СТАТОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
ELECTRIC MOTOR STATOR

Изобретение относится к электротехнике и машиностроению, в частности к электрическим машинам - статорам асинхронных и синхронных электродвигателей однофазного и многофазного переменного или однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды.
Основным элементом у асинхронных и синхронных электродвигателей однофазного и многофазного переменного или однонаправленного пульсирующего тока является статор, в отличие от двигателей постоянного тока, где основным элементом является ротор с коллектором, а статор играет роль постоянных электромагнитов. В настоящее время известны статоры, принцип действия которых описан в книгах по теории и проектированию электрических машин. Электрические машины с этими статорами являются обратимыми, так как согласно закону обратимости электрических машин Э.Х. Ленца из них можно получить электрический генератор. Основным недостатком всех этих статоров и содержащих их электродвигателей является то, что значительная часть подводимого к электродвигателю напряжения и мощности тратится на компенсацию генераторной ЭДС двигателя, так называемой противо-ЭДС.
Известен первый аналог широко распространенный статор асинхронного двигателя - Электротехника, учебное пособие для вузов, Пантюшин B.C., издание 2-е переработанное и дополненное, 1976 г., стр. 413-415, представляющий из себя полый сердечник, набранный из отдельных листов, стали, имеющий пазы на внутренней поверхности, в которые уложены электромагнитные обмотки по всей его окружности.
Известен второй аналог - статор асинхронного двигателя - патент Н. Тесла US 416194, 03.12.1889, имеющий явновыраженные полюса - зубья, вокруг которых намотаны электромагнитные обмотки в форме катушек.
Более близким аналогом к предлагаемому техническому решению является статор электродвигателя - Избранные труды Доливо-Добровольского М.О., 1948 г., стр. 141-142, принятый в качестве прототипа, содержащий магнитопровод в виде контура с обращенными внутрь зубьями, между которыми вокруг магнитопровода намотаны обмотки.
Первым недостатком аналогов и прототипа является малый коэффициент преобразования электрической мощности в механическую мощность. Это означает, что аналоги и прототип являются неэкономичными для пользователя, которому необходимо получать из электрической сети большое количество электрической мощности для эксплуатирования двигателей, имеющих такие статоры. Этот недостаток обусловлен значительным потреблением реактивной мощности в режиме малых нагрузок и наличием генераторной ЭДС. Реактивная мощность является частью полной мощности, потребляемой из сети, и обусловлена наличием индуктивной нагрузки на обмотках. Она не расходуется на совершение полезной работы. Генераторная ЭДС наводится в обмотке статора вращающимся электромагнитным полем ротора.
Вторым недостатком аналогов и прототипа является ограниченный диапазон регулирования частоты вращения.
Технической задачей изобретения является повышение экономичности электродвигателя, уменьшение нагрузки на сеть и увеличение диапазона регулирования частоты вращения.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении генераторной ЭДС в обмотках статора работающего двигателя, уменьшении реактивной мощности асинхронного двигателя, обеспечении возможности регулирования числа оборотов и мощности электромагнитной машины питанием со ступенчатой или плавной регулировкой напряжения и частоты.
Технический результат достигается в статоре электродвигателя, содержащем магнитопровод в виде контура с зубьями, между которыми вокруг магнитопровода намотаны обмотки, магнитопровод имеет четное количество зубьев, расположенные по разные стороны относительно каждого зуба обмотки соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков.
Магнитопровод может иметь форму прямоугольника.
Магнитопровод может иметь форму круга.
Магнитопровод может иметь форму многоугольника.
Магнитопровод может иметь форму эллипса.
Зубья магнитопровода могут быть направлены внутрь контура.
Зубья магнитопровода могут быть направлены наружу контура.
Обмотки могут быть соединены встречно-последовательно.
Обмотки могут быть соединены встречно-параллельно.
На фиг. 1 изображен статор электродвигателя с магнитопроводом, имеющим форму прямоугольника.
На фиг. 2 изображен статор электродвигателя с магнитопроводом, имеющим форму круга.
На фиг. 3 изображен магнитопровод, имеющий форму многоугольника.
На фиг. 4 изображен магнитопровод, имеющий форму прямоугольника с зубьями, направленными наружу контура.
На фиг. 5 изображен магнитопровод, имеющий форму прямоугольника с полюсными наконечниками на зубьях.
Статор электродвигателя содержит магнитопровод 1 в виде контура с зубьями 2, между которыми вокруг магнитопровода 1 намотаны обмотки 3, 4, магнитопровод 1 имеет четное количество зубьев 2, расположенные по разные стороны относительно каждого зуба 2 обмотки 3 и 4 соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков 5 и 6.
