RU2402140C2 - Электрическая машина, в частности синхронный двигатель с резервированными статорными обмотками - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, касается особенностей конструктивного выполнения электрических машин, в частности синхронных электродвигателей с резервированными статорными обмотками, и может быть использовано в двигателях, требующихся для различных приводов, например для приводов нагнетателей или компрессоров. Предлагаемая электрическая машина (1) содержит статор (2) и ротор (5), причем статор (2) имеет статорные пазы (8), в которых проложена статорная обмотка (4) с резервированными и, по меньшей мере, трехфазными системами обмоток (U1, V1, W1; U2, V2, W2). Согласно изобретения электрическая машина (1) содержит множество полюсов с количеством полюсов (PZ) по меньшей мере четыре, количество (NZ) статорных пазов (8), которое соответствует произведению из числа фаз и квадрата количества полюсов (PZ) электрической машины (1) или его целому кратному, а также соответствующее количеству полюсов (PZ) количество систем обмоток (U1, V1, W1; U4, V4, W4). Каждый раз соответствующее количеству полюсов (PZ) количество синфазных ветвей (U1-U4, V1-V4, W1-W4) объединены в одну фазную группу ветвей (PU, PV, PW). Фазные группы ветвей (PU, PV, PW) проложены циклично по фазам и полюс за полюсом в статорных пазах (8) статора (2). На каждый полюс и фазную группу ветвей (PU, PV, PW) имеется соответствующая количеству полюсов (PZ) область пазов (N1-N4). Занятие пазов происходит так, что синфазные ветви (U1-U4, V1-V4, W1-W4) распределены соответственно их нумерации равномерно по пазовым положениям (N1, …, N4) соответствующих областей пазов (N1-N4). Технический результат - уменьшение конструктивных размеров электрической машины с резервированными статорными обмотками при сохранении номинальной электрической мощности данной электрической машины, которая должна рассчитываться по параметрам с меньшим запасом, а также создание электрического привода с такой электрической машиной. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к электрической машине со статором и ротором, причем статор имеет статорные пазы, в которых проложена статорная обмотка с резервированными и по меньшей мере трехфазными системами обмоток. Изобретение относится, кроме того, к электрическому приводу, который содержит подобную электрическую машину, а также соответствующее количеству полюсов электрической машины количество вентильных преобразователей электроэнергии для электроснабжения резервированных и по меньшей мере трехфазных систем обмоток электрической машины.

Подобные электрические машины, в частности электродвигатели, как асинхронные двигатели или синхронные двигатели, требуются для разнообразных приводных задач, как, например, для привода нагнетателей или компрессоров. Для привода быстродействующих нагнетателей предпочтительными являются синхронные двигатели. Предпочтительным образом синхронные двигатели являются выполненными в виде двухполюсных, шихтованных или массивных, неявнополюсных роторов или, соответственно, турбороторов.

Ранее названные электрические машины питаются электроэнергией предпочтительно через один или несколько параллельно включенных вентильных преобразователей электроэнергии. Вентильный преобразователь, в частности, является двухзвенным вентильным преобразователем напряжения для создания трех- или многофазного выходного напряжения. Преобразование происходит через промежуточное звено напряжения постоянного тока с накопительным конденсатором. Промежуточное звено напряжения постоянного тока питает на стороне выхода импульсный инвертор в качестве части вентильного преобразователя электроэнергии.

В определенных областях применения резервирование электрического привода может требоваться или даже быть обязательно необходимым. В электрическом приводе вышеназванного вида принципиально существует возможность выполнять вентильные преобразователи электроэнергии и/или электрические машины резервированными.

Известной мерой является предусматривание в случае двухполюсных и эксплуатируемых через двухзвенный преобразователь электроэнергии синхронных двигателей двух систем обмоток или, соответственно, трехфазные обмотки, которые выполнены повернутыми относительно друг друга на 30°. Обе системы обмоток питаются каждая от одного преобразователя электроэнергии.

Для достижения резервирования на стороне вентильных преобразователей электроэнергии может быть предусмотрен, например, третий преобразователь электроэнергии, который может замещать вышедший из строя преобразователь электроэнергии. Альтернативно номинальная мощность может быть рассчитана в случае только двух преобразователей электроэнергии таким образом, что при выходе из строя одного преобразователя электроэнергии остающийся преобразователь электроэнергии может принимать на себя питание в полном объеме. Соответственно мощным должен рассчитываться подобный резерированный преобразователь электроэнергии. Понятие "номинальная мощность" относится обычно к максимально потребляемой в продолжительном режиме работы электрической мощности.

