ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H02K19/06 

Изобретение относится к электричеству, а именно к электрическим машинам, более конкретно к электродвигателю, и может быть использовано, в частности, в авиации для рулевого сервопривода автопилота летательного аппарата для создания упрощенной конструкции электродвигателя с более высокими удельными энергетическими показателями.

Уровень техники

Известна электрическая машина для рулевого сервопривода автопилота, выполненная в виде однофазного асинхронного конденсаторного реверсивного двигателя (А.И.Бертинов, «Электрические машины авиационной автоматики», изд. Москва, 1961 г., стр.65).

Асинхронный двигатель содержит статор, ротор, магнитопровод, конденсатор, необходимый для запуска двигателя и его рабочего режима.

Однако конденсатор не может быть оптимальным по величине емкости, необходимой для запуска двигателя и его рабочего режима. Выполнение обмотки статора трудно поддается механизации особенно для мелко- и среднесерийного производства, обмотка статора выполняется вручную. Длина лобовых частей обмотки превышает длину активной части проводов, уложенных в пазу, что снижает КПД. Такой двигатель сложен в изготовлении.

Известен однофазный синхронный реактивный двигатель /А.С. №155223, 63 г./, содержащий ротор, статор с обмотками. Статор выполнен из листов электротехнической стали, вырубленных в них зубцов, с половиной укороченных зубцов. Обмотка статора разделена на две части, каждая из которых через вентиль подключена к однофазной сети переменного тока. Под половиной полюсов зазор увеличен, что снижает крутящий момент и мощность реактивного двигателя, так как в этом случае реактанс Х по продольной оси будет меньше.

Однако данный двигатель при запуске не обеспечивает вращение вала двигателя в заданном направлении. Кроме того, требуются сложные дорогостоящие штампы для вырубки пластин статора и ротора. Каждая катушка перед закладкой ее в статор должна быть изолирована по всей поверхности, что при мелко- и среднесерийном производстве выполняется вручную.

Обмотка в статоре должна быть закреплена с помощью изоляционного клина, забиваемого в прорези зубцов статора, что может привести к обрывам в обмотках. Несмотря на разделение обмоток, потери в стали статора обусловлены как потерями на вихревые токи, так и на гистерезис за счет изменения направления магнитного потока при поочередном прохождении по обмотке статора положительной и отрицательной полуволны переменного тока, что снижает КПД двигателя.

Известна индукторная электрическая машина /Патент №2159495, Н 02 К 19-06, 19-24, 99 г. /, содержащая ротор с магнитопроводом, валом, крышки подшипников, статор, содержащий комплекты П-образных полюсов, расположенные радиально, равномерно по окружности, кольцевые обмотки, каркас, выполненный в виде шпули.

Однако данная конструкция имеет П-образные полюса на роторе, что увеличивает воздушный зазор между внутренними витками обмотки статора и значительным по длине участком магнитопровода ротора, находящимся между зубцами, что приводит к увеличению ее индуктивного сопротивления, что снижает коэффициент мощности (косинус угла ϕ) и ухудшает энергетические и массогабаритные показатели машины. Кроме того, короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки малоэффективна для запуска двигателя, так как ее стержни проложены вдоль оси ротора и при неподвижном роторе магнитный поток обмотки статора пульсирует вдоль оси стержней и не наводит в них ЭДС, когда в момент запуска полюса-зубцы ротора находятся напротив межполюсного (межзубцового) пространства статора. Невозможно выполнить обмотку на сплошной шпуле, проходящей под всеми полюсами, так как внутренний диаметр полюсов статора существенно меньше диаметра шпули.

Кроме того, непонятно, как и на чем крепятся полюса и обмотка статора. Обмотку в виде беличьей клетки на роторе, отдельные пакеты магнитопровода ротора нельзя без дополнительных деталей насаживать на втулку вала ротора. Применение для каждого магнитопровода ротора отдельного комплекта П-образных полюсов увеличивает трудоемкость изготовления машины и усложняет крепление полюсов на роторе. Таким образом, конструкция в целом перетяжелена, что снижает ее удельные энерготехнические показатели (Вт кг, cosϕ). При запуске двигателя его ротор не может обеспечить определенное направленное вращение или реверс.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание электродвигателя, обеспечивающего определенное направленное вращение или реверс, например, для рулевого сервопривода автопилота (РСАП), обладающего надежным запуском. Кроме того, двигатель должен обладать достаточно высокими удельными энергетическими показателями.

