ОБРАЩЕННЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H02K17/02 

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к конструкции асинхронных двигателей, работающих в импульсном режиме, которые могут найти применение в различных областях техники в качестве движителей.

Известна асинхронная муфта, содержащая свободно вращающийся статор с обмоткой возбуждения и два вращающихся ротора, несущий и ведомый, на которых выполнены чередующиеся между собой различной ширины зубцы, которые снабжены короткозамкнутыми витками, охватывающими каждый зубец.

При вращении роторов друг относительно друга со скольжением в те периоды, когда узкие зубцы находятся напротив широких зубцов, последние выполняют функцию якоря. В них возникают вихревые токи, взаимодействующие с магнитным потоком через зубец, и таким образом создается асинхронный вращающий момент (см. а.с. СССР N 851678).

Наиболее близко к заявленному относится обращенный асинхронный двигатель, содержащий внутренний магнитопровод, в пазы которого уложена первичная обмотка, и расположенный неподвижно по отношению к нему внешний магнитопровод, который запрессован в корпус, закрытый с торцов передним и задним щитами.

Внутренний магнитопровод жестко крепится к заднему щиту двигателя с помощью полой втулки, внутри которой свободно проходит вал, на котором закреплен ротор в виде полого немагнитного стакана, выполняющего функцию короткозамкнутой вторичной обмотки. Стакан ротора охватывает внутренний магнитопровод и отделен воздушными зазорами от внутреннего и внешнего магнитопроводов, т.е. установлен с возможностью свободного вращения.

При подаче напряжения на обмотку внутреннего магнитопровода создается вращающееся магнитное поле, которое наводит в немагнитном стакане ротора ЭДС и токи, взаимодействующие с вращающимся полем, создавая вращающий момент. Полый немагнитный стакан проходит во вращение.

Магнитный поток замыкается следующим образом. Из внутреннего магнитопровода через воздушные зазоры и стенку немагнитного стакана он входит во внешний магнитопровод и через стенку последнего через воздушные зазоры и стакан возвращается во внутренний магнитопровод [1]
Недостатком известного обращенного асинхронного двигателя является то, что при постоянстве электрической мощности на входе величина вращающего момента в электродвигателе под влиянием нагрузки не изменяется.

Это объясняется тем, что известный двигатель, содержащий статор и якорь, представляет собой трансформатор с воздушным зазором, в котором происходит преобразование электрической энергии в механическую, т.е. создается вращающий момент на выходе двигателя, который совпадает (сливается) с входным моментом нагрузки, и преобразование параметров вращающего момента двигателя под влиянием нагрузки при постоянстве электрической мощности на входе становится невозможным.

Целью изобретения является обеспечение условий для изменения параметров вращающего момента в обращенном асинхронном электродвигателе под влиянием нагрузки при постоянстве электрической мощности на входе.

Цель достигается тем, что в известном обращенном асинхронном двигателе, содержащем неподвижный зубчатый якорь с первичными обмотками импульсного электропитания и вращающийся полый ротор, жестко соединенный с нагрузкой, между якорем и полым ротором дополнительно установлен свободно вращающийся ротор-магнитопровод из магнитомягкого материала, на внешней образующей поверхности которого уложены вторичные короткозамкнутые обмотки.

Такая конструкция позволяет изменять параметры вращающего момента двигателя под влиянием нагрузки, не изменяя электрическую мощность на входе, за счет того, что вращающие моменты двигателя и нагрузки разделены между собой с помощью свободно вращающегося ротора-магнитопровода из магнитомягкого материала, на внешней поверхности которого уложены вторичные короткозамкнутые обмотки, обеспечивающие сцепление ротора-магнитопровода с вращающимся полым ротором. Иными словами, двигатель стал двухконтурным.

Таким образом, коэффициент передачи, т.е. величина, определяющая степень изменения параметров вращающего момента двигателя, обеспечивается не только величиной электромагнитного сцепления вращающегося ротора-магнитопровода с вращающимся полым ротором, но также и их относительной скоростью, которая зависит от величины нагрузки.

Возможность плавного изменения коэффициента передачи обеспечивается асинхронным моментом между вращающимся ротором-магнитопроводом и вращающимся полым ротором.

На фиг. 1 представлен обращенный асинхронный двигатель, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 диаграмма образования импульса тока самоиндукции во вторичной короткозамкнутой обмотке ротора-магнитопровода; на фиг. 4 диаграмма последовательности импульсов тока самоиндукции во вторичной короткозамкнутой обмотке ротора-магнитопровода.

Обращенный асинхронный двигатель (фиг.1 и 2) содержит неподвижный якорь 1, жестко соединенный с полой осью 2, через отверстие 3 которой выведены концы первичной обмотки 4 импульсного питания якоря 1. Коаксиально якорю 1 с воздушным зазором по отношению к нему установлен ротор-магнитопровод 5 из магнитомягкого материала. На внешней образующей поверхности (фиг.2) ротора-магнитопровода 5 выполнены зубцы 6, каждый из которых охватывается короткозамкнутыми обмотками 7. Ротор-магнитопровод 5 жестко соединен с фланцами 8, которые свободно вращаются на подшипниках 9, установленных на неподвижной оси 2.

