ОДНОФАЗНЫЙ СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H02K21/16 H02K37/14 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к однофазным самозапускающимся синхронным микродвигателям с постоянными магнитами, которые могут быть использованы также в качестве шаговых двигателей.

Известен однофазный синхронный микродвигатель с постоянными магнитами, содержащий статор с двумя кольцевыми магнитопроводами с когтеобразными полюсами, смещенными относительно друг друга в разных магнитопроводах, ротор с кольцевым постоянным магнитом с чередующимися полюсами на внешней поверхности и кольцевые обмотки, размещенные внутри магнитопроводов. Полюса в одном из магнитопроводов экранированы [1].

Недостатками известного однофазного синхронного микродвигателя являются:
- невысокие пусковые и рабочие характеристики, а именно отсутствие надежного однонаправленного запуска и равномерного вращения двигателя, вызванные эллиптическим характером вращающегося магнитного поля, создаваемого кольцевыми обмотками и магнитной системой статора;
- высокое потребление мощности, обусловленное большой величиной реактивной составляющей момента.

Известен наиболее близкий к заявляемому техническому решению, выбранный в качестве ближайшего аналога однофазный синхронный электродвигатель, содержащий статор с кольцевой катушкой, размещенной между торцевыми узлами магнитопровода с когтеобразными полюсами, и ротор с многополюсным магнитом, число полюсов которого равно числу когтеобразных полюсов магнитопровода. Полюса магнитопровода объединены в две группы, содержащие одинаковое число полюсов и смещенные относительно друг друга на 120-150 эл. град., при этом все полюса одной из групп экранированы короткозамкнутыми витками. Полюса в каждой группе выполнены с длиной полюсной дуги 0,6 - 0,75 длины дуги полюсного деления и смещены относительно друг друга на 180 эл. град., а полюса, перекрывающиеся по ширине, выполнены укороченными с аксиальным зазором между ними, равным 0,2-0,8 ширины полюса [2].

Известный однофазный синхронный электродвигатель имеет достаточно высокие пусковые и рабочие характеристики. Надежный пуск и однонаправленное вращение двигателя достигаются за счет высокой степени близости к круговому вращающегося магнитного поля, создаваемого в воздушном зазоре двигателя обмоткой возбуждения и магнитной системой статора.

Недостатком известного однофазного синхронного электродвигателя является достаточно высокое потребление мощности, обусловленное большой величиной реактивной составляющей синхронного момента.

Задачей изобретения является уменьшение потребляемой электродвигателем мощности при сохранении высоких пусковых и рабочих характеристик.

Поставленная задача решается за счет того, что при использовании существенных признаков, характеризующих известный однофазный синхронный электродвигатель, содержащий статор с кольцевой катушкой, размещенной между торцевыми узлами магнитопровода с когтеобразными полюсами, и ротор с многополюсным магнитом, число полюсов которого равно числу когтеобразных полюсов магнитопровода, которые объединены в четное количество групп, содержащих одинаковое число полюсов и смещенных относительно друг друга, при этом полюса в каждой группе выполнены с длиной полюсной дуги, равной 0,6 - 0,75 длины дуги полюсного деления, и смещены относительно друг друга на 180 эл. град., а полюса противоположных торцевых узлов, перекрывающиеся по ширине, выполнены укороченными с аксиальным зазором между ними, при этом все полюса несмежных групп полюсов экранированы короткозамкнутыми витками, в соответствии с изобретением группы полюсов смещены относительно друг друга на 90-110 эл. град.

Преимущественный вариант выполнения однофазного синхронного электродвигателя предполагает соединение торцевых частей магнитопровода статора посредством магнитопровода.

В преимущественном варианте выполнения однофазного синхронного электродвигателя число групп когтеобразных полюсов в торцевом узле магнитопровода равно двум.

Объединение когтеобразных полюсов магнитопровода в четное количество групп, содержащих одинаковое число полюсов, смещение групп полюсов относительно друг друга на 90-110 эл.град., экранирование всех полюсов несмежных групп короткозамкнутыми витками, а также выполнение полюсов в каждой группе с длиной полюсной дуги, равной 0,6 - 0,75 длины дуги полюсного деления, и смещение их относительно друг друга на 180 эл. град. позволяют:
- увеличить временной сдвиг магнитных потоков экранированных полюсов, имеющих суженную перемычку в короткозамкнутых участках экранов, относительно магнитных потоков соседних неэкранированных полюсов;
- обеспечить более высокое потокосцепление ротора и статора за счет увеличения площади вышеуказанных суженных перемычек, что, вместе взятое, приводит к достижению высокой степени близости к круговому вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения и магнитной системой статора в воздушном зазоре двигателя, что обеспечивает надежный пуск и однонаправленное вращение двигателя, т.е. высокие пусковые и рабочие характеристики.

