Обмотка электрической машины переменного тока

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству многофазных обмоток электрических машин переменного тока. Технический результат - снижение расхода меди. Заявленная m-фазная четырехзонная обмотка с числом р₀ пар полюсов выполнена цепной в Z пазах, Z=nmp₀q_Ф, левые стороны катушек расположены в нечетных пазах, а правые стороны катушек расположены в четных пазах. При этом q_Ф катушек, последовательно включенных в пределах каждой фазной зоны τ_Ф, равной четному числу τ_Ф = Z /(4р₀), выполняются с шагом у_ср, равным плюс/минус k_l, где k₁ равно целому числу из натурального ряда 1, 2…, а при τ_Ф, равной нечетному числу, выполняются с шагом у_ср, равным плюс/минус k₂, где k₂ равно целому числу из натурального ряда 0, 1, 2… 18 з.п. ф-лы, 17 ил., 4 табл.

 

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.

Известны обмотки электрической машины переменного тока однослойные и двухслойные, которые выполнены m-фазными двухзонными на фазу [Асинхронные двигатели общего назначения / Бойко В.М., Гаинцев Ю.В., Ковалев Ю.М., и др.; Под ред. В.М. Петрова и А.Э. Кравчика. - М.: Энергия, 1980. - с. 120-125] и у которых процесс укладки статорных всыпных обмоток на электромашиностроительных заводах механизирован. Их применение связано с повышенным расходом меди за счет больших длин и вылетов лобовых частей. Однослойная обмотка наиболее пригодна для механизированной укладки.

Недостаток обмотки электрической машины переменного тока выполненной m-фазной как однослойной, так и двухслойной с малым коэффициентом укорочения шага заключается в повышенном расходе меди за счет больших длин и вылетов лобовых частей. Отсутствие укорочения шага в однослойных обмотках приводит к тому же к ухудшению формы поля в воздушном зазоре, добавочным потерям и магнитному шуму.

Известна обмотка электрических машин, которая получила название "цепной". [Жерве Г.К. Обмотки электрических машин. - Л.: Энеогоатомиздат, Ленингр. Отд-ние, 1989. - 400 с., стр. 62÷66]. Их применение позволяет: уменьшить вылет лобовых частей обмотки (экономия материалов и снижение индуктивного сопротивления обмотки), улучшить охлаждение обмотки, более узкие секции легче укладывать в пазы. Такие обмотки получили довольно широкое распространение в машинах самой различной мощности и при любых числах пар полюсов.

Известны обмотки электрической машины переменного тока, которые выполнены m-фазными четырехзонными на фазу [Пат. №140530 РФ, МКИ⁷ H02K 3/28, 17/14. Трехфазная обмотка электрической машины / Г.А. Шаншуров. Опубл. 00.00.2014, БЮЛ. №00. Приоритет 18.12.13; Заявка №2013156320. - С. 35] с числом пар полюсов р₀ в Z пазах магнитопровода с шириной полюсного деления и с шагом по пазам в двое меньшим, чем двухзонная на фазу, что значительно экономит материалы, снижает индуктивное сопротивление обмотки. Целесообразно и применение четырехзонной на фазу обмотки в многоскоростных электродвигателях.

Эта обмотка наиболее близка к предлагаемой полезной модели и является прототипом.

Применение однослойных обмоток наиболее перспективно. Однако, отсутствие укорочения шага в однослойных четырехзонных на фазу обмотках приводит также к увеличению индуктивности дифференциального рассеяния за счет ухудшения формы поля в воздушном зазоре, добавочным потерям и магнитному шуму.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является дальнейшее снижение расхода меди за счет применения однослойных четырехзонных на фазу обмоток, а также улучшение формы поля в воздушном зазоре. Кроме того, расширение области применения четырехзонных на фазу обмоток в многоскоростных электродвигателях.

Поставленная задача достигается тем, что обмотка электрической машины переменного тока, выполненная m-фазной с числом пар полюсов p₀ в Z пазах магнитопровода, четырехзонной, содержащей n=4 фазных зон в каждой фазе, при этом число Z пазов магнитопровода связано соотношением

Z = nmp₀q_Ф,

a q_Ф последовательно включенные катушки уложенные в пазы магнитопровода в пределах каждой пары фазных зон, где "А, а и X, х" - фазные зоны первой фазы четырехзонной обмотки, "В, b и Y, у" - фазные зоны второй фазы четырехзонной обмотки, а "С, с и Z, z" - фазные зоны третьей фазы четырехзонной обмотки, где (A_q х_q) и (X_q a_q) - катушечные группы, образующие полуфазы (A_q х_q)_р0 и (X_q a_q)_p0 первой фазы четырехзонной обмотки, (B_q y_q) и (Y_q b_q) - катушечные группы, образующие полуфазы (B_q y_q)_p0 и (Y_q b_q)_p0 второй фазы четырехзонной обмотки, a (C_q z_q) и (Z_q c_q) - катушечные группы, образующие полуфазы (C_q z_q)_p0 и (Z_q c_q)_p0 третьей фазы четырехзонной обмотки, где индекс "q" - это число катушечных сторон, размещенных в соответствующей фазной зоне и имеющих одинаковое направление тока в фазных зонах "А, а, В, b и С, с" в верхнюю сторону, а в фазных зонах "X, х, Y, у и Z, z" в нижнюю сторону, при этом каждая катушечная группа снабжена выводами начал и концов, отличающаяся тем, что однослойная четырехзонная обмотка выполнена цепной, у которой левые стороны катушек расположены в нечетных пазах, а правые стороны катушек расположены в четных пазах, при этом число q последовательно включенных катушек число целое.

