Многополюсная трёхфазная синхронная машина

Полезная модель относится К области электрических машин, в частности К синхронным машинам. Она может быть использована в качестве электромеханического преобразователя вентильного двигателя (бесколлекторного двигателя постоянного тока), синхронного двигателя и синхронного генератора, имеющих большое число полюсов и малую частоту вращения.Известен синхронный двигатель, содержащий активный ротор с чередующейся полярностью полюсов и статор, обмотка которого выполнена катушками, охватывающими один зубец 1 (аналог). Основные недостатки этого двигателя - малый коэффициент полезного действия (КПД) и большой удельный расход активных материалов. Это объясняется тем, что зубцовый шаг, следовательно, и ширина катушки равны половине полюсного деления, поэтому катушка сцепляется примерно с 70 магнитного потока полюса.Известен также синхронный двигатель, содержащий активный ротор с чередующейся полярностью полюсов и статор с трехфазной обмоткой, размещенной в 2 3 К (где К 1, 2, 3, ) пазах статора и выполненной катушками, охватывающими один зубец. Число полюсов ротора 2 р 2 1 К (где р - число пар полюсов) 2 (прототип). Недостатками этого двигателя являются малый КПД и большой удельный расход активных материалов, следовательно, плохие массогабаритные показатели. Эти недостатки объясняются малым обмоточным коэффициентом обмотки статора, то есть неэффективным ее использованием, а также значительной длиной лобовых частей. Это можно доказать следующим образом.13 13 г 1 д, (1) 2 ЗК где 13 - диаметр расточки двигателя. Полюсное деление 713 713 713 Т Т ы ы 2 р 2 1 К К(3 1 1) Относительный зубцовый шаг Б г 713 К(31)1 1 т зк 713 3Следовательно, при числе полюсов ротора 2 р 2 К зубцовый шаг на 1/3 больше полюсного деления, что приводит к значительному увеличению длины лобовых частей обмотки, следовательно, к увеличению расхода обмоточного провода и к увеличению электрических потерь в обмотке статора.Так как полюсному делению соответствуют 7 электрических радиан, то, совместив ось ординат с осью полюса, уравнение индукции основной гармоники можно представить в видегде В - амплитуда индукции, Вх - значение индукции в точке с линейной координатой Х (сдвинутой относительно начала координат на Х линейных единиц измерения).где 1 - длина электрической машины вдоль оси.Максимальный магнитный поток, пронизывающий катушку, будет при совпадении осей полюса и катушки. Его величину можно найти, если в (4) изменить верхний предел интегрирования на 7/2Разделив обе части (5) на Ф, получим Коэффициент укороченияКу Ф 51 п 33. (6) 1 Подставив сюда В 1 З , найдем коэффициент укорочения у этого двигателяТак как число фаз обмотки статора ш 3, то каждая фаза содержитПОСЛСДОВаТСЛЬНО ВКЛЮЧСННЫХ катушек, а катушки, СДВИНУТЫС ДРУГ ОТНОСИТСЛЬНО друга на ЭЛСКТРИЧССКИХ градусов, ВКЛЮЧСНЫ ВСТРСЧНО, ТО ССТЬ КОНСЦ ПСРВОЙ катушки СОСДИНСН С КОНЦОМ ВТОРОЙ, начало ВТОРОЙ - С началом ТРСТЬСЙ, КОНСЦ ТРСТЬСЙ - С КОНЦОМ ЧСТВСРТОЙ Игде Е 1,Е 2,Е 3,Е 4,, Ек - вектора ЭДС катушек Не 1, 2,К, включенных в фазу.Если совместить вектор ЭДС Е с осью действительных чисел комплексной плоскости, то (9) можно представить в виде Еф 2 Е 1 е 336 о ед 720 е 1080 Ш (1)(К 1)е(К 1)360 (10) где е 2,72 - основание натурального логарифма, 3 /1 - мнимая СДИНИЦЗ, Е - ЭДС катушки. Так как согласно формулеЭйлера 3 е со 5(р 51 п(р, то (11)Как видно из (12), при К четном Еф О, а при нечетном Еф Е. Следовательно, коэффициент распределения, равнь 1 й отношению ЭДС фазы по (12) к арифметической сумме ЭДС катушек фазыб дет Е 1 у Кр Т при нечетном К. КЕ К Обмоточный коэффициент прототипа Ко Ку Кр 0,866 Кр. (15)Как известно 4, ЭДС фазы пропорциональна числу ее витков и обмоточному коэффициенту.Анализ (6) И (7), а также (13)-( 15) показывает, что этот двигатель имеет Малый обмоточный коэффициент, поэтому для получения заданной ЭДС И, следовательно, мощности требуется увеличение числа витков. Вследствие этого увеличивается расход обмоточного провода и объем статора для его размещения, увеличиваются сопротивление обмотки статора и электрические потери в ней. Таким образом, двигатель имеет малый КПД и большой удельный расход материалов.