ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
WINDING OF ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электрическим машинам, конструкциям статоров и роторов машин переменного тока. Это изобретение может быть использовано при проектировании и изготовлении обмоток статора и ротора асинхронных машин, обмоток якоря синхронных машин и обмоток якоря вентильных двигателей. Применимо преимущественно для низковольтных электрических машин или машин со значительным числом полюсов.
Известны волновые стержневые обмотки электрических машин (Вольдек А.И. Электрические машины, Л, 1978, с.407 - 409). Они включают стержни, расположенные в верхней части пазов сердечника, образующие верхний слой обмотки, и стержни, расположенные в нижних частях пазов сердечника, образующие нижний слой обмотки и проводники лобовых частей, расположенные по торцам сердечника. Последние включают проводники между стержнями витков обмотки, объединенных в витковые группы, и проводники для соединения витковых групп, а также проводники выводов фаз обмотки. Лобовые части обмотки являются жесткими и не имеют специальной межвитковой изоляции. Однако вылет лобовых частей обмотки очень велик.
Известна обмотка электрической машины (ротора) (патент РФ №2152117, RU БИПМ №18, 27.06.2000), содержащая в пазах сердечника электрически изолированные проводники - стержни, соединенные короткозамыкающими кольцами - лобовыми частями обмотки, выполненными из элементарных короткозамыкающих колец. Изобретение позволяет 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 обмотка электрической машины (Лыткин В.В. Способ организации лобовых частей электрических машин с минимальным осевым вылетом. - Вестник УГТУ №5 (25), Екатеринбург, 2003. с.190 - 193). Она включает стержни, расположенные в верхней части пазов сердечника, образующие верхний слой обмотки, и стержни, расположенные в нижних частях пазов сердечника, образующие нижний слой обмотки, а также проводники лобовых частей, расположенные по торцам сердечника, включающие проводники между стержнями витков обмотки, соединенных в катушечных группы, и проводники для соединения катушечных групп, а также проводники выводов фаз обмотки.
Для сокращения вылета лобовых частей обмотки делается изгиб стержней при выходе из пазов в плоскости, перпендикулярной оси вращения, вдоль радиусов по направления 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, расположенном в соседнем пазу. После этого стержень изгибается плашмя, либо по дуге окружности, либо по прямой, и образует 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 обмотки является значительный вылет лобовых частей, сложная технология ее изготовления, возможность изготовления только концентрических обмоток.
Известна также обмотка электрической машины (патент РФ №2275729, RU БИПМ №12, 27.04.2006) наиболее близкая к предложенной. Эта обмотка электрической машины, включает стержни, расположенные в верхней части пазов сердечника ближе к зубцовой поверхности сердечника, образующие верхний слой обмотки, и стержни, расположенные в нижних частях пазов сердечника ближе к спинке сердечника, образующие нижний слой обмотки, проводники лобовых частей, расположенные над торцевыми поверхностями сердечника, выполненные в виде лобовых перемычек и включающие витковые перемычки между стержнями, образующие витки фаз обмотки, соединенные в витковые группы, перемычки для соединения витковых групп, расположенные над торцевой поверхностью спинки (ярма) сердечника, и проводники выводов фаз, соединенные со стержнями. Площади сечения лобовых перемычек, по крайней мере их большинства, в местах соединения со стержнями меньше усредненных по длине паза площадей поперечных сечений соединяемых стержней, причем, места соединений, лобовых перемычек со стержнями верхнего слоя обмотки расположены со стороны зубцовой поверхности сердечника, а места соединений, лобовых перемычек со стержнями нижнего слоя обмотки расположены со стороны спинки (ярма) сердечника.
Расположение мест соединений лобовых перемычек со стержнями у верхней и нижней сторон пазов позволяет освободить место для размещения основных частей витковых перемычек над центральными частями пазов и выполнить соединения между стержнями витков по почти кратчайшему расстоянию. Однако при этом перемычки для соединения витковых групп обмотки вытесняются в зону спинки (ярма) сердечника. Поэтому недостатком этой обмотки является значительная длина перемычек для соединения витковых групп обмотки, а также их значительные индуктивные и активные сопротивления, что приводит к увеличению массы меди обмотки, увеличению потерь и снижению вращающего момента электрической машины.
Техническим результатом является уменьшение массы меди обмотки, снижение потерь и увеличение максимального вращающего момента электрической машины.