Поставленная задача также достигается тем, что цепная четырехзонная обмотка выполнена однослойной с одинаковым целым числом пазов на фазную зону q_Ф равную

q_Ф = Z/(12p₀),

при этом q_Ф катушек, последовательно включенных в пределах каждой фазной зоны τ_Ф, равной четному числу

τ_Ф = Z /(4р₀)

выполнено с шагом у_ср, равным

у_ср = τ_Ф - k_1,

где k₁ равно целому числу из натурального ряда 1, 2…τ_Ф- 1.

Поставленная задача также достигается тем, что цепная четырехзонная обмотка выполнена однослойной с одинаковым целым числом пазов на фазную зону

q_Ф = Z/(12p₀),

при этом q_Ф катушек, последовательно включенных в пределах каждой фазной зоны τ_Ф, равной четному числу

τ_Ф = Z/(4p₀)

выполнено с шагом у_ср равным

у_ср = τ_Ф + k₁,

где k₁ равно целому числу из натурального ряда 1, 2…τ_Ф- 1.

Поставленная задача также достигается тем, что цепная четырехзонная обмотка выполнена однослойной с одинаковым целым числом пазов на фазную зону

q_ф = Z/(12p₀),

при этом q_Ф катушек, последовательно включенных в пределах каждой фазной зоны τ_Ф, равной нечетному числу

τ_Ф = Z /(4р₀)

выполнено с шагом у_ср, равным величине фазной зоны τ_Ф минус или плюс число из натурального ряда k₂, где k₂ равно целому числу из натурального ряда 0, 1, 2…τ_Ф- 1.

Поставленная задача также достигается тем, что фазы однослойной цепной четырехзонной обмотки выполнены из полуфаз (A_q x_q)_p0 и (X_q a_q)_p0 - первой фазы, (B_q y_q)_p0 и (Y_q b_q)_p0 - второй фазы, (C_q z_q)_p0 и (Z_q c_q)_p0 - третьей фазы, включенных встречно, образуя трехфазную обмотку.

Поставленная задача также достигается тем, что фазы цепной трехфазной обмотки соединены в звезду и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 2р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 4р₀, при этом входы обмотки присоединены к контактам коммутатора.

Поставленная задача также достигается тем, что фазы цепной трехфазной обмотки соединены в треугольник и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 2р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 4р₀, при этом входы обмотки присоединены к контактам коммутатора.

Поставленная задача также достигается тем, что в цепной трехфазной обмотке конец первой фазы соединен с точкой соединения полуфаз второй фазы, конец второй фазы соединен с точкой соединения полуфаз третьей фазы, конец третьей фазы соединен с точкой соединения полуфаз первой фазы, образуя схему соединения обмоток звезда с внутренним треугольником Y-Δ, и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 2р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 4р₀, при начало и конец каждой фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

Поставленная задача также достигается тем, что фазы однослойной цепной четырехзонной обмотки выполнены из полуфаз (A_q x_q)_p0 и (X_q a_q)_p0 - первой фазы, (B_q y_q)_p0 и (Y_q b_q)_p0 - второй фазы, (C_q z_q)_p0 и (Z_q c_q)_p0 - третьей фазы, включенных согласно, образуя трехфазную обмотку.

Поставленная задача также достигается тем, что фазы трехфазной обмотки соединены в звезду и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 4р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 2р₀, начало и конец каждой фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

Поставленная задача также достигается тем, что фазы трехфазной обмотки соединены в треугольник и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 4р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 2р₀, при этом начало и конец каждой фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

Поставленная задача также достигается тем, что в трехфазной обмотке конец первой фазы соединен с точкой соединения полуфаз второй фазы, конец второй фазы соединен с точкой соединения полуфаз третьей фазы, конец третьей фазы соединен с точкой соединения полуфаз первой фазы, образуя схему соединения обмоток звезда с внутренним треугольником Y-Δ, и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 4р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 2р₀, при этом начало и конец каждой фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

Поставленная задача также достигается тем, что однослойная цепная четырехзонная обмотка выполнена из последовательно соединенных полуфаз, образующих двухфазную обмотку, где (A_q X_q)_p0 и (x_q a_q)_p0 - полуфазы первой фазы и объединенные полуфазы [(B_q Y_q)_p0, (Z_q C_q)_p0] и [(y_q b_q)_p0, (c_q z_q)_p0] - полуфазы второй фазы, где началом полуфаз (A_q X_q)_p0 и (B_q Y_q)_p0 образован первый вход обмотки с одним числом полюсов, второй вход обмотки с другим числом полюсов образован концом полуфаз (A_q X_q)_p0 для первой фазы и началом полуфаз(у_q b_q)_p0 для второй фазы, а концы фаз образованы полуфазами (X_q a_q)_p0 первой фазы и (c_q z_q)_{p0 второй фазы двухфазной обмотки и объединены, образуя нулевой вывод обмотки, при этом начало и конец каждой фазы цепной двухфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.}

Поставленная задача также достигается тем, что первый вход двухфазной обмотки с числом полюсов 2р₀ и второй вход двухфазной обмотки с числом полюсов 4р₀ образованы встречным включением полуфаз (А_q x_q)_p0 и (X_q a_q)_p0, (B_q y_q)_p0 и (Y_q b_q)_p0, (C_q z_q)_p0 и (Z_q c_q)_p0 между собой.

