ОДНОФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H02K17/10 H02K19/04 

Изобретение может быть использовано при производстве двигателей переменного тока малой мощности, предназначенных для питания от однофазной сети переменного тока.

В предлагаемом электродвигателе достигается улучшением пусковых и рабочих характеристик двигателей с экранированными полюсами путем улучшения форм поля (уменьшения содержания высших гармоник) и его качества (уменьшения степени эллиптичности поля за счет увеличения угла между осями экранированного и неэкранированного потоков). Это позволит перейти на новый, повышенный уровень мощностей двигателей с экранированными полюсами, расширит области применения этих двигателей.

Статор предлагаемого двигателя имеет сосредоточенную обмотку 1, магнитопровод, состоящий из ярма 2 и полюсов с полюсными наконечниками 3, 4, 5, 6, 7. В аксиальном направлении статор разделен на отдельные пакеты (обмотка 1 для всех пакетов общая). В рассмотренном для примера пятипакетном двигателе кроме среднего пакета с одинаковыми полюсными наконечниками имеются еще пакеты, у которых устанавливается различное соотношение между дугами, охватываемыми полюсными наконечниками двух соседних полюсов. В одном из этих пакетов (б) больший полюсный наконечник 6 охватывает дугу (π+2α₁), а меньший 5 - дугу (π-2α₁), в другом пакете (в) дуги полюсных наконечников равны (π+2α₂) и (π-2α₂). Пакетам с разными дугами полюсных наконечников соответствуют пакеты (на чертеже не показаны) с такими же соотношениями между дугами, но с взаимным изменением расположения широкого и узкого наконечников, т.е. широкие наконечники расположены вверху, узкие - внизу. Короткозамкнутый виток 8 охватывает часть верхнего наконечника среднего пакета и только более широкие верхние наконечники пакетов б и в. Аналогично, К3 виток 9 охватывает часть нижнего наконечника пакета а и более широкие нижние наконечники пакетов (на чертеже не показаны).

При соответствующем выборе углов α₁ и α₂ и соотношений длин пакетов пятипакетная конструкция обеспечивает почти полную компенсацию наиболее нежелательных третьей и пятой пространственных угол 90^o. При одинаковых аксиальных размерах двух пакетов между осями экранированного и неэкранированного потоков в этом двигателе составляет 45^o.

К недостаткам этого двигателя относится плохое использование магнитной системы и сохранение большого влияния высших гармоник поля, оказывающих отрицательное влияние на характеристики двигателя. Действительно, при одинаковой аксиальной длине двух пакетов статора потоки Φ₁ и Φ₂ в этих пакетах от основной обмотки статора одинаковы и смещены в пространстве на 90^o (фиг. 1 а, где B₂ - кривая распределения индукции поля Φ₁, B₂ - то же для поля Φ₂, B - индукция результирующего поля основной обмотки). Как следует из фиг. 1, на половине окружности зазора потоки двух пакетов от основной обмотки компенсируют друг друга (в пределах от 0 до π/2 и от π до 3/2π), используется только половина окружности (от π/2 до π и от 3/2π до 2π ). В кривой результирующего поля сохраняется большое содержание высших пространственных гармоник. Поле экранирующей обмотки также распределено по прямоугольному закону (фиг. 1 б) и тоже имеет большой удельный вес высших гармоник.

В предлагаемом электродвигателе достигается улучшение пусковых и рабочих характеристик двигателей с экранированными полюсами путем улучшения формы поля (уменьшения содержания высших гармоник) и его качества (уменьшения степени эллиптичности поля за счет увеличения угла между осями экранированного и неэкранированного потоков).

В электродвигателе, содержащем статор с сосредоточенной обмоткой, магнитопровод с явновыраженными полюсами с полюсными наконечниками, разделенный в аксиальном направлении на несколько пакетов, с короткозамкнутыми витками на некоторых полюсных наконечниках, для разных пакетов устанавливается различное соотношение между дугами, охватываемыми полюсными наконечниками двух соседних полюсов, каждому пакету с данным соотношением между дугами соответствует пакет с тем же соотношением, но с взаимным изменением расположения широкого и узкого наконечников, средний пакет имеет одинаковые наконечники, короткозамкнутыми витками охватываются только более широкие полюсные наконечники, в среднем пакете охватываются оба наконечника, а число пакетов, их осевые длины и соотношение между дугами наконечников в каждом пакете определяются требуемым приближением распределения кривой поля статора к синусоидальному.

На фиг. 1 представлены кривые распределения индукции магнитного поля вдоль расточки статора в двигателе-прототипе (а - основной обмотки, б - короткозамкнутых витков); на фиг. 2 - поперечные сечения различных пакетов предлагаемого двигателя; на фиг. 3 - кривые распределения магнитодвижущих сил (МДС) статора вдоль расточки статора в предлагаемом двигателе (а - основной обмотки, б - короткозамкнутых витков).