Если в противоположность этому отказывает одна из систем обмоток на стороне двигателя, например, за счет короткого замыкания, то независимо от конструирования на стороне преобразователя в распоряжении имеется только еще половина номинальной мощности или, соответственно, половина вращающего момента электрической машины.

Для достижения резервирования на стороне преобразователя электроэнергии и двигателя является негативным образом необходимым рассчитывать такую электрическую машину относительно мощности таким образом, что при отказе одной из двух по меньшей мере трехфазных систем обмоток другая система обмотки могла проводить общий ток для полного вращающего момента. Электрическая машина должна следовательно рассчитываться по параметрам с большим запасом, причем в нормальном случае эксплуатации каждая из систем обмоток проводит только половину максимального тока.

Задачей изобретения является указание электрической машины с резервированными системами обмоток, которая должна рассчитываться по параметрам с меньшим запасом и тем самым может при одинаковой электрической номинальной мощности иметь меньшие конструктивные размеры.

Следующей задачей изобретения является указание подходящего электрического привода с такой машиной.

Эта задача решается электрической машиной согласно пункту 1 формулы изобретения, которая содержит статор со статорными пазами, а также ротор, причем в статорных пазах проложены резервированные и по меньшей мере трехфазные системы обмоток. Дальнейшие формы выполнения приведены в зависимых пунктах 2 до 9 формулы изобретения. В пункте 10 формулы изобретения указан подходящий электрический привод с подобной электрической машиной. Предпочтительные формы выполнения электрической машины содержатся в пунктах 11 и 13 формулы изобретения.

Согласно изобретению электрическая машина содержит множество полюсов с количеством полюсов по меньшей мере четыре. Далее электрическая машина содержит количество статорных пазов, которое соответствует произведению из числа фаз и квадрата количества полюсов или его целому кратному. В большинстве случаев электрическая машина рассчитана трехфазной, то есть электрическая машина имеет число фаз три. В случае четырехполюсной трехфазной электрической машины получается, следовательно, число пазов 48 или целое кратное от него.

Далее электрическая машина содержит соответствующее количеству полюсов количество систем обмоток или, соответственно, трехфазных обмоток. Соответствующее количеству полюсов количество синфазных ветвей объединено соответственно в одну фазную группу ветвей. Фазные группы ветвей проложены циклично по фазам и полюс за полюсом в статорных пазах статора. На каждый полюс и фазную группу ветвей имеется соответствующая количеству полюсов область пазов. Занятие пазов происходит таким образом, что синфазные ветви распределены соответственно их нумерации равномерно по соответствующим пазам соответствующих областей пазов.

За счет соответствующего изобретению занятия пазов предпочтительным образом избегают фазовых сдвигов в параллельно проложенных системах обмоток при фазосинхронном возбуждении тока посредством преобразователей электроэнергии. Подобные фазовые сдвиги являются критичными прежде всего при питании с помощью двухзвенных вентильных преобразователей напряжения, в частности в связи с ростом электрических потерь и содержания высших гармоник в электрической машине.

Если при отказе одной из систем обмоток не происходит никакого изменения электропитания в остальных системах обмоток, то в случае настоящего изобретения в распоряжении стоит не только половина, а 3/4 номинального вращающего момента. В электрической машине с количеством полюсов 6 в распоряжении имеется 5/6, а в электрической машине с количеством полюсов 8 даже 7/8 номинального вращающего момента.

Дальнейшим большим преимуществом является, что электрическая машина согласно изобретению может быть реализована более компактно. В частности, после отказа одной из систем обмоток в распоряжении длительно имеется и дальше полная номинальная мощность или, соответственно, полный номинальный вращающий момент, если в случае четырехполюсной электрической машины она относительно технического расчета параметров систем обмоток рассчитана с запасом только на 1/3 и возбуждение тока в остальных системах обмоток повышается.

В противоположность этому в случае двухполюсной электрической машины согласно уровню техники токовая обмотка должна быть рассчитана по параметрам с двойным запасом.

Дальнейшим преимуществом является, что уже в случае всего лишь четырехполюсной электрической машины при отказе одной следующей системы обмотки или даже третьей системы обмотки еще является возможной по меньшей мере работа в аварийном режиме, даже если в этом случае, как правило, в распоряжении больше не имеется полная номинальная мощность или, соответственно, полный номинальный вращающий момент.