Поставленная задача также достигается тем, что первый вход двухфазной обмотки с числом полюсов 4р₀ и второй вход двухфазной обмотки с числом полюсов 2р₀ образованы согласным включением полуфаз (A_q x_q)_p0 и (X_q a_q)_p0, (B_q y_q)_p0 и (Y_q b_q)_p0, (C_q z_q)_p0 и (Z_q c_q)_p0 между собой.

Поставленная задача также достигается тем, что в состав однослойной цепной четырехзонной обмотки введены коммутационные аппараты с нормально открытыми (НОК) и нормально закрытыми (НЗК) контактами, началами полуфаз (A_q x_q)_p0, (B_q y_q)_p0, (C_q z_q)_p0 образованы начала фаз трехфазной 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 полуфаз (A_q x_q)_p0, (B_q y_q)_p0, (C_q z_q)_p0, а другим полюсом образован конец фазы, в другую диагональ каждого моста включена соответственно вторая полуфаза (X_q a_q)_p0 - первой фазы, (Y_q b_q)_p0 - второй фазы и (Z_q c_q)_p0 - третьей фазы, при этом 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), фазы обмотки соединены по схеме звезда или треугольник.

Поставленная задача также достигается тем, что в трехфазной обмотке мосты из контактов коммутационного аппарата выполнены открытыми со стороны концов каждой фазы, образуя два выхода каждой фазы, первый выход обеспечивает получение одного числа полюсов 2р₀ при одном состоянии НОК и НЗК коммутационного аппарата, второй выход обеспечивает получение другого числа полюсов 4р₀ при другом состоянии НОК и НЗК коммутационного аппарата, при этом первым и вторым выходом фазы обмотки соединены по схеме звезда или треугольник.

Поставленная задача также достигается тем, что в трехфазной обмотке при соединении фаз в звезду обоих выходов НОК и НЗК включены в плечи образующих конец фаз только двух мостов.

Поставленная задача также достигается тем, что трехфазной обмотке электрической машины при соединении фаз для одного числе полюсов в треугольник и для другого числа полюсов в звезду НОК и НЗК включены в плечи образующих конец фаз двух мостов, а НОК или НЗК включены в плечо образующего конец фазы третьего моста для соединения в треугольник.

На фиг. 1÷4 изображены конструктивные исполнения однослойной цепной четырехзонной обмотки и их матричное описание; на фиг. 5÷7 изображены схемы соединения фаз цепной трехфазной обмотки при встречным включением полуфаз с числом полюсов 2Р0 на первом входе и 4Р₀ на втором входе; на фиг. 8÷10 изображены схемы соединения фаз цепной трехфазной обмотки при согласным включением полуфаз с числом полюсов 4Р₀ на первом входе и с числом полюсов 2Р₀ на втором входе; на фиг. 11 изображена схема соединения фаз цепной двухфазную обмотку при встречном включении полуфаз с числом полюсов 2Р₀ на первом входе и 4Р₀ на втором входе, а на фиг. 12 изображена схема соединения фаз цепной двухфазную обмотку при согласном включении полуфаз с числом полюсов 4Р₀ на первом входе и с числом полюсов 2Р₀ на втором входе; на фиг. 13÷17 изображены схемы цепной трехфазной обмотки в состав которых введены коммутационные аппараты для переключения числа полюсов с 2Р₀ на 4Р₀ и выбора схемы включения фаз Y, Δ.

Обмотка электрической машины переменного тока выполнена m-фазной (фиг. 1÷17) цепной четырехзонной и содержит n равное 4 - фазных зон в каждой фазе на паре полюсов(фиг. 1÷4). При этом число Z пазов магнитопровода связано соотношением

Z = nmp₀q_Ф,

где р₀ - число пар полюсов, а q_Ф - целое число последовательно включенных катушек, уложенных в пазы магнитопровода, в пределах каждой пары фазных зон.

Катушечные группы каждой фазы образуют две полуфазы 1÷6 (фиг. 1÷13). Так 1 и 4 - (A_q х_q) и (X_q a_q) - катушечные группы, образующие полуфазы (A_q x_q)_p0 и (X_q a_q)_p0 первой фазы четырехзонной обмотки, 2 и 5 - (B_q у_q) и (Y_q b_q) - катушечные группы, образующие полуфазы (B_q y_q)_p0 и (Y_q b_q)_p0 второй фазы четырехзонной обмотки, а 3 и 6 - (C_q z_q) и (Z_q c_q) - катушечные группы, образующие полуфазы (C_q z_q)_p0 и (Z_q c_q)_p0 третьей фазы четырехзонной обмотки. При этом каждая полуфаза снабжена выводами начал и концов(фиг. 5÷13):

- начала 7, 11, 15, 9, 13, 17 соответственно полуфаз 1, 2, 3, 4, 5, 6;

- концы 8, 12, 16, 10, 14, 18 соответственно полуфаз 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Цепную однослойную четырехзонную обмотку отличает конструктивное исполнение катушек катушечных групп 1, 4 (фиг. 1, 3 а и b, ÷ 4а и b): левые стороны катушек укладывают в нечетных пазах, а правые стороны катушек расположены в четных пазах. Обмотка выполняется как равно секционная, так и концентрическая в каждой фазе в пределах каждой пары фазных зон с шагом

у_ср = Z/(np₀),

где средний шаг обмотки по пазам равен

у_ср = ∑y_i/q_Ф.