Магнитопровод 1 может иметь форму прямоугольника, как показано на фиг. 1. Магнитопровод может иметь форму круга, как показано на фиг. 2. Магнитопровод 1 может иметь форму многоугольника, как показано на фиг. 3. Магнитопровод 1 может иметь форму эллипса. Зубья 2 магнитопровода 1 могут быть направлены внутрь контура, как показано на фиг. 1, 2, 3. Зубья 2 магнитопровода 1 могут быть направлены наружу контура, как показано на фиг. 4. Такой статор применяется в электродвигателях с расположением короткозамкнутого или фазного ротора снаружи статора.
Рассмотрим пример конкретной реализации статора электродвигателя. В примере конкретной реализации статор применяется в составе а электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Магнитопровод 1 изготавливается из изолированных листов шихтованной стали, имеющих прямоугольный контур, как показано на фиг. 1. Магнитопровод 1 может быть изготовлен и с применением технологии порошковой металлургии. Форма магнитопровода 1 классическая стержневая и имеет вместо среднего стержня два зуба 2. Количество зубьев 2 может быть различным, кратным двум. При такой форме магнитопровода 1 в промежутке между зубьями 2 наматываются две обмотки 3, 4, которые соединены встречно (последовательно или параллельно) с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков 5 и 6. Это означает, что обмотка 3 с одной стороны относительно зуба 2 создает магнитный поток 5, который направлен противоположно относительно магнитного потока 6, создаваемого обмоткой 4, расположенной с другой стороны зуба 2. Обмотки 3, 4 являются электромагнитными катушками, создающими магнитные потоки 5, 6. В зависимости от способа соединения обмоток - встречно-параллельного или встречно-последовательного - меняются входные параметры мощности электричества, подводимого к двигателю. При встречно-параллельном соединении с более высоким напряжением питания ток меньше по сравнению со встречно-последовательным, при котором напряжение ниже, а подводимый к двигателю ток выше. Благодаря описанному соединению обмоток 3, 4 зубья 2 магнитопровода 1 являются явно выраженным магнитными полюсами северной N и южной S полярностей, меняющими свою полярность во времени по переменной синусоиде или по близкой к ней аппроксимации. Ротор в электродвигателе с рассматриваемым статором размещается в зазоре между зубьями 2. Зубья 2 статора могут иметь полюсные наконечники 7 в виде дуги, как показано на фиг. 5. Зубья 2 статора могут быть как целостными, так и иметь зубцы на поверхности или иметь другую форму, например, двух зубчатый явно выраженный полюс.
Статор обладает существенными отличиями от аналогов. Отличием от первого аналога является то, что обмотки 3, 4 не укладываются в пазы многополюсного барабанного статора по всей его окружности. Отличием от второго аналога является то, что электромагнитные обмотки 3, 4 не наматываются вокруг зубьев 2 (условного среднего стержня), как в броневых статорах, а наматываются на боковые стержни (стороны) магнитопровода 1 и таким образом мы получаем стержневой электромагнитный статор. Намотка обмотки 3 и 4 производится между его зубьями 2. Отличием от прототипа является то, что электрическое соединение обмоток 3, 4 производится в соответствии с законом Ома встречно-последовательным (фиг. 2), или встречно-параллельным (фиг. 1) соединениями. Стрелками показано движение электронов по часовой стрелке (в верхнем полупериоде графика синусоиды). При движении электронов в другую сторону (в нижнем полупериоде графика синусоиды) полюса N и S поменяют полярность на противоположную S и N. Встречное соединение обмоток позволяет получить на магнитопроводе 1 между обмотками 3 и 4 встречную магнитную индукцию одной и той же полярности (встречные магнитные потоки - N-N или S-S). Участок магнитопровода 1 между двумя встречно-соединенными электромагнитными обмотками 3, 4, состоящий из корня 8 зуба 2 (Фиг. 1) и расположенного на корне 8 зуба 2 имеет одну полярность например N. Второй корень зуба и зуб имеет противоположную полярность магнитного поля S. Так как на обмотки 3, 4 подается однофазный или многофазный переменный ток с формой электрической синусоиды или однонаправленный пульсирующий ток с аппроксимацией синусоиды, то на зубьях 2 будет переменное магнитное поле с изменением магнитной индукции в соответствии с четвертым уравнением Максвелла. Намотка обмоток 3, 4 между зубьями 2 магнитопровода 1, то есть на боковой стержень магнитопровода 1, позволяет более полно использовать статорное железо для получения соответствующего магнитного потока электромагнитов и сместить магнитные характеристики по петле гистерезиса практически до зоны полного магнитного насыщения статорного железа.
