Симметричная трехфазная двухполюсная двухслойная обмотка

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано при изготовлении и укладке двухслойных обмоток трехфазных двухполюсных асинхронных и синхронных электрических машин. В симметричной трехфазной двухполюсной двухслойной обмотке катушки подразделены на 6 групп и уложены двумя слоями в Z=6q пазах, где q>2 - целое число, равномерно распределенных вдоль рабочего воздушного зазора, так, что первый слой образован одноименными (левыми или правыми) активными сторонами катушек, которые занимают половину каждого паза, второй слой, который занимает оставшийся объем каждого паза, образован противоположными (правыми или левыми) активными сторонами катушек. Согласно изобретению каждая катушечная группа обмотки выполненная из (q-m) катушек, где 1≤m<q - целое число, уложена в (q-m) соседних пазов с шагом y=2q и пропуском m пазов между соседними группами. Технический результат - изменение количества катушек в катушечных группах и новый порядок укладки катушек в пазах позволяют увеличить обмоточный коэффициент по рабочей гармонике при одновременном уменьшении затрат изоляции и обмоточного провода. 1 ил.

 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано при изготовлении и укладке двухслойных обмоток трехфазных двухполюсных асинхронных и синхронных электрических машин.

Известна [1] симметричная трехфазная 2р-полюсная двухслойная обмотка, катушки которой подразделены на 6р групп по q катушек каждая, где р и q - положительные целые числа, и уложены двумя слоями в Z=6pq пазах, равномерно распределенных вдоль рабочего воздушного зазора, так, что первый слой образован одноименными (левыми или правыми) активными сторонами катушек, занимающих половину каждого паза, второй слой, занимающий оставшийся объем каждого паза, образован противоположными (правыми или левыми) активными сторонами катушек, при этом каждая группа уложена в q соседних пазах с шагом у=(0,8... 0,857)3q.

Используемый шаг у обеспечивает диапазон значений коэффициентов укорочения обмотки k_Yν =sin[90° уν /(3q)] по рабочей гармонике с порядком ν =p, равным 0,95... 0,975, и уменьшает величину коэффициента укорочения K_Y7 по наиболее опасной гармонике с порядком ν =7 от 0,588 при y/(3q)=0,8 до практически полного подавления при y/(3q)=0,857. С учетом того, что коэффициенты распределения обмотки k_Rν определяются по выражению k_Rν =0,5/[qsin(30° ν /3q)], значения обмоточного коэффициента по рабочей гармонике получают в диапазоне 0,907... 0,931, что обеспечивает высокие технико-экономические показатели таких электродвигателей [1, 2].

Основной недостаток обмотки с шагом у=(0,8... 0,857)3q заключается в том, что при числе полюсов 2р=2 резко увеличиваются длины лобовых частей L_лоб катушек, общая длина L и масса G обмоточного провода.

Так, если в серийном 4-хполюсном двигателе 4A250S4 с внутренним диаметром статора D=290 мм и числом пазов Z=60 (q=5) при высоте пазов h=34 мм выбирается шаг y=(0,8... 0,857)3q=(0,8... 0,857)15=12... 12,855=12, то длину лобовых частей L_лоб одной катушки можно определить по выражению [3]

L_лоб=2· [π · (D+h)· y· 1,52/Z]+4=2· [π · (290+34)· 12· 1,52/60]+4=622,8 мм

Тогда при длине сердечника статора L₁=220 мм средняя длина витка L_cp=2L₁+L_лоб=1062,8 мм, а общая длина провода L=6pqL_cp=60· 1062,8=63768 мм. При диаметре неизолированного провода d=1,56 мм и числе витков в катушке n_k=36 [1] масса провода G составит

G=1,015· 10-⁶·8,9· 0,785· d²n_kL=1,015· 10^-6·8,9· 0,785· 2,4336· 36· 63768=39,616 кг

По справочнику [1] длина лобовых частей L_лоб=620 мм, средняя длина витка L_акт=1060 мм, масса провода G=39,6 кг, что подтверждает справедливость используемых расчетных выражений.

