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

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

Статор двигателей малой мощности с целью упрощения конструкции часто выполняют явнополюсным с сосредоточенными катушками обмотки статора, одеваемыми на полюса или ярмо. При этом уменьшается трудоемкость изготовления двигателей, повышается их технологичность. Для пуска в ход с целью получения вращающегося поля при питании от однофазной сети используется или вспомогательная фаза, в цепь которой включают фазосмещающий элемент (чаще всего конденсатор), или экранирование части пульсирующего потока однофазной обмотки одним или несколькими короткозамкнутыми витками, охватывающими части полюсов статора. Для сдвига экранированного и неэкранированного потоков в пространстве К3-витки располагают с одной стороны полюса так, чтобы их ось не совпадала с осью полюса. Такие двигатели называются двигателями с экранированными полюсами. Они получили широкое распространение с выпускаются серийно [1]. К числу основных недостатков этих двигателей можно отнести большое содержание высших гармоник поля (особенно третьей) и большую степень эллиптичности основной гармоники поля, обусловленную, в частности, малым углом между осями экранированного и неэкранированного потоков. Эти недостатки приводят к ухудшению как пусковых, так и рабочих характеристик двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является известный двигатель [2]. Этот двигатель имеет два аксиально смещенных пакета магнитопровода с явно выраженными полюсами, К3-витки установлены только на полюсах одного пакета (охватывая его полностью), а полюсные наконечники полюсов двух пакетов в тангенциальном направлении смещены в разные стороны так, что линии, проходящие посредине между полюсными наконечниками двух пакетов, смещены на угол 90^o. При одинаковых аксиальных размерах двух пакетов угол между осями полей основной и экранирующей (К3-витков) обмоток в этом двигателе удается повысить только до 45^o (фиг. 1, где B- индукция поля основной обмотки, B_э - экранирующей).

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 Ф₁ и Ф₂ в этих пакетах от основной обмотки статора одинаковы и смещены в пространстве на 90^o (фиг. 1, а, где B₁ - кривая распределения индукции поля Ф₁, В₂ - то же для поля Ф₂, В - 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. То же можно сказать и о поле экранирующей обмотки (фиг. 1, б).

В предлагаемом электродвигателе улучшение пусковых и рабочих характеристик достигается за счет улучшения качества поля (уменьшения содержания высших гармоник и степени эллиптичности поля, последнее - путем увеличения угла между осями экранированного и неэкранированного потоков и усиления поля экранирующей системы).

В электродвигателе переменного тока, содержащем шихтованный магнитопровод статора с сосредоточенной обмоткой в виде катушек, установленных на явно выраженных полюсах с полюсными наконечниками, при этом магнитопровод статора разделен в аксиальном направлении на отдельные пакеты, а пакеты образуют пары, в разных пакетах одной пары радиальные осевые линии полюсных наконечников повернуты в разные стороны относительно оси полюсов на один и тот же угол.

Двигатель может содержать дополнительный пакет, в котором осевые линии полюсных наконечников и полюсов совпадают. На полюсных наконечниках, повернутых в одном и том же направлении, и на наконечниках дополнительного пакета установлены общие короткозамкнутые витки.

Кроме того, для усиления поля экранирующей системы и улучшения его гармонического состава на той части каждого полюса, которая образует общий пакет с полюсными наконечниками, повернутыми относительно оси полюсов на наибольший угол и установленными на них К3-витками, установлен дополнительный К3-виток.

На фиг. 1 представлены кривые распределения магнитного поля вдоль окружности зазора в двигателе-прототипе; на фиг. 2 - эскизы поперечных сечений трех пакетов предлагаемого двигателя, на фиг. 3 - кривые распределения МДС основной и экранирующих обмоток.

Статор предлагаемого двигателя (фиг. 3) имеет магнитопровод, включающий в себя ярмо 1, полюса 2, вокруг которых наматывается основная обмотка 3, и полюсные наконечники 4,5,6. На фиг. 2 предполагается, что магнитопровод разделен в аксиальном направлении на пять пакетов, сечения трех из них показаны на фиг. 2. Средний пакет (фиг. 2, а) имеет полюсные наконечники 4, оси которых совпадает с осью полюсов 2, два других пакета имеют полюсные наконечники 5 и 6, оси которых повернуты по часовой стрелке по отношению к оси d полюсов 2 на углы α₁ и α₂ соответственно (фиг. 2, б и 2, в). На фиг. 2 не показаны еще два пакета, оси полюсных наконечников которых повернуты против часовой стредлки на уголы α₁ и α₂ и осевые длины которых равны длинам пакетов фиг. 2, б и 2, в соответственно. Эти пакеты могут быть расположены по другую сторону от среднего пакета фиг. 2, а (симметрично с пакетами фиг. 2, б и 2, в). Полюсные наконечники 4,5,6 пакетов фиг. 2, а, 2, б и 2, в охватываются общими короткозамкнутыми витками 7.

