КОНСТРУКЦИЯ СТАТОРА ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
STATOR DESIGN FOR LOW-POWER THREE-PHASE ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к конструкции статора трехфазного асинхронного двигателя (АД) малой мощности с круговым магнитным полем.
1
2
1
Статор АД является одной из основных его частей. В нем энергия трехфазного электрического тока переходит в энергию вращающегося магнитного поля, которое вращается относительно статора с синхронной скоростью n и, взаимодействуя с ротором (с его токами), заставляет его вращаться с асинхронной скоростью n<n, при этом энергия магнитного поля переходит в механическую энергию ротора и привода. [2]
Известна конструкция статора трехфазного АД малой мощности, выбранная в качестве прототипа, в которой статор, создающий вращающееся магнитное поле, имеет полый цилиндрический неявнополюсный сердечник(пакет), набранный из пластин электротехнической стали, на его внутренней поверхности имеются пазы для укладки трехфазной сетевой обмотки. Обмотка статора распределенная, каждая ее фаза состоит из нескольких катушек (секций), стороны которых равномерно распределены по пазам статора в зубцовой зоне. Магнитный поток каждой катушки, замыкаясь по сердечникам статора и ротора в поперечной плоскости АД, дважды преодолевает воздушный зазор между сердечниками статора и ротора и их зубцовые зоны. Ротор такого АД обычный, короткозамкнутый, имеет цилиндрический сердечник, набранный из пластин электротехнической стали и обмотку типа «беличья клетка» [1, 2].
Известная конструкция статора прототипа имеет ряд существенных недостатков, в том числе сложность изготовления статора, в частности, сложность изготовления пакета статора и сложность укладки его распределенной обмотки в пазы; двукратное прохождение основным потоком статора через воздушный зазор и зубцовые зоны статора и ротора требует большой величины МДС обмотки статора, величины ее тока, и приводит к увеличению размеров обмотки, статора и всего АД; в спинке ротора вектор индукции имеет значительную тангенциальную составляющую, не участвующую в создании вращающего момента; зубчатость статора создает неравномерность воздушного зазора, придает кривой индукции вдоль зазора зубчатый характер и приводит к возникновению гармоник у основного поля, к возникновению пазового рассеяния и насыщению зубцов, что также увеличивает МДС, ток и размеры статора, ограничивает величину магнитной индукции в зазоре, ограничивает мощность, передаваемую полем статора в ротор и электромагнитный момент АД; у статора увеличенная материалоемкость: увеличенный расход электротехнической стали на магнитопровод и расход меди на лобовые части обмотки соизмерим с пазовой частью обмотки [3],в создании основного вращающегося поля участвует только активная часть обмотки, находящаяся в пазах, лобовые соединения создают только поля рассеяния, т.е. увеличивают индуктивность фаз статора и их активное сопротивление, требуют большого дополнительного расхода обмоточных проводов; обмотки статора расположены в непосредственной близости от зазора и ротора и создают значительные потоки рассеяния.
Целью изобретения является улучшение электрических и магнитных свойств статора трехфазного АД малой мощности и повышение за счет этого его энергетических показателей: коэффициента мощности cosφ и к.п.д. η, а также упрощение технологии изготовления статора и уменьшение его материалоемкости.
Указанная цель достигается за счет особой конструкции магнитопровода статора и устройства его трехфазной обмотки. Структура магнитной цепи АД аналогична структуре симметричной трехфазной электрической цепи с соединением фаз источника и нагрузки звезда-звезда с двумя нулевыми точками без нейтрали.
Магнитопровод статора выполняется явнополюсным и имеет по три явновыраженных полюса на каждую пару полюсов вращающегося магнитного поля статора; он состоит из трех магнитно замкнутых частей - трех типов стальных сердечников:
1) одной из частей магнитопровода статора служат явновыраженные полюса, расположенные вдоль окружности статора симметрично под углом 360/m эл.град. и отделенные воздушным зазором от ротора; на этих полюсах статора отсутствуют обмотки, их внутренняя поверхность гладкая, нет пазов, отсутствует зубцовая зона и все связанные с ней негативные явления и процессы;
2) в одной из торцовых частей статора АД находится другая часть его магнитопровода: неподвижный сердечник, расположенный перпендикулярно оси АД-торцовый сердечник, имеющий радиальные выступы (полюса) для размещения сетевых обмоток статора - полюса торцового сердечника, их число равно числу явновыраженных полюсов статора;
3) третьей частью магнитопровода статора служат продольные стальные пакеты -стержни, направленные параллельно оси АД и замыкающие магнитно полюса торцового сердечника с их сетевыми обмотками и явновыраженные полюса статора.