Технический результат достигается тем, что обмотка электрической машины, включающая стержни, расположенные в верхней части пазов сердечника ближе к зубцовой поверхности сердечника, образующие верхний слой обмотки, и стержни, расположенные в нижних частях пазов сердечника ближе к спинке сердечника, образующие нижний слой обмотки, проводники лобовых частей, расположенные над торцевыми поверхностями сердечника, по крайней мере большинство которых выполнены в виде лобовых перемычек, включающие витковые перемычки между стержнями, образующие витки фаз обмотки соединенные в витковые группы, перемычки для соединения витковых групп и проводники выводов фаз, соединенные со стержнями, площади сечения по крайней мере большинства которых в местах их соединения со стержнями меньше усредненных по длине паза площадей поперечных сечений соединяемых стержней обмотки, выполнена так, что лобовые перемычки для соединения витковых групп, расположены над торцевой поверхностью зубцовой зоны сердечника с той частью пазов, где находится слой обмотки, стержни которого они соединяют, места соединений витковых лобовых перемычек со стержнями того слоя обмотки, над которым находятся лобовые перемычки для соединения витковых групп, расположены со стороны центров пазов сердечника, причем, места соединений по крайней мере большинства остальных лобовых перемычек со стержнями верхнего слоя обмотки расположены со стороны зубцовой поверхности сердечника, а места соединений этих лобовых перемычек со стержнями нижнего слоя обмотки расположены со стороны спинки сердечника.
Пример конкретного выполнения изобретения иллюстрируется конструкцией активной части статора трехфазной электрической машины представленной на фиг.1, 2, 3, 4.
На фиг.1 показана эскизная компоновка активной части статора 1 электрической машины, которая включает сердечник 2 с пазами 3. Сердечник имеет спинку 4, зубцовую зону 5 с зубцовой поверхностью 6 и торцевыми поверхностями 7 и 8 этой зубцовой зоны. В пазах сердечника расположена трехфазная обмотка 9 с проводниками выводов фаз 10, выполненная в соответствии с предложенным техническим решением.
1
2
1
2
1
2
На фиг.2 показана схема трехфазной обмотки 9, соответствующая эскизной компоновке, представленной на фиг.1. Обозначения на схеме соответствуют технической литературе, например - Вольдек А.И. Электрические машины, Л, 1978, с.497-499. Как видно, сердечник статора имеет двенадцать пазов, которые пронумерованы в центре рисунка в направлении чередования фаз. Сплошными линиями в пазах обозначены стержни 11 верхнего слоя обмотки, а пунктиром - стержни 12 нижнего слоя. На фиг.2 показаны также витковые лобовые перемычки 13, соединяющие отдельные стержни витков 14, а также показаны лобовые перемычки 15 (утолщенными пунктирными линиями), соединяющие витковые группы. Выводы фаз 10 обмотки статора имеют следующее обозначения: начало и конец первой фазы обозначены U, U, начало и конец второй - V, V, третьей - W, W. Эта схема соответствует четырехполюсной трехфазной волновой стержневой обмотке с диаметральным шагом.
На фиг.3 показан вид активной части статора 1 с предложенной обмоткой 9 (по фиг.1) со стороны выводов фаз 10 этой обмотки. Пазы 3 пронумерованы по окружности, изображающей внутреннюю поверхность сердечника 2. Показано поперечное сечение прямоугольной формы 16 пазов 3. В верхней части этих пазов, - ближе к зубцовой поверхности 6 сердечника 2, - расположены стержни 11, верхнего слоя обмотки 9, а в нижних частях пазов 3 сердечника 2, - ближе к спинке 4 сердечника 2, - расположены стержни 12, образующие нижний слой обмотки 9. Лобовые части отдельных фаз выделены оттенками серого цвета. На фиг.3. показаны лобовые витковые перемычки 13, соединяющие стержни витков, а также лобовые перемычки 15, соединяющие витковые группы фаз, расположенные над торцевой поверхностью 7 зубцовой зоны 5 сердечника 2. Площади сечения лобовых перемычек 13 и 15 в местах их соединения со стержнями 12 нижнего слоя обмотки в два раза меньше площадей поперечных сечений соединяемых стержней, а площади сечения лобовых перемычек 13 в местах их соединения со стержнями верхнего слоя 11 равны площадям поперечных сечений соединяемых стержней. Каждый из проводников выводов фаз 10, например проводник конца фазы U2, имеет площадь сечения 17, например, в месте соединения со стержнем, расположенным в верхнем слое четвертого паза, в два раза меньшую площади поперечного сечения стержня, с которым он соединен.
