Однофазный двигатель переменного тока
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается особенностей конструктивного выполнения однофазных двигателей переменного тока. Предлагаемый однофазный двигатель содержит статор с образующими зубцы пазами для основной обмотки и пазами для вспомогательной обмотки. Основная обмотка выполнена с возможностью подключения к источнику питания переменного тока для создания основного магнитного поля с основной магнитной осью, вспомогательная обмотка выполнена с возможностью подключения к источнику питания через рабочий конденсатор для создания вспомогательного магнитного поля с вспомогательной магнитной осью, причем указанные основная и вспомогательная оси посредством векторного суммирования задают вращающийся вектор, представляющий результирующее магнитное поле с, по существу, постоянной магнитной индукцией при работе двигателя на номинальной нагрузке. При этом согласно данному изобретению группа зубцов, расположенная по вспомогательной магнитной оси, имеет более высокую магнитную проницаемость по сравнению с другими зубцами, причем наименьший зубец из зубцов, образующих пазы для основной обмотки, больше наибольшего зубца из зубцов, образующих пазы для дополнительной обмотки. Технический результат - обеспечение более высоких рабочих характеристик однофазного двигателя, в частности, при нагрузке, отличающейся от номинальной. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к однофазному двигателю переменного тока, содержащему статор с образующими зубцы пазами для основной и вспомогательной обмоток. Предусмотрено подключение основной обмотки к источнику питания для создания основного магнитного поля с основной магнитной осью, и подключение вспомогательной обмотки к источнику питания через рабочий конденсатор для создания вспомогательного магнитного поля с вспомогательной магнитной осью.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Двигатель указанного выше типа может представлять собой как обычный асинхронный электродвигатель компрессора так и линейный пусковой двигатель. Рабочий конденсатор обеспечивает 90-градусный фазовый сдвиг между напряжениями основной и вспомогательной обмоток так, что магнитные поля двух обмоток сдвинуты во времени.
Магнитные поля, созданные главной и вспомогательной обмотками, имеют направления, в целом заданные основной и вспомогательной магнитными осями, и их положение зависит от размещения обмоток.
Посредством сложения векторов, основной и вспомогательной осями задан вращающийся вектор, представляющий результирующее магнитное поле с по существу постоянной магнитной индукцией при номинальной нагрузке двигателя.
Для обеспечения оптимального соотношения магнитной индукции и веса двигателя и, следовательно, для получения хороших рабочих характеристик двигателя разработаны статоры, в которых пазы для укладки обмоток имеют разные формы.
В документе GB 887047 представлены статорные пазы, расположенные между первой радиальной осью отверстия, проходящей через угол статорных пластин, и второй радиальной осью отверстия, проходящей через среднюю точку между двумя соседними сердечниками, сформированные с непрерывным увеличением шага статорных зубцов и их ширины, и с непрерывным уменьшением площади поперечного сечения паза и глубины в промежутке между первой и второй осью. Следовательно, изменение размеров пазов зависит от углов статора.
В документах DE 10029549 A1/US 20030178906 A1 изложена теория векторного вращения применительно к двигателям описанного типа и ее раскрытие включено посредством ссылки.
Обычно двигатель предназначен для работы при номинальной нагрузке. При такой нагрузке величина магнитного потока постоянна в течение полного периода напряжения переменного тока, это означает, что основная и вспомогательная обмотки вносят одинаковый вклад в созданное вращающееся магнитное поле и результирующее магнитное поле имеет постоянную магнитную индукцию. Обычно это имеют в виду, когда говорят о симметрии электродвигателя, и это его состояние является предпочтительным.
При отклонении нагрузки от ее номинального значения вклад вспомогательной обмотки не соответствует вкладу основной обмотки, и возникает нарушение симметричности электродвигателя. Поэтому в большинстве случаев предпочтительна работа двигателя при нагрузке, максимально приближенной к ее номинальному значению.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с целью изобретения предложены варианты исполнения двигателя, обладающего более высокими рабочими характеристиками, в частности, при нагрузке, отличающейся от номинальной.
В соответствии с первым аспектом изобретения предусмотрен двигатель указанного выше типа, в котором группа зубцов, расположенных по вспомогательной магнитной оси, имеет более высокую магнитную проницаемость по сравнению с остальными зубцами.
Вследствие этой особенности, за счет более высокой магнитной проницаемости, обеспечена более сильная поддержка вспомогательного магнитного поля, чем основного магнитного поля, а ослабление поля, возникшее в результате подачи питания через рабочий конденсатор, уравновешено большей магнитной проницаемостью.
