МНОГОХОДОВАЯ ПЕТЛЕВАЯ ОБМОТКА ЯКОРЯ ДЛЯ БЕСПАЗОВЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1998 года по МПК H02K3/47 H02K23/30 

Предлагаемое изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано для беспазовых машин постоянного тока (МПТ).

Известны способы уменьшения влияния высших гармонических составляющих магнитного поля в коллекторных электрических МПТ с многоходовыми несимметричными обмотками якоря путем попарного смещения сердечников главных полюсов в сторону расположенного между ними добавочного полюса [1]. Однако этот путь усложняет конструкцию МПТ вследствие необходимости изготовления листов сердечников главных полюсов различной конфигурации, обладает ограниченными возможностями, так как величина смещения сердечников главных полюсов не должна приводить к нарушению условий коммутации коммутируемых секций из-за проникновения поля главных полюсов в зону коммутации, снижает полезную мощность МПТ, так как при смещении сердечников главных полюсов необходимо уменьшать величину полюсной дуги главных полюсов из-за возможности проникновения поля главных полюсов в зону коммутации. Известны также рекомендации, разработанные в [2], о наиболее благоприятных сочетаниях параметров трехходовых петлевых обмоток якоря для МПТ с зубчатыми якорями, обеспечивающие снижение пульсаций напряжения между соседними коллекторными пластинами, обусловленных наличием высших гармонических составляющих магнитного поля главных полюсов. В [2] показано, что это достигается при отношении числа пазов z к числу пар полюсов p z/p = нечетному числу, сокращении шага секции ε = 0 и числе коллекторных пластин на паз к/z = u_п = 2 или 4, а при сокращении шага секции ε = 0,3 отношение к/z = 5, где ε - сокращение шага секции, выраженное в коллекторных делениях. Однако при рекомендации непригодны для беспазовых МПТ, так как для этих машин, как правило, с целью снижения величины немагнитного зазора между якорем и полюсами магнитной системы обмотка якоря выполняется однослойной, а в МПТ с зубчатыми якорями обмотки выполняются двухслойными.

