Для экономичной эксплуатации многоскоростных двигателей необходимо установить насколько они соответствуют приводимым производственным механизмам по степени загрузки на каждой частоте вращения и по степени использования базового габарита. Чем меньше степень загрузки, тем больше относительная величина реактивной мощности, и тем менее эффективно работает как двигатель, так и питающие его энергетические установки. При оценке эксплуатационного КПД двигателя потери в сети от реактивного тока приводят к потерям двигателя.

В многоскоростных двигателях наибольшее применение находят статорные обмотки с соотношением пар полюсов 2/1- "схемы Даландера". Их определённый недостаток заключается в низкой степени использования габарита базового двигателя. Новые приёмы формирования схем полюсопереключаемых статорных обмоток [1-3] позволяют расширить поиск способов повышения эксплуатационных показателей многоскоростных двигателей.

Пример 1 усовершенствования статорной обмотки двигателя на 10/6 полюсов с цепным чередованием катушечных групп при большем числе полюсов [1,4] (рисунок 1, при построении МДС линейный ток отображён и в условных дополнительных рядах сторон катушек).

При переключении полюсов имеют место такие соотношения витков, потоков и индукций в воздушном зазоре (k_e - коэффициент ЭДС) такие соотношения:

По соотношению индукций двигатель в полной мере подходит для привода вентилятора, при этом габарит базового шестиполюсного двигателя используется полностью. Отрицательной стороной двухслойной обмотки является то, что при 2р = 10 МДС содержит значительную амплитуду низшей гармоники. Амплитуды гармоник в долях малых ступенек МДС (рисунок 2)

Рисунок 1 - Схема и МДС двухслойной обмотки на 10/6 полюсов (k_{об 10}/k_{об 6} = 0,67/0,925) и схема соединения фаз Д-Х/Х

Рисунок 2 - Основная гармоника, низшая гармоника и первые высшие гармоники МДС двухслойной обмотки при большем числе полюсов

Цепное чередование катушечных групп позволяет перейти к цепной обмотке применительно к катушечным группам (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема и МДС цепной обмотки, Д-Х/Х (k_{об 10}/k_{об 6} = 0,74/0,96)

Амплитуды гармоник при 2р = 10 также в долях малых ступенек МДС (рисунок 4)

Рисунок 4 - Основная гармоника, низшая гармоника и первые высшие гармоники МДС цепной обмотки при большем числе полюсов

Соотношение амплитуд основной гармоники р = 5 и низшей гармоники н = 1 двухслойной и цепной обмотки отличается незначительно.

От цепной обмотки можно вновь перейти к двухслойной обмотке, но уже двойного шага, у которой первым шагом является шаг верхнего слоя - шаг цепной обмотки, а вторым шаг второго слоя (рисунок 5). Двойной шаг позволяет значительно уменьшить амплитуду низшей гармоники.

Амплитуды гармоник при большем числе полюсов в долях малых ступенек МДС

Рисунок 5 - Схема и МДС обмотки двойного шага (k_{об 10}/k_{об 8} = 0,614/0,925), основная гармоника, низшая гармоника и первые высшие гармоники МДС при большем числе полюсов

В большей степени снижению амплитуды низшей гармоники способствует укорочение шага второго слоя. Так, при шаге у = 9 (рисунок 6)

Рисунок 6 - МДС обмотки, основная гармоника, низшая гармоника и первые высшие гармоники МДС при большем числе полюсов

Для обмотки с шагом у = 10 (k_{об 10}/k_{об 6} = 0,614/0,925) при переключении полюсов

Соответственно, для обмотки с шагом у = 9 (k_{об 10}/k_{об 6} = 0,685/0,885):

За обмоточные данные двигателей на 10/6 полюсов с 72 пазами статора принимаются обмоточные данные базовых шестиполюсных двигателей. Эти же рекомендации относятся и к схемам при других числах пазов статора (рисунки 7 и 8).

Рисунок 7 - Схема обмотки на 10/6 полюсов (k_{об 10}/k_{об 6} = 0,76/0,96)

Рисунок 8 - Схема обмотки на 10/6 полюсов (k_{об 10}/k_{об 6} = 0,735/0,90)

Особенностью двигателей на 10/6 полюсов является также то, что при переключении на 2р = 10 затухающее шестиполюсное поле наводит в треугольнике три совпадающие по фазе ЭДС. Для исключения сварки контактов переключателя током, ограниченным только внутренним сопротивлением треугольника, переключения необходимо выполнять с выдержкой времени.

Схемы переключений в коробке выводов двигателя, например, для зимнего и для летнего периода привода вентилятора показаны на рисунке 9.

Рисунок 9 - Схема соединений в коробке выводов

Пример 2 усовершенствования схемы обмотки на 8/4 полюса. Определённый недостаток переключений обмоток с соотношением пар полюсов 2/1 по схемам Даландера заключается в необходимости применения дополнительного магнитного пускателя для объединения выводов в нулевую точку.

