ОДНОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
SINGLE-PHASE ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании однофазных асинхронных электродвигателей с пусковой обмоткой для электроинструмента и бытовой техники, имеющих существенную нагрузку на валу в момент пуска.
Известен однофазный асинхронный электродвигатель с повышенным пусковым моментом [Абрамов А.Д., Куделько А.Р. Однофазный асинхронный электродвигатель с повышенным пусковым моментом // Электричество, 1990, №12. - С. 67-69], в котором коротко-замкнутый ротор выполнен длиннее магнитопровода статора с рабочей обмоткой. В зоне, выступающей относительно статора, ротор охвачен двумя магнитопроводами, каждый из которых имеет С-образную форму и полюсные наконечники.
Данная конструкция наряду с повышением пускового момента предполагает увеличение габаритов и массы изделия в сравнении с традиционным однофазным асинхронным электродвигателем с вспомогательной обмоткой, а также усложняет технологию его изготовления.
Известен однофазный асинхронный электродвигатель [Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам: Учебное пособие для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. М.: Издательский центр «Академия», 2005. - С. 106], выбранный в качестве прототипа, содержащий ротор и статор с пазами, в которых размещены основная и вспомогательная обмотки со смещением магнитных осей по отношению друг к другу на половину полюсного деления.
Недостатком этого устройства является невысокий пусковой момент, к величине которого предъявляются особые требования при работе с рядом типов нагрузок, например с компрессорами холодильных установок.
Конструкция этого однофазного асинхронного электродвигателя выбрана в качестве прототипа предлагаемого изобретения, как наиболее близкая по технической сущности.
Задачей изобретения является повышение величины пускового момента однофазного асинхронного электродвигателя.
Поставленная задача достигается тем, что однофазный асинхронный электродвигатель, так же, как в прототипе, содержит ротор и статор с пазами, в которых размещены основная и вспомогательная обмотки со смещением магнитных осей по отношению друг к другу на половину полюсного деления.
Согласно изобретению однофазный асинхронный электродвигатель снабжен дополнительными обмотками, которые размещены на статоре в области пазов, расположенных в зонах магнитных осей основной обмотки, причем магнитные оси дополнительных обмоток направлены в радиальном направлении ярма статора.
Предлагаемое изобретение позволяет увеличить пусковой момент электродвигателя за счет уменьшения индуктивного сопротивления фазы ротора [Москаленко В.В., Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1986, С. 196] вследствие увеличения магнитного сопротивления для магнитного потока, создаваемого токами ротора, благодаря дополнительным обмоткам, осуществляющим подмагничивание участков ярма статора в зонах магнитных осей основной обмотки до состояния насыщения материала магнитопровода.
На фиг. 1 изображена активная часть однофазного асинхронного электродвигателя заявленной конструкции с дополнительными обмотками, размещенными в закрытых пазах статора, а также отображены силовые линии магнитного поля ротора при отключенной дополнительной обмотке статора.
На фиг. 2 приведена активная часть однофазного асинхронного электродвигателя предлагаемой конструкции с дополнительными обмотками, размещенными в закрытых пазах статора, с отображением силовых линий магнитного поля ротора при включенной дополнительной обмотке статора.
На фиг. 3 представлен вариант выполнения активной части однофазного асинхронного электродвигателя предлагаемой конструкции с дополнительными обмотками, в котором статор выполнен составным, а дополнительные обмотки размещены в открытых пазах статора.
На фиг. 4 изображен вариант выполнения активной части однофазного асинхронного электродвигателя предлагаемой конструкции с дополнительными обмотками, в котором статор выполнен составным, а дополнительные обмотки размещены в открытых пазах вспомогательной части статора.
На фиг. 5 представлены расчетные пусковые механические характеристики для однофазных асинхронных электродвигателей с пусковой обмоткой, где кривая 1 соответствует электродвигателю, выполненному в соответствии с конструкцией прототипа, кривая 2 соответствует электродвигателю, выполненному в соответствии с заявленной конструкцией, где М* - момент, отнесенный к номинальному моменту; S - скольжение.
На фиг. 6 представлены расчетные рабочие механические характеристики для однофазных асинхронных электродвигателей с пусковой обмоткой, где кривая 1 соответствует электродвигателю, выполненному в соответствии с конструкцией прототипа, кривая 2 соответствует электродвигателю, выполненному в соответствии с заявленной конструкцией.
Однофазный асинхронный электродвигатель (фиг. 1) содержит ротор 1, статор 2 с пазами 3 и 4, в которых уложены соответственно основная обмотка 5 и вспомогательная обмотка 6 со смещением магнитных осей по отношению друг к другу на половину полюсного деления. Дополнительные обмотки 7 уложены в пазах 8 статора 2. Магнитные оси обмоток 7 направлены в радиальном направлении ярма статора (совпадают с осью ординат), а сами обмотки 7 расположены в области пазов 4 вспомогательной обмотки 6, расположенных в зоне магнитной оси основной обмотки 5 (совпадает с осью ординат).
