RU2411623C2

RU2411623C2 - Ac electric machine

Info

Publication number: RU2411623C2
Application number: RU2008105244/09A
Authority: RU
Inventors: Евгений Дмитриевич Карманов (RU); Евгений Дмитриевич Карманов; Сергей Иванович Шаплов (RU); Сергей Иванович Шаплов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Завод Сибирского Технологического Машиностроения"
Priority date: 2008-02-11
Filing date: 2008-02-11
Publication date: 2011-02-10
Also published as: RU2008105244A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: in AC electric machine, comprising rotor and stator with winding arranged in it and made of K coils, it is suggested to install coils in stator winding so that central angle α₁ between axes of cross sections of sides of each coil, determining width of coil, equals α₁=(360°+60°·m)/2K; number of coils K is determined by ratio K=(1+m/6)·p, where m - number of phases, p - number of pole pairs of magnetic field, at the same time p is multiple of three for m = 2 and is multiple of two for m = 3.

EFFECT: increased torque and reduction of its pulsations, reduced losses of power in electric machine by development of magnetic flow by stator, acting at all poles of rotor with forces of one direction and having one fixed number of poles, equal to number of rotor poles.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим машинам переменного тока и может быть использовано в электроприводах с питанием от источников как регулируемого, так и нерегулируемого переменного тока, а также в генераторных установках в качестве источника переменного тока.The invention relates to electric machines of alternating current and can be used in electric drives powered by sources of both regulated and unregulated alternating current, as well as in generator sets as an alternating current source.

Электрическая машина переменного тока содержит статор (якорь) с размещенной на его зубцах m-фазной обмоткой и ротор (индуктор) с 2р полюсами в синхронной электрической машине либо с многофазной или короткозамкнутой обмоткой в асинхронной электрической машине. Наиболее широко распространены электрические машины переменного тока с распределенными m-фазными обмотками, уложенными в пазы таким образом, что на каждом полюсном делении чередуются пазы с катушками всех m фаз [А.И.Вольдек. Электрические машины. "Энергия", 1974, глава 21]. Недостатком таких машин является наличие длинных пересекающихся лобовых частей, что приводит к большому расходу обмоточных проводов и большим потерям мощности в обмотках, а также сложность технологии укладки таких обмоток в пазы. Кроме того, статоры машин с распределенными обмотками при большом числе полюсов 2р имеют большое количество пазов Z и малую ширину пазов и зубцов, что усложняет конструкцию и технологию изготовления и ухудшает заполнение пазов обмоточным проводом.An alternating current electric machine contains a stator (anchor) with an m-phase winding located on its teeth and a rotor (inductor) with 2p poles in a synchronous electric machine or with a multiphase or short-circuited winding in an asynchronous electric machine. The most widely used are electric AC machines with distributed m-phase windings laid in grooves in such a way that grooves with coils of all m phases alternate on each pole division [A.I. Voldek. Electric cars. "Energy", 1974, chapter 21]. The disadvantage of such machines is the presence of long intersecting frontal parts, which leads to a large consumption of winding wires and large losses of power in the windings, as well as the complexity of the technology of laying such windings in grooves. In addition, the stators of machines with distributed windings with a large number of poles 2p have a large number of grooves Z and a small width of grooves and teeth, which complicates the design and manufacturing technology and affects the filling of the grooves with a winding wire.

