Синхронна каскадна машина

Синхронна каскадна машина, що має один магнітопровід, на статорі розміщена трифазнооднофазна 2p1 / 2p2 -полюсна обмотка, кожна фаза якої має дві паралельні гілки, котушкові групи кожної паралельної гілки розміщені на відстані 21 , де 1 - полюсне ділення 2p1 -полюсного поля, з'єднані паралельні гілки в дві окремі паралельно з'єднані зірки з двома нульовими виводами, в один вивід об'єднані закінчення паралельних віток Винахід належить до електроенергетики, а саме до електричних машин, і може бути використаний в електромашинобудуванні при виготовленні тихохідних синхронних двигунів і синхронних генераторів для гідроелектростанцій, для вітрових електроустановок і ін. Відомі синхронні явнополюсні двигуни і генератори зі швидкістю обертання 500 об/хв. і менше. Недоліком цих синхронних машин є наявність контактних кілець і щіток для подачі в обмотку ротора струму збудження, а також складна конструкція ротора, що складається з багатьох полюсів (не менше дванадцяти) з обмоткою збудження на кожному полюсі і додатково ще пусковою та демпферною обмоткою в полюсових наконечниках [Мілих В.І. Електротехніка та електромеханіка: Навч. посібник. - К.: Каравела, 2006. - 376с.] Відомі синхронні каскадні машини, які склада ються із двох магнітопроводів, на статорі і роторі першого магнітопроводу розміщені трифазні 2р 1полюсні обмотки, на статорі другого магнітопроводу розміщена однофазна 2р2-полюсна обмотка, що живиться постійним струмом, на роторі - трифазна 2р2-полюсна обмотка, ротори двох магнітопроводів сполучені між собою механічно, а обмотки між собою з'єднані послідовно із перехрещуванням двох фаз для зміни напряму обертання 2р2-полюсного поля [Красношапка М.М. Асинхронно-синхронные машины каскадного типа // Тр. Третьей Всесоюзной конференции по бесконтактным электрическим машинам. - Рига: Зинатне. - 1966. - Т.2. - С.237-244]. Перевагою їх перед синхронними явнополюсними машинами є безконтактність. Але із-за наявності двох магнітопроводів і чотирьох обмоток (по дві на кожний магнітопровід) масогабаритні показ x1 , y 2 , z1 , в інший вивід - x 2 , y1 , z 2 , де індекси кінців паралельних гілок означають порядковий номер паралельної гілки, роторна трифазнотрифазна 2p1 / 2p2 -полюсна обмотка складається (13) 95210 (11) UA (19) шок y  0,5  0,61 , котушки котушкових груп роторної обмотки ізольовані одна від одної і від заліза ротора, найбільші котушки мають крок z2 y1  , найменші котушки мають крок не p1  p 2 менший ніж y 2  0,45y1 . C2 із p1  p2 котушкових груп, виконаних із короткозамкнутих концентричних котушок, яка відрізняється тим, що статорна обмотка виконана числом пазів на полюс і фазу q більшим одиниці, число котушок в котушковій групі дорівнює q , крок коту 3 ники цих машин значно гірші порівняно з традиційними синхронними машинами з контактними кільцями. Найбільш близькою за технічною суттю є синхронна каскадна машина, що має один магнітопровід, на статорі розміщена трифазно-однофазна 2р1/2р2-полюсна обмотка, кожна фаза якої має дві паралельні гілки, котушкові групи кожної паралельної гілки розміщені на відстані 21, де 1 - полюсне ділення 2р1-полюсного поля, з'єднані паралельні гілки в дві окремі паралельно з'єднані зірки з двома нульовими виводами, в один вивід об'єднані закінчення паралельних гілок х1, у2, z1, в інший вивід - х2, у1, z2, де індекси кінців паралельних гілок означають порядковий номер паралельної гілки, роторна трифазно-трифазна 2р1/2р2полюсна обмотка складається із p1+р2 котушкових груп, виконаних із короткозамкнених концентричних котушок [Лущик В.Д., Семенов В.В. Новий тип тихохідного асинхронно-синхронного двигуна // Уголь Украины. - 2008. - №9. - С.39-41]. Недоліком синхронної каскадної машини є зосереджена обмотка на статорі, яка має число пазів на полюс і фазу q=1. Такі обмотки не знаходять практичного застосування із-за великої кількості вищих просторових гармонік магнітного потоку в повітряному зазорі. Обмотка має крок, не оптимальний з точки зору створення максимально можливих 2р1 і 2р2-полюсних полів. Роторна обмотка має низькі значення обмоткових коефіцієнтів для 2р1 і 2р2-полюсного полів, а короткозамкнене кільце, яке замикає накоротко всі кінці котушок, спричиняє виникнення зрівняльних струмів в котушках кожної котушкової групи, що знижує ККД машини. В основу винаходу поставлено задачу збільшення коефіцієнта корисної дії та збільшення корисної потужності синхронної каскадної машини в даних габаритах. Ця задача вирішується тим, що в синхронній каскадній машині, що має один магнітопровід, на статорі розміщена трифазно-однофазна 2р1/2р2полюсна обмотка, кожна фаза якої має дві паралельні гілки, котушкові групи кожної паралельної гілки розміщені на відстані 21, де 1 - полюсне ділення 2р1-полюсного поля, з'єднані паралельні гілки в дві окремі паралельно з'єднані зірки з двома нульовими виводами, в один вивід об'єднані закінчення паралельних гілок х1, у2, z1, в інший вивід - х2, у1, z2, де індекси кінців паралельних гілок означають порядковий номер паралельної гілки, роторна