АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

АСРШХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Устройство ОТНОСИТСЯ к области электрических машин, конкретнок асинхронным электродвигателям, и может быть использовано в качестве приводного двигателя для широкого класса механизмов.
Известны асинхронные двигатели, включающие статор и короткозамкнутый или фазный ротор. Достоинством асинхронных двигателей является их простота, надежность, невысокая стоимость. Одним из существенных недостатков асинхронного двигателя является относительно невысокий коэффициент МОЩНОСТИ, в особенности при нагрузках на валу, меньших номинального значения. Это связано с потреблением двигателем из сети реактивной мощности, доля которой в балансе полной мощности особенно возрастает в указанных режимах нагрузки 1, с.393-414. Кроме ТОГО энергетические показатели двигателя (коэффициент мощности и КПД) тем ниже, чем меньше номинальная мощность асинхронного двигателя.
Реактивные токи нагружают электрические сети, приводят к появлению в них дополнительных потерь электрической энергии, которые зависят ОТ квадрата тока, обуславливают необходимость выбора проводов и кабелей большего сечения.
Для снижения реактивных мощностей, потребляемых группами асинхронных двигателей из сети на подстанциях устанавливают компенсирующие устройства в виде батарей конденсаторов. Это позволяет повышать коэффициента мощности для всей совокупной нагрузки, однако связано с дополнительными затратами.
Известны компенсированные асинхронные двигатели Гейланда, Осноса и другие, разработанные еще в начале 20 века. Принцип их действия основан на использовании трехщеточной коллекторной машины, совмещенной с асинхронным двигателем или расположенной на одном валу с ним 2. Такие машины имеют коэффициент мощности, близкий к единице или равный ей. Однако они сложны в изготовлении, имеют высокую СТОИМОСТЬ и распространения не получили.
В конструктивном отношении к предлагаемому изобретению близки синхронные двигатели небольшой мощности с постоянными магнитами различной конфигурации и пусковой короткозамкнутой обмоткой, однако они ОТНОСЯТСЯ к другому типу машин, имеющему другие характеристики и свои достоинства и недостатки 1, с. 687-691.
Прототипом заявляемого изобретения является асинхронная машина, в сердечнике ротора которого выполнены глубокие пазы, а роль стержней выполняет магнитная жидкость с добавлением токопроводного порошка, частицы которого могут иметь ферромагнитное покрытие. Пазы
закрываются сверху клиньями, а их торцы - заглушками 3. Такое устройство, по мнению его автора, расширяет диапазон скоростей вращения, повышает КПД и коэффициент мощности двигателя.
Недостатками такого двигателя являются : очевидное усложнение технологии его изготовления, повыщение его стоимости, снижение надежности. Например, деформация клиньев под воздействием электродинамических усилий может приводить к вытеканию жидкости из пазов, появлению электрической несимметрии ротора и т.д. Таким образом, улучшение энергетических показателей двигателя достигается ценой снижения его основных достоинств.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является усовершенствование асинхронного двигателя с короткозамкнутым или фазным ротором с тем, чтобы при сохранении основных его достоинств: простоты, надежности и невысокой стоимости он обеспечил бы достижение следующих технических результатов:
-снижение потребления из сети реактивной мощности,
-снижение полной мощности, потребляемой из сети, при сохранении на валу номинального момента,
-улучшение коэффициента мощности и других энергетических показателей асинхронного двигателя.
Задача решается тем, в асинхронном двигателе, имеющем статор и ротор с короткозамкнутой или фазной обмоткой, в зубцах магнитопровода ротора выполнены углубления, в которые вмонтированы постоянные магниты. Число магнитов соответствует числу полюсов двигателя, число магнитов под полюсом может быть равно единице, либо равно числу пазов на полюс и фазу. Полюса пар магнитов, обращенные к воздушному зазору, должны быть разноименными.
Ширина и высота постоянного магнита не должны превышать ширину и высоту зубца магнитопровода ротора. Длина магнита зависит от его удельной магнитной энергии и может изменяться от долей до полной длины зубца.
