ОБМОТКА ЯКОРЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2006 года по МПК H02K3/12 H02K3/04 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области конструирования электрических машин, и может быть использовано в электрических машинах малой мощности с тяжелыми условиями коммутации.

Известен якорь коллекторной электрической машины, содержащий уложенную в пазах обмотку, включающую в себя разделенные на отдельные катушки секции с одинаковым шагом, причем, по меньшей мере, часть катушек каждой предыдущей секции размещена в одних пазах с катушками последующих секций (А. с. СССР №1489536, МКИ 4 Н 02 К 3/12).

Недостатком данных обмоток является сравнительно высокая индуктивность их секций, так как ее снижение ограничивается максимальным числом катушек в секции, которое можно разместить в пазах якоря со сдвигом одноименных активных сторон относительно друг друга в пределах межполюсной дуги. Поскольку с увеличением числа полюсов межполюсная дуга уменьшается, то число катушек в секции при этом также снижается, а индуктивность секций возрастает.

Известна также обмотка якоря электрической машины, содержащая многовитковые секции, которые состоят из последовательно соединенных катушек с равным числом витков, причем число катушек в секции равно числу полюсов, близлежащие стороны соседних катушек отстоят друг от друга на одно зубцовое деление, катушки симметрично уложены под всеми полюсами, а направление намотки любых двух соседних катушек является встречным (А. с. СССР №1356131, МКИ 4 Н 02 К 23/26, опубл. 30.11.87. Бюл. №44).

Данная обмотка якоря служит прототипом предлагаемого изобретения.

Недостатком рассмотренной обмотки также является сравнительно высокая индуктивность секций, определяемая, при прочих равных условиях, числом катушек в секции, которое ограниченно здесь числом полюсов электрической машины.

Кроме того, данная обмотка имеет низкие демпфирующие свойства, которые зависят от числа активных сторон катушек предыдущей секции, размещенных в одних пазах с активными сторонами катушек последующей секции.

В рассмотренной обмотке лишь половина активных сторон катушек каждой предыдущей секции может быть размещена в одних пазах с активными сторонами последующей секции.

Задачей изобретения является улучшение коммутации секций обмотки якоря путем уменьшения индуктивностей секций, увеличения взаимных магнитных связей между соседними секциями и повышения демпфирующих свойств обмотки.

Поставленная задача достигается тем, что в обмотке якоря электрической машины из многовитковых секций, также как в прототипе состоящих из последовательно соединенных катушек, уложенных под всеми полюсами таким образом, что близлежащие стороны соседних катушек отстоят друг от друга на одно зубцовое деление, а направление намотки любых двух соседних катушек является встречным, согласно изобретению число катушек на пару полюсов удовлетворяет условию

где N - число катушек секции, приходящееся на пару полюсов;

Z - число пазов якоря;

ξ=α·р/π - относительный угловой размер полюсного наконечника;

α - угловой размер полюсного наконечника вдоль расточки индуктора, рад;

р - число пар полюсов, при этом катушки, расположенные под каким-либо полюсом, смещены по пазам якоря на одно зубцовое деление и выполнены с одинаковым шагом по якорю, а величины шагов катушек по якорю под соседними полюсами при нечетном числе пазов и четном числе катушек на пару полюсов и при четном числе пазов и нечетном числе катушек на пару полюсов отличаются на одно зубцовое деление, причем при четном числе пазов якоря и нечетном числе катушек на пару полюсов больший шаг по якорю имеют катушки под тем полюсом, под которым размещается большее число катушек.

Отличительной особенностью предложенной конструкции обмотки якоря является повышенное (в сравнении с прототипом) число катушек в секции, приходящееся на пару полюсов, т.е. N>2 (в прототипе N=2).

Максимальное число активных сторон катушек, которое может быть расположено в межполюсном пространстве со сдвигом на одно зубцовое деление, равно

Соответственно, максимальное число катушек в секции на пару полюсов должно удовлетворять условию

Следовательно, число катушек в секции, приходящееся на пару полюсов, выбирается в пределах

2<N≤1+Z·(1-ξ)/(2-p).

При этом размещение активных сторон катушек секции, расположенных под любым из полюсов, в разных пазах якоря позволяет снизить индуктивность секции.

