СТАТОР РЕВЕРСИВНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК H02K1/14 H02K17/12 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве асинхронных двигателей малой мощности.

Традиционно якорь многофазного асинхронного двигателя выполняется из ярма и зубцовой зоны, в пазах которой размещена якорная обмотка. С целью уменьшения паразитных моментов от высших гармоник магнитного поля якорная обмотка выполняется с распределением и укорочением. Зубцовая зона выполняется с зубцами, которые имеют одинаковые геометрические размеры вдоль расточки статора и по длине машины.

Пазы выполняются открытыми, полузакрытыми и закрытыми [1], стр. 75, рис. 4-27. Зубцы для всыпных обмоток полузакрытых и закрытых пазов выполняются с симметричной коронкой зуба. Зубцы для обмоток с жесткими секциями и полузакрытыми пазами выполняются с асимметричной коронкой зуба. Цель асимметрии коронки зуба состоит в упрощении технологии укладки катушек жесткой обмотки [1], стр. 74, рис. 4-24. Относительно осевой длины машины зуб симметричен.

Известны асинхронные двигатели мощности с асимметричным статором. Двигатели этого типа по принципу действия и конструктивному исполнению подобны двигателям с экранированными полюсами, но не имеют короткозамкнутых витков на полюсах [2]. На рис. 28.2 стр. 638 указанной литературы [2] показана конструкция статорного листа такого двигателя. При пуске сдвиг магнитных потоков создается в результате насыщения участков спинки статора малого сечения. Для улучшения пусковых характеристик применяются магнитные шунты между полюсным наконечником и малым дополнительным полюсом. Воздушный зазор под полюсом выполняется неравномерно для уменьшения паразитных моментов от высших гармоник поля. К недостаткам таких двигателей относят отсутствие возможности реверсирования, низкий пусковой момент и нетехнологичность изготовления шунтов. Заметим, что магнитная асимметрия полюсного наконечника выполнена с целью создания пускового момента путем создания дополнительного потока, проходящего через дополнительный полюс и ярмо статора с уменьшенным сечением. По длине машины полюс магнитно симметричен.

Наиболее близким аналогом является решение, известное из а.с. СССР N 169664, H 02 K 17/10, 1965, где индукционный двигатель с двумя парами явнополюсных полюсов с короткозамкнутыми витками и сосредоточенными катушками, причем одна пара полюсов смещена по окружности к другой паре на 90^o и в аксиальном направлении на величину, приблизительно равную ширине полюса. Механический воздушный зазор между полюсами и ротором выполняется равномерным. Поскольку воздушный зазор выполняется равномерным и якорная обмотка выполняется с сосредоточенными катушками, то недостатком такого решения является то обстоятельство, что в устройстве не принято специальных мер по уменьшению амплитуд паразитных моментов, что затрудняет пуск асинхронного двигателя. Пятая и седьмая гармоники поля якоря асинхронного двигателя уменьшают максимальный электромагнитный момент и увеличивают потери в роторе и статоре в номинальном режиме, что в конечном итоге приводит к уменьшению КПД устройства.

Цель достигается тем, что статор реверсивного многофазного асинхронного двигателя, сердечник которого состоит из ярма и зубцов с катушками фаз статорной обмотки, каждый зубец имеет тело и полюсный наконечник, все зубцы по расточке статора имеют равные геометрические размеры с равномерным зазором между зубцовым наконечником и железом ротора, причем сердечник вдоль осевой длины состоит как минимум из двух равных по длине пакетов, между пакетами сердечника размещены немагнитные прокладки, каждая катушка фаз охватывает по длине статора по одному зубцу каждого пакета, при этом геометрические оси симметрии тела зубцов разных пакетов, охватываемых одной катушкой, параллельны оси вращения двигателя и совпадают, а относительно тел зубцов зубцовые наконечники разных пакетов смещены в противоположные стороны.

На фиг. 1 приведен осевой разрез статора реверсивного асинхронного двигателя; на фиг. 2,а,б показаны два поперечных разреза статора реверсивного асинхронного двигателя; на фиг. 3 показаны в плане зубцы пакетов A и B и катушка обмотки статора со стороны ярма статора АД; на фиг. 4 представлены сечения A и B магнитной цепи зубцовой зоны и графики распределения индукций на одном полюсном делении; на фиг. 5 - векторная диаграмма ЭДС в стержне короткозамнутого ротора.

