ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2016 года по МПК H02K3/28 H02K17/14 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству многофазных обмоток электрических машин переменного тока, и может быть использовано при изготовлении энергоэффективных электродвигателей переменного тока, в том числе и многоскоростных двигателей, обладающих свойством полисинхронизма.

Известна обмотка электрической машины переменного тока, которая выполнена m-фазными, где m=2 или 3, и могут быть подключены как к однофазной, так и трехфазной сети переменного тока [Кацман М.М. Электрические машины: Учеб. для студентов сред. проф. учебных заведений - 3-е изд. исп. - М.: Высш. шк.; Издательский центр "Академия"; 2001. - с. 212÷215]. Недостаток обмотки электрической машины переменного тока, выполненной трехфазной, при включении на однофазную сеть с образованием двухфазной системы обмоток заключается в невозможности изменять коэффициент трансформации (отношение чисел витков фаз двухфазной обмотки).

Известна обмотка электрической машины переменного тока, которая выполнена трехфазными двенадцатизонными [Пат. №140530 РФ, МКИ⁷ H02K 3/28, 17/14. Трехфазная обмотка электрической машины / Г.А. Шаншуров. Опубл. 10.05.2014. Приоритет 18.12.13; заявка №2013156320] с числом пар полюсов р₀ в Z пазах магнитопровода. Обмотка содержит N=4 на фазу - фазных зон и q катушек в каждой паре фазных зон, выполненных с шагом

где i=1, … q, которые включены последовательно, образовывая катушечные группы.

Эта обмотка электрической машины переменного тока, выполненная трехфазной, при включении на однофазную сеть с образованием двухфазной системы обмоток имеет постоянное значение коэффициента трансформации, равное 3^-1/2 (отношение эффективных чисел витков фаз двухфазной обмотки). А для обеспечения кругового поля в требуемом режиме работы электрической машины коэффициента трансформации может принимать самые различные значения [Шаншуров Г.А. Матричная модель однофазного асинхронного двигателя // Электротехника. 2007. №9. С. 22-27]. Соответственно лучшее использование электрической машины может быть получено при включении на однофазную сеть двухфазной обмотки.

Известна обмотка электрической машины переменного тока, которая выполнена двухфазной на основе двенадцатизонной трехфазной двухслойной обмотки с числом фазных зон N=4 на фазу и с числом пар полюсов р₀ в Z пазах магнитопровода [Пат. №147774 РФ, МКИ⁷ H02K 3/28. Обмотка электрической машины/ Г.А. Шаншуров. Опубл. 20.11.2014.2014. Приоритет 11.06.2014; заявка №2014124051].

Однако эта обмотка электрической машины переменного тока состоит из двух не равных фазных зон на полюс. Так, число катушек каждой фазы на полюс равно Q₁ и Q₂, где Q₂/Q₁=2. Число катушек q=Q₁ катушечных групп, число пар полюсов р₀ и число пазов Z магнитопровода связаны соотношением

при котором числовой ряд пазов Z под обмотку кратно N=12:12, 24, 36, 48, 60, 72.

Недостатками такого исполнения обмотки являются не равенство фазных зон обмотки на полюс и ограниченный выбор числа пазов под обмотку электрической машины переменного тока.

Эта обмотка наиболее близка к предлагаемому изобретению и является прототипом.

Задачей (технический результат) изобретения является расширение области применения обмотки электрической машины переменного тока.

Это техническое решение обеспечивает равенство фазных зон обеих фаз на полюс и другие числовые ряды пазов под обмотку:

- Z, при котором число пазов Z кратно 2N=8:8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64, 72 …;

- Z_н, при котором число пазов Z_н кратно N=4:4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36, 40, 44, 48, 52 ….

Поставленная задача достигается тем, что обмотка электрической машины переменного тока, размещенная в Z пазах магнитопровода, выполненная двухфазной (m=2) с числом пар полюсов р₀, содержит N фазных зон в каждой фазе на паре полюсов. В каждой паре фазных зон расположена катушечная группа, состоящая из последовательно включенных катушек. Число фазных зон обмотки 2N равно восьми, число катушек q в каждой катушечной группе одинаково, при этом число пазов Z магнитопровода определено соотношением

Z=Nmp₀q,

обмотка выполнена с шагом по пазам y_ср=τ при τ=Z/(Np₀)=Z/(4p₀), а

y_ср=Σy_i/q,

где i=l, … q, q катушек катушечных групп которой уложены в рядом расположенных q пазах магнитопровода, образуя структуру с распределением сторон катушек в пазах по закону

на пару полюсов, образуя основную четырехзонную на фазу и пару полюсов двухслойную обмотку. "А,X и x,а", "В,Y и y,b" - фазные зоны обмотки, при этом (A_qX_q)_p0 и (x_qa_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы первой фазы основной обмотки, (B_qY_q)_p0 и (y_qb_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы второй фазы основной обмотки. Индекс "q" - это число катушечных сторон размещенных рядом в соответствующей фазной зоне и индекс "р₀" - это число повторяющихся структур, определяющих число пар полюсов обмотки, a O_q - число пустых пазов, равное q. Каждая катушечная группа снабжена выводами начал и концов для возможности создания 2р₀ полюсов выполнением в каждой фазе обмотки встречного включения последующих катушечных групп (x_q aq)_p0 и (y_q b_q)_p0 по отношению к предыдущим катушечным группам (A_qX_q)_p0 и (B_qY_q)_p0.

