СТАТОР ДВУХФАЗНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02K1/14 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано при производстве асинхронных и синхронных двигателей малой мощности, предназначенных для питания от однофазной сети. Такие двигатели по своему внутреннему устройству обычно являются двухфазными, причем одна фаза включается в сеть непосредственно, а другая через фазосмещающий элемент (чаще всего конденсатор). Обычно обмотка статора выполняется распределенной по его пазам, причем она укладывается в пазы вручную, что представляет очень трудоемкую операцию, или с помощью дорогостоящих, сложных и ненадежных станков, требующих постоянной профилактики и наладки.

Для уменьшения трудоемкости изготовления и повышения технологичности двигатели малой мощности выполняют с сосредоточенными обмотками на статоре, например, асинхронные двигатели серии ДКВ (Справочник по электрическим машинам /Под ред. И.П. Копылова. М. Энергоатомиздат, 1989, т. 2, с. 649).

Прототипом предлагаемого изобретения является двухфазный конденсаторный двигатель, предназначенный для питания от однофазной сети (Лопухина Е.М. и Сенчуков Г.А. Проектирование асинхронных микродвигателей с применением ЭВМ. М. Высшая школа, 1980, с. 15). В этом двигателе статор выполняется разъемным. Полюсная система состоит из четырех явновыраженных полюсов, противоположные пары которых принадлежат одной из фаз, полюсные наконечники всех четырех полюсов одинаковы и соединяются между собой перемычками, в результате чего образуется единая крестовина полюсов, которая запрессовывется в ярмо статора. Катушки обмотки статора наматываются отдельно на специальные каркасы, надеваются на полюса до запрессовывания последних в ярмо статора.

Несмотря на четыре явновыраженных полюса в магнитной системе статора, каждая его фаза создает двухполюсное магнитное поле. Катушки каждой фазы занимают два противоположных полюса, а зона действия магнитного поля фазы простирается лишь на половину окружности ротора. Отсюда основные недостатки этих двигателей плохое использование по основной (двухполюсной) пространственной гармонической поля и большое влияние паразитных высших пространственных гармонических. Так, при длине дуги полюсных наконечников, равной четверти внутренней окружности статора, обмоточные коэффициенты для всех пространственных гармоник поля одинаковы:
,
при этом амплитуда МДС ν-й гармоники только в n раз меньше амплитуды МДС первой гармоники: F_mν= F_m1/ν (см. фиг. 2, а).

По этой причине в указанных двигателях при разгоне развиваются достаточно большие тормозные моменты от третьей и пятой гармоник поля, возникают провалы в кривой момента от скорости и ротор двигателя может разогнаться лишь до скорости, близкой к синхронной скорости пятой (600 об/мин) и третьей (1000 об/мин) гармоник. Действие высших гармоник поля отрицательно сказывается и на рабочих характеристиках двигателя (при скоростях, соответствующих двухполюсной машине, т.е. близких к 3000 об/мин). По отношению к полям высших гармоник ротор вращается с большим скольжением, что приводит к появлению значительных дополнительных токов и потерь в роторе, уменьшению полезного момента и КПД двигателя. Поэтому двигатели выпускаются только на очень малые мощности (до 25 Вт), при которых отмеченные отрицательные эффекты несколько сглаживаются и двигатели оказываются работоспособными.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение кривой распределения поля и, как следствие, улучшение пусковых и рабочих характеристик двигателя за счет уменьшения провалов, обусловленных высшими гармониками поля, и повышение верхнего диапазона мощности двигателя при сохранении простой и технологичной конструкции явнополюсного разъемного статора.

В статоре двухфазного двигателя, содержащем шихтованное ярмо и установленную в нем систему явновыраженных полюсов с наконечниками, на полюсах установлены катушки на каркасах, противолежащие по окружности пары которых принадлежат одной фазе, система явновыраженных полюсов в осевом направлении разделена на две половины, и в каждой из половин полюсные наконечники одной пары выполнены большей ширины по сравнению с полюсными наконечниками другой пары противолежащих полюсов. Полюса с наконечниками одинаковой ширины в разных половинах системы полюсов смещены в тангенциальном направлении на 90^o друг относительно друга.

Отношение ширины полюсных наконечников одной пары противолежащих полюсов к ширине полюсных наконечников другой пары противолежащих полюсов может быть в пределах 0,33 ^oC 0,40. Кроме того, половины полюсов могут быть выполнены из четырехзубчатых пластин с отверстием под ротор, основания зубцов образуют полюсные наконечники, а верхушки зубцов выполнены одинаковой ширины.

