ОДНОФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2006 года по МПК H02K25/00 H02K19/06 

Изобретение относится к электротехнике и касается конструкции бесконтактных электрических двигателей, предназначенных для использования в промышленности в качестве электроприводов механизмов большой и средней мощности, работающих от сети однофазного переменного тока, преобразующих электрическую энергию в механическую, например на электрифицированных железных дорогах в электровозах, электротранспорте.

Известна бесколлекторная универсальная электрическая машина, содержащая статор, внутри которого расположен на валу ротор, снабженный магнитными системами из электромагнитов (патент RU №2130682 С1, Н 02 К 23/54, 27/24, 27/00, опубл. 20.05.1999 г.).

Недостатком известной машины является сложность ее конструкции, обусловленная наличием в статоре большого количества рядов многовитковых обмоток возбуждения и их систем управления в виде многовитковых обмоток для каждого ряда, что значительно усложняет конструкцию машины. Из-за сложности конструкции машины происходят значительные потери энергии в обмотках возбуждения и обмотках управления, направленной на создание магнитного потока управления, что приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД). Кроме того, в данной конструкции для повышения крутящего момента подача напряжения на многовитковые обмотки управления происходит одновременно на все ряды обмоток, что приводит к усложнению системы управления из-за наличия дополнительных тиристоров, регуляторов, переключателей и к усложнению конструкцию машины в целом.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой конструкции, выбранной в качестве прототипа, является электрическая машина, содержащая неподвижную цилиндрическую часть в виде статора, в полости которого расположен вал, установленный в подшипниках торцевых крышек, с закрепленным на нем ротором, пакеты из изолированных листов электротехнической стали (патент RU №2175164 С2, кл. Н 02 К 25/00, 19/16, опубл. 20.10.2001 г.).

Недостатком известной машины является сложность конструкции обмотки статора из-за наличия элементов, связанных с использованием полюсных наконечников, выполняющих роль щеток, и постоянного их прилегания к ротору. При постоянном контакте прилегающих поверхностей при больших скоростях вращения ротора происходит быстрый износ полюсных наконечников и их истирание, что приводит к возникновению зазора между трущимися поверхностями, нарушению плотного электрического контакта между ними и необходимости увеличения силы тока. Образовавшаяся пыль от истирания полюсных наконечников попадает между контактирующими поверхностями, что приводит к снижению крутящего момента. Кроме того, в данной конструкции на коллектор подается переменный ток, в результате чего при вращении постоянного магнита в обмотках статора возникает переменный пульсирующий ток, приводящий к размагничиванию постоянного магнита за счет того, что с увеличением нагрузки в статоре исчезает дополнительная подача тока в ротор, что ведет к невозможности поддержания необходимого постоянного магнитного поля в них, в результате чего снижается крутящий момент, а следовательно, и КПД машины в целом.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение является упрощение конструкции двигателя при одновременном повышении коэффициента полезного действия путем снижения затрат энергии источника тока на создание магнитного поля на электромагнитных полюсах статора и повышение крутящего момента за счет поочередного возникновения магнитного поля в каждом ряду электромагнитных полюсов статора.

Поставленная задача достигается тем, что однофазный электрический двигатель переменного тока, содержащий неподвижную цилиндрическую часть в виде статора, в полости которого расположен вал, установленный в подшипниках торцевых крышек, с закрепленным на нем ротором, пакеты из изолированных листов электротехнической стали, согласно изобретению на внутренней поверхности статора равномерно по его окружности закреплены два ряда электромагнитных полюсов, установленных наклонно по касательной к окружности ротора в противоположную сторону его вращения, причем ряды электромагнитных полюсов смещены относительно друг друга по окружности статора на полшага, равного половине расстояния между электромагнитными полюсами, кроме того, двигатель снабжен диском управления, закрепленным на валу ротора, по окружности которого в его пазах равномерно закреплены пакеты из изолированных листов электротехнической стали, входящие в прорезь трансформаторов управления, количество пакетов соответствует количеству активных частей ротора и количеству электромагнитных полюсов статора, при этом пакеты на диске управления расположены симметрично активным частям ротора с возможностью их синхронного вращения.

Кроме того, каждый электромагнитный полюс статора выполнен в виде П-образного сердечника из изолированных листов электротехнической стали, на стержнях которого расположены обмотки, причем концы электромагнитных полюсов в каждом ряду выполнены с переменной полярностью в виде короткого магнитопровода. Секции ротора и диск управления трансформаторами выполнены из немагнитного материала. Длина каждого из пакетов, размещенного по окружности диска управления, превышает расстояние между ними.

