РЕГУЛИРУЕМЫЙ ОДНОФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
CONTROLLED SINGLE-PHASE MOTOR

Изобретение относится к устройству электродвигателей с регулируемой частотой вращения и может быть использовано в качестве привода в электротранспорте.
Известны электродвигатели переменного тока с частичной регулировкой частоты вращения ротора различными способами, например путем изменения числа пар полюсов статора, частоты питающего напряжения, величины активного сопротивления в обмотках ротора и т.п. (И.П.Копылов, Электрические машины, М., 2000, с.312-324).
Однако указанные методы усложняют конструкции, снижают экономичность и не обеспечивают плавную регулировку частоты вращения ротора в широком диапазоне.
Известен реактивный коммутируемый электродвигатель по патенту RU 2089991 С16 H02K 19/10. Данное устройство является наиболее близким аналогом к заявляемому двигателю по назначению и конструкции статора. Недостатками аналога являются:
- низкий коэффициент отношения мощности двигателя к его весу вследствие одномоментного рабочего состояния только четырех пар фаз из девяти;
- конструкция двигателя включает много элементов, относящихся к устройствам вспомогательным, таким как указатель положения ротора, управляемые выключатели, диоды, следствием чего является снижение надежности;
- безобмоточный ротор ограничивает мощность двигателя;
- двигатель питается, в том числе, постоянным током и потому осложняется его применение;
- для регулирования частоты вращения ротора требуется энергозатратное устройство, изменяющее напряжение постоянного тока.
Заявляемый двигатель лишен указанных недостатков и имеет следующие преимущества:
- в каждый момент времени в рабочем состоянии находятся все пары взаимодействующих полюсов статора и ротора;
- не содержит никаких побочных элементов, устройств управления и фиксации;
- двигатель питается переменным током, величина которого эффективно регулируется автотрансформатором;
- частота вращения ротора регулируется от 0 до max путем изменения напряжения питающего тока;
- обмоточный ротор позволяет строить электродвигатель повышенной мощности;
- двигатель может быть использован как в городском, так и в железнодорожном транспорте.
Сущность изобретения заключена в свойстве промышленного переменного тока с частотой 50 Гц изменять полярность магнитного потока включенной в сеть катушки и использовании этого свойства для взаимодействия магнитных потоков между полюсами статора и ротора таким образом, чтобы в каждый момент времени между одной группой этих полюсов возникали, например, взаимно притягивающиеся магнитные потоки, таким образом создавая крутящий момент на валу нужного направления вращения, в то время как между другой группой полюсов возникали взаимно отталкивающиеся магнитные потоки, усиливая крутящий момент, созданный первой группой полюсов, а согласованность непрерывного взаимодействия магнитных потоков между полюсами статора и ротора осуществляется с помощью контактных устройств.
Изобретение поясняется чертежами на фиг.1÷3.
На фиг.1 изображен схематический разрез двигателя с одной секцией ротора, где:
1 - статор;
2 - полюса статора;
3 - обмотки полюсов статора;
4 - секция ротора;
5 - полюса секции ротора;
6 - обмотки полюсов секции ротора;
7, 8, 9 - контактные устройства секции ротора;
10 - токоподводящие щетки;
11 - автотрансформатор;
15 - переключатель фазы напряжения;
16 - токоподводящие шины.
На фиг.2 изображены контактные устройства обоих секций ротора, где:
12, 13, 14 - контактные устройства второй секции ротора.
,
:
Токоподводящие щетки 10 на фиг.2 изображены разнесенными на где
n - 1, 2, 3 …;
.
Т - период следования контактов. Контактные устройства соседних пар полюсов секции ротора развернуты относительно друг друга на угол β, равный  дуги контактной площади или равный 15° для двигателя фиг1.
На фиг.3 изображены графики взаимодействия магнитных потоков полюсов статора и ротора для разных фиксированных углов поворота ротора и направление вращения его.
ДВИГАТЕЛЬ РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ.
Принимается: 1 - в токопроводящей шине 16 внешний провод - фаза, внутренний - О;
2 - в токоподводящих щетках 10 (фиг.2) левая - фаза, правая - О; полярности полупериодов напряжения на внешней шине 16 и левой токопроводящей щетке фиг.2 одинаковы;
3 - начала витков обмоток 3 статора 1 расположены у основания полюсов 2 статора 1; начала витков обмоток 6 полюсов 5 секции ротора 4 расположены у вершин полюсов 5;
4 - имея в виду чередующийся с частотой 50 Гц порядок подключения начал и концов обмоток 3 полюсов 2 статора 1 к токоподводящей шине 16, в рассматриваемый момент времени работы электродвигателя полярность полюсов 2 статора 1 согласно правилу правой руки будет такой, как изображено на фиг.3;
5 - в моменты совпадений осей полюсов статора 1 и ротора 4 полярности полюсов 5 ротора 4 изменяются на противоположные.