При выполнении в геометрии серийного двигателя 4A250S2 с внутренним диаметром статора D=232 мм и числом пазов Z=48 (q=8) при высоте паза h=32,3 мм и выборе шага двухполюсной обмотки у=20 в соответствии с рекомендацией для многополюсных машин [0,8· 3q≤ q≤ 20≤ 0,857· 3q] расчетная длина лобовых частей катушки

L_лоб=2· [π · (D+h)· у· 1,45/Z]+4=2· [π · (232+32,3)· 20· 1,45/48]+4=1007,3 мм

Тогда при длине сердечника статора L₁=200 мм средняя длина витка увеличивается до L_cp=2L₁+L_лоб=1407,3 мм, а общая длина провода до L=6pqL_cp=48· 1407,3=67550,4 мм. При диаметре неизолированного провода 3=1,32 мм и числе витков в катушке n_к=48 [1] масса провода увеличится до

G=1,015· 10^-6·8,9· 0,785· d²n_kL=1,015· 10^-6·8,9· 0,785· 1,7424· 48· 67550,4=40,063 кг

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является симметричная трехфазная двухполюсная двухслойная обмотка [1], катушки которой подразделены на 6 групп по q катушек в каждой, где q - положительное целое число, и уложены двумя слоями в Z=6q пазах, равномерно распределенных вдоль рабочего воздушного зазора, так, что первый слой образован одноименными (левыми или правыми) активными сторонами катушек, занимающих половину каждого паза, второй слой, занимающий оставшийся объем каждого паза, образован противоположными (правыми или левыми) активными сторонами катушек, при этом каждая группа уложена в q соседних пазах с шагом y≤ 2q.

В серийном двухполюсном двигателе 4A250S2 шаг обмотки при g=8 выбирается равным y=14<2q [1]. Тогда длину лобовых частей можно определить по выражению [3]

L_лоб=2· [π · (D+h)· y· 1,45/Z]+4=2· [π · (232+32,3)· 14· 1,45/48]+4=706,3 мм

По справочнику [1] длина лобовых частей L_лоб составляет 710 мм, средняя длина витка L_ср=1110 мм, а общая длина провода до L=6pgL_cp=48-1110=53280 мм. При диаметре неизолированного провода d=1,32 мм и числе проводов в катушке n_к=48 расчетная масса провода

G=1,015· 10^-6·8,9· 0,785· d²n_кL=1,015· 10^-6·8,9· 0,785· 1,7424· 48· 53280=31,6 кг,

что полностью совпадает со справочными данными. Сопоставление с предыдущим расчетом свидетельствует о сокращении массы обмоточного провода на 8,46 кг.

Недостатком данного типа обмоток является резкое уменьшение обмоточного коэффициента kw_p по рабочей гармонике ν =p=1. В приведенном примере коэффициент распределения обмотки k_R1=0,5/[gsin(30° /g)]=0,5/[8sin(30° /8)]=0,955, коэффициент укорочения обмотки k_Y1=sin[(90° y/(3q)]=sin[(90° · 14/(24)]=0,793 и обмоточный коэффициент k_w1=K_R1·k_Y1=0,955· 0,793=0,758 [1], что на 16,4% меньше даже минимально возможного значения обмоточного коэффициента kw_p=0,907 многополюсных машин.

Задача изобретения - создание симметричной трехфазной двухполюсной обмотки, в которой измененное количество катушек в катушечных группах и новый порядок укладки катушек в пазах позволяют увеличить обмоточный коэффициент по рабочей гармонике при одновременном уменьшении расхода изоляции и обмоточного провода.

Поставленная задача решается тем, что в симметричной трехфазной двухполюсной двухслойной обмотке катушки подразделены на 6 групп и уложены двумя слоями в Z=6q пазах, где q>2 - целое число, равномерно распределенных вдоль рабочего воздушного зазора, так, что первый слой образован одноименными (левыми или правыми) активными сторонами катушек, занимающих половину каждого паза, второй слой, занимающий оставшийся объем каждого паза, образован противоположными (правыми или левыми) активными сторонами катушек, согласно изобретению каждая катушечная группа обмотки выполнена из (q-m) катушек, где 1≤ m<q - целое число, и уложена в (q-m) соседних пазов с шагом y=2q и пропуском m пазов между соседними группами.

