактов НОК и НЗК: НОК включен, НЗК выключен. Фазы обмотки U, V, W, подключенные к трехфазному источнику электрической энергии, соединены по схеме звезда или треугольник (фиг.7b и 7с).
0
По схеме на фиг.8а в трехфазной обмотке электрической машины мост 42 из контактов НОК и НЗК коммутационного аппарата выполнен открытым: плечи 44 и 46 полюсом 48 не объединены со стороны концов каждой фазы 54, 55, 56, образуя два выхода 57, 58, 59 и 60, 61, 62 каждой фазы. Первый выход 57, 58, 59 каждой фазы обеспечивает получение числа полюсов 2Р при состоянии коммутационного аппарата: НОК - разомкнуты и НЗК - замкнуты. Второй выход 60, 61, 62 каждой фазы обеспечивает получение другого числа полюсов 2Р при состоянии коммутационного аппарата: НОК - замкнуты и НЗК - разомкнуты. При этом возникает возможность одновременно с изменением числа полюсов изменять и схему соединения фаз обмотки, получая схемы: Y/Y(фиг.8b), Y/Δ(фиг.8с), Δ/Y, Δ/Δ(не показаны).
0
0
Несколько рациональных решения предложены на фиг.9а и 9Б. На фиг.9а приведен пример перехода с числа полюсов 2Р на 2Р с соединением фаз обмотки Y/Y, а на фиг.56 приведен пример перехода с числа полюсов 2Р на 2Р с соединением фаз обмотки Y/Δ соответственно.
0
При этом на фиг.9а в трехфазной обмотке электрической машины при соединении фаз U, V, W в звезду обоих выходов 57, 58, 59 и 60, 61, 62 НОК и НЗК включены в плечи только двух мостов (в фазы U и W), образующих конец фаз для соединения в звезду. На фиг.9b трехфазная обмотка электрической машины соединена при одном числе полюсов 2Р в треугольник (57 с 52, 58 с 53, 59 с 51) и при другом числе полюсов 2Р, в звезду (60, 61 и 62 вместе). Тогда НЗК включены в плечи только двух мостов (в фазы U и W), образующих конец фаз для соединения в звезду.
0
0
Как и в первом варианте, однослойная трехфазная обмотка электрической машины конструктивно выполняется на большее число полюсов P (фиг.1а и 2а), чем обеспечивается экономия меди на выполнение лобовых частей обмотки. При этом сами обмотки выполняются по хорошо отработанным технологиям для современных серий электрических машин. Дополнительно следует выполнить отводы от полуфаз (фиг.3, 4, 5) для сборки одной из рабочих схем. Для обеспечения рабочего режима используется стандартная коммутационная аппаратура для подключения двигателя к симметричной трехфазной сети и коммутационный аппарат для перехода с числа полюсов 2Р на число полюсов 2Р.
Схемы трехфазных обмоток электрических машин (фиг.7, 8, 9) позволяют обеспечивать две величины полюсов, изменяя частоту вращения (скорость) магнитного поля в отношении 2:1. Изменение частоты вращения (скорости) осуществляется выполнением в каждой фазе U, V, W обмотки (фиг.1а, 1b, 2а) соответственно согласного или встречного включения последующей К- той части обмотки 8 (фиг.1а, 1b) и 10, 12 (фиг.2а) по отношению к предыдущей 7 (фиг.1а, 1b) и 9, 11 (фиг.2а).
Для создания симметричной трехфазной обмотки при малом числе полюсов 2Р реверсируется (изменяет направление) ток в четной полуфазе 4, 2, 6 соответственно относительно направления тока в нечетной полуфазе 1, 5, 3 (фиг.7а).
0
Схемы на фиг.7b и 9а - Y/Y (звезда / звезда) и фиг.7с Δ/Δ (треугольник / треугольник) обеспечивают переход с большего числа полюсов 2Р=4 на меньшее число полюсов 2Р=2 с увеличением напряжения на виток в 1,37 раза:
об1YP0
об1ΔP0
0
где К=К=0,966 - обмоточные коэффициенты для схем с большим 2Р;
oб1YP
об1Δp
K=К=0,701 - обмоточные коэффициенты для схем с меньшим 2Р числом полюсов.
Значения обмоточных коэффициентов получены по матричному описанию обмоток (фиг.10а и 10b). Тем самым обеспечивается возможность увеличивать частоту вращения (скорость) с повышением мощности на 37%.
