СИНХРОННЫЙ МИКРОДВИГАТЕЛЬ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ УНИПОЛЯРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
SYNCHRONOUS MICROMOTOR WITH ELECTROMAGNETIC UNIPOLAR EXCITATION

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройству синхронного микродвигателя (СД) с электромагнитным униполярным возбуждением.
Синхронные микродвигатели могут применяться в схемах автоматики и бытовых устройствах малой мощности, от долей ватта до сотен ватт, где энергетические характеристики не являются решающими. Основной особенностью синхронных микродвигателей является то, что скорость вращения их ротора равна скорости вращения поля статора и жестко связана с частотой питающей сети [1, 2]. Широкое распространение получили бесконтактные СД с постоянными магнитными [4].
У известных конструкций бесконтактных СД с магнитоэлектрическим возбуждением отсутствует обмотка возбуждения, их поток возбуждения создается постоянными магнитами, укрепленными на роторе. Наибольшее применение получили СД двух конструктивных исполнений: с аксиальным и радиальным расположением блока постоянных магнитов и пакета ротора с короткозамкнутой обмоткой [2]. Конструкция с аксиальным расположением магнитов применяется в микродвигателях малого диаметра мощностью до 100 Вт, а с радиальным расположением магнитов - в микродвигателях большего диаметра мощностью до 500 Вт и более. Недостатками таких микродвигателей являются их высокая стоимость, сложность изготовления и низкие пусковые качества. При асинхронном разгоне микродвигателей их результирующий момент имеет провал в области малых скольжений [2].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству СД является выбранный в качестве прототипа бесконтактный СД с магнитоэлектрическим возбуждением, имеющий явнополюсный ротор с радиальным расположением блока постоянных магнитов и пакета ротора с короткозамкнутой обмоткой, создающими поток возбуждения ротора и обеспечивающими возникновение электромагнитного момента в синхронном режиме [2]. Короткозамкнутая обмотка типа «беличья клетка», уложенная в шихтованный пакет из электротехнической стали, обеспечивает возникновение электромагнитного момента в режиме асинхронного пуска. Статор прототипа обычный, в его пазах расположена распределенная обмотка, создающая вращающееся магнитное поле статора.
Известная конструкция СД имеет ряд недостатков. Магнитотвердые сплавы постоянных магнитов имеют высокую стоимость, трудно поддаются механической обработке, имеют низкую магнитную проницаемость, вследствие чего невозможно выполнение беличьей клетки в роторе, изготовленном целиком из подобного сплава. Поэтому приходится применять полюсные наконечники из электротехнической стали, в которые укладывается короткозамкнутая обмотка, что усложняет конструкцию ротора, его изготовление и балансировку. Наличие на роторе постоянных магнитов при асинхронном пуске приводит к появлению тормозного момента, ухудшающего условия пуска под нагрузкой или делающего его вообще невозможным, что делает работу СД ненадежной. Надежность снижается также из-за того, что под действием реакции якоря при определенных условиях может происходить частичное, а иногда и необратимое размагничивание постоянных магнитов. Для ослабления этого явления приходится применять специальные конструктивные меры, что в конечном итоге вызывает увеличение габаритов, веса и стоимость машины [3, 6].
Целью изобретения является повышение надежности работы синхронного микродвигателя за счет создания на роторе постоянных полюсов электромагнитным путем без постоянных магнитов.
