Трехфазная машина (варианты)

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в трехфазных электрических машинах. Сущность изобретения заключается в выполнении машины с двумя существенно укороченными трехфазными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга в пространстве на 90 электрических градусов. Первая из обмоток соединена по схеме "треугольник", а вторая - "звезда". Вторая обмотка соединена параллельно с первой обмоткой равнопотенциальными точками. При этом, согласно первому варианту, обе обмотки выполнены со средним шагом по пазам, равным целому числу из диапазона Z/4p÷Z/3p, где Z - число пазов магнитопровода, р - число пар полюсов машины. Согласно первому и второму вариантам обе обмотки выполнены с фазными зонами, равными 30 электрическим градусам, а согласно третьему варианту - 15 электрическим градусам. Для второго и третьего вариантов предложены отличные от первого варианта схемы соединения обмоток и выбор их среднего шага. Технический результат заключается в снижении расхода меди при сохранении всех характеристик машины. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, и может быть использовано в трехфазных электрических машинах переменного тока.

Известны электрические машины с трехфазной обмоткой, соединенной по схеме "звезда" или "треугольник" (1). Недостатками таких машин являются повышенный расход меди и недостаточное использование активных материалов (меди и стали) и объема из-за повышенного сопротивления рассеяния трехфазной обмотки. Кроме того, в таких машинах условия нагрева трехфазной обмотки неблагоприятны из-за протекания токов по единственной обмотке.

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются трехфазные машины с двумя трехфазными обмотками, сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 90 электрических градусов, с фазными зонами в 30 электрических градусов, первая из которых соединена по схеме "треугольник", фазы же второй обмотки подключены концами к вершинам "треугольника" первой обмотки, образуя симметричную трехфазную систему (2).

Недостатками этой машины являются также повышенный расход меди и недостаточно высокие энергетические и эксплуатационные показатели (к.п.д., провалы механической характеристики в двигателях и искажение напряжения в генераторах) из-за циркуляции в "треугольнике" токов всего ряда высших гармоник.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является исключение указанных недостатков, а именно уменьшение расхода меди и улучшение энергетических и эксплуатационных показателей.

Указанный результат по одному из вариантов изобретения достигается тем, что в трехфазной машине, содержащей в пазах магнитопровода две двухслойные трехфазные обмотки, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 90 электрических градусов, фазные зоны которых равны 30 электрическим градусам, первая из обмоток соединена по схеме "треугольник", вторая обмотка соединена по схеме "звезда" и параллельно с первой равнопотенциальными точками обмоток, причем обмотки выполнены со средним шагом по пазам, равным целому числу из диапазона Z/4p÷Z/3p, где Z - число пазов магнитопровода, а р - число пар полюсов машины.

При этом целесообразно, чтобы числа витков фаз и сечения проводов обмоток были определены соотношением W1/W2=q2/q1= где W1 и W2 - числа витков фаз соответственно первой и второй обмоток, q1 и q2 - сечения проводов соответственно первой и второй обмоток.

В такой машине возможно, чтобы обмотки были уложены в пазах сердечника магнитопровода статора и/или ротора.

По другому, второму, варианту изобретения трехфазная машина, содержащая в пазах магнитопровода две двухслойные трехфазные обмотки, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 90 электрических градусов, фазные зоны которых равны 30 электрическим градусам, первая трехфазная обмотка выполнена с двумя параллельными ветвями, обмотки соединены в три частичных "треугольника", каждый из которых образован одной фазой второй трехфазной обмотки и одними из параллельных ветвей двух фаз первой трехфазной обмотки, смежных с фазой второй трехфазной обмотки, частичные "треугольники" соединены по схеме "звезда" началами или концами фаз второй трехфазной обмотки с возможностью переключения частичных "треугольников" со схемы "звезда" на схему "треугольник" с объединением или без объединения общих точек параллельных ветвей первой трехфазной обмотки, образующих частичные "треугольники", причем обмотки выполнены со средним шагом, равным целому числу из диапазона Z/4p÷Z/3p, где Z - число пазов магнитопровода, а р - число пар полюсов машины.