Кроме того, возрастает число активных сторон витков каждой предыдущей секции, размещенных в одних пазах с активными сторонами витков последующей секции, что приводит к увеличению взаимных магнитных связей и повышению демпфирующих свойств обмотки.

Таким образом, в предлагаемой обмотке якоря секции содержат ряд катушек, которые распределены как под разными полюсами, так и под отдельно взятым полюсом, так, что их активные стороны расположены в пределах межполюсной дуги в процессе коммутации. При этом число катушек в секции может быть в несколько раз больше, чем число полюсов электрической машины, а активные стороны катушек секции расположены в разных пазах якоря. Это обуславливает значительное снижение индуктивности секций предложенной обмотки по сравнению с прототипом, поскольку индуктивность секции уменьшается пропорционально числу отдельных катушек в секции, которое здесь может быть увеличено в несколько раз.

Предлагаемая обмотка может быть, например, получена путем разделения витков секции на число катушек, кратное числу полюсов электрической машины. Причем катушки, располагаемые под одним и тем же полюсом, могут быть выполнены одинаковой ширины. После чего первая группа катушек укладывается в пазах якоря, затем вторая группа катушек смещается относительно первой на одно зубцовое деление в заданном направлении и так же укладывается в пазах якоря. Третья группа катушек укладывается аналогичным образом относительно второй группы катушек и т.д.

Следующая секция предлагаемой обмотки выполняется аналогичным образом и укладывается со смещением в одно зубцовое деление относительно первой секции (при одном элементарном пазу в реальном).

Увеличение числа катушек в секции предлагаемой обмотки по сравнению с прототипом и их размещение в различных пазах якоря не только снижают индуктивность секции, но и повышают демпфирующие свойства обмотки, так как при этом возрастает доля активных сторон катушек какой-либо предыдущей секции, лежащих в одних пазах с активными сторонами катушек последующей секции.

На фиг.1 представлены секции предлагаемой обмотки с четным числом пазов якоря и четным числом катушек равной ширины на пару полюсов, у которой активные стороны расположены в пределах межполюсной дуги в процессе коммутации.

На фиг.2 представлены секции предлагаемой обмотки с четным числом пазов якоря и четным числом катушек равной ширины на пару полюсов, у которой часть активных сторон расположена вне пределов межполюсной дуги в процессе коммутации.

На фиг.3 изображены секции предлагаемой обмотки с нечетным числом пазов якоря и четным числом катушек разной ширины на пару полюсов.

На фиг.4 представлено выполнение секций предлагаемой обмотки с нечетным числом пазов якоря и нечетным числом катушек равной ширины на пару полюсов.

На фиг.5 изображены секции предложенной обмотки, у которой нечетное число катушек с разным шагом на пару полюсов при четном числе пазов якоря, причем больший шаг по якорю имеют катушки под тем полюсом, под которым размещается большее число катушек.

На фиг.6 изображены секции предложенной обмотки, у которой нечетное число катушек с разным шагом на пару полюсов при четном числе пазов якоря, при этом больший шаг по якорю имеют катушки под тем полюсом, под которым размещается меньшее число катушек.

Предлагаемая простая петлевая обмотка якоря на фиг.1 выполнена в двухполюсной электрической машине с четным числом пазов на якоре (Z=14) в двухслойном исполнении и с одним элементарным пазом в реальном пазу якоря.

Первая секция данной обмотки состоит из катушек 1, 2, 3, 4, имеющих одинаковый шаг по якорю У₁.

Катушка 1, лежащая в пазах 9 и 14, и катушка 2, лежащая в пазах 10 и 15, расположены под северным полюсом (N) и смещены относительно друг друга на одно зубцовое деление. Катушка 3, лежащая в пазах 16 и 21, и катушка 4, лежащая в пазах 17 и 22, размещены под южным полюсом (S) и также смещены относительно друг друга на одно зубцовое деление. Катушки 1, 2, 3, 4 первой секции соединены последовательно и подключены к коллекторным пластинам 23, 24. Причем катушки 1, 2, расположенные под северным полюсом, включены встречно к катушкам 3, 4, расположенным под южным полюсом.

