АСИНХРОННЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H02K17/34 

Изобретение относится к регулируемым асинхронным двигателям и может быть использовано в качестве регулируемого электропривода общепромышленного назна- чения.

Известен регулируемый асинхронный двигатель с магнитными шунтами [1]. Недостатками таких двигателей являются сравнительно узкий диапазон регулирования, большие потери скольжения при регулировании. Вышеуказанный двигатель принят за аналог.

Техническое решение, наиболее близко относящееся к предлагаемому изобретению, описано в [2] и принято за прототип.

Асинхронный двигатель содержит статор с якорем и корпусом, ротор с основным магнитопроводом, обмоткой и дополнительным магнитопроводом, установленным рядом с основным магнитопроводом, закрепленным на валу посредством втулки.

Прототипу присущи следующие недостатки: высокие потери скольжения при регулировании частоты вращения; узкий диапазон регулирования; снижение коэффициента мощности при регулировании частоты вращения.

Цель изобретения - улучшение энергетических характеристик, увеличение диапазона регулирования.

Цель достигается тем, что двигатель снабжен дополнительной обмоткой на роторе, дополнительным магнитопроводом статора и вторым дополнительным магнитопроводом на роторе, двумя ферромагнитными полыми цилиндрами с короткозамкнутыми обмотками, установленными в дополнительном магнитопроводе статора с возможностью свободного вращения, двумя парами торцовых и внутренних дисков, установленных на статоре, скользящими контактами, немагнитными вставками, при этом на внутренних поверхностях цилиндров выполнены равномерно распределенные по окружности пазы, заполненные высокопроводящими стержнями, замкнутыми по торцам высокопроводящими кольцами, на которых размещены скользящие контакты, установленные с возможностью контакта с торцовыми и внутренними дисками, немагнитные вставки размещены в высокопроводящих кольцах между стержнями, причем число немагнитных вставок в первом ферромагнитном цилиндре, охватывающем дополнительный магнитопровод ротора, равно числу пар полюсов его обмотки, и во втором дополнительном магнитопроводе ротора выполнены пазы, число которых равно удвоенному числу немагнитных вставок второго ферромагнитного цилиндра, при этом второй дополнительный магнитопровод ротора размещен внутри второго ферромагнитного цилиндра, торцовые и внутренние диски двух ферромагнитных цилиндров электрически соединены между собой, а дополнительная обмотка ротора подключена к обмотке ротора с обратным следованием фаз.

Кроме того, снабжен кольцевой немагнитной вставкой, второй униполярной обмоткой возбуждения, двумя полюсами второго дополнительного магнитопровода и немагнитным кольцом, разделяющим второй ферромагнитный цилиндр в поперечном сечении на расстоянии, примерно равном длине первого ферромагнитного цилиндра, кольцевая немагнитная вставка установлена в этом же сечении на торце второго дополнительного магнитопровода с второй униполярной обмоткой возбуждения, один полюс примыкает к немагнитной кольцевой вставке, а второй полюс размещен с торца второго дополнительного магнитопровода ротора. Кроме того, снабжен постоянными магнитами, установленными в пазах второго дополнительного магнитопровода ротора. Кроме того, обмотки основного и дополнительного магнитопроводов ротора выполнены из стержней, размещенных одновременно в пазах основного и дополнительного магнитопроводов, замкнутых по торцам короткозамыкающими кольцами. Кроме того, число пар полюсов дополнительной обмотки ротора меньше числа пар полюсов обмотки основного магнитопровода ротора.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются: размещение дополнительной обмотки в дополнительном магнитопроводе и подключение ее к обмотке ротора с обратным следованием фаз; дополнительный магнитопровод на статоре с ферромагнитными цилиндрами с возможностью свободного вращения; высокопроводящие стержни и немагнитные вставки в ферромагнитные цилиндры; второй дополнительный магнитопровод с ферромагнитными цилиндрами; установка во втором ферромагнитном цилиндре немагнитного кольца и кольцевой немагнитной вставки в дополнительном магнитопроводе; заполнение пазов второго дополнительного магнитопровода ротора постоянными магнитами; размещение общей короткозамкнутой обмотки на основном и дополнительном магнитопроводах ротора; установка и закрепление второго ферромагнитного цилиндра на втором дополнительном магнитопроводе ротора; число пар полюсов дополнительной обмотки меньше числа пар полюсов основного магнитопровода ротора.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия", так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п.127 ЭЗ-1-74), технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.