Поставленная задача также достигается тем, что обмотка электрической машины переменного тока, содержащая основную обмотку, выполненную с шагом y_ср=τ=Z/(4p₀), снабжена дополнительной обмоткой с шагом y_ср=τ=Z/(4p₀), q катушек катушечных групп которой уложены в рядом расположенных q пазах магнитопровода, образуя структуру с распределением сторон катушек в пазах по закону

на пару полюсов, образуя двухслойную обмотку, содержащую четырехзонную на фазу и пару полюсов основную часть и четырехзонную на фазу и пару полюсов дополнительную часть. "A,X и x,а", "В,Y и y,b" - фазные зоны основной части обмотки, при этом (A_q X_q)_p0 и (x_q a_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы первой фазы основной части обмотки и (B_q Y_q)_p0 и (y_q b_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы второй фазы основной части обмотки. "С,Z и z,с", "D,Н и h,d" - фазные зоны дополнительной части обмотки, при этом (C_q Z_q)_p0 и (z_q c_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы первой фазы дополнительной части обмотки и (D_qH_q)_p0 и (h_q d_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы второй фазы дополнительной части обмотки. При этом индекс "q" - это число катушечных сторон, размещенных рядом в соответствующей фазной зоне, и индекс " р₀" - это число повторяющихся структур, определяющих число пар полюсов обмотки. Каждая катушечная группа снабжена выводами начал и концов для возможности создания 2р₀ полюсов выполнением в каждой фазе обмотки встречного включения последующих катушечных групп (x_q a_q)_p0, (z_q c_q)_p0 и (y_q b_q)_p0, (hq d_q)_p0 по отношению к предыдущим катушечным группам (A_q X_q)_p0, (C_q Z_q)_p0 и (B_qY_q)_p0, (D_qH_q)_p0.

Поставленная задача также достигается тем, что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп частей фаз основной и дополнительной обмоток. При этом катушечные группы (A_qX_q)_p0 и (C_q Z_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы (x_q a_q)_p0 и (z_q c_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки. Катушечные группы (B_q Yq)_p0 и (h_q d_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы (D_q H_q)_p0 и (y_qb_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки. В каждую фазу включен мост из контактов коммутационного аппарата, в противоположные плечи каждого моста включены по одному нормально открытому и нормально закрытому контакту, образуя в местах соединения НОК и НЗК полюса диагоналей моста. Одна из диагоналей каждого моста одним полюсом соединена с концом первой полуфазы, а другим полюсом образован конец фазы. В другую диагональ каждого моста включена соответственно вторая полуфаза. Число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен), а число полюсов 4р₀ - другим состоянием контактов НОК и НЗК (включен, выключен), обеспечивая в обоих случаях одинаковое чередование фаз обмотки.

Поставленная задача также достигается тем, что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп основной и дополнительной частей фаз обмоток. При этом катушечные группы (A_qX_q)_p0 и (z_qc_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы (C_qZ_q)_p0 и (x_qa_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки. Катушечные группы (B_q Y_q)_p0 и (D_q H_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы (b_qy_q)_p0 и (h_qd_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки. В каждую фазу включен мост из контактов коммутационного аппарата. В противоположные плечи каждого моста включены по одному нормально открытому и нормально закрытому контакту, образуя в местах соединения НОК и НЗК полюса диагоналей моста. Одна из диагоналей каждого моста одним полюсом соединена с концом первой полуфазы, а другим полюсом образован конец фазы. В другую диагональ каждого моста включена соответственно вторая полуфаза. Число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен), а число полюсов 4р₀ - другим состоянием контактов НОК и НЗК (включен, выключен), меняя при этом чередование фаз обмотки.

Поставленная задача также достигается тем, что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп основной и дополнительной частей фаз обмоток. При этом катушечные группы (A_qX_q)_p0 и (C_q Z_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы (x_qaq)_p0 и (z_qc_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки, катушечные группы (B_q Y_q)_p0 и (h_q d_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы (D_q Hq)_p0 и (y_qb_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки. В каждой фазе обмотки образован мост из контактов коммутационного аппарата и одной из полуфаз обмотки. В одни противоположные плечи каждого моста включены одноименные (НЗК или НОК) контакты коммутационного аппарата, в другие в противоположные плечи каждого моста включены: в одно плечо одна из полуфаз обмотки и в другое плечо - контакт коммутационного аппарата не одноименный с контактом в других плечах моста (НОК или НЗК). Другая полуфаза обмотки включена в одну диагональ моста, а концы другой диагонали образуют начало и конец фаз обмотки. Число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен), а число полюсов 4р₀ - другим состоянием контактов НОК и НЗК (включен, выключен), обеспечивая в обоих случаях одинаковое чередование фаз обмотки.

Поставленная задача также достигается тем, что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп основной и дополнительной частей фаз обмоток. При этом катушечные группы (A_qX_q)_p0 и (z_qc_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы (C_qZ_q)_p0 и (x_qa_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки. Катушечные группы (B_q Y_q)_p0 и (D_q H_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы (b_qy_q)_p0 и (h_qd_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки. В каждой фазе обмотки образован мост из контактов коммутационного аппарата и одной из полуфаз обмотки. В одни противоположные плечи каждого моста включены одноименные (НЗК или НОК) контакты коммутационного аппарата. В другие в противоположные плечи каждого моста включены: в одно плечо - одна из полуфаз обмотки и в другое плечо - контакт коммутационного аппарата, не одноименный с контактом в других плечах моста (НОК или НЗК). Другая полуфаза обмотки включена в одну диагональ моста, а концы другой диагонали образуют начало и конец фаз обмотки. Число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен), а число полюсов 4р₀ - другим состоянием контактов НОК и НЗК (включен, выключен), меняя при этом чередование фаз обмотки.