Более того, двигатель должен быть выполнен в виде упрощенной конструкции, не требующей при изготовлении больших затрат. Он также может быть использован в бытовой технике.

В соответствии с изобретением поставленная задача достигается тем, что в электродвигателе, содержащем ротор с магнигопроводом, валом, крышки подшипников из немагнитного материала, статор с П-образными полюсами, расположенными радиально, равномерно по окружности, обмотку, каркас, статор выполнен из двух частей. Каждая часть выполнена из одной статорной обмотки и П-образных полюсов, размещенных на своем каркасе. Каждый каркас выполнен из цилиндрической части и боковых стенок с радиальными прорезями, несущих П-образные полюса. При этом каркасы соединены торцами, а полюса одной части статора расположены посередине между полюсным пространством другой части статора. Полюса ротора магнитно связаны с полюсами каждой части статора, выполнены из одного комплекта прямоугольных шихтованных полюсов с высотой крайних пластин, меньшей, чем высота средней пластины, образующие небольшой выступ. Полюса ротора установлены вдоль оси двигателя в прорезях немагнитных втулок, насаженных на вал с обоих концов, зафиксированных сверху и с торцевых сторон.

Кроме того, каждый каркас выполнен из диэлектрического материала с малым коэффициентом теплового расширения, боковые стенки каркасов выполнены в виде плоских тонких дисков, наружные поверхности которых выполнены с выступающими вырезами для установки и крепления в них полюсов и цилиндрическим отверстием с буртиком для ротора. Каркасы соединены торцами и снабжены немагантным фиксирующим кольцом и стяжными винтами, концы которых закреплены в крышках подшипников, при этом фиксирующее кольцо установлено на буртики каркасов.

Более того, величина воздушного зазора между полюсами статора и ротора равна 0,25-0,8 мм, а поперечная ширина средних пластин полюсов ротора, образующих выступ в сторону воздушного зазора, ограничена 80-85%.

В одном частном варианте двигатель выполнен с двухполюсным трехпозиционным с нейтральным положением переключателем, диодами, при этом одноименные полюса первой и второй части статора выполнены с короткозамкнутым витком, размещенным на противоположных сторонах этих полюсов, соединенные вместе концы статорных обмоток подключены к двум клеммам, а начала обмоток через диоды Д1 и Д2 соединены с третьей и четвертой клеммами переключателя для обеспечения реверса при подключении к цепи однофазного переменного тока.

В другом частном варианте электродвигатель выполнен с включающим двухполюсным устройством, диодами, при этом одноименные полюса первой и второй части статора выполнены с короткозамкнутым витком, размещенным на одноименных сторонах этих полюсов. Концы двух статорных обмоток соединены вместе и подключены к клемме двухполюсного устройства, а начала обмоток через диоды Д1 и Д2 подключены к другой клемме двухполюсного устройства для обеспечения однонаправленного вращения при подключении к цепи однофазного переменного тока.

Таким образом, с учетом указанных выше признаков машина может быть выполнена как однофазный синхронный реактивный электродвигатель, работающий в нереверсивном режиме, или двигатель, работающий в реверсивном режиме.

Такое выполнение двигателя обеспечивает повышение надежной работы, в частности, для привода РСАП и позволит повысить энергетические показатели электродвигателя.

Перечень фигур на чертежах

Изобретение поясняется чертежами, на которых

Фиг.1 представляет продольный разрез электродвигателя с

каркасом, выполненного в соответствии с изобретением;

Фиг.2 представляет вид сбоку на статор электродвигателя, показанный в уменьшенном виде;

Фиг.3 изображает сечение Б-Б фиг.2, показанное в уменьшенном виде;

Фиг.4 показывает развернутую схему расположения полюсов по окружности статора и размещение короткозамкнутых витков на концах полюсов двух частей статора для реверсивного режима при виде по стрелке Х (сторон А и В) фиг.1;

Фиг.5 показывает развернутую схему расположения полюсов по окружности статора и размещение короткозамкнутых витков на концах полюсов двух частей статора для нереверсивного электродвигателя при виде по стрелке Х (сторон А и В) фиг.1;

Фиг.6 показывает электрическую схему соединения обмоток для подключения реверсивного электродвигателя к сети однофазного переменного тока;

Фиг.7 показывает электрическую схему соединения обмоток для подключения нереверсивного электродвигателя к сети однофазного переменного тока.

