ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ENERGY-EFFICIENT ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, касается особенностей конструктивного выполнения статоров и роторов машин переменного тока и может быть использовано при проектировании и производстве электрических машин переменного тока - асинхронных машин, синхронных машин и вентильных двигателей.
Известны электрические машины с волновыми стержневыми обмотками (Вольдек А.И. Электрические машины, Л., 1978, с.407-409). Они включают сердечник статора или ротора с пазами прямоугольной формы, в каждом из которых находятся два активных проводника (стержня), причем активные проводники, расположенные в верхней части пазов сердечника, образуют верхний слой обмотки, и активные проводники (стержни), расположенные в нижних частях пазов сердечника, образуют нижний слой обмотки. Они включают также проводники лобовых частей обмотки. Эти части находятся у торцов сердечника и включают проводники между стержнями витков обмотки, соединенных в витковые группы, а также проводники для соединения витковых групп, образующих ветви фаз обмотки машины с выводами. Лобовые части обмотки являются жесткими и не имеют специальной межвитковой изоляции. Однако вылет лобовых частей обмотки очень велик.
Известна также электрическая машина с пазами сердечника статора или ротора прямоугольной формы и уменьшенным осевым вылетом лобовых частей (Лыткин В.В. Способ организации лобовых частей электрических машин с минимальным осевым вылетом / Вестник УГТУ №5 (25), Екатеринбург, 2003, с.190-193). Она содержит в пазах сердечника электрически изолированные активные проводники (стержни) и проводники лобовых частей, расположенные по торцам сердечника.
Для сокращения вылета лобовых частей обмотки делается изгиб стержней при выходе из пазов в плоскости, перпендикулярной оси вращения, вдоль радиусов по направлению к наружному диаметру сердечника статора (обмотка статора) или к оси вращения (для обмотки фазного ротора). Каждый стержень обмотки, выходя из паза на некотором расстоянии от торца сердечника статора (ротора), определяемом по классу напряжения, дважды сгибается по линии, проходящей под углом в 45 градусов к оси стержня вдоль его широкой стороны. Благодаря тому что стержень сгибается по своей широкой стороне, вероятность повреждения изоляции стержней обмотки существенно ниже, чем при изгибе стержней на ребро, как это происходит в катушках обычной конструкции при переходе от верхнего стержня к нижнему. После второго изгиба стержень находится в плоскости, перпендикулярной оси вращения, и располагается вдоль радиальной линии. При этом расстояние между линиями сгиба выбирается таким образом, чтобы после двух изгибов стержень проходил под стержнем, расположенным в соседнем пазу. После этого стержень изгибается плашмя, либо по дуге окружности, либо по прямой, образуя лобовую часть обмотки. Затем, после двух таких же изгибов, идущих в обратном порядке, стержень переходит в соответствующий шагу обмотки паз. Для стержней, проводники в которых находятся в горизонтальном положении, лобовая часть формируется уже после двух изгибов.
Недостатком этой машины является значительный объем лобовых частей обмотки и усложнение технологии изготовления, возможность применения только для машин с концентрическими обмотками.
Известна электрическая машина (патент РФ №2152117, RU БИПМ №18, 27.06.2000), содержащая в пазах сердечника ротора электрически изолированные проводники - стержни, соединенные лобовыми частями обмотки, выполненными в виде элементарных короткозамыкающих колец. Изобретение позволяет уменьшить лобовые части ротора машины, снизить электрические потери в короткозамкнутой обмотке ротора от высших временных гармоник напряжения при питании машины от источника несинусоидального напряжения.
Недостатком этой обмотки является возможность ее использования только в машинах с короткозамкнутым ротором.