Техническая задача, решаемая полезной моделью, - увеличение КПД и уменьшение удельного расхода материалов на электрическую машину.Поставленная задача решается тем, что в многополюсной трехфазной синхронной машине, содержащей активный ротор с чередующейся полярностью полюсов и статор с нечетным числом пазов, кратным трем, в которых размещены катушки обмотки статора, охватывающие один зубец, а активный ротор выполнен с числом полюсов, отличающимся от числа пазов статора на единицу. В фазе включены встречно последовательно все соседние катушки, занимающие третью часть окружности статора.При таком конструктивном исполнении зубцовый шаг мало отличается от полюсного деления, особенно при большом числе полюсов, поэтому коэффициент укорочения близок к 1. В фазе включены встречно последовательно соседние катушки, находящиеся под разными полюсами, поэтому геометрическая сумма ЭДС катушек фазы близка к арифметической сумме ЭДС катушек, входящих в фазу. В этом можно легко убедиться следующим образом.Так как число пазов статора13 13 ъ Ь Д (16) 2 ЗК и полюсное деление 713 713 Т Т. (17) 2 р ЗК 11 Относительный зубцовый шаг предлагаемой синхронной машины 13 ЗК 1 1 1 31-Т 1 (18) т ЗК 713 3 К и коэффициент укорочения на основании (6)Угол между векторами ЭДС двух соседних катушек2 2 3 К 1 1 1 у р- п- 71 (20) 2 ЗК 2 ЗК ЭДС фазы ф 1234.к(1)(кй 1),где 121, 2, , Ек - вектора ЭДС катушек Не 1, 2, 3, , К.Совместив вектора ЭДС Е 1 с осью действительных чисел комплексной плоскости, (21) можно представить в виде, Е ф Е 1-е ед - е (-1)Ке 1, (22)Учитывая (20) И (11), после Некоторых преобразований получимКак видно из (23), ЭДС фазы равна сумме ЭДС К катушек, сдвинутых друг относительно друга на угол у тс/ЗК, то есть как и в случае катушечной группы применяемыхобмоток. Поэтому по аналогии с катушечной группой коэффициент распределения согласно 5, можно представить в видеОбмоточнь 1 й коэффициент предлагаемой многополюсной трехфазной синхронной машины на основании (24) и (19)Для сравнения в таблице представлены обмоточные Коэффициенты для значений К 3 5 7 прототипа, рассчитанные по (14) и (15) и предлагаемой многополюсной трехфазной синхронной машины по (25).ПРОТОТИП ПОЛСЗНЗЯ МОДСЛЬ 3 9 0,288 0,945 5 15 0,173 0,955 7 21 0,124 0,957Таким образом, предлагаемая многополюсная трехфазная синхронная машина, имея большой обмоточный коэффициент, близкий к единице, требует меньшего расхода обмоточного провода и меньшего объема статора для его размещения. Благодаря этому у указанной машины удельный расход материалов и электрические потери в обмотке статора меньше, а КПД больше, чем у прототипа.На фиг. 1 изображена конструктивная схема многополюсной трехфазной синхронной машины с числом пазов 2 15 и числом полюсов 2 р 16.Многополюсная трехфазная синхронная машина содержит статор 1 и активный ротор 2. На внутренней поверхности статора 1 чередуются пазы 3 и зубцы 4. Число пазов 3 и зубцов 4 кратно 3-м и нечетное. В пазах 3, которые могут быть любой формы (круглые,овальные и т.п.), размешены катушки 5 обмотки статора 1, охватывающие один зубец 4,то есть начальная и конечная стороны катушки расположены в двух соседних пазах 3, поэтому шаг обмотки статора 1 равен единице.Катушки 5, следуюшие друг за другом на одной третьей части окружности статора 1,соединены между собой встречно последовательно (конец первой с концом второй, начало второй с началом третьей и т.д.) и образуют три фазы 6, 7 и 8 (на фиг. 1 фаза 8 не показана). Фазы 6, 7 и 8 соединены в звезду или треугольник (на фиг. 2 соединение - звезда).Ротор 2 снабжен полюсами 9 и 10 с чередующейся полярностью. Число полюсов ротора 2 на единицу больше или меньше числа пазов статора 1.Многополюсная трехфазная синхронная машина работает следуюшим образом. В режиме генератора ротор 2 приводится во врашение приводным двигателем (на чертеже не