По сравнению с этим при отказе второй системы обмотки в случае описанной до сих пор двухполюсной электрической машины вообще не является возможным никакой дальнейший режим работы, в частности также никакая работа в аварийном режиме.

В форме выполнения изобретения синфазные ветви циклически переставлены соответственно их нумерации от полюса к полюсу. За счет циклической перестановки происходит ранее описанное равномерное распределение синфазных ветвей вдоль внутренней окружности статора. Циклическая перестановка обеспечивает остающееся постоянным распределение ветвей по предусмотренным для этого пазам.

Альтернативно согласно следующей форме выполнения изобретения занятие пазов синфазными ветвями может происходить таким образом, что оно отличается максимально на два пазовых положения от полюса к полюсу соответственно их нумерации. За счет этого распределение синфазных ветвей на предусмотренной области пазов происходит еще более равномерно. По сравнению с ранее известным занятием пазов случай, что пазовое положение между двумя полюсами скачкообразно изменяется, не появляется. Максимальная ширина скачка соответствует количеству полюсов электрической машины, уменьшенному на значение 1.

Согласно следующей форме выполнения статор содержит двухслойную обмотку с верхним слоем обмотки и нижним слоем обмотки. Верхний и нижний слой обмотки смещены друг относительно друга на одно укорочение шага обмотки.

В особенной форме выполнения электрическая машина является синхронной машиной, в частности синхронным двигателем. Синхронный двигатель может иметь роторную обмотку для создания магнитного поля или альтернативно быть выполненным с возбуждением постоянными магнитами.

Соответствующая изобретению прокладка резервированных систем обмоток или, соответственно, занятие пазов является предпочтительным также в случае асинхронной машины, в частности в случае асинхронного двигателя.

В особенности, электрическая машина является мощной машиной с номинальной мощностью по меньшей мере 10 кВт, в частности по меньшей мере 1 МВт. Принципиально соответствующая изобретению прокладка резервированных систем обмоток является возможной также в случае электрических машин с меньшей мощностью.

Согласно особенно предпочтительной форме выполнения изобретения проложенные в статорных пазах резервированные и по меньшей мере трехфазные системы обмоток электрически рассчитаны так, что электрическая машина при отказе или отсутствующем питании одной из систем обмоток может эксплуатироваться и дальше со своей номинальной мощностью или, соответственно, своим номинальным вращающим моментом. В этом случае, как описано раньше, нужно повышать ток в статорной обмотке или, соответственно, ток статора в остальных системах обмоток, так что в распоряжении имеется максимальная номинальная мощность или, соответственно, максимальный номинальный вращающий момент электрической машины.

Предпочтительным образом электрическая машина является 4-полюсной машиной, которая содержит четыре проложенные в статорных пазах резервированные трехфазные системы обмоток.

Задача изобретения решается далее за счет электрического привода, который содержит электрическую машину согласно изобретению, а также по меньшей мере один вентильный преобразователь электроэнергии для электроснабжения резервированных и по меньшей мере трехфазных систем обмоток электрической машины.

Подобный привод по сравнению с приводами уровня техники имеет меньшие конструктивные размеры.

С этим связано преимущество, что при отказе одного вентильного преобразователя электроэнергии остальные вентильные преобразователи электроэнергии принимают на себя электроснабжение систем обмоток. В этом случае электрическую силовую часть вентильных преобразователей электроэнергии электрической машины следует рассчитывать более мощной. В случае четырехполюсной электрической машины силовую часть следует рассчитывать на выходной ток, повышенный примерно на 1/3.

В частности, вентильные преобразователи электроэнергии должны эксплуатироваться относительно друг друга с постоянной фазой. За счет этого управление вентильных преобразователей электроэнергии упрощается.

Согласно предпочтительной форме выполнения вентильные преобразователи электроэнергии представляют собой преобразователи частоты, так что можно устанавливать регулируемой скорость вращения электрической машины, а также скорость вращения приводимой компоненты, как, например, компрессорного блока.

Дальнейшие предпочтительные свойства изобретения получаются из их примерного пояснения на основе чертежей.