В случае присоединения проводников выводов фаз 10 к стержням верхнего слоя 11, как показано на фиг.3, места соединений витковых лобовых перемычек 13, со стержнями 12 нижнего слоя обмотки, над которыми находятся лобовые перемычки 15 для соединения витковых групп расположены со стороны центров пазов сердечника.
В случае присоединения проводников выводов фаз 10 к стержням нижнего слоя 12, места соединений витковых лобовых перемычек 13, со стержнями 11 верхнего слоя обмотки, над которыми будут находиться лобовые перемычки 15 для соединения витковых групп, также будут расположены со стороны центров пазов сердечника. Т.е. места соединений витковых лобовых перемычек 13 со стержнями И или 12 того слоя обмотки, над которым находятся лобовые перемычки 15 для соединения витковых групп, расположены со стороны центров пазов 3 сердечника 2, независимо от слоя обмотки, к которому присоединены проводники выводов фаз 10.
На фиг.4. показан вид активной части статора 1 электрической машины с предложенной обмоткой 9 (по фиг.1) со стороны торца, где нет выводов фаз 10. Нумерация пазов 3 по внутренней окружности, соответствующей зубцовой поверхности 6 сердечника 2, сделана согласно с фиг.2, 3. Показаны витковые лобовые перемычки 18 фазы U, витковые лобовые перемычки 19 фазы V и витковые лобовые перемычки 20 фазы W, расположенные над торцевой поверхностью зубцовой зоны 8 сердечника 2. Площади сечения лобовых перемычек 18, 19, 20 в местах их соединения со стержнями 12 и 13 обмотки 9 в два раза меньше площадей поперечных сечений соединяемых стержней. Места соединений витковых лобовых перемычек 18, 19, 20 со стержнями верхнего слоя обмотки 11 расположены со стороны зубцовой поверхности 6 сердечника 2. Места соединений лобовых перемычек 18, 19, 20 со стержнями 12 нижнего слоя обмотки 9 расположены со стороны спинки 4 сердечника 2.
Работает предложенная обмотка 9 в составе активной части статора 1 трехфазной электрической машины следующим образом.
2
2
2
2
1
2
1
2
1
Фазы обмотки 9 соединяют в звезду (объединяют выводы U, V, W.), или в треугольник (соединяют U с V, V с W, W с U). В двигательном режиме на выводы фаз обмотки 9 подают трехфазное напряжение источника переменного тока. В фазах U, V, W обмотки 9 возникает трехфазная система токов, которая образует вращающееся магнитное поле в сердечнике 2, так как оси фаз обмотки 9 сдвинуты в пространстве на 120 электрических градусов (см. фиг.2). Если внутри активной части статора 1 с предложенной обмоткой 9 расположен ротор, например, с короткозамкнутой обмоткой, в его сердечнике также возникает вращающееся магнитное поле, и он начнет вращаться под действием электромагнитного момента, создаваемого взаимодействием вращающегося магнитного поля и токов в обмотке ротора.
Возможна работа электрической машины с предложенной обмоткой 9 в генераторном режиме. В этом случае вращение магнитного поля в магнитопроводе электрической машины, созданного, например, вращением в электрической машине ротора с постоянными магнитами, приведет к образованию в предложенной обмотке 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, передаваемую этим потребителям.
Таким образом, предложение работоспособно в двигательном и генераторном режимах электрической машины, позволяет уменьшить длину лобовых перемычек для соединения витковых групп обмотки электрической машины, что приводит к уменьшению массы меди обмотки. Уменьшаются активные сопротивления этих перемычек, а, значит, снижаются потери в обмотке. Также уменьшаются и индуктивные сопротивления проводников для соединения витковых групп за счет того, что эти проводники расположены над торцевой поверхностью зубцовой зоны сердечника, обладающей меньшей усредненной магнитной проницаемостью. Уменьшение магнитной проницаемости поверхности, над которой расположены лобовые перемычки для соединения витковых групп, приводит к уменьшению их индуктивных сопротивлений. Уменьшение активных и индуктивных сопротивлений обмотки статора приводит к увеличению максимального вращающего момента, например асинхронной машины (Вольдек А.И. Электрические машины, Л, 1978, с.515).
Таким образом, предложенная обмотка электрической машины позволяет выполнить соединения между стержнями по кратчайшему расстоянию между ними, что позволяет обеспечить уменьшение массы меди обмотки, снижение потерь мощности в обмотке и увеличение максимального вращающего момента электрической машины.