RU2088027C1

RU2088027C1 - Three-phase electric motor

Info

Publication number: RU2088027C1
Application number: RU93048245A
Authority: RU
Inventors: Юрий Васильевич Смирнов
Original assignee: Юрий Васильевич Смирнов
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1993-10-18
Publication date: 1997-08-20

Abstract

FIELD: industry, transport, construction. SUBSTANCE: device has two three-phase magnetic systems which are located so that each phase of first magnetic system corresponds to next phase of second magnetic system. EFFECT: increased power, improved power consumption. 10 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к трехфазным электродвигателям, и может быть эффективно использовано в промышленности, транспорте, строительстве и др. отраслях. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to three-phase electric motors, and can be effectively used in industry, transport, construction and other industries.

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. Known three-phase asynchronous motors having a stator with a distributed winding and a squirrel-cage rotor using the principle of a rotating magnetic field [1] The main disadvantage of such electric motors is the combination of heterogeneous EMF guidance functions in the rotor winding in one magnetic system and the creation of a working magnetic flux, to obtain an acceptable value electromagnetic force requires a significant working magnetic flux, which is forced to induce a large EMF in the conductors of the rotor winding. Therefore, based on the permissible linear load, a conductive material with a high specific electrical resistance is used in the rotor windings, and with a decrease in the rotor diameter, the space for placing the winding and the specific electromagnetic force are reduced. Another disadvantage of traditional asynchronous electric motors is the departure of the frontal parts of the stator winding, which significantly increases the axial dimension of the motors and the consumption of conductive material.

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. The closest in technical essence is a cylindrical linear asynchronous electric motor containing an armature with an alternating structure of a conductive and ferromagnetic material, an inductor with separate phase longitudinal magnetic circuits having concentrated windings [2] In this electric motor, pulsating magnetic fluxes generated by phase magnetic circuits interact with currents in conductors anchors, and the currents caused by the magnetic flux of each phase propagate into the area of magnetic flux dr ih phases. The disadvantage of this electric motor, as well as the motors according to [1], is the combination of EMF guidance functions in the armature conductors in one magnetic system and the creation of working magnetic fluxes interacting with these currents.

Целью изобретения является увеличение габаритной мощности и улучшение энергетических характеристик электродвигателя. The aim of the invention is to increase the overall power and improve the energy characteristics of the electric motor.

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). This goal is achieved by the fact that the electric motor contains two three-phase magnetic systems, one of which serves to induce the EMF in the conductors of the rotor (armature), and the other to create working pulsating magnetic fluxes interacting with the currents generated by the above-mentioned EMF. The proposed structure of the electric motor allows you to optimize each magnetic system, based on its functional purpose. The first magnetic system covers a small part of the active area of the rotor (anchor) and therefore induces an EMF in the conductors of the rotor (anchor) of such a magnitude that allows these conductors to be copper, reduce the volume of conductors and increase the permissible linear load. The second magnetic system develops magnetic induction in the air gap, limited only by the saturation of the magnetic circuit, with only one air gap in the path of each working magnetic flux, which reduces the necessary value of the magnetizing force and energy consumption. The proposed electric motor allows the smallest possible air gap, and the absence of the protrusion of the frontal parts of the stator winding allows for the same dimension to extend the rotor package (active armature length) and increase the area of the active surface of the rotor (armature).

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. Figure 1 shows the electrical circuit for turning on the electric motor when powered by a power frequency network, and in figure 2 a vector diagram of magnetic fluxes, EMF and currents in the rotor winding corresponding to this circuit. In FIG. 3, 4, and 5 show longitudinal and transverse views of a rotational electric motor. 6 and 7 are transverse and longitudinal views of a linear electric motor. On Fig shows time diagrams of the interacting working magnetic flux and rotor currents at an industrial frequency, as well as the electromagnetic forces created by them. Figure 9 shows the electrical circuit for turning on the electric motor when the current is increased frequency, and figure 10 is the corresponding vector diagram of magnetic fluxes, EMF and currents in the rotor winding.

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. In the diagram of figure 1, the phase windings 1, 2 and 3 of the magnetic systems MS1 and MS2 of the electric motor are connected in a "star". Direct and reverse connection of motor windings is carried out by magnetic starters KM1 and KM2.

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.In FIG. Figure 2 shows a vector diagram with the direct inclusion of phase windings (contacts KM1 closed). The following conventions are used in the diagram: φ ₁₁ , φ ₂₁ and φ ₃₁ magnetic flux generated by MC1; φ ₁₂ , φ ₂₂ and φ ₃₂ magnetic flux generated by MC2; E ₂₁ , E ₂₂ and E ₂₃ phase EMF of the rotor winding; I ₂₁ , I ₂₂ and I ₂₃ phase rotary currents. When designing an industrial frequency electric motor, at start-up or nominal operation, the phase angle between the EMF and the current in the rotor winding is 30 degrees, while the interacting working magnetic fluxes and currents in the rotor winding coincide in phase, which determines the maximum possible and unchanged in time value of the resulting electromagnetic force.

