двухфазный нереверсивный вентильно-индукторный двигатель

Формула изобретения

Двухфазный нереверсивный вентильно-индукторный двигатель, содержащий явнополюсный симметричный статор с сосредоточенными обмотками и безобмоточный ротор, отличающийся тем, что статор имеет восемь полюсов, а ротор - четыре полюса, поверхность ротора выполнена трехступенчатой по длине, при этом угловая ширина каждой ступени равна

где b_ZR - угловая ширина полюса ротора; b _ZS - угловая ширина полюса статора,

а длины первой, второй и третьей ступеней равны соответственно

где l - длина ротора,

каждая из двух фазных обмоток состоит из четырех последовательно соединенных секций, поочередно размещенных на полюсах статора.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах механизмов с переменной производительностью, например в вентиляторах, насосах, компрессорах и др.

Известен двухфазный нереверсивный вентильно-индукторный двигатель, содержащий явнополюсный статор, имеющий четыре полюса, и ротор в виде двух цилиндрических поверхностей, имеющих несовпадение осей, при этом поперечное сечение обеих поверхностей имеет высшую точку относительно центра ротора, каждая поверхность ограничена с краев выступом так, что нижние точки одного выступа и верхние точки другого выступа принадлежат одной поверхности, аналогично - для другой поверхности, протяженность дуг обеих поверхностей составляет 180° (Патент США №3679953, МКИ Н 02 К 29/00. - Опубл.1972 г.). Основным недостатком такого двигателя является нелинейное изменение индуктивности L(, i) в функции угловой координаты , где i - ток фазной обмотки, и обусловленная этим широкая "мертвая зона" характеристики двигателя, в которой электромагнитный момент близок к нулю. Это объясняется тем, что в такой конструкции двигателя индуктивность пропорциональна логарифму радиусов, т.е. где k - коэффициент, зависящий от квадрата витков n² ; r₁, r₂ - соответственно максимальный и минимальный радиусы секторов окружностей, проведенных к кромкам зубца статора и имеющих центры в одной точке (ротора с минимальным значением радиуса) (Глухенький Т.Г. К расчету минимальной индуктивности фазы в индукторных электродвигателях / Электротехника, 2003, №10. - С.15-20).

Следовательно, электромагнитный момент М_ЭМ, представляющий собой приращение энергии или ко-энергии по угловой координате, где =L(, i) - потокосцепление фазы, в зоне, близкой к рассогласованному положению, меньше, чем в зоне, близкой к согласованному положению.

Следовательно, недостаток известного технического решения - малый и изменяющийся в функции от угла поворота вращающий момент.

Известен двухфазный нереверсивный вентильно-индукторный двигатель, содержащий на статоре четыре полюса с обмотками и два полюса на роторе, при этом часть каждого полюса на роторе для увеличения магнитного сопротивления выполнена с закрытыми пазами (Патент Великобритании №1321110, МКИ Н 02 К 29/02. - Опубл.20.06.73). Недостатком известного вентильно-индукторного двигателя является малый вращающий момент при малых токах в обмотках двигателя, возбуждающих магнитное поле. Это объясняется малой величиной изменения энергии где w - объемная плотность энергии, Н - значение напряженности магнитного поля, В - значение вектора магнитной индукции, V - объем. При значениях В=0...0,6 Тл, т.е. на линейном участке характеристики намагничивания, объемная плотность энергии может быть вычислена по формуле

где ₀ - магнитная проницаемость вакуума; 40000 - магнитная проницаемость стали. Следовательно, в известном вентильно-индукторном двигателе при малых значениях тока и при угловых координатах, соответствующих положению зуба статора против части зуба ротора с закрытыми пазами, электромагнитный момент близок к нулевому. В результате этого двигатель имеет малый и изменяющийся в функции от угла поворота электромагнитный момент.

Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому устройству является двухфазный нереверсивный вентильно-индукторный двигатель, содержащий явнополюсный статор с сосредоточенными обмотками и безобмоточный ротор, при этом статор содержит четыре полюса, угловая ширина каждого из которых составляет 45°-60°, ротор содержит два полюса, цилиндрические поверхности которых выполнены двухступенчатыми по дуге, угловая ширина каждой ступени равна соответственно 45°±0,5 а_c и 90°-а_c, где a_c - угловая ширина полюса статора (Патент РФ №2089034, МКИ Н 02 К 29/10. - Опубл.27.08.97. Бюл.№24). Этот двигатель имеет на статоре четыре полюса с обмотками и два полюса на роторе, выполненном двухступенчатым по дуге окружности.

