Энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки

Изобретение относится к области электротехники, а именно касается особенностей конструктивного выполнения статоров и роторов машин переменного тока. Технический результат - расширение диапазона применения энергоэффективной электрической машины с компактными лобовыми частями обмотки в зону машин большой мощности за счет повышения их КПД при уменьшенной материалоемкости. Энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки включает сердечники статора и ротора, разделенные воздушным зазором, в прямоугольной формы пазах по крайней мере одного из которых расположены активные прямоугольной формы проводники слоев фаз волновой обмотки, включающие активные проводники выводов фаз. Над поверхностями торцевых зон этого сердечника расположены лобовые проводники обмотки, включающие лобовые проводники витков и витковых групп. Площади мест соединения по меньшей мере большинства лобовых и активных проводников меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения активных проводников, а части лобовых проводников витков обмотки, расположенные параллельно торцевым поверхностям сердечника, в большинстве находятся между местами соединения лобовых и активных проводников. Обмотка выполнена в виде по меньшей мере двух частей, разнесенных по высоте пазов, имеющих по два слоя активных проводников, одинаковое число фаз и полюсов, причем одноименные фазы этих частей соединены дополнительными проводниками так, что их совокупность образует фазы полной обмотки электрической машины. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, касается особенностей конструктивного выполнения статоров и роторов машин переменного тока, а также якорей машин постоянного тока, может быть использовано при проектировании и производстве электрических машин переменного и постоянного тока - асинхронных и синхронных машин, коллекторных машин и вентильных двигателей.

Известны электрические машины с прямоугольными пазами и двухслойными обмотками из прямоугольного обмоточного провода. Например, Проектирование электрических машин: Под ред. И.П. Копылова. - М., 1980, с. 42-52. Такие машины включают по меньшей мере один сердечник статора или ротора с пазами прямоугольной формы. В каждом из этих пазов находятся активные проводники прямоугольной формы двухслойной обмотки (петлевой или волновой). Активные проводники верхней части пазов сердечника образуют верхний слой обмотки, а активные проводники нижних частей пазов сердечника образуют нижний слой обмотки. Активные проводники соединены проводниками лобовых частей. Лобовые части обмотки являются жесткими. Однако вылет лобовых частей обмотки велик, что увеличивает объем и материалоемкость машины, а также уменьшает КПД за счет значительного активного сопротивления фаз.

Известна также электрическая машина с пазами сердечника статора или ротора прямоугольной формы и уменьшенным осевым вылетом лобовых частей обмотки (патент RU №2310965, Бюл. №32, 20.11.2007). Она содержит в пазах сердечника электрически изолированные активные проводники и проводники лобовых частей, расположенные по торцам сердечника.

Для сокращения вылета лобовых частей обмотки делается изгиб стержней при выходе из пазов в плоскости, перпендикулярной оси вращения, вдоль радиусов по направлению к наружному диаметру сердечника статора (обмотка статора) или к оси вращения (для обмотки фазного ротора). Осевой вылет лобовых частей электрической машины уменьшается, уменьшается и металлоемкость.

Недостатками этой машины являются значительный объем лобовых частей обмотки, усложнение технологии ее изготовления, возможность применения только для машин с концентрическими обмотками.

Известна также электрическая машина с пазами сердечника прямоугольной формы и стержневой волновой обмоткой с существенно уменьшенным объемом лобовых частей (патент RU №2275729, Бюл. №12, 27.04.2006). В этой электрической машине лобовые проводники (перемычки) имеют площади сечения, в местах их соединения со стержнями, меньше площади поперечного сечения соединяемых стержней обмотки, усредненной по длине паза. При этом места соединений упомянутых перемычек со стержнями в пазах расположены по краям пазов. Расположение непересекающихся лобовых проводников над средними частями пазов, где торцовые поверхности стержней свободны от соединения, в разы уменьшает объем лобовых частей обмотки статора, а у асинхронных машин с фазным ротором также и объем лобовых частей обмотки ротора. Такая конструкция значительно уменьшает расход меди на изготовление электрических машин, особенно асинхронных машин с фазным ротором.