При этом показывает:

фиг.1 - продольное сечение через электрическую машину согласно уровню техники вдоль ее оси вращения,

фиг.2 - вырез сечения листовой активной стали пакета статора электрической машины согласно изобретению,

фиг.3 - электрический привод с двухполюсной трехфазной электрической машиной с резервированными системами обмоток согласно уровню техники и с двумя вентильными преобразователями электроэнергии для электроснабжения обоих систем обмоток,

фиг.4 - электрический привод, например, с четырехполюсной трехфазной электрической машиной с четырьмя резервированными системами обмоток и, например, с четырьмя вентильными преобразователями электроэнергии для электроснабжения четырех систем обмоток согласно изобретения,

фиг.5 - в качестве примера первая схема занятия пазов с единственным слоем обмотки для случая четырехполюсной трехфазной электрической машины согласно изобретению,

фиг.6 - в качестве примера вторая схема занятия пазов с верхним и нижним слоем обмотки согласно изобретению, которые смещены относительно друг друга на одно укорочение шага обмотки,

фиг.7 - поперечное сечение через электрическую машину с занятием пазов согласно фиг.5,

фиг.8 - схематически распределение синфазных ветвей по пазам соответствующих областей пазов в соответствии с их нумерацией и полюс за полюсом согласно изобретению и

фиг.9 - схематически распределение синфазных ветвей по пазам соответствующих областей пазов в соответствии с их нумерацией и полюс за полюсом согласно альтернативной форме выполнения к ФИГ 8.

Фиг.1 показывает продольное сечение через электрическую машину 1, согласно уровню техники, вдоль ее оси вращения.

Электрическая машина 1 содержит статор 2, а также установленный на опорах вокруг ее оси вращения ротор 5. Статор 2 содержит пакет статора 3 со статорной обмоткой 4 для создания вращающегося магнитного поля. Статорная обмотка 4 содержит не представленные более подробно многофазные, в частности трехфазные, системы обмоток. Обычно пакет статора 3 и при необходимости пакет ротора для снижения потерь на вихревые токи выполнены из стальных листов. Ссылочной позицией 6 обозначен вал ротора в качестве части ротора 5.

Фиг.2 показывает вырез сечения листовой активной стали пакета статора 3 электрической машины согласно изобретению. Электрическая машина может быть электродвигателем или генератором. Электрическая машина может быть синхронной машиной или асинхронной машиной. Электрическая машина является, в частности, мощной машиной с номинальной мощностью по меньшей мере 10 кВт, в частности с номинальной мощностью по меньшей мере 1 МВт. Электрическая мощная машина также может иметь электрическую номинальную мощность в несколько 100 кВт.

Сечение листовой активной стали имеет зубцы 7 и пазы или, соответственно, статорные пазы 8, в которых проложены ветви обмотки 9 систем обмоток электрической машины. В примере настоящей фиг.2 в виде выреза показаны только семь пазов 8 из всего 48 пазов 8 четырехполюсной трехфазной электрической машины с четырьмя резервированными системами обмоток. Количество статорных пазов 8 соответствует согласно изобретению произведению из числа фаз и квадрата количества полюсов электрической машины.

Согласно изобретению количество систем обмоток соответствует количеству полюсов электрической машины. В настоящем примере электрическая машина содержит четыре системы обмоток.

Фиг.3 показывает электрический привод с двухполюсной электрической машиной 1 с резервированными системами обмоток согласно уровню техники и с двумя вентильными преобразователями электроэнергии 11, 12 для электроснабжения обоих систем обмоток. В случае обоих вентильных преобразователей электроэнергии 11, 12 речь идет, например, об импульсных инверторах, которые предоставляют в распоряжение из напряжения постоянного тока на входной стороне трехфазное напряжение переменного тока на выходе U, V, W. Оба импульсных инвертора 11, 12 эксплуатируют относительно друг друга с постоянной фазой. Выходы U, V, W соответствуют соответствующим фазам U, V, W вентильных преобразователей электроэнергии 11, 12. Символ волны со стрелкой в представленном символически блоке преобразователя электроэнергии 11, 12 указывает, что в случае импульсного инвертора речь идет о преобразователе частоты для возможного получения регулируемого по частоте трехфазного напряжения переменного тока. соответственно Выход U, V, W каждого вентильного преобразователя электроэнергии 11, 12 соединен каждый соответственно через трехфазную линию электроснабжения 21, 22 с соответствующей трехфазной системой обмотки U1, V1, W1; U2, V2, W2. Как уже вначале описано, после отказа одной из обоих систем обмоток U1, V1, W1; U2, V2, W2 в распоряжении имеется только примерно половина номинальной мощности или, соответственно, номинального вращающего момента.