0
Схем на фиг.9б -Y/Δ (звезда / треугольник) обеспечивают переход с большего числа полюсов 2Р=4 на меньшее число полюсов 2Р=2 с увеличением напряжения на виток в 2,36 раза:
oб1YP0
0
где K=0,966- обмоточные коэффициенты для схем с большим 2Р;
oб1YP
об1ΔP
K=К=0,701 - обмоточные коэффициенты для схем с меньшим 2Р числом полюсов.
0
oб1YP0
oб1ΔP0
oб1YP
oб1ΔP=
Значения обмоточных коэффициентов получены по матричному описанию обмоток (фиг.10а и 10b). Тем самым обеспечивается возможность увеличивать частоту вращения (скорость) с постоянным моментом нагрузки. В случае переключения числа полюсов 2Р/2Р=8/4 (фиг.2, с матрицей на фиг.6), когда обмоточные коэффициенты соответственно равны K=K=1 и K=K=0,707 использование по мощности и моменту аналогичны ранее приведенным значениям.
об1
Коэффициент использования обмотки и соответственно объема электрической машины определяется коэффициентов обмоточным по первой гармонике К. Качество преобразования энергии оценивается наличием высших гармоник и субгармоник. Сравниваемые обмотки не содержат субгармонических составляющих э.д.с. и м.д.с., а состав высших гармоник очень разнообразен (см. таблицу).
Таблица
№
Использование обмотки и фильтрующие свойства
Аналог 1
Аналог 2*
Трехфазная обмотка(варианты)
1.
Число полюсов 4
Фиг.6а и 10а
К<sub>об1</sub>
0,836
0,483
К<sub>об1Δ</sub>=K<sub>o61Y</sub>=0,966
К<sub>об2</sub>
0
0,75
0
2.
Число полюсов 2
Фиг.6b и 10b
К<sub>об1</sub>
0,586
0.958
0,701
К<sub>об2</sub>
0,418
0
0
*Обмотка не симметричная и используется для подключения к однофазной сети.
Разнообразие значений обмоточных коэффициентов (таблица) и их матричного описания определяется оригинальностью и различием технических решений для получения обмоток с изменяющимся числом полюсов. Однослойная трехфазная обмотка электрической машины (оба варианта) отличается высоким использованием (таблица).
0
В трехфазной обмотке электрической машины для обеспечения трехфазной симметрии (сдвиг между фазами обмотки 120 электрических градусов) при малом 2Р и большом 2Р числе полюсов в фазе V изменен порядок соединения полуфаз по сравнению с фазами U и W (см. фиг.3а). Для этого полуфаза 2 фазы V включена в состав нечетных частей обмотки 7 (фиг.1с) и 9, 11 (фиг.2b), полуфаза 5 фазы V - в состав четных частей обмотки 8 (фиг.1с) и 10, 12 (фиг.2b).
0
Таким образом, фаза U состоит из 1 и 4 полуфаз, фаза V - 5 и 2 полуфаз, фаза W - 3 и 6 полуфаз. Выполнение однослойных трехфазных обмоток из нескольких частей, состоящих из полуфаз, для получения числа полюсов 2Р и 2Р, находящихся в отношении 2:1, обеспечивает создание симметричной трехфазной обмотки на обоих числах полюсов с достаточно высоким коэффициентом использования обмотки, активного объема и электротехнических материалов.
0
Трехфазная обмотка электрической машины выполнена с двумя самостоятельными входами для каждого числа полюсов 2Р и 2Р. В процессе работы трехфазная обмотка электрической машины может переключаться с одного числа полюсов на другое число полюсов, что расширяет функциональные возможности трехфазной однослойной обмотки переменного тока. Одновременно с числом полюсов можно изменять и схемы соединения обмоток, обеспечивая различные сочетания мощностей и частот вращения электрических машин с трехфазной обмоткой.
При этом выполнение обмотки из нескольких частей обеспечивает отсутствие четных гармоник э.д.с. и м.д.с. на любом числе полюсов, снижая шум и вибрацию электрических машин.
0
Кроме того, конструктивно однослойная обмотка выполняется на большее число полюсов 2Р с малым вылетом лобовых частей обмотки, что снижается расхода меди трехфазной обмотки электрической машины.