ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2088029

ДВУХФАЗНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ДВУХФАЗНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Имя изобретателя: Ефименко Е.И.
Имя патентообладателя: Чувашский государственный университет
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 10.01.1995

Область использования: асинхронные и синхронные двигатели малой мощности. Сущность изобретения: магнитопровод статора двигателя состоит из кольцевого разомкнутого ярма, кольцевой магнитной обоймы и трех полюсов, шихтованных из пластин, плоскости которых параллельны радиальной плоскости, проходящей через ось данного полюса и ось двигателя, ярмо и магнитная обойма шихтуются обычным образом из листов, плоскости которых перпендикулярны оси машины, полюса установлены в пазах выполненных на внешней поверхности цилиндрической обоймы, два полюса расположены диаметрально противоположно друг другу, а третий полюс расположен посередине между ними, в обойме диаметрально среднему полюсу выполнена прорезь, на внешней поверхности обоймы выполнены четыре выступа, радиальные оси которых расположены под углами в 45o к осям полюсов, кольцевое разомкнутое ярмо напрессовано на выступы обоймы и полюса, одна фаза обмотки включает в себя две катушки, расположенные по обе стороны от среднего полюса, а ругая состоит из двух полуфаз, каждая из которых включает в себя две катушки, расположенные по обе стороны от каждого из двух других полюсов. Технический результат: уменьшение расхода активных материалов, повышение технологичности и уменьшение трудоемкости, улучшение рабочих характеристик.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано при производстве асинхронных и синхронных двигателей малой мощности, предназначенных для питания от однофазной сети. Такие двигатели по своему внутреннему устройству обычно являются двухфазными, причем одна фаза включается в сеть непосредственно, а другая через фазосмещающий элемент (чаще всего конденсатор). Обычно обмотка статора выполняется распределенной по его пазам, причем она укладывается в пазы или вручную, что представляет очень трудоемкую операцию, или с помощью дорогостоящих, сложных и ненадежных станков, требующих постоянной профилактики и наладки.

Для уменьшения трудоемкости изготовления и повышения технологичности двигателя малой мощности выполняют с сосредоточенными обмотками на статоре, например, асинхронные двигатели серии ДКВ [1]

Прототипом предлагаемого изобретения является двухфазный конденсаторный двигатель, предназначенный для питания от однофазной сети, [2] с. 15, рис. 1.3, б. В этом двигателе статор выполняется разъемным. Полюсная система состоит из четырех явно выраженных полюсов, противоположные пары которых принадлежат одной из фаз, полюсные наконечники всех четырех полюсов одинаковы и соединяются между собой перемычками, в результате чего образуется единая крестовина полюсов, которая запрессовывается в ярмо статора. Катушка обмотки статора наматываются отдельно на специальные каркасы, надеваются на полюса до запрессовывания последних в ярмо статора.

Несмотря на четыре явновыраженных полюса в магнитной системе статора, каждая его фаза создает двухполюсное магнитное поле. Катушка каждой фазы занимает два противоположных полюса, а зона действия магнитного поля фазы простирается лишь на половину окружности ротора. Отсюда вытекает основные недостатки этих двигателей плохое использование по основной (двухполюсной) пространственной гармоник поля (фазы действуют "рядом" друг с другом, их зоны действия не перекрывают друг друга, как в машинах с обмоткой, распределяемой по пазам). Кроме того, кривая индукции поля каждой фазы близка к прямоугольной, причем ширина прямоугольника равна половине полупериода кривой, у второй половины полупериода индукция данной фазы имеет нулевое значение (там располагается поле другой фазы). Такая прямоугольная кривая имеет такое же высокое удельное содержание высших пространственных гармонических, как и прямоугольная кривая без нулевых полочек, когда ширина прямоугольника равна всему полюсному делению.

В предлагаемом электродвигателе достигаются уменьшение расхода активных материалов, повышение технологичности и уменьшение трудоемкости изготовления двигателя, а также возможность регулирования формы кривой распределения магнитного поля в зазоре машины за счет выбора конструктивных соотношений в магнитопроводе статора, в результате чего можно улучшить рабочие характеристики двигателя.