Снабжение двигателя электромагнитными полюсами в виде П-образных сердечников значительно упрощает конструкцию электродвигателя за счет использования простых по конструкции существующих электромагнитов из изолированных листов электротехнической стали, способных к постоянному подмагничиванию при подаче на его обмотки импульсного тока, и одновременному созданию магнитного поля в сердечнике, способного притягивать к себе активные части ротора и проворачивать его, что ведет к бесперебойной работе электродвигателя.

Расположение в статоре по его длине двух рядов электромагнитных полюсов и смещение рядов относительно друг друга на полшага, равного половине расстояния между электромагнитными полюсами «С/2», приводит к постоянному вращению ротора за счет попеременного притягивания активных частей ротора каждой секции к электромагнитным полюсам соответствующего ряда статора при подаче импульсного тока на вышеуказанные полюса.

Чередование полярности концов сердечника (S и N) электромагнитных полюсов в каждом ряду позволяет быстрее намагничивать активные части ротора, которые к электромагнитным полюсам статора подходят с уже обратной полярностью, что увеличивает силу их притяжения друг к другу, в результате чего быстрее происходит поворот ротора, что приводит к увеличению крутящего момента.

Расположение электромагнитных полюсов наклонно по касательной к окружности ротора в противоположную сторону его вращения приводит к тому, что магнитное поле электромагнитных полюсов при включении двигателя в сеть переменного тока прямо направлено на ближайшую к нему активную часть ротора, в результате чего потери в стали минимальные, что создает максимальную величину направленного магнитного поля, обеспечивающего притяжение с максимальной силой активных частей ротора и способствует минимальным потерям в электротехнической стали полюсов статора и активных частей ротора, в результате чего обеспечивается максимальный притягивающий момент активных частей ротора к электромагнитным полюсам, что ведет к повышению скорости вращения ротора, а следовательно, и к увеличению крутящего момента двигателя.

Выполнение секций ротора и диска управления из немагнитного материала, например из алюминия, позволяет исключить распространение магнитного поля электромагнитных полюсов на соседние части двигателя и получить целенаправленный магнитный поток на активные части ротора, позволяющий с максимальной силой притянуть их к себе и таким образом обеспечить поворот ротора, а следовательно, и вращение ротора. Кроме того, подача напряжения на управляющий электрод тиристоров (Т1 или Т2) позволяет включать в сеть поочередно трансформаторы Тр1 и Тр2 при прохождении пакетов диска управления через их прорезь.

Одинаковое количество электромагнитных полюсов статора, активных частей ротора и пакетов диска управления приводит к синхронному проворачиванию ротора за счет одновременного притягивания каждой активной части ротора к соответствующим электромагнитным полюсам статора в каждом ряду за счет взаимодействия их магнитных полей, что приводит к увеличению крутящего момента и повышению КПД двигателя.

Расположение на диске управления по его окружности пакетов из электротехнической стали длиной «L», превышающей расстояние между ними «Н», обеспечивает попеременную подачу тока на каждый ряд электромагнитных полюсов статора при их прохождении через трансформаторы управления (Тр1 и Тр2), что обеспечивает поочередную подачу тока на ряды электромагнитных полюсов, в результате чего соответственно и происходит попеременное притягивание активных частей каждой секции ротора, при котором работают одновременно все электромагнитные полюса одного ряда, затем одновременно все электромагнитные полюса другого ряда, что и приводит к постоянному вращению ротора.

Выполнение концов электромагнитных полюсов наименьшей длины в виде короткого магнитопровода разноименной полярности увеличивает силу притяжения активных частей ротора за счет прямо направленного магнитного потока электромагнитных полюсов статора на активные части ротора, что приводит к минимальным потерям в электротехнической стали электромагнитных полюсов и одновременно к увеличению силы притяжения активных частей ротора, в результате чего крутящий момент двигателя увеличивается.

Использование в электрической цепи трансформаторов Тр1 и Тр2 обеспечивает индуктирование напряжения в управляющей обмотке напряжения К2 или К2¹ на открытие симметрических тиристоров Т1 или Т2, включающие в сеть поочередно ряды электромагнитных полюсов статора с малым напряжением, которое регулируется пусковыми сопротивлениями R1 и R2.