На фиг. 1 (а и б) показаны два поперечных сечения статора предлагаемого электродвигателя в двух его разных аксиальных половинах. Ярмо статора 1 -общее для обеих половин, а полюсные системы отличаются только тем, что они сдвинуты на 90^o в тангенциальном направлении. Явновыраженные полюса 2-5 набраны из шихтованных пластин. На полюса надеты катушки 6 на каркасах, противолежащие пары которых принадлежат одной фазе. Ширина наконечников 7 и 8 полюсов 2 и 4 больше ширины полюсных наконечников 9 и 10 другой пары противолежащих полюсов 3 и 5. В результате получается, что полюсные наконечники каждого полюса на одной половине длины двигателя охватывают одну дугу α_п1, а на другой половине длины другую дугу α_п2. Пластины, из которых набраны явновыраженные полюса, могут быть четырехзубчатыми (фиг. 1) с отверстием под ротор, два противолежащих зубца 2 и 4 образуют полюса одной фазы. Основания зубцов 7, 8 и 9, 10 образуют полюсные наконечники, а верхушки зубцов выполнены одинаковой ширины. Такое выполнение полюсов упрощает технологический процесс изготовления двигателей, так как пластины вырубаются с помощью одного штампа. Для достаточного уменьшения (по сравнению с прототипом) высших пространственных гармоник поля (в первую очередь, третьей и пятой) при практическом сохранении величины рабочей первой гармоники отношение дуг меньшего и большего полюсного наконечников следует выбрать в диапазоне 0,33-0,40.

Для пояснения эффекта, достигаемого в предлагаемой конструкции статора электродвигателя, на фиг. 2 приведены кривые МДС фазы, создаваемых в прототипе (фиг. 2, а) и в предлагаемом двигателе (фиг. 2, б). В прототипе МДС фазы, приложенная к зазору двигателя, действует в пределах дуги, равной 90^o (кривая поля, определяемая его индукцией, несколько сглажена за счет насыщения краев полюсных наконечников и выпучивания силовых линий). В предлагаемом двигателе в одной половине машины вдоль ее оси МДС одной фазы приложена к зазору в пределах дуги α_п1, а в другой половине в пределах дуги α_п2. Поскольку ЭДС в стержнях ротора, наведенные в обеих половинах, складываются, а величины этих составляющих ЭДС пропорциональны величине поля и длине соответствующего отрезка стержня ротора, то эквивалентная кривая МДС фазы статора, действующая как бы по всей длине ротора, должна быть представлена именно так, как на фиг. 2, б (W_k число витков в катушке одного полюса). Полные потоки (площади кривых фиг. 2, а и б) одинаковы.

В исходной кривой (фиг. 2, а) обмоточные коэффициенты для всех нечетных гармоник МДС одинаковы и равны 0,707. Гармонический состав кривой МДС и поля статора предлагаемого двигателя можно регулировать, изменяя соотношение между α_п1 и α_п2 (в сумме α_п1 и α_п22 в двухфазном двигателе должны составлять p радиан).

На фиг. 2, а и б, для сравнения в одинаковом масштабе показаны первые две гармоники МДС первая F₁ и третья F₃. Так, при a_п2/α_п1=0,4 третья гармоника уменьшается почти в 2 раза. С уменьшением этого отношения третья гармоника уменьшается в еще большей степени, однако при этом несколько уменьшается и полезная первая гармоника.

Кроме того, в предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом кривая распределения проводимости для ответных полей ротора становится более гладкой, более равномерной, с меньшими провалами, что тоже сказывается на уменьшении паразитных асинхронных и синхронных моментов.

Наконец, в предлагаемом двигателе уменьшается индуктивное сопротивление рассеяния статора (за счет уменьшения дифференциального рассеяния), что приводит к увеличению максимального момента и перегрузочной способности двигателя.

Использование: при производстве асинхронных и синхронных двигателей малой мощности. Сущность изобретения: в предложенном статоре двигателя, имеющем разъемную конструкцию, при общем его ярме 1 система явновыраженных полюсов 2-5 разделяется в осевом направлении на две половины. В поперечном сечении любой половины полюсные наконечники разных фаз имеют разную ширину вдоль окружности ротора. В разных половинах полюса с полюсными наконечниками одинаковой ширины смещены в тангенциальном направлении на 90^o друг относительно друга, но ширина той части полюсов, на которую надеваются сосредоточенные катушки 6, одинакова у обеих фаз и остается постоянной по всей длине двигателя. Отношение дуги меньшего полюсного наконечника к дуге большего находится в пределах 0,33-0,40. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Статор двухфазного двигателя переменного тока, содержащий шихтованное ярмо и установленную в нем систему шихтованных явновыраженных полюсов с наконечниками, на полюсах установлены катушки на каркасах, противолежащие по окружности пары которых принадлежат одной фазе, отличающийся тем, что система явновыраженных полюсов в осевом направлении разделена на две половины, и в каждой из половин полюсные наконечники одной пары противолежащих полюсов выполнены большей ширины по сравнению с полюсными наконечниками другой пары противолежащих полюсов, при этом полюсы с наконечниками одинаковой ширины в разных половинах системы полюсов смещены в тангенциальном направлении на 90^o друг относительно друга. 2. Статор по п.1, отличающийся тем, что отношение ширины полюсных наконечников одной пары противолежащих полюсов к ширине полюсных наконечников другой пары противолежащих полюсов лежит в пределах 0,33 0,40. 3. Статор по п.1 или 2, отличающийся тем, что половины системы полюсов выполнены из четырехзубчатых пластин с отверстием под ротор, основания зубцов образуют полюсные наконечники, а верхушки зубцов выполнены одинаковой ширины.