АСИНХРОННАЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ МАШИНА
ENERGY-EFFICIENT ASYNCHRONOUS 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 асинхронных машин.
Известны асинхронные машины с волновыми стержневыми обмотками на статоре (Вольдек А.И. Электрические машины, Л., 1978, с.407-409). Такие машины включают статор, содержащий сердечники 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 также включают ротор с короткозамкнутой или фазной обмоткой. Торцевые части машин включают лобовые части обмоток статора и ротора. Лобовые части обмоток являются жесткими и не имеют специальной межвитковой изоляции. Однако вылет лобовых частей обмоток достаточно велик. Значительные потоки рассеяния, создаваемые этими лобовыми частями обмоток, не участвуют в формировании электромагнитного момента, но вызывают значительные электромагнитные внешние поля, негативно влияющие на человека и электронную аппаратуру.
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 по крайней мере одного сердечника электрически изолированные активные проводники (стержни), а также лобовые части, расположенные по торцам сердечника, уменьшенных размеров, что снижает уровень внешних электромагнитных полей, но не создает существенного увеличения электромагнитного момента машины.
Известна также машина переменного тока, например асинхронная, с существенно уменьшенным объемом лобовых частей обмотки статора (патент РФ №2275729, RU БИПМ №12, 27.04.2006). Эта асинхронная машина, включающая ротор и статор с сердечником, в пазах которого расположены активные проводники двухслойной волновой обмотки с лобовыми проводниками, площадь поперечного сечения по крайней мере большинства которых в местах их соединения с активными проводниками упомянутой обмотки меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых активных проводников, выполненными в виде плоских колец лобовых перемычек, является энергоэффективной за счет уменьшенной металлоемкости и повышенного КПД.
В этой машине активные проводники обмотки статора, соединенные с выводами обмотки, расположены в верхнем слое обмотки. Большие части лобовых проводников обмотки статора расположены вблизи торцевых поверхностей зубцово-пазовой зоны статора - над центральными частями этих торцевых поверхностей, так как места их соединения с активными проводниками упомянутой обмотки расположены по краям торцевых поверхностей этой зубцово-пазовой зоны.
Эти части лобовых проводников создают бегущие вблизи торцевых зубцово-пазовых поверхностей сердечника магнитные поля рассеяния. За счет значительного снижения объема лобовых частей обмоток существенно снижен уровень полей рассеяния и внешних электромагнитных полей машины, однако, особенно в бескорпусном исполнении машин, величина внешних электромагнитных полей может превышать нормативы. Кроме того, упомянутые бегущие магнитные поля рассеяния не участвуют в формировании электромагнитного момента асинхронной машины.
Технический результат - уменьшение уровней (энергии) внешних электромагнитных полей и увеличение вращающего электромагнитного момента асинхронной машины.
Технический результат достигается тем, что асинхронная энергоэффективная машина, включающая ротор и статор с сердечником, в пазах которого расположены активные проводники двухслойной волновой обмотки с лобовыми проводниками, площадь поперечного сечения по крайней мере большинства которых в местах их соединения с активными проводниками упомянутой обмотки меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых активных проводников, выполненными в виде плоских колец лобовых перемычек, снабжена двумя дополнительными плоскими кольцами, закрепленными соосно на роторе этой асинхронной машины, расположенными в ее торцевых частях, каждое из которых включает по крайней мере один проводящий электрический ток участок кольцеобразной формы, по ширине близкий к ширине кольца лобовых перемычек, причем эти проводящие электрический ток участки расположены с небольшим воздушным зазором вблизи упомянутых колец лобовых перемычек, а активные проводники обмотки статора, соединенные с выводами обмотки статора, расположены в нижнем слое этой обмотки.
Пример конкретного выполнения изобретения иллюстрируют фиг.1.
На фиг.1 показана эскизная компоновка асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, конструкция которой выполнена согласно предложению. Обозначения на фиг.1 соответствуют технической литературе, например  Вольдек А.И. Электрические машины, Л., 1978.
На фиг.1 изображены: корпус асинхронной машины 1, статор машины 2, сердечник статора 3, в пазах которого расположена двухслойная обмотка статора 4 с активными проводниками в пазах сердечника статора 3 (ограничены пунктиром), соединенными по торцам сердечника проводниками в виде колец лобовых перемычек (показаны сечения перемычек, изолированные между собой). Изображен также ротор 5 с сердечником и короткозамкнутой обмоткой 6, который закреплен на валу 7 и может вращаться в подшипниках 8. По торцам сердечника ротора показаны сечения короткозамыкающих колец обмотки ротора 6. Активные проводники с выводами обмотки статора расположены в нижнем (со стороны спинки сердечника статора) слое обмотки. Это позволяет разместить выводы обмотки статора над торцевой поверхностью спинки (ярма) сердечника статора, а два дополнительных плоских кольца 9 и 10 вблизи колец лобовых перемычек обмотки статора 4.
На фиг.1 в торцевых частях машины показаны эти два плоских кольца 9 и 10 на валу 7 ротора асинхронной машины. Они выполнены из проводящего электрический ток материала (например, меди) и расположены вблизи колец лобовых перемычек обмотки статора 4, с небольшим воздушным зазором. Таким образом, каждое из колец 9 и 10 имеет проводящий электрический ток участок кольцеобразной формы, по ширине близкий к ширине колец лобовых перемычек обмотки статора 4, расположенный с небольшим воздушным зазором вблизи колец лобовых перемычек.
Работает предложенная асинхронная энергоэффективная машина следующим образом.
На выводы обмотки статора 4 подают напряжение источника переменного тока. В проводниках обмотки 4 возникают токи, которые создают электромагнитное поле, наибольшая концентрация которого (основной магнитный поток) наблюдается в сердечниках статора 3 и ротора 6 и зазоре между ними. Лобовые части обмоток 3 и 6 создают магнитные поля: вблизи лобовых частей - поля рассеяния, а также распространяющиеся в пространство вне корпуса машины - внешние электромагнитные поля. На активные проводники обмотки ротора 5, при взаимодействии токов в них с основным магнитным потоком машины, действуют силы, создающие основной вращающий электромагнитный момент машины.
Перемещающиеся (бегущие) вблизи зубцово-пазовых поверхностей сердечника статора магнитные поля рассеяния наводят ЭДС в проводящем материале дисков 9, 10. Эти ЭДС вызывают в кольцах 9, 10 токи. Эти токи взаимодействуют с бегущими полями рассеяния обмотки статора, создавая дополнительные вращающие электромагнитные моменты, которые действуют на кольца 9, 10, и ротор асинхронной машины. Кроме того, токи в кольцах 9, 10 оказывают экранирующее действие, снижая энергию внешних электромагнитных полей и величины полей рассеяния обмотки статора 4. Последнее также приводит к некоторому увеличению вращающего электромагнитного момента машины. Выполнение колец 9, 10 целиком из проводящего материала снижает уровень внешних электромагнитных полей при значительных токах в роторе (режимы пуска).
Таким образом, предложенная конструкция электрической машины позволяет создать асинхронную энергоэффективную машину, снижающую энергию внешних электромагнитных полей и увеличивающую механическую энергию в двигательном режиме, в основном, за счет создания дополнительных вращающих электромагнитных моментов машины.