Благодаря объединению когтеобразных полюсов магнитопровода в четное количество групп, содержащих одинаковое число полюсов, смещению групп полюсов относительно друг друга на 90-110 эл. град. и экранированию всех полюсов несмежных групп полюсов короткозамкнутыми витками происходит компенсация реактивной составляющей синхронного момента, имеющего для каждой из групп характер второй гармонической составляющей, что позволяет уменьшить величину тока в обмотке возбуждения, необходимого для пуска и вращения двигателя, а следовательно, и потребляемую электродвигателем мощность.

Соединение торцевых частей магнитопровода статора посредством магнитопровода позволяет уменьшить рассеяние магнитного потока, что также ведет к уменьшению потребляемой электродвигателем мощности.

Выполнение электродвигателя с числом групп когтеобразных полюсов в торцевом узле магнитопровода, равным двум, позволяет уменьшить до двух количество полюсов, имеющих ослабленную экранировку, обусловленную наличием суженной перемычки в короткозамкнутых участках экранов, а также увеличить площадь указанных суженных перемычек, что позволяет еще больше увеличить потокосцепление ротора и статора и достичь более высокую степень близости вращающегося магнитного поля к круговому, что обеспечивает высокие пусковые и рабочие характеристики.

Более подробно заявляемое техническое решение рассматривается на чертежах, где представлены:
- на фиг. 1 развертка полюсов магнитопровода статора с числом групп когтеобразных полюсов в торцевом узле магнитопровода, равным двум;
- на фиг. 2 поперечный разрез полюсной системы ротора и статора с числом групп когтеобразных полюсов в торцевом узле магнитопровода, равным двум;
- на фиг. 3 торцевой узел магнитопровода с числом групп когтеобразных полюсов, равным двум, с насаженными на полюса одной из групп экранами.

Статор однофазного синхронного электродвигателя содержит магнитопровод, выполненный в виде двух торцевых узлов 1 с когтеобразными полюсами 2, соединенных посредством внешнего цилиндрического магнитопровода (на чертеже не показан), и кольцевую катушку (на чертеже не показана), размещенную между торцевыми узлами 1 магнитопровода. Ротор электродвигателя выполнен в виде радиально намагниченного постоянного магнита 3, опрессованного пластмассой на валу 4. Число полюсов многополюсного магнита 3 ротора равно числу когтеобразных полюсов 2 обоих торцевых узлов 1 магнитопровода статора. Полюса 2 магнитопровода объединены в четное количество групп (на чертеже показан частный случай, когда число групп когтеобразных полюсов 2 в каждом торцевом узле 1 магнитопровода равно двум), содержащих одинаковое число полюсов 2. На торцевых узлах 1 магнитопровода расположены экраны 5, в частности, медные, образующие короткозамкнутые витки, причем экранированы все полюса 2 несмежных групп (в преимущественном варианте исполнения экранированы все полюса 2 одной группы полюсов в каждом торцевом узле 1 магнитопровода). Полюса 2 выполнены с длиной полюсной дуги, равной 0,7 длины дуги полюсного деления, и смещены относительно друг друга в каждой группе на 180 эл.град. и на 100 эл. град. между группами экранированных и неэкранированных полюсов 2. Часть полюсов 2, перекрывающихся по ширине, в частности 6 и 7, выполнены укороченными с аксиальным зазором между ними, равным 0,5 ширины полюса.

Однофазный синхронный электродвигатель работает следующим образом.

Под действием напряжения, приложенного к катушке статора, по ней протекает ток, образующий в воздушном зазоре электродвигателя магнитное поле. Короткозамкнутые витки экрана 5 создают фазовый сдвиг между магнитными потоками под экранированными и неэкранированными группами полюсов 2, вследствие чего в воздушном зазоре электродвигателя образуется вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом 3 ротора, возникает вращающий момент.

Степень эллиптичности вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре двигателя, а следовательно, надежность однонаправленного запуска и равномерность вращения двигателя существенно зависят от степени экранирования полюсов 2. На фиг. 3 пунктиром показаны пути протекания токов в короткозамкнутых участках экранов 5, откуда видно, что один из группы экранированных полюсов 2 имеет ослабленную, по сравнению с другими полюсами этой группы, экранировку из-за наличия суженной перемычки в короткозамкнутом участке экрана. Однако благодаря сдвигу групп полюсов 2 на 90-110 эл.град., вместо 120-150 эл.град. у двигателя-прототипа, ширина перемычки увеличивается, что обеспечивает более высокое потокосцепление ротора и статора и большую близость вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре двигателя к круговому, т.е. высокие пусковые и рабочие характеристики электродвигателя.

Синхронный момент, развиваемый двигателем, содержит основную и реактивную составляющие, пропорциональные синусу угла между осями магнитных потоков статора и ротора. Реактивная составляющая момента имеет для каждой из групп полюсов 2 характер второй гармонической. Смещением групп полюсов 2 относительно друг друга на 90-110 эл.град. добиваются компенсации реактивной составляющей, что позволяет уменьшить ток в катушке, необходимый для пуска и вращения электродвигателя, а следовательно, уменьшить потребляемую электродвигателем мощность. Оптимальное смещение групп полюсов 2 относительно друг друга, при котором достигается наибольшая компенсация реактивной составляющей синхронного момента, позволяющая уменьшить потребляемую мощность примерно в 2 раза по сравнению с прототипом, составляет 100 эл.град. При смещении, меньшем 90 эл.град и большем 110 эл.град., такой результат не достигается.

При использовании предлагаемого синхронного электродвигателя в качестве шагового двигателя за счет большой степени экранирования полюсов и, как следствие, увеличения внутреннего демпфирования обеспечивается стабильная и устойчивая работа во всем диапазоне управляющих частот от нуля до максимальной.

Заявляемое техническое решение полностью решает задачу, стоящую перед изобретением.

Заявляемое техническое решение с характеризующими его отличительными признаками на настоящее время в Российской Федерации и за границей не известно и отвечает требованиям критерия "Новизна".

Заявляемое техническое решение является оригинальным, не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники, дает значительный положительный эффект и отвечает требованиям критерия "Изобретательский уровень".

Заявляемый однофазный синхронный электродвигатель может изготавливаться промышленным способом, включая серийное производство, с использованием известных технических средств, технологий, материалов и комплектующих и отвечает требованиям критерия "Промышленная применимость".

Библиографические данные
1. Пат. Великобритании N 1377361, НКИ: H 2 A, публ. 1970 г.

2. Пат. РФ N 1836786, МПК⁵: H 02 К 21/16, пр. 27.06.91, публ. 23.08.93.

Использование: в качестве шаговых двигателей. Технический результат: уменьшение потребляемой электродвигателем мощности при сохранении высоких пусковых и рабочих характеристик. Электродвигатель содержит статор с кольцевой катушкой, размещенной между торцевыми узлами магнитопровода с когтеобразными полюсами, и ротор с многополюсным магнитом. Число полюсов магнита равно числу когтеобразных полюсов магнитопровода. Полюса магнитопровода объединены в четное количество групп, содержащих одинаковое число полюсов, преимущественно две в каждом торцевом узле магнитопровода. Все полюса несмежных групп полюсов экранированы короткозамкнутыми витками. Полюса в каждой группе выполнены с длиной полюсной дуги 0,6-0,75 длины дуги полюсного деления и смещены относительно друг друга в каждой группе на 180 и на 90-110 эл. град. между группами экранированных и неэкранированных полюсов. Полюса противоположных торцевых узлов, перекрывающиеся по ширине, выполнены укороченными с аксиальным зазором между ними. Взаимным смещением на 90-110 эл. град. экранированных и неэкранированных групп полюсов добиваются компенсации реактивной составляющей синхронного момента, что позволяет уменьшить потребляемую электродвигателем мощность. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Однофазный синхронный электродвигатель, содержащий статор с кольцевой катушкой, размещенной между торцевыми узлами магнитопровода с когтеобразными полюсами, и ротор с многополюсным магнитом, число полюсов которого равно число когтеобразных полюсов магнитопровода, причем полюса магнитопровода объединены в четное количество групп, содержащих одинаковое число полюсов и смещенных относительно друг друга, при этом полюса в каждой группе выполнены с длиной полюсной дуги 0,6 - 0,75 длины дуги полюсного деления и смещены относительно друг друга на 180 эл.град., а полюса противоположных торцевых узлов, перекрывающиеся по ширине, выполнены укороченными с аксиальным зазором между ними, при этом все полюса несмежных групп полюсов экранированы короткозамкнутыми витками, отличающийся тем, что группы полюсов смещены относительно друг друга на 90 - 110 эл.град. 2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что торцевые части магнитопровода статора соединены посредством магнитопровода. 3. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что число групп когтеобразных полюсов в торцевом узле магнитопровода равно двум.