ДВИГАТЕЛЬ ЕФИМЕНКО (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H02K17/08 H02K19/02 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано при производстве электрических машин, например, асинхронных и синхронных двигателей малой и средней мощности.

Как известно, в электрических машинах переменного тока с целью получения кривой распределения поля, близкой к синусоидальной, обмотки выполняют в виде распределенных по пазам секций. При этом существенно усложняются конструкция машины и технология изготовления обмоток.

С целью упрощения конструкции и технологии изготовления двигатели малой мощности часто выполняют с явнополюсным статором и сосредоточенными обмотками на нем. Таковы, например, двигатели серии ДКВ ("Справочник по электрическим машинам" под ред. Копылова И.П. М. Энергоатомиздат, 1989, т.2, с. 649). Эти двигатели имеют две фазы, расположенные на отдельных полюсах, причем на каждом полюсном делении машины размещаются два явновыраженных полюса (по одному на каждую фазу).

Основными недостатками таких двигателей являются недостаточное использование магнитной системы и кривая распределения поля, далекая от синусоидальной (близкая к прямоугольной). В двигателях с распределенными обмотками зоны действия отдельных фаз перекрывают друг друга, каждая фаза действует на всей окружности зазора. В явнополюсных же двигателях зона действия полюсов одной фазы не может перекрывать зону действия полюсов другой и в двигателе с двухполюсным, например, магнитным полем приходится размещать четыре явновыраженных полюса. При этом ширина дуги каждого полюса будет меньше половины полюсного деления, а зона действия фазы меньше половины окружности зазора, использование магнитной системы неполное.

Более близким к предлагаемому изобретению является двухфазный двигатель с двумя парами явновыраженных полюсов с сосредоточенными катушками, одна пара полюсов смещена по окружности к другой паре на 90^o и в аксиальном направлении на величину, приблизительно равную осевому размеру полюса а. св. N 169664, кл. H 02 K 17/10).

Недостатки этого двигателя заключаются, во-первых, в то, что поле каждой пары полюсов действует на ротор только в той аксиальной части, где они расположены, т.е. использование магнитной системы остается неполным, а во-вторых, кривая распределения поля близка к прямоугольнику и содержит большой процент высших пространственных гармонических, ухудшающих работу двигателя.

В предлагаемом электродвигателе повышается использование магнитной системы, уменьшается расход активных материалов, улучшаются пусковые и рабочие характеристики за счет приближения кривой распределения магнитного поля к синусоидальной, несмотря на применение сосредоточенной обмотки, достигается повышение надежности и технологичности двигателя.

Предлагается электродвигатель переменного тока, содержащий статор, каждая фаза которого включает диаметрально расположенные явновыраженные полюса с сосредоточенными катушками, полюса статора состоит из двух аксиально расположенных половин, соединенных перемычкой, при этом полюса и перемычки шихтованы из пластин, плоскости которых параллельны аксиальной плоскости, образуемой осью данного полюса и осью двигателя, полюсы расположены в прямоугольных гнездах цилиндрической обоймы, шихтованной из пластин, перпендикулярных пластин полюсов, а ротор размещен внутри обоймы и состоит из двух аксиально расположенных половин.

В зависимости от конструкции ротора предлагаемый электродвигатель имеет два варианта асинхронный и синхронный.

В асинхронном варианте двигатель имеет ротор с короткозамкнутой обмоткой, состоящей из стержней, соединенных в торцах ротора короткозамыкающими кольцами, а между двумя половинами ротора расположено диагональное короткозамыкающее кольцо.

В синхронном варианте ротор имеет источник постоянного возбуждения, а в двух половинах ротора полярности полюсов поля от источника постоянного возбуждения противоположны.

Две половины каждого полюса статора и перемычка между ними могут быть выполнены шихтованными за одно целое из скобообразных пластин.

Кроме того, сосредоточенные катушки статора могут быть расположены либо на перемычках, соединяющих половины полюсов, либо непосредственно на каждой из двух половин полюсов.