В качестве прототипа выбрана рассматриваемая в [3] однослойная пятиходовая обмотка якоря, содержащая секции, стороны которых распределены по поверхности сердечника якоря в виде чередующегося ряда полукатушечных групп на 2p полюсных делениях в количестве 2z с периодом π/Z и включающих u_п сторон указанных секций. Для тягового электродвигателя рассматривается пятиходовая петлевая обмотка, содержащая пять сторон секции (u_п = 5) в полукатушечной группе (сгруппированные катушки). Особенностью этой обмотки является то, что полукатушечные группы, содержащие прямые стороны секций, отходящие от коллекторных пластин, чередуются с полукатушечными группами, содержащими обратные стороны секций и принадлежащими секциям других параллельных ветвей, образуя так называемые "условные пазы", так как при выполнении якоря зубчатым вышеуказанные полукатушечные группы располагались бы в одном и том же пазу, причем полукатушечные группы с прямыми сторонами находились бы в верхней части паза, а полукатушечные группы с обратными сторонами - в нижней. В данном же случае пять прямых сторон секций одной полукатушечной группы и пять обратных сторон следующей полукатушечной группы образуют совместно "условный паз". Как следует из текста статьи [3], данный тяговый двигатель выполнен четырехполюсным, 2p = 4 и имеет 230 катушек, т. е. при u_п = 5z = 46. Таким образом при u_п = 5 для данного двигателя имеет место отношение z/p = нечетному числу, z/p = 23, причем возможно выполнение секций обмотки как с диаметральным, так и с удлиненным или сокращенным шагами. К недостаткам предложенного в [3] варианта многоходовой обмотки якоря, во-первых, относится тот факт, что в этой обмотке при выбранных параметрах (z/p = нечетному числу) порядок опасной гармоники, определяющий частоту пульсаций напряжения между соседними коллекторными пластинами, составляет низкую величину и находится по формуле ν = z/mp ± n/m, n < m и составляет ν =3.При наличии в кривой распределения индукции магнитного поля гармонических составляющих, порядок которой совпадает с порядком опасной гармоники, определенной выше, между соседними коллекторными пластинами возникают повышенные пульсации напряжения. Для рассматриваемой обмотки якоря, выполненной с u_п = 5, имеет место неравномерность распределения напряжения между соседними коллекторными пластинами, обусловленная чередованием прямых и обратных сторон секций обмотки якоря. Наибольшее напряжение u_max будет между коллекторными пластинами, к которым подсоединены прямая сторона последней секции рассматриваемой полукатушечной группы и прямая сторона первой секции следующей за указанной полукатушечной группы, так как ЭДС в этих секциях сдвинуты на угол α′, превышающий в (u_п + 1 + 2 Δ_*) раз угол между соседними сторонами секций α_c, находящимися в одной и той же полукатушечной группе α′ = 360 (u_п + 1 + 2Δ_*)•α_c, и, следовательно, величина ЭДС этих секций будет существенно отличаться. Угол α_c может быть выражен через угол α_z, соответствующий "зубцовому делению", т. е. угол между соседними полукатушечными группами, образованными прямыми сторонами секций, α_c = α_z/2(u_п + Δ_*), причем α_z = 360/(z/p), а Δ_* - относительная толщина прокладки между соседними полукатушечными группами, которая может быть выражена через угол α_c, Δ_* = (α_п-α_c)/α_c. Здесь α_п - угол между сторонами последней секции в полукатушечной группе и первой секции в следующей за указанной выше полукатушечной группе. Недостатком этой обмотки является также невозможность установки уравнителей 2-го рода, так как эта обмотка выполнена с нечетным отношением числа коллекторных пластин к числу пар полюсов (к/p = 230/2 = 115), что ухудшает условия работы щеточного контакта.