Статор предлагаемого двигателя имеет сосредоточенную обмотку 1 (фиг. 2 а), магнитопровод, состоящий из ярма 2 и полюсов с полюсными наконечниками 3, 4, 5, 6, 7. В аксиальном направлении статор разделен на отдельные пакеты (обмотка 1 для всех пакетов общая).

В случае двухполюсного двигателя сосредоточенная обмотка 1 может располагаться на вставном участке ярма статора (фиг. 2 а), а может быть, как и в прототипе, разделена на две катушки, располагающиеся на полюсах двигателя. Для примера рассмотрен пятипакетный двигатель, показаны поперечные сечения трех пакетов. Кроме среднего пакета (фиг. 2 а) с одинаковыми полюсными наконечниками, представлен пакет у которого больший полюсный наконечник 6 охватывает дугу (π+2α₁), меньший 5 - дугу (π-2α₁) (фиг. 2 б), а также пакет с дугами полюсных наконечников, равными (π+2α₂) и (π-2α₂) (фиг. 2 в).

Второму пакету соответствует еще один пакет (на чертеже не показан), у которого взаимное расположение широкого и узкого наконечника изменено на обратное, т.е. широкий наконечник расположен вверху, узкий - внизу. Аналогично третьему пакету (фиг. 2 в) соответствует пакет, у которого верхний полюс узкий, а нижний имеет дугу (π+2α₂). Короткозамкнутый виток 8 охватывает часть верхнего наконечника среднего пакета и только более широкие верхние наконечники пакетов (2 б, в). Аналогично К3 виток 9 охватывает часть нижнего наконечника пакета 2, а и более широкие нижние наконечники двух пакетов (на чертеже не показаны).

Пятипакетная конструкция при надлежащем выборе углов α₁ и α₂ и соотношений длин пакетов обеспечивает почти полную компенсацию наиболее нежелательных третьей и пятой пространственных гармоник поля. Во многих практически случаях и трехпакетная и даже двухпакетная конструкция может обеспечить достаточный уровень снижения высших гармоник поля и повышения его качества.

Кривая распределения МДС сосредоточенной катушки статора 1 в предложенном двигателе (фиг. 3 а) с точки зрения ее действия на ротор представляет ступенчатую фигуру, аналогичную той, которая имеет место у электрических машин с распределенной по пазам обмоткой. Более того, здесь появляются дополнительные возможности регулирования характера кривой распределения МДС с целью более полного приближения ее к синусоиде за счет подбора соотношений между активной длиной двигателя l и длинами его отдельных пакетов l₀ (средний пакет), l₁, l₂, а также выбора значений углов α₁, α₂,. Содержание различных пространственных гармоник в кривой МДС можно характеризовать коэффициентами формы кривой k_fν , которые заменяют обычные обмоточные коэффициенты

где F_m - амплитуда кривой;
F_mν - амплитуда ν -й гармонической составляющей кривой.

Для многопакетного двигателя можно получить следующее выражение

Для примера пятипакетного двигателя (фиг. 3 а)
l₀/l = 0,25; l₁/l = 0,208; l₂/l = 0,167;
α₁ = 30^o; α₂ = 60^o;
коэффициенты формы кривой МДС для первых трех пространственных гармоник
k_f1 = 0,778; k_f3 = 0,084; k_f5 = -0,054,
т.е. 3-я и 5-я гармоники уничтожены почти полностью.

Если бы двигатель был обычным и его поперечное сечение по всей длине было таким, как показано на фиг. 2 а, то для всех гармоник k_fν - ± 1. В двигателе-прототипе, кривая МДС основной обмотки которого показана на фиг. 1 а, коэффициенты формы кривой также одинаковы по амплитуде для всех гармоник: k_fν = ± 0,707.

С целью увеличения полезной 1-й гармоники можно подобрать более оптимальные соотношения между геометрическим размерами в предлагаемом двигателе (например, графическим путем, вписывая ступенчатую кривую в синусоиду).

Так для l₁/l = 0,35; l₁/l = 0,2; l₂/l = 0,125;
α₁ - 37,5^o; α₂ = 64,5^o
k_f1 = 0,86; k_f3 = 0,045; k_f5 = 0,152.

За счет увеличения полюсных наконечников, охватываемых в пакетах 2б и 2в К3 витками улучшается форма их поля и повышается угол между осями полей основной и экранирующей обмоток. Если бы по всей длине двигатель имел поперечное сечение (фиг. 2 а), то МДС К3 витков была бы распределена по закону 8,а (фиг. 3 б), для этой кривой k_f1 = 0,642, k_f3 = 0,867; угол между первыми гармониками МДС основной и экранирующей обмоток θ = 50^o. При переходе на пятипакетную конструкцию МДС К3 витка 8 распределяется по ступенчатому закону (фиг. 3 б), К3 виток 9 дает другую полуволну МДС, k_f1 повышается до 0,755 (на 15%), k_f3 уменьшается до 0,425 (на 51%), угол θ увеличивается до 65^o (на 30%).