трифазно-трифазна 2р1/2р2полюсна обмотка складається із р1+р2-котушкових груп, виконаних із короткозамкнених концентричних котушок, згідно з винаходом, статорну обмотку виконують числом пазів на полюс і фазу q більшим одиниці, число котушок в котушковій групі дорівнює q, крок котушок y=(0,50,6)1, котушки котушкових груп роторної обмотки ізольовані одна від одної і від заліза ротора, найбільші котушки мають z2 крок y1  , найменші котушки мають крок p1  p 2 не менший ніж у2=0,45y1. Винахід пояснюється кресленням, де показані: на фіг.1 - суміщена двошарова обмотка стато 95210 4 ра; на фіг.2 - суміщена одношарова обмотка статора; на фіг.3 - суміщена роторна обмотка. На фіг.1 показана двошарова трифазна обмотка статора, виконана на z1=36 пазах. Число полюсів 2р1=4. Полюсне ділення 1=9, крок обмотки у=0,561=5, обмотковий коефіцієнт відносно 2р1полюсного поля kоб.1=0,7392. Обмотка в кожній фазі виконується із двох паралельних гілок. Котушкові групи кожної паралельної гілки розміщені на відстані 21. Паралельні гілки з'єднують в дві окремі паралельно з'єднані зірки з двома нульовими виводами з нейтральних точок. В один вивід об'єднані закінчення паралельних гілок х1, у2, z1, в інший вивід - х2, у1, z2, де індекси кінців, паралельних гілок означають порядковий номер паралельної гілки. При подачі в нульові виводи постійного струму (на фіг.1 і фіг.2 напрям постійного струму показаний стрілками) утворюється нерухоме відносно статора 2р2-полюсне поле, де 2р2=8. Обмотковий коефіцієнт обмотки відносно 2р2-полюсного поля kоб.2=0,844. Таким чином, обмотка на фіг.1 є суміщеною трифазно-однофазною 2р1/2р2полюсною обмоткою, де 2р1:2р2=1:2. На фіг.2 показана одношарова обмотка статора, виконана на z1=24 пазах. Вона має таке ж число полюсів: 2р1=4, 2р2=8. Обмотка виконана з кроком y=0,51=3, де 1=6. Обмоткові коефіцієнти: kоб.1=0,6829; kоб.2=0,633. На фіг.3 показана суміщена трифазнотрифазна 2р1/2р2-полюсна обмотка ротора, де 2р1=4, 2р2=8, виконана на z2=54 пазах. Обмотка складається із k котушкових груп, де k=р1+р2=2+4=6. Котушкові групи виконують із короткозамкнених концентричних котушок із шинної міді для кращого заповнення пазів ротора. Пази потрібно виконувати прямокутної ступінчатої форми. Котушки ізолюють одну від одної, а також від заліза ротора. Найбільші котушки мають крок z2 y1  , p1  p 2 найменші котушки мають крок не менший ніж у2=0,45y1. Незаповнені міддю пази можливо не виконувати. Обмоткові коефіцієнти роторної обмотки, показаної на фіг.3: kоб.1=0,684; kоб.2=0,94. Синхронна каскадна машина працює так. При подачі трифазної напруги на обмотку статора утворюється 2р1-полюсне поле, що обертається зі швидкістю n1=60f/р1. Це поле наводить в котушках роторної обмотки ЕРС, виникає струм, який створює два магнітні поля: 2р1-полюсне поле, що обертається в напрямі 2р1-полюсного поля статора із швидкістю, пропорційною ковзанню S, де n n (n - швидкість обертання ротора), S 1 n1 і 2р2-полюсне поле, що обертається в зворотному напрямі. Для обмотки, показаної на фіг.3, співвідношення 2р1-полюсної магніторушійної сили (МРС) 5 F1 і 2р2-полюсної МРС F2 F1:F2=1,455. Виникає пусковий момент від 2р1-полюсного поля, а також від 2р2-полюсного поля ротора, для якого статорна обмотка з паралельними гілками є короткозамкненим контуром. При швидкості обертання ротора, яка називається каскадною 60f1 , n  nk  p1  p 2 2р2-полюсне поле, створене роторною обмоткою, буде нерухомим відносно статора. При подачі постійного струму в обмотку статора виникає синхронний електромагнітний обертаючий момент. Каскадна машина починає працювати в синхронному режимі. Найбільше можливе число обертання каскадної машини - 500 об/хв. Подальші можливі швидкості обертання: при 2р1=6, 2р2=12 - n=333 об/хв.; при 2р1=8, 2р2=16 - n=250 об/хв.; при 2р1=10, 2р2=20 - n=200 об/хв.; при 2р1=12, 2р2=24 n=166 об/хв. і т.д. Машину неможливо виконати при 2р1=2, 2р2=4 - n=1000 об/хв., так як при таких числах полюсів в 95210 6 машині виникатимуть магнітні вібрації. Синхронна каскадна машина може працювати як в двигуновому режимі, так і в генераторному. Був виготовлений експериментальний двигун потужністю Р2=1 кВт з обмотками, показаними на фіг.1 і фіг.3. Експериментальний двигун має приблизно такі ж масогабаритні показники, як і 12полюсна синхронна машина з контактними кільцями швидкістю n=500 об/хв. Переваги перед серійними багатополюсними синхронними двигунами та генераторами: 1. Пусковий момент приблизно в три рази більший при менших пускових струмах. Відомо, що задля надійного пуску в привід часто ставлять синхронні двигуни на 20÷30% більшої потужності, ніж це потрібно для номінального режиму роботи. 2. Безконтактність; 3. Конструктивно і технологічно ротор набагато простіший при виготовленні: відсутня багатополюсність, відсутні пускові та демпферні обмотки в полюсних наконечниках. Статорна обмотка технологічно не відрізняється від статорних обмоток серійних машин. 7 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 95210 8 Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601