Двухслойная обмотка электрической машины

 

Использование изобретения: в электрических машинах средней и большой мощности. Сущность изобретения: двухслойная обмотка электрической машины содержит жесткие секции, часть которых расположена одной стороной в нижнем слое, а другой стороной в верхнем слое пазов. Часть пазов выполнена углубленными. В предложенной обмотке секции, число которых равно шагу обмотки, расположены обеими сторонами в нижних слоях разнотипных пазов. Такое же число секций расположено в верхних слоях разнотипных пазов. Изобретение позволяет повысить технологичность процесса укладки обмоток и улучшает энергетические характеристики машин. 4 ил.

Изобретение относится к двухслойным обмоткам электрических машин.

В настоящее время в электрических машинах средней и большой мощности наиболее часто используются двухслойные обмотки.

По способу изготовления и укладки двухслойные обмотки могут быть подразделены на два типа: мягкие обмотки и жесткие.

Секции мягких обмоток (мягкие секции) изготавливаются из круглых проводников, их лобовые части отформовывают после укладки в пазы.

Секции жестких обмоток (жесткие секции ) изготавливают из прямоугольных проводников, их лобовые части формуют до укладки в пазы. Двухслойные обмотки из жестких секций широко применяются в машинах мощностью свыше 100 кВт.

В двухслойной обмотке из жестких секций лобовые части образуют ровную корзину (решетку), хорошо продуваемую охлаждающим воздухом, что повышает эффективность системы охлаждения и позволяет снизить потери, расходуемые на вентиляцию машины.

Упорядоченная укладка прямоугольных проводников обмотки из жестких секций обеспечивает улучшенные массо-габаритные показатели машин (благодаря рациональному использованию зубцовой зоны) и их высокую надежность: при беспорядочной укладке проводников обмоток из жестких секций возникают перехлесты проводников, что ведет к низкому заполнению пространства паза медью и повреждению изоляции проводников.

Технологическим недостатком двухслойных обмоток является затрудненность окончания укладки секций в пазы.

В начале укладки секции числом, равным шагу обмотки у укладываются в пазы только одной стороной - в нижний слой пазов, другая сторона секций остается неуложенной и несколько отогнутой от зубцовой зоны машины. Когда укладка подходит к концу, под эти отогнутые стороны подводятся и укладываются в нижний слой пазов стороны последних укладываемых секций. После этого отогнутые стороны секций могут быть уложены в верхний слой пазов.

Отгибание сторон секций и подведение под них сторон последних укладываемых секций существенно снижает технологичность процесса укладки обмоток. Кроме того, значительные трудности при укладке обмоток вызывает то обстоятельство, что отогнутые стороны секций заполняют пространство в зоне укладки и мешают введению в эту зону очередных секций.

Для устранения этого недостатка при укладке мягких секций используется специальный метод: секции числом у укладывают обеими сторонами в нижние слои пазов. Последующая укладка производится обычным способом - каждая секция укладывается одной стороной в нижний слой паза, другой - в верхний слой. Последние у секций укладываются в верхние слои пазов обеими сторонами. Некоторая несимметрия индуктивных сопротивлений фаз обмоток, обусловленная различным положением сторон секций в пазах не отражается заметным образом на работе машины и поэтому вполне может быть допущена.

Для жестких секций такая укладка неприменима и отгибание секций на протяжении шага неизбежно. Оно особенно затруднено в машинах с малым числом полюсов, что вынуждает применять в них либо очень сильно укороченный шаг, либо разрезные секции.

Сложность обмоток с отгибанием секций возрастает с увеличением шага обмотки, и наиболее значительна она у машин с числом полюсов 2р=2.

Технологически вынужденное большое укорочение шага обмотки приводит к целому ряду отрицательных последствий: повышению расхода обмоточной меди, ухудшению энергетических и акустических характеристик машин.

П р и м е р. Асинхронный двигатель мощностью 132.0 кВт, с синхронной частотой вращения 3000 об/мин.

