ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЦЕНТРАЛЬНОЙ КАТУШКОЙ
WINDING OF THE ELECTRIC MACHINE WITH CENTRAL COIL

Обмотка электрической машины, имеющая центральную катушку в центре поля в полюсной паре и вспомогательные катушки в поле каждого из двух полюсов в полюсной паре в статоре. Ротор электрической машины имеет круглую форму, так как он совершает вращательное движение в машине; площадь поперечного сечения ротора и форма его сердечника заданы. Статор должен обеспечивать достаточную напряженность поля в надлежащих местах с помощью обмотки. Обмотка обеспечивает требуемую мощность в надлежащем месте с помощью одной или более катушек. Мощность катушки зависит от числа витков в данной катушке. Если обмотка состоит из нескольких катушек в каждой полюсной паре в статоре, то мощность распределена между катушками на основании соответствующих им площадей поперечного сечения сердечника ротора, возведенных в квадрат, обеспечивая правильное распределение нагрузки в машине и максимальную эффективность использования ротора и статора. Каждая катушка в электрической машине передает электрическую энергию от статора к ротору и действует как трансформатор. Мощность электрической машины равна сумме мощностей катушек и зависит от возведенной в квадрат соответствующей площади поперечного сечения сердечника ротора, которая равна диаметру ротора, умноженному на ширину ротора.
2
Мощность электрической машины, трансформатора и катушки зависит от площади поперечного сечения их сердечника, возведенной в квадрат. Мощность = B×A. Мощность = Вт (ватты) или ВА (вольт-амперы). В = поток.
A = площадь поперечного сечения сердечника.
Предлагается обмотка электрической машины с центральной катушкой в центре поля в полюсной паре и вспомогательными катушками в поле каждого из двух полюсов в полюсной паре в статоре.
В электрической машине с катушкой в каждом из двух полюсов полюсной пары в статоре две катушки заменены одной центральной катушкой в центре поля каждой полюсной пары в статоре.
Предлагается увеличить размер центрального паза в полюсной паре в статоре и увеличить число витков в центральной катушке в центре поля в полюсной паре и скорректировать число витков во вспомогательных катушках.
В универсальном электродвигателе и в электродвигателе постоянного тока с катушкой в каждом из двух полюсов в полюсной паре в статоре предлагается объединить две катушки в одну единственную центральную катушку в центре поля статора. Эти две короткозамкнутые катушки, разделенные по четырем пазам в роторе, предлагается объединить в двух противоположных радиальных пазах в роторе.
Мощность электрических машин разных размеров определяют на основании соответствующей площади поперечного сечения сердечника в роторе, возведенной в квадрат, содержащей диаметр ротора, умноженный на ширину ротора.
Предлагается задавать мощность катушки в электрической машине в соответствии с функцией возведения в квадрат соответствующей площади поперечного сечения в сердечнике ротора с помощью корректировки числа витков в катушке пропорционально площади поперечного сечения, которая равна эффективной ширине ротора, умноженной на длину хорды в роторе между двумя линиями от центра ротора до центров двух катушек в статоре.
Расстояние между пазом статора и наружной поверхностью статора зависит от функции квадратного корня из мощности катушки в данном пазу.
Многополюсные электрические машины могут быть оснащены центральной катушкой со вспомогательными катушками в каждой полюсной паре в статоре или без них. Многополюсные электрические машины могут быть оснащены по тому же принципу, как и в данном изобретении, с помощью обмотки для каждой фазы по принципу однофазной электрической машины.
Существующие электрические машины.
Электрическая машина имеет обмотку с первичной катушкой и с вспомогательными катушками в каждом из двух полюсов в каждой полюсной паре в статоре или без них. На основании объема ротора рассчитывают мощность электрической машины. В том случае, если в электрической машине есть вспомогательные катушки, не существует известного эффективного способа расчета распределения мощности и числа витков между катушками, обеспечивающего надлежащее нагружение сердечника ротора и сердечника статора. Если катушка имеет много витков, она поглощает больше энергии. Это вызывает аккумулирование тепла и дальнейшее повышение температуры, которое может привести к возможному выгоранию изоляции и короткому замыканию в катушке. Коэффициент мощности (cos ϕ) и эффективность также снижаются. Такой нагрев является потерей энергии. Практически всегда именно катушка меньшего размера сгорает из-за слишком большого числа витков, несмотря на то, что данная катушка лучше защищена.
Универсальный электродвигатель и электродвигатель прямого тока имеют катушку в каждом из двух полюсов полюсной пары в статоре. В роторе находятся две короткозамкнутые катушки, разделенные по четырем пазам.
В патенте US 3942055 компании General Electric описаны четыре паза наибольшего размера для первичных катушек с одним и тем же числом витков в катушке. Пазы средней величины используют для вспомогательных катушек: как для главной, так и для пусковой обмотки. Пазы меньшего размера предназначены для пусковой обмотки. Две наружные катушки в одном полюсе имеют, следовательно, одинаковое число витков.