В предлагаемом техническом решении с целью снижения величины пульсаций между соседними коллекторными пластинами и величины небалансной ЭДС параллельных ветвей, принадлежащих различным ходам обмотки, для беспазовых МПТ рекомендуется использовать однослойные многоходовые обмотки с нечетным числом ходов m = 3, 5 и т. д. при четном отношении z/p, но не кратном m, т. е. отношение z/p не должно быть равно λ•m, где λ - целое положительное число, и четном числе сторон секций в полукатушечной группе u_п = 2,4 и т. д., а секции обмотки якоря выполняются в этом случае ступенчатыми, причем одна половина секций из общего числа u_п секций рассматриваемой полукатушечной группы имеет укороченный шаг У_ук, а другая половина секций, образующих следующих за первой вторую половину секций данной полукатушечной группы, удлиненный У_уд на такую же величину, на которую сокращен шаг первой половины группы секций, т. е. |ε_к| = |ε_д|.При этом необходимо отметить, что поскольку для беспазовых МПТ, как правило, обмотка якоря выполняется однослойной, то нецелесообразно применять многоходовые обмотки с большим числом ходов и большим числом сторон секций в полукатушечной группе, а предпочтительными являются нечетные числа ходов, не превышающие 5, и четные числа сторон секций в полукатушечной группе, не превышающие 4 (6). В однослойной многоходовой петлевой обмотке с предлагаемым сочетанием параметров порядок опасной гармоники за счет выполнения обмотки со ступенчатыми секциями удваивается ν = 2z/mp + n/m, n < m, и, следовательно, снижается величина пульсаций напряжения между соседними коллекторными пластинами, так как с повышением порядка гармоники величина амплитуды гармонической составляющей индукции в кривой распределения индукции в немагнитном зазоре снижается. Выполнение обмотки с отношением z/p - четному числу дает возможность ввести небольшое сокращение шага секций ε_к = - u_п/4 для одной (первой) половины из общего числа секций полукатушечной группы, состоящей из прямых сторон секций (шаг секций У_ук = к/2p - u_п/4) и небольшое удлинение шага ε_д = + u_п/4 для другой (второй) половины секций этой же полукатушечной группы (шаг секций У_уд = к/2p + u_п/4). В случае равенства отношения z/p нечетному числу сокращение или удлинение шага секций приходится принимать большим из-за того, что на расстоянии у = τ расположены обратные стороны секций. Для многоходовой обмотки с предлагаемыми параметрами z/p, u_п, ε обеспечивается также более равномерное распределение напряжения между соседними коллекторными пластинами за счет выполнения секций обмотки якоря ступенчатыми. Кроме того в предлагаемой обмотке всегда обеспечивается возможность установки уравнителей второго рода, так как отношение z/p в них выбирается четным, то потенциальный шаг по коллектору У_п = к/p является четным числом, поскольку к = zu_п и, следовательно, У_п = (zu_п)/p. Уравнители 2-го рода соединяют коллекторные пластины, принадлежащие различным ходам обмотки, и таким образом способствует уменьшению пульсаций напряжений между смежными коллекторными пластинами и выравниванию распределения напряжения по коллекторным пластинам.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1) и схемой обмотки якоря с порядком подсоединения проводников к коллектору на двойном полюсном делении (фиг. 2). На фиг. 1 принята сквозная нумерация как полукатушечных групп от 1 до 2-й, так и проводников прямых сторон секций, отмеченных номером с одним штрихом вверху (1', 2', ..., 2z'), и обратных сторон секций, обозначенных номером с двумя штрихами вверху (1'', 2'', ... , 2z''). На фиг. 2 проводники полукатушечных групп, образованных прямыми сторонами секций, изображены сплошными линиями и отмечены, как уже указывалось выше, номером со штрихом вверху, а проводники полукатушечных групп, образованных обратными сторонами секций, пунктирными линиями и номером с двумя штрихами вверху. Для многоходовых петлевых обмоток, изображенных на фиг. 1 и на фиг. 2, номера проводников, входящих в полукатушечную группу с нечетным номером, например, 1, 3,...,3 образованную прямыми сторонами секций, совпадают с номерами проводников, входящих в полукатушечную группу с четным номером, например, 2, 4,. .., следующую за вышеназванной и образованную обратными сторонами секций, но отличаются количеством штрихов.

На фиг. 1 представлена развернутая схема расположения на поверхности сердечника якоря 2z полукатушечных групп многоходовой петлевой однослойной обмотки с двумя секциями в катушечной группе (u_п = 2) на 2p полюсных делениях для четного отношения z/p, так что на расстоянии каждого полюсного деления τ расположены нечетные по порядковому номеру (1, z/p+1, 2z/p+1 и т.д.) полукатушечные группы, состоящие из прямых сторон секций, а ее первые проводники (1', (z/p+1)', (2z/p+1)' и т.д.) расположены симметрично относительно нейтральной оси соответствующих полюсных делений. Проводники обмотки якоря распределены по поверхности сердечника якоря в виде чередующегося ряда полукатушечных групп, содержащих по u_п секций в каждой, с периодом π/Z. На фиг. 2 представлена схема многоходовой петлевой обмотки с числом ходов m, содержащая по две стороны секции в каждой полукатушечной группе u_п = 2, причем первые секции, входящие в полукатушечные группы образованными прямыми сторонами секций, выполнены с сокращенным шагом У_ук, а вторые - с удлиненным У_уд. Так, например, проводники секции 1 занимают соответственно положение: проводник 1' расположен на оси нейтральной зоны, а проводник (к/2p)" (обратная сторона секции) смещен влево от нейтральной оси, отделяющей следующее полюсное деление на расстояние, выраженное в коллекторных делениях ε_к = -u_п/4 таким образом, что шаг секции 1 составляет У_ук = к/2p - 1/2 и в данном случае сокращен на 0,5 коллекторных деления, ε_к = - 0,5. Вторая секция 2 (проводники 2', (к/2p + 1)") этого же "условного паза" выполнена с удлиненным шагом У_уд и ее обратный проводник (к/2p+1)" смещен вправо от нейтральной оси, отделяющей следующее полюсное деление на расстояние, также выраженное в коллекторных делениях, соответственно ε_д = u_п/4. Шаг секции 2 выражается формулой У_уд = к/2p + 1/2 и в данном случае увеличен на 0,5 коллекторных деления.