1
1
Каждый стержень и замыкаемые им полюса торцового сердечника и статора образуют фазу магнитной цепи статора; совокупность всех перечисленных частей магнитопровода статора образует симметричную (в пространстве) трехфазную магнитную цепь статора, соединенную звездой с узловой «точкой» N в торцовом сердечнике. Полюса статора, торцовый сердечник и стержни - наборные, направление их набора соответствует направлению прохождения в них магнитного потока. Цилиндрический сердечник ротора можно рассматривать как симметричную (в пространстве) трехфазную магнитную цепь ротора, соединенную звездой в узловой «точке» N, находящейся внутри сердечника ротора, фазы которой последовательно соединены с фазами магнитной цепи статора. Значит симметричные магнитопроводы статора и ротора образуют симметричную магнитную цепь АД, соединенную звездой с двумя узловыми “точками” N и N, расположенными в торцовом сердечнике и в роторе.
Трехфазная обмотка статора сосредоточенная, выполненная в виде одинаковых катушек, расположенных на радиальных выступах (полюсах) торцового сердечника, они не имеют лобовых соединений с их полями рассеяния, все их стороны активны, находясь в стороне от воздушного зазора, они не создают в нем потоков рассеяния. Фазы обмотки статора, питаемые трехфазным током, являются трехфазным источником МДС, образующих симметричную (во времени) систему. Под действием трехфазного источника МДС в фазах магнитопроводов статора и ротора возникает трехфазная система фазных магнитных потоков машины, симметричная во времени (сдвиг по фазе) и в пространстве (сдвиг между осями фазных потоков). При сложении потоков симметричной системы:
1) образуется круговое вращающееся магнитное поле статора;
1
2) узловые «точки» магнитной цепи N в торцовом сердечнике и N - в сердечнике ротора являются «точками» нулевого магнитного потенциала;
3) магнитное напряжение между этими «точками» равно нулю;
4) обратный магнитный поток из ротора в торцовый сердечник равен нулю;
5) основной магнитный поток статора преодолевает воздушный зазор только один раз в направлении полюс статора - зазор - ротор и имеет только нормальную (радиальную) составляющую вектора индукции.
Именно заявленная конструкция явнополюсного магнитопровода статора, состоящего из трех магнитно замыкаемых частей, образующих симметричную трехфазную магнитную цепь статора, с сосредоточенной обмоткой, обеспечивает создание статором симметричной системы фазных магнитных потоков, сдвинутых в пространтстве и во времени, образующих вращающееся магнитное поле, равномерно распределенное вдоль окружности зазора, с однократным прохождением основного магнитного потока АД из полюсов статора через воздушный зазор в сердечник ротора и имеющего только нормальную (радиальную) составляющую вектора индукции. Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить его соответствие критерию изобретения «новизна». При изучении других известных технических решений в области конструкции статора АД малой мощности признаки, отличающие заявляемую конструкцию статора от прототипа, не были выявлены, и потому они обеспечивают заявляемой конструкции соответствие критерию «существенное отличие».
Заявляемая конструкция статора АД обеспечивает ему по сравнению с прототипом ряд преимуществ. При отсутствии полей рассеяния обмоток статора в зазоре и на любых соединениях, а также пазовых полей рассеяния, исчезают обусловленные ими индуктивные составляющие сопротивлений; отсутствие лобовых соединений обмотки статора уменьшает ее активное сопротивление, уменьшаются тепловые потери обмотки, т.е. увеличивается cosφ и к.п.д. Основной магнитный поток, преодолевающий воздушный зазор только один раз, имеет в зазоре и роторе только нормальную (радиальную) составляющую вектора магнитной индукции, обеспечивающую создание вращающего момента АД; отсутствие зубцовой зоны статора и насыщения зубцов позволяет существенно увеличить магнитную индукцию в зазоре АД и его вращающий момент и значительно повысить его энергетические показатели. Пластины сердечника магнитопровода статора имеют простую форму, что позволяет усовершенствовать существующую технологию их штамповки практически без переоснащения новым прессовым оборудованием. Сосредоточенная обмотка статора в виде одинаковых по размеру и форме катушек без лобовых соединений может быть изготовлена на общем шаблоне и имеет значительно меньший расход меди. Перечисленные свойства магнитопровода и обмоток статора позволяют существенно упростить технологию сборки статора и обеспечивают ему уменьшение материалоемкости.
