RU2437197C2 - Multi-phase bar wave winding of stator of asynchronous motor - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: bar wave winding of stator of asynchronous motor is single-layer, and winding bars are solid; at that, height of bar h_b, which is determined using the equations for damping factor k_d and relative current displacement factor ξ, which are calculated at maximum frequency value f of supply voltage on condition that damping factor k_d is at least by two times more than the value of the required control range of rotation frequency of asynchronous motor.

EFFECT: enlarging the control range of rotation frequency of asynchronous motor owing to increasing its maximum moment at increase of supply voltage frequency, as well as simplifying the design of bar wave winding owing to its single-layer design at one bar in each slot, which allows considerably reducing labour intensity for manufacture of asynchronous motor and reducing the sizes of front parts of winding.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при конструировании асинхронных электрических двигателей, питаемых от преобразователей частоты.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in the design of asynchronous electric motors powered by frequency converters.

Известны трехфазные стержневые однослойные волновые обмотки при числе витков катушки (стержней) w_k=1 (Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978, с.402-409, 415-422). Стержневые волновые обмотки выполняются обычно двухслойными с двумя стержнями в пазу и позволяют снижать расход меди из-за уменьшения соединений между катушками и уменьшать трудоемкость изготовления по сравнению с петлевыми обмотками.Known three-phase rod single-layer wave windings with the number of turns of the coil (rods) w _k = 1 (Voldek A.I. Electric machines. L.: Energy, 1978, p.402-409, 415-422). Rod wave windings are usually double-layer with two rods in the groove and can reduce copper consumption due to fewer connections between the coils and reduce the complexity of manufacturing compared to loop windings.

В обычных машинах, использующих стержневые обмотки, для снижения эффекта вытеснения тока стержни делаются не сплошные, а изготавливаются из параллельно соединенных элементарных проводников, имеющих высоту, меньшую глубины проникновения электромагнитной волны для данной частоты питания и применяемого проводникового материала. Элементарные проводники транспонируются в пазу по длине машины.In conventional machines using rod windings, to reduce the effect of current displacement, the rods are not solid, but are made of parallel connected elementary conductors having a height lower than the penetration depth of the electromagnetic wave for a given power frequency and the conductor material used. Elementary conductors are transposed into a groove along the length of the machine.

С увеличением частоты выше номинальной (обычно 50 Гц) при сохранении величины питающего напряжения неизменным (обычно 380 В) значение потока уменьшается обратно пропорционально частоте. Одновременно поток уменьшается за счет увеличения индуктивного сопротивления статора. Таким образом, величина максимального момента М_max (т.е. перегрузочная способность машины) уменьшается не обратно пропорционально частоте, а более интенсивно за счет увеличения индуктивного сопротивления статора. В связи с этим асинхронный двигатель имеет недостаточный диапазон регулирования частоты вращения.With an increase in the frequency above the nominal (usually 50 Hz) while maintaining the value of the supply voltage unchanged (usually 380 V), the flow value decreases inversely with the frequency. At the same time, the flow decreases due to an increase in the stator inductance. Thus, the value of the maximum moment M _max (i.e., the overload capacity of the machine) decreases not inversely with the frequency, but more intensively due to an increase in the stator inductance. In this regard, the induction motor has an insufficient range of speed control.

Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является расширение диапазона регулирования частоты вращения за счет увеличения максимального момента (М_max) асинхронного двигателя при увеличении частоты питающего напряжения.The technical result provided by the invention is to expand the range of speed control by increasing the maximum torque (M _max ) of the induction motor with increasing frequency of the supply voltage.

Кроме того, изобретению присуща простота конструкции стержневой волновой обмотки, выполняемой однослойной при одном стержне в каждом пазу, что позволяет значительно снизить трудоемкость изготовления асинхронного двигателя, уменьшить размеры лобовых частей обмотки.In addition, the invention is inherent in the simplicity of the design of the rod wave winding, performed single-layer with one rod in each groove, which can significantly reduce the complexity of manufacturing an induction motor, reduce the size of the frontal parts of the winding.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что стержневая волновая обмотка статора асинхронного двигателя выполнена однослойной, а стержни обмотки выполнены сплошными, при этом высота стержня выбирается такой величины, чтобы коэффициент демпфирования на максимальной частоте питающего напряжения был не менее чем в два раза больше величины требуемого диапазона регулирования частоты вращения асинхронного двигателя.The specified technical result is ensured by the fact that the rod wave winding of the stator of the induction motor is made single-layer, and the rods of the winding are solid, while the height of the rod is chosen such that the damping coefficient at the maximum frequency of the supply voltage is not less than two times the size of the required regulation range speed of the induction motor.