Фиг.4 показывает электрический привод, например, с четырехполюсной трехфазной электрической машиной 1 с четырьмя резервированными трехфазными системами обмоток U1, V1, W1; …; U4, V4, W4 и, например, с четырьмя вентильными преобразователями электроэнергии 11-14 для электроснабжения четырех систем обмоток U1, V1, W1; …; U4, V4, W4.

Четыре резервированные и трехфазные системы обмоток U1, V1, W1; …; U4, V4, W4 проложены в статорных пазах 8 электрической машины 1. В частности, резервированные и по меньшей мере трехфазные системы обмоток U1, V1, W1; …; U4, V4, W4 электрически рассчитаны так, что электрическая машина 1 при отказе или отсутствии электропитания одной системы обмоток U1, V1, W1; …; U4, V4, W4 может и дальше эксплуатироваться со своей номинальной мощностью или, соответственно, своим номинальным вращающим моментом.

В общем электрический привод содержит по меньшей мере соответствующее количеству полюсов PZ количество вентильных преобразователей электроэнергии 11-14 для электроснабжения резервированных и по меньшей мере трехфазных систем обмоток U1, V1, W1; …; U4, V4, W4 электрической машины 1. По меньшей мере один вентильный преобразователь электроэнергии 11-14 требуется для электроснабжения резервированных и по меньшей мере трехфазных систем обмоток U1, V1, W1; …; U4, V4, W4. Электрическая машина 1 согласно фиг.4 может содержать альтернативно четное количество полюсов 6, 8, 10 или больше. Число фаз электрической машины 1 может составлять 4, 5, 6 или больше.

В случае вентильных преобразователей электроэнергии 11-14 речь идет предпочтительным образом об импульсных инверторах или, соответственно, о преобразователях частоты для получения по меньшей мере трехфазного напряжения переменного тока на выходе U, V, W. Вентильные преобразователи электроэнергии 11-14 (в примере фиг.4 это четыре показанных импульсных инвертора 11-14) эксплуатируют относительно друг друга с постоянной фазой или, соответственно, синхронно по фазе. Соответственно выход U, V, W каждого вентильного преобразователя электроэнергии 11-14 соединен через соответственно одну трехфазную линию электроснабжения 21-24 с соответствующей трехфазной системой обмотки U1, V1, W1; …; U4, V4, W4. Как уже вначале описано, после отказа одной из четырех систем обмоток U1, V1, W1; U2, V2, W2 предпочтительным образом в распоряжении имеется еще около 3/4 номинальной мощности или, соответственно, около 3/4 номинального вращающего момента.

Фиг.5 показывает в качестве примера первую схему занятия пазов с одним единственным слоем обмотки для случая четырехполюсной трехфазной электрической машины. Электрическая машина содержит согласно изобретению количество NZ статорных пазов, которое соответствует произведению из числа фаз и квадрата количества полюсов или его целому кратному. В показанном случае количество NZ статорных пазов составляет 48. Целые кратные этого количества, как, например, 96 или 144 также являются возможными. Электрическая машина содержит согласно изобретению соответствующее количеству полюсов PZ количество систем обмоток U1, V1, W1; …; U4, V4, W4.

Соответственно примеру фиг.5 имеются четыре системы обмоток U1, V1, W1; …; U4, V4, W4.

Как показывает настоящая фиг.5, согласно изобретению соответствующее количеству полюсов PZ количество синфазных ветвей U1-U4, V1-V4, W1-W4 объединено соответственно в одну фазную группу ветвей PU, PV, PW. В соответствии с последовательной нумерацией статорных пазов от 1 до 48 четыре синфазные ветви U1-U4 относятся к фазной группе ветвей PU, четыре синфазные ветви V1-V4 относятся к фазной группе ветвей PV и четыре синфазные ветви W1-W4 относятся к фазной группе ветвей PW.

Далее согласно изобретению фазные группы ветвей PU, PV, PW проложены циклично по фазам и полюс за полюсом в статорных пазах статора. В примере настоящей фиг.5 фазная группа ветвей PU занимает пазы 1 до 4, 13 до 16, 25 до 28 и 37 до 40 соответственно количеству полюсов PZ=4 электрической машины. Обе фазные группы ветвей PV или, соответственно, PW расположены относительно фазной группы ветвей PU со смещением на 8 или, соответственно, 4 паза.

Согласно изобретению на каждый полюс и фазную группу ветвей PU, PV, PW имеется соответствующая количеству полюсов PZ область пазов N1-N4. В настоящем примере, фиг.5, одна фазная группа ветвей PU, PV, PW занимает область пазов из четырех пазов. Статорные пазы нумеруют последовательно и циклически соответственно количеству полюсов электрической машины, а именно согласно последовательности N1, N2, N3, N4, N1, N2, …, то есть соответственно модулю количества полюсов электрической машины.

