Трехфазная двухслойная дробная (q=b+0,5) обмотка электрических машин (варианты)

Использование: относится к области электротехники и электромашиностроения, а именно к трехфазным асинхронным и синхронным электрическим машинам. В изобретении ставится задача достижения технического результата, состоящего в улучшении состава гармонических МДС и понижении дифференциального рассеяния σ_д симметричной m'=3-зонной дробной (q=b+0,5) обмотки. Сущность изобретения состоит в том, что трехфазная двухслойная дробная (q=b+0,5) обмотка выполняется 2р=4с-полюсной в z=6cq пазах из 6с катушечных групп (b+1)-катушечных нечетных, b-катушечных четных со средним шагом концентрических катушек y_к≈z/2рс при целом числе с=1, 2, 3,..., при числе 2w_к витков в каждом пазу и номерах i=1...(b+1), i'=1...b катушек в группе, начиная с наружной. Предложены три варианта осуществления данного изобретения для различных значений параметров z, y_к q, b, с, I, i' упомянутых выше, а также для различных значений параметра х, входящего в выражение (1-x)·w_к, определяющее число витков в катушечных группах. Технический результат - улучшение МДС симметричных m'=3-зонных дробных (q=b+0,5) обмоток электрических машин. 3 н.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к трехфазным обмоткам электрических машин переменного тока, может использоваться на статоре трехфазных асинхронных и синхронных машин, фазном роторе асинхронных двигателей (АД).

Известны петлевые двухслойные симметричные m=3-фазные обмотки, выполняемые 2р-полюсными в z пазах из m'p катушечных групп при числе пазов на полюс и фазу q=z/m'p целом или дробном, где m' - число фазных зон на пару полюсов, равное m'=m=3 (трехзонные обмотки) или m'=2m=6 (шестизонные обмотки) [Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978, с.392-393]. При дробном числе q=N/d=b+0,5 (d=2, b=1, 2, 3,...) они имеют неодинаковые чередующиеся катушечные группы: большие (b+1)-катушечные и малые b-катушечные с катушками равношаговыми или концентрическими при их среднем шаге по пазам y_п≈z/2p, а гармонический состав их МДС по ряду ν=m'k/d±1 [там же, с.450] особенно неблагоприятен при m'=3-зонах (ν=3k/2±1) из-за наличия субгармонической ν=1/2 при значительном возрастании дифференциального рассеяния σ_д и поэтому m'=3-зонные дробные (q=b+0,5) обмотки практически не применяются.

В изобретении ставится задача улучшения состава МДС симметричных m'=3-зонных дробных (q=b+0,5 при b=5, 6, 7) обмоток путем устранения субгармонической ν=1/2 при понижении дифференциального рассеяния σ_д.

Решение поставленной задачи достигается тем, что для трехфазной 2-слойной дробной (q=b+0,5) обмотки, выполняемой 2р=4с-полюсной в z=6cq пазах из 6с катушечных групп (b+1)-катушечных нечетных и b-катушечных четных со средним шагом концентрических катушек у_к≈z/2рс при целом числе c=1, 2, 3,..., 2w_к витках каждого паза и номерах i=1...(b+1), i'=1...b катушек в группе, начиная с наружной:

по первому варианту при q=5,5 (b=5) группы (b+1)=6-катушечные имеют шаги катушек у_пi=13-2(i-1) с числами витков по (1-х)w_к в i=1, 6, (1+x)w_к в i=3, а b=5-катушечные - y'_пi=12-2(i'-1) с (1+х)w_к в i'=3 при w_к в остальных катушках групп, где z=33c, y_к=1,5q-0,25=8 при значении х=0,54;

по второму варианту при q=6,5 (b=6) группы (b+1)=7-катушечные имеют шаги катушек у_пi=16-2(i-1) с числами витков по (1-х)w_к в i=1, 7, (1+x)w_к в i-4, а b=6-катушечные - y'_пi=15-2(i'-1) с (1+х)w_к в i'=4 при w_к в остальных катушках групп, где z=39c, y_к=1,5q+0,25=10 при значении х=0,54;

по третьему варианту при q=7,5 (7=5) группы (b+1)=8-катушечные имеют шаги катушек y_пi=18-2(i-1) с числами витков по (1-х)w_к в i=1, 8, (1+х) w_к в i=4, а b=7-катушечные - y'_пi=17=2(i'-1) с (1+x)w_к в i'=4 при w_к в остальных катушках групп, где z=45c, y_к=1,5q-0,25=11 при значении х=0,54.