Включение симметрических тиристоров Т1 и Т2 в электрическую схему электродвигателя обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный через диодные выпрямители В1 и В2, обладающие односторонней электрической проводимостью и служащие для преобразования частоты и переключения электрической цепи двигателя, а также попеременную подачу напряжения на электромагнитные полюса от 0 до максимальных оборотов с малыми токами управления за счет подачи управляемого напряжения от трансформаторов Тр1 и Тр2 на управляющий электрод тиристоров, что приводит к уменьшению потерь электрической энергии во время пуска. А напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристоров Т1 или Т2 через регулируемое сопротивление R1 или R2, позволяет плавно запускать электродвигатель без потерь электрического тока во время пуска.

На фиг.1 - изображен общий вид однофазного электродвигателя переменного тока, продольный разрез;

на фиг.2 - разрез В-В на фиг.1, показано расположение одной секции ротора между электромагнитными полюсами одного ряда статора;

на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, показано смещение рядов электромагнитных полюсов на полшага;

на фиг.4 показано расположение на валу ротора, состоящего из двух секций, снабженных активными частями, расположенных равномерно по окружности каждой секции, и расположение на валу диска управления, снабженного пакетами электротехнической стали, входящие в прорези трансформаторов управления;

на фиг.5 - разрез А-А, показано расположение пакетов в пазах диска управления и расположение трансформаторов относительно диска управления;

на фиг.6 показан вид I на фиг.4, размещение в прорези трансформатора одного из пакетов диска управления;

на фиг.7 показан общий вид электродвигателя в аксонометрии;

на фиг.8 представлена электрическая схема электродвигателя.

Однофазный электрический двигатель переменного тока содержит статор 1 (фиг.1), внутри которого на валу 2 расположен ротор 3, состоящий из двух секций 3а и 3в, и диск управления 4. Диск управления 4 связан с трансформаторами управления Тр1 и Тр2, включенными в электрическую схему двигателя (фиг.8). Статор 1 представляет собой конструкцию, состоящую из цилиндрического корпуса, на внутренней поверхности которого по его длине закреплены два ряда электромагнитных полюсов 5 и 6, подключенные к электрической схеме двигателя. В каждом ряду электромагнитные полюса 5 и 6 расположены равномерно по окружности статора (фиг.2, 3) с одинаковым количеством в каждом ряду. Количество электромагнитных полюсов 5 и 6 зависит от мощности двигателя, чем больше электромагнитных полюсов в каждом ряду, тем выше крутящий момент и сильнее обеспечивается поворот ротора 3. В примере конкретного выполнения количество электромагнитных полюсов в каждом ряду равно шести. Ряды электромагнитных полюсов 5 и 6 сдвинуты по окружности статора 1 относительно друг друга на полшага «С/2», равного половине расстояния между осями двух соседних электромагнитных полюсов «С». Электромагнитные полюса 5 и 6 служат для создания рабочего магнитного поля вокруг каждого из них и выполнены в виде П-образного сердечника 7, набранного из изолированных листов электротехнической стали, на стержнях которого установлены обмотки 8 (фиг.1-3). Для повышения крутящего момента полярность (S и N) электромагнитных полюсов 5 и 6 в каждом ряду чередуется (фиг.2, 8), возникает при подаче напряжения на эти полюса. В статоре электромагнитные полюса 5 и 6 закреплены наклонно по касательной к окружности ротора 3 в противоположную сторону его вращения (фиг.2, 3). Ротор 3 состоит из двух секций 3а и 3в (фиг.1, 4), секции изготовлены из немагнитного материала, например из алюминия. На каждой секции 3а и 3в равномерно по их окружности закреплены активные части 9, выполненные в виде пакетов из изолированных листов электротехнической стали. Количество активных частей 9 ротора 3 равно количеству электромагнитных полюсов 5 и 6 в каждом ряду статора 1 и равно шести. Каждая секция ротора 3а и 3в расположена внутри одного ряда электромагнитных полюсов 5 и 6 статора 1 (фиг.1, 7) соответственно. Между электромагнитными полюсами 5 и 6 и активными частями 9 существует минимальный зазор 10, равный 0,1-1,0 мм (фиг.2, 3). Статор 1 с обеих сторон закрыт торцевыми крышками 11 (фиг.1, 7) с центральными отверстиями, в которых закреплены подшипники (на чертеже не показаны), служащие для установки в них вала 2. Один конец вала 2 выходит через центральное отверстие одной крышки 11 и подсоединен к валу электропривода, обеспечивающего передачу вращения к источнику потребления (на чертеже не показан). На валу 2 закреплен диск управления 4 (фиг.1, 4), также выполненный из немагнитного материала, например из алюминия. По окружности диска управления 4 равномерно выполнены пазы, в которых закреплены пакеты 12 из изолированных листов электротехнической стали (фиг.5, 6). Количество пакетов 12 на диске управления 4 также соответствует количеству электромагнитных полюсов 5 и 6 статора 1 и активных частей 9 на секциях 3а и 3в ротора 3 и равно шести. Пакеты 12 и активные части 9 ротора 3 расположены на одной прямой с возможностью их синхронного вращения. Диск управления 4 с двух сторон входит в прорезь 13 (фиг.1, 4, 6), выполненную в сердечниках трансформаторов управления Тр1 и Тр2. Трансформаторы Тр1 и Тр2 содержат сердечник 14, на котором закреплены соответственно катушки питания сети К1 и К1¹ и катушки управления К2 и К2¹ тиристорами Т1 и Т2 электрической схемы двигателя (фиг.1, 4, 8). Ширина прорези 13 равна толщине диска управления 4 с минимальным зазором, равным 0,1-1,0 мм. Это связано с тем, что когда пакеты 12 диска управления 4 выходят из прорези 13 трансформаторов Тр1 или Тр2, в катушках К2 и К2¹ цепей управления соответственно напряжение равно 0 и один из тиристоров Т1 или Т2 закрывается. Один из трансформаторов Тр1 или Тр2 подвижный и служит для регулировки точного захода в прорезь диска управления 4 и начала подачи тока в катушки К1 или К2 соответственно и подачи электрических импульсов для открывания тиристоров Т1 или Т2. Катушки К1 и К1¹ трансформаторов Тр1 и Тр2 подключены к сети переменного тока и рассчитаны на напряжение питания электродвигателя. Длина «L» каждого пакета 12 на диске управления 4 превышает расстояние «Н» между ними и выбрана таким образом, чтобы один из пакетов 12 диска управления 4 обязательно находился в одном из трансформаторов Тр1 или Тр2 и при выходе его из одного из них, второй, диаметрально расположенный ему пакет, входит в другой трансформатор Тр2, что приводит к постоянному вращению ротора 3, а соответственно и диска управления 4. Катушки К2 и К2¹ трансформаторов Тр1 и Тр2 установлены в цепи управления тиристорами Т1 и Т2 соответственно, выполняющими функции переключающих устройств. Сопротивления R1 и R2 электрической схемы (фиг.8) регулируют запуск и работу электродвигателя, а диодные выпрямители В1 и В2 обеспечивают преобразование переменного тока в постоянный при подаче его на электромагнитные полюса 5 и 6.