В этой машине целесообразно, чтобы числа витков фаз и сечения проводов обмоток были определены соотношением W2/W1=q1/q2= где W1 и W2 - числа витков фаз соответственно первой и второй обмоток, q1 и q2 - сечения проводов соответственно первой и второй обмоток.

Возможно, чтобы в такой машине обмотки были уложены в пазах сердечника магнитопровода статора и/или ротора.

По третьему варианту изобретения в трехфазной машине, содержащей в пазах магнитопровода две трехфазные обмотки, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 90 электрических градусов, первая из обмоток соединена по схеме "треугольник", вторая обмотка соединена по схеме "звезда" и соединена параллельно с первой обмоткой равнопотенциальными точками, обмотки выполнены однослойными с фазными зонами, равными 15 электрическим градусам, и со средним шагом по пазам, равным 6К+1 из диапазона Z/4p÷Z/3p, где Z - число пазов магнитопровода, р - число пар полюсов машины, а К=1, 2, 3,....

В этой машине также целесообразно, чтобы числа витков фаз и сечения проводов обмоток были определены соотношением W1/W2=q2/q1= где W1 и W2 - числа витков фаз соответственно первый и второй обмоток, q1 и q2 - сечения проводов соответственно первой и второй обмоток.

В этой машине также возможно, чтобы обмотки были уложены в пазах сердечника магнитопровода статора и/или ротора.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема обмотки электрической машины по первому и третьему вариантам изобретения, на фиг.2 и 5 - примеры размещения обмотки в пазах магнитопровода двухполюсной электрической машины соответственно по первому и третьему вариантам изобретения, на фиг.3 и 4 - соответственно образование принципиальной схемы и собственно принципиальная схема обмотки электрической машины по второму варианту.

Машина по первому варианту изобретения содержит две двухслойные трехфазные обмотки С1-С7, С2-С8, С3-С9 и С4-С10, С5-С11, С6-12 (фиг.1), сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 90 электрических градусов и размещенные в примере по фиг.2 в пазах 1-12. Фазные зоны обмоток равны 30 электрическим градусам, то есть в примере обмотки фиг.1 с Z=12 и р=1 фазная зона каждой из обмоток занимает 30•Z/180•2р=1 паз. Первая из обмоток С4-С10, С5-С11, С6-12 соединена по схеме "треугольник" (фиг.1 и 2), а вторая обмотка С1-С7, С2-С8, С3-С9 (фиг.1 и 2) соединена по схеме "звезда" и параллельно с первой обмоткой равнопотенциальными точками С1 и С6-С11, С2 и С4-С12, С3 и С5-С10 обмоток, являющимися клеммами А, В, С машины (фиг.1 и 2). При этом обмотки выполнены с шагом по пазам, равным Z/3p=4 (фиг.2), что соответствует относительному шагу, равному 2/3.

Следует отметить, что такой шаг обмоток исключает протекание в "треугольнике" токов наиболее сильной третьей и кратных ей гармоник и вызываемые ими потери и является наиболее оптимальным, хотя с точки зрения экономии меди эффективнее шаг Z/4p, что соответствует относительному шагу 1/2. Следует также отметить, что указанный нижний предел шага обмоток обоснован тем, что дальнейшее уменьшение его приводит к резкому необоснованному снижению энергетических показателей машины из-за резкого уменьшения обмоточного коэффициента. Последнее положение относится и к третьему варианту изобретения.

Для равномерной (одинаковой) загрузки двух обмоток целесообразно, чтобы числа витков фаз и сечения проводов обмоток были определены соотношением W1/W2= q2/q1= , где W1 и W2 - числа витков фаз соответственно первой и второй обмоток, q1 и q2 - сечения проводов соответственно первой и второй обмоток.