фиг.8 показывает продольный разрез ротора;

фиг.9 представляет вид сбоку на ротор (со снятым кольцом).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Электродвигатель содержит ротор 1 с магнитопроводом 2, валом 3, крышки подшипников 4 из немагнитного материала. Согласно изобретению в электродвигатель введены две части статора 5 и 6, две кольцевые обмотки 7 и 8, размещенные каждая на своем каркасе 9 (см. фиг.1). Каждый каркас выполнен из цилиндрической части и боковых стенок 10 с радиальными прорезями (см.фиг.2 и 3), несущих П-образные полюса 11 и 12. При этом каркасы соединены торцами, а полюса каждой части статора 5 и 6 повернуты относительно друг к другу по окружности на 180 электрических градусов. Полюса 11 части статора 5 расположены посредине между полюсным пространством другой части статора 6 (см. фиг.4).

Полюса 2 ротора 1 магнитно связаны с полюсами каждой частя статора 5 и 6, выполнены из одного комплекта вытянутых прямоугольных полюсов с высотой крайних пластин меньше, чем средние пластины, образующие небольшой выступ 3-4 мм. Поперечная ширина средних пластин полюсов ротора, образующих выступ в сторону воздушного зазора, ограничена 80-85% от поперечных размеров верхней площади поверхности полюса (см. фиг.8).

Полюса ротора установлены вдоль оси двигателя, в прорезях немагнитных втулок 13, насаженных на вал 3 с обоих концов по прессовой посадке, зафиксированных сверху и с торцевых сторон кольцом 22.

Благодаря тому, что поперечный размер площади выступа 14 полюсов ротора ограничен до 80-85%, а высота выступа 15 составляет 3-4 мм, уменьшается реактанс Х q по поперечной оси ротора (см. фиг.9). По результатам экспериментов происходит увеличение крутящего момента.

Предложенная форма полюсов ротора позволяет увеличить крутящий момент и мощность синхронного реактивного двигателя, так как при этом уменьшается реактанс по поперечной оси ротора, когда полюса ротора находятся в междуполюсном пространстве статора. Полезная мощность синхронного реактивного двигателя на валу определяется по известной формуле:

где P2 - полезная мощность на валу двигателя;

Xd - реактанс по продольной оси двигателя;

Xq - реактанс по поперечной оси двигателя;

Q - угол сдвига между векторами магнитного потока статора и продольной осью ротора в системе вращающихся координат.

Кроме того, два каркаса 9 выполнены из диэлектрического материала с малым коэффициентом теплового расширения, боковые стенки 10 каркасов выполнены в виде плоских тонких дисков, наружные поверхности которых выполнены с выступающими вырезами 17 для установки и крепления в них полюсов, и круглым отверстием 18 с буртиком 21 для ротора (см. фиг.2 и 3).

Каркасы связаны торцами и снабжены фиксирующим кольцом 19 из немагнитного материала и стяжных винтов 20, концы которых закреплены в крышках 4 подшипников (см. фиг.1). При этом фиксирующее кольцо установлено на буртики 21 каркасов.

Величина воздушного зазора между полюсами статора и ротора 0,25-0,8 мм. Величина зазора выполняется минимальной, зависит от габаритов двигателя, применяемых в двигателе материалов и условий эксплуатации (температуры окружающей среды, влияния изменения размеров деталей).

В двигателе существенно меньше величина потерь в стали, так как потери на гистерезис в нем отсутствуют, а потери на вихревые токи меньше из-за отсутствия знакопеременного перемагничивания стали полюсов статора и ротора.

Двигатель может быть выполнен с двухполюсным трехпозиционным с нейтральным положением переключателем (см. фиг.6), диодами Д1 и Д2. Соединенные вместе две статорные обмотки 7 и 8 подключены к двум клеммам, а начала обмоток через диоды соединены с третьей и четвертой клеммами переключателя для обеспечения реверса при подключении двигателя к цепи с однофазным переменным током. Одноименные полюса обоих частей статора 5 или 6 могут быть выполнены с короткозамкнутым витком 16, размещенным на противоположных сторонах этих полюсов (см. фиг.4), где на развернутой схеме расположения полюсов по окружности статора показаны короткозамкнутые витки, размещенные на одноименных полюсах, при виде по стрелке Х фиг.1 на части статора со стороны А и части статора со стороны В.

Наличие такого экранирования и электрической схемы подключения к цепи однофазного переменного тока позволяет работать двигателю в реверсивном режиме.