При шаге у_ср, равным

у_ср = τ_Ф - k₁, τ_Ф = Z /(4р₀),

где ширина фазной зоны τ_Ф число четное (фиг. 1), в общем случае k₁ равно целому числу из натурального ряда 1, 2…τ_Ф- 1, а на фигуре 1b величина k₁ равна единице.

При числа пазов Z равного 24 распределение сторон катушек полуфаз 1÷6 (фиг. 1) в пазах соответствует закону

[(A b)_qф(Z х)_qф(Вс)_qф(Ху)_qф(Са)_qф(Yz)_qф]_р0,

При шаге у_ср, равным

у_ср = τ_Ф + 1, τ_Ф =Z /(4р₀),

где ширина фазной зоны τ_Ф число четное (фиг. 3), в общем случае k₁ равно целому числу из натурального ряда 1, 2…τ_Ф- 1, а на фигуре 3b величина k₁ равна единице.

При числа пазов Z равного 24 распределение сторон катушек полуфаз 1÷6 (фиг. 3 а и b) в пазах соответствует закону

[(z А)_qф(b Z)_qф(х В)_qф(с Х)_qф(у С)_qф(а Y)_qф]_p0.

Число пазов при четном числе ширины фазной зоны τ_Ф равной 2, 4, 6… для число пар полюсов р₀ равным 1, 2, 3… определяется соотношением

Z = 4р₀τ_Ф

и приведено в таблице 1.

При шаге у_ср, равным величине фазной зоны τ_Ф минус или плюс число из натурального ряда k₂, где k₂ равно целому числу из натурального ряда 0, 1, 2…τ_Ф- 1, где τ_Ф ширина фазной зоны число нечетное 6 (фиг. 4 а и b) равное

τ_Ф =Z /(4р₀).

При числа пазов Z равного 36, а на фигуре 4 величина k₂ равна нулю и у_ср равно величине фазной зоны τ_Ф, распределение сторон катушек полуфаз 1÷6 (фиг. 4а и b) в пазах соответствует закону

[(с A)_qф-1(b А)_qф-2(b С)_qф-1(х С)_qф-2(х В)_qф-1(z В)_qф-2(z X)_qф-1(y Х)_qф-2(у Z)_qф-1(a Z)_qф-2(а Y)_qф-1(с Y)_qф-2]_р0=1. фазной зоны

Число пазов при нечетном числе ширины фазной зоны τ_Ф равной 1, 3, 5, 7, 9 … для число пар полюсов р₀ равным 1, 2, 3 … определяется соотношением

Z = 4р₀τ_Ф

и приведено в таблице 2.

Выполнение m -фазной обмотки электрической машины переменного тока четырехзонной (n=4) обеспечивает снижение расхода меди за счет уменьшения средней длины витка и вылета лобовых частей. Так при замене двухзонной обмотки (n=2) обмотки на четырехзонную (n=4) в одном и том же габарите серийного асинхронного электродвигателя при числе пазов магнитопровода равном 24 коэффициент уменьшения объема меди равен 1,38 [Пат. №140530 РФ, МКИ⁷ H02K 3/28, 17/14. Трехфазная обмотка электрической машины / Г.А. Шаншуров. Опубл. 00.00.2014, БЮЛ. №00. Приоритет 18.12.13; Заявка №2013156320. - С. 35]. Меньший шаг четырехзонной обмотки по пазам изменяет электрические и магнитные свойства обмотки. Так, уменьшается активное и индуктивное сопротивление фаз, обусловленные лобовыми частями обмоток.

Однако, выполнение четырехзонной обмотки однослойной приводит к увеличению индуктивности дифференциального рассеяния за счет ухудшения формы поля в воздушном зазоре и как следствие к добавочным потерям и магнитному шуму.

Применение цепной однослойной четырехзонной обмотки приводит к изменению распределения катушек полуфаз 1÷6 (фиг. 1÷4) в пазах, изменяя формы поля в воздушном зазоре. Обмотка выполняется более распределенной, уменьшая величину индуктивности дифференциального рассеяния фаз обмотки, величина которой пропорциональна коэффициенту дифференциального рассеяния K_σ, как показано в таблице 3 и 4.

Цепная однослойной четырехзонная обмотка с шагом у_ср отличным от τ_Ф-ширины фазной зоны:

у_ср = τ_Ф + k₁, у_ср = τ_Ф - k₁, и у_ср = τ_Ф + k₂, у_ср = τ_Ф - k₂, _-

в свою очередь приводит к изменению распределения катушек полуфаз 1÷6 (фиг. 1÷3) в пазах, уменьшая индуктивности дифференциального рассеяния. Выполнение цепной однослойной четырехзонной обмотки с шагом у_ср равным

у_ср = τ_Ф - k₁,

а на фигуре 1 равным

у_ср = τ_Ф - 1,

обеспечивает дополнительное снижение расхода меди за счет уменьшения средней длины витка и вылета лобовых частей.

Увеличение числа последовательно включенных катушек q_Ф цепной однослойной четырехзонной обмотки, уложенных в пазы магнитопровода, в пределах каждой пары фазных зон значительно уменьшает коэффициент дифференциального рассеяния K_σ. Это показано в таблице 3 и 4 при сравнении вариантов с числом пазов магнитопровода Z равным 24 и 36, что соответствует значениям последовательно включенных катушек q_Ф равным 2 и 3.

