ОБМОТКА СТАТОРА ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
WINDING OF STATOR OF THREE-PHASE ALTERNATING-CURRENT ELECTRIC MACHINES

Обмотка статора трехфазных электрических машин переменного тока
Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к обмоткам статоров электрических машин трехфазного переменного тока и может быть использовано при производстве синхронных генераторов, синхронных и асинхронных электродвигателей.
Известны схемы однослойных концентрических обмоток статоров электрических машин трехфазного переменного тока / В.И. Зимин, М.Я. Каплан и др. Обмотки электрических машин. Изд. пятое, переработанное: государственное энергетическое издательство: М. - Л. 1961 г., с.118-123 /. Эти обмотки состоят из трех однофазных обмоток, оси которых смещены в пространстве друг относительно друга на 120 градусов. Каждая из однофазных обмоток на протяжении двойного полюсного деления статора образована катушками, число которых определяется по формуле Z/2pm, где Z - число пазов статора, 2p - число полюсов машины, m - число фаз статора. Катушки имеют различную ширину, но одинаковое количество витков. Активные стороны этих катушек на протяжении полюсного деления размещены в Z/2pm рядом расположенных пазах и полностью заполняют весь объем этих пазов.
Недостатком трехфазных однослойных концентрических обмоток является то, что наряду с основной гармоникой магнитодвижущей силы (МДС) и магнитного потока они создают широкий спектр высших пространственных гармоник со значительными величинами их амплитуд. Данный недостаток объясняется ярко выраженным ступенчатым характером изменения магнитодвижущей силы вдоль расточки статора. Действие высших пространственных гармоник магнитодвижущей силы приводит к уменьшению электромагнитного момента электрических машин, особенно в зоне низких частот вращения ротора, увеличению дифференциального сопротивления рассеяния обмоток статора, росту потерь и температуры нагрева активных частей электрической машины, вибрациям и шумам.
Известна также многофазная двухслойная концентрическая обмотка (SU 1690103 A1 Многофазная двухслойная концентрическая обмотка (МПК H02K17/14, H02K3/28; Патентообладатель: ЛЬВОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ.ЛЕНИНСКОГО КОМСОМОЛА; Опубликовано 07.11.1991)).
Недостатком данной обмотки является то, что ее применение возможно только в трехфазных электрических машинах трехфазного переменного тока с числом пазов на полюс и фазу q>3, что не позволяет использовать ее, например, в погружных двигателях для нефтяной промышленности, которые из-за малого диаметра статора выпускаются с числом пазов на полюс и фазу q=2, в редких случаях с q=3.
Известна также схема трехфазной обмотки «в развалку» статоров трехфазных электрических машин переменного тока / А.И. Вольдек. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., «Энергия», 1974 г., с.422, рис.21-15 /.
Схема данной обмотки является наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой обмотке и рассматривается в дальнейшем в качестве прототипа.
Трехфазная обмотка статора «в развалку» электрических машин переменного тока конструктивно состоит из трех однофазных обмоток, оси которых сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов. Все однофазные обмотки статора образованы одинаковым числом катушек, количество которых на протяжении двойного полюсного деления статора равно Z/2pm. Катушки, из которых образованы однофазные обмотки, имеют одинаковую форму, выполняются с одинаковым количеством витков и одинаковой схемой их соединения между собой. На протяжении полюсного деления статора активные стороны катушек, принадлежащих данной однофазной обмотке, размещаются в один слой в Z/2pm рядом расположенных пазах, которые они полностью их заполняют.
Недостатком трехфазных обмоток «в развалку» является то, что помимо основной пространственной гармоники магнитодвижущей силы они создают широкий спектр высших пространственных гармоник со значительной величиной их амплитуд. Данный недостаток объясняется резко выраженным ступенчатым характером распределения магнитодвижущей силы вдоль расточки статора. Особенно это относится к электрическим машинам с малым количеством пазов статора. Высшие пространственные гармоники магнитодвижущей силы обмотки статора приводят к уменьшению электромагнитного момента электрических машин, увеличению дифференциального сопротивления рассеяния обмотки статора, росту потерь и температуры нагрева активных частей, возникновению при работе вибраций и шумов. Все это негативно отражается на эксплуатационных характеристиках электрических машин трехфазного переменного тока.
Задачей изобретения является создание обмотки статора трехфазных электрических машин переменного тока, обеспечивающей существенное ослабление высших пространственных гармоник магнитного поля, приближение распределения магнитного поля в зазоре машин к синусоидальному и улучшение за счет этого эксплуатационных характеристик электрических машин.