Предлагается двухфазный двигатель переменного тока, содержащий разъемный статор с явновыраженными полюсами и с двухфазной обмоткой, состоящей из вставных катушек, наматываемых и изолируемых отдельно, в котором статор содержит три полюса, шихтованные из пластин, плоскости которых параллельны радиальной плоскости, проходящей через ось данного полюса и ось двигателя, полюса установлены в пазах, выполненных на внешней поверхности цилиндрической обоймы, шихтованной из пластин, перпендикулярных пластинам полюсов, два полюса расположены диаметрально противоположно друг другу, третий расположен посередине между ними, в обойме диаметрально противоположно среднему полюсу выполнена прорезь, препятствующая замыканию потока мимо ротора, на внешней поверхности обоймы выполнены четыре выступа, радиальные оси которых расположены под углами 45o к осям полюсов, на выступы и полюса напрессовано кольцевое ярмо, разомкнутое между двумя выступами обоймы, размещенные по обе стороны от прорези в ней, а катушки двухфазной обмотки расположены на ярме, причем одна из фаз состоит из двух катушек, расположенных по обе стороны от среднего полюса, а другая из двух полуфаз, каждая из которых включает в себя две катушки, расположенные по обе стороны каждого из двух других полюсов.

поперечный разрез предлагаемого электродвигателя. На чертеже показан поперечный разрез предлагаемого электродвигателя. Магнитопровод статора состоит из кольцевого разомкнутого ярма 1, кольцевой магнитной обоймы 2 и трех полюсов 3, 4, 5, шихтованных из пластин, плоскости которых параллельны радиальной плоскости, проходящей через ось данного полюса и ось двигателя. Ярмо 1 и магнитная обойма 2 шихтуются обычным образом из листов, плоскости которых перпендикулярны оси машины. Полюса 3-5 установлены в пазах, выполненных на внешней поверхности цилиндрической обоймы 2. Полюса 4 и 5 расположены диаметрально противоположно друг другу, полюс 3 расположен посередине между ними, в обойме 2 диаметрально среднему полюсу 3 выполнена прорезь 6, препятствующая замыканию потока фазы, состоящей из катушек 7 и 8, мимо ротора. На внешней поверхности обоймы 2 выполнены четыре выступа, радиальные оси которых расположены под углами в 45o к осям полюсов. Кольцевое разомкнутое ярмо 1 напрессовано на выступы обоймы 2 и полюса 3-5. Ярмо должно быть разомкнуто для того, чтобы силовые линии поля, создаваемого фазой, состоящей из катушек 7 и 8, не замыкались вкруговую мимо ротора, а также для возможности заведения катушек обмотки статора 7-12 на своим места до запрессовывания ярма. Часть ярма против прорези 6 между двумя примыкающими к ней выступами отсутствует. Катушки 7-12 обмотки статора наматываются отдельно на каркасах и надеваются на ярмо со стороны разомкнутой его части перед запрессовыванием в него магнитной обоймы 2 и полюсов 3-5. Внутренние стороны катушек располагаются между выступами магнитной вставки и полюсами, одна фаза обмотки включает в себя две катушки 7 и 8, расположенные по обе стороны от среднего полюса 3, а другая состоит из двух полуфаз, каждая из которых включает в себя две катушки (9, 10, 11, 12), расположенные по обе стороны от каждого из двух других полюсов (4 и 5).

Катушки фаз соединяются между собой таким образом, что ось поля фазы, состоящей из катушек 7 и 8, совпадает с осью полюсов 4 и 5 (силовые линии этого поля имеют на чертеже горизонтальные стрелки), а ось поля фазы, состоящей из катушек 9 и 10, 11 и 12, совпадает с осью полюса 3 и прорези 6 (стрелки силовых линий этого поля вертикальны).

Двигатель работает следующим образом. Каждая фаза статора при ее включении под напряжение создает пульсирующее магнитное поле. Распределение полей фаз в пространстве, от характера которого зависят свойства двигателя, определяется конструкцией двигателя. Так, часть поля фазы катушек 7, 8 проникает в ротор через выступы магнитной обоймы и полюса 4, 5. Силовые линии этого поля имеют на чертеже горизонтальные стрелки, его ось совпадает с осью полюсов 4, 5. Поле этой фазы действует на всей окружности ротора и характер его распределения можно регулировать, изменяя соотношения между шириной полюса, выступов магнитной обоймы, толщиной кольцевой части магнитной обоймы и диаметром отверстий в выступах обоймы (которые нужны для стяжки пакета листов вставки). Для его усиления в месте расположения полюсов 4 и 5 (именно здесь индукция этого поля должна быть максимальной) и предназначены эти полюса.

Ось поля другой фазы, состоящей из полуфаз 9, 10 и 11, 12, совпадая с осью полюса 3, сдвинуто в пространстве на 90o по отношению к полю фазы 7, 8. Силовые линии этого поля имеют на чертеже вертикальные стрелки. Если поля двух фаз пульсируют и со сдвигом во времени (что должно обеспечиваться системой питания), то результирующее поле будет вращаться, что и является основным требованием к полю статора двигателя переменного тока. При этом будет создаваться вращающий электромагнитный момент, действующий на ротор (в асинхронном двигателе за счет токов, наведенных вращающимся полем статора в короткозамкнутой обмотке ротора, в синхронном двигателе с возбуждением на роторе за счет взаимодействия вращающегося поля статора и поля возбуждения ротора, в синхронном реактивном двигателе за счет стремления силовых линий вращающегося поля статора замкнуться по оси ротора с меньшим магнитным сопротивлением; во всех трех типах двигателей конструкция статора может быть одной и той же такой, как показано на чертеже).

