Однофазный асинхронный двигатель с фазным ротором Российский патент 2025 года по МПК H02K17/04 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к однофазным асинхронным электродвигателям, и может использоваться в однофазных сетях, например, для металлообрабатывающих, деревообрабатывающих станков, для трамваев, троллейбусов и пригородных электричек в качестве тяговых двигателей.

Известен однофазный асинхронный генератор, содержащий статор с трехфазной обмоткой, соединенной по схеме треугольника, к первым двум вершинам которого подключена активно-индуктивная нагрузка, конденсатор возбуждения, подключенный первым выводом к одной из вершин треугольника, соединенной с нагрузкой, а другим выводом к свободной третьей вершине треугольника, и ротор генератора выполненный короткозамкнутым, а параллельно фазе обмотки статора, соединенной с первыми двумя вершинами треугольника, через тумблер подключен конденсатор форсирования возбуждения (RU 14702).

Известна электрическая машина, содержащая бесколлекторный ротор и статор с катушками обмотки и управляющим устройством. Катушки обмотки статора представляют собой систему радиальных и/или тангенциальных катушек, последовательно и/или встречно соединенных, каждая из которых имеет электрические выводы. Управляющее устройство выполнено с возможностью соединения своими электрическими контактами с электрическими выводами соответствующих катушек с обеспечением управления подачей электрического тока в соответствующие катушки обмотки статора и реализации во времени заданного магнитного поля статора, в том числе вращающегося или перемещающегося возвратно-поступательно в зависимости от пространственного положения ротора, совершающего вращательное или возвратно-поступательное движение (RU 2600311).

Известен однофазный асинхронный электродвигатель содержащий ротор и статор с пазами, в которых размещены основная и вспомогательная обмотки, образующие неявновыраженные полюса со смещением магнитных осей по отношению друг к другу на половину полюсного деления. В ярме статора в области пазов, расположенных в зонах магнитных осей основной обмотки, выполнены немагнитные зазоры с образованием мостиков насыщения (RU 2510120).

Известен однофазный асинхронный электродвигатель, содержащий ротор и статор с пазами, в которых размещены основная и вспомогательная обмотки со смещением магнитных осей по отношению друг к другу на половину полюсного деления. В статоре в области пазов, расположенных в зонах магнитных осей основной обмотки, размещены дополнительные обмотки, магнитные оси которых направлены в радиальном направлении ярма статора (RU 2585280).

Принцип вращающейся магнитно движущей силы MDC и создаваемого ею вращающегося магнитного поля является одним из важнейших принципов электромеханики. Он был открыт и математически сформулирован Галилео Феррарисом в 1885 году для системы однофазного тока. Это позволило М.О. Доливо-Добровольскому применить его для системы трехфазного тока и создать трехфазный асинхронный двигатель как один из важнейших типов электрических машин (книга Л.М. Пиотровского «Электрические машины» 1963 г., с. 293).

Трехфазная система электроснабжения является основой во всем мире, однофазная система электроснабжения преобладает за понизительными подстанциями как правило для бытовых целей, в многочисленных домовладениях, уличном освещении и т.д. Отдельный случай использования однофазных и двухфазных систем представляют некоторые виды двухпроводного электротранспорта где также используется и постоянный ток.

В трехфазных, однофазных и двухфазных электродвигателях известных моделей, момент вращения роторов в заданном направлении возникает в связи с фазовым смещением токов в их рабочих обмотках смещенных относительно друг друга по окружности статора, или другими словами из-за последовательной разности во времени появления и исчезновения переменного тока питающей сети в рабочих обмотках этих двигателей, смещенных относительно друг друга по окружности.

В однофазной сети трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором не используются, специализированные однофазные асинхронные двигатели с фазным ротором не найдены, нет описания таких машин в электротехнической литературе, учебниках по электрическим машинам, существуют достаточно компетентные учебные ролики по обучению теории однофазных машин в интернете, но возможность существования однофазной машины с фазным ротором там не рассматривается.

Задача изобретения состоит в упрощение конструкции управляемого по скорости вращения однофазного асинхронного двигателя.