Расчет показателей качества (таблицы 3 и 4) выполнен с использование матричного описания цепных однослойных четырехзонных обмоток(фиг. 1b, 2b, 3b, 4b) при числе пар полюсов р₀ = 1, построенных по формулам для числа пазов Z равного 24:

a) цепной однослойной четырехзонной обмотки с шагом у_ср равным 5

[(А b)_qф=2(Z х)_qф=2(Вс)_qф=2(Х у)_qф=2(Са)_qф=2(Y z)_qф=2]_p0=1,

b) цепной однослойной четырехзонной обмотки с шагом у_ср равным 7

[(z А)_qф=2(b Z)_qф=2(x В)_qф=2(с Х)_qф=2(у С)_qф=2(а Y)_qф=2]_р0=1,

c) однослойной четырехзонной обмотки с шагом у_ср равным 6 (аналог)

(А_qф=2 b_q Z_qф=2 х_qф=2 В_qф=2 с_qф=2 Х_qф=2 у_qф=2 С_qф=2 а_qф=2 Y_qф=2 z_qф=2)_р0=1, -

и числа пазов Z равного 36:

d) цепной однослойной четырехзонной обмотки с шагом у_ср равным 9

[(с А)_qф-1=2(b А)_qф-2=1(b С)_qф-1=2(х С)_qф-2=1(х В)_qф-1=2(z В)_qф-2=1(z Х)_qф-1=2(у Х)_qф-2=1(у Z)_qф-1=2(a Z)_qф-2=1(a Y)_qф-1=2(С Y)_qф-2=1]_p0=1.

[Шаншуров Г.А. Специальные электрические машины. Оценка качества обмоток машин переменного тока на стадии проектирования: учебное пособие / Г.А. Шаншуров, Т.В. Дружинина, А.Ю. Будникова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2015. - 40 с. - Режим доступа: http://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vtls000216627].

Применение цепных четырехзонных обмоток расширяется при использовании их в многоскоростных двигателях. Изменение числа полюсов 2р₀ на 4р₀ (и наоборот) путем реверса тока в части катушечных групп (фиг. 2, 3с, 4с) реализуется как устройством фаз цепных четырехзонных обмоток, так и включением в структуру обмоток ключей коммутационных аппаратов (фиг. 5÷17).

Фазы однослойной цепной четырехзонной обмотки выполнены из полуфаз, соединенных последовательно или параллельно.

Так полуфазы 1 (A_q x_q)_p0 и 4 (X_q a_q)_p0 образуют первую фазу, полуфазы 2 (B_q y_q)_p0 и 5 (Y_q b_q)_p0 - вторую фазу, а полуфазы 3 (C_q z_q)_p0 и 4 (Z_q c_q)_p0 - третью фазу, образуя трехфазную обмотку.

При встречном включении полуфаз начала фаз (фиг. 5, 6, 7) U1 - 7, V1 - 11, W1 - 15 образуют первый вход обмотки с числом полюсов 2р₀.

При согласном включении полуфаз начала фаз (фиг. 8, 9, 10) L1 - 7, L2 - 11, L3 - 15 образуют первый вход обмотки с числом полюсов 4р₀.

Встречное последовательное включении полуфаз (фиг. 5, 6, 7) 1 и 4, 2 и 5, 3 и 6 обеспечивается соединением соответственно концов 8, 12, 16 полуфаз 1, 2, 3 с концами 10, 14, 18 полуфаз 4, 5, 6.

Согласное последовательное включении полуфаз (фиг. 8, 9, 10) 1 и 4, 2 и 5, 3 и 6 обеспечивается соединением соответственно концов 8, 12, 16 полуфаз 1, 2, 3 с началами 9, 13, 17 полуфаз 4, 5, 6.

Концы 8, 12, 16 полуфаз 1, 2, 3(фиг. 5÷10) образуют второй вход обмотки с числом полюсов 4р₀L1 - 19, L2 - 20, L3 - 21 при встречном включении полуфаз и второй вход обмотки с числом полюсов 2р₀U1 - 19, V1 - 20, W1 - 21 при согласном включении полуфаз. При этом фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам 22 (фиг. 5÷10) коммутатора.

При последовательном включении полуфаз встречно (фиг. 5, 6, 7) или согласно (фиг. 8, 9, 10) фазы цепной трехфазной обмотки соединяются в звезду Y (фиг. 5, 8), треугольник Δ (фиг. 6, 9) или в звезду с внутренним треугольником Y-Δ (фиг. 7, 10).

Фазы однослойной цепной четырехзонной обмотки выполненные из полуфаз, соединенных последовательно, где (A_q X_q)_p0 и (x_q a_q)_p0 - полуфазы первой фазы и объединенные полуфазы [(B_q Y_q)_p0, (Z_q C_q)_p0] и [(y_q b_q)_p0, (c_q z_q)_p0] - полуфазы второй фазы, образуют двухфазную обмотку(фиг. 11, 12).

Началом 7 первой полуфазы 1 (A_q X_q)_p0 и 11 второй полуфазы 2 (B_q Y_q)_р0 образован первый вход обмотки с одним числом полюсов, второй вход обмотки с другим числом полюсов образован концом 8 полуфаз 1 (A_q X_q)_p0 для первой фазы и началом 15 полуфазы 3 (y_q b_q)p0 для второй фазы (фиг. 11, 12). Концы фаз двухфазной обмотки объединены, образуя нулевой вывод обмотки 0, при этом начало и конец каждой фазы цепной двухфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора 22.