Кроме того, для усиления поля экранирующей системы и улучшения его гармонического состава полюса крайнего пакета фиг. 2, в охватываются дополнительными К3-витками 8. На пакетах, расположенных симметрично с пакетами 2, б и 2, в (по другую сторону от среднего пакета), экранирующая система (короткозамкнутые витки) на полюсных наконечниках и полюсах отсутствует. Это обеспечивает сдвиг в пространстве МДС основной обмотки 3 (фиг. 3, а) и экранирующей системы витков 7 и 8 (фиг. 3, б). Основные гармонии указанных МДС сдвинуты в пространстве на угол θ . На фиг. 3 МДС обмотки статора и короткозамкнутых витков обозначены теми же номерами, которыми на фиг. 2 обозначены источники этих МДС, при этом 7, а обозначена МДС, создаваемая К3-витками 7 в пакете фиг. 2, а 7, б и 7, в - то же для пакетов фиг. 2, б и 2, в. С точки зрения действия на ротор МДС отдельных пакетов можно складывать с учетом длин пакетов. На фиг. 3 l обозначена общая осевая длина магнитопровода статора, l_o - осевая длина среднего пакета, l₁ - пакета фиг. 2, б, l₂ - пакета фиг. 2, в.

Двигатель работает следующим образом. Однофазная обмотка 3 создает пульсирующее магнитное поле. В таком поле, как известно, двигатель не развивает пускового момента. Для создания вращающегося поля и получения пускового момента и используется несимметричное экранирование части пульсирующего поля, которая сцепляется с короткозамкнутыми витками 7 и 8 ("экранируется" ими). Образующиеся в К3-витками токи создают собственное пульсирующее поле, сдвинутое в пространстве (для чего К3-витки и располагают на полюсных наконечниках несимметрично, только с одной стороны каждого наконечника) и во времени по отношению к основному полю. В результате образуется вращающееся магнитное поле, двигатель развивает пусковой момент и приходит во вращение.

Высшие пространственные гармонии поля (в первую очередь - третья и пятая) создают провалы в кривой момента от скорости вращения, что при увеличении мощности двигателя приводит к застреванию ротора на скоростях, близких к одной пятой или одной третьей от синхронной. Кроме того, в рабочем режиме высшие гармоники поля создают тормозные моменты, что уменьшает выходную мощность двигателя и его КПД.

Амплитуду произвольной ν-й гармоники любой кривой можно характеризовать специальным коэффициентом ее формы. Например, для кривой МДС коэффициент формы кривой по ν-й гармонике

где F_m - амплитуда кривой (фиг. 3).

В двигателе-прототипе как кривая поля основной обмотки (фиг. 1, а), так и кривая поля экранирующей обмотки (фиг. 1, б) имеют высокое удельное содержание высших гармоник. По случайному совпадению модули коэффициентов формы кривой для обоих полей одинаковы для всех гармоник:
, но для каждого поля эти коэффициенты имеют свои значения. При этом для кривой фиг. 1, а

а для кривой фиг. 1, б
k_fν = ±1
Основное достоинство предлагаемого двигателя по сравнению с аналогами и прототипом заключается в улучшении формы полей, уменьшении доли высших пространственных гармоник. Из фиг. 3, а видно, что МДС сосредоточенной обмотки 3 предлагаемого двигателя с точки зрения действия на ротор эквивалентно ступенчатой кривой, характерной для распределенной по пазам обмотки. При этом если у обычных электрических машин с распределенной обмоткой в силу технологических и конструктивных требований расстояния между ступенями кривой и величины этих ступеней одинаковы, то в предлагаемом двигателе существуют дополнительные возможности регулирования кривой за счет подбора соотношений между углами поворота полюсных наконечников, осевых длин различных пакетов и выбора числа пакетов.

Коэффициент формы кривой МДС основной обмотки статора в многопакетном двигателе по произвольной ν-й гармонике

Для выбранного в качестве примера пятипакетного двигателя (фиг. 3, а), в котором α₁ = 30^o, α₂ = 60^o, l_o/l=0,25, l₁/l = 0,208, д₂/l=0,167
K_f1=0,778; K_f3=0,084; K_f5=0,056.

