ДВУХФАЗНАЯ БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТИПА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве двигателя, генератора (источника энергии), тахогенератора.
Известен бесщеточный двигатель [1], имеющий зубцовую (катушечную) обмотку, размещенную на равномерно распределенных зубцах статора, и ротор с чередующимися полюсами из постоянных магнитов, число которых связано с числом зубцов определенным соотношением. При этом число зубцов статора пропорционально числу фаз. Таким образом, на статоре с числом зубцов кратным трем, но не кратным двум можно намотать трехфазную обмотку, но невозможно выполнить двухфазную.
Известен силовой серводвигатель с зубцовой (катушечной) обмоткой [2], в котором число зубцов статора кратно двум. Таким образом, на этом статоре может быть размещена двухфазная обмотка, но невозможно выполнить трехфазную обмотку.
Известны бесконтактные электрические машины [3, 4] статор, которых также имеет зубцовую (катушечную) обмотку, размещенную на равномерно распределенных зубцах статора, и ротор с чередующимися полюсами из постоянных магнитов. Однако в данном случае число зубцов статора должно быть пропорциональным числу фаз, поэтому при числе зубцов кратным трем, но не кратным двум двухфазная обмотка невыполнима
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является “Синхронный электродвигатель” [5] (прототип) с числом зубцов пропорциональных числу фаз, содержащих катушки с одинаковым числом витков в каждой катушке, намотанной проводом одинакового сечения.
Недостатком данной электрической машины является трудность конструктивной унификации пакета зубцового статора, поскольку при заданном числе пар полюсов двух и трехфазная машины могут иметь разное число зубцов статора. Это снижает технологичность изделия в условиях производства, поскольку требует при изготовлении двух и трехфазных машин пакетов статора различной конфигурации.
Задачей предлагаемого технического решения является облегчение конструктивной унификации пакета зубцового статора и повышение показателя технологичности электрической машины.
Решение поставленной задачи достигается тем, что двухфазная бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа, содержащая статор с одинаковыми равномерно распределенными зубцами кратными трем, на которых размещена обмотка, и ротор с чередующимися полюсами из постоянных магнитов, отличающихся тем, что обмотка выполняется трехфазной, при этом первая фаза трехфазной обмотки является первой фазой двухфазной обмотки, а вторая и третья фазы трехфазной обмотки соединяются последовательно, образуя вторую фазу двухфазной обмотки, при этом вторая и третья фазы трехфазной обмотки наматываются проводом такого сечения, чтобы их суммарное сопротивление было бы равно сопротивлению первой фазы, а число витков второй фазы и третьей фазы трехфазной обмотки в  раз меньше числа витков первой фазы.
Особенностью предлагаемого решения является возможность наматывать на один и тот же пакет статора обмотки как двухфазной, так и трехфазной машины.
На фиг.1 показана в качестве примера конструкция бесконтактной электрической машины с минимальным числом зубцов равным трем; на фиг.2 - схема трехфазной обмотки этой машины; на фиг.3 - векторная диаграмма ЭДС обмотки, показанной на фиг.2; на фиг.4 - схема обмотки предлагаемой машины; на фиг.5 - векторная диаграмма ЭДС обмотки предлагаемого электродвигателя по фиг.4; па фиг.6 - пример схемы обмотки предполагаемого двухфазного электродвигателя при числе зубцов 18, а на фиг.7 - схема трехфазной обмотки того же электродвигателя.
Двухфазная бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа работает следующим образом:
На фиг.1 представлен пример электрической машины с минимальным числом зубцов три и одной парой полюсов. Она содержит статор 1 с тремя зубцами 2, смещенными на угол 120 градусов друг относительно друга, на каждой из которых помещена катушка 3 обмотки. Ротор 4 машины выполнен в виде постоянного магнита с одной парой полюсов.
U
V
W
Схема обмотки такой машины показана на фиг.2, где буквами “н” и “к” обозначены выводы начала и конца каждой катушки U, V и W соответственно. При включении катушек в звезду, путем соединений выводов “к” в электрическую нейтраль, вся обмотка будет представлять обычную трехфазную обмотку синхронной машины, векторы ЭДС которой, наводимой в катушках при вращении ротора, показаны на фиг.3, где Е, Е, E - векторы ЭДС катушек U, V и W соответственно, сдвинутые на 120 градусов друг относительно друга. Длина векторов ЭДС на фиг.3 показана одинаковой, что соответствует случаю равного числа витков каждой катушки. Если к тому же все катушки намотаны проводом одинакового сечения, то обмотка фиг.2 представляют обычную трехфазную обмотку.