На фиг.1 изображено устройство регулируемого асинхронного электродвигателя, продольное сечение; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.

Регулируемый асинхронный двигатель включает статор с якорем 1 и корпусом 2, дополнительным магнитопроводом 3, вторым дополнительным магнитопроводом 4 с немагнитной вставкой 5, ротор с основным магнитопроводом 6, обмоткой 7, дополнительным магнитопроводом 8, вторым дополнительным магнитопроводом 9, непосредственно примыкающим к магнитопроводу 8, установленные на валу 10.

В дополнительном магнитопроводе 8 размещена дополнительная обмотка 11, подключенная к обмотке ротора 7. В дополнительном магнитопроводе 3 установлено два полых ферромагнитных цилиндра 12 и 13 на подшипниковых опорах 14. При этом второй ферромагнитный цилиндр 13 разделен в поперечном сечении немагнитным кольцом 15, соотносящимся с немагнитной вставкой 5 дополнительного магнитопровода статора, и выступает за немагнитную вставку 5. На внутренних поверхностях ферромагнитных цилиндров 12 и 13 размещены равномерно распределенные по окружности пазы, заполненные высокопроводящими стержнями 16, замкнутыми по торцам высокопроводящими кольцами 17, снабженные скользящими контактами с торцовыми 18 и внутренними 19 дисками. Между внутренними дисками 19 установлена униполярная обмотка 20 возбуждения. Ферромагнитные цилиндры 12 и 13 разделены между стержнями 16 на равные части немагнитными вставками 21. В первом ферромагнитном цилиндре 12, охватывающем дополнительный магнитопровод 8 ротора, число немагнитных вставок 21 равно числу пар полюсов дополнительной обмотки 11. На втором ферромагнитном цилиндре 13 число немагнитных вставок 21 равно половине числа пазов 22, выполненных во втором дополнительном магнитопроводе 9 ротора, размещенного внутри этого цилиндра.

Торцовые 18 и внутренние 19 диски первого ферромагнитного цилиндра электрически подключены к аналогичным дискам второго ферромагнитного цилиндра. На втором дополнительном магнитопроводе 4 установлена вторая униполярная обмотка 23 возбуждения, при этом один его полюс замыкается до немагнитной вставки 5 на торец дополнительного магнитопровода 3, тогда как второй полюс размещен с торца второго дополнительного магнитопровода 9 ротора. Пазы 22 второго дополнительного магнитопровода 9 могут быть заполнены постоянными магнитами. Обмотки 7 и 11 ротора могут выполняться по типу короткозамкнутой клетки, при этом стержни обмотки 7 могут быть размещены на основном 6 и дополнительном 8 магнитопроводах и выполнять функции двух обмоток 7 и 11, либо по типу фазных обмоток. Обмотки 7 и 11 ротора могут быть подключены друг на друга с встречным либо согласным направлением следования фаз.

При наличии второго дополнительного магнитопровода 4 и второй униполярной обмотки 23 возбуждения второй ферромагнитный цилиндр 13 может быть закреплен на втором дополнительном магнитопроводе 9 ротора, при этом немагнитное кольцо 15 разделяет также этот магнитопровод.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения в якорь 1 в обмотке 7 ротора наведется ЭДС скольжения. Поскольку к обмотке 7 подключена (с обратным следованием фаз) обмотка 11 дополнительного магнитопровода 8, то величина пускового тока будет определяться суммарным сопротивлением двух последовательно соединенных асинхронных машин. При этом пусковой момент может оказаться недостаточным для преодоления момента трогания вала 10 (с учетом момента сопротивления приводного механизма). Однако первый ферромагнитный цилиндр 12 практически не имеет момента сопротивления, в связи с чем под действием вращающегося электромагнитного поля, возбуждаемого пусковым током дополнительной обмотки 11, он придет во вращение с частотой, определяемой числом пар полюсов обмотки 11 и частотой скольжения. При этом направление вращения ферромагнитного цилиндра 12 - обратное по отношению к требуемому направлению вращения вала 10 асинхронного двигателя.

