close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9117

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 9117
(13) C1
(19)
(46) 2007.04.30
(12)
7
(51) H 02K 21/00, 19/00
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
МНОГОПОЛЮСНАЯ ТРЁХФАЗНАЯ СИНХРОННАЯ МАШИНА
(21) Номер заявки: a 20040758
(22) 2004.08.11
(43) 2006.02.28
(71) Заявитель: Республиканское унитарное предприятие "Приборостроительный завод ОПТРОН" (BY)
(72) Авторы: Шафранский Валентин Иванович; Лаптик Михаил Михайлович; Литовко Владимир Иосифович
(BY)
(73) Патентообладатель: Республиканское
унитарное предприятие "Приборостроительный завод ОПТРОН" (BY)
(56) SU 1345291 A1, 1987.
RU 2047936 C1, 1995.
RU 2059994 C1, 1996.
RU 2066912 C1, 1996.
SU 1481875 A1, 1989.
SU 1674321 A1, 1991.
WO 02/082622 A1.
US 4031419 A, 1977.
JP 2001157428 A, 2001.
JP 2002345224 A, 2002.
BY 9117 C1 2007.04.30
(57)
Многополюсная трехфазная синхронная машина, содержащая активный ротор с полюсами чередующейся полярности и статор с нечетным числом пазов, кратным трем, в
которых размещены катушки его обмотки, охватывающие один зубец статора, отличающаяся тем, что активный ротор выполнен с числом полюсов, отличающимся на единицу
от числа пазов статора, а в фазе обмотки статора соединены встречно-последовательно все
катушки, занимающие третью часть окружности статора.
Фиг. 1
BY 9117 C1 2007.04.30
Изобретение относится к области электрических машин, в частности к синхронным
машинам. Оно может быть использовано 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 Z = 3К (где К = 1,
2, 3,…) пазах статора и выполненной катушками, охватывающими один зубец. Число полюсов ротора 2р = Z±К (где p - 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.
Зубцовый шаг статора
πD πD
t=
=
,
(1)
Z 3K
где D - диаметр расточки двигателя. Полюсное деление
πD
πD
πD
τ=
=
=
.
(2)
2p Z ± K K (3 ± 1)
Относительный зубцовый шаг
t πD K (3 ± 1)
1
= 1± .
=
⋅
3
πD
τ 3K
Следовательно, при числе полюсов ротора 2р = Z + K 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 π электрических радиан, то, совместив ось
ординат с осью полюса, уравнение индукции основной гармоники можно представить в
виде
π
B x = B cos X,
(3)
τ
где В - амплитуда индукции,
Вх - значение индукции в точке с линейной координатой X (сдвинутой относительно
начала координат на X линейных единиц измерения).
Магнитный поток полюса
τ/ 2
π
2
Ф = 2l ∫ B cos XdX = lτB,
(4)
τ
π
0
β=
где l - 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 t/2
2
BY 9117 C1 2007.04.30
t/2
Ф к = 2l
π
π
2
π
∫ B cos τ XdX = π lτB sin 2β = Ф sin β 2 .
(5)
0
Разделив обе части (5) на Ф, получим коэффициент укорочения
Ф
π
К y = к = sin β .
(6)
Ф
2
1
Подставив сюда β = 1 ± , найдем коэффициент укорочения у этого двигателя
3
π
1 π
К y = sin 1 ±  = cos = 0,866 .
(7)
6
 3 2
Так как число фаз обмотки статора m = 3, то каждая фаза содержит
Z 3K
Nk = =
=K
(8)
m
3
последовательно включенных катушек, а катушки, сдвинутые друг относительно друга на
360 электрических градусов, включены встречно, то есть конец первой катушки соединен
с концом второй, начало второй - с началом третьей, конец третьей - с концом четвертой и
т.д. Следовательно, электродвижущая сила (ЭДС) фазы
(9)
E ф = E1 − E 2 + E 3 − E 4 + K + E K (−1) ( K −1) ,
где E1 , E 2 , E 3 , E 4 ,K E K - вектора ЭДС катушек № 1, 2,...К, включенных в фазу.
Если совместить вектор ЭДС E1 с осью действительных чисел комплексной плоскости, то (9) можно представить в виде
(10)
E ф = E 1 − e j360 + e j720 − e j1080 + K + (−1)( K −1) e j( K −1)360
где е = 2,72 - основание натурального логарифма,
j = − 1 - мнимая единица,
Е - ЭДС катушки.
Так как согласно формуле Эйлера [3]
(11)
ejϕ = cosϕ + Jsinϕ, то
[
]
E ф = E(1 − cos 360 − j sin 360 + cos 720 + j sin 720 + cos1080 − jsin 1080 + K) =
E(1 − cos 0 + cos 0 − cos 0 + K).
(12)
Как видно из (12), при К четном E ф = 0 , а при нечетном Еф = Е. Следовательно, коэффициент распределения, равный отношению ЭДС фазы по (12) к арифметической сумме
ЭДС катушек фазы
Eф
(13)
Kp =
KE
будет
K p = 0 при четном K


(14)

E
1
Kp =
= при нечетном К. 
KE K

Обмоточный коэффициент прототипа
K 0 = K y K p = 0,866K p .
(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
3
BY 9117 C1 2007.04.30
статора и электрические потери в ней. Таким образом, двигатель имеет малый КПД и
большой удельный расход материалов.
Техническая задача, решаемая изобретением - увеличение КПД и уменьшение удельного расхода материалов на электрическую машину.
Поставленная задача решается тем, что в трехфазной синхронной машине, содержащей активный ротор с полюсами чередующейся полярности и статор с нечетным числом
пазов, кратным трем, в которых размещены катушки его обмотки, охватывающие один
зубец статора, активный ротор выполнен с числом полюсов, отличающимся на единицу от
числа пазов статора. В фазе обмотки статора соединены встречно-последовательно все
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 статора
Z = 3K,
где К = 1, 3, 5,…, и число полюсов ротора
2p = Z ± 1 = 3K ± 1,
где p - число пар полюсов, то зубцовый шаг
πD πD
=
=
(16)
Z 3K
и полюсное деление
πD
πD
τ=
=
.
(17)
2p 3K ± 1
Относительный зубцовый шаг предлагаемой синхронной машины
t πD 3K ± 1
1
=1±
β= =
⋅
(18)
τ 3K πD
3K
и коэффициент укорочения на основании (6)
1 π
π
π