На фиг. 1 в качестве примера приведен осевой разрез статора реверсивного многофазного асинхронного двигателя, сердечник которого по длине состоит из двух равной длины пакетов A и B. На фиг. 1 показаны сечения ярмовой 1 и зубцовой зон сердечника статора.

Между пакетами A и B размещены немагнитные прокладки в зубцовой зоне 3 и в ярме 4. Каждая катушка фаз 5 обмотки статора охватывает по длине статора по одному зубцу каждого пакета.

На фиг. 2 показаны поперечные разрезы статора A-A и B-B, выполненные в зоне каждого из пакетов A и B (см. фиг. 1). Сердечник статора двухполюсного реверсивного многофазного асинхронного двигателя имеет шесть зубцов. Каждый зуб имеет тело зуба (2a, 2b) и зубцовый наконечник (6a, 6b). Зубцы закреплены в ярме 1 сердечника статора по одному зубцу каждого пакета. Установка катушек 5 на зубцы 2 проводится до их запрессовки в ярмо статора.

Зубцовые наконечники 6a каждого зубца пакета A смещены относительно тела зубца 2a в одну из сторон (например, против часовой стрелки, как на фиг. 2a). Зубцовые наконечники 6b каждого зуба пакета B смещены относительно тела зуба 2b в противоположную сторону (фиг. 2,б).

Между зубцами каждого пакета имеются шлицевые прорези 7a и 7b. Вместо шлицевых прорезей могут быть выполнены мостики для механического соединения зубцов с целью создания более жесткой конструкции зубцовой зоны двигателя. При другом способе механического сочленения зубцов мостики могут быть выполнены немагнитными.

На фиг. 3 в плане со стороны катушки показан один зуб (2A) пакета A и зуб (2B) пакета B, разделенных немагнитным слоем 3 с осевой длиной l_δ. В зубцовых наконечниках пакетов A и B (3A и 3B) показаны шлицевые прорези (7A, 7B), сдвинутые между собой по окружности статора на угол β_m.
Катушка 5 якорной обмотки охватывает сердечники зубцов 2A и 2B обоих пакетов. Геометрические оси симметрии (a, b) тела зубцов 2A и 2B, принадлежащие разным пакетам, совпадают.

На фиг. 4,a показаны на одном полюсном делении τ₁ развернутыми в линию сечения трех зубцов (2A) с катушками 5, принадлежащих фазам: A, C, B. Для момента времени, когда синусоидальное значение тока в фазе C равно максимальному, а в фазах A и B соответственно по - 0,5 от амплитуды тока в фазе C, на фиг. 4,б показаны следующие графики кривых:
B_6A - график распределения кривой распределения индукции на поверхности ротора асинхронного двигателя при условии, что высота зазора: δ = 0 и μ_ст= ∞;
B_1A, B_5A - графики кривых соответственно первой и пятой гармоник индукции, при разложении кривой B_δA в ряд Фурье.

На фиг. 4,c и 4,d показано то же, но для пакета B. Как видно из графиков фиг. 4,b и 4,d, первые гармоники индукции сдвинуты на угол β_m.
На фиг. 5a,b,c показаны вектора ЭДС, наведенных в стержнях короткозамкнутой клетки ротора АД, первой (фиг. 5,a), пятой (фиг. 5,b), и седьмой (фиг. 5,c) гармониками индукции пакетов A и B.

Устройство работает следующим образом. Поля пакетов A и B в каждом стержне короткозамкнутой обмотки, выполненной, например, без скоса пазов, наводят ЭДС с амплитудами, пропорциональными амплитудам первой и высших гармоник индукции в зазоре. Т.к. пакеты A и B согласно заявки равной длины, то амплитуды ЭДС в стержнях от пакетов A и B от каждой гармоники равны. Начальные фазы ЭДС в стержнях ротора от магнитных потоков, созданных пакетами A и B, зависят от угла сдвига β_m пакетов.