Указанный технический результат обеспечивается также и тем, что находящиеся с одной стороны статора лобовые части стержней, предназначенных для укладки в четные пазы, имеют большую длину, чем их лобовые части, находящиеся с другой стороны статора, а находящиеся с той же стороны статора лобовые части стержней, предназначенных для укладки в нечетные пазы статора, имеют меньшую длину, чем их лобовые части, находящиеся с другой стороны статора, при этом соединительные перемычки между стержнями расположены в плоскостях, количество которых равно числу пазов на полюс и фазу, при этом наиболее длинные соединительные перемычки расположены в плоскостях, наиболее удаленных от торцевой поверхности статора.The specified technical result is also ensured by the fact that the frontal parts of the rods located on one side of the stator intended for laying in even grooves are longer than their frontal parts, located on the other side of the stator, and the frontal parts of the rods located on the same side of the stator intended for laying in the odd grooves of the stator have a shorter length than their frontal parts located on the other side of the stator, while the connecting jumpers between the rods are located in planes, the number of which is equal to but the number of grooves per pole and phase, while the longest connecting jumpers are located in planes farthest from the end surface of the stator.

Изобретение поясняется с помощью следующих графических изображений.The invention is illustrated using the following graphic images.

На фиг.1 изображен паз со стержневой обмоткой.Figure 1 shows a groove with a core winding.

На фиг.2 - принципиальная схема стержневой однослойной волновой обмотки статора при Z₁=36, 2р=4, q=3, w_k=1, где Z₁ - число пазов статора, р - число пар полюсов статора, q - число пазов на полюс и фазу, w_k - число витков катушки (стержней) в пазу.Figure 2 is a schematic diagram of a single-layer rod wave winding of the stator at Z ₁ = 36, 2p = 4, q = 3, w _k = 1, where Z ₁ is the number of stator grooves, p is the number of stator pole pairs, q is the number of grooves per pole and phase, w _k is the number of turns of the coil (rods) in the groove.

На фиг.3 - схема конструктивного исполнения стержневой однослойной волновой обмотки статора при w_k 1.Figure 3 is a structural diagram of a single-layer rod wave stator winding at w _k 1.

Статор имеет число пазов Z₁=W_f/(2m p), где W_f - число витков каждой фазы, m - число фаз обмотки статора. Обмотка выполнена волновой обмоткой с числом стержней в пазу, равным 1 (w_k=1). При этом стержни изготовлены сплошными. При этом высота стержня h_c (фиг.1) выбирается такой величины, чтобы коэффициент демпфирования k_d на максимальной частоте питающего напряжения был не менее чем в два раза больше величины требуемого диапазона регулирования частоты вращения асинхронного двигателя.The stator has the number of slots Z ₁ = W _f / (2m p), where W _f is the number of turns of each phase, m is the number of phases of the stator winding. The winding is made by wave winding with the number of rods in the groove equal to 1 (w _k = 1). In this case, the rods are made solid. At the same time, the height of the rod h _c (Fig. 1) is selected such that the damping coefficient k _d at the maximum frequency of the supply voltage is not less than two times the size of the required range of regulation of the speed of the induction motor.

При этом площадь сечения паза определяется по допустимой плотности тока - 5-10 А/мм² во всем диапазоне изменения частоты питающего напряжения, ширина паза b_c ограничивается величиной допустимой индукции в зубце, не более 1,9 Тл.In this case, the groove cross-sectional area is determined by the permissible current density - 5-10 A / mm ² in the entire range of changes in the frequency of the supply voltage, the groove width b _{c is} limited by the allowable induction in the tooth, not more than 1.9 T.

Высота стержня h_c выбирается следующим образом.The height of the rod h _c is selected as follows.

Задаваясь требуемым диапазоном регулирования частоты вращения, определяют величину коэффициента демпфирования k_d, который для максимальной частоты питающего напряжения должен не менее чем в два раза превосходить величину диапазона регулирования. Затем, используя выраженияGiven the required range of speed control, determine the value of the damping coefficient k _d , which for the maximum frequency of the supply voltage should not less than twice the size of the control range. Then using expressions

иand

где p_cθ - удельное сопротивление стержня при расчетной температуре Ом*м,where p _cθ is the specific resistance of the rod at the design temperature Ohm * m,

определяют высоту стержня h_c.determine the height of the rod h _c .

Известно, что величина максимального момента асинхронного двигателя обратно пропорциональна величине индуктивных сопротивлений статора и ротора и пропорциональна величине потока сцепления.It is known that the maximum torque of an induction motor is inversely proportional to the magnitude of the inductive resistances of the stator and rotor and is proportional to the magnitude of the clutch flow.