Известны также электрические машины с сосредоточенными обмотками статора, в которых катушки охватывают по одному зубцу, при этом катушки располагаются в равномерно распределенных по окружности пазах статора, а все зубцы имеют одинаковую ширину. Лобовые части сосредоточенных обмоток не пересекаются и имеют меньшую длину, чем в распределенных обмотках. Например, синхронный электродвигатель согласно патенту RU 2047936 содержит статор с m-фазной сосредоточенной обмоткой, каждая катушка которой охватывает один зубец статора, и ротор с чередующимися по полярности полюсами, a Z_c - число зубцов статора, и 2р - число полюсов ротора, связаны между собой соотношением Z_c=2p±Q, Z_c=m·Q·Z_гр, где Q - число повторяющихся частей статора, в каждой из которых содержится m катушечных групп, при этом Q=1, 2, 3; Z_гp - число катушек в катушечной группе, которое соответствует соотношению Z_гp=l, 2, 3. Недостатком данного синхронного электродвигателя является разнонаправленность сил, действующих на разные полюса ротора, что следует из представленной на первой фигуре рассматриваемого патента полярности полюсов статора и ротора в фиксированный момент времени. Разнонаправленность сил, действующих на разные полюса ротора, приводит к ослаблению результирующего вращающего момента.Electric machines with concentrated stator windings are also known, in which the coils span one tooth each, while the coils are located in the stator grooves evenly distributed around the circumference, and all the teeth have the same width. The frontal parts of the concentrated windings do not intersect and have a shorter length than in distributed windings. For example, a synchronous motor according to the patent RU 2047936 comprises a stator with an m-phase concentrated windings, each coil of which surrounds one tooth of the stator, and a rotor with polarity alternating poles, a Z _c - number of stator teeth, and 2p - number of rotor poles are interconnected by the relation Z _c = 2p ± Q, Z _c = m · Q · Z _gr , where Q is the number of repeating parts of the stator, each of which contains m coil groups, with Q = 1, 2, 3; Z _gr - the number of coils in the coil group, which corresponds to the ratio Z _gr = l, 2, 3. The disadvantage of this synchronous electric motor is the multidirectional forces acting on different poles of the rotor, which follows from the polarity of the stator and rotor poles presented in the first figure of the patent in question fixed point in time. The multidirectionality of forces acting on different poles of the rotor leads to a weakening of the resulting torque.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является синхронный электродвигатель согласно а.с. SU 1481875, в котором обмотка статора выполнена в виде катушек по одной на полюс (то же, что зубец), а число полюсов ротора Z_P связано с Z_S - числом полюсов (зубцов) статора, соотношением Z_P=Z_S±(2K-1), где (2К-1) - число чередующихся фазных зон m-фазной обмотки статора.The closest analogue of the invention is a synchronous motor according to as SU 1481875, in which the stator winding is made in the form of coils one per pole (the same as the tooth), and the number of poles of the rotor Z _P is associated with Z _S - the number of poles (teeth) of the stator, the ratio Z _P = Z _S ± (2K -1), where (2K-1) is the number of alternating phase zones of the m-phase stator winding.

Вышеописанный ближайший аналог также имеет недостатки. Магнитное поле, создаваемое при прохождении переменного тока в сосредоточенных обмотках, имеет значительные пульсации, что наглядно видно из представленных в описании к а.с. SU 1481875 графиков распределения магнитного поля в различные моменты времени. При этом к части полюсов ротора приложены силы, противоположные по направлению результирующему вращающему моменту, что приводит к ослаблению и пульсациям вращающего момента. Кроме того, из соотношения Z_P=Z_S±(2K-1) следует, что при фиксированном числе пазов статора Z_S ротор может иметь разное число полюсов: Z_P=Z_S+(2К-1), либо Z_P=Z_S-(2K-1). Исходя из общей теории электрических машин, вращающий момент может создаваться только тем магнитным полем статора, у которого число полюсов совпадает с числом полюсов ротора. Возможность выполнения ротора с разным числом полюсов означает, что в ближайшем аналоге магнитное поле статора содержит в себе сумму магнитных полей с разным числом полюсов, при этом полезный вращающий момент создает только одна составляющая поля, совпадающая с числом полюсов ротора. Присутствующие одновременно магнитные поля с другим числом полюсов приводят к увеличению потерь в электрической машине и вызывают дополнительные пульсации вращающего момента, что является неблагоприятным фактором в электрическом приводе. Отмеченные недостатки связаны с выбором неоптимальной ширины катушек статора, а также неоптимального соотношения между количеством катушек статора и числом полюсов ротора.The closest analogue described above also has disadvantages. The magnetic field created by the passage of alternating current in concentrated windings has significant ripple, which is clearly seen from the description in A. s. SU 1481875 graphs of the distribution of the magnetic field at different points in time. In this case, forces are applied to a part of the poles of the rotor that are opposite in direction to the resulting torque, which leads to weakening and pulsations of the torque. In addition, from the relation Z _P = Z _S ± (2K-1) it follows that for a fixed number of stator slots Z _{S the} rotor can have a different number of poles: Z _P = Z _S + (2K-1), or Z _P = Z _S is (2K-1). Based on the general theory of electrical machines, the torque can be created only by the magnetic field of the stator, in which the number of poles coincides with the number of poles of the rotor. The ability to perform a rotor with a different number of poles means that in the closest analogue the stator magnetic field contains the sum of magnetic fields with a different number of poles, while the useful torque creates only one component of the field that matches the number of poles of the rotor. Magnetic fields with a different number of poles present at the same time lead to an increase in losses in the electric machine and cause additional pulsations of the torque, which is an unfavorable factor in the electric drive. The noted disadvantages are associated with the choice of a non-optimal width of the stator coils, as well as a non-optimal ratio between the number of stator coils and the number of rotor poles.