Во многих практических случаях (особенно для двигателей меньшей мощности) можно ограничиться более простыми конструкциями - трехпакетной и даже двухпакетной (в последнем случае средний пакет отсутствует). Близкие к оптимальным соотношения для этих двух случаев приведены в таблице.

Двигатель работает следующим образом.

Однофазная обмотка 1 создает в зазоре и роторе пульсирующее магнитное поле.

Чем ближе распределение индукции этого поля вдоль окружности ротора к синусоидальному, тем лучше характеристики двигателя из-за уменьшения вредного влияния высших гармоник. В предлагаемой многопакетной конструкции, как показано выше, кривая распределения МДС обмотки 1, а вместе с ней и кривая распределения индукции значительно ближе к синусоидальной, чем в известных однофазных явнополюсных электродвигателях. Часть пульсирующего поля обмотки 1 сцеплена с К3 витками 8 и 9 ("экранируется" ими), токи К3 витков создают собственное пульсирующее поле, сдвинутое в пространстве и во времени по отношению к основному полю. В результате образуется вращающееся поле, двигатель развивает пусковой момент и приходит во ращение. Чем больше угол θ между осями пульсирующих полей основной обмотки и К3 витков и чем больше ЭДС и токи К3 витков, тем лучше качество вращающегося поля, меньше степень его эллиптичности (как известно, эллиптическое поле, создаваемое при несимметричном питании многофазной обмотки, включая двухфазную - а в данном двигателе одной из фаз является основная обмотка, за другую можно принять К3 витки - представляет наложение двух неодинаковых полей, вращающихся в разные стороны: чем меньше обратное, тормозящее поле, тем меньше степень эллиптичности, поле ближе к идеальному - круговому вращающемуся).

Характерная особенность предлагаемой конструкции двигателя заключается в следующем.

При действии на ротор поля широких полюсов (верхние полюса пакетов фиг. 2 б, в) и нижние полюса симметричных с ними пакетов (на чертеже не показаны) частично компенсируют друг друга (поэтому-то на фиг. 3 а ширина кривой МДС только у ее основания равна π - это та часть МДС, которая создается средним пакетом с одинаковыми верхним и нижним наконечниками; остальные части кривой имеют уменьшенную ширину π-2α₁ и π-2α₂. С К3 витками же 8 и 9 сцеплены все потоки, выходящие из охваченных частей широких полюсных наконечников и взаимной компенсации некоторых частей потоков (как при рассмотрении их действия на ротор) не происходит. Это и приводит к увеличению ЭДС в К3 витках и угла θ.

По сравнению с двигателями, где улучшение формы кривой поля достигается за счет формы полюсных наконечников или за счет насыщения их специальных магнитных шунтов, в предлагаемом двигателе обеспечивается достаточно равномерная проводимость для полей ротора, что для асинхронных двигателей имеет важное значение (при этом исчезают тормозные реактивные моменты от роторных токов).

Изобретение способствует устранению некоторых причин, препятствующих увеличению мощности двигателей с экранированными полюсами, и позволяет увеличить верхний диапазон мощностей этих двигателей.

Использование: в двигателях переменного тока малой мощности, предназначенных для питания от однофазной сети переменного тока. Сущность изобретения: статор предлагаемого двигателя имеет сосредоточенную обмотку, магнитопровод, состоящий из ярма и полюсов с полюсными наконечника, в аксиальном направлении статор разделен на отдельные пакеты, у которых ширина полюсных наконечников соседних полюсов неодинакова, пакеты с различной шириной полюсных наконечников смещены в тангенциальном направлении на 180^o. Технический результат: улучшение пусковых и рабочих характеристик. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Однофазный электродвигатель, содержащий шихтованный магнитопровод статора с сосредоточенной обмоткой и системой явновыраженных полюсов с полюсными наконечниками, на которых установлены короткозамкнутые витки, разделенный в аксиальном направлении на отдельные пакеты, отличающийся тем, что в каждом пакете наконечники соседних полюсов выполнены с разной шириной, пакеты разделены на пары с одинаковыми соотношениями между шириной меньшего и большего наконечников, в двух пакетах каждой пары полюсные наконечники одинаковой ширины смещены в тангенциальном направлении на 180 эл. град. друг относительно друга. 2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что статор содержит дополнительный пакет, у которого все полюсные наконечники выполнены с одинаковой шириной.