Наконец, согласно изобретению занятие пазов производят так, что синфазные ветви U1-U4, V1-V4, W1-W4 соответственно их нумерации распределены равномерно по соответствующим пазам или, соответственно, пазовым положениям N1, …, N4 соответствующих областей пазов N1-N4.

Это должно поясняться согласно настоящему примеру фиг.5 на одной единственной ветви U1 фазной группы PU. Согласно этому примеру ветвь U1 занимает в первом полюсе паз 1 в пазовом положении N1, во втором полюсе паз 14 в пазовом положении N2, в третьем полюсе паз 27 в пазовом положении N3 и, наконец, в четвертом полюсе - паз 40 в положении N4. Все пазовые положения N1, …, N4 области пазов N1-N4 таким образом заняты ветвью U1 фазной группы PU с равномерным распределением.

Соответственно форме выполнения изобретения согласно примеру настоящей фиг.5 синфазные ветви U1-U4, V1-V4, W1-W4 соответственно их нумерации циклически переставлены от полюса к полюсу. Это представлено на фиг.5 с помощью удлинненных окружностей со стрелкой направления, которая показывает направление циклической перестановки.

Фиг.6 показывает в качестве примера вторую схему занятия пазов с верхним и нижним слоем обмотки OW, UW, которые согласно изобретению смещены относительно друг друга на одно укорочение шага обмотки VS. Занятие пазов верхнего слоя обмотки OW соответствует занятию пазов согласно предыдущей фиг.5. Второй, то есть нижний слой обмотки UW смещен относительно верхнего слоя обмотки OW, например, на 10 пазов.

Фиг.7 показывает поперечное сечение через электрическую машину 1 с занятием пазов согласно фиг.5. Настоящая фиг.7 для более лучшего понимания показывает еще раз циклическое равномерное распределение синфазных ветвей U1-U4, V1-V4, W1-W4 по соответствующим пазам или, соответственно, пазовым положениям N1, …, N4 соответствующих областей пазов N1-N4. Представление происходит в соответствии с их действительным пространственным расположением во внутренней окружности статора 2 электрической машины 1.

Фиг.8 показывает схематически распределение синфазных ветвей U1-U4, V1-V4, W1-W4 в соответствии с их нумерацией и полюс за полюсом по пазам N1, …, N4 соответствующих областей пазов N1-N4.

В примере фиг.8 распределение синфазных ветвей U1-U4, V1-V4, W1-W4 показано на примере синфазных ветвей U1-U4 фазы U. Распределение обоих остальных фаз V, W происходит смещение на четыре или, соответственно, восемь пазов вдоль внутренней окружности статора электрической машины. В примере фиг.8 представлены, проходя сверху вниз, соответствующие пазовые положения синфазных ветвей U1-U4 от 1-го полюса до 4-го полюса. К 4-му полюсу снова примыкает 1-й полюс. На фиг.8 обозначены вертикальными и штриховыми линиями соответственно одинаковые пазовые положения N1, …, N4 для возможного расположения параллельных синфазных ветвей U1-U4. Вертикальные и жирно начерченные линии показывают расположение одной из синфазных ветвей U1-U4 в соответствующем пазовом положении N1, …, N4. Проходящие поперек и тонко начерченные линии показывают монтаж синфазных ветвей U1-U4 на конце лобовой части обмотки.

Занятие пазов происходит в качестве примера в противоположном направлении по сравнению с занятием пазов согласно фиг.5. Это представление должно показать, что к возможному занятию пазов всегда является также возможным противоположно направленное к нему занятие пазов в смысле направления вращения возбуждающего ток вращающегося магнитного поля.

Согласно изобретению занятие пазов происходит таким образом, что синфазные ветви U1-U4 соответственно их нумерации равномерно распределены по пазовым положениям N1, …, N4 соответствующих областей пазов N1-N4.

В 1-м полюсе ветвь U1 занимает согласно примеру фиг.8, например, пазовое положение N1, то есть первое пазовое положение N1 внутри области пазов N1-N4. Первое пазовое положение N1 следует согласно математической функции по модулю из остатка деления из актуального текущего номера паза и значения 4, которое соответствует количеству полюсов.

