ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С КОМПАКТНЫМИ ЛОБОВЫМИ ЧАСТЯМИ ОБМОТКИ
ENERGY-EFFICIENT ELECTRICAL MACHINE WITH COMPACT END PARTS OF WINDING

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, касается особенностей конструктивного выполнения статоров и роторов машин переменного тока, а также якорей машин постоянного тока, может быть использовано при проектировании и производстве электрических машин переменного и постоянного тока - асинхронных и синхронных машин, коллекторных машин и вентильных двигателей.
Известны электрические машины с прямоугольными пазами и двухслойными обмотками из прямоугольного обмоточного провода. Например, Проектирование электрических машин: Под ред. И.П. Копылова. - М., 1980, с. 42-52. Такие машины включают по меньшей мере один сердечник статора или ротора с пазами прямоугольной формы. В каждом из этих пазов находятся активные проводники прямоугольной формы двухслойной обмотки (петлевой или волновой). Активные проводники верхней части пазов сердечника образуют верхний слой обмотки, а активные проводники нижних частей пазов сердечника образуют нижний слой обмотки. Активные проводники соединены проводниками лобовых частей. Лобовые части обмотки являются жесткими. Однако вылет лобовых частей обмотки велик, что увеличивает объем и материалоемкость машины, а также уменьшает КПД за счет значительного активного сопротивления фаз.
Известна также электрическая машина с пазами сердечника статора или ротора прямоугольной формы и уменьшенным осевым вылетом лобовых частей обмотки (патент RU №2310965, Бюл. №32, 20.11.2007). Она содержит в пазах сердечника электрически изолированные активные проводники и проводники лобовых частей, расположенные по торцам сердечника.
Для сокращения вылета лобовых частей обмотки делается изгиб стержней при выходе из пазов в плоскости, перпендикулярной оси вращения, вдоль радиусов по направлению к наружному диаметру сердечника статора (обмотка статора) или к оси вращения (для обмотки фазного ротора). Осевой вылет лобовых частей электрической машины уменьшается, уменьшается и металлоемкость.
Недостатками этой машины являются значительный объем лобовых частей обмотки, усложнение технологии ее изготовления, возможность применения только для машин с концентрическими обмотками.
Известна также электрическая машина с пазами сердечника прямоугольной формы и стержневой волновой обмоткой с существенно уменьшенным объемом лобовых частей (патент RU №2275729, Бюл. №12, 27.04.2006). В этой электрической машине лобовые проводники (перемычки) имеют площади сечения, в местах их соединения со стержнями, меньше площади поперечного сечения соединяемых стержней обмотки, усредненной по длине паза. При этом места соединений упомянутых перемычек со стержнями в пазах расположены по краям пазов. Расположение непересекающихся лобовых проводников над средними частями пазов, где торцовые поверхности стержней свободны от соединения, в разы уменьшает объем лобовых частей обмотки статора, а у асинхронных машин с фазным ротором также и объем лобовых частей обмотки ротора. Такая конструкция значительно уменьшает расход меди на изготовление электрических машин, особенно асинхронных машин с фазным ротором.
Однако расположение в каждом из прямоугольной формы пазов сердечника этой электрической машины двух активных проводников (стержней) не позволяет выполнить машину на значительные рабочие напряжения, а при значительных мощностях и токах в машинах уменьшает КПД за счет увеличения вихревых токов в активных проводниках.
Известна также (прототип) энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки, работоспособная при значительных рабочих напряжениях фаз, с прямоугольной формы пазами сердечника и волновой обмоткой из прямоугольного обмоточного провода (патент RU №2526835, МПК Н02К 17/00, БИПМ №24, 27.08.2014). В этой энергоэффективной электрической машине, включающей сердечники статора и ротора, разделенные воздушным зазором, в прямоугольной формы пазах по крайней мере одного из которых расположены активные проводники волновой обмотки, которая содержит также лобовые проводники, расположенные над поверхностями торцевых зон сердечника с небольшим зазором, которые не пересекаются, посредством которых соединены активные проводники витков, витковые группы и ветви обмотки, состоящие из витковых групп, при этом площади мест соединения по меньшей мере большинства лобовых проводников с активными проводниками обмотки меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых активных проводников, а в упомянутых пазах размещены четыре или более активных проводника, причем активные проводники пазов, в которых расположены проводники начал фаз обмотки, соединены лобовыми проводниками, соединяющими ветви фаз обмотки, с активными проводниками пазов, в которых расположены проводники концов одноименных фаз этой обмотки, в обратной последовательности.
