ЯКОРНАЯ ОБМОТКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к асинхронным двигателям, предназначенным для работы от преобразователей частоты (ПЧ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения.
Известна якорная обмотка асинхронных двигателей (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: учеб. для вузов. В 2 т.Т. 1. - М: Издательский дом МЭИ, 2006. - 652 с. - стр. 472), работающих при общепромышленных частотах питания, состоящая из элементарных изолированных проводников круглого или прямоугольного сечения. Каждый проводник укладывается в паз по отдельности. Катушки обмотки изолируются от заземленных частей корпусной изоляцией. При частоте 50 Гц применяются элементарные проводники диаметром (высотой) не более 2,5 мм (соотнесено с двойной глубиной проникновения электромагнитной волны в проводник, так как электромагнитное поле проникает в проводник с разных радиальных направлений) для того, чтобы не проявлялся эффект вытеснения тока на поверхность проводника. Число элементарных проводников в одном эффективном обычно не превышает 10-12, так как иначе возрастают технологические трудности при выполнении обмотки.
При питании машин переменного тока от ПЧ с ШИМ напряжения, в питающем напряжении присутствует широкий спектр гармоник, с частотой вплоть до несущей частоты ШИМ (10-40 кГц, то есть в 200-800 раз выше номинальной частоты 50 Гц). Недостатком описанной выше обмотки при использовании в машинах переменного тока, предназначенных для питания от ПЧ с ШИМ напряжения, является то, что диаметр применяемого элементарного проводника оказывается много больше двойной глубины проникновения электромагнитной волны для высокочастотных гармоник. Это приводит к сильно выраженному вытеснению высших гармоник тока на поверхность проводника, что эквивалентно увеличению его активного сопротивления и ведет к появлению дополнительных потерь в обмотке, повышенному энергопотреблению двигателя и перегреву обмотки.
Известна обмотка крупных электрических машин (турбо- и гидрогенераторов), предназначенных для работы при общепромышленных частотах напряжения, состоящая из стержневых проводников прямоугольного сечения, расположенных в пазу в два столбца (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: учеб. для вузов. В 2 т. Т. 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006. - 532 с- стр. 11). Каждый проводник по длине машины переходит в верхней части стержня из одного столбца в другой, спускается в нем до самого низа стержня и возвращается в первый столбец, в котором снова поднимается - так называемая транспозиция элементарных проводников. Для асинхронных двигателей общепромышленной частоты питающего напряжения транспозиция проводников обмотки якоря не выполняется.
Недостатком такой обмотки является то, что высота используемого элементарного проводника много больше двойной глубины проникновения электромагнитной волны для высокочастотных гармоник от ПЧ с ШИМ напряжения, что ведет к вытеснению тока на поверхность проводника и увеличению омических потерь в обмотке.
Известна обмотка электрической машины, входящая в состав якоря электрической машины (Заявка на изобретение №2012112388, МПК Н02К 1/00, 2013 г.), проводники которой состоят из отдельных изолированных друг от друга электропроводящих жил и, по меньшей мере, одной магнитопроводящей жилы.
Недостатком такой обмотки является то, что проводники не подвергаются транспозиции, находятся в разных магнитных условиях по высоте паза, что приводит к различию наводимых в них ЭДС и появлению циркуляционных токов.
Известна якорная обмотка машин переменного тока (Жерве Г.К. Обмотки электрических машин. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское, отделение, 1989. - 400 с.- стр. 146), элементарные проводники которых состоят из большого числа токопроводящих жил малого сечения, не имеющих какой-либо специальной изоляции (литцендрат). Токопроводящие жилы скручиваются и опрессовываются в жгут прямоугольного сечения с закругленными углами и изолируются хлопчатобумажной оплеткой, образуя элементарный проводник.
