МНОГОПОЛЮСНАЯ ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2000 года по МПК H02K3/28 H02K17/14 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству многополюсных обмоток электрических машин переменного тока, и может быть использовано при изготовлении обмоток асинхронных и синхронных двигателей и генераторов, в том числе и однофазных малой мощности.

Известные многополюсные обмотки электрических машин, как правило, выполняются с малым числом катушек на полюс и фазу q, что объясняется ограниченным количеством пазов статора, в которых размещается многополюсная обмотка. Обмотка генерирует кроме основной и гармонические составляющие магнитного поля. При выполнении обмоток однослойными с числом катушек на полюс и фазу, стремящимся к единице q ---> 1, высшие гармонические магнитного поля, а также ЭДС и токов практически не ослабляются [Гармоники в электрических системах: Пер. с англ. / Дж. Арриллага, Д. Брэдли, П. Боджер. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с., с. 101 -108 и с. 115 -117].

Гармоники поля, напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в обмотке электрической машины, а также в других активных элементах электрических машин (магнитопроводы, обмотки ротора и пр.), в которых использована обмотка.

При выполнении обмоток однослойными, сосредоточенными улучшение гармонического состава магнитного поля, созданного обмоткой, возможно лишь увеличением числа катушек на полюс и фазу q.

Известны многополюсные обмотки электрических машин, которые применяются в однофазных электрических машинах, например асинхронных, выполненные с числом катушек N = mp₀q. При проектировании обмоток машин данного класса особенно остро стоят проблемы снижения асинхронных, синхронных и пульсирующих электромагнитных моментов, создаваемых высшими гармоническими магнитного поля [Однофазные асинхронные двигатели единых серий общего применения/ Е.С. Абрамян, К.А. Алиханян, В.И. Бернатович и др. // Электротехническая промышленность. Серия 01. Электрические машины. Выпуск 29. - М.: Информэлектро, 1990. - 80 с., с. 9-14]. При питании от однофазной сети обмотка генерирует значительно большее число гармонических магнитного поля, чем при симметричном питании. Но выбор средств снижения высших гармонических поля для однослойных обмоток ограничен увеличением числа катушек на полюс и фазу.

Известна также многополюсная обмотка, применяемая в электрических двигателях для стиральных машин, обеспечивающие низкие частоты вращения [Лепаев Д. А. Справочник слесаря по ремонту бытовых электроприборов и машин. - М.: Легкая индустрия, 1980. - 231 с., с. 156 -163, с. 171, рис. 104]. Многополюсная обмотка, обеспечивающая низкие частоты вращения, выполнена однослойной с малым числом катушек q на полюс и фазу и с числом катушек N = mp₀q. Эта обмотка является прототипом.

Недостатками этой обмотки остаются низкие фильтрующие свойства, присущие всем однослойным обмоткам с малым числом катушек на полюс и фазу. Фильтрующие свойства обмоток являются одним из важнейших показателей обмоток и оцениваются обмоточными коэффициентами для высших гармонических и их отношением к обмоточному коэффициенту по первой гармонике, которые и определяют содержание высших гармоник магнитного поля, ЭДС и токов [Попов Д.А. Фильтрующие свойства якорных обмоток переменного тока // Электричество, 1976. - N 12, с. 28 - 32].

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание многополюсной обмотки электрической машины, которая имеет высокие фильтрующие свойства, обеспечивающие малое содержание высших гармоник магнитного поля, ЭДС и токов.

Это достигается тем, что многополюсная обмотка электрической машины, выполненная m-фазной, однослойной с числом пар полюсов p₀ > 2 с числом катушек q на полюс и фазу, при этом число катушек N обмотки равно N = mp₀q. Каждая фаза обмотки выполнена из нескольких частей К равных
К = 2 - p₀,
при этом К - число четное, в каждой из частей катушки включены согласно, образуя катушечную группу, а в каждой фазе обмотки катушки последующей части включены встречно по отношению к катушкам предыдущей части, образуя число пар полюсов обмотки равное
p = p₀ - К/2.

У многополюсной обмотки электрической машины может быть при p₀ числе четном число катушек в каждой из частей Ni, где i = 1 - К, в каждой фазе обмотки одинаково и равно
N_i = N/K.

У многополюсной обмотки электрической машины может быть при p₀ числе четном число катушек в каждой из частей N_i в каждой фазе обмотки разное при условии

У многополюсной обмотки электрической машины может быть i-я часть фаз обмотки, представляющая собой катушечную группу, снабжена выводами начал и концов с возможностью выполнения любого числа К = 2 - p₀, где К - число четное.

