МНОГОФАЗНАЯ СТЕРЖНЕВАЯ ВОЛНОВАЯ ОБМОТКА СТАТОРА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК H02K17/12 H02K3/12 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при конструировании асинхронных электрических двигателей, питаемых от преобразователей частоты.

Известны трехфазные стержневые однослойные волновые обмотки при числе витков катушки (стержней) w_k=1 (Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978, с.402-409, 415-422). Стержневые волновые обмотки выполняются обычно двухслойными с двумя стержнями в пазу и позволяют снижать расход меди из-за уменьшения соединений между катушками и уменьшать трудоемкость изготовления по сравнению с петлевыми обмотками.

В обычных машинах, использующих стержневые обмотки, для снижения эффекта вытеснения тока стержни делаются не сплошные, а изготавливаются из параллельно соединенных элементарных проводников, имеющих высоту, меньшую глубины проникновения электромагнитной волны для данной частоты питания и применяемого проводникового материала. Элементарные проводники транспонируются в пазу по длине машины.

С увеличением частоты выше номинальной (обычно 50 Гц) при сохранении величины питающего напряжения неизменным (обычно 380 В) значение потока уменьшается обратно пропорционально частоте. Одновременно поток уменьшается за счет увеличения индуктивного сопротивления статора. Таким образом, величина максимального момента М_max (т.е. перегрузочная способность машины) уменьшается не обратно пропорционально частоте, а более интенсивно за счет увеличения индуктивного сопротивления статора. В связи с этим асинхронный двигатель имеет недостаточный диапазон регулирования частоты вращения.

Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является расширение диапазона регулирования частоты вращения за счет увеличения максимального момента (М_max) асинхронного двигателя при увеличении частоты питающего напряжения.

Кроме того, изобретению присуща простота конструкции стержневой волновой обмотки, выполняемой однослойной при одном стержне в каждом пазу, что позволяет значительно снизить трудоемкость изготовления асинхронного двигателя, уменьшить размеры лобовых частей обмотки.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что стержневая волновая обмотка статора асинхронного двигателя выполнена однослойной, а стержни обмотки выполнены сплошными, при этом высота стержня выбирается такой величины, чтобы коэффициент демпфирования на максимальной частоте питающего напряжения был не менее чем в два раза больше величины требуемого диапазона регулирования частоты вращения асинхронного двигателя.

Указанный технический результат обеспечивается также и тем, что находящиеся с одной стороны статора лобовые части стержней, предназначенных для укладки в четные пазы, имеют большую длину, чем их лобовые части, находящиеся с другой стороны статора, а находящиеся с той же стороны статора лобовые части стержней, предназначенных для укладки в нечетные пазы статора, имеют меньшую длину, чем их лобовые части, находящиеся с другой стороны статора, при этом соединительные перемычки между стержнями расположены в плоскостях, количество которых равно числу пазов на полюс и фазу, при этом наиболее длинные соединительные перемычки расположены в плоскостях, наиболее удаленных от торцевой поверхности статора.

Изобретение поясняется с помощью следующих графических изображений.

На фиг.1 изображен паз со стержневой обмоткой.

На фиг.2 - принципиальная схема стержневой однослойной волновой обмотки статора при Z₁=36, 2р=4, q=3, w_k=1, где Z₁ - число пазов статора, р - число пар полюсов статора, q - число пазов на полюс и фазу, w_k - число витков катушки (стержней) в пазу.

На фиг.3 - схема конструктивного исполнения стержневой однослойной волновой обмотки статора при w_k 1.

Статор имеет число пазов Z₁=W_f/(2m p), где W_f - число витков каждой фазы, m - число фаз обмотки статора. Обмотка выполнена волновой обмоткой с числом стержней в пазу, равным 1 (w_k=1). При этом стержни изготовлены сплошными. При этом высота стержня h_c (фиг.1) выбирается такой величины, чтобы коэффициент демпфирования k_d на максимальной частоте питающего напряжения был не менее чем в два раза больше величины требуемого диапазона регулирования частоты вращения асинхронного двигателя.

При этом площадь сечения паза определяется по допустимой плотности тока - 5-10 А/мм² во всем диапазоне изменения частоты питающего напряжения, ширина паза b_c ограничивается величиной допустимой индукции в зубце, не более 1,9 Тл.

Высота стержня h_c выбирается следующим образом.