Известный двигатель имеет симметричную магнитную систему. На фиг.1 приведена схема замещения магнитной цепи такого двигателя с числом зубцов статора и ротора соответственно z_S=4, z_R=2. На чертеже обозначено: _S1... _S8 - сумма проводимостей сегмента "спинки" статора и зуба статора, _Z1... _Z4 - сумма проводимостей зубца ротора и воздушного зазора, F₁...F₄ - м.д.с. фазных обмоток, параметр с нечетным индексом соответствует фазе А, с четным индексом соответствует фазе В. Условия магнитной симметрии имеют вид: _Z1= _Z3, _Z2= _Z4, _S1= _S2= _S3= _S4= _S5= _S6= _S7= _S8, F₁=F₃=F₄, F ₂=F₄=F_В.

Используя схему замещения, нетрудно определить, что потокосцепление фаз A и В равно:

где n - число витков обмоток фаз А и В.

Выражения для потокосцеплений позволяют получить формулы для нелинейных коэффициентов индуктивности и взаимной индуктивности:

где L_A(, i_A, i_B) - нелинейный коэффициент индуктивности фазы А, L_B(, i_B, i_A) - нелинейный коэффициент индуктивности фазы В, M(, i_A, i_B) - нелинейный коэффициент взаимной индуктивности.

Так как M(, i_A, i_B)=0, то в известном двигателе вращающий электромагнитный момент не может быть увеличен за счет взаимной индуктивности обмоток.

Следовательно, недостаток известного технического решения - малый вращающий момент.

Цель предлагаемого изобретения - повышение вращающего момента.

Поставленная цель достигается тем, что в известном двухфазном нереверсивном вентильно-индукторном двигателе, содержащем явнополюсный симметричный статор с сосредоточенными обмотками и безобмоточный ротор, дополнительно статор имеет восемь полюсов, а ротор - четыре полюса, поверхность ротора выполнена трехступенчатой по длине, при этом угловая ширина каждой ступени равна , где b_ZR - угловая ширина полюса ротора; b_ZS - угловая ширина полюса статора, а длины первой, второй и третьей ступеней равны соответственно: , где l - длина ротора, каждая из двух фазных обмоток состоит из четырех последовательно соединенных секций, поочередно размещенных на полюсах статора.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки:

- восемь полюсов на статоре;

- четыре полюса на роторе;

- поверхность ротора выполнена трехступенчатой по длине;

- каждая из двух фазных обмоток состоит из четырех последовательно соединенных секций, поочередно размещенных на полюсах статора.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации предлагаемого изобретения повышается вращающий момент вентильно-индукторного двигателя за счет взаимной индуктивности фазных обмоток при соответствующем размещении секций этих обмоток на восьми полюсах статора. При этом также уменьшается противоЭДС в переходных режимах, за счет чего уменьшается величина реактивной мощности.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.

Двухфазных вентильно-индукторных двигателей, имеющих восемь полюсов на статоре, четыре полюса на роторе, имеющих ротор, поверхность которого выполнена трехступенчатой по длине, а каждая из двух фазных обмоток состоит из четырех последовательно соединенных секций, поочередно размещенных на полюсах статора, в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружено.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию "существенные отличия".

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.2 показано поперечное сечение вентильно-индукторного нереверсивного двигателя, на фиг.3 приведены развертки статора и ротора, на фиг.4 приведена схема замещения магнитной цепи вентильно-индукторного двигателя, на фиг.5 показаны графики индуктивностей в функции угла поворота ротора.

Двухфазный вентильно-индукторный нереверсивный двигатель (фиг.2) содержит явнополюсный симметричный статор 1 с сосредоточенными обмотками и безобмоточный ротор 2, статор 1 имеет восемь полюсов, а ротор 2 - четыре полюса, поверхность ротора 2 выполнена трехступенчатой по длине, при этом угловая ширина каждой ступени равна , где b_ZR - угловая ширина полюса ротора; b_ZS - угловая ширина полюса статора, а длины первой, второй и третьей ступеней равны соответственно: , где l - длина ротора, каждая из двух фазных обмоток А и В состоит из четырех последовательно соединенных секций: 3, 5, 7, 9 - секции обмотки фазы А; 4, 6, 8, 10 - секции обмотки фазы В, поочередно размещенных на полюсах статора 1. На фиг.4 обозначено: l - длина активной части; - угловая координата.

Для объяснения положительного эффекта, достигаемого в предлагаемом техническом решении, рассмотрим схему замещения магнитной цепи вентильно-индукторного двигателя, представленную на фиг.4, где обозначено: _S1... _S8 - сумма проводимостей сегмента "спинки" и зубца статора; _Z1... _Z8 - сумма проводимостей воздушного зазора и зубца ротора; F₁...F₈ - м.д.с. фазных обмоток, параметр с нечетным индексом соответствует фазе А, с четным индексом соответствует фазе В.