Однако расположение в каждом из прямоугольной формы пазов сердечника этой электрической машины двух активных проводников (стержней) не позволяет выполнить машину на значительные рабочие напряжения, а при значительных мощностях и токах в машинах уменьшает КПД за счет увеличения вихревых токов в активных проводниках.

Известна также (прототип) энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки, работоспособная при значительных рабочих напряжениях фаз, с прямоугольной формы пазами сердечника и волновой обмоткой из прямоугольного обмоточного провода (патент RU №2526835, МПК Н02К 17/00, БИПМ №24, 27.08.2014). В этой энергоэффективной электрической машине, включающей сердечники статора и ротора, разделенные воздушным зазором, в прямоугольной формы пазах по крайней мере одного из которых расположены активные проводники волновой обмотки, которая содержит также лобовые проводники, расположенные над поверхностями торцевых зон сердечника с небольшим зазором, которые не пересекаются, посредством которых соединены активные проводники витков, витковые группы и ветви обмотки, состоящие из витковых групп, при этом площади мест соединения по меньшей мере большинства лобовых проводников с активными проводниками обмотки меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых активных проводников, а в упомянутых пазах размещены четыре или более активных проводника, причем активные проводники пазов, в которых расположены проводники начал фаз обмотки, соединены лобовыми проводниками, соединяющими ветви фаз обмотки, с активными проводниками пазов, в которых расположены проводники концов одноименных фаз этой обмотки, в обратной последовательности.

Мощные электрические машины с обычными лобовыми частями обмотки (например, серийные) для уменьшения потерь от вытеснения тока и от вихревых токов выполнены с увеличенным числом активных проводников в слоях обмотки за счет уменьшения высоты активных проводников. Мощные электрические машины с компактными лобовыми частями обмотки, при использовании технического решения прототипа, для сохранения минимального объема лобовых частей должны быть выполнены с уменьшенной шириной активных проводников. Высота активных проводников сохраняется, что не позволяет уменьшить потери от вытеснения тока в этих проводниках.

Таким образом, недостаток технического решения прототипа: при увеличении номинальной мощности машины растет высота активных проводников, что приводит к увеличению потерь от вытеснения тока в этих проводниках. Как следствие - снижается КПД электрической машины.

Технический результат предложения (по п. 1) - расширение диапазона применения энергоэффективной электрической машины с компактными лобовыми частями обмотки в зону машин большой мощности за счет повышения их КПД при уменьшенной материалоемкости.

Технический результат достигается тем, что энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки, включающая сердечники статора и ротора, разделенные воздушным зазором, в прямоугольной формы пазах по крайней мере одного из которых расположены активные прямоугольной формы проводники слоев фаз волновой обмотки, включающие активные проводники выводов фаз, а над поверхностями торцевых зон этого сердечника расположены лобовые проводники обмотки, включающие лобовые проводники витков и витковых групп, при этом площади мест соединения по меньшей мере большинства лобовых и активных проводников меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения активных проводников, а части лобовых проводников витков обмотки, расположенные параллельно торцевым поверхностям сердечника, в большинстве находятся между местами соединения лобовых и активных проводников, снабжена дополнительными проводниками, а обмотка выполнена в виде по меньшей мере двух частей, разнесенных по высоте пазов, имеющих по два слоя активных проводников, одинаковое число фаз и полюсов, причем одноименные фазы этих частей соединены дополнительными проводниками так, что их совокупность образует фазы полной обмотки электрической машины (п. 1 ф-лы).

Для уменьшения длины дополнительных проводников, при выполнении обмотки сосредоточенной, выводы фаз по меньшей мере одной пары соседних частей обмотки расположены в соседних слоях активных проводников (п. 2 ф-лы).