Кроме того, в магнитной обойме посередине между гнездами для полюсов могут быть выполнены круглые отверстия, а по обе стороны от них - дополнительные внутренние прорези.

На фиг.1 показано продольное, на фиг.2 поперечное сечение предлагаемого двигателя в асинхронном варианте с расположением сосредоточенных катушек статора на перемычках между половинами полюсов; на фиг.3 продольное сечение предлагаемого двигателя в синхронном варианте с расположением катушек статора на полюсах и со специальной обмоткой возбуждения, обтекаемой постоянным током, в качестве источника постоянного возбуждения; на фиг.4 эскиз ротора синхронного варианта двигателя при использовании в качестве источника постоянного возбуждения постоянных магнитов.

Двигатель имеет явнополюсную конструкцию статора с полюсами 1 4 (полюса 1 и 3 принадлежат одной фазе, полюса 2 и 4 другой). Обмотка статора выполнена из сосредоточенных катушек 5. Каждый из полюсов 1 4 состоит из двух половин 7 и 6, связанных перемычкой 8. Полюса и перемычки выполнены шихтованными из пластин, плоскости которых параллельны аксиальной плоскости, образуемой осью данного полюса и осью двигателя. Полюса установлены в гнездах цилиндрической обоймы 9, шихтованной из пластин, перпендикулярных пластинами полюса. Ротор также состоит из двух аксиально расположенных половин 10 и 11.

Двигатель может быть выполнен в асинхронном варианте с ротором с короткозамкнутой обоймой, состоящей из стержней 12 (фиг.1), проходящих через обе половины ротора и соединенных в торцах ротора короткозамыкающими кольцами 13 и 14. Отличительной особенностью предлагаемого двигателя является выполнение дополнительного короткозамыкающего кольца 15, расположенного между двумя половинами ротора.0при отсутствии этого кольца токи двух половин ротора компенсировали бы друг друга.

Другой вариант двигателя синхронный, который обладает той же совокупностью отличительных признаков, относящихся к конструкции статора что и в предыдущем двигателе, имеет ротор с источником постоянного возбуждения. Ротор тоже разделен на две половины, причем полярности полюсов поля от источника постоянного возбуждения противоположны в разных половинах. В качестве источников постоянного возбуждения может использоваться или обмотка возбуждения 16, катушки которой 16,а и 16,б охватывают обе половины ротора (фиг.3), или постоянные магниты 17, разделенные на две половины 17 а и 17 б (фиг.4).

Обе половины каждого полюса и перемычка между ними могут быть выполнены за одно целое из скобообразных пластин, как это изображено на фиг.1 и 3. При этом повышается технологичность изготовления двигателя и уменьшается расход электротехнической стали. Сосредоточенные катушки статора 5 могут быть расположены на перемычках (фиг. 1), а также на каждой из двух половин каждого полюса (фиг. 3). 0в последнем случае вместо одной катушки выполняются две полукатушки 5 а и 5 б. Способ размещения катушек определяется необходимой степенью защищенности обмотки статора и условиями крепления двигателя.

В магнитной обойме 9 посередине между гнездами для полюсов выполнены сквозные круглые отверстия 18, которые могут использоваться под заклепки, а по обе стороны от этих отверстий могут быть сделаны дополнительные внутренние прорези 19. Размеры отверстий 18 и прорезей 19, места расположения прорезей 19 определяются исходя из получения необходимой кривой распределения магнитных полей фаз статора вдоль окружности ротора, которая должна быть как можно ближе к синусоидальной.

