Результат интеллектуальной деятельности: Обмотка статора машины переменного тока

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкциям статоров машин переменного тока. Данное изобретение может быть использовано в любом электроприводе переменного тока.

Известна трехфазная асинхронная машина, в которой применена статорная обмотка, выполненная составной из двух независимых трехфазных обмоток, соединенных соответственно в треугольник и звезду, каждая из которых подключена к питающей сети, при этом начала одноименных фаз обмоток смещены в пространстве относительно друг друга на угол сдвига α₀=30 эл. град. (RU 2507664 С2, H02K 3/28, H02K 17/12).

Недостатком таких совмещенных обмоток является невозможность изготовления обмоток с соотношением угла сдвига α₀=30 эл. градусов и пазового угла α_z=2πp/z, равным дробному числу, где р - число пар полюсов, z - число пазов.

Известна машина электрическая вращающаяся, статорная обмотка которой содержит составную обмотку, обе трехфазные части которой (обмотки «треугольника» и «звезды») сравнимы по мощности, но занимают разное число пазов. Катушки обмотки «звезда» занимают 2 слоя в пазу и размещаются равносекционно, а обмотка «треугольника» имеет больший шаг обмотки и наматывается концентрическим способом. Такая обмотка получается трехслойной и укладывается во все пазы в расточке статора (RU 111723 Ul, H02K 3/28, H02K 17/14, 21.12.2011).

Недостатками данной обмотки является значительная трудоемкость.

Наиболее близким к заявленной обмотке по составу и функциональным признакам является обмотка асинхронного двигателя, состоящая из двух частей, соединенных соответственно в треугольник и звезду, при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном при соотношении угла сдвига фаз одноименных обмоток α₀=30 эл. град. и пазового угла α_z=2πp/z не равно целому числу (α₀/α_z≠k, где k - любое целое число), отличающаяся тем, что число секций в фазе «треугольника» n_тр выполняется меньше на единицу, чем в фазе «звезды» n_тр=n_зв-1, где n_зв - число секций в фазе «звезды») (RU 176753 U1, Н02К 3/28, 29.01.2018).

Недостатком известной обмотки является трудоемкость изготовления, связанная с различным числом секций в фазах двух частей обмотки, а также низкие энергетические характеристики в связи с неполным использованием объема пазов.

Проблема, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение энергетических характеристик обмотки.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в снижении трудоемкости изготовления и повышении энергетических характеристик обмотки.

Технический результат достигается тем, что в обмотке статора машины переменного тока с числом пазов на полюс и фазу q=3, состоящей из двух частей, соединенных соответственно в треугольник и звезду, при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном число секций в фазах первой и второй частей принято равным трем, причем стороны секций сходственных фаз занимают три смежных паза с пространственным сдвигом в 26,666 эл. град.

Сущность заявленного изобретения поясняется на фиг. 1-фиг. 4, где:

фиг. 1 - схема соединения обмоток;

фиг. 2 - векторная диаграмма напряжений;

фиг. 3 - развертка сечения пазов статора прототипа;

фиг. 4 - продольное сечение пазов статора заявки.

На фиг. 1 показана схема включения фаз двух частей обмотки. Фазы D, Е и F соединены в треугольник и образуют первую полуобмотку. Фазы А, В и С соединены в звезду с нейтральной точкой N и образуют вторую полуобмотку.

На фиг. 2 представлена векторная диаграмма напряжений полуобмоток. Напряжения U_A, U_B, U_C образуют симметричную трехфазную систему напряжений прямой последовательности. Они имеют действующее значение U. Напряжения U_D, U_E, U_F тоже образуют симметричную трехфазную систему напряжений прямой последовательности с действующим значением U', причем

Токи полуобмоток удовлетворяют равенству

Для выполнения равенства магнитодвижущих сил полуобмоток принимается соотношение

Отметим, что напряжение u_D опережает по фазе напряжение u_A на угол π/6 рад. или на 30 эл. град. Аналогично напряжение u_E опережает по фазе напряжение u_B на угол π/6 рад., и напряжение u_F опережает по фазе напряжение u_C на угол π/6 рад.

