СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ РЕДУКЦИЕЙ Российский патент 1997 года по МПК H02K19/06 

Изобретение относится к области электротехники, а точнее к тихоходным синхронным двигателям с электромагнитной редукцией.

Известны синхронные реактивные двигатели с электромагнитной редукцией, содержащие зубчатый статор, в пазах которого размещена многофазная обмотка, и зубчатый ротор, число зубцов которого связано с числом зубцов статора Z_c соотношением Z_p Z_c ± 2p, гдe: p число пар полюсов обмотки статора. Частота вращения ротора этого двигателя определяется по формуле п 120 • f/Z_p, где: п частота вращения ротора в об/мин; f частота питающего напряжения в Гц (см. книгу Ф. М. Юферова "Электрические машины автоматических устройств", Москва, "Высшая школа", 1988 г. с. 183-184).

Такие двигатели отличаются от других типов двигателей с электромагнитной редукцией, например, от синхронных индукторных двигателей (см. с. 181-183 этой же книги) более простой конструкцией, т.к. не содержит обмотки возбуждения и выполняются однопакетными. Однако, они не находят широкого применения из-за необходимости разговора ротора перед запуском, т.к. за один электрический период питающего напряжения ротор поворачивается на два зубцовых деления, что практически исключает возможность самозапуска такого двигателя без дополнительных специальных устройств.

Частично указанный недостаток устранен в синхронном двигателе с электромагнитной редукцией, содержащем зубчатый ротор с числом зубцов Z_p, зубчатый статор с число зубцов Z_c и m фазной обмоткой выполненной с числом пар полюсов р связанным с числом зубцов ротора и статора соотношением Z_p Z_c ± p, а каждая фаза состоит из параллельно-встречно соединенных между собой полуфаз смещенных относительно друг друга на 180 эл.град. причем каждая полуфаза состоит из р согласно соединенных между собой катушечных групп и содержит согласно включенной относительно ее начала диод, который в первой полуфазе каждой фазы подключен катодом к ее началу, а анодом к соответствующей этой фазе клемме и к катоду диода второй полуфазы, подключенного анодом к ее концу (см. заявку на выдачу патента от 25 марта 1994 г. N 94010314/07 Синхронный двигатель с электромагнитной редукцией).

Частота вращения ротора такого двигателя определяется по формуле п 60 • f/Z_p, т.е. вдвое меньше, чем в вышеописанном реактивном двигателе с таким же числом зубцов ротора, что существенно облегчает его запуск, в результате чего при низкой частоте вращения, до 30-40 об/мин, и малой инерционной нагрузке на валу, не превышающей момента инерции его ротора, такой двигатель становится самозапускающимся;
Целью изобретения является устранение указанного недостатка, т.е. повышение вращающего и пускового момента синхронного двигателя с электромагнитной редукцией.

Цель достигается тем, что синхронный двигатель с электромагнитной редукцией, содержащий зубчатый ротор с числом зубцов Z_p, зубчатый статор с числом зубцов Z_c, связанный с Z_p соотношением Z_p Z_c ± p, где: p 1, 2, 3. число пар полюсов расположенной в статоре обмотки, соединенную по схеме звезда трехфазную обмотку, каждая фаза которой состоит из двух параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз, смещенных относительно друг друга на 180 эл.град. а каждая полуфаза состоит из p согласно соединенных между собой катушечных групп и содержит согласно включенный относительно ее начала диод, он снабжен второй, соединенной по схеме треугольник трехфазной обмоткой, которая подключена к источнику трехфазного напряжения параллельно относительно первой трехфазной обмотки и смещена относительно ее на 30 эл.град. при этом каждая фаза второй обмотки состоит из двух параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз, смещенных относительно друг друга на 180 эл.град. а каждая полуфаза из р согласно соединенных между собой катушечных групп и содержит согласно включенный относительно ее начала диод, причем катушки обеих трехфазных обмоток выполнены с шагом равным преимущественно середине диапазона от 1 до 1,5 полюсного деления, а число витков в катушках обеих трехфазных обмоток рассчитано и выполнено таким, что намагничивающие силы этих обмоток отличаются друг от друга не более чем на 15%
Кроме того, в каждой фазе обмотки, соединенной по схеме звезда, диод первой полуфазы подключен катодом к ее началу, а анодом к соответствующей этой фазе клемме и к катоду диода второй полуфазы, подключенного анодом к концу этой полуфазы, в каждой же фазе обмотки, соединенной по схеме треугольник, диод первой полуфазы подключен катодом к ее началу, а анод к соответствующей этой фазе клемме и к концу второй полуфазы, диод которой подключен катодом к ее началу.

При пониженных требованиях к плавности вращения и малой мощности синхронный двигатель с электромагнитной редукцией может быть выполнен с вдвое меньшим числом диодов, в этом случае в каждой фазе начала первых одноименных полуфаз обеих трехфазных обмоток, смещенных относительно друг друга на 30 эл. град. соединены вместе и подключены к катоду общего диода, анод которого подключен к клемме соответствующей фазы и к катоду второго диода, анод которого подключен к соединенным вместе концам вторых одноименных полуфаз этой фазы.

