Трехфазный электродвигатель

 

Название изобретения: трехфазный электродвигатель. Область использования: промышленность, транспорт, строительство. Сущность изобретения: электродвигатель с короткозамкнутым ротором имеет две трехфазные магнитные системы, взаимно расположенные таким образом, что каждой фазе первой магнитной системы соответствует следующая фаза второй магнитной системы. Технический результат: увеличение габаритной мощности и улучшение энергетических характеристик. 10 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к трехфазным электродвигателям, и может быть эффективно использовано в промышленности, транспорте, строительстве и др. отраслях.

Известны трехфазные асинхронные электродвигатели, имеющие статор с распределенной обмоткой и короткозамкнутый ротор, использующие принцип вращающегося магнитного поля [1] Основным недостатком таких электродвигателей является совмещение в одной магнитной системе разнородных функций наведения ЭДС в обмотке ротора и создание рабочего магнитного потока, причем для получения приемлемого значения электромагнитной силы необходим значительный рабочий магнитный поток, который вынужден наводить в проводниках обмотки ротора большую ЭДС. Поэтому, исходя из допустимой линейной нагрузки, в обмотках ротора используется проводниковый материал с высоким удельным электрическим сопротивлением, а с уменьшением диаметра ротора сокращается пространство для размещения обмотки и удельная электромагнитная сила. Другим недостатком традиционных асинхронных электродвигателей является вылет лобовых частей обмотки статора, что существенно увеличивает осевой габарит двигателей и расход проводникового материала.

Наиболее близким по технической сущности является цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель, содержащий якорь с чередующейся структурой проводникового и ферромагнитного материала, индуктор с отдельными фазными продольными магнитопроводами, имеющими сосредоточенные обмотки [2] В этом электродвигателе пульсирующие магнитные потоки, создаваемые фазными магнитопроводами, взаимодействуют с токами в проводниках якоря, причем токи, вызванные магнитным потоком каждой фазы, распространяются в зону действия магнитных потоков других фаз. Недостатком этого электродвигателя, как и двигателей по [1] является совмещение в одной магнитной системе функций наведения ЭДС в проводниках якоря и создание рабочих магнитных потоков, взаимодействующих с этими токами.

Целью изобретения является увеличение габаритной мощности и улучшение энергетических характеристик электродвигателя.

Указанная цель достигается тем, что в электродвигателе содержатся две трехфазные магнитные системы, одна из которых служит для наведения ЭДС в проводниках ротора (якоря), а другая для создания рабочих пульсирующих магнитных потоков, взаимодействующих с токами, возникающими под действием вышеуказанных ЭДС. Предлагаемая структура электродвигателя позволяет оптимизировать каждую магнитную систему, исходя из ее функционального назначения. Первая магнитная система перекрывает небольшую часть активной площади ротора (якоря) и поэтому наводит в проводниках ротора (якоря) ЭДС такой величины, которая позволяет выполнить эти проводники медными, снизить объем проводников и повысить допустимую линейную нагрузку. Вторая магнитная система развивает в воздушном зазоре магнитную индукцию, ограниченную только насыщением магнитной цепи, причем на пути каждого рабочего магнитного потока находится только один воздушный зазор, что снижает необходимое значение намагничивающей силы и энергопотребление. У предлагаемого электродвигателя допускается минимально возможный воздушный зазор, а отсутствие вылета лобовых частей обмотки статора позволяет при том же габарите удлинить пакет ротора (активную длину якоря) и увеличить площадь активной поверхности ротора (якоря).

На фиг.1 показана электрическая схема включения электродвигателя при питании от сети промышленной частоты, а на фиг.2 соответствующая этой схеме векторная диаграмма магнитных потоков, ЭДС и токов в роторной обмотке. На фиг. 3, 4 и 5 показаны продольный и поперечные виды электродвигателя вращательного движения. На фиг.6 и 7 представлены поперечный и продольный виды линейного электродвигателя. На фиг.8 показаны временные диаграммы взаимодействующих рабочих магнитных потоков и токов ротора при промышленной частоте, а также создаваемых ими электромагнитных сил. На фиг.9 приведена электрическая схема включения электродвигателя при питании током повышенной частоты, а на фиг.10 -соответствующая этой схеме векторная диаграмма магнитных потоков, ЭДС и токов в обмотке ротора.

На схеме фиг.1 фазные обмотки 1, 2 и 3 магнитных систем МС1 и МС2 электродвигателя соединены в "звезду". Прямое и обратное включение обмоток двигателя осуществляется магнитными пускателями КМ1 и КМ2.

На фиг. 2 показана векторная диаграмма при прямом включении фазовых обмоток (замкнуты контакты КМ1). На диаграмме приняты следующие условные обозначения: φ₁₁, φ₂₁ и φ₃₁ магнитные потоки, создаваемые МС1; φ₁₂, φ₂₂ и φ₃₂ магнитные потоки, создаваемые МС2; E₂₁, E₂₂ и E₂₃ фазные ЭДС обмотки ротора; I₂₁, I₂₂ и I₂₃ фазные роторные токи. При проектировании электродвигателя промышленной частоты обеспечивается при пусковом или номинальном режиме угол сдвига по фазе между ЭДС и током в обмотке ротора 30 градусов, при этом взаимодействующие рабочие магнитные потоки и токи в обмотке ротора совпадают по фазе, что обуславливает максимально возможное и неизменное во времени значение результирующей электромагнитной силы.