При вращении обмотки якоря в магнитном поле, создаваемом обмоткой возбуждения МПТ в проводниках обмотки якоря, образующих параллельные ветви одних и тех же ходов, индуцируются ЭДС, векторным сложением которых находим ЭДС параллельных ветвей различных ходов обмотки. Вследствие несимметричности выполнения многоходовых обмоток якоря МПТ, так как для них не выполняется условие симметрии 2p/a не равно целому числу, и вследствие несинусоидальности формы распределения индукции магнитного поля в воздушном зазоре ЭДС различных параллельных ветвей отличаются по величине как по первой гармонике, так и по гармоникам более высокого порядка, содержащихся в кривой распределения индукции B = f(x/τ), где x - текущая координата, τ - полюсное деление, причем может иметь место опасная гармоника, период которой совпадает с периодичностью расположения проводников одного хода обмотки. Гармонический состав кривой распределения индукции в немагнитном зазоре беспазовых МПТ зависит от многих факторов. В частности, гармонический спектр B = f(x/τ) определяется формой немагнитного зазора, неравномерным насыщением отдельных участков магнитной цепи МПТ и ее несимметрией. Как правило, амплитуда гармоник с повышением ее порядка убывает. Однако у гармоник низкого порядка (3, 5, 7) эта закономерность может не соблюдаться. В процентном отношении к амплитуде первой гармоники амплитуды гармоник более высокого порядка изменяются от 10-15% для 3-й, 5-й и 7-й гармоник до 0,1-0,5% для 17-й гармоники и выше. Таким образом величина небалансной ЭДС определяется не только первой гармоникой, но гармониками более высокого порядка. Кроме того при вращении обмотки якоря между соседними коллекторными пластинами возникает пульсирующее напряжение, порядок и амплитуда которого зависит от гармонического состава кривой B = f(x/τ) и размещения проводников обмотки якоря на сердечнике якоря. При неблагоприятном расположении проводников обмотки якоря может иметь место также неравномерность распределения напряжения по коллекторным пластинам. Эти явления приводят к ухудшению эксплуатационных качеств МПТ, снижению полезной мощности, к возникновению "зебристости" коллектора. В однослойных многоходовых петлевых обмотках с предлагаемым сочетанием параметров z/p, m, u_п, У_ук, У_уд, |ε_к| = |ε_д| эти неблагоприятные факторы в значительной степени ослабляются, так как выбор z/p = четному числу повышает вдвое порядок опасной гармоники и позволяет принять небольшие величины сокращения и удлинения шага секций, а выбор одинакового числа секций, расположенных в одном и том же "условном пазу", имеющих сокращенный и удлиненный шаги соответственно, способствует снижению небалансной ЭДС и более равномерному распределению напряжения между коллекторными пластинами.