При низкой частоте вращения и малоинерционной нагрузке на валу синхронный двигатель с электромагнитной редукцией может быть выполнен с одной трехфазной обмоткой и соответственно с вдвое большим числом катушек в ее катушечных группах.

На фиг. 1 представлены ротор и статор синхронного двигателя с электромагнитной редукцией.

На фиг. 2 изображена развернутая электрическая схема предложенного двигателя.

Предложенный синхронный двигатель с электромагнитной редукцией содержит: зубчатый статор 1 (см. фиг. 1), выполненный из листовой электрической стали с равномерно распределенными по окружности зубцами 2, число которых Z_c равно 24, зубчатый ротор 3, выполненный также из листовой электротехнической стали с равномерно распределенными по окружности зубцами 4, число которых Z_p определяется из соотношения Z_p Z_c ± p 24 + 2 26, где: p число пар полюсов, расположенной в пазах статора 1 обмотки 5, принятое равным 2. Обмотка 5 выполнена двухслойной (см. фиг. 2) и состоит из двух трехфазных обмоток, присоединенных к клеммам А, В и С трехфазного источника напряжения параллельно относительно друг друга, при этом одна из обмоток соединена по схеме звезда, а вторая, смещенная относительно первой на 30 эл.град. (на одно зубцовое деление) по схеме треугольник. Каждая фаза обеих трехфазных обмоток состоит из параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз, смещенных относительно друг друга на 180 эл.град. (т.е. на 6 зубцовых делений), а каждая полуфаза состоит из двух последовательно согласно соединенных между собой катушечных групп и содержит согласно включенный относительно ее начала диод (т. е. диод подключен таким образом, что обеспечивает прохождение тока только от начала к концу полуфазы). Причем в каждой фазе трехфазной обмотки, соединенной по схеме звезда, диод первой полуфазы, например, полуфазы А₁ X₁, подключен катодом к ее началу А₁, а анодом к соответствующей этой клемме А и к катоду диода второй полуфазы А₂ X₂, подключенного анодом к концу этой полуфазы Х₂ (cм. фиг. 2). Аналогично выполнены и соединены остальные полуфазы этой трехфазной обмотки. Поскольку обмотка соединена по схеме звезда, концы полуфаз Х₁, Y₁, Z₁, и начала полуфаз A₂, B₂ и C₂ соединены вместе. В каждой же фазе обмотки, соединенной по схеме треугольник, диод первой полуфазы, например, полуфазы подключен катодом к ее началу , а анодом к соответствующей этой фазе клемме А и к концу второй полуфазы , диод которой подключен катодом к ее началу (см. фиг. 2). Аналогично выполнены и соединены остальные полуфазы этой обмотки. Поскольку обмотка соединена по схеме треугольник, то соединенные вместе конец полуфазы и анод диода полуфазы присоединены к клемме В, соединенные вместе конец полуфазы и анод диода полуфазы присоединены к клемме С, а соединенные вместе конец полуфазы и анод диода полуфазы присоединены к клемме А. Каждая катушечная группа обеих трехфазных обмоток состоит из одной катушки, поскольку число катушек п_к в катушечной группе такого двигателя определяется из соотношения п_к Z_c/п_ф • 2 • m • p, где п_ф число трехфазных обмоток, равное 2; 2 • m число полуфаз в одной трехфазной обмотке, равное 6, т.к. m число фаз в одной обмотке равно 3; р число пар полюсов обмотки, равное 2. Шаг обмотки для катушек трехфазных обмоток принят равным 7/6 полюсного деления т.е. в пределах диапазона от 1 до 1,5 полюсного деления обмотки. Для обеспечения равных намагничивающих сил обеих трехфазных обмоток, катушки обмотки, соединенной по схеме треугольник, выполнены с числом витков в раз большим числа витков в катушках обмотки, соединенной по схеме звезда. Соответственно для обеспечения равной плотности тока в обеих трехфазных обмотках сечение провода в обмотке, соединенной по схеме треугольник, в раз меньше сечения провода обмотки, соединенной по схеме звезда.

При сравнительно малой мощности двигателя, не более 3-5 кВт, и соответственно менее напряженном для диодов тепловом режиме в каждой из трех фаз, например, в фазе А начала A₁ и первых одноименных полуфаз А₁ X₁ и обеих трехфазных обмоток, смещенных относительно друг друга на 30 эл. град. могут быть соединены вместе и подключены к катоду общего диода, анод которого подключен к клемме соответствующей фазы А и к катоду второго диода, анод которого подключен к соединенным вместе концам Х₂ и вторых одноименных полуфаз этой фазы (на графических материалах не изображено). Аналогично выполнены остальные фазы В и С. Однако такой вариант выполнения схемы соединения обмотки, по сравнению с вышеописанным основным, не может обеспечить высокую плавность вращения ротора, т.к. из-за необходимости подключения к аноду общего диода концов полуфаз обмотки, соединенной по схеме треугольник, в полуфазах этой обмотки не обеспечивается равенство токов.

