ОДНОФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
SINGLE-PHASE ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании электрических машин, в частности однофазных асинхронных электродвигателей с пусковой обмоткой.
Известна конструкция однофазного асинхронного электродвигателя с повышенным пусковым моментом, в котором короткозамкнутый ротор выполнен длиннее в сравнении с магнитопроводом статора с рабочей обмоткой, и в зоне, выступающей относительно статора, ротор охвачен двумя магнитопроводами, каждый из которых имеет С-образную форму и полюсные наконечники (Абрамов А.Д., Куделько А.Р. Однофазный асинхронный электродвигатель с повышенным пусковым моментом // Электричество, 1990, №12, стр.67-69). Данная конструкция предполагает увеличение габаритов и массы изделия в сравнении с традиционным однофазным электродвигателем с вспомогательной обмоткой, а также усложняет технологию его изготовления.
Известна конструкция статора однофазного асинхронного электродвигателя, содержащего сердечник с явно выраженными полюсами, в расточке которого размещена втулка из массивного ферромагнитного материала, состоящая по длине из нескольких частей, а в каждой части втулки в промежутке между соседними полюсами выполнены мостики насыщения, сдвинутые относительно друг друга по окружности в пределах указанного промежутка, а между рядом расположенными мостиками насыщения соседних частей втулки выполнены немагнитные промежутки (Патент РФ №1410203, Н02К 17/04, 1/14, опубл. 1988.07.15). Рассмотренная конструкция статора обеспечивает увеличение пускового момента до 8%, что, однако, в ряде случаев может оказаться недостаточным для обеспечения надежного пуска однофазного электродвигателя. Данная конструкция значительно усложняет технологию и повышает трудоемкость его изготовления.
Известна конструкция однофазного асинхронного электродвигателя (Патент РФ №2010410, МПК Н02К 17/04, опубл. 30.03.1994), содержащего статор с разъемным магнитопроводом, состоящим из ярма и полюсов в виде крестовины, в перемычках между полюсами которой имеются мостики насыщения, расположенные несимметрично относительно оси каждого полюса, обмотку возбуждения и ротор. Мостики насыщения в электродвигателе указанной конструкции предназначены для уменьшения величины магнитного потока, замыкающегося по магнитным перемычкам между полюсами, минуя воздушный зазор между статором и ротором, а также для улучшения формы распределения магнитного поля в воздушном зазоре. Таким образом, мостики насыщения в рассмотренной конструкции электродвигателя выполняют другую задачу и не влияют на ослабление магнитного потока ротора, который свободно может замыкаться по ярму 1. К недостаткам рассматриваемой конструкции следует отнести невысокий пусковой момент, сложность конструкции и повышенную трудоемкость его изготовления.
Известен также однофазный электродвигатель, выбранный в качестве прототипа (Патент РФ №2421865, МПК Н02К 17/08, опубл. 20.06.2011), содержащий ротор и статор с ярмом и двумя системами явно выраженных полюсов с полюсными наконечниками и с обмотками, смещенными по отношению друг к другу на половину полюсного деления системы, причем обмотки, размещенные на полюсах одной системы, образуют основную фазу, а на полюсах другой системы - вспомогательную фазу. По осям полюсов основной фазы и в прилегающем к ним ярме статора и полюсных наконечниках выполнены сквозные немагнитные зазоры. Ярмо выполнено единым для обеих систем полюсов, а полюсы вспомогательной фазы и прилегающие к ним ярмо статора и полюсные наконечники выполнены цельными.
Недостатком рассматриваемого устройства является сложная технология и повышенная трудоемкость его изготовления.
Задачей изобретения является упрощение технологии изготовления однофазного асинхронного электродвигателя с вспомогательной обмоткой.
Поставленная задача достигается тем, что однофазный электродвигатель так же, как в прототипе, содержит ротор и статор с ярмом и двумя системами явно выраженных полюсов с полюсными наконечниками и с обмотками, смещенными по отношению друг к другу на половину полюсного деления системы, причем обмотки, размещенные на полюсах одной системы, образуют основную фазу, а на полюсах другой системы - вспомогательную фазу, а по осям полюсов основной фазы и в прилегающем к ним ярме статора и полюсных наконечниках выполнены сквозные немагнитные зазоры, причем ярмо статора выполнено единым для обеих систем полюсов, а полюсы вспомогательной фазы и прилегающие к ним ярмо статора и полюсные наконечники выполнены цельными.
Согласно изобретению немагнитные зазоры полюсов основной фазы, прилегающего к ним ярма статора и полюсных наконечников выполнены с образованием мостиков насыщения в области или полюсов основной фазы, или прилегающего к ним ярма статора, или полюсных наконечников, или одновременно в области ярма статора и полюсных наконечников.