Поставленная задача также достигается тем, что четырехзонная на фазу двухслойная обмотка, выполненная с диаметральным шагом y_ср=τ=Z/(4p₀), размещена в Z_H пазах, которое равно

при этом q пазов выполнено в каждой паре фазных зон α_ф "A-b, Х-В, x-Y, a-y" в пределах α_ф=2π/(8 р₀) радиан с чередованием с беспазовыми зонами "O_q", равными фазным зонам α_ф=2π/(8 р₀).

На фиг. 1 изображены структура, матрица и схема основной четырехзонной на фазу и полюс двухфазной обмотки с одинаковой величиной фазных зон с пропуском пазов для числа полюсов 2р₀, а на фиг. 2 - структура, матрица и схема четырехзонной двухфазной обмотки с одинаковой величиной фазных зон без пропуска пазов для числа полюсов 2р₀; на фиг. 3 изображена схема полюсно переключаемой обмотки (ППО) 1:2 без изменения чередования фаз на базе четырехзонной двухфазной обмотки с числом полюсов 2р₀ и последовательном соединении полуфаз при обоих числах полюсов, а на фиг. 4 - схема ППО 1:2 с изменением чередования фаз на базе четырехзонной двухфазной обмотки с числом полюсов 2р₀ и последовательном соединении полуфаз при обоих числах полюсов; на фиг. 5 изображена схема полюсно переключаемой обмотки (ППО) 1:2 без изменения чередования фаз на базе четырехзонной двухфазной обмотки с числом полюсов 2р₀ и параллельном соединении полуфаз при одном числе полюсов и последовательном соединении при другом числе полюсов, а на фиг. 6 - схема полюсно переключаемой обмотки (ППО) 1:2 с изменением чередования фаз на базе четырехзонной двухфазной обмотки с числом полюсов 2р₀ и параллельном соединении полуфаз при одном числе полюсов и последовательном соединении при другом числе полюсов.

Обмотка электрической машины переменного тока выполнена двухфазной (m=2) двухслойной (фиг. 1) в Z=Nmp₀q=8qp₀ пазах магнитопровода. На пару полюсов 2р₀=2 число пазов равно

образуя структуру с распределением сторон катушек катушечных групп 1÷4 в восьми фазных зонах обмотки - 2N: "А, X и x, а " В, Y и y, b", образуя основную обмотку.

Наименьшее число пазов Z будет при числе пар полюсов р₀=1 и пазов и q=1.

Большее число пар полюсов обеспечивается (табл. 1) последовательным повторением структур (фиг. 1) при р₀=1. При числе пар полюсов р₀ и числе q>1 возможное число пазов Z кратно N=8 (табл. 1):

Катушки катушечных групп 1÷4 уложены в рядом расположенных q пазах магнитопровода и выполнены с шагом по пазам y_ср=τ при

Если q>1, то y_ср=Σy_i/q, где i=1, … q. Обмотка может быть выполнена концентрической и равносекционной.

Катушечные группы 1-(A_q X_q)_p0 и 2-(x_q a_q)_p0 образуют полуфазы первой фазы основной обмотки, катушечные группы 3-(B_q Y_q)_p0 и 4-(y_q b_q)_p0 образуют полуфазы второй фазы основной обмотки.

Индекс "q" в обозначении катушечных групп - это число катушечных сторон, размещенных рядом в соответствующей фазной зоне, и индекс "р₀" - это число повторяющихся структур (фиг. 1), определяющих число пар полюсов обмотки. Число пустых пазов O_q равно q. Каждая катушечная группа 1÷4 снабжена выводами начал и концов для возможности создания 2р₀ полюсов выполнением в каждой фазе обмотки встречного включения последующих катушечных групп 2-(x_q a_q)_p0 и 4-(y_q b_q)_p0 по отношению к предыдущим катушечным группам 1-(A_qX_q)_p0 и 3-(B_qY_q)_p0.

Для выполнения анализа конструктивных исполнений обмоток на работоспособность используем ряд компонент матричной модели обмоток переменного тока:

- ЭДС обмотки

где - это матрица исследуемой обмотки (фиг. 1),

E_прv - величина индуктируемой ЭДС проводника от v-й гармоники поля;

- обмоточные коэффициенты для v-х гармоник

где - матрица m-й строки матицы обмотки ,

- сумма чисел элементов строки (фазы) матрицы обмотки по модулю.

Для анализа обмотки составляется столбцовая матрица звезды пазовых ЭДС . Элементы столбцовой матрицы определяются выражением:

где v - номер гармонической составляющей ЭДС (н. с), Z_i - номер паза от 1 до Z₀, a α_v=α₀·v. Угол сдвига пазов α₀ для обмоток, не создающих субгармоники магнитного поля, равен

α₀=p·360°/Z₀, эл. град.

Для аналитических расчетов, используя формулу Эйлера

следует перейти от выражения в матричной форме к алгебраическим выражениям:

Обмоточный коэффициент для каждой из гармоник ЭДС (НС) определится соотношением:

Матричный анализ обмотки (фиг. 1) показывает ее работоспособность:

- сдвиг осей фаз обмотки равен 90 эл. град;

- высокий обмоточный коэффициент рабочей (первой) гармоники магнитного поля (табл. 2) и высокий коэффициент использования - сравни с показателями двенадцатизонной обмотки (табл.3);

- обмотка выполняется с шагом y=τ=Z / (Np₀) двухслойной, заполняя половину пазов (фиг. 1).

