НИЗКООБОРОТНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
LOW-SPEED ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.
Аналогом является, например, асинхронный электродвигатель (Проектирование электрических машин, под ред. Копылова И.П., книга 1. М., «Энергоатомиздат», 1993, с.244, рис.8.4), имеющий статор, состоящий из шихтованного магнитопровода с обмоткой, и ротор с короткозамкнутой обмоткой.
Наиболее близок к предлагаемому низкооборотному асинхронному электродвигателю асинхронный электродвигатель (Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины, ч.1. М., «Высшая школа», 1987, с.214, рис.4.3), имеющий шихтованный магнитопровод статора с пазами, проходящими в осевом направлении, в которые укладываются проводники обмотки статора, и ротор, содержащий шихтованный сердечник и короткозамкнутую обмотку. Такое исполнение асинхронного электродвигателя является традиционным. При подаче на обмотку статора многофазного (обычно - трехфазного) переменного напряжения статор создает вращающееся магнитное поле. При вращении магнитного поля относительно ротора в обмотке ротора индуцируется электродвижущая сила, которая создает в замкнутой обмотке ротора ток. Ток обмотки ротора взаимодействует с магнитным полем статора, в результате чего возникает электромагнитный момент, вращающий ротор.
Для некоторых электроприводов необходимы низкооборотные асинхронные электродвигатели, применение которых позволяет исключить механический редуктор. Для уменьшения частоты вращения магнитного поля и ротора асинхронного двигателя увеличивают число пар полюсов магнитного поля, созданного обмоткой статора. При увеличении числа пар полюсов асинхронного двигателя традиционного исполнения необходимо увеличивать число продольных пазов в шихтованном магнитопроводе статора, в которых укладывается статорная обмотка. С увеличением числа пар полюсов и пазов увеличивается трудоемкость и стоимость изготовления машины (Проектирование электрических машин, под ред. Копылова И.П., книга 1. М., «Энергоатомиздат», 1993, с.282). Кроме того, число пазов и зубцов ограничено минимально допустимой шириной зубцов магнитопровода статора, обеспечивающих механическую прочность.
Предлагаемое изобретение позволит создать низкооборотный асинхронный электродвигатель с большим числом пар полюсов магнитного поля, трудоемкость и стоимость изготовления которого значительно ниже, чем прототипа.
Это достигается тем, что в низкооборотном асинхронном электродвигателе, содержащем статор с многофазной обмоткой и ротор с шихтованным магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой, каждая фаза статора выполнена в виде кольцевой обмотки, соосной с ротором, расположенной между двумя кольцевыми магнитопроводами. Кольцевые магнитопроводы каждой фазы имеют зубцы, выступающие в осевом направлении и направленные встречно, число которых z на каждом кольцевом магнитопроводе равно числу полюсов двигателя р. Кольцевые магнитопроводы, между которыми размещена любая из фаз двигателя, смещены относительно друг друга на угол π/z, а кольцевые магнитопроводы разных фаз смещены относительно друг друга на угол 2π/z·m, где z - число зубцов каждого из кольцевых магнитопроводов, а m - число фаз. Между кольцевыми магнитопроводами одной и той же фазы размещен тороидальный магнитопровод.
Заявляемая конструкция низкооборотного асинхронного электродвигателя позволяет упростить технологию выполнения обмоток статора и одновременно увеличить технически возможное число пар полюсов двигателя. Трудоемкость и стоимость изготовления такого асинхронного двигателя намного ниже, чем электродвигателя с уложенной в пазы магнитопровода статора обмоткой. Причем при увеличении числа пар полюсов двигателя преимущества предлагаемого асинхронного двигателя становятся более очевидными.
На фиг.1 показано осевое сечение низкооборотного асинхронного электродвигателя в трехфазном исполнении. На фиг.2 - элементы магнитной цепи одной из фаз статора. На фиг.3, 4 и 5 - осевые сечения двигателя.
В изображенном на фиг.1 трехфазном, низкооборотном, асинхронном электродвигателе в корпусе 1 размещен статор, фазы которого выполнены в виде кольцевых обмоток 2, 3 и 4, расположенных соосно с ротором. Фаза 2 расположена между кольцевыми магнитопроводами 5 и 6, фаза 3 - между кольцевыми магнитопроводами 7 и 8, а фаза 4 - между кольцевыми магнитопроводами 9 и 10. Каждый из кольцевых магнитопроводов 5-10 имеет выступающие в осевом направлении зубцы. Магнитопровод 5 имеет зубцы 11, магнитопровод 6 - зубцы 12, магнитопровод 7 - зубцы 13, магнитопровод 8 - зубцы 14, магнитопровод 9 - зубцы 15, магнитопровод 10 - зубцы 16. Зубцы 11 и 12 (13 и 14; 15 и 16) кольцевых магнитопроводов 5 и 6 (7 и 8; 9 и 10), между которыми располагается кольцевая фаза 2 (3; 4), направлены встречно, и кольцевые магнитопроводы 5 и 6 (7 и 8; 9 и 10) развернуты друг относительно друга по углу на угол π/z. Кольцевые магнитопроводы 5-10 могут быть выполнены из магнитомягкого композиционного материала (ММК) либо сборными из нескольких элементов, выполненными из листовой электротехнической стали. Между кольцевыми магнитопроводами 5 и 6; 7 и 8; 9 и 10 расположены тороидальные магнитопроводы 17, которые также можно изготовить из ММК либо свернуть из листовой стали.