С подачей возбуждения в униполярную обмотку 20 в ферромагнитном цилиндре 12 наведется униполярная ЭДС, под действием которой по стержням 16 ферромагнитных цилиндров 12 и 13 потечет постоянный ток, при этом каждый из стержней 16 создает пару полюсов. Первый ферромагнитный цилиндр 12 войдет в синхронизм с полем обмотки 11 дополнительного магнитопровода 8 и будет работать в режиме синхронного двигателя, одновременно генерируя униполярную ЭДС. При этом в обмотку 7 основного магнитопровода 6 последовательно подключенной оказывается синхронная машина, полное сопротивление которой зависит от ее нагрузки, то есть от величины генерируемой мощности постоянного тока. Второй ферромагнитный цилиндр 13 при взаимодействии униполярного тока с униполярным магнитным потоком будет вращаться в требуемом направлении вращения вала, при этом передается вращающий момент на вал 10 через второй дополнительный магнитопровод 9 (аналогично муфте постоянного тока). Поскольку направление вращения электромагнитного поля дополнительной обмотки 11 обратное по отношению к полю обмотки 7, то оно будет создавать на валу 10 вращающий момент, действующий согласно с обмоткой 7. В таком случае на вал 10 будет действовать результирующий момент, представляющий сумму трех вышеуказанных вращающих моментов.

При увеличении тока в униполярной обмотке 20 возбуждения возрастет мощность постоянного тока, генерируемая первым ферромагнитным цилиндром 12, одновременно уменьшится полное сопротивление дополнительной обмотки 11, а следовательно, возрастет ток в обмотках 7 и 11 и увеличится вращающий момент обмоток основного магнитопровода 6, дополнительного магнитопровода 8, а также увеличится вращающий момент, передаваемый на вал 10 вторым ферромагнитным цилиндром 13, питаемым от первого ферромагнитного цилиндра 12. Результирующий вращающий момент асинхронного двигателя превзойдет момент страгивания и его ротор придет во вращение до значения частоты, при которой вращающий момент двигателя и момент сопротивления на его валу сравняются.

Для увеличения частоты вращения вала асинхронного двигателя необходимо увеличить ток возбуждения в униполярной обмотке 20, что приведет к одновременному росту момента на ферромагнитных цилиндрах 12 и 13 и основном магнитопроводе 6.

Таким образом, при неизменных параметрах сети регулируется частота вращения асинхронного электродвигателя.

Для исключения потерь скольжения при регулировании частоты вращения асинхронного электродвигателя частота вращения ферромагнитного цилиндра 13 должна быть равна частоте вращения вала 10, а это возможно лишь в узком диапазоне из-за некоторого отличия от пропорциональности изменения униполярного магнитного потока и униполярного тока якоря. При расширении диапазона регулирования на поверхности второго дополнительного магнитопровода 9 ротора будут выделяться потери скольжения. Расширить диапазон регулирования асинхронного двигателя с исключением потерь скольжения возможно регулированием униполярного магнитного потока во втором ферромагнитном цилиндре 13 путем изменения тока во второй униполярной обмотке 23 возбуждения. Это позволяет регулировать величину магнитного потока через второй ферромагнитный цилиндр 13 практически от нулевого до максимального значения при неизменном значении магнитного потока через первый ферромагнитный цилиндр 12. Это позволяет поддерживать значение частоты вращения второго ферромагнитного цилиндра 13, равное частоте вращения вала 10.

Для исключения скольжения при передаче высоких вращающих моментов от второго ферромагнитного цилиндра 13 на вал 10 и повышения использования активных материалов пазы 22 второго дополнительного магнитопровода 9 ротора могут быть заполнены постоянными магнитами. При наличии второй униполярной обмотки 23 возбуждения становится возможным регулирование частоты вращения асинхронного двигателя и при согласном включении обмоток 7 и 11. В таком случае стержни короткозамкнутой обмотки 7 могут быть удлинены и размещаться одновременно на основном 6 и дополнительном 8 магнитопроводах ротора и замыкаться по торцам короткозамкнутыми кольцами. Это позволяет уменьшить длину лобовых частей обмоток, а следовательно, потери в меди и улучшить энергетические характеристики.