Известна также электрическая машина с пазами сердечника прямоугольной формы и стержневой волновой обмоткой с существенно уменьшенным объемом лобовых частей (патент РФ №2275729, RU БИПМ №12, 27.04.2006). В верхней части пазов сердечника этой электрической машины, ближе к зубцовой поверхности сердечника, расположены активные проводники (стержни), образующие верхний слой обмотки. Активные проводники (стержни), расположенные в нижних частях пазов сердечника ближе к спинке (ярму) сердечника, образуют нижний слой обмотки. Проводники лобовых частей (перемычки) обмотки, расположенные по торцам сердечника, включают проводники между стержнями витков, соединенных в витковые группы, проводники для соединения витковых групп, а также проводники выводов фаз обмотки. При этом по крайней мере большинство лобовых проводников имеют площади сечения, в местах их соединения со стержнями, меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых стержней обмотки. При этом места соединений упомянутых перемычек со стержнями верхнего слоя обмотки расположены со стороны зубцовой поверхности сердечника, а места соединений перемычек со стержнями нижнего слоя обмотки расположены со стороны спинки (ярма) сердечника. Проводники выводов фаз обмотки также имеют площади сечения в местах их соединения со стержнями меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения стержней, с которыми они соединены.
Нахождение в каждом из пазов прямоугольной формы сердечника этой электрической машины двух активных проводников (стержней) не позволяет выполнить машину на значительные рабочие напряжения. Расположение мест соединений лобовых проводников (перемычек) с активными проводниками верхнего слоя обмотки со стороны зубцовой поверхности сердечника, а мест соединений лобовых проводников со стержнями нижнего слоя обмотки со стороны спинки сердечника не позволяет разместить проводники, соединяющие ветви фаз обмотки, над зубцовой зоной, что увеличивает объем лобовых частей и корпуса. Это увеличивает также расход материала на изготовление обмотки и корпуса машины, уменьшает КПД.
Технический результат - уменьшение объема и массы электрической машины, экономия материала и повышение КПД при увеличении рабочих напряжений.
Технический результат достигается тем, что в энергоэффективной электрической машине, включающей сердечники статора и ротора, в пазах по крайней мере одного из которых расположена двухслойная волновая обмотка, которая содержит активные проводники верхнего слоя, расположенные в пазах ближе к зубцовой поверхности этого сердечника, и активные проводники нижнего слоя, расположенные в тех же пазах ближе к спинке этого сердечника, причем эти активные проводники размещены в пазах вертикально, а также содержит лобовые проводники, посредством которых соединены активные проводники витков и витковых групп обмотки, при этом площадь поперечного сечения по крайней мере большинства лобовых проводников, в местах их соединения с активными проводниками обмотки, меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых активных проводников, причем выводы фаз упомянутой обмотки электрической машины, соединенные с активными проводниками, выполнены в виде проводников начал и концов фаз обмотки, в пазах по крайней мере одного сердечника электрической машины размещены четыре или более активных проводника, электрическая машина снабжена дополнительными лобовыми проводниками, посредством которых соединены активные проводники пазов, в которых расположены проводники начал фаз обмотки, с активными проводниками пазов, в которых расположены проводники концов одноименных фаз этой обмотки, при этом активные проводники, расположенные в одном пазу, соединены посредством лобовых проводников с активными проводниками одноименной фазы, расположенными в другом пазу, в обратной последовательности: по направлению чередования фаз первый проводник одного паза соединен с последним проводником другого паза, второй проводник одного паза соединен с предпоследним проводником другого паза, а последний проводник одного паза соединен с первым проводником другого паза, причем дополнительные лобовые проводники расположены над торцевой поверхностью зубцовой зоны сердечника с той частью пазов, где находится слой обмотки, активные проводники которого они соединяют, а места соединений лобовых проводников, посредством которых соединены активные проводники витков, в той части торцевой поверхности зубцовой зоны сердечника, над которым находятся лобовые проводники для соединения витковых групп обмотки, расположены со стороны центров пазов сердечника, а остальные места соединения лобовых проводников расположены: со стержнями верхнего слоя обмотки - со стороны зубцовой поверхности сердечника, а со стержнями нижнего слоя обмотки - со стороны спинки сердечника.
Пример конкретного выполнения изобретения иллюстрирует конструкция асинхронной машины, представленная на фиг.1, 2, 3, 4, 5.
На фиг.1 показана эскизная компоновка асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, конструкция статора которой выполнена согласно предложению. Для асинхронной машины с фазным ротором согласно предложению может быть выполнена и конструкция ротора.