При распределенной обмотке статора машины, для улучшения формы ЭДС, одноименные фазы частей соединены последовательно и сдвинуты вдоль окружности сердечника в пределах фазной зоны (п. 3 ф-лы).

Для уменьшения длины дополнительных проводников в этом случае фазы части обмотки, активные проводники выводов которой расположены в слое, соседнем со слоем ближайшей части обмотки, в котором расположены активные проводники, соединенные лобовыми проводниками витковых групп, сдвинуты относительно одноименных фаз упомянутой ближней части обмотки по направлению чередования фаз на q-ю часть фазной зоны обмотки, где q - число пазов на полюс и фазу (п. 4 ф-лы).

Пример конкретного выполнения изобретения иллюстрируют элементы конструкции трехфазной энергоэффективной асинхронной машины с компактными лобовыми частями обмотки, представленные на фиг. 1, 2, 3.

На фиг. 1 показан вид элементов конструкции сердечника статора 1 и сердечника ротора 2, разделенных воздушным зазором 3. Сердечник ротора 2 выполнен без обмотки (машина с массивным ротором). Показана форма активных проводников обмотки 4 статора машины, расположенных в пазах 5 прямоугольной формы. Активные проводники выполнены из провода прямоугольного поперечного сечения. Обмотка 4 - трехфазная волновая. Видно, что в пазах 5 размещены шестнадцать активных проводников. Они расположены в пазах 5 в четыре слоя. При этом два нижних слоя состоят из активных проводников нижней части 6 обмотки 4, расположенной ближе к ярму (спинке) 7 сердечника статора 1, а два верхних слоя, расположенные ближе к воздушному зазору 3, состоят из активных проводников верхней части 8, расположенной ближе к воздушному зазору 3. Т.е. части 6 и 8 обмотки 4 машины разнесены по высоте пазов.

На фиг. 1 показан вид тех пазов из пазов 5, в которых расположены: активные проводники 9 выводов (например, начал) фаз верхней части 8 обмотки 4 и активные проводники 10 таких же выводов (например, начал) одноименных фаз нижней части 6 обмотки 4. Как видно, активные проводники 9 и 10 выводов фаз данной пары частей (частей 6 и 8) обмотки 4 расположены в соседних слоях обмотки 4. При четном количестве частей каждая пара имеет выводы, расположенные в соседних слоях обмотки 4.

Места соединения активных проводников с лобовыми проводниками на фиг. 1 заштрихованы. Видно, что площади соединения одинаковых по высоте и ширине активных проводников с лобовыми проводниками составляют половину площади поперечного сечения активных проводников. Как видно на фиг. 1, верхняя часть 8 и нижняя часть 6 обмотки 4 аналогичны по форме и размерам активных проводников в пазах.

На фиг. 2 показан вид сверху того же выреза активной части асинхронной машины, на котором видны проводники компактных лобовых частей обмотки 4.

На фиг. 2 показаны группы лобовых проводников 11, соединяющие витковые группы одной из фаз верхней части 8 обмотки 4, и группы лобовых проводников 12, соединяющие витковые группы одноименной фазы нижней части 6 обмотки 4. Видны группы лобовых проводников 13, соединяющие активные проводники витков верхней части 8 обмотки 4, и группы лобовых проводников 14, соединяющих активные проводники витков нижней части 6 обмотки 4. Каждая из групп лобовых проводников 11-14 выполнена в виде четырех проводников, например, прямоугольного сечения, расположенных один над другим параллельно плоскости торцевой зоны сердечника 1. Над второй торцевой зоной сердечника статора 1 таким же образом расположены группы лобовых проводников (см. патент RU №2526835, Бюл. №24, 27.08.2014), которые также выполнены в виде четырех проводников, например, прямоугольного сечения, соединяющих активные проводники витков части 6 и 8 обмотки 4.