Задавшись условием магнитной симметрии: _Z1= _Z3= _Z5= _Z7, _Z2= _Z4= _Z6= _Z8, _S1= _S2= _S3= _S4= _S5= _S6= _S7= _S8= _S, F₁=F₃=F₅=F ₇, F₂=F₄=F₆=F₈ , используя схему замещения, найдем потокосцепления фаз А и В:

где _AA= _AA(, i_A, i_B) - потокосцепление потока, сцепленного с фазой A и вызванного м.д.с. фазы А; _AB= _АВ(, i_А, i_B) - потокосцепление потока, сцепленного с фазой А, вызванного м.д.с. фазы В; _A= _A(, i_А, i_B) - полное покосцепление фазы А; _BB= _BB(, i_B, i_A) - потокосцепление потока, сцепленного с фазой В, вызванного м.д.с. фазы В; _BA= _BA(, i_B, i_A) - потокосцепление потока, сцепленного с фазой В, вызванного м.д.с. фазы А; _B= _B(, i_B, i_A) - полное покосцепление фазы В; i_A, i_B - токи в фазах соответственно А и В. Таким образом, потокосцепления _AB и _BA есть потоки рассеяния одной фазы через зубец другой, вызванные ненулевым магнитным сопротивлением статора. Используя полученные выражения для потокосцеплений, запишем выражения для нелинейных коэффициентов индуктивности:

Таким образом, собственные индуктивности фаз можно представить в виде:

где L_A(, i_А, i_B), L_B(, i_B, i_A) - собственные нелинейные коэффициенты индуктивностей фаз соответственно А и В с учетом потоков рассеяния, сцепленных с соседней фазой, L _A(, i_А), L _B(, i_B) - полные индуктивные коэффициенты фаз соответственно А и В.

Запишем уравнение электромагнитного момента (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. - М.:

Гардарики, 2001. - С.134-135) применительно к вентильно-индукторному двигателю:

Из приведенных уравнений следует, что электромагнитный вращающий момент слагается из трех составляющих, пропорциональных частным производным по углу поворота от ко-энергий, рассчитываемых с помощью индуктивностей фазных обмоток L_A(, i_A, i_B) и L_B(, i_B, i_A) и взаимной индуктивности М(, i_A, i_B). Величина взаимной индуктивности M(, i_A, i_B) зависит от числа полюсов двигателя и соединения секций обмоток.

Количественно величина составляющей вращающего момента, обусловленная взаимной индуктивностью, составляет от 10% до 30% от полного вращающего момента двигателя.

На фиг.5 показаны графики изменения индуктивностей и взаимной индуктивности фазных обмоток в функции угла поворота. На графиках

введены обозначения: L₁=L_МИН; L ₂=L_МИН+ (L_МАКС-L_МИН)-М₂; L₃ =L_МИН+ (L_МАКС-L_МИН)-М₁; L₄ =L_МАКС-М₂; L_МИН - минимальная индуктивность, L_МАКС - максимальная индуктивность без учета потоков рассеяния, М₁ - минимальная взаимная индуктивность, М₂ - максимальная взаимная индуктивность.

Таким образом, за счет взаимной индуктивности фазных обмоток вращающий момент возрастает на величину в общем случае или при независящей от тока индуктивности (ненасыщенная машина). При этом уменьшается противоЭДС в переходных режимах тока, что снижает величину реактивной мощности . Это приводит к увеличению мощности на валу.

Наличие дополнительной составляющей момента, обусловленной взаимной индуктивностью фазных обмоток, снижает неравномерность вращающего момента в функции от угла поворота ротора.

С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, были проведены экспериментальные исследования двухфазного нереверсивного вентильно-индукторного двигателя, реализованного по схеме, изображенной на фиг.2. Испытания проводились в условиях лаборатории ОАО "НИПТИЭМ", г. Владимир. Параметры двигателя имели следующие значения: наружный диаметр активной части статора - 150 мм, длина активной части ротора 70 мм, диаметр ротора 59 мм. В результате испытаний установлено, что по сравнению с двигателем известной конструкции механическая мощность при номинальной скорости возросла с 760 Вт (для известной конструкции) до 960 Вт, т.е. на 26%. За счет снижения неравномерности момента при изменении угла поворота ротора уменьшены шумы и вибрации.

Таким образом, использование в известном двухфазном нереверсивном вентильно-индукторном двигателе, содержащем явнополюсный симметричный статор с сосредоточенными обмотками, и безобмоточный ротор, статора, состоящего из восьми полюсов, и ротора с четырьмя полюсами, поверхность которого выполнена трехступенчатой по длине, при этом угловая ширина каждой ступени равна , где b_ZR - угловая ширина полюса ротора; b_ZS - угловая ширина полюса статора, длины первой, второй и третьей ступеней равны соответственно: , где l - длина ротора, и двух фазных обмоток, состоящих из четырех последовательно соединенных секций, поочередно размещенных на полюсах статора, позволяет увеличить вращающий момент двигателя.

Использование предлагаемого устройства в различных промышленных системах позволит улучшить технические характеристики оборудования, оснащенного электроприводами с вентильно-индукторными двигателями.