Многофазный электродвигатель переменного тока для привода электротранспорта Российский патент 2025 года по МПК H02K3/28 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродвигателям переменного тока, используемым в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями напряжения.

Уровень техники.

Известным устройством аналогичного назначения, является двухфазный электродвигатель асинхронного типа, имеющий статор с фазной и пусковой обмоткой, расположенными со сдвигом 90 градусов. Конструкция таких электродвигателей асинхронного типа описана в [1]. Двухфазные асинхронные электродвигатели имеют худшие характеристики, чем трёхфазные, и используются в приводах небольшой мощности, благодаря возможности подключения к однофазной сети. Пусковая обмотка подключается через фазосдвигающий конденсатор.

В качестве наиболее близкого аналога заявленного изобретения можно указать трёхфазный электродвигатель асинхронного или синхронного типа, получивший наиболее широкое применение в настоящее время. Трёхфазный электродвигатель имеет статор с тремя фазными обмотками, расположенными со сдвигом 120 градусов и соединенными в звезду или в треугольник. Конструкция таких электродвигателей асинхронного и синхронного типа описана в [2]. Важным требованием к конструкции обмоток любого трехфазного электродвигателя является формирование в статоре вращающегося магнитного поля синусоидальной формы. Несинусоидальное магнитное поле содержит гармоники, не производящие полезной работы и вызывающие дополнительные потери энергии в электродвигателе. Наибольшее влияние оказывает третья гармоника, имеющая значительную амплитуду и создающая вращающееся магнитное поле обратной последовательности. Это приводит к созданию обратного вращающего момента, что вызывает уменьшение мощности электродвигателя и дополнительный нагрев электродвигателя. Для уменьшения высших гармоник в форме магнитного поля применяется двухслойная обмотка с укороченным шагом [3]. При этом фазные обмотки выполняются таким образом, что части обмоток соседних фаз располагаются в одном и том же пазу. Это позволяет снизить значение третьей гармоники и почти полностью убрать пятую гармонику. Недостатком такого совмещения в одном пазу частей обмоток разных фаз является наличие бесполезных затрат энергии при протекании токов разных фаз, имеющих встречное направление в определённые моменты времени, как показано на фиг.1. На представленной диаграмме фазных токов IA, IB, IC, показаны участки времени, когда токи в частях обмоток, расположенных в одном пазу, протекают во встречных направлениях и компенсируют друг друга (заштрихованные области). При этом омические потери от протекания токов в этих частях обмоток есть, а полезная работа при этом не производится. Максимальная компенсация противоположных токов происходит в момент времени tм. Также существенным недостатком двухслойной обмотки с укороченным шагом является необходимость увеличения число витков в пазу и как следствие уменьшение сечения провода, что ведёт к снижению мощности электродвигателя. В результате наличия дополнительных потерь из-за встречно направленных токов в совмещённых частях обмоток, а также увеличенного количества витков в пазу, электродвигатель имеет повышенные габариты и массу. Указанный недостаток особенно проявляется при применении электродвигателя для привода электротранспорта, где массогабаритные показатели имеют решающее значение.

Сущность изобретения.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение арсенала электродвигателей переменного тока для привода электротранспорта.

Электродвигатель переменного тока для привода электротранспорта - наиболее важная его часть, к которой предъявляются повышенные требования к экономичности и уменьшению массогабаритных показателей. Питание электродвигателя осуществляется от преобразователя напряжения, обеспечивающего его работу в различных динамических режимах при различных частотах вращения.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение массогабаритных показателей электродвигателя переменного тока.

Существенными признаками заявленного изобретения являются: статор электродвигателя, обмотка статора, ротор синхронного или асинхронного типа, вал ротора, корпус электродвигателя.

Существенным отличительным признаком заявленного изобретения, обеспечивающей получение технического результата является то, что обмотка статора электродвигателя выполнена отдельными односекционными фазными катушками, каждая из которых занимает два паза статора с диаметральным шагом на одно полюсное деление. Фазные катушки, расположенные со сдвигом 120 градусов, образуют трёхфазные группы. Таким образом, обмотка статора электродвигателя состоит из нескольких трёхфазных групп, фазы которых сдвинуты на угол, равный углу между соседними пазами статора. Количество фаз обмотки статора определяется числом пазов и количеством пар полюсов. Общее число фаз кратно трём (6,9,12,15 и т.д.). Для получения формы магнитного поля статора близкой к синусоидальной, число фаз должно быть не менее девяти.

Питание электродвигателя осуществляется от многофазного преобразователя напряжения с соответствующим числом фаз. Большое количество фаз обеспечивает синусоидальную форму создаваемого магнитного поля. При этом каждая секция обмотки статора, являющаяся отдельной фазой, питается от соответствующей фазы преобразователя напряжения индивидуально, в результате чего обмотка статора не имеет недостатков, присущих двухслойным обмоткам с укороченным шагом и однослойным обмоткам. Кроме того индивидуальное питание каждой секции обмотки статора позволяет компенсировать нелинейность кривой магнитной индукции при значениях, близких к насыщению, что также позволяет обеспечить синусоидальную форму магнитного поля при максимальных значениях магнитной индукции.

Перечисленная совокупность признаков обеспечивает получение указанного технического результата.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых элементов, и их связями с остальными элементами. Таким образом, изобретение является новым. Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями из смежных областей техники позволяет сделать вывод об отсутствии в них существенных отличительных признаков заявленного изобретения.

Перечень фигур чертежей и иных материалов.

На фиг.1 представлена диаграмма трёхфазного тока, на которой показаны токи в совмещенных частях трёхфазных обмоток, имеющих встречное направление и компенсирующие друг друга.

