ИНДУКТОРНЫЙ ДВУХФАЗНЫЙ НЕРЕВЕРСИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
INDUCTOR TWO-PHASE NON-REVERSIBLE MOTOR

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах механизмов с переменной производительностью, например в вентиляторах, насосах, компрессорах и др.
Известны индукторные двухфазные нереверсивные двигатели, содержащие явнополюсный симметричный статор с 2m=4 полюсами, на которых размещены 4 сосредоточенные обмотки, и ферромагнитный ротор с 2(m±1) полюсами (Патент США №3679953, МКИ Н02К 29/00. - Опубл. 1972 г.; Патент РФ №2089034, МКИ Н02К 29/10. - Опубл. 27.08.97. Бюл. №24; Патент РФ №2266604, МПК Н02К 19/20, 29/00. - Опубл. 20.12.05. Бюл. №35).
При работе таких двигателей пондеромоторные силы взаимодействия сердечников статора и ротора имеют две составляющие: азимутальную, определяющую вращающий момент двигателя, и радиальную, наличие которой вызывает деформацию сердечника (Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М., Издательство МЭИ, 2003. - С.20). Деформация сердечника приводит к возникновению вибрации двигателя и излучению звуковых волн.
Следовательно, недостатками известных индукторных двухфазных нереверсивных двигателей являются малый вращающий момент, вибрации и излучение звуковых волн при работе.
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому изобретению является индукторный двухфазный нереверсивный двигатель, содержащий явнополюсный симметричный статор с 2m=4 полюсами, на которых размещены 4 сосредоточенные обмотки, и ферромагнитный ротор с 2(m±1) полюсами, имеющими клювообразные выступы, направленные в сторону движения (Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Под общ. ред. М.Г.Чиликина. М., Энергия, 1971. - С.94-103).
При работе такого двигателя пондеромоторные силы взаимодействия сердечников статора и ротора имеют две составляющие: азимутальную, определяющую вращающий момент двигателя, и радиальную, наличие которой вызывает деформацию сердечника (Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М., Издательство МЭИ, 2003. - С.20). Деформация сердечника приводит к возникновению вибрации двигателя и излучению звуковых волн (Шабаев В.А. Анализ источников шума вентильно-индукторного двигателя // Электротехника. 2005. №5. - С.62-64).
Следовательно, недостатками известного индукторного двигателя является малый вращающий момент, вибрации и излучение звуковых волн при работе.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение вращающего момента индукторного двухфазного нереверсивного двигателя, снижение вибраций и излучения звуковых волн при работе.
Поставленная цель достигается тем, что в известном индукторном двухфазном нереверсивном двигателе, содержащем явнополюсный симметричный статор с 2m=4 полюсами, на которых размещены 2m сосредоточенные обмотки, и ферромагнитный ротор с 2(m±1) полюсами, имеющими клювообразные выступы, направленные в сторону движения, дополнительно клювообразные выступы имеют отверстия с формой треугольника, основание которого параллельно внешней стороне выступа, полюса статора имеют отверстия с формой треугольника, основание которого параллельно внутренней стороне статора, длина клювообразных выступов равна ширине полюсов статора.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство имеет следующие новые признаки:
- клювообразные выступы ротора имеют отверстия с формой треугольника, основание которого параллельно внешней стороне выступа;
- полюса статора имеют отверстия с формой треугольника, основание которого параллельно внутренней стороне статора;
- длина клювообразных выступов равна ширине полюсов статора.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения повышается вращающий момент индукторного двухфазного нереверсивного двигателя, снижаются вибрации и излучение звуковых волн при работе. Этот эффект обусловлен тем, что за счет измененной формы магнитопровода двигателя увеличивается азимутальная составляющая силы взаимодействия статора и ротора, определяющая вращающий момент двигателя, и уменьшается радиальная составляющая, вызывающая деформацию сердечника, и, следовательно, вибрации и звуковое излучение.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.
Индукторных двухфазных нереверсивных двигателей, содержащих явнополюсный симметричный статор с 2m=4 полюсами, на которых размещены 2m сосредоточенные обмотки, и ферромагнитный ротор с 2(m±1) полюсами, имеющими клювообразные выступы, направленные в сторону движения, при этом клювообразные выступы имеют отверстия с формой треугольника, основание которого параллельно внешней стороне выступа, полюса статора имеют отверстия с формой треугольника, основание которого параллельно внутренней стороне статора, длина клювообразных выступов равна ширине полюсов статора, в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружено.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 показано поперечное сечение индукторного двухфазного нереверсивного двигателя, на фиг.2 показаны силовые линии магнитного поля при известной конфигурации магнитопровода (а) и при использовании предлагаемого технического решения (б).