Во 2-м полюсе ветвь U1 занимает, например, пазовое положение N4 согласно математической функции по модулю N4=16 по модулю 4, причем число 16 соответствует порядковому номеру паза. Для лучшего понимания вместо собственной математической последовательности по модулю 0-1-2-3-0-1… выбрана более привычная последовательность 1-2-3-4-1-…, причем пазовое положение N4 соответствовало бы собственно математически правильному пазовому положению N0.

В 3-м полюсе ветвь U1 занимает пазовое положение N3 согласно функции по модулю N3=27 по модулю 4, причем число 27 соответствует порядковому номеру паза.

В 4-м полюсе ветвь U1 занимает пазовое положение N2 согласно функции по модулю N2=38 по модулю 4, причем число 38 соответствует порядковому номеру паза.

Фиг.9 показывает схематически распределение синфазных ветвей U1-U4, V1-V4, W1-W4 по пазовым положениям N1, …, N4 соответствующих областей пазов N1-N4 в соответствии с их нумерацией и полюс за полюсом согласно альтернативной форме выполнения к фиг.8.

В примере фиг.9 распределение синфазных ветвей снова показывается на примере синфазных ветвей U1-U4 фазы U. Распределение обоих остальных фаз V, W происходит со смещением на четыре или, соответственно, восемь пазов вдоль внутренней окружности статора электрической машины.

Распределение согласно фиг.8 отличается от распределения отдельных ветвей U1-U4 в том отношении, что занятие пазов от полюса к полюсу отличается максимально на два пазовых положения. В этом смысле распределение в направлении окружности статора происходит более равномерно.

По сравнению с этим пазовое положение ветви U1 от 1-го полюса до 2-го полюса изменяется сразу на три пазовых положения. При занятии пазов согласно фиг.8 ширина скачка возрастает с количеством полюсов электрической машины, в то время как ширина скачка при занятии пазов согласно фиг.9 остается ограниченной максимально до 2.

В итоге, электрическая машина 1 содержит статор 2 и ротор 5, причем статор 2 имеет статорные пазы 8, в которых проложена статорная обмотка 4 с резервированными по меньшей мере трехфазными системами обмоток U1, V1, W1; U2, V2, W2. Согласно изобретению электрическая машина 1 содержит множество полюсов с количеством полюсов PZ по меньшей мере четыре. Электрическая машина 1 содержит количество NZ статорных пазов 8, которое соответствует произведению из числа фаз и квадрата количества полюсов PZ или его целому кратному. Кроме того, электрическая машина содержит соответствующее количеству полюсов PZ количество по меньшей мере трехфазных систем обмоток U1, V1, W1; …; U4, V4, W4. Соответствующее количеству полюсов PZ количество синфазных ветвей U1-U4, V1-V4, W1-W4 соответственно объединено в одну фазную группу ветвей PU, PV, PW. Фазные группы ветвей PU, PV, PW проложены циклично по фазам и полюс за полюсом в статорных пазах 8 статора 2. На каждый полюс и фазную группу ветвей PU, PV, PW имеется соответствующая количеству полюсов PZ область пазов N1-N4, и занятие пазов происходит таким образом, что синфазные ветви U1-U4, V1-V4, W1-W4 распределены равномерно по пазовым положениям N1,…,N4 соответствующих областей пазов N1-N4 соответственно их нумерации.

Изобретение относится к электрическому приводу, который содержит подобную электрическую машину 1, а также по меньшей мере один вентильный преобразователь электроэнергии 11-14 для электроснабжения резервированных и по меньшей мере трехфазных систем обмоток 4 электрической машины 1.

Claims (17)

1. Электрическая машина со статором (2) и ротором (5), причем статор (2) имеет статорные пазы (8), в которых проложена статорная обмотка (4) с резервированными и по меньшей мере трехфазными системами обмоток (U1, V1, W1; U2, V2, W2), отличающаяся тем, что
a) электрическая машина содержит множество полюсов с количеством полюсов (PZ) по меньшей мере четыре,
b) электрическая машина содержит количество (NZ) статорных пазов (8), которое соответствует произведению из числа фаз и квадрата количества полюсов (PZ) электрической машины или его целому кратному,
c) электрическая машина (1) содержит соответствующее количеству полюсов (PZ) количество систем обмоток (U1, V1, W1; …; U4, V4, W4),
d) соответствующее количеству полюсов (PZ) количество синфазных ветвей (U1-U4, V1-V4, W1-W4) объединено соответственно в одну фазную группу ветвей (PU, PV, PW),
e) фазные группы ветвей (PU, PV, PW) проложены циклично по фазам и полюс за полюсом в статорных пазах (8) статора (2),
f) на каждый полюс и фазную группу ветвей (PU, PV, PW) имеется соответствующая количеству полюсов (PZ) область пазов (N1-N4) и
g) занятие пазов происходит так, что синфазные ветви (U1-U4, V1-V4, W1-W4) соответственно их нумерации распределены равномерно по пазовым положениям (N1, …, N4) соответствующих областей пазов (N1-N4).

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что синфазные ветви (U1-U4, V1-V4, W1-W4) циклически переставлены соответственно их нумерации от полюса к полюсу.

3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что занятие пазов синфазных ветвей (U1-U4, V1-V4, W1-W4) различается от полюса к полюсу соответственно их нумерации максимально на два положения пазов.

4. Электрическая машина по п.2 или 3, отличающаяся тем, что статор (2) содержит двухслойную обмотку с верхним и нижним слоями обмотки (OW, UW) и верхний и нижний слои обмотки (OW, UW) смещены относительно друг друга на одно укорочение шага обмотки (VW).

5. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что электрическая машина является синхронной машиной, в частности синхронным двигателем.

6. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что электрическая машина является асинхронной машиной, в частности асинхронным двигателем.

7. Электрическая машина по п.5, отличающаяся тем, что электрическая машина является мощной машиной с номинальной мощностью, по меньшей мере, 10 кВт, в частности, по меньшей мере, 1 МВт.

8. Электрическая машина по п.6, отличающаяся тем, что электрическая машина является мощной машиной с номинальной мощностью, по меньшей мере, 10 кВт, в частности, по меньшей мере, 1 МВт.

9. Электрическая машина по любому из пп.1-3 или 5-8, отличающаяся тем, что проложенные в статорных пазах (8) резервированные и, по меньшей мере, трехфазные системы обмоток (U1, V1, W1; …; U4, V4, W4) рассчитаны электрически так, что электрическая машина при отказе или отсутствии электропитания одной системы обмоток (U1, V1, W1; …; U4, V4, W4) является эксплуатируемой и дальше со своей номинальной мощностью или соответственно своим номинальным вращающим моментом.

10. Электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что проложенные в статорных пазах (8) резервированные и по меньшей мере трехфазные системы обмоток (U1, V1, W1; …; U4, V4, W4) рассчитаны электрически так, что электрическая машина при отказе или отсутствии электропитания одной системы обмоток (U1, V1, W1; …; U4, V4, W4) является эксплуатируемой и дальше со своей номинальной мощностью или соответственно своим номинальным вращающим моментом.

11. Электрическая машина по любому из пп.1-3, или 5-8, или 10, отличающаяся тем, что электрическая машина является 4-полюсной машиной, которая содержит четыре проложенные в статорных пазах (8) резервированные и трехфазные системы обмоток (U1, V1, W1; …; U4, V4, W4).

12. Электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что электрическая машина является 4-полюсной машиной, которая содержит четыре проложенные в статорных пазах (8) резервированные и трехфазные системы обмоток (U1, V1, W1; …; U4, V4, W4).

13. Электрическая машина по п.9, отличающаяся тем, что электрическая машина является 4-полюсной машиной, которая содержит четыре проложенные в статорных пазах (8) резервированные и трехфазные системы обмоток (U1, V1, W1; …; U4, V4, W4).

14. Электрический привод, который содержит электрическую машину (1) по любому из пп.1-13, а также, по меньшей мере, один вентильный преобразователь электроэнергии (11-14) для электрического снабжения резервированных и, по меньшей мере, трехфазных систем обмоток (U1, V1, W1; …; U4, V4, W4) электрической машины (1).

15. Электрический привод по п.14, отличающийся тем, что электрический привод содержит, по меньшей мере, соответствующее количеству полюсов (PZ) электрической машины (1) количество вентильных преобразователей электроэнергии (11-14) для электроснабжения резервированных и, по меньшей мере, трехфазных систем обмоток (U1, V1, W1; …; U4, V4, W4) электрической машины (1).

16. Электрический привод по п.14, отличающийся тем, что вентильные преобразователи электроэнергии (11-14) являются эксплуатируемыми с постоянной фазой относительно друг друга.

17. Электрический привод по любому из пп.14-16, отличающийся тем, что вентильные преобразователи электроэнергии (11-14) являются преобразователями частоты.

Images