На фиг.1 показаны развертки пазовых слоев предлагаемой обмотки по первому варианту при 2р=4 (с=1), q=5,5, z=33 пазах с номерами 1...33, 6с=6 катушечных группах с номерами 1Г...6Г (размечены группы 1Г, 4Г первой фазы), чередованиями фазных зон в последовательности А-В-С верхнего и X, Y, Z нижнего слоев, а на фиг.2, 3 построены (по треугольной сетке) многоугольники МДС при катушках равно- (фиг.2), неравновитковых (фиг.3) для х=0,5; на фиг.4, 5, 6 - то же, что и на фиг.1, 2, 3, но для обмотки по второму варианту при q=6,5 и z=39 пазах; на фиг.7, 8, 9 - то же, что и на фиг.1, 2, 3, но для обмотки по третьему варианту при q=7,5 и z=45 пазах.

При с=2, 3,... обмотки имеют 2р=4с=8, 12,... полюсов и развертки фиг.1, 4, 7 повторяются 2, 3,... раза. Предлагаемая m'=3-зонная обмотка соединяется в фазах обычным образом при последовательно-согласном включении групп фазы: 1Г, 4Г с началом фазы из начала 1Г в фазе I; 3Г, 6Г с началом из 3Г в фазе II; 5Г, 2Г с началом из 5Г в фазе III, а фазы могут сопрягаться в звезду (Y) или в треугольник (Δ).

Для обмотки по фиг.1 при q=5,5 коэффициенты укорочения катушек K_yi=sin(90°y_пi/τ_п) определяются при полюсном делении τ_п=z/2p=33/4=8,25, 2w_к=2 витках паза: K_yi=(1-x)0,618159 (y_пi=13), 0,866025 (y_пi=11), (1+х)0,98982 (y_пi=9), 0,971812 (y_пi=7), 0,814576 (y_пi=5), (1-х)0,540641 (y_пi=3); 0,7557496 (y'_пi=12), 0,94001 (y'_пi=10), (1+х)0,99887 (y'_пi=8), 0,90963 (y'_пi=6), 0,690079 (y'_пi=4), тогда обмоточный коэффициент К_об и средний шаг Y_п.ср. равны:

Из многоугольников МДС фиг.2 и 3 по соотношениям

определяется коэффициент дифференциального рассеяния σ_д, характеризующий качество обмотки по гармоническому составу ее МДС, где R² _д - квадрат среднего радиуса j=1...2q пазовых точек относительно центра многоугольника и R_o - радиус окружности для основной гармонической МДС [Попов В.И. Определение и оптимизация параметров трехфазных обмоток по многоугольникам МДС//Электричество, 1997, №9, с.53-55].

По (1)-(2) из многоугольников МДС фиг.2, 3 при стороне сетки в единицу длины (в центре многоугольников показаны единичные векторы токов фазных зон A-Z-B-X-C-Y) по теореме косинусов определяются R² _j и

а по (1)-(3) из условия d(σ_д)/d(х)=0 вычисляется оптимальное значение Х_опт=0,54, соответствующее минимальной величине σ_д%мин: при Х_опт=0,54 по (1) и (3) - К_об=0,86805, R² _д=231,8372/11, R₀=33·0,86805/2π, σ_д%мин=1,40, а при х=0 - σ_д%=3,53, т.е. значение σ_д% при х_опт=0,54 значительно снижается (в 3,53/1,40=2,52 раза) из-за устранения субгармонической ν=1/2; с учетом повышения К_об эффективность равна К_эф=(0,86805/0,82731)(3,53/1,4)=2,65.

Обмотке при m'=3, 2p=4, z=33, q=11/2, d=2 (фиг.1) соответствует m'=6-зонная обмотка при вдвое меньшем числе q=11/4 и d=4, которая при У_п=7 и равновитковых катушках имеет К_об=0,9284, R² _д=267/11 и σ_д%=2,10, т.е. предлагаемая m'=3-зонная обмотка по фиг.1 при X_опт=0,54 превосходит m'=6-зонную по дифференциальному рассеянию в 2,1/1,4=1,5 раза.

Подобным образом исследуются и оптимизируются предлагаемые варианты обмотки:

для обмотки по второму варианту (фиг.4, 5, 6) по уравнениям:

откуда при х=0 - K_об=0,82722, σ_д%=2,71; при X_опт=0,54 - К_об=0,86280, σ_д.мин=1,05, σ_д/σ_д.мин.=2,57, К_эф=2,68 и y_п.ср=10-х/13=9,958; ей соответствует m'=6-зонная обмотка при q=13/4, d=4, имеющая при y_п=8 и равновитковых катушках К_об=0,9175, R² _д=428/13 и σ_д%=1,52, т.е. m'=3-зонная обмотка по фиг.4 при x_опт=0,54 превосходит m'=6-зонную в 1,52/1,05=1,45 раза;