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>ф</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>q</mi></munderover><mi>i</mi></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>ф</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>q</mi></munderover><mi>i</mi></mstyle></mrow>
ф
Для решения поставленной задачи предоставляется обмотка статора электрических машин переменного тока, содержащая три однофазных обмотки, образованных равным числом, размещенных в пазах, катушек, соединенных между собой по одинаковым схемам, обеспечивающим пространственный сдвиг осей обмоток друг относительно друга на 120 градусов, отличающаяся тем, каждая из однофазных обмоток на протяжении двойного полюсного деления статора образована 2Z/2pm катушками, в состав которых входит Z/2pm групп с одинаковым числом катушек в группах, при этом каждая из групп катушек выполнена с различной шириной входящих в нее катушек и различным числом образующих катушки витков, по сравнению с другими группами катушек, причем катушки одной из групп выполнены минимальной ширины, которая составляет (q+1) зубцовых деления статора, имеют минимальное число витков, определяемое из формулы
, и размещены в пазах, расположенных симметрично относительно осей полюсов, а ширина и число витков катушек каждой последующей группы выполнены различными с шириной и числом витков катушек предыдущей группы на два зубцовых деления статора и на величину
соответственно, и размещены катушки этих групп концентрически по отношению к катушкам с минимальной шириной и минимальным числом витков, и части объема пазов, остающиеся свободными после укладки катушек данной однофазной обмотки, используются для размещения катушек двух других однофазных обмоток, выполненных аналогично выше описанному, где Z - число пазов статора, 2p - количество полюсов, m - число фаз статора, W - число витков однофазной обмотки, приходящееся на пару полюсов, q - число пазов на полюс и фазу, q=Z/2pm.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему фазы А-Х трехфазной обмотки статора согласно изобретению;
Фиг.2 изображает схему трехфазной обмотки статора согласно изобретению;
Фиг.3 изображает диаграмму гармонического состава МДС трехфазной обмотки статора согласно изобретению;
Фиг.4 изображает диаграмму гармонического состава МДС трехфазной обмотки статора погружного электродвигателя серии ПЭД.
Схема однофазной обмотки A-X предлагаемой трехфазной обмотки статора (m=3) электрической машины с количеством пазов Z на статоре, равным 18, числом полюсов 2р, равным 2, приведена на фиг.1. На фиг.2 представлена схема предлагаемой трехфазной обмотки. На фиг.3 изображена диаграмма, на которой показан гармонический состав магнитодвижущей силы статора с предлагаемой трехфазной обмоткой. Причем на фиг.3 по горизонтальной оси показан порядковый номер гармоники, а по вертикальной оси показана величина амплитуды МДС (в о.е.), создаваемой соответствующей гармоникой. На фиг.4, для сравнения, приведена диаграмма гармонического состава магнитодвижущей силы трехфазной обмотки статора погружного электродвигателя серии ПЭД, используемого в качестве привода центробежных насосов для подъема жидкости из нефтяных скважин (Z=18, 2р=2, m=3, q=3, объем каждого паза полностью заполнен одной активной стороной катушки, принадлежащей той или иной однофазной обмотке статора /Каталог нефтяного оборудования, средств автоматизации, приборов и спецматериалов. М.: ВНИИОЭНГ, 1994 г., с 35)/.
ф
ф
ф
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>ф</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>3</mn></munderover><mi>i</mi></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>ф</mi></msub><mo>/</mo><mn>12</mn><mo>+</mo><msub><mi>W</mi><mi>ф</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>3</mn></munderover><mi>i</mi></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mtext>W</mtext><mtext>ô</mtext></msub><mo>/</mo><mn>6</mn><mo>+</mo><msub><mi>W</mi><mi>ф</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>3</mn></munderover><mi>i</mi></mstyle></mrow>
Однофазная обмотка A-X (фиг.1) содержит шесть катушек (2Z/2pm=2·18/2·3=6), из которых образованы три группы (Z/2pm=18/2·3=3) по две катушки ((2Z/2pm)/(Z/2pm)=6/3=2) в каждой. Катушки одной из групп, назовем ее первой, имеют минимальную ширину, которая составляет четыре зубцовых делений статора (q+1=((Z/2pm)+1)=3+1). Катушки второй группы имеют ширину в шесть зубцовых делений, что на два зубцовых деления статора больше ширины катушек первой группы. Катушки третьей группы имеют максимальную ширину, которая на два зубцовых деления статора больше ширины катушек второй группы и составляет восемь зубцовых делений. Количество витков в катушках первой группы минимально и составляет W/12 (
). Количество витков в катушках второй группы равно W/6 (
). Катушки третьей группы имеют наибольшее число витков W/4 (
).