На фиг.2 схема расположения обмоток девятифазного электродвигателя с числом пар полюсов p=1.

На фиг.3 представлена векторная диаграмма фазных напряжений для девятифазного электродвигателя.

На фиг.4 представлена векторная диаграмма фазных напряжений для двенадцатифазного электродвигателя.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Схема расположения обмоток девятифазного электродвигателя с числом пар полюсов q=1 показана на фиг.2. На схеме показаны: статор 10, пазы для обмоток статора 11, обмотка первой фазы первой трёхфазной группы 1, обмотка второй фазы первой трёхфазной группы 2, обмотка третьей фазы первой трёхфазной группы 3, обмотка первой фазы второй трёхфазной группы 4, обмотка второй фазы второй трёхфазной группы 5, обмотка третьей фазы второй трёхфазной группы 6, обмотка первой фазы третьей трёхфазной группы 7, обмотка второй фазы третьей трёхфазной группы 8, обмотка третьей фазы третьей трёхфазной группы 9.

Число пазов статора z=18. Фазные обмотки трёхфазных групп имеют между собой сдвиг 120 градусов и соединяются в звезду или в треугольник. Сдвиг фаз между первыми фазами трёхфазных групп для девятифазного электродвигателя равен 20 градусам. Векторная диаграмма фазных напряжений для девятифазного электродвигателя показана на фиг.3. На диаграмме показаны: вектор напряжения первой фазы первой трёхфазной группы 1, вектор напряжения второй фазы первой трёхфазной группы 2, вектор напряжения третьей фазы первой трёхфазной группы 3, вектор напряжения первой фазы второй трёхфазной группы 4, вектор напряжения второй фазы второй трёхфазной группы 5, вектор напряжения третьей фазы второй трёхфазной группы 6, вектор напряжения первой фазы третьей трёхфазной группы 7, вектор напряжения второй фазы третьей трёхфазной группы 8, вектор напряжения третьей фазы третьей трёхфазной группы 9.

В двенадцатифазном электродвигателе с одной парой полюсов Число пазов статора z=24. Сдвиг фаз между первыми фазами трёхфазных групп для двенадцатифазного электродвигателя равен 15 градусам. Векторная диаграмма фазных напряжений для двенадцатифазного электродвигателя показана на фиг.4. На диаграмме показаны: вектор напряжения первой фазы первой трёхфазной группы 1, вектор напряжения второй фазы первой трёхфазной группы 2, вектор напряжения третьей фазы первой трёхфазной группы 3, вектор напряжения первой фазы второй трёхфазной группы 4, вектор напряжения второй фазы второй трёхфазной группы 5, вектор напряжения третьей фазы второй трёхфазной группы 6, вектор напряжения первой фазы третьей трёхфазной группы 7, вектор напряжения второй фазы третьей трёхфазной группы 8, вектор напряжения третьей фазы третьей трёхфазной группы 9, вектор напряжения первой фазы четвертой трёхфазной группы 10, вектор напряжения второй фазы четвертой трёхфазной группы 11, вектор напряжения третьей фазы четвертой трёхфазной группы 12.

При увеличении числа пар полюсов пропорционально увеличивается число пазов статора. При этом фазные обмотки могут быть как волновыми, так и петлевыми.

Устройство работает следующим образом. При подключении фазных обмоток к многофазному преобразователю напряжения с соответствующим числом фаз и соответствующим сдвигом между фазами, формируется вращающееся магнитное поле синусоидальной формы. Вращающееся магнитное поле статора взаимодействует с магнитным полем ротора, что приводит к вращению ротора. Ротор электродвигателя может быть синхронного или асинхронного типа.

Библиографические данные.

Аминова А.О., Васильев В.Ф., Королев В. И. Асинхронные конденсаторные двигатели: учебное пособие/ ВШТЭ СПбГУПТД. -СПб., 2018. Часть 1.- 24 с., с. 4.

Беспалов В.Я. Электрические машины: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленец.- М.: Издательский центр «Академия», 2006, с. 85, с. 173.

Копылов И.П. Проектирование электрических машин: учебник для вузов/под ред. И. П. Копылова. - 4-е изд., исправленн. и доп. - М.: Высшая школа, 2005, с. 118.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – снижение массогабаритных показателей электродвигателя переменного тока. Технический результат достигается тем, что обмотка статора электродвигателя выполнена отдельными односекционными фазными катушками, каждая из которых занимает два паза статора с диаметральным шагом на одно полюсное деление. Фазные катушки, расположенные со сдвигом 120 градусов, образуют трёхфазные группы. Таким образом, обмотка статора электродвигателя состоит из нескольких трёхфазных групп, фазы которых сдвинуты на угол, равный углу между соседними пазами статора. Число пазов статора определяется количеством фаз обмотки статора и количеством пар полюсов. Общее число фаз кратно трём. Для получения формы магнитного поля статора, близкой к синусоидальной, число фаз должно быть не менее девяти. 4 ил.

Многофазный электродвигатель переменного тока для привода электротранспорта, содержащий статор электродвигателя, обмотку статора, ротор синхронного или асинхронного типа, вал ротора, корпус электродвигателя, отличающийся тем, что обмотка статора электродвигателя выполнена отдельными односекционными фазными катушками, каждая из которых занимает два паза статора, с диаметральным шагом на одно полюсное деление, при этом фазные катушки, расположенные со сдвигом 120 градусов, образуют трёхфазные группы таким образом, что обмотка статора электродвигателя состоит из нескольких трёхфазных групп, фазы которых сдвинуты на угол, равный углу между соседними пазами статора, причём количество пазов статора определяется количеством фаз обмотки статора и количеством пар полюсов, при этом общее число фаз кратно трём.