РЕГУЛИРУЕМЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Советский патент 1947 года по МПК H02K17/16 

Известны регулируемые асинхронные двигатели, у которых расточка поворотного вокруг диаметральной оси статора и короткозамкнутый ротор имеют сферическую активную поверхность.

Предлагаемое изобретение касается такого двигателя и состоит в особой форме его выполнения, характеризующейся тем, что ротор, выполненный в виде шара, имеет две степени свободы вращения вокруг двух перпендикулярных осей с целью регулирования скорости двигателя путем перераспределения скоростей указанных осей при повороте статора. В указанном двигателе ротор может быть составлен из двух полых полушарий и внутри их полости устроен карданный шарнир, одна из осей которого несет эти полушария, а другая выпущена наружу через кольцевую щель между полушариями.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, на которых показана конструкция двигателя, а на фиг. 4 - схематическая развертка четырехполюсного статора и ротора.

Два полых полушария 1 и 2 (фиг. 1, 2 и 3) жестко скреплены валом 3, составляя с ним и друг с другом одно целое и образуя правильный шар с диаметральной щелью. На валу закреплена шпонкой коническая шестерня 4. Вал сидит в двух горизонтальных радиально-упорных подшипниках, обеспечивающих его осевое фиксирование. Эти подшипники жестко укреплены во вращающейся вилке 5. Продолжениями вилки являются жестко скрепленные с ней трубчатая ось 7 на одном конце и ось 8 на другом конце. На этих осях вилка 5 вместе со своими подшипниками (и, следовательно, с валом 3) может вращаться вокруг осевой линии O₂-O₂ в радиально-упорных подшипниках 9 и 10, жестко укрепленных на неподвижной раме 11. В самой вилке имеются жестко скрепленные с ней вертикальные подшипники 12 и 13. В этих подшипниках сидит вал 14. Подшипники 12 и 13 образуют для вала 14 систему осевой фиксации. На валу 14 закреплена коническая шестерня 15, сцепленная с шестерней 4, вращаемой валом 3. Наконец, на валу 14 укреплена также и выходная шестерня 16.

Таким образом, в предлагаемой системе шар 1-2 укреплен на раме 11 с помощью устройства типа шарнира Кардана. Шар может свободно вращаться вокруг любой оси, проходящей через его центр (кроме оси O₃-O₃ и близких к ней). При этом выходная шестерня 16 вращается со скоростью, зависящей от положения оси вращения шара.

Чтобы не затемнить чертежа, балансир, уравновешивающий шестерню 4, не показан (он в точности подобен шестерне, но лишен зубцов и расположен симметрично ей относительно оси O₂-O₂).

Шар 1-2 выполнен из электротехнической стали, оба его полушария - литые и обработанные.

Шаровой ротор 1-2 опоясан кольцевым статором 17 асинхронного двигателя, создающим вращающееся поле, обегающее кольцо статора. Отличие от обычного статора заключается лишь в том, что его внутренняя (рабочая) поверхность - шаровидная.

Станина статора имеет оси 18, на которых она может поворачиваться вокруг оси O₃-O₃, проходящей через центр шара и перпендикулярной обеим осям О₁-O₁ и O₂-O₂ (повернутое положение статора показано пунктиром).

Коэфициент передачи между шестернями 4 и 15 должен быть равен трем или четырем.

Положение статора на оси О₁-О₁ можно назвать нейтральным. Если статор отклонен на угол α от нейтрального положения, то шар будет вращаться вокруг оси, совпадающей с наклоненной осью статора.

Предположим, что при повернутом статоре шар вращается только вокруг вертикальной оси O₂-O₂. Тогда под статором различные точки ротора будут иметь разную скорость. Отстающие от вращающегося поля точки будут стремиться догнать его, а опережающие - замедлиться, т.е. появится пара, под действием которой начнется вращение также и вокруг оси O₁-О₁ шара. Возникнут такие скорости вращения вокруг каждой из осей, что результирующее вращение шара установится вокруг оси, наклоненной к вертикальной оси (к O₂-O₂) под углом α.