Задача решается за счет сущности заявляемого однофазного асинхронного двигателя с фазным ротором, состоящего из неподвижного статора который имеет однофазную рабочую обмотку без дополнительных фазосмещающих обмоток и магнитную систему состоящую из трех парных секторов на одну пару полюсов с равными угловыми размерами и чередующиеся друг за другом по окружности статора, и с установленным ротором с трехфазной обмоткой.

По сути, конструкция заявляемого двигателя представляет собой видоизмененную конструкцию трехфазной синхронной машины, выявляющей обратную связь обмотки возбуждения и якорной (рабочей) обмотки и предназначенной для работы на одной фазе, у которой обмотка возбуждения расположена на неподвижном статоре и выполняет функцию однофазной рабочей обмотки, а трехфазная обмотка расположена на вращающемся роторе и работает как вторичная обмотка трансформатора.

На фиг. 1 изображена электрическая схема заявляемого двигателя.

На фиг. 2 изображена общая схема двигателя (статора и ротора) и расположение статорной обмотки.

На фиг. 3 изображен вариант пластин магнитопровода ротора с неявновыраженными полюсными наконечниками для однослойной обмотки.

На фиг. 4 изображен вариант пластин магнитопровода ротора с явновыраженными полюсными наконечниками для однослойной обмотки.

На фиг. 5 изображен вариант пластин магнитопровода ротора с неявновыраженными полюсными наконечниками для двухслойной обмотки.

На фиг. 6 изображен вариант пластин магнитопровода ротора с явновыраженными полюсными наконечниками для двухслойной обмотки.

На фиг. 7 изображено расположение обмоток и форма электромагнитного поля на роторе с неявновыраженными полюсными наконечниками для однослойной обмотки.

На фиг. 8 изображено расположение обмоток и форма электромагнитного поля на роторе с явновыраженными полюсными наконечниками для однослойной обмотки.

На фиг. 9 изображено расположение обмоток и форма электромагнитного поля на роторе с неявновыраженными полюсными наконечниками для двуслойной обмотки.

На фиг. 10 изображено расположение обмоток и форма электромагнитного поля на роторе с явновыраженными полюсными наконечниками для двуслойной обмотки.

На фиг. 11 изображен вариант форм пластин магнитопровода статора для безреверсного двигателя.

На фиг. 12 вариант форм пластин магнитопровода статора для реверсного двигателя.

На фиг. 13 изображен вариант расположения обмоток на статоре реверсного двигателя.

На фиг. 14 изображен вариант расположения обмоток на статоре безреверсного двигателя.

На фиг. 15 изображена форма магнитного поля статорной обмотки без ротора.

(на фигурах прямыми стрелками показано расположение обмоток, изогнутые стрелки показывают направление магнитных силовых линий, знаками в виде крестиков и точек указано расположение обмоток и направление токов в них).

Заявляемое устройство состоит из неподвижного статора 1, с рабочей обмоткой 2 , которая в реверсном варианте, условно разделена на основную 2А и вспомогательную 2В и вращающегося ротора 3 с трехфазной обмоткой 4Z; 4Y; 4X.

Статорная магнитная система разделена на три парных сектора, они обозначены 5А, 5В, 6А, 6В, 7А,7В. Каждый парный сектор занимает по окружности статора 1 равные угловые доли, размер одной угловой доли в пределах 60°, для статора 1 с одной парой полюсов. Таким образом, каждый парный сектор занимает по две угловые доли на окружности статора 1, каждый парный сектор и принадлежащие им доли чередуются друг за другом по окружности статора 1. В двух парных секторах расположена рабочая обмотка 2, в третьем парном секторе 7А, 7В, магнитная ось рабочей обмотки 2.

Заявляемый двигатель может работать реверсивно, для этого рабочая обмотка 2 делится на основную 2А и вспомогательную 2В, при этом направление вращения двигателя определяет основная 2А обмотка, а сектора полюсного наконечника 7А, 7В должны иметь пазы для реверсной обмотки и соответственно реверсную обмотку расположенную в них (фиг. 13). В таком варианте двигателя, основная 2А обмотка статора 1 занимает один парный сектор 6А и 6В, а вспомогательная 2В обмотка занимает другой парный сектор 5А, 5В. При включении в работу основной 2А обмотки одного направления, обмотка другого направления должна быть обесточена, вспомогательная 2В обмотка расположенная между полюсных наконечников в секторе 5А и 5В. Остается в работе при переключении реверсных обмоток, при этом нужно соблюдать правильность переключения, таким образом чтобы магнитные потоки вспомогательной 2В и основной 2А обмоток совпадали.