продолжение

Примечание:

- расчет коэффициента использования обмотки K* выполнен по методу учета высших гармоник;

- λ_Д - коэффициент дифференциального рассеяния;

- - коэффициент использования обмотки без учета заполнения зубцово-пазовой зоны медью.

При выполнении обмотки электрической машины переменного тока с заполнением пропущенных пазов (фиг. 2) обмотка, содержащая основную обмотку, выполненную с шагом y_ср=τ=Z/(4p₀), снабжена дополнительной обмоткой с шагом y_ср=τ=Z/(4p₀). В каждой катушечной группе 1÷8 q катушек уложены в рядом расположенных q пазах магнитопровода (фиг. 2), образуя структуру на пару полюсов. Стороны катушек катушечных групп 1-4 распределены в восьми фазных зонах основной обмотки - 2N: "А, X и x, а", "В, Y и у, b ", а стороны катушек катушечных групп 5÷8 распределены в восьми фазных зонах дополнительной обмотки - 2N: "С, Z и z, с", "D, Н и h, d".

Катушечные группы 1-(A_q X_q)_p0 и 2-(x_q a_q)_p0 образуют полуфазы первой фазы основной обмотки, катушечные группы 3-(B_q Y_q)_p0 и 4-(y_q b_q)_p0 образуют полуфазы второй фазы основной обмотки. Катушечные группы 5-(C_q Z_q)_p0 и 6-(z_q c_q)_p0 образуют полуфазы первой фазы дополнительной обмотки, катушечные группы 7-(D_qHq)_p0 и 8-(h_q d_q)_p0 образуют полуфазы второй фазы дополнительной обмотки.

Каждая катушечная группа 1÷8 снабжена выводами начал и концов для возможности создания 2р₀ полюсов выполнением в каждой фазе основной и дополнительной обмотки встречного включения последующих катушечных групп 2-(x_q a_q)_p0, 4-(y_q b_q)_p0 и 6-(z_q c_q)_p0, 8-(h_q d_q)_p0 по отношению к предыдущим катушечным группам соответственно 1-(A_qX_q)_p0, 3-(B_qY_q)_p0 и 5-(C_qZq)_p0, 7-(D_qH_q)_p0 (фиг. 2).

Матричный анализ обмотки (фиг. 2) показывает ее работоспособность:

- сдвиг осей фаз обмотки равен 90 эл. град;

- высокий обмоточный коэффициент рабочей (первой) гармоники магнитного поля (табл. 4) и высокий коэффициент использования K_И - сравни с показателями двенадцатизонной обмотки (табл. 3);

- обмотка выполняется с диаметральным шагом y=τ=Z/(4p) двухслойной, заполняя всю пазовую часть магнитопровода.

На основе четырехзонных на фазу двухфазных обмоток электрической машины переменного тока строится полюсно переключаемая обмотка (НПО) для многоскоростных двигателей с числом полюсов 2р₀/4р₀, обеспечивающая при переключении числа полюсов одинаковое чередование фаз обмотки.

Это достигается тем (фиг. 3), что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп частей фаз основной 1÷4 и дополнительной обмоток 5÷8. При этом катушечные группы 1-(A_qX_q)_p0 и 5-(C_q Z_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы 2-(x_q a_q)_p0 и 6-(z_q c_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки. Катушечные группы 3-(B_q Y_q)_p0 и 8-(h_q d_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы 7-(D_q H_q)_p0 и 4-(y_qb_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки. В каждую фазу:

- первую [1-(A_qX_q)_p0 и 5-(C_qZ_q)_p0; 2-(x_qa_q)_p0 и 6-(z_qc_q)_p0],

- вторую [3-(B_q Y_q)_p0 и 8-(h_q d_q)_p0; 7-(D_q H_q)_p0 и 4-(y_qb_q)_p0]

включен мост из контактов коммутационного аппарата, который введен в состав схемы обмотки. В противоположные плечи каждого моста включены по одному нормально открытому НОК и нормально закрытому НЗК контакту (фиг. 3), образуя в местах соединения НОК и НЗК полюса диагоналей моста. Одна из диагоналей каждого моста одним полюсом соединена с концом первых полуфаз соответственно первой и второй фаз, например [1-(A_qX_q)_p0 и 5-(C_q Zq)_p0] и [3-(B_q Y_q)_p0 и 8-(h_q d_q)_p0], а другим полюсом образован конец фаз соответственно первой и второй фаз U2 и Z2. Начала фаз U1 и Z1 образуют начала соответствующих полуфаз, например [1-(A_qX_q)_p0 и 5-(C_q Z_q)_p0] и [3-(B_q Y_q)_p0 и 8-(h_q d_q)_p0]. В другую диагональ каждого моста включена соответственно вторая полуфаза соответственно первой и второй фаз, например [2-(x_q a_q)_p0 и 6-(z_q c_q)_p0] и [7-(D_q H_q)_p0 и 4-(y_qbq)_p0]. Число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен): на фиг. 3 показан случай, когда контакты НЗК_р1 замкнуты, а контакты НОК_р2 разомкнуты, обеспечивая встречное включение полуфаз 1, 5 и 2, 6 в первой фазе и согласное включение полуфаз 3, 8 и 7, 4 во второй фазе обмотки. Число полюсов 4р₀ образовано другим состоянием контактов HЗK_p1 и НОК_р2, обеспечивающим согласное включение полуфаз 1, 5 и 2, 6 в первой фазе и встречное включение полуфаз 3, 8 и 7, 4 во второй фазе обмотки. При переключении обеспечивается сохранение чередования фаз обмотки. Предложенная схема включения катушечных групп 1÷8 (фиг.3) обмотки позволяет изменять частоты вращения асинхронных двигателей по закону постоянства мощности.