Вращение вокруг оси O₃-O₃ даже в качестве составляющего движения - кинематически неоправдано, ибо невозможно вращение в плоскости, проходящей через обе оси O₁-O₁ и O₂-O₂ карданного шарнира.

Итак, вращение шара, происходящее с синхронной скоростью или близкой к ней, разложится на два вращения: вокруг оси О₁-О₁ и вокруг оси O₂-O₂. Если угловую скорость вращения поля (синхронную скорость) обозначить Ω₀, то соответственные угловые скорости вокруг указанных осей будут Ω₀ sinα и Ω₀ cosα. Таким образом, угловая скорость выходной шестерни 16 будет равна: Ω=Ω₀(k·sinα+cosα)s, где k - коэфициент передачи шестерен, s - скольжение.

Угол α изменяется примерно в пределах ±45°.

При k=4 имеем таблицу изменения скоростей:

Регулирование получается «неравноплечим».

Можно применить иной способ съема переменного вращения, сделав диапазон регулирования «равноплечим», но это усложнило бы конструкцию. Проще, в случае нужды, поставить внешний механический диференциал, дающий разность вращений валов 14 и 13.

Если статор четырехполюсный и синхронная скорость 1500 об/мин, то на выходе диапазон изменения скоростей получается от +5000 до -3000 об/мин с плавным переходом через нуль.

Развертка ротора фиг. 4 состоит из двух частей 19 и 20, соответствующих двум полушариям. В каждом полушарии входящий поток равен выходящему при всех положениях щели, так что магнитное поле в результате наличия щели не искажается.

Мощность двигателя при любой скорости определяется возможностью пропускания наибольшего тока, т.е. нагревом двигателя. Поэтому наибольший допустимый момент примерно постоянен при разных скоростях. При выходной скорости, равной нулю (α=15°), вращение шара не прекращается (в данном положении - холостое) и условия вентиляции не ухудшаются. Вообще очертания статора таковы, что он хорошо охлаждается. Целесообразно делать дополнительные радиальные отверстия в шаре с тем, чтобы центробежная вентиляция происходила не только у щели. При этом внутри шара должны быть предусмотрены ребра-закрылки.

Материал статора используется полностью, почти как в статоре обычного двигателя. Примерно 30% материала ротора (выступающая из статора часть) представляет собой надбавку по сравнению с количеством материала обычного ротора. Но и эта часть используется частично, уменьшая сопротивление ротора и улучшая охлаждение.

При массовом изготовлении двигателя может быть сделано приспособление, позволяющее поворачивать статор при его обточке в осях 18, тогда выточка шаровой поверхности не представит труда. Отделочная обработка шара также может производиться с проворачиванием его на осях. Центровка ротора отличается от обычной центровки только тем, что имеется осевая фиксация и должна быть предусмотрена осевая регулировка.

Предлагаемый двигатель позволяет сохранить положительные свойства синхронного двигателя - высокий к.п.д., отсутствие коллектора и коммутация, - и получить машину с плавным регулированием и плавным реверсом. Конструктивное и технологическое усложнение двигателя окупается указанными его преимуществами.

1. Регулируемый асинхронный двигатель, у которого расточка поворотного вокруг диаметральной оси статора и короткозамкнутый ротор имеют сферическую активную поверхность, отличающийся тем, что ротор, выполненный в виде шара, имеет две степени свободы вращения вокруг двух перпендикулярных осей с целью регулирования скорости двигателя путем перераспределения скоростей указанных осей при повороте статора.

2. Форма выполнения двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что ротор составлен из двух полых полушарий и внутри их полости устроен карданный шарнир, одна из осей которого несет эти полушария, а другая выпущена наружу через кольцевую щель между полушариями.