На фиг. 2 показан вариант двигателя одностороннего вращения, на котором видно что рабочая обмотка 2 создает магнитный поток, основной частью направленный к парному сектору 7А и 7В, и создает на них разноименные магнитные полюса, кроме того часть магнитных потоков сдвигается к парному сектору 6А и 6В.

В центре статора 1 расположен ротор 3 с трехфазной обмоткой 4Z, 4Y, 4X которая позволяет изменять его сопротивление в процессе работы, за счет выведения концов обмотки к контактным кольцам 8 и обеспечивает вращение магнитного потока ротора 3. Таким образом, однофазная статорная 1 рабочая обмотка 2 двигателя является одной из возможных модификаций обмотки возбуждения трехфазной синхронной машины, позволяющей вынести ее на неподвижный статор 1, при том, что трехфазная обмотка 4Z, 4Y, 4X вынесена на вращающийся ротор 3 и работает как вторичная обмотка трансформатора.

Ротор 3 может быть выполнен в четырех вариантах, два варианта с однослойными трехфазными обмотками 4Z, 4Y, 4X (фиг. 7 и 8) и два варианта с двухслойными (фиг. 9 и 10) трехфазными обмотками 4Z, 4Y, 4X, концы роторных 3 обмоток 4Z, 4Y, 4X могут быть выведены к трем контактным кольцам 8 и через скользящие контакты 9 к переменным резисторам 10 (фиг. 1) для управления сопротивлением обмотки 4Z, 4Y, 4X. Роторные 3 магнитные системы состоят из парных секторов аналогично статорным 1. Структурное разделение всей магнитной системы двигателя на парные сектора обеспечивает необходимую магнитную симметрию формы магнитопроводов, взаимного расположения обмоток статора 1 и ротора 3, и является основой работоспособности двигателя.

Магнитопроводы всех вариантов ротора 3 набираются из листов электротехнической стали (фиг. 3-6). На фиг. 7 и 8 показано расположение одной из трех однослойных роторных 3 обмоток 4Z и магнитные потоки которые они создают. Любая из фазных обмоток 4Z, 4Y, 4Х ротора 3 отклонена на 120° по отношению к двум другим, при одной паре полюсов статора 1. Ротор 3 на фиг. 7, полностью заполнен пазами для обмоток, общее число пазов в таком роторе должно делиться на число шесть. На фиг. 9 и 10 показаны роторы 3 с двухслойными обмотками 4Z, 4Y, 4Х. Любая из трех роторных 3 обмоток 4Z, 4Y, 4Х наматывается на два полюсных наконечника, последовательно с равным числом витков. На фиг. 9 показано расположение одной из трех роторных 3 обмоток 4Z. Витки этой обмотки намотаны вокруг полюсных наконечников 11 и 13, формируя на них полюса разной полярности. Обмотка 4Y может быть намотана на полюсные наконечники 11 и 12. Обмотка 4Х соответственно на наконечники 12 и 13. На фиг. 10 показаны все три роторные 3 обмотки 4Z, 4Y, 4Х расположенные на полюсных наконечниках 11, 12, 13.

Объем пазов всех типов роторов 3, там где они имеются, должен быть близок по объему с пазами статора 1. Отклонение пазовых каналов на роторе 3, относительно оси его вращения, обязательно для всех моделей роторов 3 где они имеются, выраженные полюсные наконечники 11, 12, 13 всех типов, так-же должны иметь форму параллелограмма, к этому обязывает особая форма реакции якоря данного вида электромагнитной системы.

Описание работы двигателя.

Особенностью и отличием предлагаемого способа взаимодействия магнитных потоков в работе заявляемого однофазного электрического двигателя и создание устойчивого момента вращения роторов 3 в заданном направлении при любом показателе скольжения, является отклонение статорной 1 рабочей обмотки 2 и смещения создаваемого ею магнитного потока относительно положения явновыраженных полюсов магнитопровода статора 1, на ½ их угловой величины, от края полюсных наконечников до средней их части, расположив одну часть рабочей обмотки 2 между полюсных наконечников и другую ее часть в пазах полюсных наконечников, в равных долях по числу витков и сечению провода.

