СТАТОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
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 ротационной электрической машины – RU2664505, 01.11.2017, содержащий сердечник статора, содержащий ярмо и наружные и внутренние зубья, обмотку статора, выполненную вокруг ярма, между зубьями, статор расположен между внутренним ротором, закрепленном на валу и внешнем роторе, связанным с валом.
Первым недостатком аналогов 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 является ограниченный диапазон регулирования частоты вращения.
Более близким аналогом к предлагаемому техническому решению является статор электродвигателя – заявка на изобретение RU2019140176 от 07.12.2019, принятый в качестве прототипа, содержащий магнитопровод в виде контура с зубьями, имеющими короткозамкнутый виток, между которыми вокруг магнитопровода намотаны обмотки, подключенные к источнику переменного тока, магнитопровод имеет чётное количество зубьев, расположенные по разные стороны относительно каждого зуба обмотки соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков.
Недостатком прототипа является малый коэффициент преобразования электрической мощности в механическую мощность. Это обусловлено тем, что большую часть магнитной индукции, получаемой на корне зубьев статора, приходится замыкать через специальные металлические контуры.
Технической задачей изобретения является повышение экономичности электродвигателя.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении коэффициента преобразования электрической мощности в механическую мощность.
Технический результат достигается в статоре электродвигателя, содержащем магнитопровод в виде контура с зубьями, имеющими короткозамкнутый виток, между которыми вокруг контура магнитопровода намотаны обмотки, подключенные к источнику переменного тока, обмотки расположенные по разные стороны относительно зуба соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков, контур магнитопровода имеет форму окружности, магнитопровод имеет четное количество пар совмещенных друг с другом зубьев, каждая пара зубьев состоит из зуба, направленного внутрь контура магнитопровода и зуба, направленного наружу контура магнитопровода, с обеспечением возможности одновременного расположения двух роторов электродвигателя – одного ротора снаружи статора электродвигателя, а другого ротора внутри.
Обмотки могут быть соединены встречно-последовательно.
Обмотки могут быть соединены встречно-параллельно.
На фиг.1 изображён статор электродвигателя.
На фиг.2 изображён пример реализации статора в составе электродвигателя с двумя роторами. Обмотки изображены в сечении условно.
На фиг.3 изображено поперечное сечение статора в составе электродвигателя с двумя роторами.
Cтатор электродвигателя содержит магнитопровод 1, как показано на фиг.1, в виде контура 2 с зубьями 3, 4 между которыми вокруг контура 2 магнитопровода 1 намотаны обмотки 5, 6, подключенные к источнику переменного тока, обмотки расположенные по разные стороны относительно зуба 3 соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков 7 и 8, контур 2 магнитопровода 1 имеет форму окружности, магнитопровод 1 имеет четное количество пар совмещенных друг с другом зубьев 3 и 4, каждая пара 3 и 4 зубьев состоит из зуба 3, направленного внутрь контура 2 магнитопровода 1 и зуба 4, направленного наружу контура 2 магнитопровода 1, с обеспечением возможности одновременного расположения одного ротора 9 снаружи статора электродвигателя, как показано на фиг.2, а другого ротора 10 внутри.
Рассмотрим пример конкретной реализации статора электродвигателя. В примере конкретной реализации статор применяется в составе электродвигателя с двумя короткозамкнутыми роторами 9, 10, как показано на фиг.2, 3. Магнитопровод 1 изготавливается из изолированных листов шихтованной стали. Магнитопровод 1 может быть изготовлен и с применением технологии порошковой металлургии. Форма магнитопровода 1 классическая стержневая и имеет восемь зубьев, которые размещены попарно (3, 4), как показано на фиг.1, 2. Количество зубьев может быть различным, кратным четырем. При такой форме магнитопровода 1 в промежутке между парами совмещенных направленных в разную сторону зубьев наматываются обмотки 5, 6, которые соединены встречно (последовательно или параллельно) с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков 7 и 8. Это означает, что обмотка 5 с одной стороны относительно пары совмещенных зубьев 3 и 4 создает магнитный поток 7, который направлен противоположно относительно магнитного потока 8, создаваемого обмоткой 6, расположенной с другой стороны пары совмещенных зубьев 3, 4. Обмотки 5, 6 являются электромагнитными катушками, создающими магнитные потоки 7, 8. 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 5, 6 пары зубьев 3, 4 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. Роторы 9, 10 в электродвигателе с рассматриваемым статором размещаются один снаружи (9) статора электродвигателя, как показано на фиг.2, а другой (10) внутри.