Задачей изобретения является увеличение вращающего момента и уменьшение его пульсаций, а также снижение потерь мощности в электрической машине за счет создания магнитного поля статора, воздействующего на все полюса ротора с силами одного направления и имеющего одно фиксированное число полюсов, равное числу полюсов ротора.The objective of the invention is to increase the torque and reduce its ripples, as well as reducing power losses in an electric machine by creating a stator magnetic field that acts on all poles of the rotor with forces of one direction and has one fixed number of poles equal to the number of poles of the rotor.

Требуемое магнитное поле статора, воздействующее на все полюса ротора с силами одного направления и имеющее одно фиксированное число полюсов, равное числу полюсов ротора, обеспечивается путем оптимизации ширины катушек обмотки статора и соотношения между количеством катушек и числом полюсов ротора. Такая оптимизация проведена путем математического моделирования картины электромагнитного поля в электрической машине переменного тока.The required stator magnetic field acting on all rotor poles with the forces of one direction and having one fixed number of poles equal to the number of rotor poles is ensured by optimizing the width of the stator winding coils and the ratio between the number of coils and the number of rotor poles. Such optimization was carried out by mathematical modeling of the picture of the electromagnetic field in an alternating current electric machine.

Поставленная задача достигается тем, что в электрической машине переменного тока, содержащей ротор и статор с расположенной в нем обмоткой, выполненной из К катушек, предлагается катушки в обмотке статора расположить так, что центральный угол α₁ между осями поперечных сечений сторон каждой катушки, определяющий ширину катушки, равен α₁=(360°+60°·m)/2К; количество катушек К определяется соотношением К=(1+m/6)·р, где m - число фаз, р - число пар полюсов магнитного поля, при этом р кратно трем для m=2 и кратно двум для m=3.The task is achieved in that in an electric AC machine containing a rotor and a stator with a winding located in it made of K coils, it is proposed to arrange the coils in the stator winding so that the central angle α ₁ between the axes of the cross sections of the sides of each coil, which determines the width coils, α ₁ = (360 ° + 60 ° m) / 2K; the number of coils K is determined by the relation K = (1 + m / 6) · p, where m is the number of phases, p is the number of pairs of poles of the magnetic field, and p is a multiple of three for m = 2 and a multiple of two for m = 3.

В случае выполнения статора зубцово-пазовой конструкции и при расположении катушек обмотки статора в пазах так, что каждая катушка охватывает по одному зубцу, имеющему ширину b_Z1δ у воздушного зазора, причем минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек превышает 0,2b_Z1δ, предлагается между соседними катушками располагать зубцы, не охватываемые катушками и имеющие ширину b_Z2δ у воздушного зазора, меньшую, чем b_Z1δ, a Z - число зубцов, определять из выражения Z=(2+m/3)·р.In the case of a stator with a tooth-groove design and with the stator winding coils in the grooves so that each coil covers one tooth having a width b _Z1δ at the air gap, and the minimum distance between the sides of two adjacent coils exceeds 0.2b _Z1δ , it is proposed between have adjacent coils with teeth not covered by coils and having a width b _Z2δ at the air gap less than b _Z1δ , a Z the number of teeth, determined from the expression Z = (2 + m / 3) · p.