На фиг. 2 видны также лобовые проводники 15, соединяющие ветви одной из фаз верхней части 8 обмотки 4, и лобовые проводники 16, соединяющие ветви одноименной фазы нижней части 6 обмотки 4. Каждая группа лобовых проводников 15 и 16 выполнена в виде трех проводников, например, прямоугольного сечения, расположенных один над другим параллельно плоскости торцевой зоны сердечника статора (см. патент RU №2526835). При этом активные проводники 9, 10 (см. фиг. 1) соединены дополнительными проводниками 17.

Дополнительными проводниками 17 (см. фиг. 2) соединены активные проводники начал фаз верхней части 8 обмотки 4 с началами фаз нижней части 6 обмотки 4, а также проводники концов фаз верхней части 8 обмотки 4 с концами фаз нижней части 6 обмотки 4. Таким образом, на фиг. 2 одноименные фазы частей 6 и 8 обмотки 4 дополнительными проводниками 17 соединены параллельно и образуют фазы полной обмотки 4 электрической машины. Дополнительные проводники 17 также могут иметь прямоугольное сечение. Этими проводниками 17 соединены одноименные выводы фаз одной пары частей 6 и 8 обмотки, расположенные в соседних слоях обмотки 4 (п. 2 ф-лы) и являются выводами фаз полной обмотки 4 (см. фиг. 3).

Как следует из фиг. 2, при параллельном соединении одноименных фаз частей 6 и 8 обмотки 4 длина дополнительных проводников 17 и потери в них минимальны. Уменьшена и длина активной части машины.

Как следует из рассмотрения фиг. 1 и фиг. 2, лобовые проводники 13-14 частей 6 и 8 обмотки 4 расположены над поверхностями торцевых зон сердечника статора, в частности над торцевыми поверхностями активных проводников, свободных от соединения с лобовыми проводниками (незаштрихованные части сечений активных проводников на фиг. 1). При этом лобовые проводники частей 6, 8 обмотки 4 не пересекаются, что приводит к уменьшению их длины и объема. Как видно на фиг. 2, части 6 и 8 обмотки 4 аналогичны по форме выполнения лобовых проводников.

На фиг. 1 и фиг. 2 активные и лобовые проводники верхней части 8 расположены ближе к воздушному зазору 3 машины, а активные и лобовые проводники нижней 6 части расположены ближе к спинке 7 сердечника статора асинхронной машины. То есть части обмотки 4 пространственно разделены.

Между поверхностями лобовых проводников, свободных от соединения с активными проводниками, и торцевыми поверхностями сердечника статора 1 выполнен небольшой воздушный зазор для лучшего охлаждения машины (см. патент RU №2526835).

Соединения лобовых проводников с активными проводниками могут быть выполнены сваркой или пайкой.

На фиг. 3 показана схема сосредоточенной обмотки статора асинхронной машины с компактными лобовыми частями обмотки.

Эта схема включает две частичные схемы: схему 18 - для части 6 обмотки 4 (см. фиг. 1 и 2) и схему 19 для части 8 обмотки 4. Выводы фаз частей 6 и 8 обмотки 4 статора машины имеют следующие обозначения: в нижней части 6 начало и конец первой фазы на схеме 18 обозначены , , начало и конец второй фазы - , , третьей - , ; в верхней части 8 на схеме 19 начало и конец первой фазы обозначены , начало и конец второй - , , третьей - , . Видно, что части 6 и 8 обмотки 4 выполнены по схемам трехфазных четырехполюсных волновых обмоток с диаметральным шагом. То есть верхняя и нижняя части обмотки 4 имеют одинаковое число фаз и полюсов. Обозначения соответствуют технической литературе, например, Вольдек А.И. Электрические машины. - Л., 1978, с. 497.