Мощные электрические машины с обычными лобовыми частями обмотки (например, серийные) для уменьшения потерь от вытеснения тока и от вихревых токов выполнены с увеличенным числом активных проводников в слоях обмотки за счет уменьшения высоты активных проводников. Мощные электрические машины с компактными лобовыми частями обмотки, при использовании технического решения прототипа, для сохранения минимального объема лобовых частей должны быть выполнены с уменьшенной шириной активных проводников. Высота активных проводников сохраняется, что не позволяет уменьшить потери от вытеснения тока в этих проводниках.
Таким образом, недостаток технического решения прототипа: при увеличении номинальной мощности машины растет высота активных проводников, что приводит к увеличению потерь от вытеснения тока в этих проводниках. Как следствие - снижается КПД электрической машины.
Технический результат предложения (по п. 1) - расширение диапазона применения энергоэффективной электрической машины с компактными лобовыми частями обмотки в зону машин большой мощности за счет повышения их КПД при уменьшенной материалоемкости.
Технический результат достигается тем, что энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки, включающая сердечники статора и ротора, разделенные воздушным зазором, в прямоугольной формы пазах по крайней мере одного из которых расположены активные прямоугольной формы проводники слоев фаз волновой обмотки, включающие активные проводники выводов фаз, а над поверхностями торцевых зон этого сердечника расположены лобовые проводники обмотки, включающие лобовые проводники витков и витковых групп, при этом площади мест соединения по меньшей мере большинства лобовых и активных проводников меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения активных проводников, а части лобовых проводников витков обмотки, расположенные параллельно торцевым поверхностям сердечника, в большинстве находятся между местами соединения лобовых и активных проводников, снабжена дополнительными проводниками, а обмотка выполнена в виде по меньшей мере двух частей, разнесенных по высоте пазов, имеющих по два слоя активных проводников, одинаковое число фаз и полюсов, причем одноименные фазы этих частей соединены дополнительными проводниками так, что их совокупность образует фазы полной обмотки электрической машины (п. 1 ф-лы).
Для уменьшения длины дополнительных проводников, при выполнении обмотки сосредоточенной, выводы фаз по меньшей мере одной пары соседних частей обмотки расположены в соседних слоях активных проводников (п. 2 ф-лы).
При распределенной обмотке статора машины, для улучшения формы ЭДС, одноименные фазы частей соединены последовательно и сдвинуты вдоль окружности сердечника в пределах фазной зоны (п. 3 ф-лы).
Для уменьшения длины дополнительных проводников в этом случае фазы части обмотки, активные проводники выводов которой расположены в слое, соседнем со слоем ближайшей части обмотки, в котором расположены активные проводники, соединенные лобовыми проводниками витковых групп, сдвинуты относительно одноименных фаз упомянутой ближней части обмотки по направлению чередования фаз на q-ю часть фазной зоны обмотки, где q - число пазов на полюс и фазу (п. 4 ф-лы).
Пример конкретного выполнения изобретения иллюстрируют элементы конструкции трехфазной энергоэффективной асинхронной машины с компактными лобовыми частями обмотки, представленные на фиг. 1, 2, 3.
На фиг. 1 показан вид элементов конструкции сердечника статора 1 и сердечника ротора 2, разделенных воздушным зазором 3. Сердечник ротора 2 выполнен без обмотки (машина с массивным ротором). Показана форма активных проводников обмотки 4 статора машины, расположенных в пазах 5 прямоугольной формы. Активные проводники выполнены из провода прямоугольного поперечного сечения. Обмотка 4 - трехфазная волновая. Видно, что в пазах 5 размещены шестнадцать активных проводников. Они расположены в пазах 5 в четыре слоя. При этом два нижних слоя состоят из активных проводников нижней части 6 обмотки 4, расположенной ближе к ярму (спинке) 7 сердечника статора 1, а два верхних слоя, расположенные ближе к воздушному зазору 3, состоят из активных проводников верхней части 8, расположенной ближе к воздушному зазору 3. Т.е. части 6 и 8 обмотки 4 машины разнесены по высоте пазов.