Число полюсов 2р=2, число пазов статора Z=48.

Диаметральный (без укорочения) шаг у=24.

I вариант. Технологически вынужденный шаг - 15. Обмоточный коэффициент при этом равен 0.795, длина витка обмотки статора 1733.5 мм.

II вариант. Рекомендуемый из соображений улучшения спектра МДС шаг - 20. Обмоточный коэффициент в этом случае равен 0.923, длина витка обмотки статора - 1881.4 мм.

При одной величине главного магнитного потока машины (обеспечено соответствующим числом последовательных витков фазы для обоих вариантов) электрические потери в обмотке статора в первом варианте равны 2147.0 Вт, а во втором - 1728.3 Вт, т.е. на 24% меньше.

Повышенные электрические потери в обмотке статора (следствие сильного укорочения ее шага) снижают КПД машины и ведут к повышению нагрева обмотки. Последнее обстоятельство вызывает необходимость интенсификации охлаждения машины, что в свою очередь снижает КПД и ухудшает акустические характеристики машины. Наиболее существенны эти явления в двухполюсных машинах: механические потери и аэродинамические шумы в них - определяющие.

Присутствие обусловленных низким обмоточным коэффициентом лишних витков также повышает механическую жесткость секций и усложняет процесс укладки.

Таким образом, проблемы укладки двухслойной обмотки с жесткими секциями обуславливают низкую технологичность процесса обмоточных работ, а для двухполюсных машин и низкие энергетические и акустические характеристики.

Изобретение решает задачу повышения технологичности укладки двухслойной обмотки с жесткими секциями при одновременном улучшении ее энергетических и акустических характеристик.

Эта задача решается с помощью нового принципа трехуровневой укладки. Идея реализуется выполнением двух типов пазов: мелких и глубоких. Число пазов одного типа равно Z/2p, другого (Z-Z/2p), т.е. для двухполюсных машин число глубоких пазов равно числу мелких пазов; для четырехполюсных машин четверть пазов выполняются глубокими, а три четверти - мелкими (или наоборот).

Как глубокие, так и мелкие пазы предназначены для расположения в них двух слоев обмотки, причем уровень верхнего слоя обмотки в глубоком пазу геометрически соответствует уровню нижнего слоя обмотки в мелком пазу. Таким образом, возникает три уровня укладки: нижний уровень - для укладки в глубоком пазу нижнего слоя обмотки; средний уровень - для укладки в мелком пазу нижнего слоя обмотки и в глубоком пазу верхнего слоя обмотки; верхний уровень - для укладки в мелком пазу верхнего слоя обмотки.

При выполнении глубокими Z/2p пазов укладка обмотки производится следующим образом.

На первом этапе укладки секции числом у располагают одной стороной в глубоком пазу в нижнем уровне, другой - в мелком пазу на среднем уровне.

На втором этапе укладки секции числом [Z/2p-у] располагают одной стороной в глубоком пазу на нижнем уровне, другой - в глубоком пазу на среднем уровне (при диаметральном шаге обмотки этот этап отсутствует).

На третьем этапе укладки секции числом [Z(1-1/2p)-y] располагают одной стороной в мелком пазу на среднем уровне, другой стороной - в мелком пазу на верхнем уровне (при диаметральном шаге обмотки в двухполюсных машинах этот этап отсутствует).

На четвертом этапе укладки секции числом у располагают одной стороной в глубоком пазу на среднем уровне, другой стороной - в мелком пазу на верхнем уровне.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана схема обмотки статора двухполюсной машины с диаметральным шагом; на фиг. 2 - то же, но с укороченным шагом; на фиг. 3 - типы пазов для трехуровневой обмотки; на фиг. 4 - схема укладки обмотки статора четырехполюсной машины с укороченным шагом.