Поставленная цель достигается тем, что на статоре, кроме сердечника статора обычной кольцевой формы с распределенной трехфазной сетевой обмоткой, создающей вращающееся магнитное поле, по обе стороны сердечника статора размещены две кольцевые катушки обмотки возбуждения (ОВ), после катушек у краев статоры расположены два торцевых кольцеобразных сердечника, замыкаемых магнитно пакетами внешних магнитопроводов, проходящих позади сердечников статора. Между внешними магнитопроводами и пакетом статора имеется немагнитный зазор. Торцевые сердечники и пакеты внешнего магнитопровода образуют магнитную цепь потока возбуждения на статоре. На роторе отсутствуют и постоянные магниты и пусковая клетка, он неявнополюсный, цилиндрической формы, имеет вылеты в обе стороны от сердечника статора, магнитопроводящие части сердечника ротора с вылетами образует магнитную цепь потока возбуждения ротора. На торцах имеются короткозамкнутые кольца с пониженным электрическим сопротивлением для ослабления поперечных токов в активной зоне ротора. Крайние части обоих вылетов ротора через воздушный зазор магнитно соединяются с двумя торцовыми сердечниками статора, образуя замкнутую магнитную цепь потока возбуждения машины. ОВ, расположенная на статоре, непосредственно соединяется с источником постоянного тока. Магнитопроводящие вылеты сердечников ротора, находящиеся внутри кольцевых катушек ОВ, обеспечивают условия возникновения униполярного магнитного потока возбуждения, который замыкается в перечисленных выше элементах магнитной цепи, имея аксиальное направление, и не может взаимодействовать с вращающимся радиальным полем статора. Чтобы при униполярном возбуждении вращающееся поле статора могло взаимодействовать с ротором, надо создать на роторе два постоянных полюса с неизменно разной полярностью. Это достигается за счет конструкции ротора СД. Его ротор представляет собой сплошной массивный цилиндр из железомедного сплава с повышенным удельным сопротивлением, разделенный немагнитной проводящей прослойкой на две магнитоизолированные части - в дальнейшем два сердечника ротора.
В активной зоне машины вдоль всего воздушного зазора между сердечниками ротора и статора магнитная связь между двумя сердечниками ротора осуществляется через воздушный зазор и спинку сердечника статора, при этом потоки возбуждения в обоих сердечниках ротора изменяют направление с аксиального на радиальное. В результате в воздушном зазоре между сердечниками статора и двумя сердечниками ротора образуются два радиальных потока, один входящий, другой выходящий, так что на сердечниках ротора образуются два магнитных полюса с противоположной и неизменной полярностью: один из сердечников ротора постоянно северный полюс N, другой постоянно южный S. Взаимодействие этих «полюсов» ротора с вращающимся полем статора создает электромагнитный момент синхронизации, заставляющий ротор вращаться синхронно с полем статора.
Сплошной массивный сердечник ротора позволяет осуществить асинхронный пуск без пусковой клетки, т.к. его внешние слои выполняют роль короткозамкнутой обмотки.
Именно заявляемое устройство статора, ротора и цепи возбуждения СД, а также взаимное расположение их элементов обеспечивает возможность бесконтактного электромагнитного униполярного возбуждения СД, при котором на его роторе при отсутствии постоянных магнитов образуются два постоянных магнитных «полюса» с неизменной полярностью, взаимодействие которых с вращающимся полем статора создает вращающий электромагнитный момент синхронизации.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие изобретения критерию новизна. При изучении других известных технических решений в области устройства синхронных микродвигателей признаки, отличающие заявляемое устройство СД от прототипа, не были выявлены. поэтому они обеспечивают заявляемому устройство соответствие критерию существенные отличия. Наличие равномерного воздушного зазора вдоль всей окружности статора обеспечивает равномерное распределение потока возбуждения и образование момента синхронизации вдоль всей активной зоны, что значительно улучшает рабочие характеристики СД. Этого же можно добиться путем регулирования величины тока возбуждения реостатом в цепи ОВ. При электромагнитном возбуждении отсутствует угроза размагничивания полюсов. Вращающееся магнитное поле статора не пересекает витки ОВ и не наводит в ней ЭДС. опасную в начальный момент асинхронного пуска, поэтому нет необходимости на время пуска отключать ОВ от источника питания и замыкать ее на повышенное сопротивление. Асинхронный пуск СД за счет массивных сердечников ротора обеспечивает повышенную величину пускового асинхронного момента и понижению величину пускового тока, что улучшает пусковые свойства СД [5].
Но в процессе асинхронного разгона ротора его полюса создают тормозной момент, вызывающий «провал» результирующего вращающего момента в зоне малых частот. Поэтому на время пуска можно или отключить ОВ полностью или уменьшить на время пуска её ток; регулирование тока возбуждения можно осуществить или вручную или автоматически специальным регулятором.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано продольное сечение конструктивной схемы СД с двухполюсным статором (p=1) и двухполюсным ротором; на фиг.2 показан поперечный разрез СД в среднем сечении в активной зоне.