В представленном примере предлагаемой 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 однофазного асинхронного электродвигателя с большим числом полюсов в каждой из фаз, например с четырьмя полюсами.
Статор такого однофазного асинхронного электродвигателя может быть составным из статора 2 и вспомогательных частей статора 9, а дополнительные обмотки 7 размещены в пазах 8 статора 2, выполненных открытыми (фиг. 2).
Возможно размещение дополнительных обмоток 7 в выполненных открытыми пазах 8 вспомогательных частей 9 статора 2 (фиг. 3).
р
р
Предлагаемый однофазный асинхронный электродвигатель работает следующим образом. При включении основных обмоток 5 (основная фаза) и вспомогательных обмоток 6 (вспомогательная фаза, обмотки 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 2, 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. Взаимодействие магнитных потоков статора 2 и ротора 1 создает вращающий момент на роторе 1. В отсутствии тока в витках дополнительных обмоток 7 магнитный поток поперечной реакции ротора Ф (фиг. 1), создаваемый под действием ЭДС, наводимой в короткозамкнутой обмотке ротора 1 магнитным потоком основной обмотки 5, замыкается, как и в прототипе, через воздушные зазоры в зонах расположения пазов 3 с основной обмоткой 5 и ярмо статора 2. Величина магнитного потока Ф в этом случае ограничивается магнитным сопротивлением воздушных зазоров в зонах расположения пазов 3 с основной обмоткой 5.
до
р
<mrow><msubsup><mi>Ф</mi><mi>р</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ф</mi><mi>р</mi><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ф</mi><mi>р</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ф</mi><mi>р</mi><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
Одновременно с основными обмотками 5 и вспомогательными обмотками 6 включаются дополнительные обмотки 7. При протекании тока в витках дополнительных обмоток 7, размещенных в области пазов 4 вспомогательной обмотки 6, расположенных в зонах магнитных осей основной обмотки 5 заявленной конструкции, создается магнитный поток Ф (фиг. 4), который приводит к насыщению участков магнитной цепи на путях его протекания. При этом магнитный поток поперечной реакции ротора практически не протекает через насыщенные участки и представляет совокупность двух магнитных потоков
и
. Причем каждый из указанных магнитных потоков почти в два раза меньше магнитного потока Ф (фиг. 1), поскольку они создаются уменьшенной (ориентировочно в два раза) МДС ротора. Соответственно, каждый из магнитных потоков
и
охватывает ориентировочно в два раза меньшее число проводников короткозамкнутой обмотки ротора 1. Это приводит к уменьшению индуктивного сопротивления обмотки ротора 1, что сопровождается изменениями во взаимодействии магнитных потоков статора 2 и ротора 1 и увеличением пускового момента однофазного асинхронного электродвигателя. В результате пуск электродвигателя при заданной нагрузке на валу осуществляется за более короткий промежуток времени либо может быть выполнен с увеличенной нагрузкой. После выхода однофазного асинхронного электродвигателя в рабочий режим, вспомогательная фаза с вспомогательными обмотками 6, а также дополнительные обмотки 7 могут быть отключены, поскольку при рабочей скорости вращения может обеспечиваться достаточный вращающий электромагнитный момент при работе лишь основной фазы с основными обмотками 5 (для варианта однофазного асинхронного электродвигателя с пусковой обмоткой).
Наиболее целесообразно дополнительные обмотки 7 питать постоянным током, что может обеспечить насыщение участков магнитной цепи статора 2 при любых величинах токов основной обмотки 5 и вспомогательной обмотки 6. Возможно питание дополнительных обмоток 7 переменным током, что, однако, снижает эффективность их подмагничивающего действия.
Эффект увеличения пускового момента в предложенной конструкции однофазного асинхронного электродвигателя подтверждается сравнением кривых расчетных пусковых механических характеристик, представленных на фиг. 5, где кривая 1 соответствует электродвигателю, выполненному в соответствии с конструкцией прототипа, кривая 2 соответствует электродвигателю, выполненному в соответствии с заявленной конструкцией. Приведенные расчетные зависимости подтверждают повышение пускового момента в заявленной конструкции в сравнении с прототипом приблизительно на 11%.
В рабочем режиме электродвигателя при отключенных вспомогательной обмотке 6 и дополнительных обмотках 7 наблюдается увеличение критического момента (около 26%) и частоты вращения ротора у заявленной конструкции (фиг. 6, кривая 2), что свидетельствует о повышении его перегрузочной способности по моменту и выходной мощности при заданном моменте нагрузки на валу.
Таким образом, предлагаемый однофазный асинхронный электродвигатель позволяет повысить пусковой момент, что обеспечивает 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.
Кроме того, заявленная конструкция однофазного асинхронного электродвигателя обеспечивает улучшенные механические характеристики в рабочих режимах нагрузки.