Катушки с наибольшим числом витков, образующие третью группу, своими активными сторонами укладываются в пазы 5, 13 и 14, 4 соответственно. Активные стороны катушек второй группы размещаются в пазах 6,12 и 15,3, а катушки первой группы укладываются своими активными сторонами в пазах 7,11 и 16,2. По одной катушке, относящейся к различным группам, на протяжении полюсного деления укладываются концентрично друг по отношению к другу. Так катушки первой группы размещаются внутри катушек второй группы, которые сами располагаются внутри катушек третьей группы. Однако, катушки одной и той же группы, размещенные на соседних полюсных делениях, укладываются в «развалку». Активные стороны всех катушек однофазной обмотки A-X размещаются в один слой в пазах статора, занимая различную часть их объема. Наименее заполненными оказываются пазы, в которых размещаются катушки первой группы, большую часть объема пазов занимают катушки второй группы, а наиболее заполненными оказываются пазы с катушками третьей группы.
Однофазные обмотки B-Y и C-Z (фиг.2) формируются по тому же принципу, что и однофазная обмотка А-Х. Укладку катушек однофазных обмоток B-Y и C-Z в пазы статора необходимо осуществлять таким образом, чтобы добиться сдвига осей этих обмоток по отношению к оси однофазной обмотки A-X на 120 и 240 градусов соответственно. Реализация данного условия приводит к тому, что в каждом пазу статора располагаются активные стороны катушек двух однофазных обмоток (верхняя часть фиг.2). Применительно к рассматриваемому статору с заявляемой обмоткой достигается одна из следующих двух комбинаций распределения активных сторон катушек в пазах: активная сторона катушки однофазной обмотки с наибольшим количеством витков и активная сторона катушки однофазной обмотки с минимальным количеством витков; активные стороны катушек двух фаз с равным количеством витков. В обоих из указанных случаев обеспечивается равенство количества витков по пазам при условии полного заполнения всех пазов. Данный принцип остается справедливым и в электрических машинах с другим количеством пазов на статоре. Отличие будет заключаться только в числе возможных комбинаций.
Электрическая схема соединения катушек однофазной обмотки А-Х показана на фиг.1. Данная схема обеспечивает одинаковое направление тока в проводниках активных сторон катушек, размещенных в пазах 2÷7, и одинаковое, но противоположное направление тока в проводниках активных сторон катушек, размещенных в пазах 11÷16. Электрические схемы соединения катушек, образующих однофазные обмотки B-Y и C-Z, повторяют схему соединения катушек однофазной обмотки А-Х (фиг.2).
Данные по гармоническому составу магнитодвижущих сил и величинам амплитуд ряда гармоник для статора с предлагаемой обмоткой и статора погружного электродвигателя серии ПЭД приведены в таблицах 1 и 2. Эти данные использованы при построении диаграмм (фиг.3, фиг.4), наглядно показывающих спектры, создаваемых обмотками статоров высших пространственных гармоник магнитодвижущих сил, и значения амплитуд отдельных гармоник. Сравнение табличных данных и графического отображения этих данных в виде диаграмм показывает, что предлагаемая обмотка обеспечивает уменьшение амплитуды 3-ей гармоники в 2,13 раза, амплитуды 5-ой гармоники в 8,38 раза, амплитуды 7-ой гармоники в 3,5 раза.
Таблица 1
Гармонический состав магнитодвижущей силы статора с предлагаемой трехфазной обмоткой
Номер гармоники
1
3
7
1
13
5
Амплитудагармоники
1.8284
0.1940
0.0094
0.0120
0.0000
0.0059
0.0020
0.0139
Таблица 2
Гармонический состав магнитодвижущей силы трехфазной обмотки статора погружного электродвигателя серии ПЭД
Номер гармоники
1
3
5
1
13
15
Амплитудагармоники
1.8284
0.4147
0.0778
0.0422
0.0556
0.0207
0.0169
0.0298
Существенное ослабление высших пространственных гармоник магнитодвижущих сил и магнитного поля позволяет увеличить электромагнитный момент электрических машин, особенно в зоне низких частот вращения ротора, уменьшить потери и нагрев электрических машин, снизить шум и вибрации, возникающие при работе электрических машин, уменьшить дифференциальное сопротивление рассеяния статора. Существенным достоинством предлагаемой обмотки является и то, что она может быть выполнена «в развалку» при нечетном числе пазов на полюс и фазу статора, чего нельзя достичь известными схемами обмоток. Выполнение схем обмоток статора «в развалку» приводит к уменьшению длины лобовых частей катушек, экономии активных материалов и дальнейшему снижению потерь энергии.
Предлагаемое изобретение предназначено для использования на предприятиях электромашиностроительной отрасли при серийном производстве электрических машин трехфазного переменного тока, особенно электрических машин с малым числом пазов на полюс и фазу, например в асинхронных электрических двигателях погружных центробежных насосов, диаметр статора которых ограничен размерами труб обсадной колонны. Весьма перспективно применение заявляемого изобретения в электрических машинах для медицинского оборудования, от которых требуется низкий уровень создаваемых при работе шумов, и т.д.