двухфазный двигатель переменного тока

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 45^o 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.

Описание изобретения к патенту

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 45^o 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.

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 45^o 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 90^o 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.