В случае выполнения статора зубцово-пазовой конструкции и при расположении катушек обмотки статора в пазах так, что каждая катушка охватывает по одному зубцу, имеющему ширину b_Z1δ у воздушного зазора, причем расстояние между сторонами двух соседних катушек не превышает 0,2b_Z1δ, предлагается стороны двух соседних катушек располагать в одном пазу, а число зубцов определять из выражения Z=(1+m/6)·p.In the case of a stator with a tooth-groove design and when the stator winding coils are arranged in grooves so that each coil covers one tooth having a width b _Z1δ at the air gap, and the distance between the sides of two adjacent coils does not exceed 0.2b _Z1δ , it is suggested that place two adjacent coils in one groove, and determine the number of teeth from the expression Z = (1 + m / 6) · p.

Сущность предлагаемого изобретения сводится к тому, что в электрической машине переменного тока предлагается оптимизировать ширину катушек обмотки статора, а также соотношение между количеством катушек и числом пар полюсов ротора таким образом, чтобы на каждый полюс ротора действовали силы (моменты), вращающие ротор в одном направлении.The essence of the invention is that in an electric AC machine it is proposed to optimize the width of the stator winding coils, as well as the ratio between the number of coils and the number of pairs of rotor poles in such a way that forces (moments) rotating the rotor in one direction act on each rotor pole .

В предлагаемой электрической машине переменного тока конструкция статора может быть как зубцово-пазовой, так и беззубцовой.In the proposed electric alternating current machine, the stator design can be either serrated-grooved or toothless.

Предлагаемая электрическая машина переменного тока может быть выполнена как в синхронном, так и в асинхронном вариантах.The proposed electric AC machine can be performed both in synchronous and in asynchronous versions.

На фиг.1 представлено поперечное сечение предлагаемой электрической машины переменного тока в синхронном варианте выполнения при зубцово-пазовой конструкции статора в случае, если минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек превышает величину 0,2b_Z1δ. На фиг.2 представлено поперечное сечение предлагаемой электрической машины переменного тока в синхронном варианте выполнения при зубцово-пазовой конструкции статора в случае, если минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек не превышает величину 0,2b_Z1δ. На фиг.3 и фиг.4 представлены развертки электрической машины, приведенной на фиг.1, с условными обозначениями токов в катушках для двух моментов времени, соответствующих векторным диаграммам токов, приведенным на фиг.3, 4.Figure 1 shows the cross section of the proposed electric AC machine in a synchronous embodiment when the tooth-groove design of the stator in case the minimum distance between the sides of two adjacent coils exceeds a value of 0.2b _Z1δ . Figure 2 presents the cross section of the proposed electric AC machine in a synchronous embodiment when the tooth-groove design of the stator in case the minimum distance between the sides of two adjacent coils does not exceed the value of 0.2b _Z1δ . Figure 3 and figure 4 presents a scan of the electric machine shown in figure 1, with the symbols of the currents in the coils for two points in time corresponding to the vector diagrams of currents shown in figure 3, 4.