На статоре СД расположен пакет основного магнитопровода (сердечник статора) 1 обычного типа, в пазах которого находится трехфазная сетевая обмотка 2; по обе стороны от сердечника статора расположены две кольцевые катушки 3, образующие обмотку возбуждения (ОВ); после них у торцов, по обоим краям статора, расположены два торцовых сердечника кольцеобразной формы 4, замыкаемых между собой магнитно пакетами внешнего магнитопровода 5, закрепленными на корпусе статора 6 с внешней стороны сердечника статора 1.
Ротор СД неявнополюсный цилиндрический, имеет вылеты в обе стороны от сердечника статора и состоит из двух массивных магнитопроводящих сердечников 7 из железомедного сплава, разделенных немагнитным промежутком 8.
На торцах массивных сердечников ротора 7 находятся короткозамкнутые кольца 9 с пониженным электрическим сопротивлением. Воздушный зазор 10 между основным магнитопроводом - сердечником статора 1 и двумя сердечниками ротора 7 является активной зоной, в которой происходят основные электромагнитные процессы СД.
Сердечники ротора 7 за пределами активной зоны в вылетах имеют форму цилиндров, в активной зоне, зоне воздушного зазора - форму полуцилиндров.
Крайние части обоих вылетов сердечников ротора 7 через воздушный зазор магнитно соединены с двумя торцовыми сердечниками 4, которые магнитно замыкаются между собой пакетами внешнего магнитопровода 5. Вылеты сердечников ротора 7, торцовые сердечники 4 и пакеты внешнего магнитопровода 5 образуют внешнюю часть магнитной цепи потока возбуждения. В активной зоне из-за немагнитного промежутка 8 сердечники ротора 7 магнитно связаны между собой через воздушный зазор 10 и спинку сердечника статора 1. Полуцилиндры сердечников ротора 7, воздушный зазор 10 между ними и сердечников статора и спинка сердечника статора 1 образуют внутреннюю часть магнитной цепи потока возбуждения. Пути замыкания потока возбуждения в магнитной системе СД показаны на фиг.1 и фиг.2 пунктирными линиями. Как видно из этих рисунков, поток возбуждения, замыкаясь в магнитной системе, проходит через воздушный зазор четыре раза, поэтому для создания требуемой величины потока возбуждения в СД необходима значительная МДС обмотки возбуждения.
СД работает следующим образом. Трехфазная двухполюсная сетевая обмотка статора 2 создает вращающееся магнитное поле. замыкающееся в поперечной плоскости и имеющее радиальные составляющие.
При питании ОВ постоянным током обе ее катушки 3, включенные согласно, создают в участках магнитной цепи один общий униполярный поток возбуждения. Во внешней части магнитной цепи потоки возбуждения имеют одно направление - аксиальное и не могут взаимодействовать с полем статора. В активной зоне потоки возбуждения в сердечниках ротора меняют аксиальное направление на радиальное. Направление потока возбуждения в участках магнитной цепи показано на фиг.1 и 2 пунктирными линиями. При этом в воздушном зазоре между сердечником статора и двумя сердечниками ротора образуются два радиальных потока, направленных в противоположные стороны, т.е. на роторе образуются два магнитных «полюса» с противоположной и неизменной полярностью: один из сердечников ротора постоянно северный «полюс» N, другой - постоянно южный S. Взаимодействие этих «полюсов» - сердечников ротора с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитный момент синхронизации.
Пуск рассматриваемого СД асинхронный, подобный пуску АД с массивным ротором [5]. Отсутствие на роторе постоянных магнитов значительно снижает расходы и трудозатраты на его изготовление, исключает угрозу размагничивания полюсов. Массивный цилиндрический ротор делает воздушный зазор равномерным вдоль всей окружности статора, что значительно улучшает рабочие характеристики, и позволяет осуществлять асинхронный пуск без пусковой клетки с лучшими пусковыми свойствами. ОВ, расположенная на статоре, может непосредственно соединяться с источником питания, массивный ротор позволяет осуществлять асинхронный пуск без пусковой клетки.
Источники информации
1. Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. - М., 1985. - 231 с.
2. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины и микромашины. - М.: Высшая школа, 1971. - 432 с.
3. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности. - М.: Высшая школа, 1967. - 504 с.
4. Кацман М.М. Электрические машины. - М.: Академия, 2003. - 496 с.
5. Могильников B.C. Асинхронные электродвигатели с двухслойным ротором и их применение. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 119 с.
6. Петров Г.Н. Электрические машины. - М., МГЭИ. 1963. - 416 с.