Задаваясь требуемым диапазоном регулирования частоты вращения, определяют величину коэффициента демпфирования k_d, который для максимальной частоты питающего напряжения должен не менее чем в два раза превосходить величину диапазона регулирования. Затем, используя выражения

и

где p_cθ - удельное сопротивление стержня при расчетной температуре Ом*м,

определяют высоту стержня h_c.

Известно, что величина максимального момента асинхронного двигателя обратно пропорциональна величине индуктивных сопротивлений статора и ротора и пропорциональна величине потока сцепления.

С применением сплошного стержня за счет эффекта вытеснения тока активная высота h_f (фиг.1) стержня уменьшается, что приводит к снижению индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора, и величина максимального момента асинхронного двигателя возрастает, что позволяет увеличить перегрузочную способность асинхронного двигателя и увеличить диапазон регулирования частоты вращения. За счет вытеснения тока возрастет активное сопротивление обмотки статора, что несколько снизит величину максимального момента, но обычно влияние индуктивного сопротивления статора на величину максимального момента более интенсивно чем активное сопротивление. Вытеснение тока вызовет также неравномерное распределение плотности тока по высоте стержня, однако это не вызовет существенного увеличения нагрева, поскольку проводниковые материалы (обычно медь) обладают высокой теплопроводностью и нагрев будет определяться только средней плотностью тока всего поперечного сечения стержня.

Таким образом, благодаря эффекту вытеснения тока при увеличении частоты питающего напряжения расширяется диапазон регулирования частоты вращения асинхронного двигателя.

Стержни закладываются в пазы, затем за счет перемычек лобовых частей обеспечивается последовательность соединений в каждой фазе. Так, для фазы А определяется начало в пазу 1, а соединение стержней обеспечивается в следующей последовательности: 1-12-19-30-2-11-18-29-3-10-28, из паза 28 выводится конец фазы А (X).

Такая же закономерность выдерживается для фаз В и С.

С целью уменьшения вылета лобовых частей стержни закладываются в пазы таким образом, чтобы группа стержней, равная q, для начала каждой из фаз (А, В, С) со стороны 1 (фиг.3) имела меньший вылет, чем для конца каждой из фаз (X, Y, Z), а со стороны лобовых частей 2 наоборот. Соединительные перемычки между стержнями выполняются в q плоскостях. Так, при q=3 (фиг.2) соединения между стержнями 1-12, 2-11, 3-10 выполняются один под другим в трех плоскостях. Вверху перемычка 1-12, как наиболее длинная, внизу 3-10, как наиболее короткая.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при конструировании асинхронных электрических двигателей, питаемых от преобразователей частоты. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в расширении диапазона регулирования частоты вращения асинхронного двигателя за счет увеличения его максимального момента (M_max) при увеличении частоты питающего напряжения, а также упрощение конструкции стержневой волновой обмотки за счет ее выполнения однослойной при одном стержне в каждом пазу, что позволяет значительно снизить трудоемкость изготовления асинхронного двигателя, уменьшить размеры лобовых частей обмотки. Указанный технический результат обеспечивается тем, что стержневая волновая обмотка статора асинхронного двигателя выполнена однослойной, а стержни обмотки выполнены сплошными, при этом высота стержня h_c, определяемая с использованием выражений для коэффициента демпфирования k_d и коэффициента относительного вытеснения тока ξ, которые рассчитываются при максимальном значении частоты f питающего напряжения при условии, чтобы коэффициент демпфирования k_d был не менее чем в два раза больше величины требуемого диапазона регулирования частоты вращения асинхронного двигателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стержневая волновая обмотка статора асинхронного двигателя, предназначенного для работы в большом диапазоне изменения частоты питающего напряжения, характеризующаяся тем, что она выполнена однослойной, а стержни обмотки выполнены сплошными, при этом высота стержня выбирается h_c, определяется с использованием выражений
и ,
где коэффициент относительного вытеснения тока ξ и коэффициента демпфирования k_d рассчитывается при максимальном значении частоты f питающего напряжения, при условии, чтобы коэффициент демпфирования k_d был не менее чем в два раза больше величины требуемого диапазона регулирования частоты вращения асинхронного двигателя при данном удельном сопротивлении проводника ρ_cθ.

2. Стержневая волновая обмотка по п.1, отличающаяся тем, что в каждой группе стержней, число которых равно числу пазов на полюс и фазу q, начала каждой из фаз с одной стороны статора имеют меньший вылет лобовых частей, чем для конца каждой из указанных фаз, а с другой стороны статора наоборот, при этом соединительные перемычки между стержнями размещены в разных плоскостях, число которых равно q, таким образом, что более длинные перемычки размещаются поверх более коротких.