Двигатель работает следующим образом. Как в асинхронном, так и в синхронном двигателях статорная система создает вращающееся магнитное поле. Как известно, идеальное вращающееся поле образуется в результате наложения двух (если машина двухфазная) синусоидально распределенных, сдвинутых в пространстве на 90^o и во времени на четверть периода изменения токов пульсирующих полей. Одно пульсирующее поле создается катушками 5 фазы, расположенными на полюсах 1 и 3. Силовые линии этого поля показаны на фиг.1 и 2 пунктиром. Другое пульсирующее поле создается фазой, катушки 5 которой расположены на полюсах 2 и 4, его ось сдвинута по отношению к оси первого поля на 90^o. Сдвиг во времени обеспечивается системой питания. В предлагаемом двигателе, как и в машинах с распределенной обмоткой, зоны действия двух фаз перекрывают друг друга, каждая фаза создает поле по всей окружности зазора. Распределение поля каждой фазы близко к синусоидальному. Сопряжение взаимно перпендикулярных пластин полюсов 1 4 обоймы 9 дает следующий эффект: магнитные проводимости части обоймы расположены под полюсами для поля, созданного катушками, расположенными на этих полюсах, и поля от катушек на других полюсах существенно различны. Так, в зоне некоторых точек (фиг.2) силовые линии "своего" поля от катушек полюсов 1 и 3 при прохождении поперек узкой части вставки практически невстречают магнитного сопротивления. В то же время поле фазы, расположенной на полюсах 2 и 4, проходит здесь вдоль узкой части магнитной вставки, насыщает его вдоль этого направления и, встречая большое магнитное сопротивление, вытесняется в ротор. Лишь небольшая часть поля фазы 2 4 шунтируется обоймой (проходит мимо ротора). Поперек же листов "чужих" полюсов поля вообще практически не проходят.

Аналогично, в зоне других точек поле фазы 2 4 проходит свободно, а поле фазы 1 3 встречает большое сопротивление и вытесняется в ротор. Область действия поля фазы 1 3 простирается от одной точки до другой точки как с верхней, так и с нижней сторон с максимумами в точках, т.е. включает в себя всю окружность зазора.

Характер кривой распределения поля каждой фазы регулируется выбором соотношений между шириной полюса, толщиной магнитной обоймы в межполюсном пространстве и под полюсом, величиной диаметра отверстия 18 под заклепки, скрепляющие обойму, расположением и величиной прорезей 19 оптимально выбранных соотношений между указанными величинами получить распределение, близкое к синусоидальному.

В двух разных аксиальных половинах ротора силовые линии поля любой фазы направлены в противоположные стороны (фиг.1). В каждой половине машины создается свое вращающееся поле. Поля двух половин вращаются в одну и ту же сторону, но в любое мгновение вдоль любой аксиальной линии на цилиндрической поверхности ротора находятся в противофазе. Поэтому эти поля наводят в стержнях короткозамкнутой обмотки ротора (1-й вариант выполнения двигателя) токи, направленные в разных половинах навстречу друг другу. При отсутствии внутреннего кольца 15 эти токи компенсировали бы друг друга. При наличии же кольца 15 токи в стержнях сохраняются, их взаимодействие с вращающимся полем статора дает вращающий момент, действующий на обе половины ротора в одну и ту же сторону. Во втором, синхронном варианте двигателя на роторе имеется источник постоянного возбуждения или обмотка возбуждения 16 (фиг.3), или постоянные магниты (фиг.4). В двух разных аксиальных половинах ротора полярности полюсов поля возбуждения противоположны.

В известных двигателях с явнополюсным статором полюса соединяются с внешней стороны цилиндрическими ярмами. На это расходуется довольно много электрической стали, особенно в двухполюсных машинах. В предлагаемом двигателе ярма по существу отсутствуют. Их функции выполняет небольшая перемычка между половинами полюсов статора, длина перемычки определяется лишь размерами катушек. Кроме того, средняя длина витка катушек статора намного меньше, чем у распределенной обмотки, поскольку здесь катушка охватывает лишь перемычку или полюса, в которых может быть допущена большая концентрация магнитного поля.

Таким образом, есть основания утверждать, что предлагаемый двигатель совмещает достоинства двигателей с распределенной обмоткой (возможность формирования и регулирования кривой поля) и явнополюсных двигателей с сосредоточенными катушками (простота, технологичность, надежность), а также позволяет существенно уменьшить расход активных материалов (электротехнической стали, меди.).