Технология изготовления предлагаемой конструкции электродвигателя значительно проще, чем у прототипа, так как ярмо статора, основные и вспомогательные полюсы, а также полюсные наконечники выполнены цельными, в результате чего не требуются дополнительные операции по взаимному позиционированию частей статора при сборке электродвигателя.
о
Выполнение немагнитных зазоров в полюсных наконечниках основных полюсов и в прилегающем к ним ярме статора с образованием мостиков насыщения в заявленной конструкции электродвигателя практически не влияет на величину основного магнитного потока Ф (фиг.1), создаваемого системой основных полюсов, и на электромагнитные параметры основной фазы статора вследствие выполнения полюсов вспомогательной фазы и прилегающих к ним ярму статора и полюсных наконечников цельными.
Таким образом, уменьшение индуктивности ротора в режимах пуска в конструкции однофазного электродвигателя с вспомогательной обмоткой на фиг.1 сопровождается снижением величины индуктивного сопротивления фазы ротора и, соответственно, повышением пускового момента электродвигателя, поскольку момент критический и скольжение критическое при этом возрастают (Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.196).
В сравнении с прототипом предлагаемая конструкция однофазного электродвигателя имеет существенно более простую технологию изготовления благодаря наличию мостиков насыщения в любой области ярма статора, основных полюсов или полюсных наконечников, являющихся основными существенными признаками заявленного изобретения. Благодаря наличию мостиков насыщения все части статора электродвигателя, а именно: ярмо статора, основные и вспомогательные полюсы, а также полюсные наконечники - образуют единую конструкцию и могут быть выполнены единовременно путем вырубки из листовой электротехнической стали. В прототипе ярмо статора раздельное и представляет собой две отдельные части, которые при сборке электродвигателя требуют дополнительных операций и технологической оснастки по их взаимному позиционированию. Кроме того, для прототипа обязательным является наличие корпуса, так как отдельные части ярма необходимо фиксировать в процессе производства и эксплуатации электродвигателя. В предложенной конструкции статор электродвигателя является цельным и может служить несущим элементом конструкции, то есть корпус не является обязательным элементом.
р
р
р
р
р
'
"
'
"
При выполнении немагнитных зазоров (фиг.2) в полюсных наконечниках основных полюсов, основных полюсах и в прилегающем к ним ярме статора с образованием мостиков насыщения магнитный поток ротора в режиме пуска электродвигателя (когда создаются максимальные магнитные потоки и происходит ограничение величины магнитного потока в мостиках насыщения) представляет совокупность двух магнитных потоков Ф  и Ф . Причем каждый из указанных магнитных потоков почти в два раза меньше магнитного потока Ф, поскольку они создаются уменьшенной (ориентировочно в два раза) магнитодвижущей силой ротора. Соответственно, каждый из магнитных потоков Ф  и Ф  охватывает меньшее число проводников ротора (ориентировочно в два раза) в сравнении с однофазным электродвигателем традиционной конструкции с вспомогательной обмоткой. В результате величина индуктивности ротора в конструкции однофазного электродвигателя с вспомогательной обмоткой (фиг.1-5) значительно уменьшается в режиме пуска. Одновременно с этим мостики насыщения выполняют и позиционирующую функцию, скрепляя и удерживая части ярма статора в виде цельной конструкции.
Следовательно, заявленное изобретение позволяет упростить технологию изготовления настолько, что она становится сопоставима с технологией изготовления электродвигателя традиционной конструкции, и одновременно с этим улучшает пусковые характеристики однофазного электродвигателя с вспомогательной обмоткой.
На фиг.1 представлен вариант активной части однофазного электродвигателя предлагаемой конструкции с вспомогательной обмоткой, у которого мостики насыщения расположены в наконечниках основных полюсов, с отображением силовых линий магнитного поля основных полюсов.
На фиг.2 приведен вариант выполнения активной части однофазного электродвигателя предлагаемой конструкции с вспомогательной обмоткой, у которого мостики насыщения расположены в наконечниках основных полюсов, с отображением силовых линий магнитного поля ротора.
На фиг.3 приведен вариант выполнения активной части однофазного электродвигателя предлагаемой конструкции с вспомогательной обмоткой, у которого мостики насыщения расположены в области основных полюсов, с отображением силовых линий магнитного поля основных полюсов.
На фиг.4 приведен вариант выполнения активной части однофазного электродвигателя предлагаемой конструкции с вспомогательной обмоткой, у которого мостики насыщения расположены во внешней части ярма статора, с отображением силовых линий магнитного поля основных полюсов.
На фиг.5. приведен вариант выполнения активной части однофазного электродвигателя предлагаемой конструкции с вспомогательной обмоткой, у которого мостики насыщения расположены в наконечниках основных полюсов и во внешней части ярма статора, с отображением силовых линий магнитного поля основных полюсов.