Вторая секция данной обмотки, состоящая из катушек 5, 6 и 7, 8, размещенных соответственно в пазах 10, 15 и 11, 16, а также в пазах 17, 22 и 18, 9, аналогична по конструкции первой секции, смещена относительно последней на одно зубцовое деление и подключена к коллекторным пластинам 24, 25. Таким образом, число катушек в секции представленной обмотки в два раза больше, чем в обмотке-прототипе при прочих равных условиях. Причем все катушки здесь также лежат в разных пазах. Следовательно, индуктивность секции предложенной обмотки снижена практически в два раза.

Кроме того, активные стороны первой секции предложенной обмотки, лежащие в пазах 9, 10, 15 и 16, 17, 22, размещены совместно с активными сторонами второй секции. Следовательно, шесть активных сторон катушек первой секции из восьми лежат вместе с активными сторонами второй секции. Соответственно, коэффициент демпфирования (Толкунов В.П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока. - М.: Энергия, 1979, - с.108) у предложенной обмотки ориентировочно равен 0,44, тогда как в обмотке-прототипе он равен 0,75. Поэтому по демпфирующим свойствам предложенная обмотка также превосходит обмотку-прототип.

У данной обмотки выполняется условие (1):

2<N≤1+Z·(1-ξ)/(2-p),

Действительно, здесь N=4, Z=14, р=1, ξ=α·p/π=0,424 (при α=1,33). Тогда неравенство (1) запишется:

2<4≤1+14·(1-0,424)/(2·1),

или

2<4≤5,03.

Таким образом, условие (1) выполняется, что обеспечивает (при размещении щеток на линии геометрической нейтрали) расположение активных сторон коммутируемых секций в пределах межполюсной дуги. При этом существенно снижается воздействие поля главных полюсов на коммутацию, которое может приводить к нарушению оптимального характера протекания коммутационных процессов, особенно в реверсивных машинах.

Так, например, условие (1) не выполняется в обмотке якоря на фиг.2 (здесь N=4, а (1+Z·(1-ξ)/(2-р))=2,98), которая отличается от обмотки якоря на фиг.1 большей шириной полюсного наконечника (α=2,25 рад). При этом активные стороны первой секции, лежащие в пазах 10, 14, 17, 21, расположены в поле главных полюсов, что сопровождается наведением ЭДС вращения от главных полюсов, а это, как указывалось выше, может существенно ухудшать качество коммутации электрической машины. Кроме того, при данном соотношении обмоточных данных якоря и геометрических параметрах индуктора не достигается полное использование магнитного потока главных полюсов, что снижает энергетические характеристики электрической машины.

При большем числе пар полюсов в электрической машине число катушек в секции предлагаемой обмотки увеличивается пропорционально числу пар полюсов, а конструкция секций остается аналогичной рассмотренной выше.

В случае если число пазов на якоре нечетное, катушки секций, лежащие под разными полюсами, могут быть выполнены разной ширины, как это показано на фиг.3. Здесь катушка 1, лежащая в пазах 9, 14 под северным полюсом, и катушка 2, уложенная в пазах 10, 15 также под северным полюсом, имеют шаг по якорю У₁, который меньше на одно зубцовое деление шага У₂ катушек 3, 4. Катушки 3 и 4, в свою очередь, расположены под южным полюсом и лежат соответственно в пазах 16, 22 и 17, 23. Катушки 1, 2, 3, 4 первой секции соединены последовательно и подключены к коллекторным пластинам 24, 25.

Вторая секция якоря состоит из катушек 5, 6, 7, 8, выполнена аналогично первой секции, уложена в пазы якоря со сдвигом на одно зубцовое деление относительно первой секции и подключена к коллекторным пластинам 25, 26.

Таким образом, данная обмотка якоря с нечетным числом пазов и четным числом катушек на пару полюсов под одним из полюсов имеет шаг катушек секции У₁, меньший, чем шаг катушек секции У₂ под другим полюсом. Благодаря этому обмотка на фиг.3, выполненная на якоре с нечетным числом пазов, имеет технические свойства, аналогичные свойствам обмотки на фиг.1, выполненной на якоре с четным числом пазов.

Условие (1) для обмотки на фиг.3 также выполняется (2<4≤5,43).