На фиг.2 показано расположение элементов магнитной цепи фазы 2 статора при сборке. Как уже было отмечено, кольцевые магнитопроводы 5 и 6 развернуты друг относительно друга по углу на угол π/z. Направление сборки показано стрелками. При сборке элементов зубцы 11 кольцевого магнитопровода 5 входят в пазы между зубцами 12 кольцевого магнитопровода 6, а зубцы 12 кольцевого магнитопровода 6 входят в пазы между зубцами 11 кольцевого магнитопровода 5. Фаза 2 оказывается расположенной в полости, образованной кольцевыми магнитопроводами 5 и 6 и тороидальным магнитопроводом 17. Аналогичным образом собираются элементы магнитной цепи фаз 3 и 4.
При установке в корпус 1 пары кольцевых магнитопроводов 5 и 6; 7 и 8; 9 и 10 фаз 2, 3 и 4 должны быть развернуты друг относительно друга на угол 2π/z·m, где m - число фаз электродвигателя, равное в приведенной конструкции 3. На фиг.3, 4 и 5 приведены диаметральные сечения двигателя, сделанные в зонах расположения каждой из трех фаз, на которых видно смещение по углу зубцов 11 и 12; 13 и 14; 15 и 16 пар кольцевых магнитопроводов 5 и 6; 7 и 8; 9 и 10.
На валу 18 ротора установлен пакет шихтованного магнитопровода 19, пластины которого располагаются в диаметральной плоскости. В пазах шихтованного магнитопровода 19 проходят стержни 20 короткозамкнутой обмотки, которые замыкаются по торцам шихтованного магнитопровода 19 кольцами 21.
Электродвигатель работает следующим образом. На фазы 2, 3 и 4 электродвигателя подается стандартное трехфазное синусоидальное напряжение, у которого фазные напряжения имеют равную амплитуду, частоту и смещены во времени на треть периода. Первая фаза 2 создает пульсирующий магнитный поток, который проходит в радиальном направлении через кольцевой магнитопровод 5, зубцы 11 кольцевого магнитопровода 5, воздушный зазор между зубцами 11 и шихтованным магнитопроводом 19 ротора, через магнитопровод 19 в тангенциальном направлении, затем через зазор между магнитопроводом 19 и зубцами 12 кольцевого магнитопровода 6, через кольцевой магнитопровод 6 и в осевом направлении через тороидальный магнитопровод 17 от магнитопровода 6 к магнитопроводу 5. Зубцы 11 магнитопровода 5 и зубцы 12 магнитопровода 6 являются полюсами пульсирующего магнитного поля, созданного первой фазой 2 статора, при этом зубцы 11 и 12 смещены в тангенциальном направлении на угол, равный π/z, где z - число зубцов каждого из кольцевых магнитопроводов 2-7. Таким образом, фаза 2 создает пульсирующее магнитное поле, число пар полюсов которого равно числу зубцов z кольцевых магнитопроводов 5 и 6.
Аналогичное пульсирующее магнитное поле создает вторая фаза 3. Но так как кольцевые магнитопроводы фаз развернуты относительно друг друга на 2π/z·m, то полюсы магнитного поля второй фазы 3 смещены относительно полюсов первой фазы на угол 2π/3z.
Третья фаза 4 также создает аналогичное пульсирующее магнитное поле, полюсы которого смещены относительно полюсов первой фазы соответственно на угол 4π/3z.
Таким образом, пульсирующие магнитные поля, созданные фазами, смещены относительно друг друга на 2π/3 эл. радиан.
Каждое пульсирующее магнитное поле создает в стержнях 20 короткозамкнутой обмотки ротора ЭДС. Суммарная ЭДС в стержнях 20 короткозамкнутой обмотки предлагаемого двигателя будет аналогична ЭДС, создаваемой вращающимся магнитным полем в асинхронных электродвигателях традиционного исполнения. Под действием суммарной ЭДС в стержнях 20 короткозамкнутой обмотки ротора возникают токи, при взаимодействии которых с магнитными полями, созданными фазами 2, 3 и 4 статора, появляется электромагнитный момент, вращающий ротор.
В предлагаемом асинхронном электродвигателе число зубцов кольцевых магнитопроводов определяет число пар полюсов магнитного поля, а каждая фаза выполнена в виде компактной кольцевой обмотки. Так как в пазах между зубцами кольцевых магнитопроводов не располагаются витки обмотки статора, то выполнить предлагаемый двигатель с большим числом пар полюсов и получить низкие частоты вращения ротора намного проще и дешевле, чем в прототипе. Предлагаемую электрическую машину можно использовать также в режиме асинхронного генератора.