Как видно сердечник статора имеет 12 пазов, которые пронумерованы в центре рисунка в направлении чередования фаз. Паз фиг. 1, 2 имеет на схеме фиг. 3 нумерацию - 1. Сплошными линиями в пазах обозначены активные проводники верхних слоев частей 6 и 8 обмотки, а пунктиром - активные проводники нижних слоев этих частей обмотки 4. На фиг. 3 показаны лобовые проводники 11 и 12 (лобовые проводники витковых групп), соединяющие витковые группы частей 6 и 8, также лобовые проводники 13 и 14 (лобовые проводники витков), соединяющие активные проводники витков. Показаны лобовые проводники 15, 16, соединяющие ветви фаз обмотки 4, и показаны и лобовые проводники 17, соединяющие одноименные фазы частей 6 и 8 обмотки 4. В частности, лобовой проводник , соединяющий активные проводники 9 и 10 на фиг. 2. Проводники 17 являются выводами фаз полной обмотки статора асинхронной машины. Они имеют следующее обозначения: начало и конец первой фазы обозначены U₁, U₂, начало и конец второй - V₁, V₂, третьей - W₁, W₂.

Возможно и последовательное соединение фаз частей 6 и 8 обмотки 4. В этом случае дополнительные проводники выполнены как соединения между и , между и и между и . отсутствуют. Вместо проводников 17 одноименные начала и концы фаз частей 6 и 8 обмотки 4 соединены лобовыми проводниками 20. На фиг. 3 показан утолщенной пунктирной линией один из проводников 20, чтобы не загромождать рисунок. В этом случае проводники 20 расположены над тремя лобовыми проводниками группы 15 (см. фиг. 1, 2). То есть и в этом случае лобовые проводники также не пересекаются и компактны.

Таким образом, проводники выводов одноименных фаз частей 6 и 8 соединены дополнительными проводниками так, что они образуют фазы полной обмотки электрической машины.

Для улучшения формы ЭДС фаз машин обычно применяют укорочение шага обмотки. Например, Проектирование электрических машин: Под ред. И.П. Копылова. - М. 1980, с. 75. Это усложняет конструкцию машин с компактными лобовыми частями обмотки. Поэтому в предложенном решении для приближения формы ЭДС фаз машины к синусоидальной одноименные фазы частей обмотки соединены последовательно и сдвинуты вдоль окружности сердечника 1 в пределах фазной зоны (п. 3 ф-лы). Это применимо при выполнении машины с распределенной обмоткой, когда число пазов на полюс и фазу (q) больше единицы.

В машине с распределенной обмоткой 4 (q=2, 24 паза) лобовые части наиболее компактны, если фазы части 8 обмотки, активные проводники выводов 9 которой расположены в слое соседнем со слоем ближайшей части 6 обмотки, в котором расположены активные проводники, соединенные лобовыми проводниками витковых групп 12 (на место 16), сдвинуты относительно одноименных фаз упомянутой ближней части 6 по направлению чередования фаз на q-ю часть фазной зоны обмотки, где q-число пазов на полюс и фазу. Для q=2 фазная зона составляет два паза. Т.е., например, фазу U части 8 сдвигают на один паз относительно фазы U части 6 в сторону чередования фаз. В этом случае на фиг. 3 в части 18 схемы активные проводники выводов расположены в нижнем слое, а активные проводники, соединенные лобовыми проводниками витковых групп 12, - в верхнем слое части 6.

Работает предложенная энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки, например асинхронная машина, следующим образом.

Выводы полных фаз (см. фиг. 3) обмотки 4 статора машины соединяют в звезду (объединяют выводы U₂, V₂, W₂) или в треугольник (соединяют U₂ с V₁, V₂ с W₁, W₂ с U₁). На выводы фаз обмотки 4 подают напряжение трехфазного источника. В каждой из частей 18 и 19 обмотки 4 возникает трехфазная система токов, которая создает вращающееся магнитное поле в сердечниках статора 1 и ротора 2. На проводники ротора 2 действуют силы, создающие вращающий момент. Машина начнет работать в режиме двигателя. При этом за счет уменьшения высоты активных проводников каждой из частей 18 и 19 обмотки 4 уменьшаются потери от вытеснения тока в активных проводниках обмотки статора 4.