Взаимодействия магнитных потоков, определяемых правилом правой руки, полюсов 2 статора 1 и секции ротора 4, направления вращения ротора 4 при разных положениях щеток 10 на контактных устройствах 7, 8, 9 (фиг.2) иллюстрируются на примерах со смещением щеток 10, равнозначных поворотам ротора 4, и по часовой, и против часовой стрелки на углы: 0°, 20°, 40°, 75°, 30°, а также изменение направления вращения ротора 4 со сменой фаз напряжения на щетках 10 для 75° и 30°, представлены на графиках фиг.3.
Положения щеток 10 на развернутых контактных устройствах 7, 8, 9 относительно начального их положения на чертеже фиг.2, а также положения пар полюсов 5 ротора 4 относительно развернутого статора 1 на графике фиг.3, рассчитываются из соотношений длин разверток на чертежах и углов разворота ротора 4 относительно начального его положения на фиг.1.
Положения щеток 10 на фиг.2 определяются из , где:
l - длина развернутых контактных устройств 7, 8, 9 по чертежу в мм (104 мм);
γ - угол разворота ротора 4 в градусах.
Положения пар полюсов 5 ротора 4 на фиг.3 определяются из , где:
L - длина развернутого статора 1 по чертежу фиг.3 в мм (160 мм).
Расстояния по чертежу фиг.3 между парами полюсов постоянно:
.
Взаимодействие магнитных потоков полюсов 2 статора 1 и полюсов 5 ротора 4 иллюстрируется на примере начального положения этих полюсов на фиг.1.
1 - токоподводящие щетки 10 (фиг.2) на контактном устройстве 7 расположены на изоляционных площадках между токоподводящими, и поэтому магнитного потока в паре 1 полюсов 5 ротора 4 нет.
2 - токоподводящие щетки 10 на контактном устройстве 8 расположены на токоподводящих площадках, причем начало обмоток 6 подключено к фазе напряжения через левую щетку 10 и по правилу правой руки на вершинах пары полюсов 2 образуются северные магнитные полюса N.
3 - левая токоподводящая щетка 10 на контактном устройстве 9 расположена на контакте, соединенным с концом обмоток пары полюсов 3, поэтому по правилу правой руки на вершинах полюсов пары 3 образуется южный магнитный полюс S.
Согласно графику фиг.3 пара 2 полюсов ротора 4 будет отталкиваться от полюсов статора 2 и 6 и притягиваться к полюсам статора 3 и 7, а пара 3 полюсов ротора будет отталкиваться от полюсов статора 3 и 7 и притягиваться к полюсам статора 4 и 8. Таким образом, ротор 4 будет вращаться по часовой стрелке.
Во всех случаях сохраняется согласованное взаимодействие магнитных потоков полюсов 2 статора 1 и полюсов 5 ротора 4 при выбранном направлении вращения ротора 4.
Со сменой фазы питающего напряжения переключателем 15 на щетках 10 для 75° и 30°, например, направление вращения ротора 4 изменяется на противоположное начальному.
В двигателе с ротором, состоящем из двух секций, развернутых между собой на определенный угол, крутящий момент на валу остается непрерывным в отличие от двигателя с одной секцией ротора, в котором во время смены полярностей пар полюсов ротора, оси которых совпадают с осями полюсов статора, крутящий момент между этими полюсами отсутствует.
Кроме того, во время смены полярностей магнитных потоков пар полюсов ротора одной из секций всплеск энергий в магнитных полях этих обмоток через щетки передается в одноименные обмотки другой секции ротора и, таким образом, исключается искрение под щетками в момент их размыкания с контактными устройствами.
Угол разворота α между секциями ротора и контактными устройствами этих секций согласуется с шириной токоподводящих щеток и протяженностью изоляционных промежутков между контактами таким образом, чтобы щетки, соприкасающиеся с убегающими контактами одной секции, одновременно касались бы набегающих одноименных контактов другой секции, как, например, при вращении ротора 4 против часовой стрелки между контактами контактного устройства 7 фиг.2 одной секции и контактами контактного устройства 12 другой секции.
Для иллюстрации осуществимости изобретения автором изготовлен электродвигатель только с одной секцией ротора, с горизонтально расположенными полюсами статора и ротора. Число полюсов статора - 8, число пар полюсов ротора - 3.
На фото 1 двигатель представлен в нерабочем положении.
На фото 2 и 3 двигатель представлен в рабочем состоянии при питании его через дискретный трансформатор переменным током напряжением 23 В и 48 В соответственно.
Степень смазанности изображений ротора на фото 2 и 3 свидетельствует о его вращении с различными скоростями.
Регулируемый однофазный электродвигатель содержит четное число пар полюсов статора с чередующейся их полярностью, число пар полюсов ротора на единицу меньше числа пар полюсов статора,
Ротор выполнен из двух равнозначных секций, развернутых одна относительно другой вокруг центральной оси на угол, величина которого согласована с шириной токоподводящих щеток и изоляционного промежутка между контактами, а начала и концы обмоток пар полюсов в каждой секции ротора соединены параллельно и в чередующемся порядке относительно начал и концов подключены к своим контактным устройствам, укрепленным на валу, которые также развернуты между собой на тот же угол, что и секции ротора.