Безпазові якорі можуть бути виконані з традиційними барабанними, кільцевими або неперехресними обмотками. Виготовлення перших двох типів обмоток викликає необхідність застосування достатньо складного технологічного обладнання, що негативно впливає на їх вартість. Застосування неперехрестних обмоток значно спрощує технологічні процеси їх виготовлення, може здійснюватися на найпростіших намотувальних верстатах, не вимагає високої кваліфікації робітників, забезпечує підвищення надійності машин.

В той же час, використання таких обмоток змушує приділяти підвищену увагу питанням вибору оптимальної величини повітряного проміжку, в якому розташовується обмотка, визначенню її розмірів та оптимізації співвідношення кількості полюсів системи збудження і кількості котушок, з яких складається обмотка.

Методи визначення величини повітряного проміжку, зокрема для машин зі збудженням від постійних магнітів, які найбільш поширені серед машин даного виду, знайшли достатнє висвітлення у науково-технічній літературі [7]. Питання пошуку можливих шляхів підвищення ефективності використання магнітоелектричних систем збудження, призначених спеціально для безпазових машин, є актуальною проблемою сучасного електромашинобудування, яку деякою мірою відображено у [1, 8].

Питання пошуку оптимальної структури безпазових якірних обмоток, зокрема співвідношення геометричних розмірів активних частин котушок та вибір кількості котушок обмотки при заданому числі полюсів системи збудження, привертають увагу багатьох фірм і спеціалістів, які займаються питаннями створення машин даного класу [9, 10].

Фрагмент характерної структури такої машини показано на рис. 1. Якірна обмотка складається з S рівномірно розташованих по обводу якоря котушок, закріплених на несучій основі, в якості якої може виступати гладке феромагнітне осердя або немагнітний каркас. Котушки якірної обмотки 1 розташовані в одній площині, лобові частини котушок не накладаються одна на другу, що дає назву обмоткам даного виду - неперехрестні. Система збудження складається з 2p>S полюсів 2, встановлених на феромагнітному магнітопроводі 3. Виконання умови 2p>S зумовлене необхідністю зменшення пульсацій основного вихідного параметра машини.

Рисунок 1 Фрагмент структури електричної машини з безпазовим якорем: 1 - котушки якірної обмотки; 2 - полюси системи збудження; 3 - магнітопровід системи збудження

обмотка безпазовий якір котушка

Оптимізація котушок обмоток безпазових якорів

Ефективність використання котушки якірної обмотки, а отже, і обмотки в цілому, визначається вибором співвідношення кількості полюсів 2p до кіль-

кості котушок S, з яких складається обмотка, або співвідношення розміру полюсної поділки до граничного розміру поділки, яку може займати котушка неперехресної обмотки ; співвідношення кутової ширини котушки і полюсної поділки та співвідношення кутової ширини відстані між котушками , у випадках, коли котушки не прилягають одна до одної, і полюсної поділки .

Для оцінки ефективності використання котушки якірної обмотки введемо поняття коефіцієнту використання котушки, величину якого будемо визначати за формулою

, (1)

де ; - координати розташування початку і кінця сторони котушки відносно картини розподілу індукції у повітряному проміжку у межах однієї полюсної поділки відповідно; - ширина котушки (рис. 2).

Рисунок 2 До визначення коефіцієнту використання котушки

Зважаючи на те, що картина розподілу індукції у повітряному проміжку визначається взаємним розташуванням елементів магнітної системи, їх розмірами та особливостями конструкції (тип збудження: електромагнітне чи магнітоелектричне, характеристики застосованих матеріалів, спосіб намагнічування постійних магнітів, якщо вони використовуються в системі збудження, тощо), дістати однозначні рекомендації щодо вибору розмірів котушок можна тільки для конкретної конструкції машини після розрахунку магнітного поля в машині. В цьому зв'язку для отримання вихідної інформації щодо закономірностей вибору оптимальних співвідношень розмірів котушок та кількостей 2р та S доцільно встановити ці закономірності при синусоїдальному розподілі індукції в повітряному проміжку.