Двигатель работает следующим образом.

Принцип работы двигателя основан на законах электричества и магнетизма, действующих одновременно, а именно на электромагнитном взаимодействии тока и магнитного поля. При подключении к сети переменного тока на каждом электромагнитном полюсе 5 и 6 статора 1 поочередно возникает магнитное поле, которое притягивает к этим полюсам соответствующие активные части 3а и 3в ротора 3, выполненные также из материала, обладающего магнитными свойствами, что и приводит ротор во вращение, которое далее используется по назначению.

Двигатель работает от однофазного переменного тока с последующим преобразованием его в постоянный ток. При подключении к сети двигателя в одной из катушек питания К1 или К1¹ трансформаторов Тр1 или Тр2 соответственно возникает магнитное поле. В это время в прорези одного из трансформаторов Тр1 или Тр2 находится один из пакетов 12 диска управления 4, например трансформатора Тр1. За счет того что катушки питания К1 и К2 каждого трансформатора индуктивно связаны между собой, одновременно в катушке управления К2 трансформатора Тр1 появляется напряжение, которое открывает тиристор Т1. Ток через диодный выпрямитель В1 поступает на электромагнитные полюса 5 одного ряда статора 1. Каждый электромагнитный полюс 5 этого ряда намагничивается и притягивают к себе ближайшую к нему активную часть 9 секции 3а ротора 3. Ротор 3 проворачивается на полшага. Как только ротор провернется, находящийся в трансформаторе Тр1 пакет 12 диска управления 4 выходит из трансформатора Тр1, а другой пакет 12 входит в прорезь трансформатора Тр2. В катушке управления К2¹ появляется напряжение, которое открывает тиристор Т2 и ток через диодный выпрямитель В2 поступает на электромагнитные полюса 6 другого ряда статора 1. Каждый электромагнитный полюс 6 другого ряда также намагничивается и притягивает к себе ближайшую к нему активную часть 9 секции 3в ротора 3. Ротор 3 снова проворачивается на полшага. Далее процесс повторяется. Таким образом, попеременно в каждом ряду электромагнитные полюса 5 или 6 обтекаются током и намагничиваются, вокруг каждого из них создается собственное магнитное поле, которое и притягивает ближайшую к нему обладающую магнитными свойствами активную часть 9 секций 3а или 3в ротора 3, соответственно и проворачивает его. За счет того, что концы каждого электромагнитного полюса 5 и 6 имеют разную полярность (S и N) и расположены по окружности статора 1 в каждом ряду с чередованием их полярности, сила притяжения активных частей секций 3а и 3в ротора увеличивается, в результате чего крутящий момент двигателя увеличивается.