Как видим, в этом примере практически уничтожены 3-я и 5-я гармоники поля. У обычного однопакетного двигателя, поперечное сечение которого совпадает с фиг. 2, а, коэффициенты формы кривой поля основной обмотки статора по всем гармоникам близким к единице. Можно подобрать варианты (например, графическим путем), которые обеспечивают большее , чем в примере значение основной гармоники МДС. Например, при l_o/l=0,35; l_o/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,
т. е. амплитуда поля 1-й гармоники увеличена на 10% по сравнению с примером фиг. 3, а.

Существенно улучшается в предлагаемом электродвигателе и кривая поля экранирующей системы (фиг. 3,б), оно усиливается по величине, за счет чего улучшается качество общего статора (уменьшается степень его эллиптичности). У обычного двигателя (фиг. 2,а) поле экранирующей системы существует только в пределах от угла β до π/2 (фиг. 3,б); оно подобно полю 7, а, показанному на фиг. 3, б пунктиром. Коэффициенты формы этого поля по 1-й и 3-й гармоникам K_f1=0,422; K_f3=0,965.

В предлагаемом двигателе поле экранирующей системы складывается из полей 7, а, 7, б, 7, в и 8 и имеет показанный на фиг. 3, б ступенчатый характер распределения. Для кривой этого поля K_f1=0,66; K_f3=0,25, т.е. удельный вес 1-й гармоники увеличен более чем в 1,5 раза, а 3-й - снижен почти в 4 раза. Кроме того, угол между 1-ми гармониками полей основной и экранирующей обмоток повышен с 65 до 75^o.

С уменьшением мощности двигателя, когда требования к удельному содержанию высших гармоник понижаются, достаточные результаты могут быть получены при трехпакетной конструкции, когда кроме среднего пакета выполняются еще два симметрично расположенных пакета с углом поворота полюсных наконечников на угол α в разные стороны, а также при двухпакетной конструкции (средний пакет отсутствует). Кривая МДС основной обмотки будет при этом иметь меньшее число ступеней, однако и при этом вполне можно выполнить такие, например, требования: уменьшить третью и пятую гармонику не менее чем втрое при уменьшении основной гармоники не более чем на 10% (трехпакетный двигатель) или уменьшить не менее чем втрое оказывающую наиболее отрицательное влияние третью гармонику при уменьшении первой гармоники не более чем на 10% (двухпакетный двигатель).

Для примера приводим некоторые варианты (табл. 1,2).

При прочих равных условиях нужно стремиться к увеличению угла α , так как это приводит к увеличению угла θ между осями основного и экранирующего поля статора.

В предлагаемом двигателе кроме всего прочего обеспечивается достаточно равномерная проводимость для полей ротора, что также способствует улучшению характеристик двигателя.

Использование: электродвигатели переменного тока малой мощности (асинхронные и синхронные), предназначенные для питания от однофазной сети. Сущность: электродвигатель имеет статор с сосредоточенной обмоткой в виде катушек, установленных на явно выраженных полюсах, имеющих полюсные наконечники, магнитопровод статора разделен в аксиальном направлении на отдельные пакеты, осевые линии полюсных наконечников у разных пакетов повернуты относительно оси полюсов на разные углы, каждому пакету, у которого ось полюсных наконечников повернута на определенный угол в одном направлении, соответствует пакет той же осевой длины с поворотом оси наконечников на тот же угол в обратном направлении, при наличии среднего пакета оси его полюсов и наконечников совпадают. Технический результат: улучшение пусковых и рабочих характеристик. 3 ил., 2 табл.

1. Однофазный явнополюсный электродвигатель, содержащий шихтованный магнитопровод статора с сосредоточенной обмоткой в виде катушек, установленных на явновыраженных полюсах с полюсными наконечниками, при этом магнитопровод статора разделен в аксиальном направлении на отдельные пакеты, отличающийся тем, что пакеты образуют пары, в разных пакетах одной пары радиальные осевые линии полюсных наконечников повернуты в разные стороны относительно оси полюсов на один и тот же угол. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что статор содержит дополнительный пакет, в котором осевые линии полюсных наконечников и полюсов совпадают. 3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что на полюсных наконечниках, повернутых в одном и том же направлении, и на наконечниках дополнительного пакета установлены общие короткозамкнутые витки. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что на той части каждого полюса, которая образует общий пакет с полюсными наконечниками, повернутыми относительно оси полюсов на наибольший угол и на которых установлены КЗ-витки, установлен дополнительный короткозамкнутый виток.