Для усиления этого поля по вертикальной оси служит полюс 3. Однако диаметрально с этим полюсом (на месте прорези 6) нельзя размещать еще один полюс, так как он должен был бы быть, как и полюса 3-5, охвачен снаружи ярмом, что, во-первых, привело бы к замыканию поля фазы 7-8 по ярму вкруговую, минуя ротор, а во-вторых, при замкнутом ярме исчезла бы возможность надевать на него катушки 7-11.

В предлагаемом двигателе, как и в машинах с распределенной обмоткой, зоны действия двух фаз перекрывают друг друга, каждая фаза создает поле по всей окружности зазора. Распределение поля каждой фазы может быть близким к синусоидальному и регулироваться за счет выбора конструктивных соотношений в магнитопроводе статора: ширины полюса, толщины кольцевой обоймы, толщины ее части под полюсом, ширины выступов обоймы, диаметра отверстий в них (под стяжные шпильки или заклепки). При распределении поля по закону, близкому к синусоидальному, уменьшается отрицательное влияние высших пространственных гармоник, улучшаются рабочие характеристики двигателя.

Сопряжение взаимно перпендикулярных пластин полюсов 3-5 и магнитной обоймы 2 обеспечивает специальный эффект: магнитная проводимость поперек узкой полоски обоймы под полюсом для поля, силовые линии которого проходят по этому полюсу, и проводимость для поля, силовые линии которого стремятся пройти вдоль полоски, существенно различны: если поперек полоски поле проходит практически беспрепятственно, то поле, стремящееся пройти вдоль узкой "подполюсной" части вставки, насыщает ее вдоль этого направления" и, встречая большое магнитное сопротивление, вытесняется в ротор. Поперек же листов полюсов это поле также практически не проходит.

В результате участки магнитной системы статора приобретают "избирательную" магнитную проводимость, способствующую получению требуемого закона распределения в зазоре машины магнитных полей двух фаз: там, где поле одной фазы максимально и созданы все условия для максимальной магнитной проводимости этому полю, силовые линии другой фазы встречают наибольшее магнитное сопротивление, вытесняется в ротор и кривая его распределения проходит через ноль. Это и требуется в двухфазных машинах, где кривые распределения полей разных фаз сдвинуты на четверть периода.

При намотке катушек вокруг ярма существенно уменьшаются длина витка и расход меди по сравнению с двигателями, имеющими распределенные обмотки, и даже с явнополюсными двигателями, например по сравнению с прототипом. Экономия меди достигается несмотря на то, что катушки одной из фаз (9 и 10, 11 и 12) использованы лишь наполовину, так как с каждой из этих катушек сцеплена лишь половина потока фазы. Зато катушки другой фазы (7 и 8) сцеплены со всем ее потоком и использованы полностью. Для уменьшения расхода как меди, так и электротехнической стали ярмо 1 может иметь ступенчатое сечение (как показано на чертеже), участки ярма с меньшим потоком можно выполнить с меньшей толщиной.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Двухфазный двигатель переменного тока, содержащий разъемный статор с явно выраженными полюсами и с двухфазной обмоткой, состоящей из вставных катушек, наматываемых и изолируемых отдельно, отличающийся тем, что статор содержит три полюса, шихтованные из пластин, плоскости которых параллельны радиальной плоскости, проходящей через ось данного полюса и ось двигателя, полюса установлены в пазах, выполненных на внешней поверхности цилиндрической обоймы, шихтованной из пластин, перпендикулярных пластинам полюсов, два полюса расположены диаметрально противоположно друг другу, третий расположен посередине между ними, в обойме диаметрально среднему полюсу выполнена прорезь, препятствующая замыканию потока мимо ротора, на внешней поверхности обоймы выполнены четыре выступа, радиальные оси которых расположены под углами 45o к осям полюсов, на выступы и полюсы напрессовано кольцевое ярмо, разомкнутое между двумя выступами обоймы, размещенными по обе стороны от прорези в ней, а катушка двухфазной обмотки расположена на ярме, причем одна из фаз состоит из двух катушек, расположенных по обе стороны от среднего полюса, а другая из двух полуфаз, каждая из которых включает в себя две катушки, расположенные по обе стороны каждого из двух других полюсов.

Версия для печати


вверх