При возрастании нагрузки двигателя до уровня, превышающего ее номинальное значение, возможно понижение напряжения на вспомогательной обмотке, сопровождающееся возникновением нежелательного фазового сдвига во вспомогательной обмотке с отклонением от идеального значения фазового сдвига, равного 90 градусам. Причина этого состоит в том, что вспомогательная обмотка обычно получает питание через конденсатор, обеспечивающий требуемый и очень близкий к 90 градусам фазовый сдвиг относительно напряжения основной фазы. Это означает, что электропитание вспомогательной обмотки обычно слабее, чем основной. Для компенсации этого явления предпочтительно разместить эти отличные от других зубцы относительно направлений основной и вспомогательной магнитных осей так, чтобы обеспечить наилучшую магнитную проницаемость по вспомогательной магнитной оси, где магнитная сила наиболее чувствительна к ослабленному электропитанию вспомогательной фазы.
В соответствии с изобретением предусмотрены зубцы разных размеров, формы и с разными свойствами материала, с учетом такого их расположения относительно основной и вспомогательной магнитных осей, что разная магнитная проницаемость способствует поддержанию симметричного вращающегося вектора при значениях нагрузки, отличающихся от номинального значения. Таким образом обеспечено улучшение рабочих характеристик электродвигателя в увеличенном диапазоне приложенного крутящего момента.
За основную магнитную ось далее в описании изобретения принята ось, определяющая направление результирующего магнитного поля, созданного ампер-витками основной обмотки, а за вспомогательную магнитную ось принята ось, определяющая направление результирующего магнитного поля, созданного ампер-витками вспомогательной обмотки. При этом величина и направление результирующего магнитного поля, обусловленного ампер-витками основной обмотки заданы основным вращающимся вектором. Аналогично величина и направление результирующего магнитного поля, обусловленного ампер-витками вспомогательной обмотки определены вспомогательным вращающимся вектором.
Суммирование основного и вспомогательного вращающихся векторов дает в результате вектор, именуемый далее «статорным вращающимся вектором», определяющий величину и направление магнитного поля, созданного статором, то есть магнитного поля, определяющего вклад статора во вращение ротора.
Дополнительное магнитное поле создает ротор, поэтому электродвигатель, как таковой, приводится во вращение фактически за счет взаимодействия двух разных систем магнитного поля, а именно магнитного поля, заданного статорным вращающимся вектором, и магнитного поля, созданного ротором.
При этом электродвигатель в соответствии с изобретением рассчитан на номинальную нагрузку, и именно при номинальной нагрузке статорный вращающийся вектор имеет постоянную длину, характеризующую постоянную магнитную индукцию.
В соответствии с изобретением различие значений магнитной проницаемости зубцов использовано для поддержания постоянной магнитной индукции за счет поддержки того из двух вращающихся векторов, основного и вспомогательного, который слабее и поэтому в большей мере подвержен влиянию нагрузки, большей или меньшей номинального значения, а именно вращающегося вектора, сформированного электропитанием, поданным через рабочий конденсатор.
В частности, различие значений магнитных проницаемостей обеспечено за счет выполнения зубцов разной ширины так, что по меньшей мере некоторые зубцы имеют меньшую или большую ширину по сравнению с остальными зубцами или образуют группы зубцов заданной ширины.
При этом за ширину зубца принят размер, перпендикулярный оси, проходящей в радиальном направлении от осевой линии, вокруг которой происходит вращение ротора относительно статора. Если зубцы имеют переменную ширину в зависимости от расстояния от центра, то есть от дна паза до свободного конца зубца, то в этом случае за ширину зубца принята его ширина в средней точке между дном паза и свободным концом зубца, то есть в месте, прилегающем к обмотке, помещенной в паз, или, иначе, за ширину зубца принята его средняя ширина вдоль полной длины зубца, то есть между дном паза и свободным концом зубца.
Различие значений магнитных проницаемостей также, по меньшей мере частично, вызвано различием между полным объемом образующих зубцы пазов для основной обмотки, совпадающей с магнитной осью вспомогательной фазы, и полным объемом образующих зубцы пазов для вспомогательной обмотки, совпадающей с магнитной осью основной фазы.