Постоянные магниты могут иметь оболочку из алюминиевой или медной фольги, которая снижает влияние размагничивающего действия рабочего поля двигателя. Однако для магнитов с высокими удельными энергиями необходимости в использовании оболочки нет.
Устройство асинхронного двигателя с постоянными магнитами поясняется рис.1. Станина, подшипниковые щиты и иные общеизвестные узлы и детали, не относящиеся к существу изобретения, на рисунке не показаны. Двигатель имеет статор 1 с одно- и многофазной обмоткой и ротор 2 с короткозамкнутой или фазной обмоткой, расположенный на валу 3. В зубцы ротора вмонтированы постоянные магниты 4. Таким образом, заявляемый асинхронный двигатель представляет собой совмещенную
машину, состоящую из асинхронного двигателя и синхронного генератора, который выполняет функцию внутреннего источника реактивной мощности. При этом статор является общим для асинхронной и синхронной машин.
Принцип действия заявляемого асинхронного двигателя заключается в следующем. Пуск двигателя и его последующая работа на естественной характеристике происходит в обычном асинхронном режиме. Постоянные магниты, пересекая обмотку статора, наводят в ней ЭДС, направленную встречно по отношению к напряжению сети и создающую в обмотке статора реактивную составляющую тока, имеющую опережающий характер. Это приводит к снижению потребляемой двигателем из сети реактивной и полной мощностей при той же полезной мощности на валу, что и у обычного асинхронного двигателя.
Поскольку дополнительное возбуждение асинхронного двигателя осуществляется со стороны ротора, то мощность, потребляемая для вращения синхронной машины составляет лишь несколько процентов от мощности асинхронного двигателя. По этой причине двигатель является именно асинхронным, а не синхронным с постоянными магнитами.
На рис. 2 приведена гистограмма полной S, активной Р и реактивной Q мощностей серийного асинхронного двигателя 4АИСВ2 номинальной мощностью Р2н 120 Вт и синхронной скоростью 3000 об/мин и опытного асинхронного двигателя с постоянными магнитами, изготовленного автором на базе мащины этой серии той же мощности. Гистограмма построена по данным для номинального режима (Р2  P2ii ) и режима холостого хода (Р2  0), полученным опытным путем.
В номинальном режиме потребление реактивной мощности асинхронного двигателях с постоянными магнитами снижается на 30%, а коэффициент мощности возрастает до 0.87 в сравнении с серийным двигателем. При этом заметно снижается и потребляемая двигателем полная мощность, тогда как доля активной мощности несколько возрастает
В режиме холостого хода асинхронный двигатель с постоянными магнитами в сравнении с серийным двигателем резко снижает потребляемую полную (66%) и реактивную (65%) мощности.
На рис. 3 представлены рабочие характеристики тех же двигателей. Как видно из рис.3, во всем диапазоне нагрузок двигателя от О до Рзн реактивная мощность асинхронного двигателя с постоянными магнитами в среднем на треть меньше реактивной мощности серийного двигателя.
Во всем диапазоне нагрузок ток статора заявляемого двигателя меньше тока статора серийного асинхронного двигателя в среднем на 2425%. В режиме холостого хода это различие составляет более 30% , что исключительно важно для электроприодов с асинхронными двигателями.
в которых режим работы двигателя вхолостую занимает значительную часть диаграммы нагрузки электропривода.
Применение постоянных магнитов с высокой удельной энергией обеспечивает более высокие энергетические показатели.
Изготовление асинхронного двигателя с постоянными магнитами незначительно усложняет технологию и стоимость таких двигателей. Для сравнения можно указать, что стоимость двух магнитов, впрессованных в зубцы опытного образца асинхронного двигателя в 200 раз меньше стоимости самого двигателя.
Учитывая массовый характер выпуска и использования асинхронных двигателей заявляемое изобретение может обеспечить:
-существенное увеличение коэффициента мощности асинхронных электроприводов,
-существенное снижение потребления реактивной мощности,
-существенное снижение потерь электрической энергии.
Поскольку от 60 до 70% всей производимой в промышленно развитых странах электроэнергии потребляют асинхронные электроприводы, то использование заявляемого изобретения может обеспечить экономию электроэнергии, сопоставимую с количеством всей производимой электроэнергии.