Для улучшения энергетических характеристик (коэффициента мощности) число пар полюсов дополнительной обмотки 11 может выбираться меньше числа пар полюсов асинхронного электродвигателя.

Использование: в регулируемых электроприводах общепромышленного применения. Сущность: регулируемый асинхронный двигатель содержит якорь, первый и второй дополнительные магнитопроводы, между которыми установлена немагнитная вставка. Ротор содержит основной магнитопровод, обмотку, первый и второй дополнительные магнитопроводы, установленные на валу. Дополнительная обмотка соединена с обмоткой. В дополнительном магнитопроводе установлено два ферромагнитных полых цилиндра на подшипниковых опорах, причем второй полый цилиндр разделен немагнитным кольцом. На внутренней поверхности указанных магнитопроводов выполнены пазы, заполненные высокопроводящими стержнями с торцовыми кольцами, которые снабжены скользящими контактами с торцовыми и внутренними дисками. Между дисками установлена униполярная обмотка возбуждения. Ферромагнитные цилиндры разделены между стержнями на равные части немагнитными вставками. Диски первого цилиндра электрически подключены к дискам второго ферромагнитного цилиндра. Вторая униполярная обмотка возбуждения установлена на дополнительном магнитопроводе. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. АСИНХРОННЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий статор с якорем и корпусом, ротор с основным и дополнительным магнитопроводами и обмоткой, отличающийся тем, что, с целью улучщения энергетических характеристик, увеличения диапазона регулирования, он снабжен дополнительной обмоткой на роторе, дополнительным магнитопроводом статора и вторым дополнительным магнитопроводом на роторе, двумя ферромагнитными полыми цилиндрами с короткозамкнутыми обмотками, установленными в дополнительном магнитопроводе статора с возможностью свободного вращения, двумя парами торцевых и внутренних дисков, установленных на статоре, скользящими контактами, немагнитными вставками, при этом на внутренних поверхностях цилиндров выполнены равномерно распределенные по окружности пазы, заполненные высокопроводящими стержнями, замкнутыми по торцам высокопроводящими кольцами, на которых размещены скользящие контакты, установленные с возможностью контакта с торцевыми и внутренними дисками, немагнитные вставки размещены в высокопроводящих кольцах между стержнями, причем число немагнитных вставок в первом ферромагнитном цилиндре, охватывающем дополнительный магнитопровод ротора, равно числу пар полюсов его обмотки, и во втором дополнительном магнитопроводе ротора выполнены пазы, число которых равно удвоенному числу немагнитных вставок второго ферромагнитного цилиндра, при этом второй дополнительный магнитопроводод ротора размещен внутри второго ферромагнитного цилиндра, торцевые и внутренние диски двух ферромагнитных цилиндров электрически соединены между собой, а дополнительная обмотка ротора подключена к обмотке ротора с обратным следованием фаз. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен кольцевой немагнитной вставкой, второй униполярной обмоткой возбуждения, двумя полюсами второго дополнительного магнитопровода и немагнитным кольцом, разделяющим второй ферромагнитный цилиндр в поперечном сечении на расстоянии, примерно равном длине первого ферромагнитного цилиндра, кольцевая немагнитная вставка установлена в этом же сечении на торце второго дополнительного магнитопровода с второй униполярной обмоткой возбуждения, один полюс примыкает к немагнитной кольцевой вставке, а другой полюс размещен с торца второго дополнительного магнитопровода ротора. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что снабжен постоянными магнитами, установленными в пазах второго дополнительного магнитопровода ротора. 4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что обмотки основного и дополнительного магнитопроводов ротора выполнены из стержней, размещенных одновременно в пазах основного и дополнительного магнитопроводов, замкнутых по торцам короткозамыкающими кольцами. 5. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что число пар полюсов дополнительной обмотки ротора меньше числа пар полюсов обмотки основного магнитопровода ротора.