При выполнении предлагаемой обмотки (фиг.4) в двухполюсной электрической машине с нечетным числом пазов на якоре при нечетном числе катушек равной ширины на пару полюсов под северным полюсом расположены с шагом У₁ катушка 1, уложенная в пазах 7, 13, и катушка 2, размещенная в пазах 8, 14. Катушка 3, уложенная в пазах 15, 21 под южным полюсом, имеет шаг У₂, равный шагу У₁. Катушки 1, 2, 3 первой секции соединены последовательно и подключены к коллекторным пластинам 22, 23.

Вторая секция, состоящая из катушек 4, 5, 6, выполнена аналогично первой секции и уложена в пазы якоря со сдвигом на одно зубцовое деление и подключена к коллекторным пластинам 23, 24.

Следовательно, секции данной обмотки под одним из полюсов имеют большее число катушек, чем под другим полюсом. По своим техническим свойствам рассмотренная обмотка также превосходит обмотку-прототип с аналогичными исходными данными, однако ее коммутирующие свойства несколько ниже, чем у обмотки на фиг.3.

Условие (1) для обмотки на фиг.4 выполняется (2<3≤3,925). При этом в сравнении с обмоткой на фиг.3 ширина полюсного наконечника увеличена до 1,93 рад (1,3 рад на фиг.3), что позволяет повысить энергетические характеристики электрической машины.

При выполнении предлагаемой обмотки в двухполюсной электрической машине с четным числом пазов на якоре и при нечетном числе катушек с разным шагом на пару полюсов (фиг.5) катушка 1, лежащая в пазах 7, 13 под северным полюсом, и катушка 2, уложенная в пазах 8, 14 также под северным полюсом, имеют шаг по якорю У₁, больший на одно зубцовое деление, чем шаг У₂ катушки 3. Катушка 3, в свою очередь, расположена под южным полюсом и лежит, соответственно, в пазах 15, 20. Катушки 1, 2, 3 первой секции соединены последовательно и подключены к коллекторным пластинам 21, 22.

Вторая секция состоит из катушек 4, 5, 6, выполнена аналогично первой секции, уложена в пазы якоря со сдвигом на одно зубцовое деление относительно первой секции и подключена к коллекторным пластинам 22, 23.

Условие (1) для обмотки на фиг.5 выполняется (2<3≤3,1). При этом в сравнении с обмоткой на фиг.1 ширина полюсного наконечника увеличена до 2,2 рад (1,33 рад на фиг.1), что позволяет повысить энергетические характеристики электрической машины. Это явилось следствием того, что в сравнении с обмоткой на фиг.1 снизилось число катушек на пару полюсов и с большим шагом по якорю выполнены катушки под тем полюсом, под которым размещается большее число катушек.

На фиг.6 представлена подобная обмотка якоря, у которой последнее из указанных выше условий не выполняется, т.е. больший шаг по якорю имеют катушки под тем полюсом, под которым размещается меньшее число катушек. Здесь катушки 1, 2 первой секции имеют шаг У₁, который меньше шага У₂ катушки 3 на одно зубцовое деление. В этом случае условие (1) выполняется, фиг.5, однако ширина полюсного наконечника при этом снижается до 1,34 рад, что ухудшает энергетические показатели электрической машины в сравнении с предыдущим вариантом обмотки.

Таким образом, величины шагов катушек по якорю под соседними полюсами при нечетном числе пазов и четном числе катушек на пару полюсов (фиг.3), либо при четном числе пазов и нечетном числе катушек на пару полюсов (фиг.5, 6) должны отличаться на одно зубцовое деление. Причем согласно изобретению при четном числе пазов якоря и нечетном числе катушек на пару полюсов больший шаг по якорю должны иметь катушки под тем полюсом, под которым размещается большее число катушек (фиг.5).

Работа предлагаемой обмотки.

В процессе перемещения коллектора относительно щетки последняя сначала набегает на коллекторные пластины 23, 24 (фиг.1) и закорачивает первую секцию из катушек 1, 2, 3, 4. Затем щеткой замыкаются коллекторные пластины 24, 25 (при щеточном перекрытии больше единицы) и закорачивается вторая секция из катушек 5, 6, 7, 8. После этого коллекторная пластина 23 выходит из под щетки и завершается процесс коммутации первой секции из катушек 1, 2, 3, 4. При этом одна часть электромагнитной энергии первой секции передается посредством взаимной магнитной связи второй секции из катушек 5, 6, 7, 8, а другая ее часть выделяется в воздушном зазоре под щеткой в виде искрового разряда.

Низкая величина индуктивности секций предложенной обмотки обеспечивает снижение количества энергии, запасенной ими к моменту их размыкания щеткой, а повышенная магнитная связь соседних секций позволяет снизить долю запасенной энергии секций, выделяемую под щеткой в виде искрения. Поэтому результирующая величина энергии, реализуемая в воздушном зазоре под щеткой, в предложенной обмотке существенно ниже, чем в обмотке-прототипе.

Расчеты показывают, что количество указанной энергии в предложенной обмотке на фиг.1 или фиг.3 почти в 3,4 раза меньше, чем в прототипе с аналогичными обмоточными данными.

Таким образом, предлагаемая обмотка позволяет значительно снизить коммутационную напряженность электрической машины, повысить ресурс и надежность ее работы.

Наиболее предпочтительно использовать предложенную обмотку в электрических машинах малой мощности с тяжелыми условиями коммутации.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических машинах малой мощности с тяжелыми условиями коммутации. Технический результат - улучшение процесса коммутации секций обмотки якоря путем уменьшения индуктивностей секций, увеличения взаимных магнитных связей между соседними секциями и повышения демпфирующих свойств обмотки. Указанный технический результат достигается тем, что в обмотке якоря электрической машины из многовитковых секций, состоящих из последовательно соединенных катушек, уложенных под всеми полюсами таким образом, что близлежащие стороны соседних катушек отстоят друг от друга на одно зубцовое деление, а направление намотки любых двух соседних катушек выполнено встречным, число катушек в секции превышает число полюсов, катушки, расположенные под каким-либо полюсом, смещены по пазам якоря на одно зубцовое деление и выполнены с одинаковым шагом по якорю. Величины шагов катушек по якорю под соседними полюсами при нечетном числе пазов и четном числе катушек на пару полюсов, либо при четном числе пазов и нечетном числе катушек на пару полюсов отличаются на одно зубцовое деление. Причем при четном числе пазов якоря и нечетном числе катушек на пару полюсов больший шаг по якорю имеют катушки под тем полюсом, под которым размещается большее число катушек. В результате катушки каждой из секций распределяются как под разными полюсами, так и под отдельно взятым полюсом, что обеспечивает превышение числа катушек в секциях над числом полюсов электрической машины и, соответственно, снижает величину индуктивности секций. При этом значительная часть активных сторон катушек каждой предыдущей секции располагается в одних пазах с активными сторонами катушек последующих секций, что увеличивает взаимные магнитные связи между соседними секциями и повышает демпфирующие свойства обмотки. 6 ил.

Обмотка якоря электрической машины из многовитковых секций, состоящих из последовательно соединенных катушек, уложенных под всеми полюсами таким образом, что близлежащие стороны соседних катушек отстоят друг от друга на одно зубцовое деление, а направление намотки любых двух соседних катушек является встречным, отличающаяся тем, что число катушек на пару полюсов удовлетворяет условию:

2<N≤1+Z·(1-ξ)/(2·p),

где N - число катушек секции, приходящееся на пару полюсов;

Z - число пазов якоря;

ξ=α·р/π - относительный угловой размер полюсного наконечника;

α - угловой размер полюсного наконечника вдоль расточки индуктора, рад;

р - число пар полюсов,

при этом катушки, расположенные под каким-либо полюсом, смещены по пазам якоря на одно зубцовое деление и выполнены с одинаковым шагом по якорю, а величины шагов катушек по якорю под соседними полюсами при нечетном числе пазов и четном числе катушек на пару полюсов и при четном числе пазов и нечетном числе катушек на пару полюсов отличаются на одно зубцовое деление, причем при четном числе пазов якоря и нечетном числе катушек на пару полюсов больший шаг по якорю имеют катушки под тем полюсом, под которым размещается большее число катушек.