Усовершенствования
С помощью распределения мощностей катушек на основании соответствующих площадей поперечного сечения сердечника ротора, возведенных в квадрат, непосредственный полезный эффект по мощности (ВА) (вольт-амперы) увеличен приблизительно на 25% в асинхронных электродвигателях малого размера с существующими конструкциями ротора и статора. Коэффициент мощности (cos ϕ) и эффективность значительно увеличены. С помощью адаптации конструкций статора и ротора эффективность может быть увеличена еще больше. Ввиду производства меньшего количества тепла уменьшена вероятность сгорания обмотки. Кроме того, снижена потребность в охлаждении. Необходимое количество меди остается практически таким же, но используют большее число витков с меньшим поперечным сечением.
С помощью увеличения размеров центрального паза в центре поля в полюсной паре в статоре и увеличения числа витков в центральной катушке в поле и корректировки числа витков во вспомогательных катушках можно уменьшить число пазов и вспомогательных катушек в статоре.
Если в универсальном электродвигателе и электродвигателе постоянного тока катушки в каждом из двух полюсов в полюсной паре в статоре объединить в единственную центральную катушку, расположенную в центре поля и две короткозамкнутые катушки, разделенные по четырем пазам в роторе, объединить в двух противоположных радиальных пазах в роторе, то эффективность электродвигателя возрастает.
В четырех первичных катушках в патенте US №3942055 две наружные первичные катушки заменены центральной катушкой и две внутренние первичные катушки заменены на вспомогательные катушки, в результате чего эффективность электродвигателя возросла. Если статор находится снаружи ротора, то наружную форму определяют на основании расстояния между пазом в статоре и наружная поверхность статора зависит от квадратного корня из мощности катушки в данном пазу. Конструкция статора в патенте GB №2199995 A имеет иную основу для конструкции наружной поверхности статора однофазных индукционных электродвигателей и не обеспечивает такой же результат.
В патенте DE №3704226 A1 описан прямоугольный статор с меньшей площадью поперечного сечения сердечника в статоре для двух наружных первичных катушек, чем для двух внутренних первичных катушек. Две наружные первичные катушки имеют большую мощность и должны иметь большую площадь поперечного сечения сердечника в соответствии с данным изобретением.
Представленные далее фигуры поясняют суть изобретения
Пусковая обмотка не включена. Она оснащена на основании тех же правил.
На фиг. 1 показана обмотка в существующем однофазном асинхронном электродвигателе со статором (St) с двадцатью четырьмя пазами. Ro = ротор. St = статор. В12 = первичная катушка. В10 = вспомогательная катушка. В8 = вспомогательная катушка. B6 = вспомогательная катушка. B4 = вспомогательная катушка.
На фиг. 2 показан такой же электродвигатель, что и на фиг. 1, имеющий обмотку с центральной катушкой (ВС), расположенной в центре поля в полюсной паре и вспомогательные катушки (В), расположенные в поле каждого из двух полюсов полюсной пары в статоре. В11 = вспомогательная катушка. B9 = вспомогательная катушка. B7 = вспомогательная катушка.
На фиг. 3 показана обмотка для статора с двумя полюсами, двадцатью пазами с центральным сердечником (BC), расположенными в центре поля в полюсной паре и вспомогательными катушками (В), расположенными в каждой полюсной паре в статоре (St). Вспомогательные катушки (В) пронумерованы в соответствии с номерами пазов, которые они пересекают. Соответствующий угол (А), синус угла A в роторе (Ro) и расстояние (Н) пронумерованы тем же номером. H = расстояние между пазом в статоре и наружной поверхностью статора (St). Использованные обозначения приведены в следующей таблице.
На фиг. 4 показана площадь поперечного сечения сердечника (N) в роторе (Ro), соответствующая катушке (В) в статоре (St). Площадь поперечного сечения сердечника (N) показана серым цветом. Ro = сердечник ротора, b = ширина ротора. R = радиус ротора (Ro). N = площадь поперечного сечения сердечника ротора, которая соответствует катушке (В) в статоре (St), a = длина хорды в роторе. (Ro) = высота сердечника (N). Рс = осевая линия полюса. A = угол между осевой линией полюса (Рс) и линией (R) от центра ротора (Ro) до центра одной из двух катушек (В) в статоре. S = синус угла А.
На фиг. 5 показана форма статора с обмоткой, имеющей центральную катушку, расположенную в центре поля и вспомогательные катушки, расположенные в полюсной паре. Рассчитанная форма статора показана черным цветом.
На фиг. 6 показан статор с двумя отверстиями для крепления. Рассчитанная форма статора показана черным цветом.
На фиг. 7 показан универсальный электродвигатель и электродвигатель постоянного тока с существующей обмоткой. Обе катушки в статоре показаны линией черного цвета. Две короткозамкнутые катушки в четырех пазах в роторе показаны линией черного цвета.