Возможна работа предложенной энергоэффективной асинхронной машины с компактными лобовыми частями обмотки в генераторном режиме. В этом случае вращение магнитного поля в магнитопроводе этой машины, созданного токами в обмотке статора 4, происходит медленнее вращения ротора. Скольжение машины при этом отрицательно. При подключении к выводам обмотки 4 электрической машины потребителей электроэнергии переменного тока в ее фазах течет ток и механическая энергия, подводимая к валу электрической машины, преобразуется машиной в электрическую мощность, поступающую к потребителям. При этом также уменьшаются потери от вытеснения тока в активных проводниках обмотки 4.

Таким образом, предложение работоспособно в двигательном и генераторном режимах электрической машины. За счет уменьшения высоты сечения активных проводников (п. 1 ф-лы) уменьшаются потери от вихревых токов и вытеснения тока в этих проводниках. Так как дополнительные проводники имеют минимальную длину (п. 2 ф-лы), уменьшаются и потери в активных сопротивлениях фаз машины. За счет сдвига фаз частей обмотки (п. 3, 4 ф-лы) снижаются потери от высших гармоник фазных токов машины, снижается объем и сопротивление дополнительных проводников для машины с распределенной обмоткой статора. Следовательно, снижаются электрические потери, растет КПД. Положительный эффект изобретения проявляется в большей мере при работе электрических машин большой мощности, выполненных согласно изобретению.

Возможно выполнение энергоэффективной электрической машины в виде синхронной машины с компактными лобовыми частями обмотки якоря, в виде асинхронной машины с фазным ротором с компактными лобовыми частями обмоток статора и ротора, где эффект наибольший, и т.п.

Таким образом, предложенная конструкция энергоэффективной электрической машины с компактными лобовыми частями обмотки существенно снижает электрические потери в машинах большой мощности, что приводит к расширению диапазона применения этой машины в зону машин большой мощности, за счет повышения их КПД при уменьшенной материалоемкости.

1. Энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки, включающая сердечники статора и ротора, разделенные воздушным зазором, в прямоугольной формы пазах по крайней мере одного из которых расположены активные прямоугольной формы проводники слоев фаз волновой обмотки, включающие активные проводники выводов фаз, а над поверхностями торцевых зон этого сердечника расположены лобовые проводники обмотки, включающие лобовые проводники витков и витковых групп, при этом площади мест соединения по меньшей мере большинства лобовых и активных проводников меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения активных проводников, а части лобовых проводников витков обмотки, расположенные параллельно торцевым поверхностям сердечника, в большинстве находятся между местами соединения лобовых и активных проводников, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными проводниками, а обмотка выполнена в виде по меньшей мере двух частей, разнесенных по высоте пазов, имеющих по два слоя активных проводников, одинаковое число фаз и полюсов, причем одноименные фазы этих частей соединены дополнительными проводниками так, что их совокупность образует фазы полной обмотки электрической машины.

2. Энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки по п. 1, отличающаяся тем, что выводы фаз по меньшей мере одной пары соседних частей обмотки расположены в соседних слоях активных проводников.

3. Энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки по п. 1, отличающаяся тем, что одноименные фазы частей обмотки соединены последовательно и сдвинуты вдоль окружности сердечника в пределах фазной зоны.

4. Энергоэффективная электрическая машина с компактными лобовыми частями обмотки по п. 3, отличающаяся тем, что фазы части обмотки, активные проводники выводов которой расположены в слое, соседнем со слоем ближайшей части обмотки, в котором расположены активные проводники, соединенные лобовыми проводниками витковых групп, сдвинуты относительно одноименных фаз упомянутой ближней части обмотки по направлению чередования фаз на q-ю часть фазной зоны обмотки, где q - число пазов на полюс и фазу.