Первый вход двухфазной обмотки U1Z1 с числом полюсов 2р₀ ивторой вход двухфазной обмотки U2Z2 с числом полюсов 4р₀ образованы встречным включением полуфаз двухфазной обмотки 1 и 4[(A_q x_q)_p0, (X_q a_q)_p0], 2 и 5, 3 и 6[(B_q y_q)_p0, (Y_q b_q)_p0, (C_q z_q)_p0, (Z_q c_q)_p0] между собой (фиг. 11), а при согласном включением полуфаз двухфазной обмотки 1 и 4 [(A_q x_q)_p0, (X_q a_q)_p0], 2 и 5, 3 и 6 [(B_q y_q)_p0, (Y_q b_q)_p0, (C_q z_q)_p0, (Z_q c_q)_p0] между собой(фиг. 12) образованы первый вход двухфазной обмотки с числом полюсов 4р₀ и второй вход двухфазной обмотки с числом полюсов 2р₀.

Реверс тока в части катушечных групп выполним включением в каждую фазуА -1,4, В - 2, 5 и С - 3, 6(фиг. 13а, d)трехфазной однослойной цепной четырехзонной обмоткимоста23, 24, 25 (фиг. 13d) из контактов коммутационного аппарата. В противоположные плечи каждого моста 23, 24, 25 включены по одному нормально открытому (НОК) 28, 29 и нормально закрытому контакту(НЗК) 26, 27, образуя в местах соединения НОК и НЗК полюса диагоналей моста 30÷33 (фиг. 13а). Одна из диагоналей каждого моста 23, 24, 25 одним полюсом 30 соединена с концами 8, 12, 16 соответствующих полуфаз 1 - (A_q x_q)_p0, 2 - (B_q y_q)_p0, - 3 (C_q z_q)_p0 (фиг. 13a, d). В другую диагональ каждого моста 23, 24, 25 к полюсам 32, 33 включены соответственно вторые полуфазы 3 - (X_q a_q)_p0 - первой фазы, 4 - (Y_q b_q)_p0 - второй фазы и 5 - (Z_q c_q)_p0 - третьей фазы своими началами 9, 13, 17 и концами 10, 14, 18 (фиг. 13а, b).

Начала фаз 34÷36 трехфазной обмотки 37÷39 образованы началами 7, 11, 15 соответствующих полуфаз 1 - (A_q x_q)_p0, 2 - (B_q y_q)_p0, - 3 (C_q z_q)_р0 (фиг. 13a, c, d)a концы фаз 40÷42 трехфазной обмотки 34÷36 полюсом моста 31 (фиг. 13а, d).

Число полюсов 2р₀ трехфазной обмотки образовано одним состоянием НОК 28, 29 и НЗК 26, 27 коммутационного аппарата (выключен, включен), а число полюсов 4р₀ - другим состоянием контактов НОК 28, 29и НЗК 26, 27 (включен, выключен). Фазы трехфазной обмотки 34÷36 своими началами 37÷39 и концами 40÷42 соединены по схеме звезда (фиг. 14а) или треугольник (фиг. 14b).

В трехфазной обмотке мосты из контактов 26÷29 коммутационного аппарата(фиг. 14а)выполнены открытыми со стороны концов 40÷42 каждой фазы, образуя два выхода каждой фазы 43÷45 - первый выход и 46÷48 -второй выход (фиг. 15). Первый и второй выходы фаз обмотки могут быть соединены по схеме звезда/звезда, треугольник/звезда (фиг. 15с) или треугольник/треугольник (не показано). Первый выход 43÷45 обеспечивает получение одного числа полюсов 2р₀ при одном состоянии НОК и НЗК коммутационного аппарата, второй выход 46÷48 обеспечивает получение другого числа полюсов 4р₀ при другом состоянии НОК и НЗК коммутационного аппарата(фиг. 15).

В трехфазной обмотке при соединении фаз в звезду (фиг. 16) первого 43÷45 и второго 46÷48 выходов контакты коммутационного аппарата 23÷25 (фиг. 13) НОК и НЗК включены в плечи образующих конец фаз 43, 46 и 45, 48 только двух мостов 23 и 25, что достаточно для получения одного из чисел полюсов 2р₀ или 4р₀.

В трехфазной обмотке (фиг. 17) при соединении фаз при одном из чисел полюсов (2р₀ или 4р₀) в треугольник, а при другом числе полюсов (4р₀ или 2р₀) в звезду НОК или НЗК включены в плечи образующих конец фаз только двух мостов, а НОК или НЗК включены в плечо образующего конец фазы третьего моста для соединения в треугольник.

Применение цепных однослойных четырехзонных на фазу обмоток улучшает форму поля в воздушном зазоре (табл. 4). Как видно из расчетов:

((Kστ_Ф-Kσ (τ_Ф-1))/Kστ_Ф)⋅100% =

= ((0,0334-0,018)/0,0334)⋅100% = 46,1%,

((Kστ_Ф-Kσ (τ_Ф +1))/Kστ_Ф)⋅100% =

= ((0,0334-0,0094)/0,0334)⋅100% = 71,86%, -

при числе пазов магнитопровода Z равном 24 коэффициент дифференциального рассеяния Kσ снижается при шаге цепной обмотки у_ср, равным 5 на 46,1%, при шаге цепной обмотки у_ср, равным 7 на 71,86%.

При числе пазов магнитопровода Z равном 36 коэффициент дифференциального рассеяния Kσ снижается при шаге цепной обмотки у_ср, равным 9 и 12 до величины 0,003. Снижение происходит также за счет увеличения ширины фазной зоны τ_Ф с 6 при Z равном 24 до 9 при Z равном 36.