На фиг. 8 показан универсальный электродвигатель и электродвигатель постоянного тока с единственной центральной катушкой, расположенной в центре поля в статоре. Данная единственная центральная катушка показана линией черного цвета. Две короткозамкнутые катушки, расположенные в двух аналогичных противоположных радиальных пазах в роторе показаны черной линией.
Подробное описание изобретения.
Предлагается в качестве примера рассмотреть однофазный асинхронный электродвигатель в герметичном холодильном компрессоре с двадцатью пазами в статоре (St). Пусковая обмотка не включена. Она оснащена на основании тех же правил.
См. фиг. 3 и 4. Центральная катушка (BC), расположенная в центре полюсной пары в статоре (St), имеет площадь поперечного сечения сердечника (NC), равную диаметру ротора (Ro), умноженному на ширину (b) ротора (Ro). Вспомогательные катушки (В), расположенные в поле каждого из двух полюсов в полюсной паре в статоре (St), пронумерованы в соответствии с номерами пазов, которые они пересекают. Их соответствующий угол (А), синус угла А в роторе (Ro) и расстояние (Н) пронумерованы тем же номером. Катушки (В) в обмотке электродвигателя соединены последовательно, и, таким образом, через них протекает ток одинаковой силы. Ширина (b) поперечного сечения сердечника такая же, как и эффективная ширина (b) ротора. Угол (А) расположен между осевой линией полюса (РС) и линией (R), проходящей от центра ротора (Ro) до центра одной из двух катушек (В) в статоре (St).
Высота (а) сердечника катушки (В) такая же, как и хорда (а) в роторе (Ro) между линиями, которые проходят от центра ротора (Ro) до центров обеих катушек (В) в статоре (St). Для достижения одинакового потокораспределения нагрузки число витков в катушке (В) должно быть пропорционально соответствующей площади поперечного сечения сердечника (N) в роторе (Ro). Мощность катушки (В) зависит от ее соответствующей площади поперечного сечения сердечника (N) в роторе (Ro), возведенной в квадрат. Ширина (b) сердечников (N) одинакова, и число витков катушки (В) будет пропорционально соответствующей высоте (а) сердечника (N) в роторе (Ro). Мощность катушки (В) зависит от высоты сердечника (а) в роторе (Ro), возведенной в квадрат. Длина хорды (а) в роторе (Ro) равна радиусу (R) ротора, умноженному на 2 и на синус угла А. Радиус (R) ротора - постоянная величина. Синус угла A может быть использован в качестве коэффициента распределения числа витков в каждой катушке (В) в обмотке электродвигателя и применим ко всем электрическим машинам всех размеров со вспомогательными катушками в обмотке.
Квадрат синуса угла A использован в качестве коэффициента распределения для соотношения мощностей катушек (В) и применим ко всем электрическим машинам всех размеров со вспомогательными катушками в обмотке.
Сумма мощностей всех катушек (В) равна мощности электродвигателя. Мощность электродвигателя, как и мощность центральной катушки (BC) в центре поля в полюсной паре, имеет зависимость функции возведенной в квадрат соответствующей площади поперечного сечения сердечника ротора (NC), содержащей диаметр ротора, умноженный на ширину ротора (b).
Для статора (St) с двумя полюсами, двадцатью пазами, обмоткой с центральной катушкой (BC), расположенной в центре поля в полюсной паре и вспомогательными катушками (В), расположенными в поле каждого из двух полюсов полюсной пары, распределение числа витков между катушками (В) будет таким, как представлено в следующей таблице.
Fs = Сумма электродвигателя/6,32.
Если задано расстояние между пазом и наружной поверхностью статора, то другие расстояния (Н) должны быть скорректированы в соответствии с данным значением с помощью соответствующих коэффициентов, равных синусу угла А. Обозначения см. на фиг. 3. Для статора (St) с двумя полюсами, двадцатью пазами, обмоткой с центральной катушкой (BC) и вспомогательными катушками (В) расстояния (Н) будут такими, как приведено в следующей таблице.
Полученная форма статора (St) показана черным цветом на фиг. 5, с двумя отверстиями для крепления - на фиг. 6. Что касается установки в машине, некоторое расстояние (Н) от пазов до наружной поверхности статора (St) больше, чем необходимо, и число витков в катушке (В) скорректировано так, что они получают надлежащую мощность по отношению к ротору (Ro).
Существующий однофазный асинхронный электродвигатель с одной первичной катушкой и четырьмя вспомогательными катушками в каждом из двух полюсов в полюсной паре в статоре, показанный на фиг. 1, заменен на двигатель с центральной катушкой, расположенной в центре поля и двумя вспомогательными катушками, расположенными в каждом из двух полюсов в полюсной паре в статоре, как показано на фиг. 2, при этом экономия энергии составляет 22,5% и экономия меди - 16,5%.