ППО для многоскоростных двигателей с числом полюсов 2р₀/4р₀, обеспечивающая при переключении числа полюсов одинаковое чередование фаз обмотки, но позволяющая изменять частоту вращения асинхронных двигателей по закону постоянства момента, приведена на фиг. 5.

Это достигается тем, что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп частей фаз основной 1÷4 и дополнительной обмоток 5÷8. При этом катушечные группы 1-(A_qX_q)_р0 и 5-(C_q Z_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы 2-(x_q a_q)_p0 и 6-(z_q c_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки. Катушечные группы 3-(B_q Yq)_p0 и 8-(h_q d_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы 7-(D_q H_q)_p0 и 4 - (y_qb_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки. В каждую фазу обмотки включен мост из контактов коммутационного аппарата, который введен в состав схемы обмотки, и одной из полуфаз обмотки.

В одни противоположные плечи каждого моста включены одноименные (НЗК или НОК) контакты коммутационного аппарата, например НЗК_р1, как показано на фиг. 5.

В другие в противоположные плечи каждого моста включены:

- в одно плечо одна из полуфаз обмотки, например, в первой фазе полуфазы, включающей катушечные группы 2-(x_q a_q)_p0 и 6-(z_q c_q)_p0, а во второй фазе полуфазы, включающей катушечные группы 7-(D_q H_q)_p0 и 4-(y_qb_q)_p0, как показано на фиг. 5;

- в другое плечо - контакт коммутационного аппарата не одноименный с контактом в других плечах моста (НОК или НЗК), например НОК_р2, как показано на фиг. 5.

Число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен): на фиг. 5 показан случай, когда контакты НЗК_р1 замкнуты, а контакт НОК _р2 разомкнут, обеспечивая встречное включение полуфаз 1, 5 и 2, 6 в первой фазе и согласное включение полуфаз 3, 8 и 7, 4 во второй фазе обмотки. Число полюсов 4р₀ образовано другим состоянием контактов HЗK_p1 и НОК _р2, обеспечивающим согласное включение полуфаз 1, 5 и 2, 6 в первой фазе и встречное включение полуфаз 3, 8 и 7, 4 во второй фазе обмотки. При переключении обеспечивается сохранение чередования фаз обмотки. Предложенная схема включения катушечных групп 1÷8 (фиг. 5) обмотки позволяет изменять частоты вращения асинхронных двигателей по закону постоянства момента, так как с изменением частоты при переключении числа полюсов изменяется и напряжение, приходящее на один виток обмотки (меняется число параллельных ветвей обмотки в отношении 2/1), и как следствие величина магнитного потока, определяющего развиваемый электромагнитный момент электродвигателем.

Следует отметить, что перестановка полуфаз в фазах обмотки позволяет обеспечивать и другие законы изменения мощности и момента при изменении числа полюсов по предложенной схеме обмотки (фиг. 5).

Кроме того, на основе четырехзонных на фазу двухфазных обмоток электрической машины переменного тока строится полюсно переключаемая обмотка (ППО) для многоскоростных двигателей с числом полюсов 2р₀/4р₀, обеспечивающая при переключении числа полюсов изменение чередования фаз обмотки.

Это достигается тем (фиг. 4), что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп частей фаз основной 1÷4 и дополнительной обмоток 5÷8. При этом катушечные группы 1-(A_qX_q)_р0 и 6-(z_q c_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы 2-(x_q a_q)_p0 и 5-(C_q Z_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки. Катушечные группы 3-(B_q Y_q)_p0 и 7-(D_q H_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы 4-(y_qb_q)_p0 и 8-(h_q d_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки. В каждую фазу:

- первую [1-(A_qXq)_p0 и 6-(z_q c_q)_p0; 2-(x_q a_q)_p0 и 5-(C_q Z_q)_p0],

- вторую [3-(B_q Y_q)_p0 и 7-(D_q Hq)_p0; 4-(y_qb_q)_p0 и 8-(h_q d_q)_p0]

включен мост из контактов коммутационного аппарата, который введен в состав схемы обмотки. В противоположные плечи каждого моста включены по одному нормально открытому НОК и нормально закрытому НЗК контакту (фиг. 4), образуя в местах соединения НОК и НЗК полюса диагоналей моста. Одна из диагоналей каждого моста одним полюсом соединена с концом первых полуфаз соответственно первой и второй фаз, например [1-(A_qX_q)_р0 и 6-(z_q cq)_p0] и [3-(B_q Y_q)_p0 и 7-(D_q Hq)_p0], а другим полюсом образован конец фаз соответственно первой и второй фаз U2 и Z2. Начала фаз U1 и Z1 образуют начала соответствующих полуфаз, например [1-(A_qX_q)_р0 и 6-(z_q c_q)_p0] и [3-(B_q Y_q)_p0 и 7-(D_q H_q)_p0]. В другую диагональ каждого моста включена соответственно вторая полуфаза соответственно первой и второй фаз, например [2-(x_q a_q)_p0 и 5-(C_q Z_q)_p0] и [4-(y_qb_q)_p0 и 8-(h_q d_q)_p0]. Число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен): на фиг. 4 показан случай, когда контакты HЗК_p1 замкнуты, а контакты НОК_р2 разомкнуты, обеспечивая встречное включение полуфаз 1, 6 и 2, 5 в первой фазе, и встречное включение полуфаз 3, 7 и 4, 8 во второй фазе обмотки. Число полюсов 4р₀ образовано другим состоянием контактов HЗК_p1 и НОК_р2, обеспечивающим согласное включение полуфаз 1, 5 и 2, 6 в первой фазе и согласное включение полуфаз 3, 8 и 7, 4 во второй фазе обмотки. При переключении изменяется чередование фаз обмотки. Предложенная схема включения катушечных групп 1÷8 (фиг. 4) обмотки позволяет изменять частоты вращения асинхронных двигателей по закону постоянства мощности.