Синхронная электрическая машина со статором зубцово-пазовой конструкции в случае, если минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек превышает величину 0,2b_Z1δ, представлена на фиг.1 и содержит статор 1 с обмоткой 2, имеющей три фазы (m=3) и шесть катушек (К=6), каждая сторона которых расположена в отдельном пазу 3. Ширина катушек обмотки 2 определяется углом α₁=45°. Каждая катушка охватывает по одному зубцу 4 с шириной у воздушного зазора b_Z1δ. Зубцы 5, ширина b_Z2δ которых у воздушного зазора составляет b_Z2δ≈0,25b_Z1δ, расположены между сторонами двух соседних катушек, при этом минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек превышает величину 0,2b_Z1δ. Общее число зубцов Z=12. Ротор 6 электрической машины имеет восемь полюсов (2р=8) чередующейся полярности, т.е. данная электрическая машина является синхронной. Величины m, р, К, α₁, Z определяются соотношениями: α₁=(360°+60°·m)/2К, К=(1+m/6)·р, Z=(2+m/3)·р, при этом р кратно 2, так как m=3.A synchronous electric machine with a tooth-groove stator in the case where the minimum distance between the sides of two adjacent coils exceeds 0.2b _Z1δ is shown in Fig. 1 and contains stator 1 with winding 2 having three phases (m = 3) and six coils (K = 6), each side of which is located in a separate groove 3. The width of the coils of the winding 2 is determined by the angle α ₁ = 45 °. Each coil covers one tooth 4 with a width at the air gap b _Z1δ . The teeth 5, the width b _{Z2δ of} which at the air gap is b _{Z2δ ≈} 0.25b _Z1δ , are located between the sides of two adjacent coils, while the minimum distance between the sides of two adjacent coils exceeds 0.2b _Z1δ . The total number of teeth Z = 12. The rotor 6 of the electric machine has eight poles (2p = 8) of alternating polarity, i.e. This electric machine is synchronous. The values of m, p, K, α ₁ , Z are determined by the relations: α ₁ = (360 ° + 60 ° m) / 2K, K = (1 + m / 6) · p, Z = (2 + m / 3) · P, while p is a multiple of 2, since m = 3.

Ширина охватываемых катушками зубцов 4 на внутреннем диаметре статора D (т.е. в верхней части зубцов у воздушного зазора) равна b_Z1δ=(α₁/360°·π·D-b_Пδ), где b_Пδ - ширина пазов 3 в верхней части у воздушного зазора (на диаметре D), зависящая от площади поперечного сечения расположенных в них катушек 2, которая, в свою очередь, зависит от суммарного сечения входящих в катушку проводников. В случае если минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек превышает величину 0,2b_Z1δ, тогда между соседними катушками располагаются зубцы 5, не охватываемые катушками и имеющие ширину у воздушного зазора b_Z2δ, равную b_Z2δ=(α₂/360°·π·D-b_Пδ), где α₂ - центральный угол между осями поперечных сечений сторон двух соседних катушек. Угол α₂ определяется соотношением α₂=α-α₁=(360°-60°·m)/2К, где α=360°/К - угол между осями равномерно распределенных по окружности соседних катушек. Из приведенных выше соотношений следует, что α₂<α₁, вследствие чего ширина зубцов b_Z2δ<b_Z1δ. Общее число Z зубцов в этом случае в два раза больше количества катушек: Z=(2+m/3)·р. Выполнение зубцов между сторонами двух соседних катушек снижает магнитное сопротивление воздушного зазора, однако, в случае если b_Z2δ<0,2b_Z1δ, снижение магнитного сопротивления будет несущественно.The width of the teeth 4 covered coils on the stator inner diameter D (i.e., in the upper part of teeth at the air gap) is equal to b _Z1δ = (α _1/360 ° · π · Db _Pδ) wherein _Pδ b - width of the slots 3 in the upper portion at the air gap (on diameter D), depending on the cross-sectional area of the coils 2 located in them, which, in turn, depends on the total cross-section of the conductors included in the coil. If the minimum distance between the sides of two adjacent coils exceeds 0,2b _Z1δ, then between adjacent coils arranged tine 5 not covered by the coils and having a width in the air gap b _Z2δ, equal to b _Z2δ = (α _2/360 ° · π · Db _Пδ ), where α ₂ is the central angle between the axes of the cross sections of the sides of two adjacent coils. The angle α _{2 is} determined by the ratio α ₂ = α-α ₁ = (360 ° -60 ° m) / 2K, where α = 360 ° / K is the angle between the axes of adjacent coils uniformly distributed around the circumference. From the above relations it follows that α ₂ <α ₁ , as a result of which the width of the teeth b _Z2δ <b _Z1δ . The total number of Z teeth in this case is two times the number of coils: Z = (2 + m / 3) · p. The implementation of the teeth between the sides of two adjacent coils reduces the magnetic resistance of the air gap, however, if b _Z2δ <0.2b _Z1δ , a decrease in magnetic resistance will be insignificant.

Синхронная электрическая машина со статором зубцово-пазовой конструкции в случае, если минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек не превышает величину 0,2b_Z1δ, представлена на фиг.2. В этом случае минимальное расстояние Δ между сторонами двух соседних катушек не превышает 0,2b_Z1δ (Δ≤0,2b_Z1δ), что может быть при большой площади поперечного сечения катушек 2 (фиг.2), тогда зубцы между сторонами двух соседних катушек не выполняют и в одном пазу 3 располагают стороны двух соседних катушек. В этом случае число зубцов Z равно количеству катушек: Z=(1+m/6)·р.A synchronous electric machine with a stator of a tooth-groove design in case the minimum distance between the sides of two adjacent coils does not exceed 0.2b _Z1δ , is shown in Fig.2. In this case, the minimum distance Δ between the sides of two adjacent coils does not exceed 0.2b _Z1δ (Δ≤0.2b _Z1δ ), which can be with a large cross-sectional area of coils 2 (Fig. 2), then the teeth between the sides of two adjacent coils do not perform and in one groove 3 have the sides of two adjacent coils. In this case, the number of teeth Z is equal to the number of coils: Z = (1 + m / 6) · p.

В статоре электрической машины переменного тока, изображенной на фиг.2, размещена трехфазная обмотка (m=3), состоящая из К=6 катушек, расположенных в пазах 3. Ширина катушек определяется углом α₁, равным α₁=45°. Каждая катушка охватывает по одному зубцу 4 с шириной у воздушного зазора b_Z1δ. Площадь поперечного сечения катушек в данной электрической машине больше, чем в изображенной на фиг.1, вследствие большей величины протекающего по катушкам тока и, следовательно, большего суммарного сечения проводников, из-за чего минимальное расстояние между сторонами двух соседних катушек менее 0,2b_Z1δ (Δ≈0,1b_Z1δ). В этом случае зубцы между сторонами двух соседних катушек отсутствуют и в пазах 3 располагаются стороны двух соседних катушек. Число зубцов Z=6. Ротор 6 электрической машины имеет 2р=8 полюсов чередующейся полярности. Соотношения между m, р, К, α₁, Z соответствуют указанным выше условиям.In the stator of the electric alternating current machine shown in FIG. 2, a three-phase winding (m = 3) is placed, consisting of K = 6 coils located in grooves 3. The width of the coils is determined by the angle α ₁ equal to α ₁ = 45 °. Each coil covers one tooth 4 with a width at the air gap b _Z1δ . The cross-sectional area of the coils in this electric machine is larger than in the one shown in Fig. 1, due to the larger current flowing through the coils and, therefore, the larger total cross-section of the conductors, due to which the minimum distance between the sides of two adjacent coils is less than 0.2b _Z1δ (Δ≈0.1b _Z1δ ). In this case, the teeth between the sides of two adjacent coils are absent and in the grooves 3 are the sides of two adjacent coils. The number of teeth Z = 6. The rotor 6 of the electric machine has 2p = 8 poles of alternating polarity. The relations between m, p, K, α ₁ , Z correspond to the above conditions.

Заявляемая электрическая машина, представляющая собой, например, синхронный электрический двигатель, приведенный на фиг.1, работает следующим образом.The inventive electric machine, which is, for example, a synchronous electric motor shown in figure 1, operates as follows.