На фиг. 1 представлена схема обмотки с числом полюсов 2р=2, с числом пазов Z=6 и шагом у=3(1-4). Половина пазов выполнена глубокими. Секции 1', 2' и 3' расположены в среднем уровне мелких пазов 1, 2 и 3 и в нижнем уровне глубоких пазов 4, 5 и 6. Секции 4', 5' и 6' расположены в среднем уровне глубоких пазов 4, 5 и 6 и в верхнем уровне мелких пазов 1, 2 и 3.

На фиг. 2 представлена та же схема обмотки, что и на фиг. 1, на с шагом у= 2(1-3). Секции 1' и 2' расположены в среднем уровне мелких пазов 1 и 2 и в нижнем уровне глубоких пазов 3 и 4. Секция 3' расположена в среднем уровне глубокого паза 3 и в нижнем уровне глубокого паза 5. Секция 4' расположена в верхнем уровне мелкого паза 2 и среднем уровне мелкого паза 6. Секции 5' и 6' расположены в верхнем уровне мелких пазов 1 и 6 и в среднем слое глубоких пазов 6 и 5.

На фиг. 3 представлены варианты выполнения пазов и закрепления обмоток 1 клином 2, а также дополнительным клином 3. Во всех случаях верхний слой обмотки в глубоком пазу по уровню соответствует нижнему слою обмотки в мелком пазу.

На фиг. 4 показаны этапы укладки обмотки статора четырехполюсной машины с укороченным шагом. Число пазов Z=24, число глубоких пазов Z/2p=6, шаг у= 5(1-4).

На первом этапе укладываются у=5 секций одной стороной в нижний слой в мелких пазах 17, 16, 15, 14 и 13, а другой стороной в нижний слой глубоких пазов 12, 11, 10, 9 и 8. На втором этапе Z/2p-y=1 секция укладывается одной стороной в верхний слой глубокого паза 12, а другой стороной - в нижний слой глубокого паза 7. На третьем этапе Z(1-1/2p)-y=13 секций укладываются одной стороной в верхний слой мелких пазов 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 и 1, а другой стороной - в нижний слой мелких пазов 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 1, 2, 3, 4, 5 и 6. На четвертом этапе укладываются у=5 секций одной стороной в верхний слой мелких пазов 2, 3, 4, 5 и 6, а другой стороной - в верхний слой глубоких пазов 7, 8, 9, 10 и 11.

Предложенная обмотка представляет собой двухслойную равносекционную обмотку, выполненную из жестких секций, причем стороны ряда секций расположены в нижнем слое одного паза и в верхнем слое другого.

В отличие от известной предложенная обмотка располагается в пазах двух типов: мелких и глубоких, образующих три уровня укладки - нижний слой обмотки в глубоком пазу: нижний слой обмотки в мелком пазу (он же врехний слой обмотки в глубоком пазу); верхний слой обмотки в мелком пазу, причем число пазов одного типа равно Z/2p, а другого - Z(1-1/2p).

Стороны секций первого этапа укладки располагаются в нижних слоях разнотипных пазов, стороны секций последующих этапов располагаются в разных слоях пазов, а стороны секций последнего этапа располагаются сторонами в верхних слоях разнотипных пазов.

Вследствие такой укладки возникает несимметричность индуктивных сопротивлений фаз обмоток.

Несимметричность расположения секций по уровням укладки в пазах не сказывается заметным образом на работе машин, особенно в быстроходных машинах мощностью более 100,0 кВт.

Таким образом, предложена обмотка, основанная на ином, более результативном принципе.

Формула изобретения

ДВУХСЛОЙНАЯ ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, содержащая жесткие секции, стороны которых расположены в нижних и верхних слоях пазов, отличающаяся тем, что часть пазов, равная Z/2P или Z(1 - 1/2p), выполнена углубленными, при этом верхний слой обмотки в глубоком пазу расположен на уровне нижнего слоя обмотки в мелком пазу, а часть секций, число которых равно шагу обмотки, расположены обеими сторонами в нижних слоях разнотипных пазов, и такое же число секций расположено в верхних слоях разнотипных пазов, где Z - число пазов; 2P - число полюсов обмотки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4