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. The rotational motion electric motor (FIGS. 2, 4 and 5) contains a non-magnetic housing 1, in which the inductors 2 and 3 of the magnetic systems MC1 and MC2 are located, in the grooves of which are concentrated windings 4 and 5. respectively, and the squirrel-cage rotor package 6 is fixed on the motor shaft copper winding 7. At the ends of the rotor package there are insulating washers 8 and copper washers 9 to which the leads of the rotor winding conductors are attached. At the poles of the inductors, phase numbers are indicated for the case of power supply with an industrial frequency current.

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. The linear electric motor (Fig. 6 and 7) includes inductors 1 and 2 of the magnetic systems MC1 and MC2 with concentrated windings 3 and 4. The anchor is supported by a steel pipe 5, on which the package of the anchor 6 is wound. The package 6 is worn alternatingly , steel rings 7 and copper rings 8. The phase numbers for the case of power supply with an industrial frequency current are indicated on the inductors.

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). The electric motor operates as follows. When connecting the inductor windings to a three-phase network, the pulsating magnetic flux generated by MC1 covers the conductors of the rotor winding (armature) and induces EMF into them, under the action of which currents interacting with the pulsating magnetic flux generated by MC2 pass through the short-circuited winding. The mutual arrangement of the poles of the magnetic systems MS1 and MS2 is such that when the windings are supplied with industrial frequency currents, each phase of MS1 corresponds to the next phase in the forward or reverse sequence MC2, causing phase matching of the corresponding rotor currents and working magnetic fluxes (figure 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.The resulting electromagnetic force of the electric motor at the industrial frequency of alternating current and the direct sequence of switching on the windings (Fig. 8) has the form:

where m is the number of phases, n is the number of poles per phase of the MS2 system; D _p - the diameter of the rotor (anchor); φ _{m2 is the} amplitude value of the phase magnetic flux; I _{2m is the} amplitude value of the phase current of the rotor.

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.We take into account that

where k is the number of poles per phase of the MC1 system; In _m1 and B _m2 - respectively, the maximum values of magnetic induction in the air gap of the systems MC1 and MC2; l ₁ and l ₂ axial dimensions of the inductors of the MC1 and MC2 systems; R ₂ and X ₂ active and inductive phase resistance of the rotor; f AC frequency. Substituting (2) and (3) in (1), for the specific electromagnetic force we find:

where l is the axial size of the rotor package (active armature length). With the real value of the parameters from (4) for the rotational motion electric motor and the linear electric motor, we respectively have:

The specific electromagnetic force of the proposed electric motor is proportional to the frequency of the alternating current, the length of the rotor (active length of the armature) and inversely proportional to the active resistance of the phase of the rotor. Thus, the proposed motor is most effective when using copper windings of the rotor and an increased frequency of alternating current, and structurally with an elongated rotor.

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. From the diagram of FIG. 8 it follows that the time of the alternating current period each pulsating electromagnetic force twice passes through a maximum. Therefore, the synchronous rotational speed of the electric motor rotor is 240 f / n rpm, and the steady-state value of the idle speed of the linear electric motor is 4τf m / s, where τ is the pole division of the MC2 system.

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.In the electrical circuit of FIG. 9, the windings 12, 23 and 31 of the magnetic system MS2 are connected in a “triangle”; respectively, in the vector diagram of figure 10 are indicated: f ₂₁₂ , φ ₂₂₃ and φ ₂₃₁ magnetic flux created by MC2. The remaining vectors have the same notation as in figure 2. When designing electric motors of increased frequency during starting or nominal operation, a phase angle between the EMF and the current in the rotor winding is 60 ^° , while the interacting working magnetic fluxes and currents in the rotor winding coincide in phase (Fig. 10), which determines the maximum possible constant value of the resulting electromagnetic force. The calculation of the resulting electromagnetic force is identical to the above.

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. The design of the proposed electric motor is simple and technological. The separation of the magnetic circuit of the electric motor into two systems allows them to be optimized based on functional requirements. Reducing the air gap to the lowest possible value, the use of copper conductors in the rotor winding (armature), increasing the magnetic induction in the air gap can increase the overall power and improve the energy performance of the electric motor. The greatest efficiency is achieved with electric motors powered by high frequency current. The convenient layout of the linear electric motor determines the minimum axial dimension of the stator and the smallest possible overall power.

Claims

A three-phase electric motor containing a stator with longitudinal magnetic circuits, in the grooves of which are concentrated windings and a squirrel-cage rotor (armature), characterized in that it has two three-phase magnetic systems, and the relative positions of the poles of the inductors of the magnetic systems are such that each phase of the first magnetic system corresponds to the next phase in the forward or reverse sequence of the second magnetic system.