На фиг. 1 показан вид тех пазов из пазов 5, в которых расположены: активные проводники 9 выводов (например, начал) фаз верхней части 8 обмотки 4 и активные проводники 10 таких же выводов (например, начал) одноименных фаз нижней части 6 обмотки 4. Как видно, активные проводники 9 и 10 выводов фаз данной пары частей (частей 6 и 8) обмотки 4 расположены в соседних слоях обмотки 4. При четном количестве частей каждая пара имеет выводы, расположенные в соседних слоях обмотки 4.
Места соединения активных проводников с лобовыми проводниками на фиг. 1 заштрихованы. Видно, что площади соединения одинаковых по высоте и ширине активных проводников с лобовыми проводниками составляют половину площади поперечного сечения активных проводников. Как видно на фиг. 1, верхняя часть 8 и нижняя часть 6 обмотки 4 аналогичны по форме и размерам активных проводников в пазах.
На фиг. 2 показан вид сверху того же выреза активной части асинхронной машины, на котором видны проводники компактных лобовых частей обмотки 4.
На фиг. 2 показаны группы лобовых проводников 11, соединяющие витковые группы одной из фаз верхней части 8 обмотки 4, и группы лобовых проводников 12, соединяющие витковые группы одноименной фазы нижней части 6 обмотки 4. Видны группы лобовых проводников 13, соединяющие активные проводники витков верхней части 8 обмотки 4, и группы лобовых проводников 14, соединяющих активные проводники витков нижней части 6 обмотки 4. Каждая из групп лобовых проводников 11-14 выполнена в виде четырех проводников, например, прямоугольного сечения, расположенных один над другим параллельно плоскости торцевой зоны сердечника 1. Над второй торцевой зоной сердечника статора 1 таким же образом расположены группы лобовых проводников (см. патент RU №2526835, Бюл. №24, 27.08.2014), которые также выполнены в виде четырех проводников, например, прямоугольного сечения, соединяющих активные проводники витков части 6 и 8 обмотки 4.
На фиг. 2 видны также лобовые проводники 15, соединяющие ветви одной из фаз верхней части 8 обмотки 4, и лобовые проводники 16, соединяющие ветви одноименной фазы нижней части 6 обмотки 4. Каждая группа лобовых проводников 15 и 16 выполнена в виде трех проводников, например, прямоугольного сечения, расположенных один над другим параллельно плоскости торцевой зоны сердечника статора (см. патент RU №2526835). При этом активные проводники 9, 10 (см. фиг. 1) соединены дополнительными проводниками 17.
Дополнительными проводниками 17 (см. фиг. 2) соединены активные проводники начал фаз верхней части 8 обмотки 4 с началами фаз нижней части 6 обмотки 4, а также проводники концов фаз верхней части 8 обмотки 4 с концами фаз нижней части 6 обмотки 4. Таким образом, на фиг. 2 одноименные фазы частей 6 и 8 обмотки 4 дополнительными проводниками 17 соединены параллельно и образуют фазы полной обмотки 4 электрической машины. Дополнительные проводники 17 также могут иметь прямоугольное сечение. Этими проводниками 17 соединены одноименные выводы фаз одной пары частей 6 и 8 обмотки, расположенные в соседних слоях обмотки 4 (п. 2 ф-лы) и являются выводами фаз полной обмотки 4 (см. фиг. 3).
Как следует из фиг. 2, при параллельном соединении одноименных фаз частей 6 и 8 обмотки 4 длина дополнительных проводников 17 и потери в них минимальны. Уменьшена и длина активной части машины.