Электродвигатель вращательного движения (фиг.2, 4 и 5) содержит немагнитный корпус 1, в котором расположены индукторы 2 и 3 магнитных систем МС1 и МС2, в пазах которых соответственно расположены сосредоточенные обмотки 4 и 5. На валу электродвигателя закреплен пакет ротора 6 с короткозамкнутой медной обмоткой 7. На торцах пакета ротора расположены изоляционные шайбы 8 и медные шайбы 9, к которым крепятся выводы проводников обмотки ротора. На полюсах индукторов указаны номера фаз для случая питания током промышленной частоты.

Линейный электродвигатель (фиг. 6 и 7) включает в себя индукторы 1 и 2 магнитных систем МС1 и МС2 с сосредоточенными обмотками 3 и 4. Опорой якоря является стальная труба 5, на которую намотан из ленты пакет якоря 6. На пакет 6 надеваются, чередуясь, стальные кольца 7 и медные кольца 8. На индукторах указаны номера фаз для случая питания током промышленной частоты.

Электродвигатель работает следующим образом. При подключении обмоток индукторов к трехфазной сети пульсирующие магнитные потоки, создаваемые МС1, охватывают проводники обмотки ротора (якоря) и наводят в них ЭДС, под действием которых в короткозамкнутой обмотке проходят токи, взаимодействующие с рабочими пульсирующими магнитными потоками, создаваемыми МС2. Взаимное расположение полюсов магнитных систем МС1 и МС2 таково, что при питании обмоток токами промышленной частоты каждой фазе МС1 соответствует следующая в прямой или обратной последовательности фаза МС2, обуславливая совпадение по фазе соответствующих токов ротора и рабочих магнитных потоков (фиг.2).

Результирующая электромагнитная сила электродвигателя при промышленной частоте переменного тока и прямой последовательности включения обмоток (фиг. 8) имеет вид: где m число фаз, n число полюсов на фазу системы МС2; D_р - диаметр ротора (якоря); φ_m2 амплитудное значение фазного магнитного потока; I_2m амплитудное значение фазного тока ротора.

Учтем, что где k число полюсов на фазу системы МС1; В_m1 и В_m2 - соответственно максимальные значения магнитной индукции в воздушном зазоре систем МС1 и МС2; l₁ и l₂ осевые размеры индукторов систем МС1 и МС2; R₂ и X₂ активное и индуктивное сопротивления фазы ротора; f частота переменного тока. Подставив (2) и (3) в (1), для удельной электромагнитной силы найдем: где l осевой размер пакета ротора (активная длина якоря). При реальном значении параметров из (4) для электродвигателя вращательного движения и линейного электродвигателя соответственно имеем: Удельная электромагнитная сила предлагаемого электродвигателя пропорциональна частоте переменного тока, длине ротора (активной длине якоря) и обратно пропорциональна активному сопротивлению фазы ротора. Таким образом предлагаемый электродвигатель наиболее эффективен при использовании медных обмоток ротора и повышенной частоты переменного тока, а конструктивно при удлиненном роторе.

Из диаграммы фиг. 8 следует, что время периода переменного тока каждая пульсирующая электромагнитная сила дважды проходит через максимум. Поэтому синхронная частота вращения ротора электродвигателя равна 240 f/n об/мин, а установившееся значение скорости холостого хода линейного электродвигателя равно 4τf м/с, где τ полюсное деление системы МС2.

На электрической схеме фиг.9 обмотки 12, 23 и 31 магнитной системы МС2 соединены в "треугольник"; соответственно на векторной диаграмме фиг.10 обозначены: f₂₁₂, φ₂₂₃ и φ₂₃₁ магнитные потоки, созданные МС2. Остальные векторы имеют те же обозначения, что и на фиг.2. При проектировании электродвигателей повышенной частоты при пусковом или номинальном режиме обеспечивается угол сдвига по фазе между ЭДС и током в обмотке ротора 60^o, при этом взаимодействующие рабочие магнитные потоки и токи в обмотке ротора совпадают по фазе (фиг. 10), что обуславливает максимально возможное и неизменное во времени значение результирующей электромагнитной силы. Расчет результирующей электромагнитной силы производится идентично вышеуказанному.

Конструкция предлагаемого электродвигателя проста и технологична. Разделение магнитной цепи электродвигателя на две системы позволяет их оптимизировать, исходя из функциональных требований. Сокращение воздушного зазора до минимально возможного значения, использование медных проводников в обмотке ротора (якоря), повышение магнитной индукции в воздушном зазоре позволяют повысить габаритную мощность и улучшить энергетические показатели электродвигателя. Наибольшая эффективность достигается у электродвигателей, питаемых током повышенной частоты. Удобная компоновка линейного электродвигателя обуславливает минимальный осевой габарит статора и минимально возможную габаритную мощность.

Формула изобретения

Трехфазный электродвигатель, содержащий статор с продольными магнитопроводами, в пазах которых находятся сосредоточенные обмотки и короткозамкнутый ротор (якорь), отличающийся тем, что имеет две трехфазные магнитные системы, причем взаимное расположение полюсов индукторов магнитных систем выполнено таким образом, что каждой фазе первой магнитной системы соответствует следующая в прямой или обратной последовательности фаза второй магнитной системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10