ТРЕХФАЗНАЯ ДРОБНАЯ (Q=4/5) ОБМОТКА СТАТОРА Российский патент 1997 года по МПК H02K3/28 

Изобретение относится к обмоткам электрических машин переменного тока и может использоваться на статоре трехфазных асинхронных и синхронных машин.

Известным m= 3-фазные обмотки, выполняемые двухслойными, 2m=6-зонными с числом q=z/2pm=z/6 пазов (z) на полюс (2p) и фазу (m) целым или дробным [1, 2] Трехфазные обмотки с дробным числом q (дробные обмотки), представляемым в виде
q=z/6p=b+c/d=N/d, (1)
могут выполняться с q<1 (при b=0 и N=c<d) и с q>1 (при b≠0 и N>d), при этом для получения обмотки симметричной должны соблюдаться условия: 2p/d целое число, а d/3 не целое число, где b, c, d, N целые числа и c/d правильная несократимая дробь.

Недостатком дробных обмоток (особенно с q < 1) является высокое содержание гармонических в кривой МДС, что увеличивает их дифференциальное рассеяние и ухудшает показатели электрических машин с такими обмотками.

Наиболее близкой к предлагаемой является трехфазная дробная обмотка с q= 6/5 при 2p= 10 полюсах и z=36 пазах, выполняемая двухслойной с неравновитковыми катушками и характеризуемая пониженным содержанием гармонических в кривой МДС [4]
В настоящем изобретении ставится задача снижения дифференциального рассеяния трехфазной дробной обмотки с q=4/5<1.

Поставленная задача решается тем, что для трехфазной дробной (q=4/5) обмотки статора, выполненной двухслойной с числом полюсов 2p=10 в z=24 пазах из К=24 катушек с шагом по пазам у_п и с номерами от 1К до 24К, соединенных в фазах последовательно при сопряжении фаз звездой или треугольником, в первой фазе включены катушки с номерами 1К, -3К, -8К, 10К, -13К, 15К, 20К, -22К, а для двух других фаз их номера чередуются с интервалами в восемь и в шестнадцать катушек, при этом числа витков равны по (1+x)W_к для катушек 1К, 2К, по (1-x)W_к для катушек 3К, 4К и указанные пары неравновитковых катушек чередуются друг с другом в последующих парах катушек, где у_п=2; знак минус перед номером катушки означает ее встречное включение в фазе; 2W_к число витков в каждом пазу, а значение параметра x выбирается в пределах 0,20 ≅x≅0,30.

На фиг.1 показана развертка пазовых слоев предлагаемой обмотки с неравновитковыми катушками при q=4/5, 2p=10 полюсах и z=24 пазах с разметкой номеров пазов (снизу), катушек (сверху) и фазных зон; на фиг.2 и 3 построены звезды пазовых ЭДС верхнего слоя первой фазы для полюсностей p'=1 (фиг.2) и p= 5 (фиг.3); на фиг.4 и 5 многоугольники МДС обмотки фиг.1 при катушках равновитковых (фиг.4) и неравновитковых (фиг.5).

Предлагаемая трехфазная двухслойная обмотка при 2p= 10 и z=24 имеет дробное число пазов на полюс и фазу q=N/d=4/5 при полюсном делении τ_п3q=2,4 и выполняется из К=24 катушек (с номерами от 1К до 24К) с их шагом по пазам у_п= 2. В соответствии с выражением (1) из каждых N=4 соседних катушек образуются d=5 катушек, поэтому катушки обмотки с q=4/5 и 2p=10 группируются [1] по ряду 1 0 1 1 1, повторяемому 6 раз, и тогда формирование такой обмотки можно представить в виде таблицы, где фазные зоны обозначены как A-X, B-Y, C-Z, чередуются в последовательности A-Z-B-X-C-Y и нулевые элементы группировки вычеркиваются. Таблица дает порядок чередования по пазам фазных зон и из нее видно, что первая фаза содержит катушки (и пазы) с номерами 1К, 10К, 15К, 20К зон A, 3К, 8К, 13К, 22К зон X и катушки зон X должны включаться в фазе встречно относительно катушек зон X.

Известно [2] что m= 3-фазные, 2m=6-зонные дробные обмотки содержат в кривой МДС гармонические порядков
ν = 6•k/d±1, (2)
где k любое положительное или отрицательное число (включая k=0), при котором ν > 0;
d знаменатель дробности числа q по (1);
знаки (+) и (-) относятся соответственно к прямо и встречно вращающимся гармоническим.