для обмотки по третьему варианту (фиг.7, 8, 9) по уравнениям:

откуда при х=0 - K_об=0,82716, σ_д%=2,01; при x_опт=0,54 - К_об=0,85871, σ_д.мин=0,84, σ_д/σ_д.мин.=2,41, К_эф=2,50 и y_п.ср=11+х/15=11,036; ей соответствует m'=6-зонная обмотка при q=15/4, d=4, имеющая при y_п=9 и равновитковых катушках К_об=0,9084, R² _д=642/15 и σ_д%=1,12, т.е. m'=3-зонная обмотка по фиг.4 при x_опт=0,54 превосходит m'=6-зонную в 1,12/0,84=1,34 раза.

Таким образом, предлагаемая симметричная m'=3-зонная дробная (q=b+0,5) обмотка характеризуется значительным (в 2,4...2,6 раза) снижением σ_д% и повышением К_об, что увеличивает в К_эф=2,5...2,7 раза ее эффективность по сравнению с равновитковой обмоткой; она проще m'=6-зонной обмотки в технологичности и изготовлении из-за вдвое меньшего числа (3р) катушечных групп, превосходит ее по дифференциальному рассеянию в 1,35...1,5 раза.

Полученным значениям x_опт=0,54 по условию минимизации σ_д (и условию устранения субгармонической МДС ν=1/2) соответствуют одинаковые значения ЭДС (b+1)- и b-катушечных групп, поэтому предлагаемые обмотки могут соединяться в фазах в a=2 параллельные ветви, а также могут использоваться в качестве симметричных 2m=6-фазных обмоток для частотно-регулируемых АД с короткозамкнутым ротором.

1. Трехфазная двухслойная дробная (q=b+0,5) обмотка электрических машин, выполняемая 2р=4с-полюсной в z=6cq пазах из 6с катушечных групп при числе (b+1) катушечных нечетных и числе b катушечных четных групп со средним шагом концентрических катушек y_к≈z/2рс при целом числе с=1, 2, 3..., при числе 2W_к витков в каждом пазу и номерах i=1...(b+1), i'=1...b катушек в катушечной группе, начиная с наружной, отличающаяся тем, что при q=5,5 (b=5) группы (b+1)=6-катушечные имеют шаги катушек по пазам y_m=13-2(i-1) и числа витков (1-x)w_к при i=1, 6 и числа витков (1+x)w_к при i=3, а группы b=5-катушечные имеют шаги по пазам y_m=12-2(i-1) и числа витков (i+x)w_к при i'=3, при этом число витков в остальных катушках групп равно w_к, где z=33c и y_к=1,5q-0,25=8 при значении х=0,54.

2. Трехфазная двухслойная дробная (q=b+0,5) обмотка электрических машин, выполняемая 2р=4с-полюсной в z=6cq пазах из 6с катушечных групп при числе (b+1) катушечных нечетных и числе b катушечных четных групп со средним шагом концентрических катушек y_к≈z/2рс при целом числе с=1, 2, 3..., при числе 2w_к витков в каждом пазу и номерах i=1...(b+1), i'=1...b катушек в катушечной группе, начиная с наружной, отличающаяся тем, что при q=6,5 (b=6) группы (b+1)=7-катушечные имеют шаги катушек по пазам y_m=16-2(i-1) и числа витков (1-х)w_к при i=1, 7 и числа витков (1+х)w_к при i=4, а группы b=6-катушечные имеют шаги по пазам y_m=15-2(i-1) и числа витков (1+x)w_к при i'=4, при этом число витков в остальных катушках групп равно w_к, где z=39c и y_к=1,5q+0,25=10 при значении х=0,54.

3. Трехфазная двухслойная дробная (q=b+0,5) обмотка электрических машин, выполняемая 2р=4с-полюсной в z=6cq пазах из 6с катушечных групп при числе (b+1) катушечных нечетных и числе b катушечных четных групп со средним шагом концентрических катушек y_к≈z/2рс при целом числе с=1, 2, 3..., при числе 2w_к витков в каждом пазу и номерах i=1...(b+1), i'=1...b катушек в катушечной группе, начиная с наружной, отличающаяся тем, что при q=7,5 (b=7) группы (b+1)=8-катушечные имеют шаги катушек по пазам y_m=18-2(i-1) и числа витков (1-x)·w_к при i=1, 8 и числа витков (1+х)w_к при i=4, а группы b=7-катушечные имеют шаги по пазам y'_m=17-2(i'-1) и числа витков (1+x)w_к при i'=4, при этом число витков в остальных катушках групп равно w_к, где z=45c и y_к=1,5q-0,25=11 при значении х=0,54.