Различие значений магнитных проницаемостей также, по меньшей мере частично, вызвано различием между средней шириной образующих зубцы пазов для основной и вспомогательной обмоток. Средняя ширина образующих зубцы пазов для основной обмотки, составляет, например, приблизительно 5-15 процентов, 10-13 процентов или 11-12,5 процентов от средней ширины образующих зубцы пазов для вспомогательной обмотки.
Предусмотрена возможность размещения образующих зубцы пазов для основной обмотки в зоне, отнесенной в описании изобретения к «зоне основной обмотки». Эта зона предусмотрена между зубцами основной обмотки, расположенными на противоположных краях зоны основной обмотки. Различие значений магнитных проницаемостей возможно обеспечить за счет постепенного увеличения ширины зубцов в зависимости от расстояния зубцов основной обмотки до центра зоны основной обмотки так, что размер зубцов в зоне основной обмотки по существу больше, чем вне этой зоны.
Самый маленький из этих зубцов, образующих пазы для основной обмотки, больше самого большого зубца из числа зубцов, образующих пазы для вспомогательной обмотки.
Различие значений магнитных проницаемостей также, по меньшей мере частично, вызвано различием свойств материалов образующих зубцы пазов для основной обмотки и свойств материалов зубцов, образующих пазы для вспомогательной обмотки.
Предусмотрена возможность того, что статор образует магнитопровод, расположенный по окружности, охватывающей все пазы, при этом магнитопровод содержит основную часть, находящуюся у основной обмотки, и вспомогательную часть, расположенную у вспомогательной обмотки, причем основная часть магнитопровода обеспечивает меньшую магнитную проницаемость по сравнению со вспомогательной частью. Магнитная проницаемость основной части магнитопровода, например, составляет 80-95 процентов от магнитной проницаемости вспомогательной части магнитопровода при одинаковой ширине основной и вспомогательной частей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее варианты реализации изобретения описаны более подробно со ссылками на следующие чертежи, на которых изображено следующее:
Фиг.1 - известный из предыдущего уровня техники статор, изображен в поперечном разрезе, выполненном перпендикулярно оси вращения;
Фиг.2 - изображение статора и магнитного поля в случае неидеальной нагрузки;
Фиг.3 - статор в соответствии с изобретением, изображен в поперечном разрезе, выполненном перпендикулярно оси вращения;
На Фиг.1 показана статорная пластина 1, которую возможно использовать для изготовления статора однофазного электродвигателя переменного тока. Статорная пластина имеет такую форму, что при сложении пакета из одинаковых пластин происходит образование ряда пазов 2 для укладки обмоток. Пазы разделены зубцами, показанными и обозначенными однократно посредством ссылки 3 на Фиг.1.
Основная обмотка 4 условно изображена в двух из указанных пазов, а вспомогательная обмотка 5 условно изображена в двух других из указанных пазов, при этом в остальные пазы в окончательной конструкции также уложены обмотки, но в целях упрощения на чертеже показаны только восемь пазов с обмотками.
Обычно предусмотрено подключение основной обмотки непосредственно к источнику питания, не показанному на чертеже, в то время как вспомогательная обмотка выполнена с возможностью подключения к источнику питания через рабочий конденсатор, обеспечивающий фазовый сдвиг.
При подключении основной обмотки к источнику питания она создает магнитное поле с основной магнитной осью, отображенное вектором 6.
При подключении вспомогательной обмотки к источнику питания через рабочий конденсатор она создает вспомогательное магнитное поле с вспомогательной магнитной осью, отображенное вектором 7.
Основное и вспомогательное магнитные поля образуют результирующее магнитное поле. Результирующее магнитное поле возможно отобразить посредством суммирования векторов, а для обозначения результирующего вектора 8 в описании изобретения использован термин «вращающийся вектор». Вращающийся вектор представляет магнитное поле, имеющее по существу постоянную магнитную индукцию при работе двигателя на номинальной нагрузке, то есть при расчетной рабочей нагрузке электродвигателя. На чертеже, показанном на Фиг.1, основное и вспомогательное магнитные поля и вращающийся вектор показаны в разные моменты времени, и поэтому изображенный вращающийся вектор не представляет собой результат векторного суммирования показанных векторов основного и вспомогательного магнитных полей. Вращающийся вектор 8 определен векторным суммированием векторов основного и вспомогательного магнитных полей в определенный момент времени.
В показанном варианте реализации изобретения пазы расположены вокруг отверстия 9. Это отверстие предусмотрено под установку ротора, функционирующего в качестве внутреннего ротора. Изобретение также возможно использовать в конструкциях с внешним ротором, в которых зубцы и, следовательно, пазы обращены в радиальном направлении наружу в сторону ротора, вращающегося вокруг статора.