Индукторный двухфазный нереверсивный двигатель, чертеж поперечного сечения которого для конфигурации 4/6 показан на фиг.1, содержит явнополюсный симметричный статор 1 с сосредоточенными обмотками, и ферромагнитный ротор 2, статор 1 имеет четыре (2m=4), a ротор 2 имеет шесть [2(m+1)=6] полюсов, полюса ротора имеют клювообразную форму с выступами в направлении движения. Каждая из двух фазных обмоток А и В состоит из двух последовательно соединенных секций: 3, 5 - секции обмотки фазы А; 4, 6 - секции обмотки фазы В, поочередно размещенные на полюсах статора 1. Клювообразные выступы имеют отверстия 7 с формой треугольника, основание которого параллельно внешней стороне выступа, полюса статора имеют отверстия 8 с формой треугольника, основание которого параллельно внутренней стороне статора, длина клювообразных выступов равна ширине полюсов статора.
1
2
Для объяснения положительного эффекта, достигаемого в предлагаемом техническом решении, рассмотрим диаграммы силовых линий магнитного поля в зазоре между полюсами статора и ротора, приведенные на фиг.2, где обозначено: α - угол наклона силовых магнитных линий в стали, относительно линии проведенной перпендикулярно границе раздела стали и воздуха; α - угол наклона силовых магнитных линий в воздухе, относительно линии, проведенной перпендикулярно границе раздела стали и воздуха.
При переходе силовых магнитных линий из одной среды в другую происходит их преломление в соответствии с соотношением
1
1
где H и B - напряженность и индукция магнитного поля в стали;
2
2
H и B - напряженность и индукция магнитного поля в воздухе.
1
a1
1
2
a2
2
Так как B=µH; B=µH,
a1
где µ - магнитная проницаемость стали;
a2
µ - магнитная проницаемость воздуха,
то .
a1
a2
α2
α2
2
Так как µ>>µ, то tg<<tg очень мал, поэтому α также очень мал и силовые магнитные линии выходят из стали в воздушную среду под углом, близким к 90° (Фрумкин А.М. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1982. - С.92, 93). На фиг.2 показано преломление магнитных силовых линий при переходе из ферромагнитного материала в воздух в индукторном двигателе традиционной конструкции. Направление вектора силы притяжения ротора к статору совпадает с касательной к силовой линии в точке. Из фиг.2 следует, что вектор напряженности магнитного поля в зазоре под всем полюсом статора имеет азимутальную составляющую, возникающую за счет того, что магнитные силовые линии проходят по пути наименьшего магнитного сопротивления и входят и выходят в зазор под углом, близким к 90°, и радиальную составляющую.
2
На фиг.3 показаны диаграммы силовых линий в магнитопроводе и зазоре индукторного двигателя предлагаемой конструкции при различных положениях ротора: при рассогласованном положении (фиг.3, а) и при согласованном положении (фиг.3, б). Клювообразные выступы имеют отверстия с формой треугольника, основание которого параллельно внешней стороне выступа, полюса статора имеют отверстия с формой треугольника, основание которого параллельно внутренней стороне статора, длина клювообразных выступов равна ширине полюсов статора. Так как поперечное сечение участков ротора и статора в областях с отверстиями значительно меньше, чем поперечное сечение всех остальных частей магнитопровода, то индукция в этих участках становится значительно выше. Увеличение индукции приводит к локальному насыщению этих участков магнитопровода и, следовательно, уменьшению магнитной проницаемости стали этих частей магнитопровода ротора и статора. В результате угол наклона вектора индукции в зазоре α увеличивается. Следовательно, в зазоре увеличивается азимутальная составляющая и уменьшается нормальная составляющая пондеромоторных сил, что приводит к увеличению момента и к уменьшению сил притяжения ротора к статору. В результате этого уменьшаются вибрации и звуковое излучение.
С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, были проведены экспериментальные исследования двухфазных нереверсивных индукторных двигателей, реализованных по схеме, изображенной на фиг.1. Испытания проводились в условиях лаборатории ОАО «НИПТИЭМ», г.Владимир. Для двигателя с внешними размерами активной части статора 100×100×60 мм в результате испытаний установлено, что при среднеквадратической плотности тока, равной , момент двигателя составил 3 Нм. Этот показатель превосходит показатели двигателей других известных конструкций. Для двигателя с внешними размерами активной части статора 85×85×16 мм в результате испытаний установлено, что при среднеквадратической плотности тока, равной , момент двигателя составил 0,75 Нм. В обоих случаях уменьшены шумы и вибрации.
Таким образом, выполнение в известном индукторном двухфазном нереверсивном двигателе, содержащем явнополюсный симметричный статор с 2m=4 полюсами, на которых размещены 2m сосредоточенные обмотки, и ферромагнитный ротор с 2(m±1) полюсами, имеющими клювообразные выступы, направленные в сторону движения, дополнительно клювообразных выступов с отверстиями с формой треугольника, основание которого параллельно внешней стороне выступа, и полюсов статора с отверстиями с формой треугольника, основание которого параллельно внутренней стороне статора, при этом длина клювообразных выступов равна ширине полюсов статора, позволяет увеличить вращающий момент двигателя, уменьшить вибрации и звуковые излучения.
Использование предлагаемого устройства в различных промышленных системах позволит улучшить технические характеристики оборудования, оснащенного электроприводами с индукторными двигателями.