Как следует из рассмотрения фиг. 1 и фиг. 2, лобовые проводники 13-14 частей 6 и 8 обмотки 4 расположены над поверхностями торцевых зон сердечника статора, в частности над торцевыми поверхностями активных проводников, свободных от соединения с лобовыми проводниками (незаштрихованные части сечений активных проводников на фиг. 1). При этом лобовые проводники частей 6, 8 обмотки 4 не пересекаются, что приводит к уменьшению их длины и объема. Как видно на фиг. 2, части 6 и 8 обмотки 4 аналогичны по форме выполнения лобовых проводников.
На фиг. 1 и фиг. 2 активные и лобовые проводники верхней части 8 расположены ближе к воздушному зазору 3 машины, а активные и лобовые проводники нижней 6 части расположены ближе к спинке 7 сердечника статора асинхронной машины. То есть части обмотки 4 пространственно разделены.
Между поверхностями лобовых проводников, свободных от соединения с активными проводниками, и торцевыми поверхностями сердечника статора 1 выполнен небольшой воздушный зазор для лучшего охлаждения машины (см. патент RU №2526835).
Соединения лобовых проводников с активными проводниками могут быть выполнены сваркой или пайкой.
На фиг. 3 показана схема сосредоточенной обмотки статора асинхронной машины с компактными лобовыми частями обмотки.
Эта схема включает две частичные схемы: схему 18 - для части 6 обмотки 4 (см. фиг. 1 и 2) и схему 19 для части 8 обмотки 4. Выводы фаз частей 6 и 8 обмотки 4 статора машины имеют следующие обозначения: в нижней части 6 начало и конец первой фазы на схеме 18 обозначены , , начало и конец второй фазы - , , третьей - , ; в верхней части 8 на схеме 19 начало и конец первой фазы обозначены ,  начало и конец второй - , , третьей - , . Видно, что части 6 и 8 обмотки 4 выполнены по схемам трехфазных четырехполюсных волновых обмоток с диаметральным шагом. То есть верхняя и нижняя части обмотки 4 имеют одинаковое число фаз и полюсов. Обозначения соответствуют технической литературе, например, Вольдек А.И. Электрические машины. - Л., 1978, с. 497.
1
2
1
2
1
2
Как видно сердечник статора имеет 12 пазов, которые пронумерованы в центре рисунка в направлении чередования фаз. Паз фиг. 1, 2 имеет на схеме фиг. 3 нумерацию - 1. Сплошными линиями в пазах обозначены активные проводники верхних слоев частей 6 и 8 обмотки, а пунктиром - активные проводники нижних слоев этих частей обмотки 4. На фиг. 3 показаны лобовые проводники 11 и 12 (лобовые проводники витковых групп), соединяющие витковые группы частей 6 и 8, также лобовые проводники 13 и 14 (лобовые проводники витков), соединяющие активные проводники витков. Показаны лобовые проводники 15, 16, соединяющие ветви фаз обмотки 4, и показаны и лобовые проводники 17, соединяющие одноименные фазы частей 6 и 8 обмотки 4. В частности, лобовой проводник , соединяющий активные проводники 9 и 10 на фиг. 2. Проводники 17 являются выводами фаз полной обмотки статора асинхронной машины. Они имеют следующее обозначения: начало и конец первой фазы обозначены U, U, начало и конец второй - V, V, третьей - W, W.
Возможно и последовательное соединение фаз частей 6 и 8 обмотки 4. В этом случае дополнительные проводники выполнены как соединения между  и , между  и  и между  и . отсутствуют. Вместо проводников 17 одноименные начала и концы фаз частей 6 и 8 обмотки 4 соединены лобовыми проводниками 20. На фиг. 3 показан утолщенной пунктирной линией один из проводников 20, чтобы не загромождать рисунок. В этом случае проводники 20 расположены над тремя лобовыми проводниками группы 15 (см. фиг. 1, 2). То есть и в этом случае лобовые проводники также не пересекаются и компактны.
Таким образом, проводники выводов одноименных фаз частей 6 и 8 соединены дополнительными проводниками так, что они образуют фазы полной обмотки электрической машины.