На Фиг.2 изображен электродвигатель описанного типа, работающий с нагрузкой, превышающей номинальное значение. В этом случае происходит изменение длины вращающегося вектора по мере вращения поля, и в результате, как показано на чертеже, перемещение конца вращающегося вектора 8 происходит по эллипсу. Такая ситуация является нежелательной.
На Фиг.3 статор в соответствии с изобретением изображен в поперечном разрезе, выполненном перпендикулярно оси вращения. В этом статоре зубцы имеют переменную ширину так, что зубцы, находящиеся у основной обмотки, то есть расположенные по вспомогательной магнитной оси, шире, чем зубцы у вспомогательной обмотки, расположенные по основной магнитной оси. На Фиг.3 два самых широких зубца обозначены цифрой 10, а два самых узких - цифрой 11.
За счет более высокой результирующей магнитной проницаемости в направлении вспомогательной магнитной оси обеспечено улучшение работы двигателя при неидеальной нагрузке, то есть, при значениях нагрузки, отличных от номинального значения.
1. Однофазный двигатель переменного тока, содержащий статор (1) с образующими зубцы (3) пазами (2) для основной обмотки (4) и пазами для вспомогательной обмотки (5), основную обмотку (4), выполненную с возможностью подключения к источнику питания переменного тока для создания основного магнитного поля с основной магнитной осью, и вспомогательную обмотку, выполненную с возможностью подключения к источнику питания через рабочий конденсатор для создания вспомогательного магнитного поля с вспомогательной магнитной осью, причем указанные основная и вспомогательная оси посредством векторного суммирования задают вращающийся вектор (8), представляющий результирующее магнитное поле с, по существу, постоянной магнитной индукцией при работе двигателя на номинальной нагрузке, отличающийся тем, что группа зубцов (10), расположенная по вспомогательной магнитной оси, имеет более высокую магнитную проницаемость по сравнению с другими зубцами, причем наименьший зубец из зубцов, образующих пазы для основной обмотки, больше наибольшего зубца из зубцов, образующих пазы для вспомогательной обмотки.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что различие значений магнитных проницаемостей обеспечено, по меньшей мере частично, за счет разной ширины, по меньшей мере, некоторых зубцов.
3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что различие значений магнитных проницаемостей обеспечено, по меньшей мере частично, за счет различия между полным объемом образующих зубцы пазов для основной обмотки, соответствующей магнитной оси для вспомогательной фазы, и полным объемом образующих зубцы пазов для вспомогательной обмотки, соответствующей магнитной оси для основной фазы.
4. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что различие значений магнитных проницаемостей обеспечено, по меньшей мере частично, за счет различия между средней шириной образующих зубцы пазов для основной обмотки и средней шириной образующих зубцы пазов для вспомогательной обмотки.
5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что средняя ширина образующих зубцы пазов для основной обмотки составляет приблизительно 5-15 процентов относительно средней ширины образующих зубцы пазов для вспомогательной обмотки.
6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что образующие зубцы пазы для основной обмотки расположены в зоне основной обмотки между зубцами основной обмотки, расположенными на противоположных краях зоны основной обмотки, причем зубцы выполнены с постепенным увеличением ширины в зависимости от расстояния зубцов основной обмотки до центра зоны основной обмотки.
7. Двигатель по любому из пп.1, 2, 5, 6, отличающийся тем, что различие значений магнитных проницаемостей обеспечено, по меньшей мере частично, различием между свойствами материалов образующих зубцы пазов для основной обмотки и материалов образующих зубцы пазов для вспомогательной обмотки.
8. Двигатель по любому из пп.1, 2, 5, 6, отличающийся тем, что статором образован магнитопровод, расположенный по окружности, охватывающей все пазы, при этом магнитопровод содержит основную часть, расположенную у основной обмотки, и вспомогательную часть, расположенную у вспомогательной обмотки, причем за счет вспомогательной части магнитопровода обеспечена более высокая магнитная проницаемость, чем за счет основной части магнитопровода.
9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что проницаемость основной части магнитопровода составляет 80-95 процентов от магнитной проницаемости вспомогательной части магнитопровода.
10. Двигатель по любому из пп.1, 2, 5, 6, 9, отличающийся тем, что в статоре сформирован ряд групп зубцов, при этом в одной группе зубцы имеют одинаковую ширину, отличающуюся от ширины зубцов другой группы.