На фиг. 1 - 3 изображены многополюсные однослойные обмотки электрических машин; на фиг. 4 - схема фазы обмотки с изменяемым числом частей.

Многополюсная обмотка электрической машины конструктивно выполнена m-фазной: двухфазной (фиг. 1 и 3), трехфазной (фиг. 2), однослойной с числом пар полюсов 1 - 6 (фиг. 1, 3, 4) и 1 - 4 (фиг. 2) p₀ > 2. Число катушек на полюс и фазу q = 1 (фиг. 1-3) и число катушек N соответственно для m = 2 и m = 3 равно
N'= mp₀q = 2•6•1 = 12 и N'' = mp₀q = 3•4•1 = 12.

Каждая фаза обмотки выполнена из нескольких частей К, значения которого определяются соотношением
К = 2 - p₀,
при этом значение К четное.

Так, схемы обмоток на фиг. 1 - 3 содержат в каждой фазе по К = 2 - частей 7 и 8 (отмечены части только первых фаз). Схема обмотки на фиг. 4 содержит изменяемое число частей 7 и 8 при К = 2 и 7, 8, 9, 10 при К=4.

В каждой из частей 7-10 катушки, если их больше двух, включены согласно, образуя катушечную группу. В каждой фазе обмотки катушки последующей части включены встречно по отношению к катушкам предыдущей части: катушки части 8 встречно катушкам части 7 (фиг. 1 - 3); катушки части 8 - встречно катушкам части 7, катушки части 9 - встречно катушке части 8, катушка части 10 - встречно катушкам части 9 (фиг. 4) при К = 4.

При этом в электромагнитном отношении число пар полюсов p определено конструктивным числом пар полюсов p₀ и числом частей фаз обмотки К:
p = p₀-К/2.

Число пар полюсов p для двухфазной обмотки с числом пар полюсов p₀ = 6 (фиг. 1, 3) и числом частей К = 2 фаз обмотки равно
p = 6 - 2/2 = 5,
а для К = 4 (фиг. 4)
p = 6-4/2 = 4.

Число катушек N_i в каждой из частей фаз обмотки 7, 8 (фиг. 1, 2), где i = 1 - К и равно i = 1 - 2, одинаково
N₁ = N₂ = N/K = 12/2 = 6.

Различное число катушек в частях фаз обмотки 7, 8 (фиг. 3) и 7-10 (фиг. 4) не изменяет полюсность p, которая зависит от изменения лишь числа частей К. При этом должно выполняться условие

Так, при N₁ = 4 и N₂ = 2 (фиг. 3, б) общее число катушек N = 6. При N₁ = 2, N₂ = 1, N₃ = 2 и N₄ = 1 (фиг. 4 для К = 4) общее число N = 6.

Для возможности выполнения двух значений К, равных 2 и 4 (фиг. 4), 1-я часть 7, 2-я часть 8 и 3-я часть 9 фазы обмотки выполняются с отдельными выводами начал и концов. Изменение числа частей выполнено с помощью ключей 11, 12.

Матричное уравнение вида
e_m = c_m • Z_m
позволяет рассчитать результирующие значения ЭДС e_m в фазе m от ν-й гармоники поля и определить обмоточный коэффициент для гармоники ЭДС и магнитного поля создаваемого обмоткой

где с_m - матричное описание обмоток (фиг. 1,а, 2,а. 3,а), Z_m - матричное представление звезд пазовых ЭДС (фиг. 1,б и 2,б) в виде столбцовых матриц, элемент которой содержит координату положения α_νr, равную
α_νr = α₀•ν(Z_r-1),
где Z_r = 1 - Z, Z = 2N - число активных проводников катушек обмотки и α₀ равно

При выполнении обмотки без разделения на части число полюсов обмотки p = p₀ и однослойные обмотки (фиг. 1 - 3) имеют шаг y = τ₀, т.е. диаметральный, а при q = 1 - обмотка сосредоточенная и обмоточные коэффициенты равны для любой ν-й гармоники единице:
k_об1 = k_об3 = k_об5 = k_об7 = 1.

Такая обмотка не ослабляет высшие гармоники поля, ЭДС и соответственно токов высших гармонических.