Машина по второму варианту изобретения так же, как и по первому, содержит в пазах магнитопровода две двухслойные трехфазные обмотки, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 90 электрических градусов, фазные зоны которых равны 30 электрическим градусам, причем обмотки выполнены со средним шагом, равным целому числу из диапазона Z/4p÷Z/3p. Первая трехфазная обмотка выполнена с двумя параллельными ветвями 1С1-1С7, 1С2-1С8, 1С3-1С9 и 2С1-2С7, 2С2-2С8, 2С3-2С9 (фиг. 3). Обмотки соединены в три частичных "треугольника" (как показано на фиг 3), каждый из которых образован одной фазой второй трехфазной обмотки, например, С5-С11, и одними из параллельных ветвей двух фаз первой трехфазной обмотки 1С1-1С7, 1С3-1С9, смежных с фазой С5-С11 второй трехфазной обмотки (фиг.3). Частичные "треугольники" соединены по схеме "звезда" началами или концами фаз второй трехфазной обмотки, например, С4, С5, С6 (фиг. 4). При этом возможно переключение частичных "треугольников" со "звезды" на "треугольник" путем соединения, например, С4 с С12, С5 с С10 и С6 с С11 с объединением или без объединения 1С7, 2С7, 1С8, 2С8, 1С9, 2С9 (фиг.3), что позволяет иметь машину на два напряжения, например, 220/380 В.

Следует отметить, что в этом варианте изобретения оптимальным средним шагом обмоток является Z/4p, так как внутри частичных треугольников ЭДС всех высших гармоник скомпенсированы, а в линиях полной обмотки АВС (фиг.4) отсутствуют ЭДС третьей и кратных ей гармоник, что обеспечивает существенную экономию меди при достаточно высоких энергетических показателях.

Для равномерной (одинаковой) загрузки двух обмоток машины по второму варианту целесообразно, чтобы числа витков фаз и сечения проводов обмоток были определены соотношением W2/W1=q1/q2= где W1 и W2 - числа витков фаз соответственно первой и второй обмоток, q1 и q2 - сечения проводов соответственно первой и второй обмоток.

Машина по третьему варианту изобретения содержит в пазах 1-24 (фиг.5) магнитопровода две трехфазные обмотки, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 90 электрических градусов (фиг.1 и 5). Первая из обмоток С4-С10, С5-С11, С6-С12 соединена по схеме "треугольник", а вторая обмотка С1-С2-С3 (фиг.1) соединена по схеме "звезда" и соединена параллельно с первой обмоткой равнопотенциальными точками С1 и С6-С11, С2 и С4-С12, С3 и С5-С10 обмоток. Обмотки выполнены однослойными с фазными зонами, равными 15 электрическим градусам, что соответствует для примера по фиг.5 одному пазу, и со средним шагом по пазам, равным 6К+1 (в примере - 7 пазов при К=1) из диапазона Z/4p÷Z/3p (в примере - 6 - 8), где Z - число пазов магнитопровода, р - число пар полюсов машины, К=1, 2, 3, ...

Для одинаковой загрузки обмоток машин по третьему варианту числа витков фаз и сечения проводов определены соотношением W1/W2=q2/q1= где W1 и W2 - числа витков фаз соответственно первой и второй обмоток, q1 и q2 - сечения проводов соответственно первой и второй обмоток.

Обмотки машин по всем вариантам изобретения могут быть также уложены на роторе или и на статоре, и на роторе, например, в асинхронных машинах с фазным ротором и машинах двойного питания.

Работа электрических машин по данному изобретению не имеет никаких особенностей по сравнению с работой известных трехфазных электрических машин.

Необходимо отметить, что снижение расхода меди в заявленной машине достигает 30-35% (в нормальных двухполюсных машинах). Такой результат достигается благодаря возможности существенного укорочения шага (длины лобовых частей обмотки) при сохранении энергетических (эксплуатационных) характеристик за счет двух факторов.

Первым из этих факторов является существенное уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния обмотки за счет пазовой и лобовой составляющих, благодаря соответственно уменьшению вдвое фазной зоны каждой из двух обмоток по сравнению с обычной и уменьшению длины лобовой части обмоток за счет укорочения шага.