К y = sin β = sin 1 ±
.
(19)
 = cos
2
6K
 3K  2
Угол между векторами ЭДС двух соседних катушек
2πp 2π 3K ± 1
1 

γ′ =
=
⋅
= π1 ±
(20)

Z
3K
2
 3K 
ЭДС фазы
(21)
E ф = E1 − E 2 + E 3 − E 4 + K + E K ⋅ (−1) ( K −1) ,
где E1 , E 2 ,K E K - вектора ЭДС катушек 1, 2, 3,…K.
Совместив вектора ЭДС E1 с осью действительных чисел комплексной плоскости (21),
можно представить в виде
[
( K −1) j( K −1) γ′
E ф = E 1 − e jγ′ + e j2 γ′ − e j3γ′ + K + (− 1)
e
],
(22)
где Е - ЭДС катушки.
Учитывая (20) и (11), после некоторых преобразований получим
2π
π
π ( K −1)


±j
±j
±j
3
K
3
K
E ф = E 1 + e
+e
+ K + e 3K .
(23)


Как видно из (23), ЭДС фазы равна сумме ЭДС "К" катушек, сдвинутых друг относиπ
тельно друга на угол γ =
, то есть как и в случае катушечной группы применяемых об3K
4
BY 9117 C1 2007.04.30
моток. Поэтому по аналогии с катушечной группой коэффициент распределения согласно
[5] можно представить в виде
π
γ
sin
sin K
6 = 0,5 .
2=
Kp =
(24)
γ
π
π
K sin
K sin
K sin
2
6K
6K
Обмоточный коэффициент предлагаемой многополюсной трехфазной синхронной
машины на основании (24) и (19)
π
0,5 cos
6K .
K o = K yK p =
(25)
π
K sin
6K
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).
Таблица
К
Z
Ко
прототип
изобретение
3
9
0,288
0,945
5
15
0,173
0,955
7
21
0,124
0,957
Таким 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 Z = 15 и числом полюсов 2p = 16.
На фиг. 2 показана схема-развертка обмотки статора с числом пазов Z = 15.
Многополюсная трехфазная синхронная машина, содержащая активный ротор I с полюсами чередующейся полярности и статор 2 с нечетным числом пазов 3, кратным трем, в
которых размещены катушки 4 его обмотки, охватывающие один зубец 5 статора 2. Активный ротор I выполнен с числом полюсов 6 и 7, отличающимся на единицу от числа пазов 3 статора 2, а в фазе 8, 9 и 10 (на фиг. 1 фаза 8 не показана) обмотки статора 2 соединены встречно-последовательно все катушки 4, занимающие третью часть окружности
статора 2.
Фазы 8, 9 и 10 соединены в звезду или треугольник (на фиг. 2 соединение - звезда).
Многополюсная трехфазная синхронная машина работает следующим образом. В режиме генератора ротор I приводится во вращение приводным двигателем (на чертеже не
показано), поэтому в катушках 4, следовательно, и в фазах 8, 9 и 10 наводится ЭДС. Схема
соединения катушек в этих фазах одинаковая, а начала фаз сдвинуты на
Z 3K
=
=K
3
3
пазов (где К = 1, 3, 5…), поэтому ЭДС фаз сдвинуты друг относительно друга на угол
(Z ± 1)π = K (3K ± 1)π = πK ± π .
2 pπ
α=K
=K
Z
Z
3K
3
Так как К = (n + 1), (где n = 0,2,4,6,…), а 2π = 0, 4π = 0 и т.д., то
π
α = π± .
3
5
BY 9117 C1 2007.04.30
Следовательно, ЭДС фаз сдвинуты друг относительно друга на угол 2/3π или 4/3π, то
есть в генераторе наводится трехфазная симметричная система ЭДС с прямым или обратным чередованием фаз.
В двигательном режиме обмотка статора 2 подключается к трехфазному источнику
питания (на чертеже не показано). Так как эта обмотка статора 2 трехфазная симметричная, то она создает вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор I.
В предлагаемом техническом решении благодаря сочетанию нечетного числа пазов
статора 2, кратного трем, и числа полюсов активного ротора I, отличающегося от числа
пазов статора 2 на единицу, катушка 4 с охватом одного зубца 5 имеет коэффициент укорочения, близкий к единице. Благодаря встречно-последовательному соединению в фазе
одной третьей части катушек 4, следующих друг за другом, коэффициент распределения
также близок к единице, а трехфазная обмотка статора 2 симметричная. В результате этого, многополюсная трехфазная синхронная машина имеет большой обмоточный коэффициент, поэтому улучшаются ее технико-экономические показатели: уменьшается удельный расход материалов и увеличивается КПД.
Источник информации:
1. Специальные электрические машины / Под ред. А.И. Бертинова. - М.: Энергоиздат,
1982. - С. 266.
2. А.с. СССР 1345291, МПК Н 02К 19/02, 1987 (прототип).
3. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. - М.: Наука, 1981. - С. 468.
4. Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978. - С. 391.
5. Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978. - С. 389-390.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
132 Кб
Теги
by9117, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа