ОДНОФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
SINGLE-PHASE ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании электрических машин, в частности однофазных асинхронных электродвигателей с пусковой обмоткой.
Известна конструкция однофазного асинхронного электродвигателя с повышенным пусковым моментом, в котором короткозамкнутый ротор выполнен длиннее в сравнении с магнитопроводом статора с рабочей обмоткой, и в зоне, выступающей относительно статора, ротор охвачен двумя магнитопроводами, каждый из которых имеет С-образную форму и полюсные наконечники (Абрамов А.Д., Куделько А.Р. Однофазный асинхронный электродвигатель с повышенным пусковым моментом // Электричество, 1990, №12, стр.67-69). Данная конструкция предполагает увеличение габаритов и массы изделия в сравнении с традиционным однофазным электродвигателем с вспомогательной обмоткой, а также усложняет технологию его изготовления.
Известен также однофазный электродвигатель, содержащий ротор и статор с ярмом и двумя системами явно выраженных шихтованных полюсов с обмотками, смещенными одна относительно другой на половину полюсного деления, и полюсные наконечники, снабженный конденсатором, у которого ярмо выполнено в виде двух аксиально смещенных одна относительно другой частей, каждая из которых представляет собой кольцевой магнитопровод, навитый плашмя из ленты электротехнической стали, и примыкает к торцам полюсов одной из систем. Полюса обеих систем выполнены с радиальной шихтовкой. Листы полюсов имеют форму неравнобокой трапеции, верхняя часть большего основания которой прилегает к соответствующему ярму, боковая сторона трапеции, обращенная к ротору, перпендикулярна ее основаниям, а другая боковая сторона выполнена наклонной. Радиальный размер полюсов каждой системы уменьшается в аксиальном направлении от внешнего диаметра ярма, к которому данный полюс прилегает, к внутреннему диаметру другого ярма, полюса различных систем со стороны ротора соединены полюсными наконечниками. По оси каждого полюса и в прилегающих к нему ярме статора и полюсном наконечнике выполнен сквозной радиальный паз. Обмотки, размещенные на полюсах одной системы, образуют основную фазу, а на полюсах другой системы - вспомогательную фазу, в цепь которой включен конденсатор (патент РФ №2028024, опубликован 1995.01.27, МПК6 H02K 17/08). Данная конструкция однофазного электродвигателя выбрана в качестве прототипа предлагаемого изобретения как наиболее близкая по технической сущности.
Недостатком рассматриваемого устройства является невысокий пусковой момент, который сравним по величине с аналогичным параметром традиционной конструкции однофазного электродвигателя.
Задачей изобретения является повышение величины пускового момента однофазного электродвигателя.
Поставленная задача достигается тем, что однофазный электродвигатель, так же как в прототипе, содержит ротор и статор с ярмом и двумя системами явно выраженных полюсов с полюсными наконечниками и с обмотками, смещенными по отношению друг к другу на половину полюсного деления системы, обмотки, размещенные на полюсах одной системы, образуют основную фазу, а на полюсах другой системы - вспомогательную фазу, а по осям полюсов основной фазы и в прилегающем к ним ярме статора и полюсных наконечниках выполнены сквозные немагнитные зазоры.
Согласно изобретению ярмо статора выполнено единым для обеих систем полюсов, а полюса вспомогательной фазы и прилегающие к ним ярмо статора и полюсные наконечники выполнены цельными.
р
р
р
Сущность предлагаемого изобретения состоит в уменьшении индуктивного сопротивления фазы ротора вследствие увеличения магнитного сопротивления для магнитного потока, создаваемого токами ротора. Для упрощения сопоставления путей прохождения магнитного потока ротора Ф в конструкции прототипа в сравнении с заявленной конструкцией на фиг.1 приведена магнитная система однофазного электродвигателя с двумя основными и двумя вспомогательными полюсами, выполненная согласно конструкции прототипа. В прототипе магнитный поток ротора Ф, создаваемый под действием ЭДС, наводимой в обмотке ротора 1 системой основных полюсов 5, замыкается в основном через воздушные зазоры под частью полюсных наконечников 9, прилегающих к вспомогательным полюсам 8, вспомогательные полюса 8, часть ярма 4 статора 3, прилегающую к вспомогательным полюсам 8 (часть ярма 6 на фиг.1, 2, патент РФ №2028024). На фиг.1 магнитный поток Ф в части ярма 4 статора 3, прилегающей к вспомогательным полюсам 8, показан пунктиром.
р
Следовательно, несмотря на наличие радиальных пазов 11 в части ярма 4 статора 3, прилегающей к основным полюсам (часть ярма 7 на фиг.1, 2, патент РФ №2028024), в полюсах 5 основной фазы и в полюсных наконечниках 6, прилегающих к основным полюсам 5, магнитный поток ротора Ф в прототипе не ослабляется.
р
р
р
р
р
В заявленной конструкции (фиг.2) ярмо 4 статора 3 выполнено единым для обеих систем полюсов, а полюса 8 вспомогательной фазы и прилегающие к ним ярмо 4 статора 3 и полюсные наконечники 9 выполнены цельными. Наличие сквозных немагнитных зазоров 11 в полюсных наконечниках 6, прилегающих к основным полюсам, основных полюсах 5 и в прилегающем к ним ярме статора 4 приводит к тому, что магнитный поток ротора представляет совокупность двух магнитных потоков Ф′ и Ф′′. 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 Ф′ и Ф′′ охватывает меньшее число проводников ротора 1 (ориентировочно в два раза) в сравнении с прототипом (фиг.1). В результате величина индуктивности ротора 1 в конструкции однофазного электродвигателя с вспомогательной обмоткой на фиг.2 уменьшается почти в два раза по сравнению с однофазным электродвигателем, выполненным по конструкции прототипа (фиг.1).
о
Выполнение сквозных немагнитных зазоров (фиг.2) в полюсных наконечниках 6 основных полюсов 5 и в прилетающем к ним ярме 4 статора 3 в заявленной конструкции электродвигателя, являющихся основными существенными признаками заявленного изобретения, в большей степени влияющими на достижение желаемого технического результата, практически не влияет на величину основного магнитного потока Ф (фиг.3), создаваемого системой основных полюсов, и на электромагнитные параметры основной фазы статора 3 вследствие выполнения полюсов 8 вспомогательной фазы и прилегающих к ним ярму 4 статора 3 и полюсных наконечников 9 цельными.
Таким образом, уменьшение индуктивности ротора в конструкции однофазного электродвигателя на фиг.2 сопровождается снижением величины индуктивного сопротивления фазы ротора и, соответственно, повышением пускового момента электродвигателя, поскольку момент критический и скольжение критическое при этом возрастают (Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.196).
Следовательно, заявленное изобретение позволяет улучшать пусковые характеристики однофазного электродвигателя в сравнении с известными техническими решениями.
На фиг.1 изображена активная часть однофазного электродвигателя, выбранного в качестве прототипа, с двумя основными и двумя вспомогательными полюсами с отображением силовых линий магнитного поля ротора.
На фиг.2 приведена активная часть однофазного электродвигателя предлагаемой конструкции с вспомогательной обмоткой с отображением силовых линий магнитного поля ротора.
На фиг.3 представлена активная часть однофазного электродвигателя предлагаемой конструкции с вспомогательной обмоткой с отображением силовых линий магнитного поля основных полюсов.
На фиг.4 приведены экспериментальные механические характеристики однофазного электродвигателя заявленной конструкции (кривая 1) в сравнении с характеристиками электродвигателя, выполненного в соответствии с конструкцией прототипа (кривая 2). По оси абсцисс - скольжение S, по оси ординат - момент М в относительных единицах.
На фиг.5 представлены расчетные механические характеристики для электродвигателей, один из которых выполнен в соответствии с конструкцией прототипа (пунктирная линия), а второй - в соответствии с заявленной конструкцией (сплошная линия). По оси абсцисс - скольжение S, по оси ординат - момент М в относительных единицах.
На фиг.6 представлены расчетные электромеханические характеристики для электродвигателей, один из которых выполнен в соответствии с конструкцией прототипа (пунктирная линия), а второй - в соответствии с заявленной конструкцией (сплошная линия). По оси абсцисс - скольжение S, по оси ординат - сила тока I в относительных единицах.
Предлагаемая конструкция однофазного электродвигателя (фиг.2) включает в себя ротор 1 с валом 2, статор 3 с ярмами 4, основные полюса 5 и их полюсные наконечники 6 с основными обмотками 7, а также вспомогательные полюса 8 и их полюсные наконечники 9 с вспомогательными обмотками 10. По осям основных полюсов 5 основной фазы и в прилегающем к ним ярме 4 статора 3 и полюсных наконечниках 6 выполнены сквозные немагнитные зазоры 11. В данной 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 предлагаемой конструкции электродвигателя с большим числом полюсов в каждой из фаз, например с четырьмя полюсами, как в конструкции прототипа.
Статор 3 предлагаемой конструкции электродвигателя может быть выполнен шихтованным из однотипных штампованных элементов листовой электротехнической стали, включающих ярмо 4, основные полюса 5 с их полюсными наконечниками 6, вспомогательные полюса 8 с их полюсными наконечниками 9 (фиг.2, 3), либо составным из отдельных элементов (например, в виде отдельного ярма 4 и отдельных полюсов 5, 8 с полюсными наконечниками 6, 9 и т.п.). В последнем случае расположение ярма 4 может быть смещено в аксиальном направлении относительно ротора 1 (подобно тому как, например, смещено ярмо 7 на фиг.2, патент РФ №2028024, в прототипе).
Сквозные немагнитные зазоры 11 могут иметь воздушное заполнение. При этом позиционирование составных частей статора 3 относительно друг друга может обеспечиваться специальными элементами крепления либо специальной конструкцией станины электродвигателя. Более технологичным вариантом позиционирования составных частей статора 3 относительно друг друга может быть применение немагнитной вставки, особенно с базирующими элементами 12 (например, в виде цилиндрической поверхности).
Предлагаемый однофазный электродвигатель работает следующим образом. При включении основной фазы с основными обмотками 7 и вспомогательной фазы с вспомогательными обмотками 10 (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 3, 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 3 и ротора 1 создает вращающий момент на роторе 1. Причем наличие сквозных немагнитных зазоров 11 приводит к уменьшению индуктивного сопротивления обмотки ротора 1, что сопровождается изменениями во взаимодействии магнитных потоков статора 3 и ротора 1 и увеличением пускового момента электродвигателя. В результате пуск электродвигателя при заданной нагрузке на валу 2 осуществляется за более короткий промежуток времени либо может быть выполнен с увеличенной нагрузкой на валу 2. После выхода электродвигателя в рабочий режим вспомогательная фаза с вспомогательными обмотками 10 может быть отключена, поскольку при рабочей скорости вращения может обеспечиваться достаточный вращающий электромагнитный момент при работе лишь основной фазы с основными обмотками 7 (для электродвигателя с пусковой обмоткой).
Работоспособность предлагаемой конструкции проверена экспериментально на одном из типов однофазных электродвигателей с пусковой обмоткой, в конструкции основных полюсов которого были выполнены сквозные немагнитные зазоры, аналогичные изображенным на фиг.2, 3. Опытные механические характеристики, снятые на экспериментальных образцах электродвигателей, один из которых выполнен по предложенной конструкции, а второй выполнен по конструкции прототипа, приведены на фиг.4. Из приведенных характеристик следует, что пусковой момент в электродвигателе предложенной конструкции повышен на 22,5% в сравнении с конструкцией, выполненной согласно прототипу, а его частоты вращения на рабочем участке механической характеристики несколько снижены.
Эффект увеличения пускового момента в предложенной конструкции однофазного электродвигателя также косвенно подтверждается сравнением расчетных механических и электромеханических характеристик одного из типов электродвигателей, представленных на фиг.5, 6 соответственно. Исходные расчетные данные электродвигателя предлагаемой конструкции отличаются от варианта, выполненного по конструкции прототипа, уменьшенным в 1,7 раза значением индуктивного сопротивления фазы ротора. Приведенные расчетные зависимости подтверждают повышение пускового момента при снижении индуктивности ротора, а также некоторое снижение частоты вращения на рабочем участке механической характеристики, что согласуется с экспериментальными данными на фиг.4.
Таким образом, применение предлагаемого однофазного электродвигателя позволяет повысить пусковой момент, что может обеспечить 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.
Предлагаемый электродвигатель может найти применение в электроинструменте и бытовой технике, например в холодильных компрессорах, имеющих существенную нагрузку на валу в момент пуска и работающих, в ряде случаев, в условиях пониженного напряжения питающей сети.