Предлагаемая конструкция однофазного электродвигателя (фиг.1) включает в себя ротор 1 с валом 2, статор 3 с ярмами 4, основные полюсы 5 и их полюсные наконечники 6 с основными обмотками 7, а также вспомогательные полюсы 8 и их полюсные наконечники 9 с вспомогательными обмотками 10. По осям основных полюсов 5 основной фазы и в прилегающем к ним ярме 4 статора 3 и полюсных наконечниках 6 выполнены немагнитные зазоры 11 с образованием мостиков насыщения 12, например, в области полюсных наконечников 6. В данной конструкции полюсное деление каждой из систем полюсов составляет 180 градусов, соответственно сдвиг основной и вспомогательной систем полюсов выполнен на 90 градусов относительно друг друга. Возможно выполнение предлагаемой конструкции электродвигателя с большим числом полюсов в каждой из фаз, например с четырьмя полюсами.
Статор 3 предлагаемой конструкции электродвигателя может быть выполнен шихтованным из однотипных штампованных элементов листовой электротехнической стали, включающих ярмо 4, основные полюсы 5 с их полюсными наконечниками 6, вспомогательные полюсы 8 с их полюсными наконечниками 9 (фиг.1-5), либо составным из отдельных элементов (например в виде отдельного ярма 4 и отдельных полюсов 5, 8 с полюсными наконечниками 6, 9 и т.п.). В последнем случае расположение ярма 4 может быть смещено в аксиальном направлении относительно ротора.
Мостики насыщения 12 могут быть выполнены в области основных полюсов 5 (фиг.3), или в области прилегающего к ним ярма 4 (фиг.4), или в области полюсных наконечников 6 (фиг.1, 2), либо одновременно в области ярма статора и полюсных наконечников (фиг.5).
Предлагаемый однофазный электродвигатель с вспомогательной обмоткой работает следующим образом. При включении основной фазы с основными обмотками 7 и вспомогательной фазы с вспомогательными обмотками 10 (имеют большее соотношение активного и индуктивного сопротивлений либо включены последовательно с конденсатором) в сеть переменного напряжения создаются два пульсирующих магнитных потока, сдвинутых в пространстве и во времени. Суммарное магнитное поле статора 3, действующее на ротор 1, будет вращаться в пространстве и наводить в короткозамкнутой обмотке ротора 1 ЭДС, под действием которых в короткозамкнутой обмотке ротора 1 будут протекать токи и создавать магнитный поток ротора 1. При этом в режиме пуска создаются максимальные магнитные потоки и происходит ограничение величины магнитного потока ротора, протекающего в поперечном направлении относительно основных полюсов, имеющих мостики насыщения. Величина ограничения магнитного потока ротора в указанном направлении определяется параметрами мостиков насыщения 12 и может быть выбрана близкой к величине магнитного потока ротора в мостиках насыщения в номинальном режиме работы электродвигателя.
Взаимодействие магнитных потоков статора 3 и ротора 1 создает вращающий момент на роторе 1. Причем наличие немагнитных зазоров 11 и мостиков насыщения 12 приводит к уменьшению индуктивного сопротивления обмотки ротора 1, что сопровождается изменениями во взаимодействии магнитных потоков статора 3 и ротора 1 и увеличением пускового момента электродвигателя. В результате пуск электродвигателя при заданной нагрузке на валу 2 осуществляется за более короткий промежуток времени либо может быть выполнен с увеличенной нагрузкой на валу 2. После выхода электродвигателя в рабочий режим вспомогательная фаза с вспомогательными обмотками 10 может быть отключена, поскольку при рабочей скорости вращения может обеспечиваться достаточный вращающий электромагнитный момент при работе лишь основной фазы с основными обмотками 7 (для электродвигателя с пусковой обмоткой). По мере выхода электродвигателя в рабочий режим влияние мостиков насыщения 12 на механические характеристики электродвигателя снижается, поскольку уменьшается уровень ограничения магнитного потока в данных элементах.
Благодаря наличию мостиков насыщения технология изготовления предложенного однофазного электродвигателя с вспомогательной обмоткой значительно проще в сравнении с прототипом. Одновременно с этим сохранены высокие пусковые характеристики прототипа, позволяющие обеспечить надежный пуск электродвигателя при наличии нагрузки на валу, близкой по величине к номинальной или даже превышающей ее, а также при снижении напряжения питающей сети относительно номинального значения.
Предлагаемый электродвигатель может найти применение в бытовой технике, например в холодильных компрессорах, имеющих существенную нагрузку на валу в момент пуска и работающих в ряде случаев в условиях пониженного напряжения питающей сети.