ППО для многоскоростных двигателей с числом полюсов 2р₀/4р₀, обеспечивающая при переключении числа полюсов изменение чередования фаз обмотки, но позволяющая изменять частоту вращения асинхронных двигателей по закону постоянства момента, приведена на фиг. 6.

Это достигается тем, что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп частей фаз основной 1÷4 и дополнительной обмоток 5÷8. При этом катушечные группы 1-(A_qX_q)_p0 и 6-(zq c_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы 2-(x_q a_q)_p0 и 5-(C_q Z_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки. Катушечные группы 3-(B_q Y_q)_p0 и 7-(D_q H_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы 4-(y_qb_q)_p0 и 8-(h_q dq)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки. В каждую фазу обмотки включен мост из контактов коммутационного аппарата, который введен в состав схемы обмотки, и одной из полуфаз обмотки.

В одни противоположные плечи каждого моста включены одноименные (НЗК или НОК) контакты коммутационного аппарата, например НЗК_p1, как показано на фиг. 6.

В другие в противоположные плечи каждого моста включены:

- в одно плечо одна из полуфаз обмотки, например в первой фазе полуфазы, включающей катушечные группы 2-(x_q a_q)_p0 и 5-(C_q Z_q)_p0, а во второй фазе полуфазы, включающей катушечные группы 4-(y_qb_q)_p0 и 8-(h_q d_q)_p0, как показано на фиг. 6;

- в другое плечо - контакт коммутационного аппарата, не одноименный с контактом в других плечах моста (НОК или НЗК), например НОК_р2, как показано на фиг. 6.

Число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен): на фиг. 6 показан случай, когда контакты HЗК_p1 замкнуты, а контакт НОК_p2 разомкнут, обеспечивая встречное включение полуфаз 1, 6 и 2, 5 в первой фазе, и встречное включение полуфаз 3, 7 и 4, 8 во второй фазе обмотки. Число полюсов 4р₀ образовано другим состоянием контактов HЗК_p1 и НОК_р2, обеспечивающим согласное включение полуфаз 1, 6 и 2, 5 в первой фазе и согласное включение полуфаз 3, 7 и 4, 8 во второй фазе обмотки. При переключении обеспечивается изменение чередования фаз обмотки. Предложенная схема включения катушечных групп 1÷8 (фиг. 6) обмотки позволяет изменять частоты вращения асинхронных двигателей по закону постоянства момента, так как с изменением частоты при переключении числа полюсов изменяется и напряжение, приходящее на один виток обмотки (меняется число параллельных ветвей обмотки в отношении 2/1), и как следствие величина магнитного потока, определяющего развиваемый электромагнитный момент электродвигателем.

Следует отметить, что перестановка полуфаз в фазах обмотки позволяет обеспечивать и другие законы изменения мощности и момента при изменении числа полюсов по предложенной схеме обмотки (фиг. 5). Матричный анализ НПО обмотки при удвоенном числе полюсов (фиг. 5) показывает ее работоспособность:

- обеспечиваемый сдвиг осей фаз обмотки равен +90 и -90 эл. град в зависимости от схемы ППО (фиг 3, 5 и 4, 6) - с сохранением чередования фаз или изменением чередования фаз обмотки;

- обмоточный коэффициент рабочей (первой) гармоники магнитного поля (табл. 5) выше и коэффициент использования К_И сравним с показателями при меньшем числе полюсов (табл. 4, 5);

- ППО может выполняться с различными законами изменения мощности и момента, расширяя ее области применения;

- ППО по схеме на фиг. 5 и 6 имеет меньшее число контактов (сравни с фиг. 3 и 4).

продолжение

Обмотка электрической машины переменного тока с пропуском пазов 1÷4 (фиг. 1) четырехзонная на фазу двухслойная, выполненная с шагом по пазам y_ср=τ, может быть размещена в Z_H пазах магнитопровода, которое равно

при этом q пазов выполнено в каждой паре фазных зон α_ф "A-b, Х-В, x-Y, a-y" в пределах α_ф=2π/(8 р₀) радиан с чередованием с беспазовыми зонами "O_q", равными фазным зонам α_ф=2π/(8 р₀).

Такое исполнение обмотки с высоким коэффициентом использования позволяет увеличить электромагнитные нагрузки, создаваемые обмоткой, и электромагнитный момент электрической машины переменного тока.

Результаты анализа предложенных схем обмотки показывают их работоспособность: создаются рабочие магнитные поля с заданным числом полюсов, и обмотки обладают высоким обмоточным коэффициентом для рабочих гармоник поля.