Создаваемое смещение магнитных потоков статорной 1 обмотки 2 под действием стали магнитопровода, создает условия двойственности функций рабочей обмотки 2 добавляя ей функции обмотки возбуждения, магнитный поток ротора 3 пересекает витки статорной 1 обмотки 2 расположенной в пазах полюсных наконечников, вызывая взаимный момент вращения статора 1 и ротора 3 в противоположные стороны. Осуществить реверс машины можно только изменив положение обмотки 2А в пазах полюсных наконечников статора 1 на противоположное. Направление вращения роторов 3 всегда направлено против угла смещения рабочей обмотки 2 относительно полюсов магнитопровода. Статорная 1 система двигателя взаимодействует только с трехфазной обмоткой 4Z, 4Y, 4X ротора 3. Роторы 3 машины представлены в четырех вариантах размещения обмоток 4Z, 4Y, 4X, все они предполагают отход от известных способов размещения трехфазных обмоток 4Z, 4Y, 4X в двух вариантах с однослойными обмотками, любая из фазных обмоток пересекает ротор 3 на две равные части с шириной магнитной оси 120°, в двух вариантах с двухслойными обмотками 4Z, 4Y, 4X любая из фазных обмоток 4Z, 4Y, 4X наматывается последовательно на два полюсных наконечника ротора 3 в равных долях по числу витков и сечению провода.

В реверсном варианте двигателя основная 2А и вспомогательная 2В рабочие обмотки 2 пересекаются (фиг. 13), в безреверсном варианте основная 2А и вспомогательная 2В рабочие обмотки 2 не пересекаются (фиг. 14).

В заявляемом однофазном двигателе с фазным ротором 3, осуществлена возможность управления величиной скольжения или скоростью вращения однофазного двигателя, путем изменения сопротивления роторной 3 обмотки 4Z, 4Y, 4X в процессе работы. Наличие момента вращения при любом уровне скольжения обеспечивается системой взаимодействия магнитных потоков статора 1 и ротора 3. Таким образом, предлагается одна из возможных форм взаимодействия магнитных потоков для электрического двигателя. Предлагаемая система отличается от аналогов тем, что статорная 1 рабочая обмотка 2 не нуждается в дополнительных фазосмещающих обмотках и фазосмещающих элементах, емкостных, индуктивных, активных и их различных комбинаций, не имеет полупроводниковых элементов и полупроводниковых систем управления, регулирования и контроля. Управление скоростью вращения двигателя осуществляется со стороны ротора 3, обмотка ротора 3 трехфазная 4Z, 4Y, 4X, концы роторной 3 обмотки 4Z, 4Y, 4X могут быть соединены в звезду и выведены к контактным кольцам 8 и через скользящие контакты 9 к переменным резисторам 10, статорная 1 рабочая обмотка 2 имеет два контактных вывода если нет реверсной обмотки.

Заявляемый однофазный двигатель с фазным ротором 3, дает возможность использовать в однофазной сети сравнительно мощные электродвигатели с возможностью изменять скорость вращения роторов 3. Система взаимодействия магнитных потоков двигателя обеспечивает устойчивый крутящий момент ротора 3 на любых скоростях вращения, без перегрузки питающей сети, без перегрева обмотки двигателя.

Таким образом, поставленная задача, выполнена.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к однофазным асинхронным электродвигателям. Технический результат - обеспечение устойчивого вращения однофазного асинхронного двигателя с фазным ротором. Однофазный асинхронный двигатель с фазным ротором включает в себя неподвижный статор, имеющий однофазную рабочую обмотку без дополнительных фазосмещающих обмоток, и магнитную систему, состоящую из трех парных секторов на одну пару полюсов с равными угловыми размерами, чередующихся друг за другом по окружности статора. Ротор имеет трехфазную обмотку. 15 ил.

Однофазный асинхронный двигатель с фазным ротором, отличающийся тем, что неподвижный статор имеет однофазную рабочую обмотку без дополнительных фазосмещающих обмоток и магнитную систему, состоящую из трех парных секторов на одну пару полюсов с равными угловыми размерами, чередующихся друг за другом по окружности статора, при этом ротор имеет трехфазную обмотку.