В заключение можно сформулировать основные преимущества предлагаемых обмоток: 1. Применение однослойных многоходовых обмоток для беспазовых МПТ с отношением z/p = четному числу и u_п = 2,4 сокращает затраты на ее изготовление за счет сокращения расхода изоляционных материалов. 2. Повышается надежность работы МПТ путем снижения величины максимального напряжения между соседними коллекторными пластинами и более равномерного его распределения между коллекторными пластинами, подсоединенными к секциям разных ходов обмоток. 3. Уменьшается величина уравнительного тока через щетки, обусловленного небалансной ЭДС различных параллельных ветвей, принадлежащих разным ходам обмотки, и следовательно, увеличивается срок службы коллектора и щеток, а также их износ. 4. Несколько повышается КПД МПТ за счет снижения добавочных потерь, обусловленных протеканием уравнительных токов в обмотке якоря. 5. В многоходовых обмотках с предлагаемыми параметрами обеспечивается возможность установки уравнителей 2-го рода, так как для них выполняется условие z/p = четному числу, а следовательно, и к/p = четному числу, что дает возможность выравнивать ЭДС параллельных ветвей различных ходов. Влияние магнитной несимметрии для беспазовых МПТ вследствие большой величины немагнитного зазора проявляется в меньшей степени, поэтому в установке уравнителей 1-го рода нет острой необходимости.

В [3] также рассмотрен вариант пятиходовой обмотки, полукатушечные группы которых содержат по одной стороне секций (u_п = 1) (распределенные катушки). В этом случае также отношение z и p является нечетным числом z/p = 115, а следовательно, и отношение к/p равно нечетному числу и возможность установки уравнителей 2-го рода в данном случае отсутствует. Кроме того для выполнения этого варианта пятиходовой обмотки якоря требуется повышенный расход изоляционных материалов, обусловленный необходимостью установки большого количества прокладок между прямыми и обратными сторонами секций, находящихся под полным напряжением МПТ.

Использование: многоходовая петлевая обмотка якоря для беспазовых машин постоянного тока средней и большой мощности с однослойными обмотками. Сущность: многоходовая петлевая обмотка якоря с числом ходов m выполнена в виде 2z полукатушечных групп, содержащих u_п сторон секций в каждой, расположенных на 2р полюсных делениях поверхности сердечника якоря. Для снижения величины пульсации напряжения между соседними коллекторными пластинами и величины небалансной ЭДС параллельных ветвей, принадлежащих различным ходам обмотки, отношение числа полукатушечных групп 2z к числу полюсных делений 2р выбирают четным ( z/р - четное число), не кратным m, число ходов нечетным, предпочтительно m = 3,5, а число сторон секций в полукатушечных группах четным, но не более u_п = 4 (6). Секции обмотки якоря выполняются ступенчатыми, так что одна половина входящих в катушечную группу секций имеет укороченный шаг, а другая удлиненный. Технический результат: улучшение коммутации. 2 ил.

Многоходовая петлевая обмотка якоря для беспазовых машин постоянного тока, содержащая m ходов и состоящая из секций, стороны которых расположены на сердечнике якоря в виде однослойного ряда полукатушечных групп на 2p полюсных делениях в количестве 2z с периодом чередования π/z, образованных из u_п прямых или обратных сторон указанных секций, отличающаяся тем, что обмотка якоря выполняется с нечетным числом ходов, предпочтительно m = 3,5, причем отношение числа полукатушечных групп к числу полюсных делений z/p равно четному числу, не кратному m, т.е. z/p не равно λ•m, а каждая полукатушечная группа образована из четного числа сторон секций, предпочтительно по u_п = 2 или 4 стороны в каждой, таким образом, что первая половина секций полукатушечной группы, образованной следующими друг за другом их прямыми сторонами, выполнена с сокращенным на ε_к = -u_п/4 шагом
У_ук = к/2p - u_п/4,
а вторая половина секций этой же полукатушечной группы с удлиненным на ε_д = u_п/4 шагом
У_уд = к/2p + u_п/4,
где m - число ходов обмотки;
p - число пар полюсов машины;
z - число катушечных групп обмотки якоря ("условных пазов");
u_п - число секций в катушечной группе;
к - число коллекторных пластин;
У_ук, У_уд - шаги укороченных и удлиненных секций обмотки якоря, выраженные в коллекторных делениях;
ε_к,ε_д - величина сокращения или удлинения шагов секций обмотки якоря по отношению к диаметральному шагу, выраженная в коллекторных делениях.