Двигатель может быть выполнен с включающим двухполюсным устройством, диодами Д1 и Д2, при этом одноименные полюса первой и второй части статора выполнены с короткозамкнутым витком 16, размещенным на одноименных сторонах этих полюсов (см. на фиг.5), где показана развернутая схема расположения полюсов по окружности статора и размещение короткозамкнутых витков 16 со стороны А и В на двух частях статора, при виде по стрелке Х фиг.1. Концы двух статорных обмоток 7 и 8 соединены вместе и подключены к клемме двухполюсного устройства, а начала обмоток через диоды Д1 и Д2 подключены к другой клемме двухполюсного устройства для обеспечения однонаправленного вращения при подключении двигателя в цепь однофазного переменного тока (см. фиг.7).

Наличие такого экранирования (см. фиг.4) и электрической схемы подключения к цепи однофазного переменного тока (см. фиг.7) позволяет двигателю работать в нереверсивном режиме. В этом случае двигатель обеспечивает в два раза большую мощность по сравнению с работой двигателя в реверсивном режиме при сохранении синхронной частоты вращения ротора.

Заявленный электродвигатель обладает повышенными энергетическими показателями (КПД и COSϕ), повышенной надежностью запуска двигателя РСАП.

Работа электродвигателя.

Электродвигатель работает в реверсивном режиме.

Пуск и работа электродвигателя в реверсивном режиме (см. фиг.6) осуществляется подключением одной из обмоток 7 или 8 обоих частей статора через двухполюсный трехпозиционный с нейтральным положением переключатель к сети переменного однофазного тока. При подключении ее через последовательно включенный с нею диод статорная обмотка наводит в полюсах части статора однонаправленное пульсирующее поле, которое пульсирует в аксиальном направлении в воздушном зазоре двигателя. Все полюса части статора с одной его стороны имеют одну полярность, а с другой стороны имеют противоположную полярность. При этом у одной части статора экранирование полюсов выполняется с одной стороны, а у другой части статора - с противоположной стороны.

За счет экранирования полюсов, как показано на фиг.4, 5, полюса части статора с одной стороны выполнены с короткозамкнутым витком, обеспечивающим смещение пульсирующего поля, ротор двигателя начинает вращаться в определенном направлении. Поскольку каждый из П-образных полюсов состоит собственно из двух полюсов, например, с одной стороны статора магнитный поток входит внутрь расточки каркаса, то с другой стороны части статора магнитный поток, пройдя вдоль полюсов ротора, входит в полюс статора. Таким образом, электродвигатель имеет 12 полюсов и его частота вращения определяется по формуле:

,

где f - частота переменного тока;

р - число пар полюсов (в рассматриваемом двигателе n-6 полюсов);

n - частота вращения.

Электродвигатель может работать с однонаправленным вращением в нереверсивном режиме. Пуск и работа двигателя осуществляется подключением двух обмоток 7 и 8 к сети через диоды. Поскольку диод одной обмотки подключают анодом, а другой катодом к двухполюсному включающему устройству (см.фиг.7), полюса одной части статора расположены посередине между полюсным пространством другой части статора, то магнитный поток поочередно возбуждается в двух частях статора.

В двигателе используют обе полуволны однофазного переменного тока, которые поочередно возбуждают полюса в двух частях статора, установленных со сдвигом на 180 электрических градусов. В этом двигателе обеспечивается в два раза большая мощность по сравнению его с работой двигателя, работающего в реверсивном режиме при сохранении той же синхронной частоты вращения ротора.

В этом случае выполнено экранирование полюсов одноименных сторон обоих частей статора короткозамкнутыми витками (см. фиг.5). При обрыве одной из обмоток двигатель будет продолжать работать при уменьшенном в два раза электромагнитном моменте.

Таким образом, работа предлагаемого двигателя, как и любого синхронного реактивного двигателя, основана на взаимодействии кругового вращающегося магнитного поля статора с явнополюсным невозбужденным ротором, который стремится занять положение, соответствующее максимальной магнитной проводимости. В однофазном двигателе пульсирующее поле раскладывается на два вращающихся в противоположных направлениях поля. За счет экранирования полюсов с одной стороны ротор вращается в определенном направлении.

Благодаря тому, что крышки и вал выполнены немагнитными, в двигателе уменьшаются потери на вихревые токи, наводимые пульсирующим магнитным потоком полюсов и самой обмоткой.

Кроме того, отсутствие перемагничивания полюсов статора и ротора обеспечивает снижение потерь в стали при отсутствии гистерезиса.