Упрощению схемы коммутации обмотки на 8/4 полюса [5,6] способствует также цепное чередование катушечных групп при большем числе полюсов (рисунок 10, при построении МДС линейный ток отображён и в условных дополнительных рядах сторон катушек).

Рисунок 10 - Схема и МДС обмотки на 8/4 полюса с шагом у = 4 (k_{об 8}/k_{об 4} = 0,826/0,62), ХД/Д

Определённым недостатком схемы является то, что при 2р = 4 МДС обмоток содержит заметные амплитуды обратновращающихся высших гармоник н = 4 и н = 10.

Для двигателя с 36 пазами статора рациональным является шаг у = 4, при котором высшие гармоники проявляются незначительно. Амплитуды гармоник в долях малых ступенек МДС (рисунок 11) при меньшем числе полюсов

где:

Рисунок 11 - Основная гармоника и первые высшие гармоники периода МДС при 2р = 4

При 48 пазах статора амплитуды гармоник в долях ступенек МДС при меньшем числе полюсов (рисунок 12)

Рисунок 12 - Схема и МДС обмотки на 8/4 полюса (k_{об 8}/k_{об 4} = 0,86/0,685), основная гармоника и первые высшие гармоники периода МДС

Соответственно при 72 пазах статора (рисунок 13)

Рисунок 13 - Схема и МДС обмотки на 8/4 полюса (k_{об 8}/k_{об 4} = 0,82/0,63), основная и высшие гармоники периода МДС при 2р = 4

Статорные обмотки с переключением по схеме Х-Д/Д позволяют соотношением витков в катушках последовательной части и в части треугольника изменять соотношение индукций, следовательно, и подбирать двигатель под определённую нагрузку на валу при переключении полюсов. Так для двигателя на при 72 пазах статора при одинаковом числе витков в катушках (k_{е 8}/k_{е 4} 0,96):

Если число витков в катушках последовательной части обмотки увеличить вдвое, то

Пример расчёта обмотки на 8/4 полюса на базе двигателя АИР 160S4: Z = 48 - число пазов статора; В_д = 0,83 Тл - индукция в воздушном зазоре; I_1н = 28,5 А; соs_н = 0,89; I_1р = 13 А - реактивная составляющая тока; I_м = 9,6 А - намагничивающий ток; w = 104 - число витков на фазу; k_об = 0,925 - обмоточный коэффициент; Q = 110 мм ² - площадь площади изолированного паза для проводников условного квадратного сечения; д = 0,5 - воздушный зазор; k_д = 1,31 - коэффициент воздушного зазора; k_м = 1,44 - коэффициент насыщения магнитной цепи.

Для двигателя с полюсопереключаемой обмоткой (k_{об 8}/k_{об 4} = 0,86/0,685 и k_{е 8}/k_{е 4} 0,96):

Ориентируясь на обмоточные данные базового двигателя, число витков на фазу при 2р = 4

w₄ = 1,73wk_об/k_{об 4} = 1,73 104 0,925/0,685 ? 240.

В катушке 240/12 = 20 витков.

В пазу N = 40 проводников диаметром

Выбираем d/d_из = 1,50/1,61 мм. При длине витка 0,50 м активное сопротивление статорной обмотки R₁ = 1,62 Ом.

Потерям в статорной обмотке базового двигателя Р_{эл 1} = 655 Вт соответствует номинальный ток 11,6 А рассчитываемого двигателя при меньшем числе полюсов. Намагничивающий ток

Намагничивающий ток базового двигателя при соединении фаз в треугольник составляет 9,6/1,73 = 5,55 А. Приведённая реактивная составляющая тока ротора базового двигателя

I'_2р = I_1р - I_м = 13 - 9,6 = 3,4 А.

При практически том же коэффициенте приведения тока ротора, что и у базового двигателя, реактивный ток рассчитываемой обмотки

I_{1р 4} = I_м4 + I'_{2р 4} = 5,6 +3,4/1,73 = 7,57 А.

Коэффициент мощности и потребляемая двигателем мощность:

P₁ = mU_нI_1н cos_н = 3 380 11,6 0,76 = 10050 Вт.

При практически тех же потерях, что и у базового двигателя 1600 Вт, номинальная мощность и номинальный КПД двигателя:

P_2н = P₁ - 1600 = 8450 Вт;

з_н = 84 %.

При большем числе полюсов активное сопротивление последовательной части обмотки R₁₁ = 0,54 Ом и в части треугольника R₁₂ = 1,62 Ом.

Потерям в статорной обмотке восьмиполюсного двигателя того же габарита Р_{эл 1} = 565 Вт соответствуют токи в частях обмотки 7,5 А и 13 А.

При восьми полюсах номинальной мощности КПД _н и cos_н принимаем, ориентируясь на их значения серийных двигателей того же габарита и числа пар полюсов,

P_2н = mU_нI_1ннcos_н = 3 380 7,5 0,87 0,75 ? 5600 Вт.