При подключении обмотки 2 статора 1 к сети трехфазного переменного тока частотой f по катушкам обмотки 2 протекает ток. Распределение токов в катушках обмотки для двух следующих один за другим моментов времени представлено на фиг.3 и 4. На полюса ротора 6 действуют силы, которые могут быть определены по правилу левой руки [А.И.Вольдек. Электрические машины. "Энергия", 1974, стр.28], причем на все полюса действуют силы в одном направлении, создавая электромагнитный момент М_эм, вращающий ротор 6. Распределение токов в катушках статора изменяется, перемещаясь по окружности с частотой n₁=60·f/p, а ротор вращается с той же частотой n₂=n₁, при этом положение его полюсов относительно токов статора и направление действующих на полюса сил не меняются, что следует из сопоставления фиг.3 и фиг.4, где направление сил, действующих на каждый полюс ротора в два различных момента времени, не меняется. Благодаря тому, что на все полюса ротора действуют силы одного направления, не изменяемого при вращении ротора, вращающий момент предлагаемой электрической машины больше, чем у аналогов тех же размеров и массы, а также отсутствуют пульсации момента. Кроме того, однонаправленность сил, действующих на все полюса ротора, физически означает, что магнитное поле, создаваемое токами обмотки статора, имеет число полюсов, равное числу полюсов ротора, то есть отсутствуют магнитные поля с другим числом полюсов, благодаря чему снижаются потери мощности. При этом, исходя из общей теории электрических машин, магнитное поле с фиксированным числом 2р полюсов, создаваемое переменным m-фазным током статора, вращается в одну сторону и имеет одну определенную частоту вращения, равную n₁.When connecting the winding 2 of the stator 1 to the three-phase AC network with a frequency f, current flows through the coils of the winding 2. The distribution of currents in the winding coils for two successive times is shown in FIGS. 3 and 4. At the poles of the rotor 6 there are forces that can be determined by the rule of the left hand [A.I. Voldek. Electric cars. "Energy", 1974, p. 28], with forces acting in one direction at all poles, creating an electromagnetic moment M _em rotating the rotor 6. The current distribution in the stator coils changes, moving around the circle with a frequency n ₁ = 60 · f / p, and the rotor rotates with the same frequency n ₂ = n ₁ , while the position of its poles relative to the stator currents and the direction of the forces acting on the poles do not change, which follows from a comparison of FIG. 3 and FIG. 4, where the direction of the forces acting on each pole of the rotor at two different points in time does not change. Due to the fact that all the poles of the rotor are affected by the forces of one direction, which does not change during the rotation of the rotor, the torque of the proposed electric machine is greater than that of analogs of the same size and mass, and there are no moment pulsations. In addition, the unidirectional forces acting on all poles of the rotor physically means that the magnetic field generated by the stator winding currents has a number of poles equal to the number of rotor poles, i.e. there are no magnetic fields with a different number of poles, thereby reducing power loss. Moreover, based on the general theory of electric machines, a magnetic field with a fixed number of 2p poles created by an alternating m-phase stator current rotates in one direction and has one specific rotation frequency equal to n ₁ .

Ввиду наличия в предлагаемой электрической машине магнитного поля статора, вращающегося в одном направлении с определенной частотой вращения, машина может быть выполнена как в синхронном, так и в асинхронном вариантах. В случае выполнения синхронной электрической машины ее ротор содержит полюса чередующейся полярности, причем число полюсов ротора 2р равно числу полюсов магнитного поля статора. В случае выполнения асинхронной электрической машины ее ротор должен содержать многофазную или короткозамкнутую обмотку, в которой будут индуктироваться токи, создающие магнитное поле ротора с числом полюсов 2р, равным числу полюсов магнитного поля статора. Как в случае синхронной электрической машины, так и в случае асинхронной электрической машины взаимодействие магнитных полей статора и ротора, имеющих одинаковое число полюсов, создает электромагнитный момент, вращающий ротор.Due to the presence in the proposed electric machine of a magnetic field of the stator, rotating in the same direction with a certain speed, the machine can be performed both in synchronous and in asynchronous versions. In the case of a synchronous electric machine, its rotor contains poles of alternating polarity, and the number of poles of the rotor 2p is equal to the number of poles of the stator magnetic field. In the case of an asynchronous electric machine, its rotor must contain a multiphase or short-circuited winding, in which currents will be induced, creating a magnetic field of the rotor with the number of poles 2p equal to the number of poles of the stator magnetic field. As in the case of a synchronous electric machine, and in the case of an asynchronous electric machine, the interaction of the magnetic fields of the stator and rotor having the same number of poles creates an electromagnetic moment that rotates the rotor.