Форма полюсов ротора обеспечивает увеличение крутящего момента. Причем немагнитный каркас из диэлектрика легче, чем металлический корпус, что обеспечивает снижение веса и простоту сборки и выполнения двигателя. Повышение эффективности использования обмоток повышает удельные энергетические показатели.

Заявленный электродвигатель обладает повышенными массогабаритными показателями, повышенной надежностью запуска двигателя РСАП.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам, более конкретно - к электродвигателю, и может быть использовано, в частности, для рулевого сервопривода автопилота летательного аппарата для создания упрощенной конструкции электродвигателя с более высокими удельными энергетическими показателями. Электродвигатель состоит из ротора с магнитопроводом, вала, крышек подшипников из немагнитного материала, статора, содержащего П-образные полюса, расположенные радиально, равномерно по окружности. При этом двигатель выполнен из двух частей статора. Каждая часть статора выполнена из одной обмотки, П-образных полюсов, размещенных на своем каркасе, выполненном из цилиндрической части и боковых стенок с радиальными прорезями, несущих П-образные полюса. Каркасы соединены торцами. Полюса одной части статора расположены посередине между полюсным пространством другой части статора. Полюса ротора магнитно связаны с полюсами каждой части статора, выполнены из одного комплекта прямоугольных полюсов с высотой крайних пластин, меньшей, чем высота средних пластин, образующих выступ. Полюса ротора установлены вдоль оси двигателя в прорезях немагнитных втулок, насаженных на вал с обоих концов, зафиксированных сверху и с торцевых сторон. Каждый каркас выполнен из диэлектрического материала с малым коэффициентом теплового расширения. Боковые стенки каркасов выполнены в виде плоских тонких дисков, наружные поверхности которых выполнены с выступающими ребрами для установки и крепления в них полюсов статора. Каркасы связаны торцами и снабжены фиксирующим кольцом и стяжными винтами, концы которых закреплены в крышках подшипников. Величина воздушного зазора между полюсами статора и ротора равна 0,25-0,8 мм. Поперечная ширина средних пластин полюсов ротора, образующих выступ в сторону воздушного зазора, ограничена 80-85%. Двигатель может быть выполнен с трехпозиционным с нейтральным положением переключателем и подключенными к началам обмоток диодами либо с включающим двухполюсным устройством. Технический результат - повышение надежности, упрощение конструкции, увеличение удельных энергетических показателей. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Электродвигатель, содержащий статор из двух частей с П-образными полюсами и кольцевой обмоткой, ротор с полюсами, набранными из прямоугольных пластин электротехнической стали, крышки подшипников и вал из немагнитного материала, отличающийся тем, что полюса ротора выполнены с крайними пластинами меньшей высоты по сравнению с высотой пакета средних пластин, образующих выступ над крайними пластинами, толщина пакета из средних пластин составляет 80-85% от общей толщины полюса, каждая часть статора установлена на каркасе, выполненном из диэлектрического материала с малым коэффициентом теплового расширения, а одноименные полюса первой и второй частей статора на конце своем, обращенном в сторону воздушного зазора, выполнены с короткозамкнутым витком, охватывающим часть поперечного сечения полюса для обеспечения запуска двигателя.2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения реверса снабжен двухполюсным трехпозиционным переключателем с нейтралью, двумя диодами, при этом одноименные полюса первой и второй частей статора выполнены с короткозамкнутым витком, размещенным на противоположных сторонах этих полюсов, относящихся к разным частям статора, соединенные вместе концы статорных обмоток подключены к двум клеммам, а начала обмоток через диоды Д1 и Д2 соединены с третьей и четвертой клеммами переключателя, клеммы, соединенные с подвижными контактами, подключены к однофазной сети переменного тока.3. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения однонаправленного вращения снабжен двухполюсным выключателем, двумя диодами, при этом одноименные полюса первой и второй частей статора выполнены с короткозамкнутым витком, размещенным на одинаковых сторонах полюсов частей статора, концы двух статорных обмоток соединены вместе и подключены к одной клемме, а начала обмоток через диоды Д1 и Д2 подключены к другой клемме, соединенной с подвижными контактами двухполюсного выключателя, две другие клеммы двухполюсного выключателя подключены к однофазной сети переменного тока.4. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что боковые стенки каркасов выполнены в виде плоских тонких дисков, наружные поверхности которых выполнены с выступающими ребрами для установки и крепления в них полюсов статора.5. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что величина воздушного зазора выбирается минимальной не более 0,8 мм исходя из возможности конструктивного исполнения для увеличения мощности двигателя.