ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2001 года по МПК H02K3/12 H02K3/04 

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к электрическим машинам переменного тока широкого применения.

Известна конструкция многофазных электрических машин переменного тока, имеющих якорные обмотки однослойные, двухслойные, с лобовыми частями, размещенными в двух или трех плоскостях (Н.В. Виноградов. Обмотчик электрических машин. - М.: Профтехиздат, 1961, с. 98-115, 133-156).

Известна также конструкция многофазных электрических машин переменного тока, имеющих якорные обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу, с различными числами катушек в катушечных группах одной и той же машины (Проектирование электрических машин. Под ред. И.П. Копылова - М.: Энергия, 1980, с. 79 - 86). Эта конструкция принята за прототип.

Основные недостатки прототипа следующие: сложность конструктивного исполнения катушек, размещение лобовых частей обмотки в двух или трех плоскостях и обусловленное этим возможное соприкосновение катушек различных фаз в лобовых частях, что может привести к повреждению и замыканию обмотки. Цель изобретения - упрощение конструктивного исполнения катушек и обмотки в целом, исключение соприкосновения различных катушек в лобовых частях и тем самым обеспечение высокой эксплуатационной надежности электрических машин в целом.

Указанная цель достигается тем, что в отличии от прототипа число пазов на полюс и фазу меньше единицы, а обмотка якоря состоит из катушек, имеющих шаг, равный зубцовому делению.

Сущность изобретения заключается в выборе такого соотношения чисел пазов z якоря, пар полюсов p и фаз m, которое позволяет обеспечить заданные характеристики электрической машины при выполнении катушек якорной обмотки с шагом, равным зубцовому делению, без каких-либо ухудшений ее параметров в сравнении с известными техническими решениями. Это оказывается возможным, если z кратно m, 1<z/p<4. При этом преимущественно z≠2p. Последнее условие необходимо, чтобы исключить возможность так называемого "залипания" между ротором и статором, то есть возникновения тормозного момента при равенстве количества зубов (z) и полюсов (2p).

Предложенное техническое решение рассмотрим на примере трехфазной (m=3) электрической машины с z=9 (9:3=3 - целое число). Условиям 1<z/p<4 и z ≠2p удовлетворяют значения p=3; 4; 5; 6, 7; 8.

На фиг.1 представлено поперечное сечение синхронной электрической машины с постоянными магнитами на роторе с z=9; m=3: p=3 и изображена схема соединений его якорной (статорной) обмотки. На фиг. 2-11 показаны различные варианты размещения якорной обмотки.

На роторе 1, выполненном из магнитомягкой стали, размещено шесть магнитов 2 с чередующейся полярностью (N-S, S-N), между которыми установлены немагнитные вставки 3. В пазах 4 якоря (статора) 5 установлены катушки 6, охватывающие один зубец 7 (т.е. шаг катушки равен одному зубцовому делению), поэтому лобовые части 8 этих катушек не имеют соприкосновений между собой. Разные стороны одной и той же катушки обозначены одной цифрой, заключенной в круг. В каждом пазу уложены стороны катушек разных двух фаз, изолированных друг от друга и от сердечника статора изоляцией 9. Фаза U₁-U₂ состоит из трех катушек 10, 11 и 12, смещенных друг от друга на сто двадцать геометрических градусов и находящихся в одинаковом положении по отношению к полюсам, расположенным на роторе. Катушки фазы V₁-V₂ смещены от катушек фазы U₁-U₂ на сорок геометрических градусов или 40•p=40•3=120 электрических градусов. Аналогично катушки фазы Wi-W2 смещены от катушек фаз V₁-V₂ и U₁-U₂ на сто двадцать электрических градусов.

Предложенная электрическая машина в электромагнитном отношении идентична обычной электрической машине, имеющей число пазов статора z'=18 и обмотку однослойную или двухслойную с катушками, имеющими шаг, равный двум зубцовым делениям. Однако в этом случае лобовые части катушек различных фаз могут соприкасаться друг с другом, поэтому должны иметь более толстую изоляцию, более сложную конструкцию и в связи с этим большую длину, что в целом ухудшает параметры электрической машины (приводит к большей массе, большим нагревам, уменьшению коэффициента полезного действия), усложняет ее конструкцию (из-за увеличения числа пазов, усложнения конструкции катушек и их укладки) и снижает надежность (повышается вероятность замыкания катушек разных фаз друг на друга).