Для проверки достижения заявленного технического результата были изготовлены макетные образцы двух синхронных электрических машин. Первый образец синхронной электрической машины выполнен согласно патенту RU 2047936 и имеет число фаз m=3, число зубцов статора, равномерно распределенных по окружности, Z=18, число полюсов ротора 2р=20. Второй образец синхронной электрической машины выполнен в соответствии с предлагаемым изобретением и имеет число фаз m=3, количество катушек статора К=15 с расположением каждой стороны катушки в отдельном пазу; число зубцов Z=30, угол α₁=18° и ротор с числом полюсов 2р=20, что соответствует приведенным выше соотношениям. Оба образца выполнены с одинаковыми размерами: диаметр корпуса 120 мм, длина - 105 мм. Сравнительные испытания двух образцов показали результаты, подтверждающие эффективность предлагаемого изобретения: при одинаковом потребляемом токе, равном 60 А, первый образец развивал вращающий момент, равный 38 Н·м, а второй образец - 56 Н·м, т.е. в 1,47 раз больше; кроме того, во втором образце отсутствовали пульсации момента, в то время как у первого образца, соответствующего известной электрической машине, величина пульсаций составляла (3÷5)% от номинального момента.To verify the achievement of the claimed technical result, prototypes of two synchronous electric machines were made. The first sample of a synchronous electric machine is made according to patent RU 2047936 and has the number of phases m = 3, the number of stator teeth evenly distributed around the circumference, Z = 18, the number of rotor poles 2p = 20. The second sample synchronous electric machine is made in accordance with the invention and has a number of phases m = 3, the number of stator coils K = 15 with the location of each side of the coil in a separate groove; the number of teeth Z = 30, the angle α ₁ = 18 ° and the rotor with the number of poles 2p = 20, which corresponds to the above ratios. Both samples are made with the same dimensions: case diameter 120 mm, length - 105 mm. Comparative tests of two samples showed results confirming the effectiveness of the invention: at the same current consumption of 60 A, the first sample developed a torque of 38 N · m, and the second sample - 56 N · m, i.e. 1.47 times more; in addition, in the second sample there were no moment pulsations, while in the first sample corresponding to the known electric machine, the ripple value was (3 ÷ 5)% of the nominal moment.

Таким образом, в предлагаемой электрической машине за счет создания магнитного поля статора, воздействующего на все полюса ротора с силами одного направления и имеющего одно фиксированное число полюсов, равное числу полюсов ротора, увеличивается вращающий момент и уменьшаются его пульсации, а также снижаются потери мощности.Thus, in the proposed electric machine, due to the creation of a magnetic field of the stator, acting on all poles of the rotor with forces of one direction and having one fixed number of poles equal to the number of poles of the rotor, the torque increases and its pulsations decrease, and power losses are reduced.

Claims

1. Electric AC machine containing a rotor and a stator with a winding located therein made of K coils, characterized in that the coils in the stator winding are located so that the central angle α ₁ between the axes of the cross sections of the sides of each coil, determining the width of the coil, equal to α ₁ = (360 ° + 60 ° m) / 2K, the number of coils K is determined by the ratio K = (1 + m / 6) · p, where m is the number of phases, p is the number of pairs of poles of the magnetic field, and p a multiple of three for m = 2 and a multiple of two for m = 3.

2. The electric AC machine according to claim 1, characterized in that the stator is made of a tooth-groove design, while the stator winding coils are arranged in grooves so that each coil covers one tooth having a width b _Z1δ at the air gap, and the minimum the distance between the sides of two adjacent coils exceeds 0.2 b _Z1δ , and between adjacent coils there are teeth that are not covered by coils and have a width b _Z2δ at the air gap less than b _Z1δ , a Z - the number of teeth is determined by the expression Z = (2 + m / 3) p.

3. The electric AC machine according to claim 1, characterized in that the stator is made of a tooth-groove design, while the stator winding coils are arranged in grooves so that each coil covers one tooth of width b _Z1δ at the air gap, and the distance between the sides two adjacent coils does not exceed 0.2 b _Z1δ , and the sides of two adjacent coils are located in one groove, and Z - the number of teeth is determined by the expression Z = (1 + m / 6) · p.