При выполнении цепных однослойных четырехзонных обмоток укорочение шага обмотки приводит к дальнейшему снижение расхода меди, а также к сопутствующим эффектам: дополнительному снижению индуктивного сопротивления лобового рассеяния и активного сопротивления фаз обмотки, снижению шума и вибрации в электрических машинах.

Кроме того, расширяется области применения четырехзонных на фазу обмоток в многоскоростных электродвигателях за счет увеличения возможных сочетаний схем двухскоростных трехфазных электродвигателей: звезда, двойная звезда, треугольник, звезда с внутренним треугольником, обеспечивая различные сочетания мощностей и частот вращения электрических машин.

Расширяется области применения и возможностью включения двухскоростных электродвигателей с четырехзонной на фазу обмоткой на однофазную сеть. При этом двухфазная цепная четырехзонная на фазу обмотка сохраняет положительные качества трехфазного исполнения аналогичной обмотки электрической машины 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.

1. Обмотка электрической машины переменного тока, выполненная m-фазной с числом пар полюсов р₀ в Z пазах магнитопровода, четырехзонной, содержащей n=4 фазных зон в каждой фазе, при этом число Z пазов магнитопровода связано соотношением

Z=nmp₀q_Ф,

a q_Ф последовательно включенные катушки уложены в пазы магнитопровода в пределах каждой пары фазных зон, где "А,а и Х,х" - фазные зоны первой фазы четырехзонной обмотки, "B,b и Y,y" - фазные зоны второй фазы четырехзонной обмотки, а "C,c и Z,z" - фазные зоны третьей фазы четырехзонной обмотки, где (A_qx_q) и (X_qa_q) - катушечные группы, образующие полуфазы (A_qx_q)_р0 и (X_qa_q)_p0 первой фазы четырехзонной обмотки, (B_qy_q) и (Y_qb_q) - катушечные группы, образующие полуфазы (B_qy_q)_p0 и (Y_qb_q)_p0 второй фазы четырехзонной обмотки, a (C_qz_q) и (Z_qc_q) - катушечные группы, образующие полуфазы (C_qz_q)_p0 и (Z_qc_q)_p0 третьей фазы четырехзонной обмотки, где индекс "q" - это число катушечных сторон, размещенных в соответствующей фазной зоне и имеющих одинаковое направление тока в фазных зонах "А, а, В, b и С, с" в верхнюю сторону, а в фазных зонах "X, х, Y, у и Z, z" в нижнюю сторону, при этом каждая катушечная группа снабжена выводами начал и концов, отличающаяся тем, что четырехзонная обмотка выполнена цепной, у которой левые стороны катушек расположены в нечетных пазах, а правые стороны катушек расположены в четных пазах, при этом число q последовательно включенных катушек - число целое.

2. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 1, отличающаяся тем, что цепная четырехзонная обмотка выполнена однослойной с одинаковым целым числом пазов на фазную зону q_Ф, равную

q_Ф=Z/(12p₀),

при этом q_Ф катушек, последовательно включенных в пределах каждой фазной зоны τ_Ф, равной четному числу

τ_Ф=Z/(4p₀),

выполнено с шагом у_ср, равным

у_ср=τ_Ф-k₁,

где k₁ равно целому числу из натурального ряда 1, 2…τ_Ф - 1.

3. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 1, отличающаяся тем, что цепная четырехзонная обмотка выполнена однослойной с одинаковым целым числом пазов на фазную зону

q_Ф=Z/(12p₀),

при этом q_Ф катушек, последовательно включенных в пределах каждой фазной зоны τ_Ф, равной четному числу

τ_Ф=Z/(4р₀),

выполнено с шагом у_ср, равным

у_ср=τ_Ф+k₁,

где k₁ равно целому числу из натурального ряда 1, 2…τ_Ф - 1.

4. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 1, отличающаяся тем, что цепная четырехзонная обмотка выполнена однослойной с одинаковым целым числом пазов на фазную зону

q_Ф=Z/(12p₀),

при этом q_Ф катушек, последовательно включенных в пределах каждой фазной зоны τ_Ф, равной нечетному числу

τ_Ф=Z/(4p₀),

выполнено с шагом у_ср, равным величине фазной зоны τ_Ф минус или плюс число из натурального ряда k₂, где k₂ равно целому числу из натурального ряда 0, 1, 2…τ_Ф - 1.

5. Обмотка электрической машины переменного тока по пп. 2÷4, отличающаяся тем, что фазы однослойной цепной четырехзонной обмотки выполнены из полуфаз (A_qx_q)_p0 и (X_qa_q)_p0 - первой фазы, (B_qy_q)_p0 и (Y_qb_q)_p0 - второй фазы, (C_qz_q)_p0 и (Z_qc_q)_p0 - третьей фазы, включенных встречно, образуя трехфазную обмотку.

6. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 5, отличающаяся тем, что фазы цепной трехфазной обмотки соединены в звезду и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 2р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 4р₀, при этом начало и конец каждой фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

7. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 5, отличающаяся тем, что фазы цепной трехфазной обмотки соединены в треугольник и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 2р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 4р₀, при этом начало и конец каждой фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

8. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 5, отличающаяся тем, что в цепной трехфазной обмотке конец первой фазы соединен с точкой соединения полуфаз второй фазы, конец второй фазы соединен с точкой соединения полуфаз третьей фазы, конец третьей фазы соединен с точкой соединения полуфаз первой фазы, образуя схему соединения обмоток звезда с внутренним треугольником Y-Δ, и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 2р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 4р₀, при этом начало и конец каждой фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

9. Обмотка электрической машины переменного тока по пп. 2÷4, отличающаяся тем, что фазы однослойной цепной четырехзонной обмотки выполнены из полуфаз (A_qx_q)_p0 и (X_qa_q)_p0 - первой фазы, (B_qy_q)_p0 и (Y_qb_q)_p0 - второй фазы, (C_qz_q)_p0 и (Z_qc_q)_p0 - третьей фазы, выключенных согласно, образуя трехфазную обмотку.

10. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 9, отличающаяся тем, что фазы трехфазной обмотки соединены в звезду и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 4р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 2р₀, при этом начало и конец каждой фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

11. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 9, отличающаяся тем, что фазы трехфазной обмотки соединены в треугольник и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 4р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 2р₀, при этом начало и конец каждой фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

12. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 9, отличающаяся тем, что в трехфазной обмотке конец первой фазы соединен с точкой соединения полуфаз второй фазы, конец второй фазы соединен с точкой соединения полуфаз третьей фазы, конец третьей фазы соединен с точкой соединения полуфаз первой фазы, образуя схему соединения обмоток звезда с внутренним треугольником Y-Δ, и начала фаз образуют первый вход обмотки с числом полюсов 4р₀, при последовательном включении полуфаз в фазах второй вход обмотки образован выводами из точек соединения полуфаз с числом полюсов 2р₀, при этом начало и конец каждой фазы цепной трехфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

13. Обмотка электрической машины переменного тока по пп. 2÷4, отличающаяся тем, что однослойная цепная четырехзонная обмотка выполнена из последовательно соединенных полуфаз, образующих двухфазную обмотку, где (A_qX_q)_p0 и (x_qa_q)_p0 - полуфазы первой фазы и объединенные полуфазы [(B_qY_q)_p0, (Z_qC_q)_p0] и [(y_qb_q)_p0, (c_qz_q)_p0] - полуфазы второй фазы, где началом полуфаз (A_qX_q)_p0 и (B_qY_q)_p0 образован первый вход обмотки с одним числом полюсов, второй вход обмотки с другим числом полюсов образован концом полуфаз (A_qX_q)_p0 для первой фазы и началом полуфаз (y_qb_q)_p0 для второй фазы, а концы фаз образованы полуфазами (X_qa_q)_p0 первой фазы и (c_qz_q)_p0 второй фазы двухфазной обмотки и объединены, образуя нулевой вывод обмотки, при этом начало и конец каждой фазы цепной двухфазной обмотки присоединены к контактам коммутатора.

14. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 13, отличающаяся тем, что первый вход двухфазной обмотки с числом полюсов 2р₀ и второй вход двухфазной обмотки с числом полюсов 4р₀ образованы встречным включением полуфаз двухфазной обмотки (A_qx_q)_p0 и (X_qa_q)_p0, (B_qy_q)_p0 и (Y_qb_q)_p0, (C_qz_q)_p0 и (Z_qc_q)_p0 между собой.

15. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 13, отличающаяся тем, что первый вход двухфазной обмотки с числом полюсов 4р₀ и второй вход двухфазной обмотки с числом полюсов 2р₀ образованы согласным включением полуфаз двухфазной обмотки (A_qx_q)_p0 и (X_qa_q)_p0, (B_qy_q)_p0 и (Y_qb_q)_p0, (C_qz_q)_p0 и (Z_qc_q)_p0 между собой.

16. Обмотка электрической машины переменного тока по пп. 2÷4, отличающаяся тем, что в состав однослойной цепной четырехзонной обмотки введен коммутационный аппарат с нормально открытыми (НОК) и нормально закрытыми (НЗК) контактами, началами полуфаз (A_qx_q)_р0, (B_qy_q)_p0, (C_qZ_q)_p0 образованы начала фаз трехфазной 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 полуфаз (A_qx_q)_р0, (B_qy_q)_p0, (C_qz_q)_p0, а другим полюсом образован конец фазы, в другую диагональ каждого моста включена соответственно вторая полуфаза (X_qa_q)_р0 - первой фазы, (Y_qb_q)_p0 - второй фазы и (Z_qc_q)_p0 - третьей фазы, при этом 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), фазы обмотки соединены по схеме звезда или треугольник.

17. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 16, отличающаяся тем, что в трехфазной обмотке мосты из контактов коммутационного аппарата выполнены открытыми со стороны концов каждой фазы, образуя два выхода каждой фазы, первый выход обеспечивает получение одного числа полюсов 2р₀ при одном состоянии НОК и НЗК коммутационного аппарата, второй выход обеспечивает получение другого числа полюсов 4р₀ при другом состоянии НОК и НЗК коммутационного аппарата, при этом первым и вторым выходом фазы обмотки соединены по схеме звезда или треугольник.

18. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 16, отличающаяся тем, что в трехфазной обмотке при соединении фаз в звезду обоих выходов НОК и НЗК включены в плечи образующих конец фаз только двух мостов.

19. Обмотка электрической машины переменного тока по п. 16, отличающаяся тем, что в трехфазной обмотке электрической машины при соединении фаз для одного числе полюсов в треугольник и для другого числа полюсов в звезду НОК и НЗК включены в плечи образующих конец фаз двух мостов, а НОК или НЗК включены в плечо образующего конец фазы третьего моста для соединения в треугольник.