При полузакрытых пазах статора предложенная конструкция может быть реализована так, как показано на фиг. 2. Стороны катушек разных фаз в одном пазу размещены в тангенциальном направлении, изоляция 9 выполнена в виде трубки специальной формы, а намотка катушки производится прямо на зубец по витку методом протяжки (такой метод характерен для погружных электродвигателей серии ПЭД (Справочник по электрическим машинам, том 2 - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 582-594).

На фиг. 3 дано сечение А-А фиг.2, а на фиг.4 дано сечение Б-Б фиг.3. Из фиг. 2-4 видно, что лобовые части 13 и 14 катушек в - расположены в одной плоскости по высоте зубца 7, могут иметь различную форму (например, 13 или 14) в зависимости от конкретных размеров электрической машины и ее параметров, изолированы от зубцов 7 изоляцией 15 и 16. Лобовые части 13 и 14 имеют минимальный вылет, минимальную длину и не имеют соприкосновения с лобовыми частями соседних катушек. Эти особенности обеспечивают наивысшие энергетические характеристики и высокую надежность электрической машины.

На фиг. 5 и 6 показана реализация предложенной конструкции при радиальном размещении сторон катушек разных фаз в одном полузакрытом пазу при всыпной обмотке.

На фиг. 5 показана схема, при которой сначала производится укладка катушек на дно пазов, а затем укладывается верхний слой катушек. При нечетном количестве пазов одна катушка - выполняется со сторонами, уложенными в разные слои (нижний и верхний).

На фиг. 6 показана схема, при которой каждая катушка выполняется со сторонами, уложенными в разные слои (нижний и верхний). В этом случае все катушки одинаковы при любом числе пазов.

На фиг. 7-11 показаны варианты реализации предложенной конструкции при открытых пазах, причем на фиг.7-9 зубцы 7 имеют прямоугольную форму, а на фиг. 10 и 11 пазы 4 имеют прямоугольную форму.

На фиг. 7 представлена наиболее простая конструкция жестких катушек одинаковой формы, которые крепятся на зубцах 7 с помощью компаунда 17. Однако при этом не используется часть пространства 18 паза 4.

Для улучшения заполнения пазового пространства может быть использован вариант фиг. 8, однако при этом необходимо иметь три разновидности формы катушек при нечетном z:
При вариантах фиг. 9 используется одна форма жестких катушек при четном z и дополнительная разновидность катушки при нечетном z (аналогично фиг. 5).

При прямоугольных пазах 4 (фиг. 10 и 11) пазовая часть может быть жесткой при мягких лобовых частях. В варианте фиг. 10 все катушки одинаковые, в варианте фиг. 11 при нечетном z требуется дополнительная разновидность катушки (аналогично фиг. 5 и 9). Кроме того, в варианте фиг. 11 используются пазовые клинья 19 для крепления катушек 6 в пазах 4.

При предложенной конструкции наилучшие параметры электрической машины обеспечиваются тогда, когда z = 2p±1 при нечетном z и z = 2p±2 при четном z. В этом случае размеры полюсов и зубцов наиболее близки друг к другу, что обусловливает наибольшие обмоточные коэффициенты катушек с шагом, равным зубцовому делению. Например, при рассмотренном выше варианте с z=9 наиболее эффективна электрическая машина с 2p = 8 или 2p = 10; при z = 12 целесообразно принимать 2p = 10 или 2p = 14.

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к электрическим машинам переменного тока широкого назначения. Техническим результатом, достигаемым данным изобретением, является упрощение конструкции обмотки, повышение надежности и улучшение энергетических характеристик электрической машины. Указанный результат достигается за счет выбора соотношения чисел пазов, пар полюсов и фаз. При дробном числе пазов на полюс и фазу, меньшем единицы, катушки якорной обмотки имеют шаг, равный зубцовому делению. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Электрическая машина переменного тока, содержащая катушки обмотки якоря, имеющие шаг, равный зубцовому делению, отличающаяся тем, что число пар полюсов р связано с числом пазов z соотношением 1 < z/p < 4, а число пазов на полюс и фазу меньше единицы. 2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что число пазов z якоря кратно числу фаз m.