При разделении обмотки на две равные части (фиг. 1 и 2), т.е. К = 2 и N₁ = N₂, появляется эффект укорочения обмотки τ = Z/2p и β = y/τ, где y = τ₀.
Так, для m = 2 (фиг. 1)
P = P₀ - K/2 = 6 - 1 = 5; ν = τ₀ = 24/12 = 2; τ = 24/10 = 2.4 и β = 2/2.4 = 0.833,
а для m = 3 (фиг. 2)
p = 4-1 = 3; y = τ₀ = 24/8 = 3; τ = 24/6 = 4 и β = 3/4 = 0,75.
В результате обмоточные коэффициенты для высших гармоник k_обv резко снижаются, повышая фильтрующие свойства обмотки (фиг. 1,б и 2,б):
при m = 2; Z = 12; y = τ₀ = 2; p₀ = 6
K = 2; p = 5 и k_об3 = 0,236; k_об3 = k_об7 = 0,1726
при m = 3; Z = 12; y = τ₀ = 3; p₀ = 4
K = 2; p = 3 и k_об3 = 0,195; k_об5= 0,195; k_об7 = 0,653.

Степень фильтрации высших гармонических может быть улучшена и за счет выполнения числа катушек N_i различными в разных частях (фиг. 3).

Так, при m = 2; Z = 12; y = τ₀ = 2; p₀ = 6,
K = 2; p = 5 и N₁ = 4 и N₂ = 2
получаем k_обv: k_об3 = 0, k_об5 = k_об7 = 0,149.

В этом варианте полностью исключаются наиболее мощные по амплитуде третьи гармоники ЭДС, магнитного поля и соответственно токов.

Изменение числа частей фаз К от 2 до p₀ с помощью ключей 11, 12 (фиг. 4) дает дополнительные возможности по улучшению фильтрующих свойств обмоток и выбору необходимой рабочей частоты вращения, определяемой полюсностью p:
p = p₀ - К/2.

Так, для варианта из двух частей 7, 8 фаз обмотки Z = 12; m = 2; p₀ = 6 при К = 2 (N₁ = 5, N₂ = 1) имеем p = 5, а для варианта из четырех частей 7 - 10 фаз обмоток при К = 4 (N₁ = 2, N₂ = 1, N₃ = 2, N₄ = 1) имеем p = 4, что расширяет возможности использования многополюсной обмотки, создает предпосылки для обеспечения регулирования частоты вращения магнитного поля, создаваемого такой обмоткой.

Таким образом, выполнение однослойных m-фазных обмоток из нескольких частей со встречным включением катушек одних частей по отношению к другим обеспечивает повышение фильтрующих свойств обмотки - одного из основных показателей обмоток машин переменного тока.

Кроме того, возможно изменение числа пар полюсов магнитного поля, созданного обмоткой, что расширяет применение многополюсной обмотки электрической машины.

Использование: в электрических машинах переменного тока. Многополюсная обмотка электрической машины m-фазная, однослойная, выполнена с числом пар полюсов (1 - 6) Р_о>2 и с числом q катушек на полюс и с числом катушек N обмотки, равным mР_оq. Обмотка выполнена с фазами из нескольких частей К (7, 8), равных К = 2 - Р_о четному числу. В каждой из частей (7) и (8) катушечной группы катушки включены согласно. А в каждой фазе обмотки катушки последующей части включены встречно по отношению к катушкам предыдущей части, образуя число пар полюсов, равное Р = Р_о - К/2. Технический результат заключается в повышении фильтрующих свойств обмоток - одного из основных показателей обмоток машин переменного тока. Кроме того, возможно расширение применения многополюсной обмотки электрической машины за счет возможности изменения ее полюсности в процессе работы. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Многополюсная обмотка электрической машины, выполненная m-фазной, однослойной с числом пар полюсов P₀ > 2 с числом катушек q на полюс и фазу, при этом число катушек N обмотки равно N = mP₀q, отличающаяся тем, что каждая фаза обмотки выполнена из нескольких частей K, равных K = 2 - P₀, при этом K число четное, при этом в каждой из частей катушки включены согласно, образуя катушечную группу, а в каждой фазе обмотки катушки последующей части включены встречно по отношению к катушкам предыдущей части, образуя число пар полюсов обмотки, равное P = P₀ - K/2. 2. Многополюсная обмотка электрической машины по п.1, отличающаяся тем, что при P₀ числе четном число катушек в каждой из частей Ni, где i = 1 - K, в каждой фазе обмотки одинаково и равно Ni = N/K. 3. Многополюсная обмотка электрической машины по п.1, отличающаяся тем, что при P₀ числе четном число катушек в каждой из частей Ni, в каждой фазе обмотки разное при условии
4. Многополюсная обмотка электрической машины по п.1, отличающаяся тем, что i-тая часть фаз обмотки, представляющая собой катушечную группу, снабжена выводами начал и концов с возможностью выполнения любого числа K = 2 - P₀, где K - число четное.