На фиг.1 изображены: корпус асинхронной машины 1, статор машины 2, сердечник статора 3 с пазами 4. В пазах 4 сердечника 3 расположена обмотка статора 5. Изображен также ротор 6 с короткозамкнутой обмоткой, который закреплен на валу 7 и может вращаться в подшипниках 8. На фиг.1 показаны также проводники выводов фаз 9 обмотки статора 5.
1
2
1
2
1
2
На фиг.2 показана схема обмотки статора 5 асинхронной машины, эскизная компоновка которой представлена на фиг.1. Эта схема соответствует четырехполюсной трехфазной волновой обмотке с диаметральным шагом. Обозначения на схеме соответствуют технической литературе, например - Вольдек А.И. Электрические машины, Л., 1978, с.497-499. Как видно, сердечник статора имеет 12 пазов, которые пронумерованы в центре чертежа в направлении чередования фаз. Сплошными линиями в пазах обозначены активные проводники верхнего слоя обмотки 10, а пунктиром - активные проводники нижнего слоя обмотки 11. На фиг.2 показаны также лобовые проводники 12, соединяющие отдельные активные проводники витков, а также показаны лобовые проводники 13 (пунктирными линиями), соединяющие витковые группы. Сплошными утолщенными линиями обозначены дополнительные лобовые проводники 14, соединяющие ветви фаз обмотки 5. Выводы 15 фаз обмотки статора имеют следующие обозначения: начало и конец первой фазы обозначены U, U, начало и конец второй - V, V, третьей - W, W.
1
2
На фиг.3 показан вид статора 3 предложенной асинхронной машины со стороны выводов фаз 15 обмотки статора. Лобовые части отдельных фаз выделены оттенками серого цвета. Показано поперечное сечение 16 пазов 4, имеющее прямоугольную форму. В пазах 4 расположены активные проводники 10 верхнего слоя обмотки и активные проводники 11 нижнего слоя обмотки. Активные проводники 10 и 11 имеют прямоугольное поперечное сечение, а их высота близка к половине высоты пазов 4. Активные проводники 10 и 11 в пазах разделены межвитковой изоляцией 17. Площади сечения 18 лобовых перемычек 12, 13 и 14 в местах их соединения с активными проводниками 10, 11 в два раза меньше площадей поперечных сечений этих активных проводников. На фиг.3 показаны также лобовые проводники 12, соединяющие активные проводники витков, и лобовые проводники 13, соединяющие витковые группы, которые расположены над зубцовой зоной сердечника статора 3. Показаны также дополнительные лобовые проводники 14 для соединения ветвей фаз, которые соединяют активные проводники 10 тех пазов, в которых расположены проводники начал фаз обмотки (пазы 1, 5, 9), с активными проводниками пазов, в которых расположены проводники концов одноименных фаз этой обмотки (пазы 4, 8, 12). Например, активные проводники 10 первого паза (с проводником начала фазы U) с активными проводниками 10 четвертого паза (с проводником конца фазы U). Эти дополнительные лобовые проводники 14 расположены над торцевой поверхностью зубцовой зоны сердечника 3 с теми частями пазов 4 (на фиг.1, с верхними частями пазов 1, 2, 3, 4), где находится слой обмотки (слой активных проводников 10), проводники которого они соединяют.
В случае нахождения проводников выводов фаз 9 в нижнем слое обмотки дополнительные лобовые проводники 14 расположены над торцевой поверхностью зубцовой зоны сердечника 3 с нижними частями пазов 4 (например, пазов 1, 2, 3, 4), где находится слой обмотки (слой активных проводников 11), проводники которого они соединяют.
При этом, места соединений лобовых проводников 12 с активными проводниками 10, 11, расположенные в той части торцевой поверхности зубцовой зоны сердечника 3, над которым находятся лобовые проводники 14 для соединения ветвей фаз, расположены со стороны центров пазов 4 сердечника 3.
На фиг.4 показан вид сечения А-А, части сердечника 3 с четырьмя пазами 4, активными проводниками 11 и лобовыми проводниками 13.