Вторым из указанных факторов является улучшение условия нагрева обмотки благодаря сдвигу в пространстве двух обмоток и их токов во времени на 90 электрических градусов. Такой сдвиг обеспечивает уменьшение среднего значения основных греющих обмотку электрических потерь в ней в 2 раза, что снижает превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды при прочих равных условиях практически на 25%.

Все это в комплексе позволяет при сохранении всех характеристик машины обеспечить указанное снижение расхода меди.

Источники информации 1. Вольдек А. И. Электрические машины. М.-Л., "Энергия", 1966, с. 345, 385.

2. ЕР 0557809 B1, кл. Н 02 К 17/12, 1993.

Формула изобретения

1. Трехфазная машина, содержащая в пазах магнитопровода две двухслойные трехфазные обмотки, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 90 электрических градусов, фазные зоны которых равны 30 электрическим градусам, первая из обмоток соединена по схеме "треугольник", отличающаяся тем, что вторая обмотка соединена по схеме "звезда" и соединена параллельно с первой обмоткой равнопотенциальными точками, причем обмотки выполнены со средним шагом по пазам, равным целому числу из диапазона Z/4p÷Z/3p, где Z - число пазов магнитопровода, р - число пар полюсов машины.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что числа витков фаз и сечения проводов обмоток определены соотношением W1/W2=q2/q1= гдe W1 и W2 - числа витков фаз соответственно первой и второй обмоток, q1 и q2 - сечения проводов соответственно первой и второй обмоток.

3. Машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что обмотки уложены в пазах сердечника магнитопровода статора и/или ротора.

4. Трехфазная машина, содержащая в пазах магнитопровода две двухслойные трехфазные обмотки, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 90 электрических градусов, фазные зоны которых равны 30 электрическим градусам, отличающаяся тем, что первая трехфазная обмотка выполнена с двумя параллельными ветвями, обмотки соединены в три частичные "треугольника", каждый из которых образован одной фазой второй трехфазной обмотки и одними из параллельных ветвей двух фаз первой трехфазной обмотки, смежных с фазой второй трехфазной обмотки, частичные "треугольники" соединены по схеме "звезда" началами или концами фаз второй трехфазной обмотки и с возможностью переключения частичных "треугольников" со схемы "звезда" на схему "треугольник" с объединением или без объединения общих точек параллельных ветвей первой трехфазной обмотки, образующих частичные "треугольники", причем обмотки выполнены со средним шагом, равным целому числу из диапазона Z/4p÷Z/3p, где Z - число пазов магнитопровода, а р - число пар полюсов машины.

5. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что числа витков фаз и сечения проводов обмоток определены соотношением W2/W1=q1/q2= где W1 и W2 - числа витков фаз соответственно первой и второй обмоток, q1 и q2 - сечения проводов соответственно первой и второй обмоток.

6. Машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что обмотки уложены в пазах сердечника магнитопровода статора и/или ротора.

7. Трехфазная машина, содержащая в пазах магнитопровода две трехфазные обмотки, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 90 электрических градусов, первая из обмоток соединена по схеме "треугольник", отличающаяся тем, что вторая обмотка соединена по схеме "звезда" и соединена параллельно с первой обмоткой равнопотенциальными точками, обмотки выполнены однослойными с фазными зонами, равными 15 электрических градусов, и со средним шагом по пазам, равным 6К+1 из диапазона Z/4p÷Z/3p, где Z - число пазов магнитопровода, р - число пар полюсов машины, К=1, 2, 3,...

8. Машина по п.7, отличающаяся тем, что числа витков фаз и сечения проводов обмоток определены соотношением W1/W2=q2/q1= где W1 и W2 - числа витков фаз соответственно первой и второй обмоток, q1 и q2 - сечения проводов соответственно первой и второй обмоток.

9. Машина по п.7 или 8, отличающаяся тем, что обмотки уложены в пазах сердечника магнитопровода статора и/или ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5