Рассмотрим пример. Пусть статор выполнен с числом пар полюсов 2P₁ = 2, a β_m = 36 геометрических градусов. Тогда начальная фаза ЭДС от поля первой гармоники A e_1A будет сдвинута относительно начальной фазы ЭДС от поля гармоники пакета e_1B на электрической угол, равный β₁= β_m•P₁, и составит β₁ = 36 х 1 = 36 эл.град. (4A). Результирующую ЭДС E₁ в стержне ротора от полей первых гармоник пакета A и B можно представить как сумму двух векторов, сдвинутых на угол β₁ = 36 эл.град., т.е.

E₁= 2E_1A•cos(β₁/2) = 2E_1A•cos18^°= 2E_1A•0,95.
Результирующая ЭДС от полей пятой гармоники E₅ пакетов A и B, сдвинутых на угол: β₅= β_m•5P₁ = 36•5•1 = 180 эл.град. равна E₅= 2E_5A•cos(β₅/2) = 0.
Следовательно, в обмотке ротора токи в каждом стержне от ЭДС пятой гармоники протекать не будут, т.к. E₅ равна нулю, а следовательно, момент от взаимодействия поля якоря и тока пятой гармоники ротора равен нулю (фиг. 5, b).

Найдем ЭДС в стержне ротора от поля седьмой гармоники (фиг. 5,c).

Получаем:

Электромагнитный момент от седьмой гармоники поля будет составлять 34,6% = (0,587² • 100%) от случая, если бы сдвиг отсутствовал, т.е. β_m = 0. Если выполнить значение β_m = 180/7 геометрических градусов, то можно уничтожить электромагнитный паразитный момент от седьмой гармоники поля.

Таким образом, сдвигая пакеты A и B статора асинхронного двигателя на угол β_m, можно уменьшить амплитуду паразитных моментов в результирующем электромагнитном моменте. Между пакетами A и B размещается немагнитная прокладка толщиной l_δ (фиг. 2) с целью уменьшения потоков рассеяния между пакетами A и B и увеличения рабочего потока, тем самым электромагнитного момента от первой гармоники, и как следствие КПД устройства.

Литература
1. Сергеев П. С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. - М.: Энергия, 1969.

2. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. Т. 2, с. 74. Под общей ред. Копылова И.П., Клокова В.К. - М.: Энергоамтоиздат, 1989, 688, с., ил.

Сердечник статора реверсивного многофазного асинхронного двигателя состоит из ярма и зубцов с катушками фаз статорной обмотки. Каждый зубец имеет тело и полюсный наконечник. Все зубцы по расточке статора имеют равные геометрические размеры с равномерным зазором между зубцовым наконечником и железом ротора. Сердечник вдоль осевой длины состоит как минимум из двух равных по длине пакетов и между которыми размещены немагнитные прокладки. Каждая катушка фаз охватывает по длине статора по одному зубцу каждого пакета. При этом геометрические оси симметрии тела зубцов разных пакетов, охватываемых одной катушкой, параллельны оси вращения двигателя и совпадают, а относительно тел зубцов зубцовые наконечники разных пакетов смещены в противоположные стороны. Смещение зубцовых наконечников пакетов в разные стороны позволяет уменьшить амплитуду паразитных моментов в асинхронном двигателе. Это является техническим результатом. 5 ил.

Статор реверсивного многофазного асинхронного двигателя, сердечник которого состоит из ярма и зубцов с катушками фаз статорной обмотки, каждый зубец имеет тело и полюсный наконечник, все зубцы по расточке статора имеют равные геометрические размеры с равномерным зазором между зубцовым наконечником и железом ротора, причем сердечник вдоль осевой длины состоит как минимум из двух равных по длине пакетов, отличающийся тем, что между пакетами сердечника размещены немагнитные прокладки, каждая катушка фаз охватывает по длине статора по одному зубцу каждого пакета, при этом геометрические оси симметрии тела зубцов разных пакетов, охватываемых одной катушкой, параллельны оси вращения двигателя и совпадают, а относительно тел зубцов зубцовые наконечники разных пакетов смещены в противоположные стороны.