Недостатком такой обмотки, в том случае, когда эффективный проводник состоит из нескольких элементарных проводников, является то, что элементарные проводники не подвергаются транспозиции, возникает неравномерное распределение токов между элементарными проводниками, расположенными на разных высотах в пазу, ввиду того, что элементарные проводники сцепляются с разной величиной потока пазового рассеяния и, соответственно, наводимые в них ЭДС рассеяния различны. Это приводит к появлению циркуляционных токов между ними.
Известна обмотка, входящая в состав статора электрической машины (Патент на изобретение RU №2448403 МПК Н02К 1/16, Н02К 3/14, Н02К 15/085, 2012 г.), принятая за прототип, состоящая из нескольких токопроводящих жгутов, содержащих множество отдельных изолированных проводников. При этом, токопроводящие жгуты проходят от одного конца паза ко второму концу паза и закручены внутри паза на заранее определенную величину. Таким образом, сводится к минимуму циркуляционный ток между отдельными изолированными проводников.
Недостатком такой конструкции обмотки при питании от ПЧ с ШИМ напряжения является вытеснение высших гармонических тока на поверхность отдельных изолированных проводников, в том случае, когда диаметр проводника превышает двойную глубину проникновения электромагнитной волны для высокочастотных гармоник, что приводит к увеличению эффективного сопротивления проводника и выделению дополнительных потерь в обмотке.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в уменьшении омических потерь в обмотке якоря асинхронного двигателя, предназначенного для работы от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения, за счет исключения действия поверхностного эффекта для высших гармоник тока.
Технический результат достигается тем, что в якорной обмотке асинхронного двигателя, предназначенного для работы от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения, состоящей из элементарных проводников, представляющих собой токопроводящие жгуты, выполненные из множества токопроводящих жил, опрессованых в общую витковую изоляцию и закрученных на определенный угол, либо подвергнутых транспозиции по высоте паза, диаметр каждой токопроводящей жилы определяется из соотношения
0
нес
=
-7
_
где d - диаметр токопроводящей жилы, м; ρ - удельное электрическое сопротивление материала токопроводящих жил, Ом*м; µ 4π*10 - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; µ - относительная магнитная проницаемость материала токопроводящих жил, о.е.; f несущая частота широтно-импульсной модуляции, Гц.
Это соотношение для диаметра токопроводящей жилы получено из следующих соображений. С целью минимизации влияния эффекта вытеснения тока на активное сопротивление токопроводящей жилы диаметр каждой из токопроводящих жил, составляющих токопроводящий жгут, выбирается менее двойной глубины проникновения электромагнитной волны в проводящий материал жилы:
где δ, м - глубина проникновения электромагнитной волны в проводящий материал жилы.
Сама глубина проникновения электромагнитной волны в проводящий материал определяется соотношением
0
=
-7
где ρ - удельное электрическое сопротивление материала, Ом*м; f - частота, Гц; µ 4π*10 - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; µ - относительная магнитная проницаемость материала, о.е.
Таким образом, двойная глубина проникновения электромагнитной волны в проводящий материал для гармоник, соответствующих несущей частоте ШИМ, определяется как
нес
где f - несущая частота ШИМ, Гц.
Тогда диаметр каждой токопроводящей жилы должен выбираться из соотношения
В результате такого выбора токопроводящих жил, их диаметры жил не превышают двойной глубины проникновения электромагнитной поля для гармоник, соответствующих несущей частоте ШИМ, что приводит к устранению эффекта вытеснения указанных гармоник тока на поверхность токопроводящих жил.
Под действием подаваемого на обмотку широтно-импульсно модулированного напряжения, по ее проводникам протекает электрический ток, который создает вращающееся магнитное поле. Поле, созданное каждой гармонической тока, сцепляясь с витками обмотки, наводит в них ЭДС. Ввиду того, что проводящие жилы, составляющие элементарные проводники обмотки, имеют поперечные размеры, не превышающие двойной глубины проникновения электромагнитной волны для высокочастотных гармоник, вытеснение высших гармоник тока на поверхность проводника не происходит, что исключает увеличение активного сопротивления проводника.