Для улучшения формы ЭДС фаз машин обычно применяют укорочение шага обмотки. Например, Проектирование электрических машин: Под ред. И.П. Копылова. - М. 1980, с. 75. Это усложняет конструкцию машин с компактными лобовыми частями обмотки. Поэтому в предложенном решении для приближения формы ЭДС фаз машины к синусоидальной одноименные фазы частей обмотки соединены последовательно и сдвинуты вдоль окружности сердечника 1 в пределах фазной зоны (п. 3 ф-лы). Это применимо при выполнении машины с распределенной обмоткой, когда число пазов на полюс и фазу (q) больше единицы.
В машине с распределенной обмоткой 4 (q=2, 24 паза) лобовые части наиболее компактны, если фазы части 8 обмотки, активные проводники выводов 9 которой расположены в слое соседнем со слоем ближайшей части 6 обмотки, в котором расположены активные проводники, соединенные лобовыми проводниками витковых групп 12 (на место 16), сдвинуты относительно одноименных фаз упомянутой ближней части 6 по направлению чередования фаз на q-ю часть фазной зоны обмотки, где q-число пазов на полюс и фазу. Для q=2 фазная зона составляет два паза. Т.е., например, фазу U части 8 сдвигают на один паз относительно фазы U части 6 в сторону чередования фаз. В этом случае на фиг. 3 в части 18 схемы активные проводники выводов расположены в нижнем слое, а активные проводники, соединенные лобовыми проводниками витковых групп 12, - в верхнем слое части 6.
Работает предложенная энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки, например асинхронная машина, следующим образом.
2
2
2
2
1
2
1
2
1
Выводы полных фаз (см. фиг. 3) обмотки 4 статора машины соединяют в звезду (объединяют выводы U, V, W) или в треугольник (соединяют U с V, V с W, W с U). На выводы фаз обмотки 4 подают напряжение трехфазного источника. В каждой из частей 18 и 19 обмотки 4 возникает трехфазная система токов, которая создает вращающееся магнитное поле в сердечниках статора 1 и ротора 2. На проводники ротора 2 действуют силы, создающие вращающий момент. Машина начнет работать в режиме двигателя. При этом за счет уменьшения высоты активных проводников каждой из частей 18 и 19 обмотки 4 уменьшаются потери от вытеснения тока в активных проводниках обмотки статора 4.
Возможна работа предложенной энергоэффективной асинхронной машины с компактными лобовыми частями обмотки в генераторном режиме. В этом случае вращение магнитного поля в магнитопроводе этой машины, созданного токами в обмотке статора 4, происходит медленнее вращения ротора. Скольжение машины при этом отрицательно. При подключении к выводам обмотки 4 электрической машины потребителей электроэнергии переменного тока в ее фазах течет ток и механическая энергия, подводимая к валу электрической машины, преобразуется машиной в электрическую мощность, поступающую к потребителям. При этом также уменьшаются потери от вытеснения тока в активных проводниках обмотки 4.
Таким образом, предложение работоспособно в двигательном и генераторном режимах электрической машины. За счет уменьшения высоты сечения активных проводников (п. 1 ф-лы) уменьшаются потери от вихревых токов и вытеснения тока в этих проводниках. Так как дополнительные проводники имеют минимальную длину (п. 2 ф-лы), уменьшаются и потери в активных сопротивлениях фаз машины. За счет сдвига фаз частей обмотки (п. 3, 4 ф-лы) снижаются потери от высших гармоник фазных токов машины, снижается объем и сопротивление дополнительных проводников для машины с распределенной обмоткой статора. Следовательно, снижаются электрические потери, растет КПД. Положительный эффект изобретения проявляется в большей мере при работе электрических машин большой мощности, выполненных согласно изобретению.
Возможно выполнение энергоэффективной электрической машины в виде синхронной машины с компактными лобовыми частями обмотки якоря, в виде асинхронной машины с фазным ротором с компактными лобовыми частями обмоток статора и ротора, где эффект наибольший, и т.п.
Таким образом, предложенная конструкция энергоэффективной электрической машины с компактными лобовыми частями обмотки существенно снижает электрические потери в машинах большой мощности, что приводит к расширению диапазона применения этой машины в зону машин большой мощности, за счет повышения их КПД при уменьшенной материалоемкости.