С применением сплошного стержня за счет эффекта вытеснения тока активная высота h_f (фиг.1) стержня уменьшается, что приводит к снижению индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора, и величина максимального момента асинхронного двигателя возрастает, что позволяет увеличить перегрузочную способность асинхронного двигателя и увеличить диапазон регулирования частоты вращения. За счет вытеснения тока возрастет активное сопротивление обмотки статора, что несколько снизит величину максимального момента, но обычно влияние индуктивного сопротивления статора на величину максимального момента более интенсивно чем активное сопротивление. Вытеснение тока вызовет также неравномерное распределение плотности тока по высоте стержня, однако это не вызовет существенного увеличения нагрева, поскольку проводниковые материалы (обычно медь) обладают высокой теплопроводностью и нагрев будет определяться только средней плотностью тока всего поперечного сечения стержня.With the use of a solid rod due to the effect of current displacement, the active height h _f (Fig. 1) of the rod decreases, which leads to a decrease in the inductive resistance of the stator winding scattering, and the maximum torque of the induction motor increases, which allows to increase the overload capacity of the induction motor and increase the control range rotational speeds. Due to the displacement of the current, the stator winding resistance increases, which slightly reduces the maximum torque, but usually the influence of the stator inductance on the maximum torque is more intense than the resistance. The displacement of the current will also cause an uneven distribution of current density over the height of the rod, but this will not cause a significant increase in heating, since conductive materials (usually copper) have high thermal conductivity and heating will be determined only by the average current density of the entire cross section of the rod.

Таким образом, благодаря эффекту вытеснения тока при увеличении частоты питающего напряжения расширяется диапазон регулирования частоты вращения асинхронного двигателя.Thus, due to the effect of current displacement with increasing frequency of the supply voltage, the range of regulation of the rotation frequency of an induction motor expands.

Стержни закладываются в пазы, затем за счет перемычек лобовых частей обеспечивается последовательность соединений в каждой фазе. Так, для фазы А определяется начало в пазу 1, а соединение стержней обеспечивается в следующей последовательности: 1-12-19-30-2-11-18-29-3-10-28, из паза 28 выводится конец фазы А (X).The rods are laid in the grooves, then due to the jumpers of the frontal parts, a sequence of connections in each phase is ensured. So, for phase A, the beginning is determined in groove 1, and the connection of the rods is provided in the following sequence: 1-12-19-30-2-11-18-29-3-10-28, the end of phase A is output from groove 28 (X )

Такая же закономерность выдерживается для фаз В и С.The same pattern holds for phases B and C.

С целью уменьшения вылета лобовых частей стержни закладываются в пазы таким образом, чтобы группа стержней, равная q, для начала каждой из фаз (А, В, С) со стороны 1 (фиг.3) имела меньший вылет, чем для конца каждой из фаз (X, Y, Z), а со стороны лобовых частей 2 наоборот. Соединительные перемычки между стержнями выполняются в q плоскостях. Так, при q=3 (фиг.2) соединения между стержнями 1-12, 2-11, 3-10 выполняются один под другим в трех плоскостях. Вверху перемычка 1-12, как наиболее длинная, внизу 3-10, как наиболее короткая.In order to reduce the departure of the frontal parts, the rods are laid in the grooves so that a group of rods equal to q for the beginning of each phase (A, B, C) from side 1 (Fig. 3) has a smaller overhang than for the end of each phase (X, Y, Z), but from the side of the frontal parts 2 the opposite. The connecting jumpers between the rods are made in q planes. So, with q = 3 (figure 2), the connections between the rods 1-12, 2-11, 3-10 are performed one below the other in three planes. At the top, jumper 1-12, as the longest, at the bottom 3-10, as the shortest.

Claims (2)

1. Стержневая волновая обмотка статора асинхронного двигателя, предназначенного для работы в большом диапазоне изменения частоты питающего напряжения, характеризующаяся тем, что она выполнена однослойной, а стержни обмотки выполнены сплошными, при этом высота стержня выбирается h_c, определяется с использованием выражений

и

,
где коэффициент относительного вытеснения тока ξ и коэффициента демпфирования k_d рассчитывается при максимальном значении частоты f питающего напряжения, при условии, чтобы коэффициент демпфирования k_d был не менее чем в два раза больше величины требуемого диапазона регулирования частоты вращения асинхронного двигателя при данном удельном сопротивлении проводника ρ_cθ.1. The wave wave winding of the stator of an induction motor, designed to operate in a wide range of changes in the frequency of the supply voltage, characterized in that it is single-layer, and the winding rods are solid, while the height of the rod is selected h _c , is determined using the expressions

and

,
where the coefficient of relative displacement of current ξ and damping coefficient k _{d is} calculated at the maximum frequency f of the supply voltage, provided that the damping coefficient k _{d is} not less than two times the size of the required range of regulation of the speed of an induction motor at a given specific resistance of the conductor ρ _cθ . 2. Стержневая волновая обмотка по п.1, отличающаяся тем, что в каждой группе стержней, число которых равно числу пазов на полюс и фазу q, начала каждой из фаз с одной стороны статора имеют меньший вылет лобовых частей, чем для конца каждой из указанных фаз, а с другой стороны статора наоборот, при этом соединительные перемычки между стержнями размещены в разных плоскостях, число которых равно q, таким образом, что более длинные перемычки размещаются поверх более коротких. 2. The core wave winding according to claim 1, characterized in that in each group of rods, the number of which is equal to the number of grooves per pole and phase q, the beginnings of each phase on one side of the stator have a smaller overhang of the frontal parts than for the end of each of these phases, and on the other side of the stator, on the contrary, while the connecting jumpers between the rods are placed in different planes, the number of which is q, so that the longer jumpers are placed on top of the shorter ones.

Images