В связи с тем, что обмотки электромагнитных катушек статора жестко располагаются на магнитопроводе статора (боковой стержень, спинка статора или ярмо), то в результате магнитного взаимодействия магнитных потоков, возникающих в обмотках 3, 4, в корне зуба магнитопровода произойдет магнитное сцепление однополярных магнитных полюсов с коэффициентом магнитного сцепления М, обусловленным встречными магнитными потоками одной полярности на корне зубьев магнитопровода и являющимся общим для обеих электромагнитных обмоток 3,4. При расчете общей индуктивности статора коэффициент магнитного сцепления М обмоток 3, 4 учитывается со знаком минус, так как электрический ток в обмотках 3, 4 течет в разном направлении. А при расчете магнитного потока на зубьях 2 статора коэффициент магнитного сцепления М учитывается со знаком плюс, так как магнитные потоки 5, 6 направлены навстречу друг другу, а значит их магнитное поле усиливается. Уменьшение индуктивности статора значительно снижает реактивную мощность электродвигателя. Встречное соединение обмоток 3, 4 с уменьшенной индуктивностью значительно уменьшает противо-ЭДС, возникающую в обмотках 3, 4 статора. При встречном соединении электромагнитных обмоток 3, 4 их общая электрическая индукция будет очень маленькой, следовательно маленьким будет и собственное индукционное сопротивление. Благодаря этому уменьшается напряжение питания и мощность электричества, подводимого к электродвигателю, тем самым снижаются нагрузки на электрическую сеть.
Рассмотрим статор электродвигателя в работе. Работа статора в составе электродвигателя основано в строгом соответствии с законами Кирхгофа, Ома, Максвелла. А также со вторым законом Кулона о магнитных полюсах, согласно которому два магнитных полюса взаимодействуют с силой, пропорциональной произведению их количеств магнетизма, и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Согласно тому же закону, как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса S-S и N-N отталкиваются, разноименные S-N притягиваются. С учетом того, что электромагниты статора и ротора относительно друг друга располагаются по окружности, одна из которых неподвижна (статор), а вторая совершает вращательные движения (ротор), одноименные полюса выталкивают ротор, а разноименные втягивают. При этом в предлагаемом устройстве максимально используется магнитное поле статорных электромагнитов и короткозамкнутого ротора и значительно уменьшена возникающая в обмотках 3, 4 статора генераторная ЭДС двигателя и уменьшена его реактивная мощность.
Питание электродвигателя переменного тока осуществляется от сети переменного тока через блоки питания (понижающие трансформаторы) или аккумуляторы с дальнейшим применением преобразователей постоянного напряжения в переменное AC/DC. Питание асинхронного однофазного электромагнитного двигателя однонаправленным импульсным током с аппроксимацией синусоиды осуществляется от сети постоянного тока или аккумулятора, или через устройства импульсного управления двигателем.
Эффективность изобретения подтверждена испытанием опытных образцов статоров в составе электродвигателей одно и многофазного переменного тока, и однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды с уменьшенной генераторной ЭДС. В таблице 1 представлено сравнение характеристик двигателей, содержащих статор согласно изобретению и двигателя, содержащего статор-аналог. В качестве двигателя, содержащего статор-аналог исследовался двигатель вентилятора ВН-2 Львовского ЭМЗ 1973 г. Двигатель, содержащий статор согласно изобретения был переделан из того же двигателя ВН-2, поэтому имел сходные геометрические размеры.
Экспериментальные данные подтверждают то, что двигатель, содержащий статор согласно изобретению, по сравнению с двигателем, содержащим статор-аналог, при одинаковом режиме работы потребляет меньший ток и мощность, следовательно, является более экономичным, не оказывает негативного воздействия на сеть ввиду того, что cos ср стремится к 1 и обладает меньшим пусковым током, практически равным рабочему.
2
Предлагаемый статор электродвигателя имеет более высокий по сравнению с аналогами коэффициент преобразования электрической мощности в механическую мощность, через магнитные мощности ротора и статора. Электрические и магнитные параметры устройства благоприятно сказываются на температурном режиме работы статора. В связи со значительным уменьшением реактивной мощности и генераторной ЭДС статора и работой электромагнитной системы статора в области магнитного насыщения статорного железа плотность силы тока в проводниках обмоток 3, 4 в зависимости от режима работы статора находится в пределах 2…2.5 А/мм. Уменьшение температуры нагрева проводников обмоток 3, 4 значительно снижает разрушение их изоляции и увеличит срок работы статора. Статор не требует дополнительного охлаждения. Устройство управления обеспечивает регулирование числа оборотов и мощности электромагнитной машины питанием со ступенчатой или плавной регулировкой напряжения и частоты.