На фиг.4 также показано, что активные проводники 11 верхнего слоя обмотки 3, расположенные в одном пазу (девятом, на фиг.4), соединены с активными проводниками 11 одноименной фазы (фазы W), расположенными в другом пазу (шестом, на фиг.4), в обратной последовательности: первый (по направлению чередования фаз и пазов) проводник 19 девятого паза соединен с третьим (последним) проводником 20 шестого паза, второй проводник 21 девятого паза соединен со вторым 22 (предпоследним) проводником шестого паза, а третий 23 (последний) проводник девятого паза соединен с первым 24 проводником первого паза. Такая последовательность соединений проводников соблюдается при соединении активных проводников 10 и 11 одноименных фаз лобовыми проводниками 12, 13 и 14.
На фиг.4 также показана пазовая изоляция 23 и межвитковая изоляция 17, а также зазоры 26 между лобовыми проводниками 13.
На фиг.5 показан вид активной части статора 2 асинхронной машины со стороны, противоположной стороне, представленной на фиг.3. На этой стороне находятся только лобовые проводники 12, соединяющие активные проводники витков обмотки 5. Показаны лобовые проводники 27 фазы U, лобовые проводники 28 фазы V и лобовые проводники 29 фазы W, которые соединяют активные проводники 10 с активными проводниками 11 в пазах 4. Обратная последовательность соединений проводников одноименных фаз соблюдается и при соединении активных проводников 10 и 11 лобовыми проводниками 27, 28, 29.
Работает предложенная энергоэффективная электрическая машина следующим образом.
2
2
2
1
2
1
2
1
Фазы обмотки 5 статора электрической машины соединяют в звезду (объединяют выводы U2, V, W) или в треугольник (соединяют U с V, V с W, W с U). На выводы фаз обмотки 5 подают трехфазное напряжение источника переменного тока. В проводниках фаз U, V, W обмотки 5 возникает трехфазная система токов, которая образует вращающееся магнитное поле в сердечниках статора 2 и ротора 6, так как эти фазы обмотки 5 сдвинуты на 120 электрических градусов (см. фиг.2). На проводники обмотки ротора 6, например, проводники короткозамкнутой обмотки, действуют силы, создающие электромагнитный  момент. Электрическая машина начнет работать в режиме двигателя - ротор будет вращаться под действием электромагнитного момента, создаваемого взаимодействием вращающегося магнитного поля и токов в обмотке ротора.
Возможна работа предложенной электрической машины в генераторном режиме. В этом случае для асинхронной машины вращение магнитного поля в магнитопроводе этой машины, созданного обмоткой 5, происходит медленнее вращения ротора. Вращение магнитного поля приводит к образованию в обмотке 5 трехфазной системы ЭДС. При подключении к выводам обмотки электрической машины потребителей электроэнергии переменного тока, механическая энергия, подводимая к валу электрической машины, будет преобразована в электрическую энергию, поступающую к потребителю.
Таким образом, предложение работоспособно в двигательном и генераторном режимах электрической машины. Максимальный эффект достигается при изменении согласно изобретению конструкции статора и ротора машины. Оно позволяет уменьшить длину лобовых проводников для соединения ветвей фаз обмоток статора и ротора электрической машины, что приводит к уменьшению объема и массы меди обмоток. Уменьшаются активные сопротивления этих проводников, следовательно, снижаются потери в обмотках. Также уменьшаются и индуктивные сопротивления фаз обмоток, что связано с расположением проводников для соединения ветвей фаз над торцевой поверхностью зубцовой зоны сердечника, обладающей меньшей усредненной магнитной проницаемостью. Последнее приводит к увеличению максимального вращающего момента электрической машины.
Таким образом, предложенная конструкция электрической машины позволяет, при увеличении числа витков в фазах обмоток, увеличить рабочие напряжения, обеспечить уменьшение массы меди обмоток, снижение электрических потерь машины при увеличении выходной мощности, что приводит к увеличению ее КПД. Кроме того, уменьшение объема лобовых частей обмоток машины, достигаемое изобретением, позволяет уменьшить длину корпуса этой машины, что экономит конструкционные материалы.