З міркувань інженерної раціональності конструкції машини, під час виконання досліджень приймаються наступні припущення: ширина котушки зна знаходиться в межах , а зовнішній розмір котушки не перевищує .

На рис. 3 наведено результати досліджень для випадку коли . Крива 1 являє собою залежність величини коефіцієнту використання котушкивід співвідношення за умови, що відносна ширина котушки ; крива 2 - і т.д.

Рисунок 3 Величина коефіцієнту при синусоїдальному розподілі індукції у повітряному проміжку і

З рис. 3 видно, що для будь-якої ширини котушки існує оптимальне співвідношення , відхилення від якого як в бік зменшення, так і в бік збільшення веде до погіршення використання машини, тобто до зменшення величини основного вихідного параметра. Окрім того, нескладно зауважити, що при збільшенні ширини котушки для отримання максимальної величини основного вихідного параметра необхідно йти на збільшення числа полюсів системи збудження, зберігаючи ту саму кількість котушок в якірній обмотці.

Введення проміжків між котушками призводить до зсуву екстремумів в бік більших значень , при цьому максимальна величина для даної ширини котушки залишається практично незмінною, як і при відсутності проміжків (рис. 4).

При створенні машин, призначених для використання в об'єктах з жорсткими обмеженнями щодо рівня енергоспоживання (зменшеними втратами в обмотці), коли постає питання мінімізації маси обмотки (лімітований момент інерції ротора, на якому розташована обмотка, чи висунуті жорсткі обмеження по масі обмотувальних провідників, необхідних для виготовлення обмотки), рівень довершеності машини може бути оцінений за показником ефективності використання якірної обмотки, величину якого будемо визначати за формулою:

. (2)

Рисунок 4 Величина коефіцієнту при синусоїдальному розподілі індукції у повітряному проміжку і

Виконані дослідження дозволили встановити залежності від співвідношення 2р/S та ширини котушки. На рис. 5 наведено залежності у випадку, коли індукція в повітряному проміжку розподілена за синусоїдальним законом, а проміжок між сусідніми котушками .

Рисунок 5 Величина коефіцієнту при синусоїдальному розподілі індукції у повітряному проміжку і

У випадках, коли картина розподілу індукції відрізняється від синусоїдальної відбувається зміна характеру залежностей , координат розташування їх оптимальних значень та величин.

Для ілюстрації останнього ствердження наводимо залежності при прямокутному (рис.6, а) та трапецоїдальному (рис.6, б) розподілах індукції у повітряному проміжку (параметри розподілу індукції, зазначені на рис. 6, прийняті довільними).

Рисунок 6 - Приклади розподілу індукції у повітряному проміжку: а) прямокутному; б) трапеціїдальному

На рис. 7 показано залежність при прямокутному розподілі індукції в повітряному проміжку для випадку, коли , а на рис. 8 - при трапеціїдальному розподілі, коли .

Рисунок 7 Величина коефіцієнту при прямокутному розподілі індукції у повітряному проміжку і

Рис. 8 Величина коефіцієнту при трапеціїдальному розподілі індукції у повітряному проміжку і

Для отримання можливості співставлення величин коефіцієнтів при різних картинах поля було прийнято, що амплітуда індукції у всіх випадках дорівнює одиниці, а значення коефіцієнту вираховується за формулою:

. (3)

Співставлення даних, наведених на рис. 3 та рис. 7 і 8, дає можливість дійти до висновку, що картина розподілу індукції у повітряному проміжку суттєво впливає на величину коефіцієнта використання котушок обмоток безпазових якорів, при цьому можуть змінюватися координати розташування оптимуму цього показника ефективності використання обмотки.

Зважаючи на те, що варіації ширини котушок та відстані між ними ведуть до отримання інших закономірностей зміни величини потокозчеплення при обертанні ротора, необхідно виконати додаткові дослідження, які дадуть змогу врахувати вплив вищих гармонік поля на величину коефіцієнта використання котушок.

Висновки

Виконані дослідження дозволяють дійти до наступних висновків: