ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ОБМОТКА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

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.
Известны однослойные схемы обмоток электрических машин с целым числом пазов на полюс и фазу (Вольдек А.И. Электрические машины, Л., 1978, С. 416). В этих машинах статорная обмотка выполняется в виде секций из множества витков изолированного медного провода, которые соединены в звезду или треугольник. Недостатком таких обмоток являются большие потери в стали электрической машины, вызванные несинусиодальностью МДС в воздушном зазоре.
Также известны двухслойные схемы обмоток электрических машин с целым числом пазов на полюс и фазу (Вольдек А.И. Электрические машины, Л., 1978, С. 405), в которых статорная обмотка выполняется в виде секций из множества витков изолированного медного провода, уложенных в два слоя, соединенных в звезду или треугольник. Применение двухслойных обмоток позволяет выбрать более благоприятный шаг и уменьшить расход меди и изоляции и позволяет улучшить механизацию изготовления (Копылов И.П. Электрические машины, М., Высшая школа, 2004). Недостатком таких обмоток являются большие потери в стали электрической машины, обусловленные несинусиодальностью МДС, вызванной возникающими токами высших гармоник в зубцовой зоне электрической машины.
0
0
Z
Известны трехфазные машины переменного тока, а именно трехфазные асинхронные двигатели, в которых осуществлено подавление высших гармоник, препятствующих вращению, за счет применения статорной обмотки, выполненной составной в виде композиции из двух частей - двух независимых трехфазных обмоток, соединенных, соответственно, в треугольник и в звезду, каждая из которых подключена к питающей сети, при этом начала одноименных фаз обеих обмоток смещены в пространстве относительно друг друга на угол сдвига α =30 эл. градусов, и вектор магнитной индукции каждой из фаз пересекает ось магнитопровода (RU 176753, H02K 3/28, 29.01.2018. Бюл. №4). Такие обмотки отличаются, прежде всего, большей удельной мощностью и повышенными энергетическими характеристиками, меньшим уровнем шумов и вибрации. При недогрузке КПД и коэффициент мощности обычного двигателя резко падает, попадая в область низких значений. В данном аналоге при недогрузке КПД и коэффициент мощности падает плавно, оставаясь в области высоких значений, за счет чего такой электродвигатель работает экономично. КПД обычного двигателя резко падает при понижении напряжения питания, а в данном аналоге КПД снижается плавно, сохраняя высокие показатели даже при значительных падениях напряжения (30% и более). Недостатком является то, что при отношении угла сдвига фаз α=30 эл.градусов к пазовому электрическому углу α=2πp/Z одноименных обмоток, равном целому числу не удается произвести укладку двухслойной обмотки, в которой обмотки «звезды» и «треугольника» занимают равное количество пазов в статоре машины переменного тока.
Известна машина синхронная вращающаяся с совмещенной обмоткой (RU 113090, H02K 3/04, 27.01.2012. Бюл. №3), где улучшение электромеханических характеристик машины достигается за счет подавления высших нечетных гармоник, препятствующих вращению, что происходит благодаря намотке статорной обмотки, состоящей из двух трехфазных
0
Z
0
Z
совмещенных обмоток, соединенных соответственно в звезду и треугольник при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном  при этом на каждую фазу приходится равное число пазов, катушки различных фаз уложены в разные пазы так, что результирующие векторы индукции магнитного потока каждой из соседних фаз образуют между собой угол сдвига в 30 эл. градусов, нечетные катушки фазы соединены в звезду, а четные - в треугольник или наоборот, а выводы их фаз, отстоящие друг от друга на 30 эл. градусов, соединены между собой и образуют точки подключения фаз. При этом обмотки звезды и треугольника являются зависимыми, что приводит к более полному взаимному подавлению реактивных токов и токов высших нечетных гармоник. Недостатком такой намотки является то, что при равном числе пазов, приходящихся на обмотки «звезды» и «треугольника», не удается модернизация синхронных машин с отношением угла сдвига фаз одноименных обмоток α=30 эл. градусов и пазового электрического угла α=2πp/Z равном не целому числу (k=α/α≠n, где n - любое целое число, p - число пар полюсов, Z - число пазов).
Техническим результатом является возможность модернизации и улучшения энергетических характеристик существующего парка синхронных машин, в том числе, синхронных машин с постоянными магнитами, работающих от станции управления с преобразователем частоты.
Достигается это тем, что энергоэффективная обмотка синхронной машины выполняется двухслойной и состоит из двух трехфазных обмоток, соединенных соответственно в звезду и треугольник при соотношении числа витков одноименных обмоток треугольника и звезды, равном  при этом катушки одноименных фаз укладываются в пазы так, что результирующие векторы индукции магнитного потока каждой одноименной фазы образуют между собой угол сдвига в 30 эл. градусов независимо от числа пазов, занимаемых обмотками, соединенными в треугольник и обмотками, соединенными в звезду.
0
Z
При этом отношение угла сдвига фаз одноименных обмоток α=30 эл.градусов и пазового электрического угла α=2πp/Z можно определить по формуле k=Z/12p, которая получается в результате следующего алгебраического преобразования:
0
Z
откуда после сокращения дроби на число π, получаем: k=α / α=Z/12p.
0
тр
тр
зв
тp
зв
тр
зв
При модернизации электрической синхронной машины для обеспечения угла сдвига фаз одноименных обмоток α=30 эл.градусов необходимо до укладки обмоток рассчитывать число k=Z/12р и если k=n, где n - целое число, тогда на обмотку «треугольника» следует выделить число пазов Z равное числу пазов обмотки «звезда», т.е. Z = Z; в противном случае, когда k≠n, где n - целое число, на обмотку «треугольника» следует выделить меньшее число пазов Z<Z, а именно: Z=Z–3×2р, где р - число пар полюсов.
0
Это позволяет при значении k=Z/12p, где k - любое целое или не целое число, обеспечить в воздушном зазоре синхронной машины угол сдвига между векторами индукции магнитного потока одноименных фаз равным α=30 эл. градусов (фиг. 1, при k=n, где n - целое число), (фиг. 2, при k≠n, где n - целое число).
Принцип работы полезной модели тот же, что и у соответствующих синхронных машин с обычной статорной обмоткой, в том числе, магнитоэлектрических синхронных машин с постоянными магнитами.
Полезная модель в техническом и функциональном отношении приобрела новые качества и может быть использована, например, в установках механизированной добычи нефти («станки-качалки»), работающих от станции управления с преобразователем частоты, в метрополитене, жилищно-коммунальном хозяйстве и различных отраслях промышленности.
Источники информации
1. Копылов И.П. Электрические машины, 4-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2004.
2. Проектирование электрических машин / под ред. И.П. Копылова - М., Энергия, 1980.
3. Вольдек А.И. Электрические машины - Л., 1978.
4. Патент №176753 RU, H02K 3/28,29.01.2018. Бюл. №4
5. Патент №113090 RU, H02K 3/04, 27.01.2012. Бюл. №3