Предлагаемый электрический двигатель можно изготовить реверсивным, тогда к статору добавляется по длине аналогичная секция, снабженная двумя рядами электромагнитных полюсов, но направленных в обратную сторону, и устанавливается переключатель управления электромагнитными полюсами в электрической схеме двигателя. Ротор при этом также соответственно удлиняется на две секции, а все остальное остается без изменения. В предлагаемом двигателе отсутствуют обмотки ротора и статора, отсутствуют якорь и щетки, вместо них используются обычные электромагнитные полюса из электротехнической стали, что значительно упрощает его изготовление.

Предлагаемая конструкция обеспечивает снижение потерь электроэнергии на 15-20% и повышение КПД за счет снижения затрат энергии источника тока на создание магнитного поля в секциях ротора при изменении направления тока в них.

Изобретение относится к области электротехники и касается конструкции бесконтактных электрических двигателей, предназначенных для использования в промышленности в качестве электроприводов механизмов большой и средней мощности, работающих от сети однофазного переменного тока, преобразующих электрическую энергию в механическую, например, на электрифицированных железных дорогах в электровозах, электротранспорте. Технический результат, достигаемый изобретением - упрощение конструкций двигателя при одновременном повышении коэффициента полезного действия и повышение крутящего момента. Указанный технический результат достигают тем, что в однофазном электрическом двигателе переменного тока, содержащем неподвижную цилиндрическую часть в виде статора, в полости которого расположен вал, установленный в подшипниках торцевых крышек, с закрепленным на нем ротором, пакеты из изолированных листов электротехнической стали, на внутренней поверхности статора равномерно по его окружности закреплены два ряда электромагнитных полюсов, установленных наклонно по касательной к окружности ротора в противоположную сторону его вращения, причем ряды электромагнитных полюсов смещены относительно друг друга по окружности статора на полшага, равного половине расстояния между электромагнитными полюсами, кроме того, двигатель снабжен диском управления, закрепленным на валу ротора, по окружности которого в его пазах равномерно закреплены пакеты из изолированных листов электротехнической стали, входящие в прорезь трансформаторов управления, количество пакетов соответствует количеству активных частей ротора и количеству электромагнитных полюсов статора, при этом пакеты на диске управления расположены симметрично активным частям ротора с возможностью их синхронного вращения. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Однофазный электрический двигатель переменного тока, содержащий неподвижную цилиндрическую часть в виде статора, в полости которого расположен вал, установленный в подшипниках торцевых крышек, с закрепленным на нем ротором, пакеты из изолированных листов электротехнической стали, отличающийся тем, что на внутренней поверхности статора равномерно по его окружности закреплены два ряда электромагнитных полюсов, установленных наклонно по касательной к окружности ротора в противоположную сторону его вращения, причем ряды электромагнитных полюсов смещены относительно друг друга по окружности статора на полшага, равного половине расстояния между электромагнитными полюсами, кроме того, двигатель снабжен диском управления, закрепленным на валу ротора, по окружности которого в его пазах равномерно закреплены пакеты из изолированных листов электротехнической стали, входящие в прорезь трансформаторов управления, количество пакетов соответствует количеству активных частей ротора и количеству электромагнитных полюсов статора, при этом пакеты на диске управления расположены симметрично активным частям ротора с возможностью их синхронного вращения.2. Однофазный электрический двигатель переменного тока по п.1, отличающийся тем, что каждый электромагнитный полюс статора выполнен в виде П-образного сердечника из изолированных листов электротехнической стали, на стержнях которого расположены обмотки, причем концы электромагнитных полюсов в каждом ряду выполнены с разноименной полярностью.3. Однофазный электрический двигатель переменного тока по п.1, отличающийся тем, что секции ротора и диск управления трансформаторами выполнены из немагнитного материала.4. Однофазный электрический двигатель переменного тока по п.1, отличающийся тем, что длина каждого из пакетов, размещенного по окружности диска управления, превышает расстояние между ними.