1
c
1
2
3
мс
мо
мр
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлено продольное сечение заявляемой конструкции явнополюсного статора с одной парой вращающихся полюсов (р=1), имеющего три явновыраженных полюса статора, на фиг.2 - поперечное сечение АД в зоне полюсов статора; на фиг.3 - поперечное сечение АД в торцовом сердечнике; на фиг.4 показан электрический аналог симметричной магнитной цепи, соединенной звездой без нулевого магнитопровода с двумя нулевыми «точками» N и N, где F - фазные м.д.с. статора, Ф,Ф,Ф - фазные потоки статора, Z, Z, Z - магнитные сопротивления, соответственно фазы магнитопровода статора, воздушного зазора и ротора; на фиг.5 - показана «пространственная» диаграмма симметричной системы фазных потоков статора; на фиг.6 показана «временная» диаграмма симметричной системы фазных потоков статора прямой последовательности.
1
В качестве примера рассматриваются конструкция явнополюсного статора с одной парой вращающихся полюсов (р=1). Явнополюсный статор (фиг.1, 2, 3) имеет три явновыраженных полюса 1 (без обмоток), отделенных от ротора 2 воздушным зазором 3, торцовый сердечник 4 с тремя выступами(полюсами), на которых размещены три катушки сосредоточенной обмотки статора 5. Полюса статора и торцового сердечника, расположенные вдоль окружности статора симметрично под углом 120 эл.град., замыкаются магнитно продольными стальными пакетами - продольными стержнями 6. В магнитном поле полюсов статора 1 находится обычный короткозамкнутый ротор 2, симметричный относительно оси. Каждый стержень 6 вместе с замыкаемыми им магнитно полюсами статора 1 и торцового сердечника 4 образуют фазу магнитной цепи статора. Все три фазы магнитной цепи, замыкаясь магнитно между собой в торцовом сердечнике 4, образуют симметричную (в пространстве) трехфазную цепь статора, соединенную звездой с узловой «точкой» N в торцовом сердечнике 4. Симметричная магнитная цепь статора вместе с симметричным сердечником ротора 2 образуют симметричную магнитную цепь АД, соединенную звездой с двумя узловыми «точками»: N- в торцовом сердечнике 4 и N - внутри сердечника ротора 2.
c
1
2
3
1
АД работает следующим образом. Три фазные обмотки статора 5, питаемые трехфазным током, образуют трехфазный источник МДС статора (фиг.4). Его фазные МДС F, сдвинутые по фазе на 120°, образуют симметричную (во времени) систему. Под действием трехфазного источника МДС в фазах магнитопровода АД возникают потоки Ф,Ф,Ф, образующие в пространстве трехфазную систему магнитных потоков, симметричную в пространстве (сдвиг между осями потоков 120 эл.град., фиг.5) и во времени (сдвинуты по фазе на 120°, фиг.6). При сложении таких фазных потоков образуется круговое вращающееся поле статора, создающее вращающий электромагнитный момент АД. Узловые «точки» магнитной цепи N и N являются точками нулевого магнитного потенциала, между которыми магнитное напряжение равно нулю и обратный магнитный поток, возвращающийся из сердечника ротора 2 (узловой «точки» N1) в торцовый сердечник статора 4 (узловую «точку» Ы)равен нулю. Так что фазные потоки идут только в направлении от торцового сердечника 4 (узловая «точка» N)пo продольному стержню 6 к полюсу статора 1, из него через воздушный зазор 3 в сердечник ротора 5 (узловая точка N), при этом основной магнитный поток преодолевает воздушный зазор только один раз и имеет в воздушном зазоре и в сердечнике ротра только нормальную(радиальную) составляющую вектора индукции. Направление магнитных потоков в участках магнитной цепи АД показано на фиг1, 2, 3
Использование заявляемой конструкции статора обеспечивает по сравнению с существующими конструкциями следующие преимущества:
1) уменьшение полей рассеяния и тепловых потерь приводит к улучшению коэффициента мощности и к.п.д. АД;
2) отсутствие у полюсов статора зубцов и их насыщения делает воздушный зазор равномерным, а поле в зазоре - однородным, и позволяет увеличить магнитную индукцию в зазоре АД и его электромагнитный вращающийся элемент;
3) простота формы пластин магнитопровода статора и его сосредоточенной обмотким без лобовых соединений позволяет упростить технологию их изготовления и технологию сборки при значительном уменьшении материалоемкости.
Литература:
1. Постников И.М. Проектирование электрических машин. Киев: Гос. Издательство технической литературы УССР, 1960. - С.910.
2. Петров Г.Н. Электрические машины. Ч.П.М. - Л.: ГЭИ, 1963. - С.416.
3. Яковлев А.И. Электрические машины с уменьшенной материалоемкостью. - М.: Энергоатомтздат., 1989. - С.240.