В этом случае коэффициенты распределения k_Rν обмотки по гармоникам произвольного ν -го порядка можно рассчитать в соответствии с размещением одноименных активных частей катушек одной из фаз в равномерно распределенных по окружности пазах по выражению [4]

где S_i - порядковый номер i-го паза, в котором уложена активная часть катушки;

α _z=60° /q - угловой сдвиг между пазами.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена симметричная трехфазная двухполюсная двухслойная обмотка, например, для q=8 и m=1, состоящая из катушечных групп 1... 6, сформированных из катушек 7... 48 по q-m=8-1=7 катушек каждая, уложенная в два слоя 49, 50 в равномерно распределенных вдоль рабочего воздушного зазора 6q пазах 51... 98 с пропуском 6m=6 пазов 51, 59, 67, 75, 83, 91 между соседними катушечными группами 1... 6, при этом левые активные стороны катушек занимают первый слой 49 так, что указанные стороны катушек 14... 20 2-ой группы уложены в пазах 52... 58, катушек 21... 27 3-ей группы - в пазы 60... 66, катушек 28... 34 4-ой группы - в пазы 68... 74, катушек 35... 41 5-ой группы - в пазы 76... 82, катушек 42... 48 6-ой группы - в пазы 84... 90, катушек 7... 13 1-ой группы - в пазы 92... 98, а правые смещены на величину шага у=2q=16 и занимают второй слой 50.

Катушки отображены в виде многоугольников (шестиугольников), причем активные стороны катушек 7... 48 каждой из фаз изображены отрезками вертикальных прямых линий: для первой фазы - с одной стрелкой, для второй фазы - с двумя стрелками, для третьей фазы - с тремя стрелками. Лобовые части катушек 7... 48, соединяющие активные стороны, отображены парами отрезков наклонных линий. Части катушек 7... 48, располагающиеся в первом слое 49, отображены сплошными линиями, а активные и лобовые части катушек 7... 48 второго слоя 50 - пунктирными линиям. Пазы 51, 59,67, 75, 83, 91, не заполненные катушками, обозначены вертикальными отрезками точечных линий.

Для приведенного примера α _Z=60° /8=7,5° , номера пазов, в которых уложены левые активные стороны катушек первой фазы s_i=52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, следовательно, коэффициент распределения k_Rp по рабочей гармонике ν =p=1 составит

При шаге по пазам y=16 коэффициенты укорочения по гармоникам любых порядков k_Yν =0,866, обмоточный коэффициент по рабочей гармонике k_w1=k_R1k_Y1=0,966· 0,866=0,8366, что на 10% больше, чем у обмотки-прототипа. Коэффициент распределения по наиболее опасной 7-ой гармонике k_R7=0,0211, а обмоточный коэффициент k_W7=0,0211· 0,866=0,0183, вместо k_W7=0,0184 у обмотки-прототипа.

Экономия провода может быть определена следующим образом.

Расчетная длина лобовых частей катушки для двигателя 4A250S2 при шаге y=Z/(3p)=48/3=16

L_лоб=2· [π · (D+h)· у· 1,45/Z]+4=2· [π · (232+32,3)· 16· 1,45/48]+4=806,6 мм, средняя длина витка одной катушки составит L_cp=l207 мм, а общая длина провода L=6p(q-m)L_cp=42· 1207=50694 мм, масса провода G составит

G=1,015· 10^-6·8,9· 0,785· d²n_kL=1,015· 10^-6·8,9· 0,785· 1,7424· 48· 50694=30,066 кг,

то есть на 1,53 кг или на 4,8% меньше, чем у обмотки-прототипа.

Экономия изоляции обеспечивается отсутствием межслойных прокладок в пазах, не заполненных катушками обмотки.

Источники информации

1. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/А.Э.Кравчик, М.М.Шлаф, В.И.Афонин, Е.А.Соболевская. - М.: Энергоиздат, 1982.- 504 с.

2. Копылов И.П. Электрические машины; Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк.; Логос; 2000. - 607 с.

3. Проектирование электрических машин. В 2-х кн./И.П.Копылов, Б.В.Клоков, В.П.Морозкин, Б.Ф.Токарев; Под ред. И.П.Копылова. М.: Энергоатомиздат. - 1993.

4. Veinott C.G. Special harmonic magneto motive forees in irregular windings and special connections of polyphase-windings// "IEEE", Trans. Power Apparatus and Systems, v.83, 1964.-p. 1246-1255.

Симметричная трехфазная двухполюсная двухслойная обмотка, катушки которой подразделены на 6 групп и уложены двумя слоями в Z=6q пазах, где q>2 - целое число, равномерно распределенных вдоль рабочего воздушного зазора так, что первый слой образован одноименными (левыми или правыми) активными сторонами катушек, занимающих половину каждого паза, второй слой, занимающий оставшийся объем каждого паза, образован противоположными (правыми или левыми) активными сторонами катушек, отличающаяся тем, что каждая катушечная группа обмотки содержит (q-m), где 1≤m<q - положительное целое число, катушек и уложена в (q-m) соседних пазов с шагом y=2q и пропуском m пазов между группами.