Улучшение гармонического состава магнитного поля в трехфазных электродвигателях с дробными зубцовыми обмотками путем совмещения схем звезды и треугольника
Ю.Б. Казаков, Д.С. Смирнов, М.А. Киселев
Вестник ИГЭУ, 2025 г. выпуск 2, сс. 51—58
Скачать PDF
Состояние вопроса. В многополюсных электродвигателях применяются дробные зубцовые обмотки якоря с дискретным ее распределением по пазам, что приводит к появлению неосновных низших и высших пространственных гармоник магнитного поля со значительными амплитудами, которые вызывают повышенное дифференциальное рассеяние, пульсации электромагнитного момента, провалы в механической характеристике, увеличивают добавочные потери, уровни электромагнитного шума и вибраций. В связи с этим актуальным является решение задачи улучшения гармонического состава магнитного поля таких обмоток, снижения амплитуд неосновных гармоник.
Материалы и методы. В исследовании трехфазная 6-зонная дробная зубцовая обмотка заменена трехфазной совмещенной 12-зонной обмоткой, состоящей из двух трехфазных дробных зубцовых обмоток, соединенных одна в «звезду», другая в «треугольник». Эффективность обмоток оценена по изменениям амплитуд гармоник, коэффициентов дифференциального рассеяния и несинусоидальности распределения полей. Исследование проведено с применением моделирования магнитного поля методом конечных элементов.
Результаты. Разработана структура трехфазной симметричной совмещенной дробной зубцовой обмотки. Приведены примеры обмоток. Рассчитаны параметры диаграмм магнитодвижущих сил. Получены распределения магнитодвижущих сил и индукций. Определены амплитуды гармоник, коэффициенты дифференциального рассеяния и несинусоидальности распределений полей. Установлено, что при совмещении схем «звезда» и «треугольник» в трехфазных дробных зубцовых обмотках амплитуда основной гармоники магнитодвижущей силы совмещенной обмотки возрастает на 3,38 %, индукция магнитного поля якоря на 4,69 %, индукция результирующего магнитного поля при нагрузке на 1,3 %, по сравнению с несовмещенной обмоткой. Коэффициент дифференциального рассеяния совмещенной обмотки уменьшается, в отличие от коэффициента несовмещенной обмотки на 25,8 %, коэффициенты гармонических искажений также уменьшаются: магнитодвижущей силы якоря на 8,0 %, индукции магнитного поля якоря на 8,49 %, индукции результирующего магнитного поля при нагрузке на 3,29 %, обмоточный коэффициент совмещенной дробной зубцовой обмотки на 3,5 % больше, чем для несовмещенной обмотки.
Выводы. Совмещение схем «звезда» и «треугольник» в дробной зубцовой обмотке, выполнение условий ее реализации и предложенная структура обмотки позволяют в трехфазных многополюсных электродвигателях снизить амплитуды неосновных гармоник магнитного поля, улучшить его гармонический состав, приблизить форму поля к синусоидальной, уменьшить коэффициенты дифференциального рассеяния, гармонических искажений магнитодвижущей силы и индукции магнитного поля, что позволяет снизить дополнительные потери в двигателе, шум и вибрации. Возросший на 3,5 % обмоточный коэффициент совмещенной дробной зубцовой обмотки повышает эффективность электродвигателей с такой обмоткой.
1. Шевченко А.Ф., Честюнина Т.В. Анализ магнитодвижущих сил дробных зубцовых обмоток электрических машин // Электротехника. – 2009. – № 12. – С. 3–7.
2. Пантелеев С.В. Анализ особенностей магнитного поля синхронной электрической машины с многофазной дробной зубцовой обмоткой в полигармоническом режиме работы // Вес. нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2021. – Т. 66, № 3. – С. 343–355.
3. Гейнрих Г.О., Шевченко А.Ф., Бабицкий Д.Ю. Магнитодвижущие силы беспазовых электрических машин c дробными обмотками с числом катушек на полюс и фазу q < 1 // Электротехника. – 2024. – № 2. – С. 27–34.
4. Бабицкий Д.Ю., Топорков Д.М, Гейнрих Г.О. Пульсации момента в машинах с дробными зубцовыми обмотками и постоянными магнитами // Электротехника. – 2024. – № 3. – С. 20–27.
5. Способы улучшения гармонического состава магнитного поля в электрических машинах с дробными зубцовыми обмотками / Д.Ю. Бабицкий, Д.М. Топорков, А.Г. Приступ, З.С. Темлякова // Электротехника. – 2021. – № 6. – С. 31–36.
6. Бабицкий Д.Ю., Шевченко А.Ф. Об улучшении гармонического состава магнитодвижущей силы дробных зубцовых обмоток // Электротехника. – 2023. – № 5. – С. 29–33.
7. Unequal teeth design to reduce electromagnetic vibration in fractional-slot concentrated-windings permanent-magnet machine / S. Zhu, J. Ji, W. Zhao, et al. // Journal of Magnetics. – 2019. – Vol. 24, No. 4. – P. 657–667.
8. Torque pulsation reduction in fractional-slot concentrated-windings IPM motors by lowering sub-harmonics / G. Liu, F. Zhai, Q. Chen, G. Xu // IEEE Transactions on Energy Conversion. – 2019. – Vol. 34, No. 4. – P. 2084−2095.
9. Попов И.Л., Топорков Д.М., Бабицкий Д.Ю. Применение магнитопроводящего клина в конструкции статора синхронных явнополюсных машин с дробной-зубцовой обмоткой // Электротехника. – 2024. – № 5. – С. 40–45.
10. Захаренко А.Б., Белокурова Н.А., Осикова К.С. Минимизация коэффициента несинусоидальности индукции для магнитоэлектрических машин с индуктором, намагниченным по схеме Хальбаха // Вопросы электромеханики. – 2023. – Т. 197, № 6. – С. 3–9.
11. The Use of Combined Star-Triangle Windings in Three-Phase Electric Motors: a Refined Analysis / Y.B. Kazakov, D.S. Smirnov, M.A. Kiselev, et al. // Russian Electrical Engineering. – 2024. – Vol. 95, No. 3. – P. 165–174.
12. Пат. № 231606 U1 Российская Федерация на полезную модель. Трехфазная электрическая машина: № 2024130268: заявл. 07.10.2024: опубл. 03.02.2025 / Ю.Б. Казаков. – Бюл. № 4.