На фиг. 3 показана развертка сечения обмотки прототипа. Каждый паз разделен на две части в пропорции 2 к 3.

Фаза D первой полуобмотки, соединенной в треугольник, имеет 2 паза на полюс и фазу и занимает нижние части пазов 1, 2 и 10, 11. Фаза А второй полуобмотки, соединенной в звезду, имеет 3 паза на полюс и фазу и занимает верхние части пазов 2-4 и 11-13. Видно, что фаза А смещена в пространстве от фазы D вперед на 1,5 паза, т.е. на угол π/6 эл. рад (30 эл. град).

Фаза Е первой полуобмотки занимает нижние части пазов 7, 8 и 16, 17, а фаза F - нижние части пазов 13, 14 и 4, 5. Нижние части пазов 3, 6, 9, 12, 15, 18 не заполнены (залиты серым цветом).

Фаза В второй полуобмотки занимает верхние части пазов 8-10 и 17-19, а фаза С - верхние части пазов 14-16 и 5-7.

На фиг. 4 показана развертка сечения заявляемой обмотки статора электрической машины переменного тока с полным заполнением всех пазов.

Фаза D первой полуобмотки, соединенной в треугольник, расположена в пазах 1, 10 и в верхней половине пазов 2, 11. Фаза А второй полуобмотки, соединенной в звезду, расположена в нижней половине пазов 2, 11 и в пазах 3, 12. Видно, что центры масс этих фаз смещены на 1,333 паза или на 26,666 эл. град. Следовательно, первые пространственные гармоники МДС полуобмоток сдвинуты на 3,333 эл. град. Отметим, что коэффициент уменьшения результирующей МДС

k_у=cos(l,666°)=0,999577≈1,0.

Фаза Е первой полуобмотки занимает пазы 7, 16 и верхние половины пазов 8, 17 и, а фаза F - пазы 13, 4 и верхние половины пазов 14, 5.

Фаза В второй полуобмотки занимает нижние половины пазов 8, 17 и пазы 9, 18, а фаза С -нижние части пазов 14, 5 и пазы 15, 6.

Согласно теории подобия справедливы равенства

P=ρj²V_м;

F=k_змSj;

Здесь Р - мощность потерь; ρ - удельное сопротивление меди; j - плотность тока; V_м - объем меди; S - площадь поперечного сечения меди; k_зм - коэффициент заполнения медью; F - МДС; - длина проводника.

Суммарная площадь поперечного сечения меди всех секций прототипа

Здесь S_м - площадь сечения меди в одном заполненном пазу.

Площадь поперечного сечения меди секцийзаявляемой обмотки

S_з=18S_м.

Отсюда следует

Если не учитывать коэффициенты распределения обмоток, то заявляемая обмотка имеет преимущество перед прототипом в создаваемой МДС при сохранении мощности потерь в обмотках.

В программе моделирования были приняты следующие значения амплитуд плотностей токов:

Скачок магнитного потенциала при проходе одного паза с единичной плотностью тока принят за единицу.

Амплитуды пространственных гармоник МДС прототипа и заявляемой обмотки приведены в таблице.

Действующие значения первой и высших гармоник прототипа

Е_п1=1,7617; E_пh=0,2169.

Действующие значения первой и высших гармоник заявляемой обмотки

Е_з1=1,9976; Е_зh=0,2040.

Видно, что первая пространственная гармоника предлагаемой обмотки-больше, чем у прототипа, на 13,39% при сохранении мощности электрических потерь. Действующее значение высших гармоник предлагаемой обмотки меньше, чем у прототипа, на 5,95%.

Таким образом, благодаря выполнению частей обмотки с равным числом секций в фазах, равным трем, причем стороны секций сходственных фаз занимают три смежных паза с пространственным сдвигом в 26,666 эл. град., получена обмотка с повышенной первой пространственной гармоникой магнитодвижущей силы и с меньшим эффективным значением высших пространственных гармоник при сохранении мощности электрических потерь.

В результате снижена трудоемкость изготовления и повышены энергетические характеристики обмотки.