ЭКОНОМИЧНАЯ ДВУХСЛОЙНАЯ ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
ECONOMIC DOUBLE-LAYER WINDING OF ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, касается конструктивного выполнения обмоток статоров и роторов электрических машин переменного тока и якорей коллекторных электрических машин. Это изобретение может быть применено при проектировании и изготовлении обмоток статора и ротора асинхронных машин, обмоток якоря синхронных, коллекторных и вентильных двигателей и генераторов, также и обмоток трансформаторов с вращающимся полем.
Известна двухслойная стержневая волновая обмотка электрической машины с пазами сердечника прямоугольной формы и с существенно уменьшенным объемом лобовых частей (патент РФ №2275729, БИПМ №12, 27.04.2006) - прототип. 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. При этом сечение стержней внутри паза не изменяется. Проводники лобовых частей (лобовые перемычки) обмотки, расположенные по торцам сердечника, соединяют активные проводники обмотки. По крайней мере большинство лобовых перемычек имеют площади сечения, в местах их соединения со стержнями, меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых стержней обмотки. 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. При этом высота лобовых перемычек постоянна. Между кольцами лобовых перемычек и торцевыми поверхностями сердечника выполнен воздушный зазор. Проводники выводов фаз обмотки также имеют площадь сечения в местах их соединения со стержнями меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения стержней, с которыми они соединены.
Неизменное сечение стержней внутри паза не позволяет обеспечить их эффективное охлаждение при небольшом воздушном зазоре между кольцами лобовых перемычек и торцевыми поверхностями сердечника и увеличивает расход материала на изготовление обмотки. Постоянная высота лобовых перемычек увеличивает расход материала на их изготовление.
Техническим результатом является улучшение охлаждения обмотки при уменьшении ее материалоемкости.
Он достигается тем, что в двухслойной обмотке электрической машины, включающей активные проводники, расположенные в пазах сердечника, и лобовые проводники, расположенные над торцевыми поверхностями этого сердечника, в которой, по крайней мере значительное число мест соединения концов лобовых и активных проводников расположены у краев торцевой поверхности зубцово-пазовой зоны сердечника, а упомянутые места соединений имеют площади соединения меньше усредненных по длине паза площадей поперечных сечений соединяемых активных проводников обмотки, активные проводники с уменьшенной площадью мест соединений выполнены так, что площадь поперечного сечения их концов постепенно увеличивается по направлению к центрам пазов, а лобовые проводники выполнены так, что площадь поперечного сечения их концов также постепенно увеличивается по направлению к центрам этих лобовых проводников.
Пример конкретного выполнения данного изобретения иллюстрируют: конструкция стержней экономичной обмотки и конструкция экономичной обмотки статора электрической машины переменного тока (синхронной или асинхронной), представленные на фиг.1, 2.
На фиг.1 показан вид стержней экономичной обмотки электрической машины, находящихся в одном пазу сердечника этой машины. Изображены: стержень 1 (активный проводник обмотки) одного (например, верхнего) слоя обмотки, стержень 2 другого (например, нижнего) слоя обмотки, с уменьшенной площадью мест соединения 3 стержней 1,2 с лобовыми проводниками. Показаны концы 4 стержней 1,2. Видно, что площади поперечных сечений концов стержней линейно (постепенно) увеличиваются по направлению к центрам этих стержней (центрам пазов, в которых расположены эти стержни). Объем части 5 с пунктирными линиями определяет объем сэкономленной меди для одного стержня, так как другие концы стержней имеют ту же форму. Увеличение при этом площади наклонных торцевых поверхностей 6 этих стержней, не соединенных с лобовыми проводниками, приводит к увеличению площади охлаждающей поверхности стержней. Увеличивается теплоотдача с этой поверхности стержней в окружающую среду (например, воздух).
На фиг.2 показан сегмент активной части статора электрической машины с одним из лобовых проводников 7, расположенным над торцевой поверхностью сердечника статора. Конец 8 лобового проводника 7 расположен над местом его соединения 3 со стержнем 1 обмотки статора. Как видно, площадь поперечного сечения конца 8 лобового проводника 7 постепенно увеличивается по направлению к центру этого лобового проводника (заштрихованы два сечения конца 8 лобового проводника 7 - с наименьшей и наибольшей площадью). Таким же образом выполнены и другие лобовые проводники экономичной обмотки электрической машины и их соединения с другими стержнями этой обмотки.
На фиг.2 изображены также: спинка 9 и один из зубцов 10 шихтованного сердечника статора, воздушный зазор 11 между одним из лобовых проводников 7 и поверхностью 12 зубцово-пазовой зоны сердечника статора электрической машины. Между другими лобовыми проводниками обмотки статора и поверхностью 12 зубцово-пазовой зоны сердечника статора также есть воздушный зазор. Лобовый проводник 7 выполнен так, что на концах проводника площадь его поперечного сечения постепенно увеличивается вдоль проводника по направлению к его центру. Такое увеличение площади его поперечного сечения приводит к экономии меди при изготовлении этого проводника. Объем части 13 с пунктирными линиями определяет объем сэкономленной меди для одного конца лобового проводника 6. Так как остальные лобовые проводники обмотки статора выполнены так же, как показанный на фиг.2 проводник 7, - экономия меди на изготовление всех лобовых проводников получается существенной.
Таким же образом может быть выполнена экономичная двухслойная обмотка фазного ротора асинхронной машины или обмотка якоря машины постоянного тока.
Таким образом, предложенная двухслойная обмотка электрической машины является экономичной, так как позволяет уменьшить расход материала (например, меди) на изготовление активных проводников (стержней) и на изготовление лобовых проводников обмотки. В такой обмотке увеличивается теплообмен между обмоткой и окружающей средой. То есть охлаждение предложенной обмотки улучшается.