Статор обладает существенными отличиями от аналогов. Отличием от первого аналога является то, что обмотки 5, 6 не укладываются в пазы многополюсного барабанного статора по всей его окружности. Отличием от второго аналога является то, что обмотки, расположенные по разные стороны относительно зуба 3 соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков 7 и 8. Намотка обмоток 5 и 6 производится между парами зубьев 3, 4. 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 5 и 6 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 5, 6, состоящий из корня 11 зубьев 3, 4 (Фиг.1) имеет одну полярность – например N. Второй корень зуба 12 и зубья имеют противоположную полярность магнитного поля S. Так как на обмотки 5, 6 подается однофазный или многофазный переменный ток с формой электрической синусоиды или однонаправленный пульсирующий ток с аппроксимацией синусоиды, то на зубьях будет переменное магнитное поле с изменением магнитной индукции в соответствии с четвертым уравнением Максвелла. Намотка обмоток 5, 6 между парами зубьев 3, 4 магнитопровода 1, то есть на контур 2 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.
Отличием от прототипа является то, что зубья расположены попарно, один из которых 3 направлен внутрь контура 2 магнитопровода 1, второй 4 наружу. Благодаря этому обеспечивается формирование магнитного потока, обеспечивающего воздействие на два ротора – наружный 9 и внутренний 10. Благодаря этому создаваемый магнитный поток используется более эффективно и повышается коэффициента преобразования электрической мощности в механическую мощность.
Выходной вал 13, как показано на фиг.2, 3, устанавливается внутри корпуса 14 электродвигателя, закрытого с торца боковой крышкой 15. Вал 13 установлен на подшипниках 16, закрытых с наружи крышками 17. На валу 13 жестко закреплен внутренний короткозамкнутый ротор 10. Наружный короткозамкнутый ротор 9 закреплен жестко на валу 13 через фланец 18. Оба ротора установлены с возможностью синхронного вращения на валу 13 двигателя. Статор двигателя неподвижен и находится между двумя роторами 9 и 10. Крепление статора и его центровка обеспечиваются через оси 19, расположенные на боковой крышке 15. Неподвижное расположение боковой крышки 15 в корпусе 14 и фиксация на ней неподвижного статора позволяют свободно вывести соединительные электрические провода от электромагнитных катушек 5, 6. Соединительная электрическая коробка может располагаться как на корпусе 14, так и на боковой крышке 15.
На зубьях 3, 4 расположен короткозамкнутая медная обмотка (виток) 20. У однофазных асинхронных или синхронных переменного тока или однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией напряжения электрических двигателей с явно выраженными полюсами для создания пускового момента используется короткозамкнутая обмотка (виток) 20, называемый экраном. Каждый полюс на магнитопроводе как бы расщепляют на две или больше частей. Одна часть полюса остаётся неэкранированной, а на остальные надевается короткозамкнутый виток (экран) в виде медного или алюминиевого кольца и находится на зубе за полюсным наконечником. При включении обмотки статора в сеть пульсирующий поток наводит в короткозамкнутом витке (экране) ток, препятствующий нарастанию магнитного потока и вызывающий фазовый сдвиг потока в этой части полюса. В результате потоки в обеих частях каждого полюса оказываются сдвинутыми по фазе относительно друг друга, что, в свою очередь, приводит к образованию в двигателе вращающегося магнитного поля. Часто для улучшения пусковых и рабочих характеристик двигателя между полюсами помещают магнитные шунты в виде стальных пластинок, замыкающих края полюсных наконечников полюсов статора. Асинхронные двигатели с экранированными полюсами нереверсивные -ротор всегда вращается в направлении от неэкранированной части полюса к экранированной. Поэтому валы с такими роторами часто имеют два рабочих конца. Это техническое решение широко известно (Кацман М.М. Электрические машины. -М.: Высшая школа, 1990. -С. 216-217. -464 с. -100 000 экз. § 16.4. Однофазный двигатель с экранированными полюсами). На чертежах не показано возможное применение магнитного шунта, в виде стальных пластинок, замыкающих края полюсных наконечников полюсов статора, так как это не влияет на технический результат по данному изобретению.
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 5, 6, в корне зуба магнитопровода 1 происходит 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 5, 6. При расчете общей индуктивности статора коэффициент магнитного сцепления М обмоток 5, 6 учитывается со знаком минус, так как электрический ток в обмотках 5, 6 течет в разном направлении. А при расчете магнитного потока на зубьях 3, 4 статора коэффициент магнитного сцепления М учитывается со знаком плюс, так как магнитные потоки 7, 8 направлены навстречу друг другу, а значит их магнитное поле усиливается. Уменьшение индуктивности статора значительно снижает реактивную мощность электродвигателя. Встречное соединение обмоток 5, 6 с уменьшенной индуктивностью значительно уменьшает противо-ЭДС, возникающую в обмотках 5, 6 статора по сравнению с аналогами. При встречном соединении электромагнитных обмоток 5, 6 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 5, 6 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.
Предлагаемый статор электродвигателя имеет более высокий по сравнению с аналогами и прототипом 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.