При сравнительно невысоких требованиях к пусковому моменту, т.е. при инерционной нагрузке на валу, не превышающей, например, момента инерции ротора, и при частоте вращения не превышающей 60-90 об/мин, предложенный двигатель может быть выполнен с одной трехфазной обмоткой, соединенной по схеме звезда или треугольник, и соответственно с вдвое большим числом катушек в каждой катушечной группе.

Работает предложенный синхронный двигатель с электромагнитной редукцией следующим образом. При подключении клемм А, В и С к источнику трехфазного напряжения благодаря соединению фаз одной трехфазной обмотки по схеме треугольник, а второй по схеме звезда, образуется 12 фазная система токов, которая создает в статоре 1 вращающееся магнитное поле. Это вращающееся поле, проходя через зубцы 2 статора 1 и зубцы 4 ротора 3, приводит последний во вращение. Частота вращения ротора 3 в об/мин определяется по формуле п 60 • f/Z_p. Подставляя в нее параметры изображенного на графических материалах двигателя находим, что при промышленной частоте питающего напряжения 50 Гц, скорость вращения его ротора п 60 50/26 115,4 об/мин.

Благодаря 12 фазной системе токов появились возможность выполнять обмотку с шагом большим полюсного деления практически при сохранении синусоидальной формы магнитного потока, создаваемого находящимися под током полуфазами. Выполнение же обмотки с шагом большим полюсного деления обеспечивает увеличение числа зубцов статора, создающих вращающий момент, и уменьшение магнитного потока в участках статора, создающих тормозной момент (см. фиг. 1 и 2), а соответственно увеличение вращающего и пускового момента двигателя.

Предложенный синхронный двигатель с электромагнитной редукцией предполагается патентовать за границей и намечается его серийный выпуск.

Использование: в тихоходном электроприводе. Сущность изобретения: синхронный двигатель с электромагнитной редукцией содержит зубчатый ротор 3 числом зубцов Z_p, зубчатый статор 1 с числом зубцов Z_c. связанным с соотношением Z_p = Z_c ± p, где: p = 1, 2, 3... число пар полюсов расположенной в статоре 1 обмотки 5. Обмотка статора состоит из двух обмоток, соединенной по схеме звезда обмотки, каждая фаза которой состоит из двух параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз, смещенных относительно друг друга на 180 эл. град., а каждая полуфаза состоит из p согласно соединенных между собой катушечных групп и содержит согласно включенный относительно начала диод. Вторая обмотка соединена по схеме треугольник, подключена к источнику трехфазного напряжения параллельно первой обмотки и смещена относительно нее на 30 эл. град. Каждая фаза второй обмотки состоит также их двух параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз, смещенных относительно друг друга на 180 эл.град. Каждая полуфаза из p согласно соединенных между собой катушечных групп содержит согласно включенный относительно ее начала диод. Катушки обеих обмоток выполнены с шагом, равным, преимущественно, середине диапазона от 1 до 1,5 полюсного деления, а число витков в катушках обоих трехфазных обмоток рассчитано и выполнено таким, что намагничивающие силы этих обмоток отличаются друг от друга не более, чем на 15%; 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Синхронный двигатель с электромагнитной редукцией, содержащий зубчатый ротор с числом зубцов Z_p, зубчатый статор с обмоткой, каждая фаза которой состоит из двух параллельно соединенных между собой полуфаз с включенными в них диодами и смещенных относительно друг друга на 180 эл.град. отличающийся тем, что статор выполнен с равномерно распределенными по окружности зубцами, число которых Z_c связано с числом зубцов ротора соотношением Z_p Z_c ± p, где p 1, 2, 3. число пар полюсов обмотки, которая выполнена распределенной и состоит из двух параллельно подключенных относительно друг друга трехфазных обмоток, одна из которых соединена по схеме "звезда", а вторая по схеме "треугольник", и обе обмотки смещены относительно друг друга на 30 эл. град. причем полуфазы в каждой фазе обеих трехфазных обмоток соединены между собой встречно, диоды в полуфазах каждой фазы включены так, чтобы обеспечить прохождение тока только в направлении от начала полуфазы к ее концу, а каждая полуфаза состоит из p согласно соединенных между собой катушечных групп, катушки которых выполнены с шагом, равным преимущественно середине диапазона от 1 до 1,5 полюсного деления, а число витков в катушках обеих трехфазных обмоток выполнено таким, что намагничивающие силы этих обмоток отличаются друг от друга не более чем на 15%
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в каждой фазе обмотки, соединенной по схеме "звезда", диод первой полуфазы подключен катодом к ее началу, а анодом к этой фазе и к катоду диода второй полуфазы, подключенного анодом к концу этой полуфазы, в каждой же фазе обмотки, соединенной по схеме "треугольник", диод первой полуфазы подключен катодом к ее началу, а анодом к этой фазе и к концу второй полуфазы, диод которой подключен катодом к ее началу. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в каждой фазе начала первых одноименных полуфаз обеих трехфазных обмоток соединены вместе и подключены к катоду общего диода, анод которого подключен к этой фазе и к катоду второго диода, анод которого подключен к соединенным вместе концами вторым одноименным полуфазам этой фазы.