Для предлагаемой обмотки с d= 5 в соответствии с (2) имеем ν6•k/5±1, откуда получаем: при k=0-ν=1 основная гармоническая с числом полюсов 2p=10; при k=1-ν=6/5=1=1/5 низшая дробная гармоническая (обратная) с числом полюсов 2p'=n2p=2 (остальные гармонические здесь не рассматриваем). Такая низшая (n= 1/5) гармоническая оказывает наибольшее влияние на МДС обмотки и увеличивает ее дифференциальное рассеяние, поэтому определим условия ее устранения. Угол сдвига пазов обмотки по фиг.1 равен: для основной гармонической (ν=1)-α=(360^°/z)•p=α•p=75^°, гдеα'=360^°/z=15^°; для низшей гармонической (ν=1/5) - α_ν=(ν•p)α′=15^°=α′_. Звезды пазовых ЭДС одного (верхнего) слоя фазы обмотки по фиг.1 с неравновитковыми катушками построены для ν=1/5 (p'=1) на фиг. 2 и для n=1 (p=5) на фиг.3, где размечены фазные зоны A и X. Путем вычисления проекций векторов пазовых ЭДС на ось их симметрии по фиг.2 и 3 вычисляются коэффициенты распределения К_р, после умножения которых на коэффициенты укорочения К_у определяются обмоточные коэффициенты К_об:
для ν=1 (фиг. 3) К_об=К_рК_у=[(1-x)•cos7,5^o +(1+x)•cos22,5^o]•К_у/2=0,92503
x•0,032631; (3)
для ν=1/5 (фиг.2)
где К_у=sin(p•2/4,8) для n=1 и K_yν=sin(π•2/5•4,8) для n=1/5.

Из (3)-(4) видно, что для известной обмотки с равновитковыми катушками (x= 0) имеем для ν= 1 К_об=0,9250, для n=1/5 - K_обν=0,05314 и МДС E_ν этой гармонической составляет от МДС F₁ основной гармонической величину F_ν/ F₁=K_обν/ K_об•ν=5,05314/0,9250=0,2873, т. е. такая гармоническая очень сильно выражена в МДС обмотки. Для ее полного устранения из условия K_обν=0 по (4) получаем x 0,349.

Процентное содержание всех (низших и высших) гармонических в кривой МДС обмотки оценим с помощью коэффициента дифференциального рассеяния d_д%, определяемого выражениями [3]

где R2д

квадрат среднего радиуса q•d пазовых точек одной повторяющейся части многоугольника МДС; R радиус окружности для основной гармонической МДС с обмоточным коэффициентом К_об.

На фиг. 4 и 5 с помощью вспомогательной треугольной сетки построены многоугольники МДС обмотки по фиг.1, где числу витков W_к соответствуют 2 стороны сетки при катушках равновитковых (x=0; фиг.4) и 2,5 стороны сетки при катушках неравновитковых (x=0,2; фиг.5). По многоугольникам МДС (с помощью теоремы косинусов) и выражениями (5) определяем:
при x= 0 (фиг.4) -R21

= 3•2²=12 (пазовые точки многоугольника 1, 3, 4), R22= 2²=4 (пазовая точка 2) и R2д (3•12+4)/(4•2²)= 2,5 (при (q•d=4); R= (24•0,9250/5 π) и d_д%25,162;
при x= 0,2 (фиг.5) -R21[(1+x)²+(1-x)²+(1-x²)]•2,5²=(3+x²)•2,5² (пазовые точки 1 и 3), R22(1+x)²•2,5² (пазовая точка 2), R243(1-x)²•2,5² (пазовая точка 4) и R2д =2,5-x+1,5•x²=2,36; для x=0,2 по (3) К_об=0,9185, тогда R= (24•0,9185/5 π ) и d_д%19,83, т.е. дифференциальное рассеяние снижается при x= 0,20 в 25,162/19,83=1,27 раза, что показывает эффективность предложенной обмотки.

Если в выражения (5) подставлять значение R2д

2,5-x+1,5•x² и значение К_об из (3), то получим функцию δ_д%f(x), которую можно исследовать на минимум и тогда из условия d(б_д)/d(x)= 0 определяется значение x≈0,24, при котором дифференциальное рассеяние обмотки по фиг.1 минимально; для x=0,25 получаем δ_д%19,42.

Таким образом, предлагаемая дробная обмотка имеет пониженное дифференциальное рассеяние (в 1,3 раза при x=0,25), что показывает ее эффективность, и применение такой обмотки существенно улучшает энергетические и виброакустические показатели электрической машины из-за улучшения гармонического состава поля обмотки.

Использование: многополюсные машины переменного тока. Сущность изобретения: обмотка выполнена двухслойной с числом полюсов 2p=10 из К=24 катушек с номерами от 1К до 24К, в первую фазу включены катушки с номерами 1К, -3К, -8К, 10К, -13К, 15К, 20К, -22К, вторая и третья фаза составлены аналогично первой, числа витков последовательных пар катушек чередуются по (1+x)W_к и по (1-x)W_к, 2W_к - число витков в пазу, а 0,2≥x≥0,3. Технический результат: снижение дифференциального рассеяния. 5 ил., 1 табл.

Трехфазная дробная (q 4/5) обмотка статора, выполненная двухслойной с числом полюсов 2p 10 в z 24 пазах из К 24 катушек с шагом по пазам y_п и с номерами от 1К до 24К, соединенных в фазах последовательно при сопряжении фаз звездой или треугольником, отличающаяся тем, что в первой фазе включены катушки с номерами 1К, -3К, -8К, 10К, -13К, 15К, 20К, -22К, а для двух других фаз их номера чередуются с интервалами в восемь и в шестнадцать катушек, при этом числа витков равны по (1 + х)W_к для катушек 1К, 2К, по (1 x)W_к для катушек 3 К, 4К и указанные пары неравновитковых катушек чередуются друг с другом в последующих парах катушек, где y_п 2, знак минус перед номером катушки означает ее встречное включение в фазе относительно катушки без этого знака, 2 W_к число витков в каждом пазу, а значение параметра x выбирается в пределах 0,2 ≥ x ≥ 0,3.