Область использования: асинхронные и синхронные машины малой и средней мощности. Сущность изобретения: электродвигатель имеет явнополюсную конструкцию статора с четырьмя полюсами, обмотка статора выполнена из четырех сосредоточенных катушек, по две на каждую фазу, полюса выполняются шихтованными из аксиальных пластин, делятся в аксиальном направлении на две половины, соединяющиеся с внешней стороны перемычкой, катушки статора расположены или на перемычках, или на каждой из двух половин полюсов, в поперечном сечении полюса выполняются в виде прямоугольников, утопленных с внутренней стороны в цилиндрическую обойму, шихтованную из пластин, перпендикулярных пластинам полюсов, ротор также делится в аксиальном направлении на две половины, в асинхронном варианте двигателя между двумя половинами ротора, имеющем короткозамкнутую обмотку, располагается дополнительное короткозамыкающее кольцо, в синхронном варианте двигателя полярности полюсов возбуждения двух половин ротора в любом продольном сечении противоположны, поле возбуждения может создаваться обмоткой возбуждения, катушки которой охватывают каждую половину ротора, или постоянными магнитами, в магнитной обойме посередине между гнездами для полюсов выполнены круглые отверстия, которые могут быть использованы под заклепки, и по обе стороны от этих отверстия сделаны дополнительные внутренние прорези. Технический результат: уменьшение расхода активных материалов, улучшение пусковых и рабочих характеристик, повышение надежности и технологичности. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электродвигатель переменного тока, содержащий статор, каждая фаза которого включает диаметрально расположенные явно выраженные полюсы с сосредоточенными катушками и ротор с короткозамкнутой обмоткой, состоящей из стержней, соединенных в торцах ротора короткозамыкающими кольцами, отличающийся тем, что полюсы статора состоят из двух аксиально расположенных половин, соединенных перемычкой, при этом полюсы и перемычки шихтованы из пластин, плоскости которых параллельны аксиальной плоскости, образуемой осью данного полюса и осью двигателя, полюсы установлены в гнездах цилиндрической обоймы, шихтованной из пластин, перпендикулярных пластинам полюсов, а ротор размещен внутри обоймы и состоит из двух аксиально расположенных половин, между которыми расположено дополнительное короткозамыкающее кольцо обмотки ротора. 2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что две половины каждого полюса статора и перемычка между ними выполнены шихтованными за одно целое из скобообразных пластин. 3. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что сосредоточенные катушки расположены на перемычках, соединяющих половины полюсов. 4. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что сосредоточенные катушки расположены на каждой из двух половин полюсов. 5. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что в магнитной обойме посередине между гнездами для полюсов выполнены сквозные круглые отверстия, а по обе стороны от них дополнительные внутренние прорези. 6. Электродвигатель переменного тока, содержащий статор, каждая фаза которого включает диаметрально расположенные явно выраженные полюсы с сосредоточенными катушками и ротор с источником постоянного возбуждения, отличающийся тем, что полосы статора состоят из двух аксиально расположенных половин, соединенных перемычкой, при этом полюсы и перемычки шихтованы из пластин, плоскости которых параллельны аксиальной плоскости, образуемой осью данного полюса и осью двигателя, полюсы установлены в гнездах цилиндрической обоймы, шихтованной из пластин, перпендикулярных пластинам полюсов, а ротор размещен внутри обоймы и состоит из двух аксиально расположенных половин, в которых полярности полюсов поля от источника постоянного возбуждения противоположны в разных половинах. 7. Электродвигатель по п.6, отличающийся тем, что две половины каждого полюса статора и перемычка между ними выполнены шихтованными за одно целое из скобообразных пластин. 8. Электродвигатель по п.6, отличающийся тем, что сосредоточенные катушки расположены на перемычках, соединяющих половины полюсов. 9. Электродвигатель по п.6, отличающийся тем, что сосредоточенные катушки расположены на каждой из двух половин полюсов. 10. Электродвигатель по п.6, отличающийся тем, что в магнитной обойме посередине между гнездами для полюсов выполнены сквозные круглые отверстия, а по обе стороны от них дополнительные внутренние прорези.