Коаксиально ротору-магнитопроводу 5 (фиг.1 и 2), с зазором по отношению к нему, установлен полый ротор 10, жестко соединенный с нагрузкой 11 (например, с внутренним ободом колеса транспортного средства), при этом ротор 10 (фиг. 1) с двух сторон закрыт крышками 12 и 13, которые свободно вращаются в подшипниках 14, установленных на неподвижной оси 2.

Обращенный асинхронный двигатель работает следующим образом.

На концы первичных обмоток 4 импульсного питания, которые выведены через отверстие 3 полой оси 2, подают напряжение питания U₁, U₂, U₃. (фиг.3 и 4), импульсы которого сдвинуты по фазе на величину Δ Ф. Так как обмотки 4 импульсного питания смещены друг относительно друга по образующей поверхности неподвижного якоря 1, то при подаче питания на обмотки 4 возникает вращающееся магнитное поле, которое увлекает во вращение ротор-магнитопровод 5, выполненный из магнитомягкого материала. Вращающийся ротор-магнитопровод 5 выходит в номинальный режим асинхронного двигателя и свободно вращается вокруг оси 2 неподвижного якоря 1 на подшипниках 9, установленных во фланцах 8, жестко соединенных с торцами ротора-магнитопровода 5.

При подаче напряжения питания U₁ в роторе-магнитопроводе 5 возникает изменяющийся магнитный поток, под действием которого в короткозамкнутых обмотках 7, которые охватывают зубцы 6, выполненные на внешней образующей поверхности ротора-магнитопровода 5, возникает ток заряда D, который растет по амплитуде и достигает значения I_max (фиг.1 и 3). В момент, когда ток D достигает значения I_max, с другой обмотки импульсного питания снимается напряжение питания U₂, что приводит к созданию в роторе-магнитопроводе 5 падающего магнитного потока, который вызывает во вторичных короткозамкнутых обмотках 7 ток Е, противоположный по полярности току разряда D₁ (фиг.3). Токи Е и D складываются и дают результирующий ток F, характеризующийся большой крутизной.

ЭДС самоиндукции формирует импульс тока самоиндукции I_сам длительностью Δ t тем большей амплитуды, чем больше крутизна результирующего тока F или чем больше разность энергий А + С, введенных в короткозамкнутую обмотку 7, и выделенной энергии В (площади А, В и С, показанные на фиг.3, пропорциональны энергии обмотки 7 с током в первом приближении).

Таким образом, введенная в короткозамкнутую обмотку 7 энергия полностью выделяется в виде импульса тока I_сам (фиг.3 и 4), который переходит в магнитную индукцию на зубцах 6, повторяющую форму тока самоиндукции I_сам.

Фазовый сдвиг Δ Ф между импульсами напряжения питания U₁, U₂, U₃. выбирается так, что задний фронт предыдущего импульса приходится на максимум (I_max.) тока заряда D, т.е. длительность фазового сдвига Δ Ф определяется постоянной времени индуктивности первичной обмотки 4 импульсного питания (фиг. 2), которая равна или меньше индуктивности вторичной короткозамкнутой обмотки 7. Это условие достигается тем, что необходимое число вторичных обмоток 7 последовательно включается в короткозамкнутую группу. При вращении ротора-магнитопровода 5 магнитная индукция на зубцах 6 совершает работу в течение времени Δ t (фиг.3).

За время Δ t ротор-магнитопровод 5 испытывает близкое к ударному торможение благодаря импульсному электромагнитному сцеплению ротора-магнитопровода 5 с полым ротором 10.

При этом уменьшение вращающего момента ротора-магнитопровода 5 расходуется на ускорение ротора 10, который свободно вращается вокруг оси 2 неподвижного якоря 1, в подшипниках 14, установленных в крышках 12 и 13, закрывающих двигатель и соединенных со статором 10, который жестко соединен с нагрузкой 11 (фиг.1 и 2). Ускоряющийся ротор 10 снижает относительную скорость ротор статор до наступления равновесия между способностью ротора-магнитопровода 5 выполнить работу и нагрузкой 11 (прекращается ускорение статора 10).

При увеличении нагрузки 11 относительная скорость ротор статор растет и увеличивается усилие в роторе 10, при уменьшении нагрузки относительная скорость ротор 5 полый ротор 10 уменьшается и уменьшается усилие в роторе 10. Таким образом, использование асинхронного момента между вращающимся ротором-магнитопроводом 5 и вращающимся ротором 10 позволяет изменять параметры вращающего момента ротора 10 под влиянием нагрузки 11 при постоянстве электрической мощности на входе.

Использование: электротехника, конструкции асинхронных электродвигателей, работающих в импульсном режиме. Сущность изобретения: обращенный асинхронный электродвигатель содержит неподвижный зубчатый якорь с первичными обмотками, предназначенными для импульсного электропитания, и охватывающий его полый ротор, выполненный с возможностью вращения и жесткого соединения нагрузкой. Между якорем и полым ротором расположен с возможностью вращения ротор - магнитопровод из магнитомягкого материала, на внешней образующей поверхности которого уложены вторичные короткозамкнутые обмотки. 4 ил.

ОБРАЩЕННЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий неподвижный зубчатый якорь с неподвижными обмотками, предназначенными для импульсного электропитания, и охватывающий его полый ротор, выполненный с возможностью вращения и жесткого соединения с нагрузкой отличающийся тем, что между якорем и полым ротором дополнительно расположен с возможностью вращения ротор-магнитопровод из магнитомягкого материала, на внешней образующей поверхности которого уложены вторичные короткозамкнутые обмотки.