На фиг.4 показана обмотка предлагаемой электрической машины, в которой катушки V и W соединены последовательно. Соответствующая этой обмотке векторная диаграмма ЭДС, наводимых в катушках, показана на фиг.4 для равного числа витков во всех катушках
и, следовательно, при равенстве амплитуд ЭДС фаз (модулей векторов)
Если принять катушку U за первую фазу А двухфазного двигателя, то ее ЭДС
A
Соединенные последовательно катушки V и W образуют вторую фазу В двухфазного двигателя, вектор ЭДС которой направлен перпендикулярно вектору первой фазы Е, а амплитуда, как видно из фиг.5, равна
Таким образом, фазы двухфазной машины на фиг.4 не являются симметричными, так как наводимые в них ЭДС имеют разную амплитуду. Однако, известно, что амплитуда наводимой в каждой катушке ЭДС, пропорциональна числу витков этой катушки
;;
где k - коэффициент пропорциональности.
Поэтому, если выполнить катушки с разным числом витков из соотношения
то из (5) и (6) следует
Таким образом, в предлагаемой электрической машине амплитуды ЭДС, наводимых в каждой из двух фаз А и В одинаковы.
Для того, чтобы фазы А и В имели также равные сопротивления
A
B
A
B
предлагается наматывать катушки проводом разного сечения. Для этого обозначим сечения и диаметр проводов фаз А и В как S, S и d, d соответственно.
Тогда
;
где: ρ - удельное электрическое сопротивление обмоточного провода (принято одинаковым);
A
B
l, l - длина провода каждой фазы;
;
K
Принимая среднюю окружность каждой катушки l одинаковой, получим
;
где число витков фаз А и В
;
Подставляя (12)и(13)в(10), получаем
;
Для обеспечения условия равенства сопротивления фаз (9) находим с учетом (11) соотношение для сечений и диаметров проводов фаз А и В
откуда
Следовательно, предлагаемый двигатель является двухфазной синхронной машиной с симметричными фазами равного сопротивлениям, формирующими две ЭДС равной амплитуды, сдвинутыми на 90 электрических градусов. В то же время, на тех же зубцах может быть легко выполнена обычная трехфазная обмотка.
На фиг.6 показан другой пример обмотки предлагаемой двухфазной электрической машины при числе зубцов 18, состоящей из 6 катушечных групп по три соседних катушки в каждой катушечной группе. Очевидно, что в данном случае невозможно выполнить обычную двухфазную зубцовую обмотку, потому что на каждую фазу придется 9 катушек, которых нельзя разделить на две равноценные катушечные группы. При этом, как показано на фиг.7, обычная трехфазная обмотка также легко выполняется.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является двухфазная бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа, характеризующаяся простотой изготовления и снижением экономических затрат при изготовлении статора.
Таким образом, вышеупомянутые сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующей совокупности условий промышленной применимости:
- Двухфазная бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа предназначена для использования в качестве двигателя, генератора (источника энергии), тахогенератора;
- Для заявленного технического решения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле заявленной полезной модели, использованы элементы известные в электротехнике;
- Построение двухфазной бесконтактной электрической машины магнитоэлектрического типа позволяет облегчить конструктивную унификацию пакета зубцового статора и повысить показатель технологичности электрической машины, так как позволяет наматывать на один и тот же пакет статора обмотки как двухфазной, так и трехфазной машины.
Источники информации принятые во внимание при составлении описания полезной модели:
[1] Патент ЕР 0160868; “Brushless motor”; Авторы: Takashi Katsuma, Masao Kitoh.; H02K 29/00; от 23.04.84.
[2] Патент ЕР 0484525; “Power servomotor”; Автор: Kazukimi Hiratsuka.; H02K 29/06, 21/16; от 21.10.1992.
[3] Патент РФ 2091969; “Бесколлекторный двигатель постоянного тока”; Авторы: Епифанова Л.М., Житейская И.В., Максимов Г.А., Хотяков В.В. H02K 29/00, 3/28; от 21.08.95.
[4] Патент РФ 2143777; “Бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа”; Авторы: Евсеев Р.К.; Епифанова Л.М.; H02K 29/00; от 27.09.97.
[5] Авторское свидетельство SU 1345291; “Синхронный электродвигатель”; Автор: Шевченко А.Ф.; H02K 19/02; от 21.01.86.