АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОЛЫМ РОТОРОМ СО СТОРОННИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
ASYNCHRONOUS MOTOR WITH HOLLOW ROTOR WITH OUTSIDE EXCITATION

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве силового микродвигателя в промышленных и бытовых электроприводах.
Известны асинхронные двигатели с полым ротором, конструктивно отличающиеся от двигателей с ротором типа беличья клетка и других видов асинхронных машин тем, что ротор выполнен в виде полого немагнитного стакана из проводящего материала и закреплен неподвижно на валу двигателя. Внутренний магнитопровод закреплен неподвижно на цилиндрическом выступе одного из подшипниковых щитов и расположен в пределах зоны, ограниченной магнитопроводом статора. Эта конструкция позволяет добиться малого момента инерции ротора и линейной механической характеристики (Армейский Е.А., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. - М.: Высшая школа, 1975).
Недостатками являются невысокий коэффициент мощности и невысокий коэффициент полезного действия.
Известен асинхронный двигатель, полый ротор которого выполнен в виде стакана из сплава железа и меди. При этом компоненты материала ротора взяты в следующем соотношении, мас.%: железо 78-83; медь - остальное (Патент РФ №2026597, МПК Н02К 17/16, 1995.01.09).
Недостатками являются ограниченные функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является асинхронный двигатель с полым ротором, который состоит из статора с обмоткой, внутреннего свободно вращающегося магнитопровода, полого ротора, выполненного из короткозамкнутой обмотки и магнитопроводящих элементов. Ротор жестко закреплен на валу. Внутренний магнитопровод вращается посредством подшипников, установленных на вал ротора, независимо от ротора (Патент СССР №1032527, МПК Н02К 1/06, 1983.07.30).
Недостатком прототипа является невысокий коэффициент мощности и невысокие динамические показатели.
Задача изобретения - максимальное увеличение коэффициента мощности и повышение коэффициента полезного действия с сохранением динамических свойств.
Поставленная задача решается тем, что в асинхронном двигателе с полым короткозамкнутым ротором, содержащем полый ротор и внешний статор с сердечником и обмоткой, в отличие от прототипа, на валу, в области, ограниченной статором, установлен дополнительный ротор с возможностью вращения независимо от полого ротора, выполненный из кольцеобразного магнита, намагниченного радиально с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов статорной обмотки, на который напрессована тонкостенная втулка из электропроводящего материала, а полый ротор выполнен в виде тонкостенного стакана из электропроводящего материала.
Кроме того, согласно изобретению дополнительный ротор может быть выполнен целиком из гистерезисного материала.
Для достижения наиболее высоких характеристик согласно изобретению полый ротор может быть выполнен из алюминиевого сплава, а тонкостенная втулка, в случае с постоянным магнитом, может быть выполнена из медного сплава.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен двигатель с возбуждением от постоянного магнита. На фиг.2 изображен двигатель с возбуждением от ротора из гистерезисного материала.
Асинхронный двигатель с полым ротором со сторонним возбуждением от постоянного магнита (фиг.1) состоит из сердечника статора 1, в пазы которого уложена в общем случае m-фазная обмотка, закрепленного в корпусе 2; полого немагнитного ротора 3, который неподвижно закреплен на валу 4, который может вращаться в подшипниках, установленных в подшипниковых щитах 5; кольцевого постоянного магнита 6 и напрессованной на него пусковой втулки 7, образующих второй подвижный ротор в двигателе, который может вращаться на подшипниках 8 относительно вала отбора мощности. Магнит намагничен радиально, количество пар полюсов такое же, как у обмотки статора. Двигатель со сторонним возбуждением от дополнительного ротора из гистерезисного материала (фиг.2) состоит из тех же деталей и узлов, что и выше описанный двигатель, за исключением того, что вместо постоянного магнита и пусковой втулки установлен возбудитель 9, целиком выполненный из гистерезисного материала.
Асинхронный двигатель с полым ротором со сторонним возбуждением от постоянного магнита (фиг.1) работает следующим образом. При подаче напряжения на обмотки двигателя в них возникают токи, образующие вращающееся поле. На магнит 6 и на ротор 3 начинают воздействовать механические моменты, обусловленные наведенными вихревыми токами в пусковой втулке 7 и в стенке ротора 3. Втулка рассчитывается таким образом, чтобы ее пусковой момент был больше пускового момента ротора. Магнит под действием момента, развиваемого втулкой, разгоняется до подсинхронной скорости и далее втягивается в синхронизм с полем статора. С этого момента в машине создается единый поток постоянного магнита и обмотки статора. Причем поток магнита изначально выбирается таким, чтобы амплитуда ЭДС статорной обмотки аналогичной синхронной машины при нагрузке была максимально близка к амплитуде приложенного напряжения, т.е. намагничивание машины происходило бы за счет энергии магнита. В силу этого обстоятельства намагничивающие токи в обмотке статора отсутствуют. В случае, если на валу двигателя присутствует тормозящий момент, то он начинает передаваться на магнит посредством асинхронного момента, создаваемого вихревыми токами в стенке «стакана» и полем магнита. Синхронный момент, образованный полем магнита и токами статора, противостоит тормозящему моменту, тем самым передавая механическую мощность приводимому в движение механизму. Поле вихревых токов создает преимущественно поперечную реакцию из-за очень малого индуктивного сопротивления полого ротора. Это обстоятельство ведет к тому, что изменение продольной составляющей поля весьма мало, т.е. коэффициент мощности остается на достаточно высоком уровне. Т.к. двигатель имеет ротор с малым моментом инерции, динамические свойства двигателя остаются высокими.
Принцип работы двигателя с дополнительным ротором из гистерезисного материала (фиг.2) идентичен вышеописанному за исключением процесса синхронизации. Процесс синхронизации в этом случае происходит за счет появления гистерезисного момента и момента, образованного вихревыми токами в теле ротора 9. В момент синхронизации остаточная индукция гистерезисного слоя является пиковой и остается таковой до момента асинхронизации, вызванной, например, перегрузкой двигателя.
Асинхронный двигатель со сторонним возбуждением способен также работать в режиме генератора электрической энергии.
Итак, заявляемое изобретение позволяет максимально приблизить к единице коэффициент мощности, повысить коэффициент полезного действия при одновременном сохранении динамических характеристик двигателя.