Таким образом, предлагаемые исполнения обмотки машин переменного тока позволяют обеспечить равенство фазных зон обеих фаз на полюс и новые числовые ряды пазов под обмотку:

- Z кратное 2N=8: 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64,72 …;

- Z_H кратное N=4:4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36, 40, 44, 48, 52 …,

что расширяет возможные исполнения машин данного класса, расширяя применение обмоток электрических машин переменного тока. Кроме того, ППО на базе четырехзонной на фазу основной и добавочной обмотки позволяет реализовать переключение числа полюсов как без изменения чередования фаз обмотки, так и с изменением чередования фаз, что отличает ее от известных ППО. Кроме того, возможны различные законы изменения мощности и момента при переключение числа полюсов, что также расширяет применение обмоток электрических машин переменного тока.

При этом двухфазная обмотка сохраняет положительные качества трехфазного исполнения четырехзонных на фазу обмоток электрических машин переменного тока:

- снижение расхода меди за счет уменьшения средней длины витка,

- уменьшение вылета лобовых частей обмотки за счет укорочения шага обмотки по пазам,

- уменьшение активного и индуктивного сопротивлений фаз, обусловленные лобовыми частями обмоток,

- упрощение технологии укладки обмотки с меньшим шагом по пазам магнитопровода электрической машины.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству многофазных обмоток электрических машин переменного тока, и может быть использовано при изготовлении энергоэффективных электродвигателей переменного тока, в том числе и многоскоростных двигателей, обладающих свойством полисинхронизма. Технический результат - расширение области применения. Обмотка электрической машины переменного тока выполнена в Z пазах магнитопровода двухфазной (m=2) с числом пар полюсов р₀, содержит N фазных зон в каждой фазе на паре полюсов равным восьми. При этом число пазов Z магнитопровода определено соотношением Z=4mp₀q. Обеспечивает равенство фазных зон обеих фаз на полюс и новый числовой ряд пазов Z под обмотку, при котором число пазов Z кратно N=8, что расширяет возможные исполнения машин данного класса. Обмотка имеет структуру с распределением сторон катушек в пазах по закону

на пару полюсов, образуя полуфазы двухслойной обмотки, содержащей четырехзонную на фазу и пару полюсов основную часть и четырехзонную на фазу и пару полюсов дополнительную часть с числом полюсов 2р₀. Встречное или согласное включение полуфаз последовательно или параллельно обеспечивает получение числа полюсов, равное 2р₀ и 4р₀, с сохранением или изменением чередования фаз. 6 з.п. ф-лы, 5 табл., 6 ил.

1. Обмотка электрической машины переменного тока, размещенная в Z пазах магнитопровода, выполненная двухфазной (m=2) с числом пар полюсов р₀, содержит N фазных зон в каждой фазе на паре полюсов, а в каждой паре фазных зон расположена катушечная группа, состоящая из последовательно включенных катушек, отличающаяся тем, что число фазных зон обмотки 2N равно восьми, число катушек q в каждой катушечной группе одинаково, при этом число пазов Z магнитопровода определено соотношением

обмотка выполнена с шагом по пазам у_ср=τ при τ=Z/(Np₀)=Z/(4p₀), а

где i=1,…q, q катушек катушечных групп которой уложены в рядом расположенных q пазах магнитопровода, образуя структуру с распределением сторон катушек в пазах по закону

на пару полюсов, образуя основную четырехзонную на фазу и пару полюсов двухслойную обмотку, где "А, X и x, а", "В, Y и y, b" - фазные зоны обмотки, при этом (A_q X_q)_p0 и (x_q a_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы первой фазы основной обмотки, (B_q Y_q)_p0, и (y_q b_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы второй фазы основной обмотки, индекс "q" - это число катушечных сторон, размещенных рядом в соответствующей фазной зоне, и индекс "р₀" - это число повторяющихся структур, определяющих число пар полюсов обмотки, O_q - число пустых пазов, равное q, а каждая катушечная группа снабжена выводами начал и концов для возможности создания 2р₀ полюсов выполнением в каждой фазе обмотки встречного включения последующих катушечных групп (x_q a_q)_p0 и (y_q b_q)_p0 по отношению к предыдущим катушечным группам (A_q X_q)_p0 и (B_qY_q)_p0.

2. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 1, отличающаяся тем, что обмотка электрической машины переменного тока, содержащая основную обмотку, выполненную с шагом у_ср=τ=Z/(4р₀), снабжена дополнительной обмоткой с шагом у_ср=τ=Z/(4p₀), q катушек катушечных групп которой уложены в рядом расположенных q пазах магнитопровода, образуя структуру с распределением сторон катушек в пазах по закону

на пару полюсов, образуя двухслойную обмотку, содержащую четырехзонную на фазу и пару полюсов основную часть и четырехзонную на фазу и пару полюсов дополнительную часть, где "А, X и х, а", "В, Y и y, b" - фазные зоны основной части обмотки, при этом (A_q X_q)_p0 и (x_q a_q)_p0 -катушечные группы, образующие полуфазы первой фазы основной части обмотки, и (B_q Y_q)_p0 и (y_q b_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы второй фазы основной части обмотки, а "С, Z и z, с", "D, Н и h, d" - фазные зоны дополнительной части обмотки, при этом (C_q Z_q)_p0 и (z_q c_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы первой фазы дополнительной части обмотки и (D_qH_q)_p0 и (h_q d_q)_p0 - катушечные группы, образующие полуфазы второй фазы дополнительной части обмотки, при этом индекс "q" - это число катушечных сторон размещенных рядом в соответствующей фазной зоне, и индекс "р₀" - это число повторяющихся структур, определяющих число пар полюсов обмотки, а каждая катушечная группа снабжена выводами начал и концов для возможности создания 2 р₀ полюсов выполнением в каждой фазе обмотки встречного включения последующих катушечных групп (x_q a_q)_p0, (z_q c_q)_p0 и (y_q b_q)_p0, (h_q d_q)_p0 по отношению к предыдущим катушечным группам (A_q X_q)_p0, (C_q Z_q)_p0 и (B_qY_q)_p0, (D_qH_q)_p0.

3. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 2, отличающаяся тем, что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп частей фаз основной и дополнительной обмоток, при этом катушечные группы (A_qXq)_p0 и (C_q Zq)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы (x_q a_q)_p0 и (z_q c_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки, а катушечные группы (B_q Y_q)_p0 и (h_q d_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы (D_q H_q)_p0 и (y_qb_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки, в каждую фазу включен мост из контактов коммутационного аппарата, в противоположные плечи каждого моста включены по одному нормально открытому и нормально закрытому контакту, образуя в местах соединения НОК и НЗК полюса диагоналей моста, одна из диагоналей каждого моста одним полюсом соединена с концом первой полуфазы, а другим полюсом образован конец фазы, в другую диагональ каждого моста включена соответственно вторая полуфаза, число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен), а число полюсов 4р₀ - другим состоянием контактов НОК и НЗК (включен, выключен), обеспечивая в обоих случаях одинаковое чередование фаз обмотки.

4. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 2, отличающаяся тем, что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп основной и дополнительной частей фаз обмоток, при этом катушечные группы (A_qX_q)_p0 и (z_qc_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы (C_q Z_q)_p0 и (x_qa_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки, а катушечные группы (B_q Y_q)_p0 и (D_q H_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы (b_qy_q)_р0 и (h_q d_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки, в каждую фазу включен мост из контактов коммутационного аппарата, в противоположные плечи каждого моста включены по одному нормально открытому и нормально закрытому контакту, образуя в местах соединения НОК и НЗК полюса диагоналей моста, одна из диагоналей каждого моста одним полюсом соединена с концом первой полуфазы, а другим полюсом образован конец фазы, в другую диагональ каждого моста включена соответственно вторая полуфаза, число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен), а число полюсов 4р₀ - другим состоянием контактов НОК и НЗК (включен, выключен), меняя при этом чередование фаз обмотки.

5. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 2, отличающаяся тем, что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп основной и дополнительной частей фаз обмоток, при этом катушечные группы (A_qX_q)_p0 и (C_q Z_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы (x_q a_q)_p0 и (z_q c_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки, а катушечные группы (B_q Y_q)_p0 и (h_q d_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы (D_q H_q)_p0 и (y_qb_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки, в каждой фазе обмотки образован мост из контактов коммутационного аппарата и одной из полуфаз обмотки, в одни противоположные плечи каждого моста включены одноименные (НЗК или НОК) контакты коммутационного аппарата, в другие в противоположные плечи каждого моста включены: в одно плечо - одна из полуфаз обмотки и в другое плечо - контакт коммутационного аппарата, не одноименный с контактом в других плечах моста (НОК или НЗК), другая полуфаза обмотки включена в одну диагональ моста, а концы другой диагонали образуют начало и конец фаз обмотки, число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен), а число полюсов 4р₀ - другим состоянием контактов НОК и НЗК (включен, выключен), обеспечивая в обоих случаях одинаковое чередование фаз обмотки.

6. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 2, отличающаяся тем, что фазы двухслойной обмотки образованы из катушечных групп основной и дополнительной частей фаз обмоток, при этом катушечные группы (A_qX_q)_p0 и (z_qc_q)_р0 включены последовательно встречно, образуя первую полуфазу первой фазы обмотки, и катушечные группы (C_q Z_q)_p0 и (x_qa_q)_p0 включены последовательно встречно, образуя вторую полуфазу первой фазы обмотки, а катушечные группы (B_q Y_q)_p0 и (D_q H_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя первую полуфазу второй фазы обмотки, и катушечные группы (b_qy_q)_p0 и (h_q d_q)_p0 включены последовательно согласно, образуя вторую полуфазу второй фазы обмотки, в каждой фазе обмотки образован мост из контактов коммутационного аппарата и одной из полуфаз обмотки, в одни противоположные плечи каждого моста включены одноименные (НЗК или НОК) контакты коммутационного аппарата, в другие в противоположные плечи каждого моста включены: в одно плечо - одна из полуфаз обмотки и в другое плечо - контакт коммутационного аппарата, не одноименный с контактом в других плечах моста (НОК или НЗК), другая полуфаза обмотки включена в одну диагональ моста, а концы другой диагонали образуют начало и конец фаз обмотки, число полюсов 2р₀ образовано одним состоянием НОК и НЗК коммутационного аппарата (выключен, включен), а число полюсов 4р₀ - другим состоянием контактов НОК и НЗК (включен, выключен), меняя при этом чередование фаз обмотки.

7. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 1, отличающаяся тем, что четырехзонная на фазу двухслойная обмотка, выполненная с диаметральным шагом у_ср=τ=Z/(4p₀), размещена в Z_H пазах, которое равно

при этом q пазов выполнено в каждой паре фазных зон α_ф "A-b, Х-В, х-Y, а-y" в пределах α_ф=2π/(8р₀) радиан с чередованием с беспазовыми зонами "O_q", равными фазным зонам α_ф=2π/(8р₀).